Εκτίμηση πραγματικής εξατμισοδιαπνοής μέσω Τηλεπισκόπησης για την Πελοπόννησο

Από RemoteSensing Wiki

Ετήσια Εκτίμηση Πραγματικής Εξατμισοδιαπνοής μέσω GIS Μοντέλων Τριών Εμπειρικών Μεθόδων που Χρησιμοποιούν Δεδομένα Τηλεπισκόπησης για την Πελοπόννησο, και Σύγκριση με Ετήσιες Μετρήσεις Εξάτμισης από τον MODIS και Εξατμισιμετρικών λεκανών.

Πρωτότυπος Τίτλος: «Annual Actual Evapotranspiration Estimation via GIS Models of Three Empirical Methods Employing Remotely Sensed Data for the Peloponnese, Greece, and Comparison with Annual MODIS ET and Pan Evaporation Measurements»

Συγγραφείς: Stavroula Dimitriadou and Konstantinos G. Nikolakopoulos

Σύνδεσμος : [1]

Λέξεις-Κλειδιά: Turc, τροποποιημένη Turc, Coutagne, MODIS ET, ArcMap, Πελοπόννησος.

Εικόνα 1: Μέθοδος Turc]

Εικόνα 2: Μέθοδος Coutagne]

Εικόνα 3: Μέθοδος Ετήσια εξατμισοδιαπνοή (σε mm) με εμπειρικές μεθόδους για τα έτη 2018-2019.]

Εικόνα 1: Μέθοδος Ετήσια εξατμισοδιαπνοή (σε mm) 8 ημερών από τον MODIS για τα έτη 2016-2019]

Περίληψη: Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) δεν έχει ερευνηθεί επαρκώς στην Ελλάδα. Η μελέτη αυτή εκτίμησε με εμπειρικές μεθόδους (Turc, Modified Turc και Coutagne) την ετήσια εξατμισοδιαπνοή της Πελοποννήσου, μεταξύ των ετών 2016-2019, τέσσερα από τα θερμότερα χρόνια από την προ-βιομηχανική εποχή, και τα δεδομένα συγκρίθηκαν με εκείνα του MODIS ET. Επιπλέον, οι ετήσιες μετρήσεις εξάτμισης (Epan) πραγματοποιήθηκαν για δύο εξατμισιμετρικές λεκάνες, στην Πελοπόννησο με διαφορετικό ανάγλυφο και συνθήκες. Οι εμπειρικές μέθοδοι και οι στατιστικοί τύποι (RMSD, MB, και NMB) αναπτύχθηκαν ως μοντέλα στο ArcMap. Τα αποτελέσματα της μεθόδου Turc προσομοιάζουν με εκείνα του MODIS ET για όλα τα έτη. Οι εκτιμήσεις με την τροποποιημένη μέθοδο Turc ήταν σχεδόν πανομοιότυπες με το MODIS ET. Συνεπώς, η τροποποιημένη μέθοδος Turc μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτική λύση στο MODIS ET (και αντιστρόφως) για την Πελοπόννησο για την περίοδο 2016-2019. Επιπλέον, ο σταθμός εξατμισοδιαπνοής στο Πανεπιστήμιο της Πάτρας παρουσίασε ανοδική τάση που μοιάζει με τις τάσεις των εμπειρικών μεθόδων κατά τα έτη μελέτης, ενώ ο σταθμός στην εξατμισιμετρική λεκάνη του Λάδωνα απαιτούσα έρευνα σε μηνιαία χρονική κλίμακα.

