Χρήση Μεσημβρινών Επιφανειακών Θερμοκρασιών του NOAA-AVHRR για την Εκτίμηση των Βαθμοημερών Ψύξης . Περιοχή μελέτης η Αθήνα
Από RemoteSensing Wiki
Χρήση Μεσημβρινών Επιφανειακών Θερμοκρασιών του NOAA-AVHRR για την Εκτίμηση των Βαθμοημερών Ψύξης . Περιοχή μελέτης η Αθήνα
Αντικείμενο Εφαρμογής: Εκτίμηση των βαθμοημερών ψύξης από τις επιφανειακές θερμοκρασίες του NOAA-AVHRR. Περιοχή μελέτης είναι η μητροπολιτική πόλη της Αθήνας.
Πρωτότυπος Τίτλος: Towards urban facilities energy performance evaluation using remote sensing
Συγγραφείς: Marina Stathopoulou (a), Constantinos Cartalis (a), Nektarios Chrysoulakis (b)
(a) Remote Sensing and Image Processing Laboratory, Division of Applied Physics, Department of Physics,University of Athens, Athens 157 84, Greece
(b) Foundation for Research and Technology—Hellas, Institute of Applied and Computational Mathematics, Regional Analysis Division, Vassilika Vouton, P.O. Box 1527, Heraklion, 71110 Crete, Greece
Πηγή: Elsevier, Solar Energy 80 (2006) 414–422 [1]
Λέξεις Κλειδιά: Βαθμοημέρες ψύξης; τηλεπισκόπηση; AVHRR
Περίληψη: Οι βαθμοημέρες ψύξης (CDD) είναι ένας πρακτικός τρόπος για την αξιολόγηση της επίδρασης της θερμοκρασίας του αέρα στην ενεργειακή απόδοση των κτιρίων. Σε αυτή την έρευνα, προσδιορίζεται και επικυρώνεται στατιστικά, η σχέση μεταξύ της μεσημβρινής επιφανειακής θερμοκρασίας από δεδομένα του NOAA-AVHRR και των μέσων ημερήσιων θερμοκρασιών αέρα που καταγράφηκαν από σταθερούς μετεωρολογικούς σταθμούς .Στη συνέχεια γίνεται χρήση αυτής της σχέσης για των υπολογισμό των CDD .Το πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι η άμεση εφαρμογή των ημερήσιων δορυφορικών δεδομένων για τον καθορισμό των CDD σε αστικές περιοχές με χωρική ανάλυση 1.1 χλμ..
Εισαγωγή: Οι CDD ορίζονται ως η θετική απόκλιση της μέσης ημερήσιας θερμοκρασίας Tm από μία βασική θερμοκρασία Tb, πρακτικά είναι η εξωτερική θερμοκρασία αέρα πάνω από την οποία ενεργοποιείται ο κλιματισμός για να διατηρήσει την εσωτερική θερμοκρασία σε ένα επίπεδο άνεσης. Η βασική θερμοκρασία είναι αυθαίρετη, αλλά γενικώς αποδεκτή, μεταξύ 10 και 28 °C και συνήθως επιλέγονται οι 25°C . Οι ετήσιες βαθμοημέρες ψύξης υπολογίζονται από τις ημερήσιες που αθροίζονται για το διάστημα ενός έτους.
Η γνώση της χωρικής κατανομής των CDD σε μια πόλη επιτρέπει την περιγραφή και την αποτύπωση των θερμοκρασιακών συνθηκών για τη βελτίωση του αστικού περιβάλλοντος και τη μείωση την ενεργειακής κατανάλωσης, αλλά και για την αξιολόγηση και το σχεδιασμό μια περιοχής.
Οι βαθμοημέρες ψύξης υπολογίζονται από τον παρακάτω τύπο
CDD=(1DAY) ∑_DAYS(Tm-Tb)_+ (1)
Το + υποδεικνύει ότι μόνο θετικές τιμές λαμβάνονται υπόψη, δηλ.. αν Tm < Tb τότε CDD = 0.
Υπάρχουν και άλλες πιο περίπλοκες μέθοδοι, κοινός παράγοντας όλων είναι η εξάρτηση τους από τα επίγεια δεδομένα τόσο σε χωρικό όσο και σε χρονικό επίπεδο, που όμως είναι πολλές φορές μη διαθέσιμα ή ανεπαρκή.
Η χρήση δορυφορικών δεδομένων παρέχει καλύτερη χωρική κάλυψη λόγω του ότι τα δεδομένα είναι χωρικά συνεχή και διαθέσιμα για μεγαλύτερο ποσοστό γης με σταθερή συχνότητα. Ο αισθητήρας AVHRR των δορυφόρων NOAA, διαθέτει 5 φασματικά κανάλια, εκ των οποίων 2 (το 4 και 5) βρίσκονται στο θερμικό υπέρυθρο, και για αυτό χρησιμοποιούνται ευρέως για επιφανειακές θερμοκρασίες.
