Τηλεπισκοπική ανάλυση των διακυμάνσεων υπόγειων υδάτινων αποθεμάτων στην λεκάνη του ποταμού Hains στην Κίνα.

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 18:34, 9 Φεβρουαρίου 2022 (εμφάνιση κώδικα) M kakara (Συζήτηση | Συνεισφορές/Προσθήκες) (Νέα σελίδα με 'Category:Αστικός και περιφερειακός σχεδιασμός ''' Ανίχνευση των αλλαγών της κάλυψης γης και τω...') ← Προηγούμενη επεξεργασία		Παρούσα αναθεώρηση της 10:47, 10 Φεβρουαρίου 2022 (εμφάνιση κώδικα) M kakara (Συζήτηση | Συνεισφορές/Προσθήκες)
(2 ενδιάμεσες αναθεωρήσεις δεν εμφανίζονται.)
Γραμμή 1:		Γραμμή 1:
-	[[Category:Αστικός και περιφερειακός σχεδιασμός ]]	+	[[Category: Υδατικοί πόροι]]
-	''' Ανίχνευση των αλλαγών της κάλυψης γης και των αστικών θερμικών νησίδων στην πόλη Τάντα της Αιγύπτου '''	+	'''Τηλεπισκοπική ανάλυση των διακυμάνσεων υπόγειων υδάτινων αποθεμάτων στην λεκάνη του ποταμού Haihe στην Κίνα'''
-	Change detection of land cover and urban heat islands using multi-temporal Landsat images, application in Tanta city, Egypt	+	Detection of human-induced evapotranspiration using GRACE satellite observations in the Haihe River basin of China
-	'''Συγγραφείς:''' Hala Adel Effat, Lamyaa Gamal-ElDeen Taha, Kamel Fathi Mansour	+	'''Συγγραφείς:''' Xu, Haili & Pan, Yun & Gong, Huili & Zhou, Demin
		+
		+	'''Πηγή:''' [[https://www.researchgate.net/publication/261393389_Remotely_sensed_groundwater_storage_variations_in_Hai_River_basin_China]]
-	'''Πηγή:''' [[https://www.researchgate.net/publication/273339097_Change_Detection_of_Land_cover_and_Urban_Heat_Islands_using_Multi-Temporal_Landsat_Images_application_in_Tanta_City_Egypt]]	+	'''Abstract'''
		+
		+	Η τοπική εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ) μπορεί να ενισχύεται από ανθρώπινες δραστηριότητες όπως η άρδευση και η κατακράτηση σε ταμιευτήρες. Σε αυτήν την μελέτη χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα σχετικά με  την αποθήκευση χερσαίων υδάτων μέσω της  Ανάκτησης Βαρύτητας και Κλιματικού Πειράματος (Gravity Recovery and Climate Experiment - GRACE) προκειμένου να ανιχνευθεί η προκλειθήσα από τον άνθρωπο αλλαγή της τοπικής εξατμισοδιαπνοής (ET) στην λεκάνη του ποταμού Haihe στην Κίνα. Η σύγκριση μεταξύ των μηνιαίων εκτιμήσεων της ΕΤ με βάση την GRACE (2005-2012) και οι μοντελοποιήσεις της ΕΤ μέσω του Παγκόσμιου Συστήματος Εξομοίωσης (GLDAS) υποδηλώνουν πως η ΕΤ οφείλεται σε ανθρωπογενείς δραστηριότητες λόγω της εκτεταμένης υπόγειας άρδευσης από τον Μάρτιο μέχρι τον Μάιο και μπορεί να εντοπιστεί μόνο από το GRACE.
	'''Εισαγωγή'''		'''Εισαγωγή'''
-	Η έντονη αστικοποίηση έχει ευεργετικές αλλά και δυσμενείς συνέπειες, που επηρεάζουν από περιβαλλοντική και κοινωνική σκοπιά τους κατοίκους των πόλεων. Οι στέγες και οι τοίχοι των πολυώροφων κτιρίων με πιο σκούρες επιφάνειες, οι χώροι στάθμευσης, οι δρόμοι και τα πεζοδρόμια που είναι κατασκευασμένα από άσφαλτο και σκυρόδεμα τείνουν να έχουν χαμηλό albedo. Αυτές οι σκούρες επιφάνειες χαμηλού albedo απορροφούν υψηλότερη ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας και την μετατρέπουν σε θερμική ενέργεια. Συνεπώς, συσσωρεύονται υπερβολικές ποσότητες θερμικής ενέργειας σε αυτά τα επίπεδα. Έτσι στις αστικές περιοχές σημειώνονται αυξημένες θερμοκρασίες σε σύγκριση με τις γύρω αγροτικές περιοχές. Όμως, αν και η διαφορά θερμοκρασίας δεν είναι μεγάλη, μπορεί να προκαλέσει αρκετά αξιοσημείωτα κοινωνικά και περιβαλλοντικά προβλήματα στις αστικές περιοχές. Ο πυρήνας της πόλης γίνεται θερμότερος από την περιφέρειά της, σχηματίζοντας έτσι μια αστική θερμική νησίδα. Οι ερευνητές ορίζουν την αστική θερμική νησίδα ως το φαινόμενο που αφορά τη χαρακτηριστική ζεστασιά τόσο της ατμόσφαιρας όσο και των επιφανειών στις πόλεις σε σύγκριση με το περιβάλλον τους. Τα αυξημένα επίπεδα θερμοκρασίας και η ατμοσφαιρική ρύπανση, τα οποία είναι συνέπειες των αστικών θερμικών νησίδων έχουν δυσμενείς επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία. Τέτοιες επιδράσεις είναι η γενική δυσφορία, τα αναπνευστικά προβλήματα, τα εγκεφαλικά επεισόδια και οι κράμπες, η εξάντληση και ακόμη και οι θάνατοι που σχετίζονται με τη θερμότητα.