Εισαγωγή

H Εξατμισοδιαπνοή, παράμετρος μείζονος σημασίας για τον υδρολογικό κύκλο, καθορίζει τη διαθεσιμότητα του νερού και, στη συνέχεια, τη διαχείριση του νερού και την άρδευση. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή είναι μια παράμετρος που επηρεάζεται από την κλιματική αλλαγή και αλλαγή χρήσης γης/κάλυψης γης, και έχει εξεταστεί μαζί με τις πυρκαγιές. Η δυσκολία στην άμεση μέτρηση της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής έχει οδηγήσει στην εφαρμογή εμπειρικών μεθόδων, αλγορίθμων και μοντέλων με διαφορετικά επίπεδα πολυπλοκότητας, ενσωματώνοντας δεδομένα από μετεωρολογικούς σταθμούς και δεδομένα τηλεπισκόπησης. Είναι γνωστό ότι η θερμοκρασία καθορίζει τις διαδικασίες εξατμισοδιαπνοής, καθώς εκφράζει την κατάσταση της ενέργειας του συστήματος. Το φασματοφωτόμετρο απεικόνισης μέτριας ανάλυσης (MODIS) είναι κατάλληλο για εκτίμηση πραγματικής εξατμισοδιαπνοής, αλλά περιορίζεται από την χονδροειδή του ανάλυση (1 km). Οι κατακρημνίσεις είναι ένας περιοριστικός παράγοντας που επηρεάζει το εύρος τιμών πραγματικής εξατμισοδιαπνοής. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για την περιοχή της νότιας Μεσογείου, όπου αναμένεται ότι οι βροχοπτώσεις θα αυξηθούν κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού στο εγγύς μέλλον. Υπάρχει ένα ευρύ φάσμα μεθόδων για την εκτίμηση της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής, από απλούς τύπους έως σύνθετους αλγόριθμους. Στην περίπτωση της Ελλάδας, η πραγματική εξατμισοδιαπνοή δεν έχει διερευνηθεί σε περιφερειακή κλίμακα. Σε μελέτες όπου τα επίπεδα εξατμισοδιαπνοής έχουν εκτιμηθεί για την Ελλάδα, χρησιμοποιήθηκαν αραιά κατανεμημένοι σταθμοί ή δορυφορικά δεδομένα για μερικές βολικές ημέρες είτε για σύντομα χρονικά διαστήματα. Ο σκοπός αυτής της μελέτης ήταν να εκτιμηθεί η πραγματική εξατμισοδιαπνοή της Πελοποννήσου για την περίοδο 2016-2019 με τη χρήση καθιερωμένων εμπειρικών μεθόδων που εφαρμόστηκαν ικανοποιητικά στο παρελθόν στην Ελλάδα (Turc, modified Turc, and Coutagne), με μηνιαία δεδομένα θερμοκρασιών για την επιφάνεια της γης, δεδομένα από τον MODIS Terra και δεδομένα υετού από 62 μετεωρολογικούς σταθμούς του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών στην περιοχή ενδιαφέροντος ή κοντά σε αυτήν. Επιπλέον υπολογίστηκαν ετήσιες εκτιμήσεις μέσω του ArcMap 10.6 για σύγκριση με τις ετήσιες εμπειρικές εκτιμήσεις. Χρησιμοποιήθηκαν αξιόπιστοι στατιστικοί δείκτες για την αξιολόγηση της μεθόδου με τα δεδομένα του MODIS. Δεδομένου ότι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή αποτελεί μέρος του υδρολογικού κύκλου, υπάρχει μεγάλο διεπιστημονικό ενδιαφέρον, τόσο για τις μεθόδους όσο και για τους δείκτες που αναπτύχθηκαν στο μοντέλο. Οι χάρτες για την ετήσια πραγματική εξατμισοδιαπνοή για το 2016-2019 μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τους ερευνητές, για τη διαχείρηση και τις πολιτικές χρήσεις νερού.

2. Περιοχή μελέτης

Η Πελοπόννησος είναι μια χερσόνησος της νοτιοδυτικής Ελλάδας που καταλαμβάνει περίπου το ένα έκτο του ελληνικού εδάφους (21.439 km2), με πληθυσμό 1086.935 κατοίκων (απογραφή 2011). Ένα μεγάλο μέρος της καλύπτεται από ψηλούς λόφους και βουνά, το υψηλότερο εκ των οποίων ο Ταϋγετος (2407 m). Η μεγαλύτερη πόλη είναι η Πάτρα, που βρίσκεται στο βόρειο άκρο της χερσονήσου. Η Πελοπόννησος χαρακτηρίζεται από ένα καλά αναπτυγμένο υδρογραφικό δίκτυο που περιλαμβάνει ορισμένους μεγάλους ποταμούς (π.χ. ποταμός Αλφειού, Ευρώτα και Πηνειού). Ο Λαδωνάς είναι ο κύριος παραπόταμος του Πηνειού, σχηματίζοντας την τεχνητή λίμνη Λαδώνα στο κεντρικό τμήμα της χερσονήσου. Οι κύριοι τύποι χρήσης/κάλυψης γης είναι καλλιέργειες , δασική και αραιή βλάστηση. Ένα σημαντικό τμήμα της γης επλήγη από τις καταστροφικές πυρκαγιές του 2007. Η Πελοπόννησος χαρακτηρίζεται ως ένα μεσογειακό θερμό εύκρατο κλίμα με ξηρό καλοκαίρι. Η μέση ετήσια θερμοκρασία (όπως καταγράφηκε την περίοδο 1971-1990) κυμαίνεται μεταξύ 8 και 20 ◦C, οι κατακρημνίσεις κυμαίνονται από 400 έως πάνω από 2000 mm και επικρατεί λιακάδα 1900-3100 ώρες ετησίως .

