Results of the DUE Thermopolis campaign with regard to the urban heat island (UHI) effect in Athens
Από RemoteSensing Wiki
Τίτλος συνδέσμουτίτλος πρωτότυπου: RESULTS OF THE DUE THERMOPOLIS CAMPAIGN WITH REGARD TO THE URBAN HEAT ISLAND (UHI) EFFECT IN ATHENS
συγγραφείς πρωτότυπου: Ιωάννης Α. Δαγλής (1), Σπυρίδωνας Ραψομανίκης (2) , Κωνσταντίνος Κουρτίδης (2), Δημήτριος Μελάς (3) , Αλέξανδρος Παπαγιάννης (4) , Ιφιγένεια Κεραμίτσογλου (1), Θεόδωρος Γιάνναρος (3), Βασίλης Αμοιρίδης (1), Γεώργιος Πετρόπουλος (1), Αριστείδης Γεωργούλιας (2), José Antonio Sobrino (3), Paolo Manunta (6), Julian Gröbner (7) , Marc Paganini(8), Remo Bianchi (8)
1. Ινστιτούτο Διαστημικών Εφαρμογών και Τηλεπισκόπησης, Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών, Ελλάδα 2. Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, Ελλάδα 3. Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Ελλάδα 4. Τομέας Φυσικής, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Ελλάδα 5. Global Change Unit, Πανεπιστήμιο της Βαλένσια, Ισπανία 6. Planetek Italia srl, Ιταλία 7. Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos, World Radiation Center, Ελβετία 8. Ευρωπαϊκό Ινστιτούτο Διαστημικών Ερευνών (ΕΙΔΕ-ESRIN), Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ΕΟΔ-ESA)
ΠΗΓΗ:[1]
citation: Daglis, Ioannis & Rapsomanikis, S & Kourtidis, Kostas & Melas, D & Keramitsoglou, Iphigenia & Giannaros, Theodore & Amiridis, Vassilis & Petropoulos, George & Sobrino,Jose & Manunta, Paolo & Grobner, J & Paganini, Marc & Bianchi, R. (2010). Due UHI And Thermopolis 2009 Results Of The Thermopolis 2009 Campaign With Regard To The Urban Heat Island (UHI) Effect In Athens..
ΣΗΜΕΙΩΣΗ:
'ΤΟ ΠΑΡΟΝ ΑΠΟΤΕΛΕΙ ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ ΤΗΣ ΣΥΝΟΨΗΣ ΤΟΥ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΥ. Η ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΧΕΙ ΔΗΜΟΣΙΕΥΤΕΙ ΣΤΟ PUBLIC DOMAIN.'
ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΗΣ ΑΣΤΙΚΗΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΝΗΣΙΔΑΣ ΣΤΗΝ ΑΘΗΝΑ: ΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΕΚΣΤΡΑΤΕΙΑΣ "ΘΕΡΜΟΠΟΛΙΣ"
ΣΥΝΟΨΗ
Το φαινόμενο της Αστικής Θερμικής Νησίδας (Urban Heat Island effect, UHI effect) παρατηρείται όταν η θερμοκρασία των κεντρικών αστικών περιοχών είναι αυξημένη συγκριτικά με εκείνη των περιφερειακών υπαίθριων περιοχών με αντίστοιχο υψόμετρο. Η διαφορά στην θερμοκρασία είναι ιδιαιτέρως αισθητή τις νυχτερινές ώρες. Το UHI έχει μελετηθεί μέσα από πολλές επίγειες παρατηρήσεις. Η δυνατότητα όμως θερμικής τηλεπισκόπησης με την χρήση διαστημικών ή εναέριων σταθμών είναι σχετικά πρόσφατη και προσφέρει καινοτόμους τρόπους παρακολούθησης και καταγραφής του φαινομένου. Με αφορμή την πρωτοβουλία του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ΕΟΔ, European Space Agency-ESA) να μελετήσει την πολυπλοκότητα του φαινομένου ενεργοποιήθηκε ένα παρεμφερές πρόγραμμα με τίτλο «Αστική Θερμική Νησίδα και Αστική Θερμογραφία». Σκοπός ήτανε να μελετήσει το φαινόμενο στα μεγάλα αστικά κέντρα της Ευρώπης συνδυάζοντας επίγειες και δορυφορικές παρατηρήσεις. Σε αυτό το άρθρο παρουσιάζονται τα προκαταρκτικά αποτελέσματα του προγράμματος, τα οποία συγκεντρώθηκαν μέσα από καταγραφές στην ευρύτερη περιοχή της Αθήνας, με την συμβολή εναέριων τηλεπισκοπικών παρατηρήσεων που συγκεντρώθηκαν από την εκστρατεία «Θερμόπολις 2009» η οποία επιχορηγήθηκε από τον ΕΟΔ. Ο συντονισμός της εκστρατείας έγινε από το Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης και συμμετείχε μια διευρυμένη κοινοπραξία ινστιτούτων και εταιρειών.
