Περιοχική εκτίμηση βροχόπτωσης με την χρήση Τηλεπισκόπησης και Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (Γ.Σ.Π)

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 09:10, 21 Απριλίου 2010

Περίληψη

Η εκτίμηση της βροχόπτωσης είναι καθοριστικής σημασίας για την μελέτη των υδατικών πόρων μιας περιοχής διότι θεωρείται μία από τις σημαντικότερες συνιστώσες στον υδρολογικό κύκλο. Στόχος της παρούσας έρευνας είναι η εκτίμηση της περιοχικής βροχόπτωσης καθώς επίσης και η διερεύνηση της περιοχικής έκτασης μιας καταιγίδας με αποτέλεσμα την εξαγωγή εμπειρικών σχέσεων, οι οποίες δίνουν τη δυνατότητα εύρεσης της έκτασης των καταιγιδοφόρων νεφών σε μια περιοχή και την ανακλαστικότητα πάνω από μια συγκεκριμένη περιοχή.

Η χρονοσειρά των δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη της μεθοδολογίας αφορούσε στο χρονικό διάστημα τριών ετών, από 1998 έως και το 2000. Τα δεδομένα ήταν τιμές ύψους βροχής σε mm για τον μήνα Μάιο από επτά μετεωρολογικούς σταθμούς της Θεσσαλίας, καθώς και δορυφορικές εικόνες ανά μισή ώρα τόσο από την ορατή περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος όσο και από την υπέρυθρη περιοχή του δορυφόρου METEOSAT.

Ο απώτερος σκοπός ήταν η επαλήθευση της ύπαρξης υετού πάνω από τους βροχομετρικούς σταθμούς της περιοχής μελέτης και σε συγκεκριμένες ημερομηνίες, στις οποίες οι τιμές ανακλαστικότητας της ορατής περιοχής του φάσματος, έδιναν τη δυνατότητα εύρεσης της ύπαρξης βροχόπτωσης ή χαλαζόπτωσης.

Εισαγωγή

Τα μετεωρολογικά ραντάρ που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της βροχόπτωσης δίνουν ικανοποιητικά αποτελέσματα, όμως παρουσιάζουν πρόβλημα όπως και τα βροχόμετρα όσον αφορά την κάλυψη εκτεταμένων χερσαίων ή θαλάσσιων περιοχών.

Τις τελευταίες δεκαετίες οι μετεωρολογικοί δορυφόροι παρέχουν κάλυψη και πληροφορίες για την βροχόπτωση. Πληροφορίες από το διάστημα που να αφορούν στις συχνές λήψεις των καιρικών φαινομένων μπορούν να δοθούν μόνο από γεωστατικούς δορυφόρους. Οι δορυφόροι αυτοί παρέχουν την δυνατότητα υπολογισμού της θερμοκρασίας με την εφαρμογή των κατάλληλων αλγορίθμων. Παράλληλα το κόστος συλλογής πληροφοριών είναι πολύ μικρότερο από αυτό των επίγειων σταθμών. Η παροχή πληροφοριών για την χωρική και ποσοτική κατανομή της βροχόπτωσης σε όλη την υδρόγειο είναι ένας από τους πρωταρχικούς στόχους των μετεωρολογικών δορυφόρων για την εξυπηρέτηση μεταξύ άλλων, μετεωρολογικών, υδρολογικών και περιβαλλοντικών μελετών (Milford & Dugdale, 1990).

Υλικά και Μέθοδοι

Για τη συγκεκριμένη εργασία η έρευνα έγινε για τη σειρά ετών 1998 – 2000. Αναφέρεται επίσης, ότι η έρευνα αφορά τόσο την ορατή όσο και την υπέρυθρη περιοχή του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Στο αρχικό στάδιο συγκεντρώθηκαν μια σειρά δεδομένων (δορυφορικών εικόνων ανά μισή ώρα), που αναφέρονται στο μήνα Μάιο για τη σειρά ετών που προειπώθηκε. Χρησιμοποιείται ο μήνας Μάιος διότι θεωρείται ενδεικτικός μήνας της θερμής περιόδου κατά την οποία εμφανίζονται θερμικές καταιγίδες. Συνολικά επεξεργάστηκαν 6.138 εικόνες. Στη συνέχεια, έγινε χρήση του προγράμματος ERDAS, για την σύνθεση και ομογενοποίηση των εικόνων.