Ο στόχος αυτής της έρευνας είναι διττός: αρχικά να καθορίσει μια έγκυρη σχέση μεταξύ των μεσημβρινών επιφανειακών θερμοκρασιών με τις μέσες ημερήσιες θερμοκρασίες αέρα και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει αυτή τη σχέση για τον υπολογισμό των βαθμοημερών ψύξης, που αποτελεί κύρια παράμετρο στον υπολογισμό της ενεργειακής κατανάλωσης στις πόλεις. Για τις ανάγκες της έρευνας καθορίστηκε μία επιφανειακή θερμοκρασία κατώφλι, που προέκυψε από την παραπάνω συσχέτιση, και χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των CDD μέσω των ημερήσιων δορυφορικών δεδομένων. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τις τιμές των CDD που ανακτήθηκαν μέσω των σταθερών μετεωρολογικών σταθμών. Η περιοχή μελέτης είναι η Αθήνα.
Μεθοδολογία:
- Ανάκτηση επιφανειακής θερμοκρασίας από τα δεδομένα του NOAA-AVHRR
Συλλέχθηκαν 50 εικόνες, κατά τη διάρκεια της μέρας, του NOAA-14 AVHRR, για την περίοδο Ιουνίου-Αυγούστου 2000, για την περιοχή της Αθήνας. Επιλέχθηκαν ο δορυφόρος NOAA-14 διότι παρέχει εικόνες της περιοχής μελέτης στις 14:00 UTC , και άρα είναι οι κατάλληλες για τον υπολογισμό των θερμοκρασιών. Αρχικά οι εικόνες 1χ1 χλμ. διορθώθηκαν ραδιομετρικά και γεωμετρικά. Η ραδιομετρική διόρθωση επιτεύχθηκε με τη χρήση της ακτινο-βασισμένης διαδικασίας του NOAA. Στη συνέχεια όλες οι εικόνες εγγράφηκαν στο σύστημα συντεταγμένων UTM, χρησιμοποιώντας 10 σημεία ελέγχου (GCPs) και διορθώθηκαν με σφάλμα τετραγωνικού μέσου ενός pixel. Στο επόμενο βήμα εφαρμόστηκε μία μάσκα , pixel με ανακλαστικότητα μεγαλύτερη του 25% στο κανάλι 1 , θεωρήθηκαν «μολυσμένα» από νέφη και απορρίφθηκαν. Έτσι από τις 50 εικόνες που συλλέχθηκαν, επιλέχθηκαν 32 που ανταποκρίνονται σε συνθήκες ανέφελου ουρανού.
Τα κανάλια 4 και 5 χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό της επιφανειακής θερμοκρασίας με την εφαρμογή ενός αλγορίθμου για την διόρθωση της επίδρασης των φίλτρων λειτουργίας του αισθητήρα. Χωρίς τη χρήση ενός αλγόριθμου διόρθωσης μπορεί να προκύψει λάθος στις επιφανειακές θερμοκρασίες της τάξης των 2.3 K .
Η επιφανειακή θερμοκρασία Ts υπολογίστηκε από τον τύπο:
Τs=5.54+T4+2.08(T4-T5) (2)
όπου T4 και T5 είναι οι θερμοκρασίες φωτεινότητας των καναλιών 4 και 5 αντίστοιχα, μετρημένες σε Κ.
- Σχέση μεταξύ των μεσημβρινών επιφανειακών θερμοκρασιών και της ημερήσιας θερμοκρασίας
Ανακτήθηκαν επίγειες μετρήσεις ωριαίων δεδομένων θερμοκρασίας αέρα και εδάφους, από τους μετεωρολογικούς σταθμούς του Θησείου και της Πεντέλης. Και για τους δύο σταθμούς η μέση ημερήσια θερμοκρασία αέρα υπολογίστηκε με τη χρήση της ωριαίας θερμοκρασίας αέρα Ti από τη σχέση:
Tm=((∑_1^24 Ti))/24 (3)
Στη συνέχεια οι τιμές της Tm απεικονίστηκαν σε αντιπαραβολή με τις μεσημβρινές θερμοκρασίες (14:00 UTC ) για να εξεταστεί αν υπάρχει άμεση συσχέτιση μεταξύ τους και αν υποστηρίζεται(Διάγραμμα 1).
Η συσχέτιση αποτέλεσε έναυσμα για έρευνα της συσχέτισης μεταξύ της μέσης ημερήσιας θερμοκρασίας (Ts )και της μεσημβρινής επιφανειακής θερμοκρασίας με στόχο της χρήση της για τον υπολογισμό των DD από τηλεπισκοπικά ανιχνευμένες επιφανειακές θερμοκρασίες (NOAA-14 AVHRR). Οι τιμές της Ts που χρησιμοποιήθηκαν στη σύγκριση, ήταν αυτές που αντιστοιχούσαν στα pixel της περιοχής των μετεωρολογικών σταθμών.
