Τηλεπισκόπηση μέσω δορυφόρων των αερομεταφερόμενων σωματιδίων και αξιολόγηση της ποιότητας του αέρα πάνω από πόλεις παγκοσμίως

Από RemoteSensing Wiki

Authors: Pawan Gupta, Sundar A. Christopher, Jun Wang, Robert Gehrig, Yc Lee, Naresh Kumar

Εισαγωγή

Το αντικείμενο της εφαρμογής είναι η ποιότητα της ατμόσφαιρας. Στο παρόν άρθρο αναφέρεται η οπτική πυκνότητα των αερομεταφερόμενων σωματιδίων (aerosol optical thickness – AOT) για τον υπολογισμό της οποίας χρησιμοποιείται το MODIS ( MODerate resolution Imaging Spectro-radiometer). To MODIS αποτελεί ένα είδος δορυφορικού συστήματος το οποίο μεταφέρεται πάνω στους δορυφόρους της NASA Terra και Aqua.

Στόχος

Στόχος της εφαρμογής είναι η εξέταση της ποιότητας της ατμόσφαιρας σε ΡΜ2.5 βασισμένη στα πρότυπα της ΕΡΑ (Environmental Protection Agency).

Εκτέλεση

Αυτό πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το ΑΟΤ σε συνδυασμό με τις μετρήσεις της συγκέντρωσης των ΡΜ2.5 που έγιναν από όργανα που βρίσκονται στο έδαφος σε 26 σταθμούς και σε πέντε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές του κόσμου (Ινδία (Δελχί), Αυστραλία (Σίδνεϋ), ΗΠΑ (Νέα Υόρκη), Ελβετία, Χονγκ Κονγκ). Η σχέση μεταξύ της μάζας των ΡΜ2.5 που μετρήθηκαν στο έδαφος και της στήλης του ΑΟΤ μπορεί να είναι διαφορετική εξαιτίας της διαφορετικής προέλευση των πηγών και της μεταφοράς των αεροζόλ στα διάφορα ύψη.

Τηλεπισκόπηση

Οι αισθητήρες του MODIS που υπάρχουν πάνω στους δορυφόρους Terra και Aqua έχουν 36 κανάλια φάσματος παρέχοντας πληροφορίες για τις συνθήκες που επικρατούν στην ατμόσφαιρα, τη γη και τους ωκεανούς. Το MODIS δίνει παρατηρήσεις χωρικές (250m -1km) και χρονικές (1-2 day) αναλύσεις σε διαφορετικές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Στην εικόνα 1 η παγκόσμια κατανομή της οπτικής πυκνότητας των σωματιδίων του MODIS τη χρονική περίοδο Μαρτίου 2000-Φεβρουαρίου 2002. Σε μεγέθυνση απεικονίζονται λεπτομέρειες των τοποθεσιών όπου τα ΡΜ2.5 και το MODIS AOT συγκρίθηκαν. Οι περιοχές με σκούρο γκρι χρώμα δηλώνουν ότι δεν υπάρχουν δεδομένα. Υψηλές τιμές του ΑΟΤ παρατηρούνται πάνω από την Αφρική που οφείλονται στην σκόνη που μεταφέρεται από την έρημο Σαχάρα. Εκτός από την σκόνη, αστική και βιομηχανική ρύπανση κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού στην ανατολική Κίνα, βόρεια Ινδία, ανατολικές ΗΠΑ και μέρη της Ευρώπης είναι υπεύθυνα για τις υψηλές συγκεντρώσεις των αεροζόλ.

Αλγόριθμος

Ο αλγόριθμος ΑΟΤ χρησιμοποιεί ακτινοβολίες σε επτά μήκη κύματος (0.47–2.13 μm) πάνω από τους ωκεανούς και σε δύο μήκη κύματος (0.47, και 0.67 μm) πάνω από την ξηρά. Πάνω από την ξηρά η ακρίβεια του MODIS AOT είναι ±0.05 έως ±0.15 όταν συγκρίνεται με τις μετρήσεις εδάφους της AERONET εκτός από ορισμένες εξαιρέσεις. Για δεδομένα του ΑΟΤ από το MODIS (στα 0.55 μm) χρησιμοποιήθηκε χωρική ανάλυση 10x10 km2.

Μετρήσεις

Στις ΗΠΑ, στην Αυστραλία και το Χονγκ Κονγκ οι συγκεντρώσεις των ΡΜ2.5 μετρήθηκαν από το Tapered-Element Oscillating Microbalance (TEOM). Στην Ελβετία από High Volume Samplers (HSV) Digital DA 80 και στο Δελχί χρησιμοποιήθηκε το φορητό Aerocet 531. Η γεωγραφική απεικόνιση των εικονοστοιχείων του MODIS με τους σταθμούς των ΡΜ2.5 διεξάγεται υπολογίζοντας την απόσταση μεταξύ τους χρησιμοποιώντας το γεωγραφικό μήκος και το γεωγραφικό πλάτος.