Εικόνα 1: Τυπική εικόνα METEOSAT της 20ης Μαΐου 1994

Τα στάδια της μεθοδολογίας είναι τα εξής:

1. Προ-επεξεργασία δορυφορικών εικόνων

Στο στάδιο αυτό περιλαμβάνεται η γεωμετρική διόρθωσή τους. Δηλαδή η εισαγωγή σε αυτές προβολικού συστήματος και η προσαρμογή τους στο ελληνικό γεωγραφικό σύστημα συντεταγμένων (EGSA’ 87).

Εικόνα 2: (α) αρχική εικόνα METEOSAT και (β) γεωμετρικά διορθωμένη εικόνα.

2. Υπολογισμός επιφανειακής θερμοκρασίας

Οι εικόνες των δορυφόρων METEOSAT χαρακτηρίζονται από 28 (256) δυνατές αποχρώσεις του γκρι. Καθεμία από τις τιμές αυτές των εικονοστοιχείων (pixel) χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας.

Εικόνα 3: Τυπική εικόνα θερμοκρασίας που προέκυψε από θερμική εικόνα METEOSAT

3. Επεξεργασία επίγειων δεδομένων

Τα στοιχεία βροχοπτώσεων λήφθηκαν από τους εξής σταθμούς: Αγχίαλος, Ζαγορά, Αγιά, Τύρναβος, Τσαριτσάνη, Καλαμπάκα, Καρδίτσα, Αταλάντη. Τα δεδομένα των σταθμών αναφέρονται σε ωριαία καταμέτρηση της βροχόπτωσης, ενώ τα δορυφορικά δεδομένα σε καταγραφή ανά μισή ώρα. Έτσι μετατράπηκαν τα τελευταία σε δεδομένα ανά μία ώρα, με την πρόσθεση των τιμών διαδοχικά και τον υπολογισμό της μέσης τιμής αυτών.

4. Υπολογισμός της ελάχιστης θερμοκρασίας κορυφής νεφών (CTT)

Εικόνα 4: Περιοχή μελέτης με τους σταθμούς που χρησιμοποιήθηκαν

Αρχικά εντοπίσθηκαν οι μέρες του μήνα Μαΐου κάθε έτους για τους σταθμούς της Θεσσαλίας, κατά τις οποίες παρατηρήθηκε βροχόπτωση. Έπειτα λήφθηκε η κατώτερη τιμή της θερμοκρασίας των νεφών πάνω από τις συγκεκριμένες περιοχές. Οι μετεωρολογικοί σταθμοί θεωρούνται αντιπροσωπευτικοί των Δημοτικών Διαμερισμάτων για τα οποία υπολογίσθηκε η CTT. Οι εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν στο στάδιο αυτό, αναφέρονται στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

5. Εμπειρική σχέση της ελάχιστης θερμοκρασίας κορυφής νεφών με την λευκαύγεια (albedo)

Ελήφθησαν σαράντα τυχαίες περιπτώσεις από το πλήθος των δεδομένων. Για αυτές τις περιπτώσεις και με τη χρήση διεργασιών που αναφέρθηκαν προηγουμένως, εντοπίστηκε η ελάχιστη θερμοκρασία της κορυφής των νεφών για την καθεμία αντίστοιχα, με την βοήθεια των εικόνων από την υπέρυθρη περιοχή του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Στη συνέχεια με την χρήση του προγράμματος Arc Map των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (G.I.S) βρέθηκε η λευκαύγεια για τις συγκεκριμένες περιοχές.

