ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΙΝΔΥΝΩΝ ΠΥΡΚΑΓΙΑΣ ΜΕ ΤΗ ΒΟΗΘΕΙΑ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΤΟΥ ΚΑΙΡΟΥ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ
Από RemoteSensing Wiki
Combined use of weather forecasting and satellite remote sensing information for fire risk, fire and fire impact monitoring
Συγγραφείς: Wolfgang Knorr 1,2 , Ioannis Pytharoulis1, George P. Petropoulos2,3, Nadine Gobron4
1Department of Meteorology and Climatology, School of Geology, Aristotle University of Thessaloniki, 54124 Thessaloniki,Greece
2Department of Earth Sciences, University of Bristol, Wills Memorial Building, Queens Road, BS8 1RJ, Bristol, UK
3Foundation for Research and Technology, Institute of Applied and Computational Mathematics, N. Plastira 100, 71110,Heraklio, Greece
4Global Environmental Monitoring Unit, Institute for Environment and Sustainability, European Commission Joint Research Center, Ispra, Italy
Received 31 January 2011; Accepted 3 February 2011; Published online 15 June 2011
IAEES
Πηγή: http://www.iaees.org/publications/journals/ces/articles/2011-1(2)/Combined-use-of-weather-forecasting-and-satellite.pdf
1) Αντικείμενο Εφαρμογής
Αντικείμενο της μελέτης αυτή είναι οι πυρκαγιές, η πρόβλεψη τους και ο έλεγχος τους. Η μελέτη αυτή προτείνει ότι ο συνδυασμός κατάλληλων δεικτών κινδύνου με περιφερειακές προβλέψεις καιρού είναι ένα σημαντικό εργαλείο έγκαιρης προειδοποίησης για την προστασία των δασών και άλλων φυσικών οικοσυστημάτων οι οποίες είτε δεν έχουν ακόμη επηρεαστεί από τη φωτιά ή επιδέχονται αναδάσωση μετά από μια παλαιότερη φωτιά. Οι τοπικές μετεωρολογικές συνθήκες και η κατάσταση και πυκνότητα της βλάστησης είναι σημαντικοί παράγοντες που μπορούν να εκτιμηθούν και να χρησιμοποιηθούν για να προβλεφθεί μια δασική πυρκαγιά. Επιπλέον η αποκατάσταση δασικών περιοχών που έχουν επηρεαστεί από πυρκαγιές χρειάζεται να συνδυαστεί με τη μελλοντική προστασία τους από ανανεωμένες καταστροφικές πυρκαγιές, όπως εκείνες που έλαβαν χώρα στην Ελλάδα κατά τη θερινή περίοδο του 2007.
2) Σκοπός Εφαρμογής
Ο σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν να δείξει πόσο εύκολα διαθέσιμα δεδομένα μπορούν να συνδυαστούν ώστε να δώσουν μια κατανοητή εικόνα κινδύνου πυρκαγιάς, για το συμβάν και τη μετά το συμβάν αξιολόγηση για μια συγκεκριμένη περιοχή μελέτης στη Μεσόγειο.
