Η χρήση δορυφορικών εικόνων και αριθμητικών μοντέλων πρόγνωσης για την χαρτογράφηση της σκόνης από τη Σαχάρα στην ατμόσφαιρα

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 21:54, 3 Μαρτίου 2012

Συγγραφείς: Χατζόπουλος Ιωάννης, Χωριατέλλη Χρυσομάλλη, Καντζάς Παντελής, Κάλλος Γεώργιος, Κατσαφάρδος Πέτρος, Χρήστος Σπύρου
Ιδρύματα: Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης και ΣΓΠ, Πανεπιστήμιο Αιγαίου, Τμήμα Περιβάλλοντος, Μυτιλήνη
Ομάδα Ατμοσφαιρικών Μοντέλων και Πρόγνωσης Καιρού, Πανεπιστήμιο Αθηνών, Τμήμα Φυσικής, Αθήνα
Πηγή: http://www.env.aegean.gr/labs/Remote_sensing/publications/Jnh_Tee_07.pdf

Εισαγωγή

Οι διάφοροι τύποι σωματιδίων αεροζόλ, έχουν επιπτώσεις στη μεσογειακή ατμόσφαιρα. Η έρημος της Σαχάρας, θεωρείται ως μια σημαντική πηγή φυσικής παραγωγής σκόνης, από σωματίδια ορυκτών. Προβλέπεται, ότι ένα επεισόδιο σκόνης σύντομης διάρκειας, μπορεί να αποτελέσει ακόμη και το 30% της συνολικής ετήσιας ροής. Η ατμοσφαιρική μεταφορά εδαφικής σκόνης, από την Αφρική, δημιουργεί τις έντονες αιχμές συγκέντρωσης αεροζόλ, επηρεάζει σημαντικά τη βιοχημεία ιχνοστοιχείων στον ωκεανό, τα οποία διαδραματίζουν έναν σημαντικό ρόλο στο pH των σχετικών εφαρμογών. Η παρούσα εργασία χρησιμοποιεί τέσσερις εικόνες HRPT, του αισθητήρα NOAA - 14 AVHRR, οι οποίες λήφθηκαν από το σταθμό SMARTechTM, του Πανεπιστημίου Αιγαίου, στις 19, 20, 21 και 22 Απριλίου το 1997. Η περιοχή, που καλύπτεται από τις εικόνες αυτές, ξεκινά από το Γιβραλτάρ και επεκτείνεται μέχρι την Κασπία θάλασσα, καλύπτει επίσης μέρος της βόρειας Αφρικής. Κάθε εικόνα, έχει ένα πλάτος 2048 εικονοστοιχείων, ή περίπου 2253 χλμ. Επίσης, επιλέχτηκε ένα σετ 10 εικόνων, των δεκτών ΝΟΑΑ-16 και ΝΟΑΑ-17, της περιόδου 15-30 Ιουνίου 2003 και έγινε επεξεργασία με τον κώδικα 6S και τα αποτελέσματα για την μέτρηση της οπτικής πυκνότητας, είναι συγκρίσιμα με αυτά του δικτύου AERONET.

Μεθοδολογία

Προκειμένου, να γίνει επεξεργασία των εικόνων NOAA – AVHRR, για την παραγωγή και δημιουργία χαρτών σκόνης, απαιτούνται τα επόμενα βήματα:

• Βαθμολόγηση καναλιών.
• Υπολογισμός των φαινόμενων θερμοκρασιών, για τα κανάλια 3, 4 και 5.
• Μοντέλο επεξεργασίας εικόνας, για την παραγωγή ποιοτικών χαρτών σκόνης.
• Διόρθωση γεωμετρικών παραμορφώσεων της εικόνας.
• Παραγωγή χαρτών σκόνης.

Η κατάσταση των αισθητήρων του δορυφορικού δέκτη, επιδεινώνεται με το χρόνο και έτσι τα δεδομένα, που παράγονται, χάνουν μέρος της αξιοπιστίας τους και πρέπει να διορθωθούν. Τα κανάλια 1 και 2 μετασχηματίζονται σε τιμές ακτινοβολίας, ενώ τα κανάλια 3, 4 και 5 βαθμονομούνται, χρησιμοποιώντας την εν πτήσει βαθμονόμηση. Οι ακατέργαστοι ψηφιακοί αριθμοί, μετασχηματίζονται σε τιμές λαμπρότητας θερμοκρασίας, σε μια διαδικασία δύο βημάτων:

(α) Η φαινόμενη ακτινοβολία υπολογίζεται με τη χρήση των συντελεστών βαθμονόμησης, που παίρνονται από κάθε 100η γραμμή, από τα στοιχεία, που στέλνει ο δορυφόρος και
(β) η λαμπρότητα της θερμοκρασίας υπολογίζεται από το νόμο του Plank.