6. Εμπειρική σχέση της θερμοκρασίας κορυφής νεφών (CTT) με την περιοχική έκταση της καταιγίδας (AREA)

Στο στάδιο αυτό της επεξεργασίας βρέθηκε η περιοχική έκταση του νέφους στο οποίο επικρατούσε η κατώτερη θερμοκρασία και αριθμήθηκε σε pixel. Η προαναφερθείσα διαδικασία διενεργήθηκε σε σαράντα περιπτώσεις από το σύνολο των τιμών, με σκοπό την εύρεση μιας εμπειρικής σχέσης η οποία συσχετίζει την περιοχική έκταση της καταιγίδας με την ελάχιστη θερμοκρασία της κορυφής των νεφών. Στις τιμές της θερμοκρασίας που ελήφθησαν προστέθηκε ο σταθερός συντελεστής 100 με σκοπό την αποφυγή αρνητικών τιμών.

7. Εμπειρική σχέση της περιοχικής έκτασης της βροχής (AREA) με την λευκαύγεια (albedo)

Παράλληλα, διενεργήθηκε έρευνα για την αποκόμιση μίας ακόμη σχέσης η οποία όμως είναι αποτέλεσμα της συσχέτισης της περιοχικής έκτασης της βροχής με την λευκαύγεια. Η μέθοδος που ακολουθήθηκε είναι όμοια με αυτή της προηγούμενης σχέσης. Ήτοι, συγκεντρώθηκε εκ νέου πλήθος σαράντα τυχαίων περιπτώσεων, για τις οποίες υπολογίσθηκε η περιοχική έκταση της καταιγίδας σε pixel και η αντίστοιχη λευκαύγεια.

8. Υπολογισμός της μέγιστης ανακλαστικότητας (MXRFL) του RADAR

Στο τρέχον στάδιο της επεξεργασίας, χρησιμοποιήθηκε ένας εμπειρικός αλγόριθμος για τον υπολογισμό της ανακλαστικότητας του RADAR.

Τα αποτελέσματα που αναμένεται να δώσει η συγκεκριμένη εξίσωση, είναι τιμές ανακλαστικότητας μικρότερες του 40dBz. Γενικά, όσο μεγαλύτερες είναι οι τιμές της μέγιστης ανακλαστικότητας του RADAR τόσο πιο έντονη είναι και η βροχόπτωση. Για ασθενείς βροχοπτώσεις μπορούν να υπάρξουν καταγραφές της τάξης των 14 με 22dbz. Αντίθετα οι υψηλότερες τιμές MXRFL δηλώνουν την ύπαρξη χαλαζιού ή και έντονων καταιγίδων και όχι ασθενών βροχοπτώσεων.

9. Υπολογισμός της κορυφής της ηχώ του RADAR (ΕΤΟΡ)

Στο στάδιο αυτό της επεξεργασίας χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικά δεδομένα για τον υπολογισμό της κορυφής της ηχώ του RADAR. Τα RADAR εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ενέργεια από ένα κεντρικό σημείο και λαμβάνουν την ανακλώμενη ενέργεια. Καθορίζεται η συχνότητα λειτουργίας του RADAR και η πηγή των των μικροκυμάτων είναι μια ειδική λυχνία που ονομάζεται ‘magnetron’. Ο δέκτης πρέπει να συντονιστεί στη συχνότητα ‘magnetron’. Το RADAR περιστρέφεται με σταθερή ταχύτητα και λαμβάνει ‘ηχούς’ της ανακλώμενης ενέργειας σε μια οθόνη που ονομάζεται ένδειξη επίπεδης θέσης. (ΡΡΙ: Plan Position Indicator). Επάνω στο ΡΡΙ του RADAR, το σχήμα, το μέγεθος και οι θέσεις των περιοχών της βροχής μεταβάλλονται συνεχώς.