3. Υλικά και μέθοδοι

3.1. Εμπειρικές εξισώσεις που χρησιμοποιούν μετεωρολογικά δεδομένα και δεδομένα MODIS που υλοποιούνται μέσω μοντέλων GIS

Χρησιμοποιήθηκαν τρεις εμπειρικές μέθοδοι για την ετήσια εκτίμηση της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (Turc, τροποποιημένη Turc, και Coutagne). Τα αντίστοιχα μοντέλα για την εφαρμογή των μεθόδων αναπτύχθηκαν στο ModelBuilder. Οι μέθοδοι αυτές παρήγαγαν ικανοποιητικές εκτιμήσεις για την Ελλάδα σύμφωνα με τη βιβλιογραφία.

3.2. Δεδομένα εξατμισοδιαπνοής από τον MODIS.

Τα δεδομένα MODIS για την εξατμισοδιαπνοή (MOD16A2V6, 184 εικόνες) προήλθαν από τον EarthExplorer και τα EARTHDATA. Ο στόχος ήταν να αξιολογηθεί η συμφωνία μεταξύ των εκτιμήσεων MODIS και των τιμών πραγματικής εξατμισοδιαπνοής με εμπειρικές εξισώσεις χρησιμοποιώντας μετεωρολογικά δεδομένα (καθίζηση) και δεδομένα τηλεπισκόπησης. Ο αλγόριθμος που βασίζεται στην εξίσωση Penman-Monteith χρησιμοποιήθηκε για την λήψη εικόνων MOD16A2V6 . Ο αλγόριθμος αυτός ενσωματώνει εισόδους βλάστησης με τηλεπισκόπηση και επανανάλυση μετεωρολογικών δεδομένων (θερμοκρασία αέρα, ακτινοβολία, υγρασία) από τη Global Modeling της NASA. Οι 184 εικόνες αποτελούν μια σύνθεση 8 ημερών που περιλαμβάνει, μαζί με άλλα στρώματα, την εξατμισοδιαπνοή στα 500 m. Μετά την κατάλληλη προεπεξεργασία και την επανπροβολή στο ArcMap, οι ετήσιες τιμές πραγματικής εξατμισοδιαπνοής για την περίοδο 2016-2019 υπολογίστηκαν με τη χρήση στατιστικών στοιχείων και παράβλεψη pixel που δεν περιέχουν δεδομένα.

3.3. Μετρήσεις Εξάτμισης Της Λεκάνης

Μία εξατμισιμετρική λεκάνη τοποθετήθηκε λειτούργησε στον μετεωρολογικό σταθμό του Εργαστηρίου Ατμοσφαιρικής Φυσικής στην πανεπιστημιούπολη του Πανεπιστημίου Πατρών. Πρόκειται για μια ημιαστική τοποθεσία στο βορειότερο τμήμα της Πελοποννήσου, σε απόλυτο ύψος 24,8 εκ. Οι ωριαίες μετρήσεις της εξατμισιμετρικής λεκάνης ελήφθησαν σε διάστημα 4 ετών (2016-2019). Χρησιμοποιήθηκε ένα αυτόματο ποτενσιόμετρο, το οποίο μετέτρεψε τις τιμές βάθους του νερού σε τιμές τάσης μετά από σωστή βαθμονόμηση Τα σημάδια τάσης του ποτενσιόμετρου ήταν συχνά σε σύγκριση με τα σήματα τάσης ενός φορητού βολτόμετρου. Τα παραγόμενα βάθη συγκρίθηκαν επίσης με τα βάθη του νερού που μετρήθηκαν από έναν χάρακα. Μία δεύτερη εξατμισιμετρική λεκάνη κατηγορίας Α τοποθετήθηκε κοντά στην τεχνητή λίμνη του Λαδώνα (σταθμός Λαδώνα) στο κεντρικό τμήμα της Πελοποννήσου, σε απόλυτο ύψος 420 m. Ελήφθησαν οι ημερήσιες μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής για την περίοδο 2016-2019 και ψηφιοποιήθηκαν. Οι μετρήσεις (από το Πανεπιστήμιο Πατρών και τον σταθμό του Λάδονα) παρουσιάζονται και σχεδιάζονται μαζί με τις τιμές εξατμισοδιαπνοής από το MODIS και τις εκτιμήσεις πραγματικής εξατμισοδιαπνοής με τις εμπειρικές μεθόδους για την ίδια (ετήσια) χρονική κλίμακα.