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Πρωτεύοντας στόχος του προγράμματος ήτανε η συγχώνευση δορυφορικών τηλεπισκοπικών απεικονίσεων με τα δεδομένα από τις μετρήσεις των επίγειων καιρικών συνθηκών (πχ θερμοκρασία, σχετική υγρασία, και ταχύτητα του ανέμου) σε ένα αστικό μετεωρολογικό και κλιματικό προσομοιωτή. Οι δορυφορικές απεικονίσεις ελήφθησαν κυρίως μέσα από το φάσμα του Θερμικού Υπέρυθρου (TIR) της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Μακροπρόθεσμος στόχος της έρευνας ήτανε να συμβάλλει στην καλύτερη πρόβλεψη, πρόληψη και αποτροπή των επιπτώσεων του φαινομένου σε περιόδους καύσωνα μέσα από κατάλληλα συστήματα εντοπισμού επικινδυνότητας, καθώς και στην μετρίαση του κινδύνου μέσα από στοχευμένο αστικό σχεδιασμό. Ένα επιπλέον αντικείμενο μελέτης του προγράμματος ήτανε να διερευνηθούν οι λειτουργικές απαιτήσεις ενός δoρυφορικού θερμικού ανιχνευτή υπερύθρων (TIR) με υψηλή ανάλυση. Ένας τέτοιος ανιχνευτής θα εξυπηρετεί στο μέγιστο την δημόσια διοίκηση στην συγκέντρωση παρατηρήσεων σχετικά με το φαινόμενο στις αστικές περιοχές. Το τρίτο αντικείμενο μελέτης είναι να διερευνήσει με ποιόν τρόπο οι δορυφορικές απεικονίσεις TIR μπορούν να υποστηρίξουν την εφαρμογή μιας πολιτικής ενεργειακής εξοικονόμησης στα αστικά κέντρα. Για να υποστηρίξει τα Προγράμματα Γήινων Παρατηρήσεων (Εarth Observation Programms) ο ΕΟΔ διοργανώνει συντονισμένες επίγειες και εναέριες πειραματικές εκστρατείες. Η εκστρατεία «Θερμόπολις 2009» διοργανώθηκε με σκοπό να λειτουργήσει συμπληρωματικά στις δραστηριότητες που έχουν προταθεί για την Αθήνα. Συγχώνευσε εναέριες υπερφασματικές απεικονίσεις με διαστημικές και εντοπισμένες επίγειες μετρήσεις (συγχρονισμένες με τις δορυφορικές απεικονίσεις) σε μια ενιαία φασματική και γεωμετρική απεικόνιση δεδομένων, με σκοπό να απαντήσει στις απαιτήσεις του προγράμματος.
2. ΛΗΨΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (15 Ιουλίου 2009 – 2 Αυγούστου 2009)
Οι εταίροι του προγράμματος διέθεσαν τον τεχνολογικό εξοπλισμό τους και ταυτόχρονα με τις εναέριες και τις επίγειες μετρήσεις ελήφθησαν δορυφορικές εικόνες από ποικίλους δορυφορικούς ανιχνευτές, με αποτέλεσμα να συγκεντρωθεί υλικό ευρείας χωρικής και φασματικής διακριτικής ικανότητας.
2.1 Επίγειες μετρήσεις
Ο κύριος όγκος των μετρήσεων έγινε μεταξύ 15-31 Ιουλίου 2009. Έγιναν τρία είδη μετρήσεων:
α. προσδιορισμός ολικής στήλης και κατακόρυφης κατανομής αερολυμάτων, νεφών και υδρατμών για να πραγματοποιηθεί ατμοσφαιρική διόρθωση στα δεδομένα των δορυφορικών απεικονίσεων.