Εικόνα 1: Παγκόσμια κατανομή της οπτικής πυκνότητας των σωματιδίων του MODIS τη χρονική περίοδο Μαρτίου 2000-Φεβρουαρίου 2002. Σε μεγέθυνση απεικονίζονται λεπτομέρειες των τοποθεσιών όπου τα ΡΜ2.5 και το MODIS AOT συγκρίθηκαν.

Αποτελέσματα

Στην εικόνα 2 παρουσιάζεται η μηνιαία μέση συγκέντρωση μάζας των PM2.5 και MODIS AOT για διάφορες τοποθεσίες. Επίσης παρουσιάζονται οι 24ωρες μέσες τιμές της μάζας των PM2.5 (μικρή διαστιγμένη γραμμή) για ολόκληρη την περίοδο μελέτης. Επίσης παρουσιάζονται και οι κατηγορίες ποιότητας του αέρα (καλή, μέτρια, και δυσμενής για την υγεία) με διαβαθμίσεις του γκρι χρώματος βασισμένες στο φορτίο των ΡΜ2.5. Στην εικόνα 2a απεικονίζονται οι μεταβολές του ΑΟΤ στην Νέα Υόρκη ανάλογα με την εποχή οι οποίες συμφωνούν με τις τάσεις των ΡΜ2.5. Τα μέγιστα των συγκεντρώσεων των ΡΜ2.5(μηνιαίος μέσος όρος) παρατηρούνται τον Ιούλιο ενώ οι τιμές του ΑΟΤ είναι υψηλότερες τον Ιούνιο. Η διαφορά μεταξύ του Ιουνίου και του Ιουλίου ήταν σχετικά μικρή (0.02). Η ποιότητα της ατμόσφαιρας στην πόλη ανήκει στην κατηγορία «καλή» καθ' όλη τη διάρκεια του έτους εκτός από τους καλοκαιρινούς μήνες (Ιούνιος-Αύγουστος) που φθάνει στη κατηγορία «μέτρια». Η εικόνα 2b παρουσιάζει το μηνιαίο μέσο όρο του AOT και της μάζας των PM2.5 πάνω από την Ελβετία. Μέγιστες τιμές των PM2.5 εμφανίζονται κατά τη διάρκεια των χειμωνιάτικων μηνών και ελάχιστες κατά τη διάρκεια των θερινών μηνών γεγονός που συμφωνεί με προηγούμενες ερευνητικές μελέτες. Η μέση μηνιαία ποιότητα της ατμόσφαιρας είναι στην κατηγορία «μέτρια» καθ' όλη τη διάρκεια του έτους εκτός από τα μέσα Μάιου και Ιουλίου που η ατμοσφαιρική ποιότητα είναι «καλή». Οι τιμές AOT και PM2.5 παρουσιάζουν παρόμοιες μηνιαίες μεταβολές από τον Απρίλιο μέχρι το Σεπτέμβριο. Σε ότι αφορά στο Χονγκ Κονγκ, η ποιότητας της ατμόσφαιρας την άνοιξη και το καλοκαίρι είναι «μέτρια» (εικόνα 2c). Στο Δελχί οι μηνιαίες μέσες τιμές του AOT είναι υψηλές κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού και χαμηλές το χειμώνα. Το μέγιστο AOT παρατηρήθηκε το Μάιο με τιμή 0.9 και το ελάχιστο το Φεβρουάριο με 0.38 (εικόνα 2d). Συνολικά, η ποιότητα της ατμόσφαιρας στο Σίδνεϊ παραμένει κάτω από την κατηγορία «καλή» καθ' όλη τη διάρκεια του έτους εκτός από τους μήνες Δεκέμβριο και Ιανουάριο, γεγονός που οφείλεται κατά ένα μεγάλο μέρος στις ανεξέλεγκτες δασικές φωτιές (bushfire events) στην περιοχή (εικόνα 2e).

Εικόνα 2: Απεικόνιση μεταβολών της συγκέντρωσης των ΡΜ2.5 (μg/m3) (μέση μηνιαία και μέση τιμή 24ωρου) και του MODIS AOT στα 0.55μm για τις πέντε περιοχές μελέτης. Περιλαμβάνονται και οι κατηγορίες ποιότητας του αέρα (καλή, μέτρια, και δυσμενής για την υγεία).

Επιπλέον στο άρθρο αυτό υπολογίστηκε και ο γραμμικός συντελεστής συσχέτισης μεταξύ των ωριαίων τιμών μάζας PM2.5 και του MODIS AOT ώστε να εξεταστεί η σχέση τους ποσοτικά. Αν και υπάρχουν πιθανές αβεβαιότητες σε ποσοστό 0-10% στις μετρήσεις των PM2.5 λόγω των μεθόδων δειγματοληψίας και αβεβαιότητες στις εκ νέου ανακτήσεις του MODIS, ο γραμμικός συντελεστής συσχέτισης είναι εντούτοις ένα χρήσιμο εργαλείο για να υπολογιστούν οι τοπικές συνθήκες ποιότητας της ατμόσφαιρας. Ένας υψηλός βαθμός συσχετισμού σε οποιαδήποτε τοποθεσία δείχνει ότι το μεγαλύτερο μέρος της ρύπανσης είναι κοντά στην επιφάνεια. Στην παρούσα μελέτη, ο υψηλότερος γραμμικός συντελεστής συσχετισμού (0.85) βρέθηκε σε ένα από τους σταθμούς στο Δελχί, και ο χαμηλότερος (0.11) ήταν στο σταθμό του Ρίτσμοντ στο Σίδνεϊ οφειλόμενος στο πολύ χαμηλό μέσο οπτικό πάχος.