3.4. Στατιστικοί δείκτες υπολογιζόμενοι μέσω μοντέλων GIS

Υπολογίστηκαν περιγραφικά στατιστικά στοιχεία (max, min, μέση τιμή, std) για κάθε αρχείο ράστερ στο ArcMap 10.6 (μέσω στατιστικών υπολογισμών). Προκειμένου να αξιολογηθεί η συμφωνία μεταξύ των τιμών από τις διαφορετικές εμπειρικές μεθόδους, η μέση τετραγωνική απόκλιση των στατιστικών δεικτών (RMSD), η μέση μεροληψία (MB) και η ομαλοποιημένη μέση μεροληψία (NMB) αναπτύχθηκαν στο μοντέλο ModelBuilder. Οι δείκτες αυτοί θεωρούνται οι πιο αξιόπιστοι για τη στατιστική ανάλυση των υδρολογικών παραμέτρων.

4. Εμπειρικές μέθοδοι

4.1. Μέθοδος Turc Η ετήσια πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε μέσω μοντέλου που χρησιμοποίησε εικόνες θερμοκρασίας επιφάνειας γης από τονTerra. Οι εικόνες που ελήφθησαν ημέρα και νύχτα ενώ ακόμη χρησιμποιήθηκαν και μετεωρολογικά δεδομένα για την εφαρμογή της.

4.2. Μέθοδος της Coutagne Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή προέκυψε μέσω ενός μοντέλου που εφαρμόζει τη μέθοδο Coutagne. Το μοντέλο χρησιμοποιεί τα δεδομένα θερμοκρασίας επιφάνειας γης Terra και Thiessen πολύγωνα (δεδομένα καθίζησης).

4.3. Τροποποιημένη μέθοδος Turc Η διαφορά μεταξύ της μεθόδου Turc και της τροποποιημένης μεθόδου Turc είναι ο τρόπος που η υπολογίζεται Tmean. Το Pi σημαίνει μηνιαία κατακρήμνιση που υπολογίζεται μέσω επαναληπτικού μοντέλου με βάσητα πολύγωνα, με δεδομένα υετού, και Ti αντιπροσωπεύει τη μηνιαία μέση θερμοκρασία αέρα που προέρχεται από τρία υπομοντέλα που χρησιμοποιούν εικόνες LST Terra ημέρας και νύχτας. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίζεται στη συνέχεια μέσω τελικού μοντέλου, που αποτελείται απόδύο υπομοντέλα που υπολογίζουν Tmean, mod και τη συνάρτηση L.

5. Αποτελέσματα

5.1. Στατιστικά στοιχεία για τις ετήσιες εκτιμήσεις Η μέθοδος Turc οδήγησε σε υψηλότερες εκτιμήσεις της ετήσιας πραγματικής εξατμισοδιαπνοής από ό, τι οι άλλες μέθοδοι. Η τροποποιημένη μέθοδος Turc έδειξε μέσες ετήσια τιμές πιο κοντά στις τιμές εξατμισοδιαπνοής του MODIS.

5.2. Χωρική κατανομή των ετήσιων τιμών πραγματικής εξατμισοδιαπνοής με εμπειρικές μεθόδους Οι ελάχιστες τιμές της ετήσιας εξατμισοδιαπνοής ήταν παρόμοιες για την περίοδο 2016-2018. Υπήρχαν ομοιότητες στη χωρική κατανομή μεταξύ των τριών μεθόδων για κάθε έτος. Οι μέγιστες τιμές παρατηρήθηκαν στο κεντρικό τμήμα της Πελοποννήσου, γεγονός αναμενόμενο αφού σε μια περιοχή της Μεσογείου, υψηλότερες τιμές κατακρημνίσεων θα εμφανίσουν και υψηλότερες τιμές πραγματικής εξατμισοδιαπνοής.