Η ανάλυση παλινδρόμησης έδειξε ότι η μέση ημερήσια θερμοκρασία του αέρα και η μεσημβρινή επιφανειακή θερμοκρασία AVHRR σχετίζονται ισχυρά (R² = 0.80). Συμπεραίνεται ότι μπορεί να καθοριστεί μια απευθείας σχέση μεταξύ των Tm , Ts :
Τm=1,1176 Τs-21,917 (4)
Όπου Tm η μέση ημερήσια θερμοκρασία του αέρα και Ts η μεσημβρινή επιφανειακή θερμοκρασία. Από την (4) μπορεί να καθοριστεί μία επιφανειακή θερμοκρασία κατώφλι Tsb και να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των CDD από τηλεπισκοπικά δεδομένα.
- Πραγματικές και εκτιμώμενες βαθμοημέρες ψύξης
Οι πραγματικές βαθμοημέρες ψύξης(CDDa) υπολογίστηκαν από τα δεδομένα της θερμοκρασίας του αέρα που μετρήθηκαν στους δύο μετεωρολογικούς σταθμούς και με θερμοκρασία κατώφλι τους 25°C . Οι ημερήσιες CDDa ισούνται με τη διαφορά Tm- Tb. Οι τιμές αυτές χρησιμοποιήθηκαν ως επιτόπια δεδομένα και στη συνέχεια συγκρίθηκαν με τις CDD που υπολογίσθηκαν με τη βοήθεια του AVHRR: CDDest= Ts – Tsb, (5)
Ts η μεσημβρινή επιφανειακή θερμοκρασία από τον AVHRR σε °C
Tsb η επιφανειακή θερμοκρασία κατώφλι (42°C).
Η χρήση της (5) επιβεβαιώνεται από τον ισχυρό συντελεστή συσχέτισης της με την (4) (R² = 0.80).
Αποτελέσματα και συμπεράσματα: Συγκρίνοντας τις προβλεπόμενες και τις πραγματικές CDD για τους δύο σταθμούς στη θερμοκρασία κατώφλι των 25°C , βρέθηκε μια συνολική ισχυρή συσχέτιση μεταξύ των CDDest και των CDDa (Εικ. 3). Επίσης η κλίση της ευθείας παλινδρόμησης μεταξύ των προβλεπόμενων και των πραγματικών είναι μικρότερη του 1 (CDDest = 0.74CDDa + 0.37), κάτι που σημαίνει ότι υπάρχει μια τάση υποτίμησης της CDDest καθώς η CDDa αυξάνεται(Διάγραμμα 2). Το μέσο απόλυτο σφάλμα είναι της τάξης του 1.36-βαθμοημέρες ψύξης για το Θησείο και 1.14 για την Πεντέλη. Ενώ το μέσο τετραγωνικό σφάλμα (rmse) της τάξης των 1.68 και 1.67 βαθμοημερών ψύξης για το Θησείο και την Πεντέλη αντίστοιχα.
Με αυτή την προσέγγιση φαίνεται ότι οι ημερήσιες CDD μπορούν να υπολογιστούν με σφάλμα της τάξης των 1.7βαθμοημερών ψύξης. Η ακρίβεια επηρεάζεται από την ακρίβεια των δεδομένων επιφανειακής θερμοκρασίας από το AVHRR.
Παρόλο που οι τηλεπισκοπικές εκτιμήσεις έχουν το πλεονέκτημα της χωρικής κάλυψης σε μεγάλες αστικές περιοχές, απεικονίζοντας έτσι αποτελεσματικά τις διακυμάνσεις της CDD μεταξύ διαφορετικών αστικών περιοχών, είναι περιορισμένες από νεφικές παρεμβολές . Από την άλλη, οι μετρήσεις από τυποποιημένους μετεωρολογικούς σταθμούς, ενώ έχουν περιορισμένη χωρική κάλυψη, παρέχουν εξαιρετικές χρονικές εγγραφές. Ωστόσο, οι τοπικές τηλεπισκοπικές εκτιμήσεις CDD που προκύπτουν από παρατηρήσεις του συνολικού πεδίου του ραδιομέτρου είναι γενικά πιο αντικειμενικές για την περιοχή από μια μόνο σημειακή μέτρηση που αντιστοιχεί στη θέση του μετεωρολογικού σταθμού.
Συνάγεται το συμπέρασμα ότι οι τηλεπισκοπικοί υπολογισμοί θα πρέπει να χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με τις παρατηρούμενες τιμές που αποκτήθηκαν από κάποιον αστικό μετεωρολογικό σταθμό.
