Μία αξιολόγηση του Terra-MODIS για την ποιότητα του αέρα πάνω από τις νοτιανατολικές USA
Από RemoteSensing Wiki
Authors: Pawan Gupta, Sundar A. Christopher
Εισαγωγή
Τα αιωρούμενα σωματίδια αποτελούνται από ένα μίγμα στερεού και υγρού αιωρούμενου στον αέρα και χωρίζονται στα λεπτά (με d<2,5 μm) και στα αδρά (2,5<d<10) όπου d η αεροδυναμική διάμετρος. Σε αυτή τη μελέτη το ενδιαφέρον εστιάζεται στα PM2.5 που προέρχονται από διάφορες πηγές όπως σκόνη, εκπομπές από οχήματα και βιομηχανία, δασικές και αγροτικές πυρκαγιές. Η ποιότητα της ατμόσφαιρας συνεχίζει να υποβαθμίζεται λόγω της αστικοποίησης έχοντας σοβαρές επιπτώσεις στην υγεία, ,το κλίμα, την ορατότητα, και την υδρολογία. Αν και μερικές χώρες έχουν ένα πυκνό δίκτυο μετρητικών σταθμών ελέγχου PM2.5, σε παγκόσμιο επίπεδο υπάρχουν περιορισμένες επίγειες μετρήσεις δημιουργώντας μια πρόκληση για τον έλεγχο και μελέτη της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Με τους δορυφόρους Terra και Aqua έγινε μια προσπάθεια να αντισταθμιστεί αυτό το έλλειμμα επίγειων σταθμών. Αρκετές μελέτες έχουν δείξει ότι τα δορυφορικά δεδομένα αποτελούν μία καλή αναπλήρωση για τις επίγειες μετρήσεις παρέχοντας κατάλληλες προσαρμογές για τη μετατροπή των καθ’ ύψος τιμών. Με χρήση δορυφόρων που μπορούν να παρέχουν κάθετη κατανομή των αερολυμάτων και των νεφών έχει σημειωθεί πρόοδος στην μέτρηση της ποιότητας της ατμόσφαιρας με τηλεπισκοπικά μέσα. Η σχέση μεταξύ της έκθεσης σε PM και της επιβάρυνσης της υγείας έγινε η αιτία που ανάγκασε την EPA να αναθεωρήσει τα όρια των PM2.5 από 65 mgm-3 σε 35 mgm-3 (μέσος όρος 24ώρου). Μακροπρόθεσμη έκθεση συνδέεται με καρδιακή ανακοπή και πνευμονολογικά προβλήματα. Το οπτικό βάθος (AOD) σχετίζονται με τις μετρήσεις της μάζας των PM2.5 στην επιφάνεια της γης. Έπειτα αυτές οι σχέσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την μετατροπή των δορυφορικών μετρήσεων σε δείκτες ατμοσφαιρικής ποιότητας βασισμένων στις οδηγίες της EPA. Έπειτα αυτές οι τιμές κωδικοποιούνται χρωματικά και δημοσιεύονται. Οι δορυφορικές ανακτήσεις του AOD βασίζονται σε συνθήκες μη ύπαρξης νεφών και καλές συνθήκες στην επιφάνεια για τον προσδιορισμό της ποιότητας της ατμόσφαιρας περιορίζοντας τον αριθμό των ημερών όπου τα στοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν πάνω από μια ορισμένη περιοχή. Ό, τι τα στοιχεία ανάκτησης χάνουν από περιορισμούς νεφοκάλυψης κερδίζουν δείχνοντας την κινητικότητα του πλουμίου από μία περιοχή σε μία άλλη. Λόγω της αυτής παγκόσμιας κάλυψης τα τηλεπισκοπικά δεδομένα είναι πολύτιμα για τον έλεγχο της ατμοσφαιρικής ρύπανσης λόγω PM2.5. Αντίθετα οι επίγειες μετρήσεις είναι διαθέσιμες ανεξάρτητα από τη νεφοκάλυψη και ανάλογα με την τοποθεσία. Παρέχονται μετρήσεις κάθε ώρα και σαν μέσοι όροι 24ώρου. Το θέμα είναι ότι αυτές είναι περιορισμένες καθώς δεν καλύπτουν μεγάλες περιοχές. Τα ερωτήματα που δημιουργούνται είναι εάν υπάρχουν διαφορές μεταξύ των επίγειων μετρήσεων PM2.5 (ALLPM) και εκείνων από τα δορυφορικά στοιχεία. (SATPM) καθώς επίσης και πόσο καιρό υπάρχει κάλυψη με σύννεφα. Για την εξέταση αυτών των ερωτημάτων επιλέχτηκε η περιοχή των Νοτιανατολικών Ηνωμένων Πολιτειών όπου υπήρχαν και δορυφορικά στοιχεία και επίγειες μετρήσεις.