5.3 . Χωρική κατανομή των ετήσιων τιμών εξατμισοδιαπνοής καταγεγραμμένες από τον MODIS Από τη σύγκριση των χαρτών των ετήσιων τιμών εξατμισοδιαπνοής από τον MODIS με εκείνους του εμπειρικού μοντέλου, είναι προφανές ότι η μέθοδος Turc μας έδωσε μεγαλύτερο εύρος τιμών από τις άλλες εμπειρικές μεθόδους, πλησιέστερα σε εκείνη του MODIS.

5.5.Εξατμισιμετρικές λεκάνες στους σταθμούς του Πανεπιστημίου Πατρών και Λαδόνα Τα σύνολα δεδομένων των καθημερινών μετρήσεων αποκτήθηκαν για την περίοδο 2016-2019 από τους δύο σταθμούς (Πανεπιστήμιο Πατρών και Λαδώνας). Οι μέγιστες τιμές πραγματικής εξατμισοδιαπνοής εμφανίζονται το 2017, ακολουθούμενες από εκείνες του 2019, οι οποίες ήταν κοντά στις αντίστοιχες τιμές του 2016.

6. Συμπεράσματα Η ετήσια πραγματική εξατμισοδιαπνοή για το 2019 έδειξε τις μεγαλύτερες διαφορές μεταξύ όλων των συγκρινόμενων ζευγών εμπειρικών μεθόδων. Αυτό ήταν το δεύτερο θερμότερο έτος από την προ-βιομηχανική εποχή και το τρίτο διαδοχικό έτος μεταξύ 2016 και 2018. Οι εμπειρικές μέθοδοι έδωσαν τις υψηλότερες μέγιστες εκτιμήσεις για το 2016, τη θερμότερη καταγεγραμμένη χρονιά και τις χαμηλότερες μέγιστες τιμές για το 2017, υποδηλώνοντας ότι η ζήτηση εξάτμισης δεν μπορούσε να ικανοποιηθεί από τη διαθεσιμότητα του νερού. Σε σύγκριση των εκτιμήσεων στην ετήσια κλίμακα, διαπιστώθηκε ότι από όλες τις εμπειρικές μεθόδους λαμβάνεται μικρότερο εύρος τιμών από ό, τι από τον MODIS, ενώ το εύρος τιμών της μεθόδου Turc ήταν η πλησιέστερο στου MODIS. Οι στατιστικοί δείκτες υποδηλώνουν ότι η τροποποιημένη Turc θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως εναλλακτική λύση στις μετρήσεις του MODIS για την Πελοπόννησο για τα έτη 2016-2019. Η γραμμή των ετήσιων τιμών πραγματικής εξατμισοδιαπνοής για το σταθμό του Πανεπιστημίου Πατρών έδειξε μόνο ελάχιστες αποκλίσεις σε σύγκριση με τις τιμές των εμπειρικών μεθόδων. Για τον σταθμό Λάδωνα, οι ετήσιες τιμές πραγματικής εξατμισοδιαπνοής υπολογισμένες με εμπειρικές μεθόδους φαίνεται να συμφωνούν μεταξύ τους, αλλά έδειξαν αποκλίσεις από τις τιμέςπου ελήφθησαν από την εξατμισιμετρική λεκάνη. Η μέγιστη ετήσια τιμή της εξατμισιμετρικής λεκάνης για το 2017, η οποία ήταν η χαμηλότερη ετήσια τιμή για την Πελοπόννησο στο σύνολό της, οφείλεται πιθανώς στο γεγονός ότι το 2016 ήταν η θερμότερη χρονιά που καταγράφηκε ποτέ για την Πελοπόννησο. Οι ετήσιες για το 2019 βρίσκονταν στα ίδια επίπεδα με το 2017, γεγονός που δείχνει ότι ήταν η δεύτερη θερμότερη χρονιά και η τελευταία σε μια σειρά από πολύ ζεστά συναπτά χρόνια. Μια άλλη παρατήρηση από τον σταθμό του Λαδώνα ήταν η σημαντική αλλαγή στην παγοκάλυψη μεταξύ των ετών, η οποία μπορεί να συνεπάγεται μείωση της κατακράτησης χιονοστοιβάδων στα ορεινά της Πελοποννήσου (και αύξηση των απορροών, με συνέπειες όσον αφορά και τις πλημμύρες των υδροφόρων οριζόντων).