Η παρούσα εργασία υποδεικνύει ότι η χρήση διαφόρων πηγών δορυφορικών δεδομένων σε συνδυασμό με πληροφορίες πρόβλεψης καιρού μπορεί να παράσχει πολύτιμες πληροφορίες για το χαρακτηρισμό κινδύνου πυρκαγιάς, με σκοπό την προστασία των Ελληνικών εθνικών δασικών περιοχών. Η μελέτη αυτή δείχνει ότι ευνοϊκές μετεωρολογικές συνθήκες συνεισέφεραν στο ξέσπασμα πυρκαγιών τις ημέρες των ασυνήθιστα καταστροφικών πυρκαγιών στην Πελοπόννησο, όπως και στην Εύβοια στα τέλη του Αυγούστου 2007. Κατά τις ημέρες εκείνες, η Ελλάδα βρισκόταν ανάμεσα σε ένα εκτεταμένο σύστημα υψηλών πιέσεων στην Κεντρική «Ευρώπη και ένα σύστημα χαμηλών πιέσεων στη Μέση Ανατολή. Ο συνδυασμός τους προκάλεσε ισχυρούς βορειο-βορειοανατολικούς ανέμους στο Αιγαίο. Σαν αποτέλεσμα, δυνατοί άνεμοι σημειώθηκαν επίσης στις περιοχές της Εύβοιας και της Πελοποννήσου, ειδικά στις ορεινές περιοχές. Η ανάλυση των δορυφορικών εικόνων που δείχνουν καπνό που προέρχεται από τις φωτιές συμφωνεί με τα αποτελέσματα των καιρικών προγνώσεων. Μια περαιτέρω ανάλυση χρησιμοποιώντας το δείκτη FAPAR (το κλάσμα της απορροφώμενης φωτοσυνθετικής ενεργής ακτινοβολίας) σαν δείκτη ενεργής βλάστησης δείχνει την έκταση της καταστροφής που προκλήθηκε από τη φωτιά. Η θέση των καμένων περιοχών συμπίπτει με εκείνη των ενεργών πυρκαγιών που ανιχνεύτηκαν στην προηγούμενη δορυφορική εικόνα. Χρησιμοποιώντας το ετήσιο μέγιστο FAPAR σαν δείκτη περιφερειακής πυκνότητας βλάστησης, βρέθηκε ότι μόνο περιοχές με σχετικά υψηλό FAPAR κάηκαν.
3) Δεδομένα και Μέθοδοι
3.1) Το μοντέλο πρόγνωσης καιρού SKIRON
Το μοντέλο SKIRON που ενσωματώθηκε στις εγκαταστάσεις του DMC-AUTH παράγει προγνωστικά καιρού σε καθημερινή βάση χρησιμοποιώντας αρχικές και οριακές συνθήκες με χωρική διακριτική ικανότητα 0,5ο x0,5ο στα 26 ισοβαρή επίπεδα από τον κύκλο 1200UTC του παγκόσμιου μοντέλου NCEP/GFS. Για το λόγο αυτό, μόνον ένας προγνωστικός κύκλος (1200 UTC) του SKIRON είναι διαθέσιμος κάθε ημέρα. Οι θερμοκρασίες επιφανείας θάλασσας (OSSTs) οι οποίες ανανεώνονται καθημερινά παρέχονται επίσης από το NCEP σε μια διακριτική ικανότητα 0,5ο x 0,5ο . Η στατιστική ανάλυση των προαναφερθέντων προγνωστικών που παρήχθησαν από τον Ιούνιο 2007 έως τον Απρίλιο 2009 σε 21 επιφανειακούς μετεωρολογικούς σταθμούς που καλύπτουν την Ελλάδα έδειξαν ότι το μοντέλο SKIRON παρουσιάζει μια εκπληκτική διατήρηση της ικανότητας του καθ΄ όλη την προγνωστική περίοδο (Pytharoulis, 2009). Τα λειτουργικά προγνωστικά του SKIRON που παρήχθησαν στο DMC-AUTH είναι ελεύθερα διαθέσιμα στο Internet, με τη μορφή χαρτών και χρονοσιερές, μέσω της ιστοσελίδας του τμήματος (http://meteo.geo.auth.gr), ενώ εκείνα του AM&WFG γίνονται επίσης διαθέσιμα μέσω της ιστοσελίδας του (http://forecast.uoa.gr).
3.2) Δορυφορικές Παρατηρήσεις από AVHRR και MERIS
Ο αισθητήρας AVHRR τοποθετείται επάνω στη σειρά NOAA ηλιο-συγχρονισμένων δορυφορικών πλατφόρμων που σχεδόν βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τους πόλους. Καταγράφει πληροφορίες σε πολλά φασματικά κανάλια ανάμεσα στο ορατό και το θερμικό υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, με μια διακριτική ικανότητα σχεδόν 1 χλμ. Τα κύρια πλεονεκτήματα του AVHRR περιλαμβάνουν το γεγονός ότι τα δεδομένα είναι ελεύθερα και η σχεδόν συνεχόμενη παγκόσμια κάλυψη από τον Ιούνιο του 1981. Οι τροχιές των δορυφόρων σχεδιάζονται για να επιτρέψουν κάλυψη της Γης δύο φορές την ημέρα ανά τροχιακή πλατφόρμα. Επί του παρόντος, υπάρχουν πέντε δορυφορικές πλατφόρμες όπου οι αισθητήρες AVHRR είναι τοποθετημένοι (πιο πρόσφαταο NOAA-19, ο οποίος μπήκε σε τροχιά στις 12 Φεβρουαρίου 2009) και λειτουργούν σε τροχιές σχετικά χαμηλού ύψους.