Η βαθμονομημένη εικόνα, εισάγεται σε ένα μοντέλο επεξεργασίας εικόνας, το οποίο ανιχνεύει τις επιφάνειες νεφών και εδάφους με τη χρήση των εξής κριτηρίων:

1. Ανίχνευση νεφών
2. Ανίχνευση ξηράς

Το μοντέλο δημιουργεί χωριστές μάσκες για το κανάλι 1 και το κανάλι 2 και έπειτα διαιρεί το albedo του καναλιού 1 με 100, τις ενοποιεί και έπειτα παράγει μια τελική εικόνα, που αποτελείται από την θάλασσα, το έδαφος και τα νέφη. Η διόρθωση της γεωμετρικής παραμόρφωσης της εικόνας, που παράγεται, βασίζεται στη δημιουργία των μαθηματικών σχέσεων μεταξύ των συντεταγμένων των εικονοστοιχείων της εικόνας και των συντεταγμένων των αντίστοιχων σημείων στον χάρτη. Τα σημεία ελέγχου στο έδαφος (GCP), για την εικόνα, υπολογίζονται από το λογισμικό SmartTrack και εφαρμόζεται ένα πολυώνυμο, για να δημιουργήσει με επαναδειγματοληψία, τη γεωμετρικά διορθωμένη εικόνα. Η προβολή χάρτη είναι γεωγραφική (φ, λ) και χρησιμοποιεί το datum WGS 72. Στη συνέχεια η εικόνα χρωματίζεται από μια ποιοτική παλέτα. Οι φασματικές ζώνες των εικόνων, που χρησιμοποιήθηκαν, δίνονται στους Πίνακες 1 και 2. Ο δέκτης AVHRR/2 (ΝΟΑΑ 14), αποτελείται από 5 φασματικά κανάλια:

Ομάδα ατμοσφαιρικών μοντέλων και πρόγνωσης καιρού- σύστημα SKIRON

1. Περιγραφή του Συστήματος Πρόγνωσης Καιρού ΣΚΙΡΩΝ (SKIRON/Eta)

Το Σύστημα πρόγνωσης καιρού ΣΚΙΡΩΝ, αναπτύχθηκε, για να εφαρμοσθεί επιχειρησιακά στην Ελληνική Μετεωρολογική Υπηρεσία. Για την εφαρμογή του συστήματος, χρειάζεται περιβάλλον Unix/Linux και μετεωρολογικά δεδομένα εισαγωγής. Η κύρια συνιστώσα του συστήματος, είναι το περιορισμένης κλίμακας μοντέλο πρόγνωσης καιρού Eta, που εκτελείται σε περιορισμένη γεωγραφική περιοχή. Το στάδιο προεπεξεργασίας (pre-processing) του συστήματος προετοιμάζει τα δεδομένα εισαγωγής για το μοντέλο. Μετά την εφαρμογή του μοντέλου, το στάδιο μετεπεξεργασίας (post-processing) χρησιμοποιεί τα δεδομένα εξόδου, για να γίνει γραφική απεικόνιση καθώς και για άλλες εφαρμογές.

1.1. Το Στάδιο Προεπεξεργασίας (pre-processing)

Στο στάδιο της προεπεξεργασίας, χρησιμοποιούνται μετεωρολογικές παράμετροι (γεωδυναμικό ύψος, συνιστώσες του ανέμου και υγρασία), που προκύπτουν από ένα μοντέλο μεγαλύτερης κλίμακας (Global Climate Model). Το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιήσει:

♦ Tην ανάλυση και τα προγνωστικά πεδία, από το European Centre for Medium-Range Forecasts (ECMWF).
♦ Tην ανάλυση και προγνωστικά πεδία, από το National Center for Environmental Prediction (NCEP).
♦ Άλλα εξαγόμενα πεδία, από 3 ή 4-διάστατα συστήματα “assimilation”, όπως το LAPS του NOAA/FSL.

Τα δεδομένα αυτά, αποκωδικοποιούνται και παρεμβάλλονται στη δομή του πλέγματος, που χρησιμοποιεί το μοντέλο Eta.