Εικόνα 3: Σχέση μεταξύ της μέσης 24ωρης συγκέντρωσης μάζας των PM2.5 και του AOT στα 0.55μm.

Η εικόνα 3 παρουσιάζει το γράφημα διασποράς μεταξύ της μέσης 24ωρης συγκέντρωσης μάζας των PM2.5 και του AOT που προήλθαν από τους δορυφόρους MODIS Terra και MODIS Aqua αντίστοιχα πάνω από τις πέντε περιοχές μελέτης. Τα διαφορετικά χρώματα αναφέρονται στις διαφορετικές περιοχές. Επιπλέον παρουσιάζεται και ο χαρακτηρισμός της ποιότητας της ατμόσφαιρας. από τα δορυφορικά στοιχεία. Η εικόνα 3 επίσης παρουσιάζει 11 ορθογώνια κουτιά (bins) των 5μg/m3 στα οποία υπάρχουν μαύρες κουκκίδες που δείχνουν τον μέσο όρο των σημείων του MODIS AOT και των PM2.5 και επίσης απεικονίζεται και μια ευθεία μαύρη γραμμή η οποία είναι η γραμμή παλινδρόμησης μεταξύ αυτών των δύο παραμέτρων. Το ύψος του μαύρου κουτιού αντιπροσωπεύει τη σταθερή απόκλιση του MODIS AOT για ένα συγκεκριμένο κουτί PM2.5. Ο συσχετισμός μεταξύ του μέσου όρου του κουτιού του AOT και της συγκέντρωσης των PM2.5 είναι πολύ υψηλός, με έναν γραμμικό συντελεστή συσχέτισης 0.96 και για τους δύο δορυφόρους Terra και Aqua.

Συμπεράσματα

Από την ανάλυση συσχέτισης που χρησιμοποιήθηκε, παρήχθη εμπειρική σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης των ΡΜ2.5 σε 24ωρη βάση (μg/m3) και του MODIS AOT (στα 0.55μm) και βγήκε το συμπέρασμα ότι το ΑΟΤ που δίνει ο δορυφόρος αποτελεί ένα εξαιρετικό εργαλείο για τη μελέτη της ποιότητας του αέρα πάνω από περιοχές μεγάλης έκτασης. Επειδή οι συγκεντρώσεις των ΡΜ2.5 δείχνουν τι παρατηρείται μόνο σημειακά δεν απεικονίζουν τη ρύπανση πάνω από μεγάλης έκτασης περιοχές και έτσι τα δεδομένα των δορυφόρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιοχές όπου οι μετρήσεις που γίνονται στο έδαφος δεν είναι διαθέσιμες. Αν υπάρχει μεταφορά ρύπων από μια περιοχή σε μια άλλη, τότε οι μετρήσεις που πραγματοποιούνται στην επιφάνεια της δεν μπορούν να απεικονίσουν τη φύση των γεγονότων και είναι δύσκολο να αναγνωριστούν οι πηγές των ρυπαντών. Από τη στιγμή που οι μετρήσεις από δορυφόρο είναι διαθέσιμες σε παγκόσμια βάση, μπορεί να εξεταστεί η μεταφορά των ρύπων. Χρησιμοποιώντας αυτή τη βάση δεδομένων και δεδομένα της ταχύτητας και της διευθύνσεις του αέρα μπορεί να αναγνωριστούν οι πηγές των ρύπων. Οι συσχετίσεις δορυφόρου – ΡΜ2.5 είναι υψηλές στις περιπτώσεις όπου δεν υπάρχουν σύννεφα, σε χαμηλά ύψη του οριακού στρώματος, όταν το ΑΟΤ είναι υψηλότερο από 0.1 και η σχετική υγρασία είναι χαμηλή. Παρόλα αυτά για μια βελτιωμένη ανάλυση απαιτούνται τα δεδομένα από την κατακόρυφη κατανομή του αεροζόλ σε συνδυασμό με μετεωρολογικά δεδομένα. Η ανάλυση κατά περιοχές έδειξε ότι η ποιότητα του αέρα είναι καλή στο Σίδνεϋ και την Ελβετία ενώ η χειρότερη εντοπίζεται στο Χονγκ Κονγκ και το Δελχί και μια μέτρια ποιότητα αέρα έχει η Νέα Υόρκη.