Το δορυφορικό όργανο MERIS τοποθετήθηκε πάνω στην πλατφόρμα ENVISAT, που εκτοξεύτηκε από την Ευρωπαϊκή Διαστημική υπηρεσία (ESA). Τα δεδομένα MERIS με μια διακριτική ικανότητα 1,2χλμ, καλύπτοντας ολόκληρη την επιφάνεια της Γης σε 3 ημέρες, καταγράφουν πληροφορίες σε 15 φασματικά κανάλια από την ορατή και σχεδόν-υπέρυθρη ακτινοβολία του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Τα δεδομένα MERIS που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη αυτή περιλάμβαναν το προϊόν FAPAR, το οποίο υπολογίζεται από τις φασματικές πληροφορίες που καταγράφονται στις μπλε, κόκκινες και σχεδόν-υπέρυθρες περιοχές του ηλςκτρομαγνητικού φάσματος, χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία που πρότεινε ο Gobron κ.ά., (1999). Πρέπει να σημειωθεί ότι ο FAPAR δείχνει την παρουσία της βλάστησης και την απορρόφηση της φωτοσυνθετικής ενεργής ακτινοβολίας από τα πράσινα (υγιή) φύλλα σε σύγκριση με το έδαφος, τους κορμούς και τα ξεραμένα φυτικά υλικά. Όπως υποδεικνύεται από μια μελέτη βασισμένη στην σύγκριση ενός μοντέλου βλάστησης χρησιμοποιώντας FAPAR (Knorr κ.ά., 2007), ο FAPAR μειώνεται σε περίπτωση ελάττωσης της υγρασίας εδάφους και για το λόγο αυτό ο συγκεκριμένος είναι επίσης κατάλληλος και ως δείκτης ξηρασίας.
3.3) Επεξεργασία δεδομένων και ανάλυση
Στην παρούσα μελέτη, οι ημερήσιες προβλέψεις του SKIRON με ένα εύρος προβλέψεων 12 με 35 ώρες σε μία περίοδο 21 με 31 Αυγούστου 2007 αναλύθηκαν ανά μια ώρα. Οι πρώτες 12 προγνωστικές ώρες δεν χρησιμοποιήθηκαν ώστε να αποφευχθεί το spin-up του μοντέλου. Στην ανάλυση του ίχνους καπνού που παραγόταν από την πυρκαγιά, τα φασματικά κανάλια 1-4 του AVHRR χρησιμοποιήθηκαν. Για το σκοπό αυτόν οι διαθέσιμες εικόνες AVHRR LAC (Local Area Coverage) ανασύρθηκαν από το NOAA (http://www.nsof.class.noaa.gov/saa/products/) καλύπτοντας την περιοχή ενδιαφέροντος. Εφαρμόστηκε βασική προ-επεξεργασία στις εικόνες εκείνες (γεωμετρική διόρθωση, μετατροπή των ψηφιακών τιμών pixel σε ανάκλαση στο υψηλότερο επίπεδο της ατμόσφαιρας) χρησιμοποιώντας το εμπορικά διαθέσιμο λογισμικό επεξεργασίας εικόνας ENVI (έκδοση 4.5). Τα δεδομένα FAPAR με τη σειρά τους επεξεργάστηκαν σύμφωνα με τη μέθοδο Gobron κ.ά. (1999) βάσει των εικόνων του αισθητήρα MERIS (διακριτική ικανότητα 1χλμ). Η παρούσα ανάλυση βασίζεται στις σύνθετες εικόνες για μια περίοδο 10 ημερών, λεπτομέρειες μπορούν να βρεθούν στο Gobron κ.ά. (2007).