1.2. Παραγωγή, Μεταφορά και Εναπόθεση Αδρανούς Ουσίας στο Μοντέλο Eta

Στη δομή του μοντέλου SKIRON/Eta, αναπτύχθηκε, για να λειτουργήσει, ένα ξεχωριστό τμήμα (module), για την ατμοσφαιρική παραγωγή, την μεταφορά και την εναπόθεση αδρανών ουσιών. Η ανάπτυξη έγινε από το Πανεπιστήμιο Αθηνών. Όσον αφορά το τμήμα, που σχετίζεται με την μεταφορά, αυτό βελτιώθηκε με την προσθήκη της συνιστώσας της τυρβώδους ανάμειξης και με την ανάπτυξη του τμήματος του μοντέλου για την συγκέντρωση της σκόνης της ερήμου. Η τελική έκδοση της συνιστώσας της μεταφοράς, περιλαμβάνει για τις πηγές, το σχήμα του ιξώδους υποστρώματος και χρησιμοποιεί επίσης το σχήμα της τύρβης του μοντέλου Eta.

1.3. Καταβόθρες Σκόνης

Η απομάκρυνση της σκόνης από την ατμόσφαιρα, πραγματοποιείται με δύο μηχανισμούς: την ξηρή και την υγρή εναπόθεση. Η ξηρή εναπόθεση στο μοντέλο, παραμετροποιείται με βάση το σχήμα του Georgi (1986). Στο σχήμα αυτό, συμπεριλαμβάνονται διεργασίες εναπόθεσης, λόγω βαρυτικής καθίζησης, επιφανειακής τυρβώδους διάχυσης, κίνησης Brown, καθώς και λόγω σύγκρουσης με την επιφάνεια.

1.4. Το στάδιο μετεπεξεργασίας (Post-processing)

Το κυρίως πρόγραμμα μετεπεξαργασίας, χρησιμοποιείται με σκοπό την ενοποίηση των πεδίων, των διαφόρων ατμοσφαιρικών παραμέτρων, τα οποία είναι χωρισμένα από τους διάφορους επεξεργαστές, αφού το μοντέλο έχει παραλληλιστεί. Η συχνότητα των εξαγομένων αποτελεσμάτων είναι προκαθορισμένη. Η καθημερινή πρόγνωση περιλαμβάνει ταχύτητα ανέμου, γεωδυναμικό και θερμοκρασία στα βασικά ισοβαρικά επίπεδα, βροχόπτωση και ύψος χιονιού, ομίχλη, νεφοκάλυψη, συγκέντρωση σκόνης σε όλη την κατακόρυφη στήλη (Dust Load), καθώς και υγρή και ξηρή εναπόθεση σκόνης.

Εικ.1.α: Αποτελέσματα φορτίων σκόνης από AVHRR και SKIRON ημερομηνίας 19/04/97

Εικ.1.β: Αποτελέσματα φορτίων σκόνης από AVHRR και SKIRON ημερομηνίας 19/04/97

Εικ.2.α: Αποτελέσματα φορτίων σκόνης από AVHRR και SKIRON ημερομηνίας 20/04/97

Εικ.2.β: Αποτελέσματα φορτίων σκόνης από AVHRR και SKIRON ημερομηνίας 20/04/97

Εικ.3.α: Αποτελέσματα φορτίων σκόνης από AVHRR και SKIRON ημερομηνίας 21/04/97

Εικ.3.β: Αποτελέσματα φορτίων σκόνης από AVHRR και SKIRON ημερομηνίας 21/04/97

Εικ.4.α: Αποτελέσματα φορτίων σκόνης από AVHRR και SKIRON ημερομηνίας 22/04/97

Εικ.4.β: Αποτελέσματα φορτίων σκόνης από AVHRR και SKIRON ημερομηνίας 22/04/97

Αποτελέσματα

Τα αποτελέσματα αφορούν τις ημερομηνίες από 19/4/1997 μέχρι και 22/4/1997. Στην εικόνα 1.α δίνονται αποτελέσματα από την επεξεργασία της δορυφορικής εικόνας του NOAA – AVHRR, για την ημερομηνία 19/04/1997, 11:45 UTC, ενώ στην εικόνα 1.β, παρουσιάζονται αντίστοιχα αποτελέσματα από την πρόβλεψη του συστήματος Skiron. Από τη σύγκριση, υπάρχει σημαντική συμφωνία μεταξύ AVHRR και των αποτελεσμάτων της πρόβλεψης SKIRON. Στις εικόνες 2.α και 2.β, φαίνεται αντίστοιχα η ομοιότητα μεταξύ των αποτελεσμάτων, που παρέχουν τα δύο συστήματα. Το μοντέλο επεξεργασίας εικόνας AVHRR, εμφανίζεται να υπερεκτιμά δυτικά της Αιγύπτου. Επίσης, στις εικόνες 3.α και 3.β, καθώς και 4.α και 4.β, μπορεί κανείς να δει ότι τα δύο μοντέλα παρήγαγαν παρόμοια αποτελέσματα.