Δεδομένα και μέθοδοι
Λήφθηκαν τιμές 24ώρου των συγκεντρώσεων PM2.5 από 38 μετρητικούς σταθμούς από τις 24 Φεβρουαρίου 2000 έως τις 31 Δεκεμβρίου 2005 καλύπτοντας 8 πολιτείες. (Εικόνα 1)
Αυτές οι τιμές χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό μηνιαίων, εποχικών και ετήσιων μέσων όρων. (ALLPM). Επίσης λήφθηκαν δορυφορικά στοιχεία από το MODIS για έξι έτη που περιείχαν AOD και άλλες γεωφυσικές παραμέτρους με διακριτική ικανότητα 10 km2. Το AOD ανακτάται σε περίπτωση που δεν υπάρχει νεφοκάλυψη και όταν ο συντελεστής ανακλαστικότητας στο κανάλι 2,1μm είναι μικρότερος από 0,4. Για καθέναν από τους 38 επίγειους σταθμούς εξετάζεται μία ομάδα εικονοστοιχείων 5x5. Τα δορυφορικά δεδομένα χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της διαθεσιμότητας του AOD στο πλέγμα 5x5. Ακόμα και εάν ένα εικονοστοιχείο έχει μία τιμή AOD τότε θεωρείται σαν SATPM. Έτσι μετράται η διαφορά μεταξύ των μέσων τιμών των επίγειων μετρήσεων (ALLPM) και των διαθέσιμων SATPM. Επίσης καταγράφεται ο αριθμός των ημερών όπου υπάρχουν διαθέσιμα δορυφορικά στοιχεία (SAT DAYS). Κατά τη διάρκεια της περιόδου μελέτης των έξι χρόνων μόνο το 32-57% των στοιχείων είναι διαθέσιμο (εικόνα 2). Για την ετήσια ανάλυση, χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία από όλες τις θέσεις εάν υπήρχε διαθεσιμότητα δεδομένων τουλάχιστον στις 310 από τις 365 ημέρες, για την εποχιακή ανάλυση 75 στις 90, και για τη μηνιαία ανάλυση 25 ημέρες στις 30. Χρησιμοποιήθηκαν 74876 σημεία επίγειων μετρήσεων και 33211 δορυφορικά στοιχεία. (πίνακας 1)
Αποτελέσματα
Εξετάστηκε αρχικά η αναλογία ALLPM προς SATPM για 71 μήνες. Σε ιδανικούς όρους, το πηλίκο ALLPM/SATPM θα έπρεπε να είναι γύρω στο 1.0. Οποιαδήποτε απόκλιση από την τιμή αυτή αποτελεί ένα μεροληπτικό σφάλμα. Η μέση τιμή και η τυπική απόκλιση της αναλογίας είναι 0.96 0.15 με πολύ λίγα σημεία να είναι εκτός αυτού του εύρους. Είναι επίσης σημαντικό να σημειωθεί ότι υψηλές τιμές ALLPM/SATPM αντιστοιχούν σε τιμές ALLPM μικρότερες από 10 μgm-3. Στην εικόνα 2 παρουσιάζεται η διαφορά ALLPM και SATPM για κάθε σταθμό. Επίσης για κάθε σταθμό φαίνεται και ο αριθμός των διαθέσιμων ημερών. Η έλλειψη διαθεσιμότητας οφείλεται στη νεφοκάλυψη και η μέση τιμή του SATPM είναι μεγαλύτερη από του ALLPM πλην ενός. Η εικόνα2 παρουσιάζει τη κατανομή συχνότητας ALLPM -SATPM και δείχνει ότι σχεδόν το 72% των τιμών έχουν υψηλότερο SATPM σε σχέση με το ALLPM. Οι διαφορές είναι μεταξύ 0.0 και -2.5 mgm-3 για το 57% των στοιχείων και μεταξύ 0.0 και 2.5 mgm-3 για περίπου το 25% των στοιχείων.
Αν εξεταστούν οι διαφορές σαν μία συνάρτηση (εικόνα 3) φαίνεται ένα εύρος τιμών -2.8 έως 4.9 μgm-3 με μέση τιμή -0.8 1.1 μgm-3.
Οι θετικές διαφορές εμφανίζονται τους χειμερινούς μήνες και την άνοιξη, όταν οι SAT DAYS είναι υψηλότερες (> 50%). Η ανάλυση για κάθε μήνα χωριστά δείχνει ότι Ιούλιος έχει μια μέγιστη διαφορά 2.0 μgm-3, ενώ ο Ιανουάριος παρουσιάζει την ελάχιστη διαφορά 0.07 μgm-3. Τα αποτελέσματα αυτά είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε παγκόσμια κλίμακα χωρίς τη χρήση δεδομένων από επίγειους σταθμούς μιας και οι διαφορές ALLPM και SATPM εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες συμπεριλαμβανομένης της μετεωρολογίας, τις πηγές ρύπανσης, τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας, την κάθετη διανομή των αερολυμάτων, τα σύννεφα και άλλους παράγοντες.