4) Αποτελέσματα
Η ανάλυση μετεωρολογικών δεδομένων αποκαλύπτει ότι ο χειμώνας που προηγήθηκε του καλοκαιριού 2007 ήταν υπερβολικά ξηρός στην Ελλάδα. Ανάμεσα στο Νοέμβριο 2006 και τον Ιανουάριο 2007 τα ποσά βροχόπτωσης ήταν πολύ χαμηλότερα από την κανονική κλιματολογία (σχ. 2, πηγή: GPCP2008). Το σχήμα 2 δείχνει τις 24-ωρες προβλέψεις των συνθηκών ανέμων σε ένα ύψος 10μ για ολόκληρη τη νότια ηπειρωτική χώρα της Ελλάδα, έγκυρες κάθε απόγευμα στις 12:00 UTC από τις 22 ως τις 27 Αυγούστου. Η ανάλυση ανέμου δείχνει την παρουσία δυνατών ανέμων στην Εύβοια, την Αττική και την ανατολική Πελοπόννησο από τις 23 Αυγούστου (>10m/s), όπως και στην Δυτική Πελοπόννησο από τις 24 Αυγούστου, παραμένοντας σχετικά σταθεροί σε μια χρονική περίοδο 24 ωρών. Οι ίδιες συνθήκες επικρατούσαν μέχρι τις 25 Αυγούστου και στις ορεινές περιοχές η ταχύτητα του ανέμου έφτανε τα 12-15 m/s. Ωστόσο, στις 26 Αυγούστου η ταχύτητα του ανέμου δεν ξεπερνούσε τα 5 km/s κοντά στις φωτιές. Αυτή η κατάσταση συνεχίστηκε και τις επόμενες ημέρες. Την ίδια στιγμή, οι δυνατοί άνεμοι στο Αιγαίο παρέμειναν ανατολικά της περιοχής ενδιαφέροντος.
Είναι ξεκάθαρο ότι οι δυνατοί άνεμοι έπρεπε να επεκταθούν δυτικά και να γυρίσουν βόρειο -βορειοανατολικά, πριν προκληθεί το ξέσπασμα της φωτιάς. Η γενικά ξηρή φύση των αέριων μαζών που έρχονταν από ην Ανατολική Ευρώπη συνεισέφεραν επίσης στην ανάπτυξη μιας κατάστασης υψηλού κινδύνου πυρκαγιάς. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3α, πέντε μεγάλες και αρκετές μικρότερες φωτιές ήταν ενεργές στις 25 Αυγούστου.
Ένα κέντρο χαμηλού γεωδυναμικού ύψους εμφανίστηκε στην ανατολική Μεσόγειο, ενώ μια εκτεταμένη περιοχή αντικυκλωνικής κυκλοφορίας επικρατούσε στην κεντρική Ευρώπη. Την ίδια στιγμή η Ελλάδα βρισκόταν ανάμεσα σε πολύ θερμές αέριες μάζες από τη Μέση Ανατολή και μια ζώνη ψυχρότερων αέριων μαζών από τη νοτιο-δυτική Ευρώπη. Αυτές οι συνοπτικές συνθήκες οδήγησαν στη δημιουργία μιας βορειο-ανατολικής ροής στην κεντρική και νότια Ελλάδα σε ένα επίπεδο 850 hPa (περίπου 15.900μ). Ωστόσο κοντά στο έδαφος βόρειοι και βορειο-ανατολικοί άνεμοι επικρατούσαν στο κεντρικό Αιγαίο και την Πελοπόννησο αντίστοιχα (Σχ.2). Δορυφορικές εικόνες επεξεργασμένων δορυφορικών δεδομένων από το ραδιόμετρο AVHRR παρουσιάζονται εδώ επίσης. Επιβεβαιώνουν την επικρατούσα κατεύθυνση του ανέμου μέσα από τον καπνό που προερχόταν από δέκα ξεχωριστές εστίες σε μία μόνο μέρα του Αυγούστου (Σχ.3α). Η τοποθεσία των ενεργών εστιών που διακρίνονται στα δεδομένα από το δορυφόρο συνάδουν επίσης με τους δυνατούς ανέμους που είχε προβλέψει το μοντέλο SKIRON (Σχ.2). Εντέλει, το Σχ. 3β δείχνει το μέγιστο FAPAR κατά το 2007 όπως προκύπτει από συντεθειμένα στοιχεία MERIS δέκα ημερών. Ενώ ο FAPAR ποικίλλει μέσα στο χρόνο ανάλογα με τη θερμοκρασία και την ξηρασία (Knorr κ.ά.,2007) η μέγιστη τιμή του είναι ένας κατάλληλος δείκτης της κυριαρχούσας μορφής βλάστησης στην περιοχή. Η ανάλυση δείχνει έτσι μια περιοχή πιο έντονης βλάστησης στη Δυτική Πελοπόννησο, στην περιοχή των πιο καταστροφικών πυρκαγιών, σε αντίθεση με τις βραχώδεις περιοχές της Ανατολικής Πελοποννήσου που δείχνουν χαμηλότερο FAPAR. Παρά τους δυνατούς ανέμους καμία φωτιά δεν ανιχνεύτηκε στην περιοχή αυτή.