β. μετρήσεις για την περιγραφή της αστικής θερμικής νησίδας στην περιοχή της Αθήνας (πχ μετρήσεις θερμοκρασίας), για να γίνει ανάλυση και παρακολούθηση του φαινομένου κατά την διάρκεια του πειράματος
γ. ραδιομετρικές μετρήσεις, για την προσαρμογή/επαλήθευση των παραμέτρων που προκύπτουν απ’τα εναέρια δεδομένα.
2.2 Δορυφορικές λήψεις
Δορυφορικά δεδομένα ελήφθησαν από πέντε δορυφόρους :
α. LANDSAT, χρησιμοποιήθηκε μία απεικόνιση. Διαθέτει αισθητήρα Landsat TM – Thematic Mapper, υψηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας, πολυφασματικό , με 7 φασματικά κανάλια από το ορατό έως το θερμικό υπέρυθρο και με χωρική διακριτική ικανότητα από τα 30 έως τα 120 μέτρα. Διαθέτει ένα κανάλι στον υπέρυθρο και χωρική ανάλυση 120Χ120 μ.
β. MSG-2 / Meteosat Second Generation, γεωστατικός δορυφόρος. Διαθέτει ραδιόμετρο SEVIRI, σαρώνει την επιφάνεια της γης σε 15 λεπτά, και δίνει εικόνες από όλη την Ευρώπη. Έχει 12 φασματικά κανάλια, εκ των οποίων 5 λειτουργούν στον υπέρυθρο. Δίνει δεδομένα χαμηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας αλλά υψηλής χρονικής διακριτικής ικανότητας.
γ. ENVISAT, χρησιμοποιήθηκαν 5 λήψεις που έκανε τις ημέρες της εκστρατείας. Διαθέτει προηγμένο ραδιόμετρο σάρωσης κατά μήκος της τροχιάς AATSR - Advanced Along-Track Scanning Radiometer, με 7 κανάλια από το ορατό στο υπέρυθρο και με χωρική ανάλυση 1Χ1 χλμ στο ναδίρ. Έχει 2 κανάλια στο υπέρυθρο. Μια ιδιαιτερότητα του AATSR είναι πως έχει σχεδιαστεί με δύο τηλεσκόπια και αυτό προσφέρει μεγάλη ακρίβεια στην ατμοσφαιρική διόρθωση των δεδομένων άρα και μεγάλη ακρίβεια στην καταγραφή θερμοκρασιών εδάφους.
δ. ΝΟΑΑ, National Oceanic and Atmospheric Administration. Χρησιμοποιήθηκαν 4 εικόνες κατά μέσο όρο σε καθημερινή βάση – ημερήσιες και νυχτερινές, σε σχεδόν πραγματικό χρόνο. Διαθέτει ραδιόμετρο AVHRR – Αdvanced Very High Resolution Radiometer. Είναι προηγμένο ραδιόμετρο πολύ υψηλής ανάλυσης, με 5 κανάλια απ’το ορατό έως το θερμικό υπέρυθρο και με χωρική ανάλυση 1Χ1 χλμ, με ημερίσια και νυχτερινή λήψη της ίδιας περιοχής ανά 24ωρο.
ε. TERRA and AQUA. Χρησιμοποιήθηκαν 4 απεικονίσεις κατά μέσο όρο σε καθημερινή βάση – ημερήσιες και νυχτερινές – από τον MODIS και 2 απεικονίσεις από τον ASTER . Ο ανιχνευτής MODIS έχει 36 κανάλια από το ορατό στο θερμικό υπέρυθρο και χωρική ανάλυση μεταξύ 250 μ και 1 χλμ. Ο ανιχνευτής ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) είναι προηγμένο δορυφορικό ραδιόμετρο εκπομπής και ανάλυσης. Δίνει υψηλή ανάλυση με 15 κανάλια από το ανακλαστικό στο θερμικό υπέρυθρο με χωρική ανάλυση από 15 έως 90 μέτρα και λήψη δεδομένων κάθε 16 μέρες.