10. Εκτίμηση βροχόπτωσης με την βοήθεια της ανακλαστικότητας (σχέση Z-R) Στο στάδιο αυτό της επεξεργασίας και για τα έτη 1998-2000 λήφθηκαν οι τιμές βροχόπτωσης μεγέθους μεγαλύτερο ή και ίσο των 2,5mm. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν οι αντίστοιχες τιμές ανακλαστικότητας, όπως αυτή προέκυψε από τη κορυφή της ηχώ του RADAR, για τις συγκεκριμένες περιπτώσεις. από συσχέτιση των παραπάνω τιμών προέκυψε η εμπειρική σχέση Z-R.

Εικόνα 5: Συσχέτιση ύψους βροχόπτωσης με αντίστοιχη ανακλαστικότητα

11. Σύνοψη αλληλουχίας εμπειρικών εξισώσεων

Στο τελικό στάδιο της μεθοδολογίας παρουσιάζεται ένας συνοπτικός πίνακας όλων των εμπειρικών εξισώσεων που προέκυψαν από τα διάφορα στάδια επεξεργασίας.

Πίνακας 1: Σύνοψη αλληλουχίας εξισώσεων

Αποτελέσματα

Στο αρχικό στάδιο της τρέχουσας διατριβής χρησιμοποιήθηκαν και επεξεργάστηκαν δορυφορικές εικόνες METEOSAT από την ορατή και υπέρυθρη περιοχή του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, με σκοπό την εξαγωγή εμπειρικών εξισώσεων με την χρήση των οποίων έγινε ο υπολογισμός συγκεκριμένων παραμέτρων. Από τις εικόνες της ορατής περιοχής συγκεντρώθηκε ένα πλήθος δεδομένων που αφορούν στην λευκαύγεια. Παράλληλα από τις εικόνες του υπέρυθρου φάσματος και με την χρήση μοντέλων εκμαιεύτηκαν πληροφορίες που σχετίζονται με την θερμοκρασία της εκάστοτε περιοχής μελέτης

Εικόνα 6: Συσχέτιση μετρηθείσας και εκτιμηθείσας περιοχικής έκτασης βροχής από ελάχιστη θερμοκρασία νεφών για κλάση μεγέθους 0.8-2.5mm.

Εικόνα 7:Συσχέτιση μετρηθείσας και εκτιμηθείσας περιοχικής έκτασης βροχής από την λευκαύγεια για κλάση μεγέθους 0.8-2.5mm.

Τέλος, για την παρούσα εργασία, σημειώνεται πως ο συντελεστής συσχέτισης που προέκυψε βάσει των δεδομένων της παρούσας εργασίας είναι ικανοποιητικού μεγέθους (R = 0.87). Επίσης, οι τιμές των συντελεστών a, b της εξίσωσης 2.11 είναι χαμηλές λόγω των ασθενών βροχοπτώσεων που παρουσιάστηκαν τα έτη για τα οποία έγινε η μελέτη, γεγονός που επιβεβαιώνει τη βιβλιογραφία. Όσο ασθενέστερες δηλαδή οι βροχοπτώσεις τόσο μικρότερες και οι τιμές των δύο συντελεστών. Εύλογα λοιπόν προκύπτει το συμπέρασμα πως η εμπειρική εξίσωση Z-R της εκπονηθείσας μελέτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ικανοποιητική ακρίβεια τόσο για την περιοχή της Θεσσαλίας όσο και για την υπόλοιπη Ελλάδα όταν αναφερόμαστε όμως, σε ασθενείς βροχοπτώσεις και όχι σε ακραία καιρικά φαινόμενα.

Πηγή: Γαλάκου E. (2006) Περιοχική εκτίμηση βροχόπτωσης με την χρήση Τηλεπισκόπησης και Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (Γ.Σ.Π). Αδημοσίευτη Μεταπτυχιακή διατριβή. Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, Βόλος