Εκτός από την ταυτοποίηση περιοχών υψηλού κινδύνου πυρκαγιάς, τα πεδία FAPAR είναι επίσης κατάλληλα για την ανίχνευση καμένων περιοχών (Σχ.4). Σαν αποτέλεσμα της μείωσης της πράσινης βιομάζας λόγω της φωτιάς που πέρασε πάνω από την περιοχή, η τιμή FAPAR μειώθηκε πάνω από μεγάλες περιοχές, ιδιαίτερα στην κεντρική και δυτική Πελοπόννησο και την Εύβοια. Η θέση αυτών των περιοχών συνάδει με τη γεωγραφική θέση των πυρκαγιών που παρουσιάζονται στο Σχ.4 και μπορούν να ταυτοποιηθούν από τον καπνό.
5) Αξιολόγηση μεθόδου
Όλα τα δεδομένα που παρουσιάστηκαν θα μπορούσαν εύκολα να ενσωματωθούν σε ένα σύστημα προειδοποίησης πυρκαγιάς. Αυτά είναι: τα δεδομένα μετεωρολογικού σταθμού, οι ωριαίες βραχυπρόθεσμες προβλέψεις καιρού, οι ημερήσιες εικόνες AVHRR, και τα 10-ήμερα σύνθετα FAPAR . Προτείνουμε χρήση των δεδομένων με την ακόλουθη σειρά:
1)FAPAR δεδομένα θα έπρεπε να χρησιμοποιούνται για να δηλώσουν περιοχές αρκετά υψηλής κάλυψης βλάστησης ενδεικτικής ύπαρξης καύσιμου φορτίου για πυρκαγιά.
2)Τα δεδομένα των σταθμών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ελέγξουν συνθήκες ξηρασίας. Οι ιδιαίτερα ξηροί χειμώνες σε συνδυασμό με υψηλό φορτίο καύσης οδηγούν σε υψηλό κίνδυνο πυρκαγιάς.
3)Συνήθως, και οι δυο συνθήκες δεν είναι επαρκείς για να προκαλέσουν πράγματι φωτιά. Στην ανάλυση αυτή ο άνεμος παίζει ένα βασικό ρόλο. Ωριαία δεδομένα πρόγνωσης καιρού μπορούν να χρησιμοποιηθούν ώστε να προβλεφθούν τέτοιες συνθήκες ανέμου σε περιοχές υψηλού κινδύνου.
4)Υπό αυτές τις συνθήκες πιθανούς πυρκαγιάς, οι ενεργές εστίες μπορούν να ανιχνευτούν χρησιμοποιώντας εικόνες AVHRR που είναι ελεύθερα διαθέσιμες. Η κατεύθυνση του ανέμου μπορεί επίσης να αναχθεί από τις εικόνες αυτές και να συγκριθεί με τις προβλέψεις καιρού.
5)Περαιτέρω δεδομένα προβλέψεων καιρού και δεδομένα AVHRR μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ελέγχουν τον καιρό που είναι επιρρεπής σε πυρκαγιές και την ύπαρξη πυρκαγιών.