Εικ.5: Σταθμοί Aeronet ανά την υφήλιο (μόνιμοι, εποχιακοί και προσωρινοί)

Εικ.6: Σταθμοί AERONET στη Μεσόγειο

Εικ.7: Σύγκριση αποτελεσμάτων AOD από εικόνες AVHRR και AERONET στο 1ο κανάλι

Εικ.8: Σύγκριση αποτελεσμάτων AOD από εικόνες AVHRR και AERONET στο 2ο κανάλι

Αποτελέσματα από τη χρήση του κώδικα 6S και σύγκριση με AERONET

Ο κώδικας 6S (Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum), που αποτελεί μία αναβάθμιση του 5S, χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Το 6S έχει γραφτεί σε fortran και αποτελείται από μία κεντρική ρουτίνα, η οποία καλεί τις υπόλοιπες, ανάλογα με τις επιλογές του χρήστη. Η χρήση του αντικειμενοστραφούς προγραμματισμού είναι πολύ πρακτική και για τη συγκεκριμένη εργασία δημιουργήθηκε ένα πρόγραμμά σε fortran (αρχείο 6sfinal.for), που περιείχε την κεντρική ρουτίνα του 6S και προστέθηκαν στον κώδικα μόνο οι υπορουτίνες που ενδιέφεραν. Η επιβεβαίωση των τιμών της ατμοσφαιρικής οπτικής πυκνότητας AOD, που προέκυψαν, έγινε με τη χρήση δεδομένων από το σύστημα AERONET, το οποίο αποτελείται ουσιαστικά από φωτόμετρα. Οι τοποθεσίες στις οποίες εγκαθίστανται τα φωτόμετρα (εικόνα 5), είναι προσεκτικά επιλεγμένες, ώστε να παρουσιάζουν όσο το δυνατόν μεγαλύτερη γεωγραφική εξάπλωση, αλλά και να δίνουν δεδομένα από ευαίσθητα ή μεγάλης σημασίας σημεία. Για κάθε ημέρα οι σταθμοί του AERONET δίνουν αρκετά δεδομένα, σε διάφορες καταγεγραμμένες χρονικές στιγμές. Αυτά που επιλέχτηκαν, ήταν εκείνα που πλησίαζαν περισσότερο τον χρόνο, που λήφθηκε η εικόνα, ενώ αν η χρονική διαφορά ήταν μεγαλύτερη από 45 λεπτά, τα δεδομένα απορρίπτονταν, καθώς η παρουσία των αεροζόλ στην ατμόσφαιρα μεταβάλλεται σημαντικά με τον χρόνο. Από το σύστημα της AERONET, επιλέχτηκαν οι σταθμοί FORTH-CRETE και LAMPEDUSA, όπως φαίνονται στην εικόνα 6 . Επίσης, επιλέχτηκε ένα σετ 10 εικόνων, των δεκτών ΝΟΑΑ-16 και ΝΟΑΑ-17, της περιόδου 15-30 Ιουνίου 2003. Τα αποτελέσματα ήταν πολύ ικανοποιητικά, αφού έδειξαν μία συμφωνία τιμών μεταξύ AVHRR και AERONET, με μέση απόκλιση 0.02 για το 1ο και 0.016 για το 2ο κανάλι, όπως φαίνεται στις εικόνες 7 και 8. Η απόκλιση θα μπορούσε να μειωθεί, αλλάζοντας την τιμή της ανακλαστικότητας της θάλασσας, που εισήχθη νωρίτερα στο 6S. Μεταβολή της ανακλαστικότητας κατά 0.01, μπορεί να μεταβάλλει το εξαγόμενο από τη διαδικασία AOD κατά ±0.1. Κάτι τέτοιο όμως, θα αποτελούσε ουσιαστικά παραποίηση των δεδομένων εισόδου, προς χάριν των αποτελεσμάτων και έτσι δεν ακολουθήθηκε.