2.3 Μοντέλο Πρόβλεψης Καιρού
Για την πρόγνωση θερμοκρασίας αέρα και νεφοκάλυψης χρησιμοποιήθηκε το Σύστημα Έρευνας και Πρόγνωσης Καιρού (WRF, Weather Research and Forecasting model). Λόγω της δυνατότητας του συστήματος αυτού να προσαρμόζεται στην πολυπλοκότητα των παραμέτρων του αστικού περιβάλλοντος, επιλέχθηκε σαν βάση για να αναπτυχθεί μια υπηρεσία πρόγνωσης αστικής θερμικής νησίδας. Το σύστημα ρυθμίστηκε να εκτελεί υψηλής ανάλυσης (1 χλμ) προσομοιώσεις της πόλης κάθε 72 ώρες. Σκοπός αυτής της ρύθμισης ήτανε να διαπιστωθεί η προγνωστική ακρίβεια του συστήματος όσο αφορά την κατανομή θερμοκρασίας αέρος (ΑΤ) και την νεφοκάλυψη, για να γίνεται σωστός προγραμματισμός των εναέριων μετρήσεων. Η διασταύρωση των προγνώσεων με τις επίγειες παρατηρήσεις οδήγησαν στον εντοπισμό των αδυναμιών του συστήματος ώστε να γίνουν βελτιώσεις.
3. ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ
3.1 Επίγειες μετρήσεις
Οι επίγειες μετρήσεις όπως περιγράφηκαν στο 2.1 έγιναν σε 26 σταθμούς και έδωσαν ένα διάγραμμα οπτικού βάθους αερολυμάτων και έναν χάρτη κατανομής θερμοκρασίας αέρος (εικ. 4).
3.2 Αστική Θερμική Νησίδα, Landsat TM LST (Land Surface Temperature, Θερμοκρασία Επιφάνειας Εδάφους) και εκπομπές
Οι χάρτες της θερμοκρασίας επιφάνειας εδάφους προέκυψαν απ’την εφαρμογή του αλγόριθμου Jiménez-Muñoz et al (2009) στις δορυφορικές απεικονίσεις του αισθητήρα Landsat TM. O αλγόριθμος αυτός θεωρήθηκε ο πλέον κατάλληλος για τον σκοπό του πειράματος γιατί είναι γενικός αλλά και περιεκτικός και απαιτεί να ρυθμιστούν πολύ λίγες παράμετροι για να εφαρμοστεί. Ένα παράδειγμα χάρτη απεικονίζεται στην εικόνα 5. Εδώ η κεντρική αστική περιοχή φαίνεται να έχει χαμηλότερη θερμοκρασία επιφανείας εδάφους από ότι οι περιφερειακές υπαίθριες περιοχές. Δύο «θερμά σημεία» (hot spots) εμφανίζονται στην βιομηχανική ζώνη ανατολικά της Αθήνας (Μέγαρα και Ασπρόπυργος). Οι θερμοκρασίες αντιστρέφονται τις νυχτερινές ώρες. (εικ. 7)
4.2 Προγνωστικά δεδομένα
Ο χάρτης της κατανομής θερμοκρασιών αέρα όπως προβλέφθηκε απ’το σύστημα πρόγνωσης WRF για την 25η Ιουλίου 2009 έδειξε πως το μοντέλο προέβλεψε μια συνήθη κατανομή αστικής θερμικής νησίδας. Εάν όμως συγκρίνουμε την κατανομή αυτή με την κατανομή που προέκυψε από τις επίγειες μετρήσεις, διαπιστώνουμε πως η προβλεπόμενη θερμοκρασία αέρος υπολείπεται της πραγματικής κατά 2-3 βαθμούς Κελσίου. Τα αποτελέσματα αυτά οδηγούν σε νέες έρευνες για την αξιοποίηση πιο ενημερωμένων και λεπτομερών δορυφορικών απεικονίσεων υψηλής ανάλυσης.
5. ΠΡΩΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
5.1 Σύγκριση μετρήσεων θερμοκρασίας επιφανείας εδάφους (LST, Land Surface Temperature) από δορυφόρο με επίγειες μετρήσεις
Μια σύγκριση των τιμών θερμοκρασίας επιφανείας εδάφους που προέκυψαν απ’το Landsat TM με εκείνες που προέκυψαν από τις επίγειες μετρήσεις έδειξαν μια διαφορά < 1 βαθμό Κέλβιν, η οποία είναι αναμενόμενη. Αναμένονται περισσότερες συγκρίσεις μεταξύ των δορυφορικών και των εναέριων μετρήσεων. Αυτές οι συγκρίσεις είναι επισφαλείς για διάφορους λόγους. Με βάση τα έως τώρα αποτελέσματα, η επαλήθευση των λήψεων από το Landsat TM χρήζει περαιτέρω διερεύνησης. Η σύγκριση των θερμοκρασιών επιφανείας εδάφους του Landsat TM με εκείνες που προέκυψαν από τις εναέριες μετρήσεις προβλέπεται να συνεισφέρει δραματικά στην βελτίωση στην ακρίβεια των δεδομένων του Landsat TM, καθώς και στην κατανόηση του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας στην ευρύτερη περιοχή της Αθήνας.
5.2 Σύγκριση πρόγνωσης θερμοκρασίας αέρος με επίγειες μετρήσεις
Σε μια πρώτη σύγκριση τιμών μεταξύ της προβλεπόμενης και της πραγματικής θερμοκρασίας αέρος προέκυψε μια μέση απόλυτη διαφορά 2.9 βαθμών Κελσίου και μια σταθερή απόκλιση της τάξης του 1.64 βαθμού Κελσίου. Ως εκ τούτου έγινε προσπάθεια να βελτιωθεί το προγνωστικό μοντέλο τροποποιώντας την χωρική ανάλυση των προγνώσεων από τα 2 χλμ στα 250 μέτρα. Η τροποποίηση αυτή οδήγησε σε βελτίωση της μέση διαφοράς σε όλους τους επίγειους σταθμούς ( -1.10 έως -0.18 βαθμούς Κελσίου).
6. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ
Το πρόγραμμα UHI και Θερμόπολις 2009 χρηματοδοτείται από το Data User Element (DUE), τμήμα του προγράμματος 3rd Earth Observation Envelope Programme (EOEP-3), ένα προαιρετικό πρόγραμμα του ΕSA.
7. ΑΝΑΦΟΡΕΣ
LANDSAF. HTTP://LANDSAF.METEO.PT/[ACCESSED ON FEBRUARY, 16TH, 2010]
LANDSAF User’s Manual, 2008: SAF for Land surface Analysis. Algorithm Theoretical Basis Document. Meteosat Second Generation Evapotranspiration (MET) product. Available at: http://landsaf.meteo.pt/algorithms.jsp;jsessionid=43A1CD5F12EA9E53C2106C9B943D1642?seltab=6&starttab=6#adescription [accessed on March 7th, 2010]
Gao & Kaufman, 1998: The MODIS Near-IR Water Vapor Algorithm. Products: MOD05_L2, MOD08_D3, MOD08_E3, MOD08_M3. ATBD Reference Number: ATBD-MOD-03. Available at: http://modisatmos.gsfc.nasa.gov/MOD05_L2/atbd.html [accessed on February, 16th, 2010]
Jiménez-Muñoz, J. C., Cristóbal, J. Sobrino, J. A., Sòria, G. , Ninyerola, M., and X. Pons, 2009: Revision of the Single-Channel Algorithm for Land Surface Temperature Retrieval From Landsat Thermal-Infrared Data. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 47 (1).
Sobrino, J. A., Raissouni, N. and Li, Z. -L., 2001. A comparative study of land surface emissivity retrieval from NOAA data. Remote Sensing of Environment, 75, 256– 266.
Sobrino, J. A., Jiménez-Muñoz, J. C., Sòria, G., Romaguera, M., Guanter, L., Moreno, J., Plaza, A. and Martínez, P., 2008. Land Surface Emissivity Retrieval From Different VNIR and TIR Sensors. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 46, 316 - 327.
Sobrino, J. A. and Raissouni, N., 2000. Toward remote sensing methods for land cover dynamic monitoring. Application to Morocco. Int. J Remote Sens. 21, 353–366. Wan. Z., 2009: MODIS Land Surface Temperature Products User’s Guide. Available at: http://www.icess.ucsb.edu/modis/LstUsrGuide/MODIS_LST_products_Users_guide_C5.pdf [accessed on February 16th, 2010]