6)Αφού έχουν σβήσει οι φωτιές, τα σύνθετα δεδομένα FAPAR μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εκτιμηθεί η αλλαγή της βλάστησης μετά τη φωτιά. Οι πληροφορίες αυτές είναι χρήσιμες για την σωστή κατεύθυνση προσπαθειών αναδάσωσης όπως και να λειτουργήσουν ως εκτίμηση κινδύνου για κατολισθήσεις και πλημμύρες εξαιτίας της μειωμένης ικανότητας κατακράτησης υδάτων στις απογυμνωμένες περιοχές.
Η εργασία αυτή δείχνει τη χρησιμότητα του FAPAR που προέρχεται από το δορυφόρο όπως και τα δεδομένα από τον αισθητήρα AVHRR, για τον έλεγχο της γενικότερης κατάστασης της βλάστησης, τις ενεργές εστίες, την κατεύθυνση των ανέμων και επομένως την κατεύθυνση του μετώπου της φωτιάς παρατηρώντας τον καπνό. Μετά την κατάσβεση της φωτιάς τα παραπάνω δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν περαιτέρω για τον έλεγχο των κατεστραμμένων περιοχών.
Συγκεκριμένα, πρέπει να σημειωθεί ότι τα δεδομένα από το ραδιόμετρο AVHRR διατίθενται με μηδενικό κόστος και σε υψηλή χρονική διακριτική ικανότητα που επιτρέπει τον έλεγχο των καιρικών συνθηκών, που βοηθούν το ξέσπασμα φωτιάς όπως και τη φυσική αναγέννηση των πληγεισών περιοχών.
Τελικά, είναι σημαντικό να αναφέρουμε ότι σύμφωνα με την ανάλυση αυτή, βασισμένη μόνο στα μετεωρολογικά δεδομένα, οι συνθήκες έμοιαζαν παρόμοιες και στην ανατολική και τη Δυτική Πελοπόννησο. Ωστόσο, μόνο περιοχές του Δυτικού τμήματος της Πελοποννήσου κάηκαν (Gitas κ.ά.,2008). Η ανάλυση των δεδομένων του δορυφόρου αποκάλυψε την ίδια στιγμή ότι οι ανατολικές περιοχές είχαν σημαντικά μικρότερες τιμές FAPAR, εξαιτίας της λιγότερο πυκνής βλάστηση, και ότι καμιά φωτιά δεν ξέσπασε εκεί. Τέτοια αποτελέσματα επιβεβαιώνουν τα συμπεράσματα μιας έρευνας η οποία διεξήχθη στη βόρειο Αυστραλία. Η έρευνα αυτή έδειξε μέσα από λεπτομερή ανάλυση καμένων περιοχών με συνθήκες κλίματος και καλλιεργειών (Spessa κ.ά.,2005) ότι οι πυρκαγιές κυριαρχούν σε περιοχές μέσου ποσοστού βροχοπτώσεων και πυκνότητας βλάστησης. Οι ξηρότερες περιοχές καίγονται σχετικά σπάνια, όπως στο παράδειγμα της ανατολικής Πελοποννήσου. Το φαινόμενο αυτό εξηγείται από τη σχετική έλλειψη στεγνού υλικού η οποία εμποδίζει την ανάπτυξη μιας μικρής εστίας σε ένα εκτεταμένο περιστατικό πυρκαγιάς. Επιπλέον, η ανάλυση των συνοπτικών συνθηκών είναι σημαντική και ο συνδυασμός τους με την τοπική μετεωρολογία είναι ζωτικής σημασίας για την πρόληψη κινδύνου πυρκαγιάς. Εξάλλου, οι συνοπτικές καιρικές συνθήκες μπορούν να προβλεφθούν νωρίτερα και με μεγαλύτερη ακρίβεια από ότι τα τοπικά φαινόμενα όπως η βροχόπτωση και η ξηρασία εδάφους. Για το λόγο αυτό ο συνδυασμός συνοπτικών και τοπικών φαινομένων μέσα από λειτουργικά αριθμητικά μοντέλα πρόβλεψης καιρού είναι ιδιαίτερα σημαντικός για την πρόβλεψη καιρικών συνθηκών που ευνοούν το ξέσπασμα μεγάλων πυρκαγιών.