-	Η τηλεπισκόπηση παρέχει μια οικονομική, αποδοτική και γρήγορη μεθοδολογία για την ανάλυση των χωρικά και χρονικά κατανεμημένων θερμοκρασιών της επιφάνειας της γης, δεδομένου ότι η κάλυψη των δορυφορικών εικόνων αφορά μεγάλη περιοχή. Τα τελευταία χρόνια οι τεχνικές τηλεπισκόπησης με υπέρυθρη ακτινοβολία (TIR) έχουν εφαρμοστεί σε περιβαλλοντικές μελέτες και μελέτες του κλίματος των πόλεων, κυρίως για την ανάλυση των προτύπων θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης (LST) και τη σχέση της με τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας της γης. Εκτός από τις μετρήσεις των LST, αυτοί οι αισθητήρες υπέρυθρης ακτινοβολίας μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την απόκτηση δεδομένων εκπομπής διαφορετικών επιφανειών με ποικίλες αναλύσεις και ακρίβειες.
-	Περιοχή μελέτης: Η πόλη Τάντα είναι η πρωτεύουσα του Κυβερνείου El Gharbeya, είναι μέρος του Δέλτα του Νείλου και περιβάλλεται από καλλιεργημένες εύφορες εκτάσεις. Ο συνολικός πληθυσμός της πόλης είναι 429.000 κάτοικοι. Με το υψηλό ποσοστό αστικοποίησης που την χαρακτηρίζει, η κάλυψη της βλάστησης μειώνεται γρήγορα και αντικαθίσταται από ψηλά κτίρια, δρόμους, χώρους στάθμευσης, πεζοδρόμια και άλλες κατασκευές, ενώ η υψηλή συγκέντρωση οχημάτων στην περιοχή συμβάλλει στην εκπομπή θερμότητας και αερίων ρύπων. Η χαμηλότερη θερμοκρασία του αέρα καταγράφεται τον Ιανουάριο, κατά μέσο όρο 18° C και υψηλότερη θερμοκρασία τον Ιούλιο, κατά μέσο όρο 33 ° C.	+	Δεδομένης της μοναδικής ικανότητας παρακολούθησης των χερσαίων αποθεμάτων νερού (TWS) από το διάστημα, οι μετρήσεις βαρύτητας από την δίδυμη αποστολή δορυφόρων GRACE χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα με άλλα βοηθητικά δεδομένα, που αφορούν κυρίως κατακρημνίσεις και ροή υδάτων, ώστε να υπολογιστεί η τοπική εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ). Oι περισσότερες από αυτές τις μελέτες επικεντρώνονται στην σύγκριση των εκτιμήσεων GRACE της ΕΤ από την διαχείριση των υδάτινων πόρων (ΕΤGWB) με άλλες μεθόδους όπως οι προσομοιώσεις μοντέλων επιφάνειας γης (LSM) ή τις τεχνικές τηλεπισκόπησης όπως η μέτρια ανάλυση απεικόνισης φασματοραδιόμετρου (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer - MODIS) (Corbari et al.,2014). H ET δεν επηρεάζεται μόνο από παράγοντες του φυσικού κλίματος και της βλάστησης αλλά και από ανθρώπινες δραστηριότητες όπως η άρδευση και η άντληση υπόγειων υδάτων.
		+	Είναι κοινά παραδεκτό πως η GRACE μπορεί να εντοπίσει αλλαγές στο TWS (το άθροισμα των αποθηκευμένων επιφανειακών υδάτων (SWS), στην αποθήκευση της υγρασίας του εδάφους (SMS) και της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων (GWS)) που προκαλούνται τόσο από φυσικούς όσο και από ανθρωπογενείς παράγοντες. Σε αυτήν την μελέτη ακολουθήθηκε παρόμοια προσέγγιση με τους Castle et al.,2016 για τον υπολογισμό της ΕΤ για την λεκάνη του ποταμού Haihe (HRB) στην Βόρεια Κίνα που χαρακτηρίζεται από εκτεταμένη άντληση υπόγειων υδάτων. Αυτή η περιοχή κατοικείται από 120 εκατομμύρια ανθρώπους και παράγει το 10% των συνολικών σιτηρών της Κίνας. Σε αυτήν την μελέτη τα μηνιαία δεδομένα GRACE (2005-2012) επαληθεύτηκαν πρώτα με επιτόπιες μετρήσεις για τα επιφανειακά ύδατα, την υγρασία του εδάφους, τα επίπεδα των υπόγειων υδάτων και στην συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό της ΕΤGWB.
	'''Μεθοδολογία'''		'''Μεθοδολογία'''
-	*Χαρτογράφηση της Αστικής Ανάπτυξης μεταξύ 1984 και 2013	+
-	Η περιοχή που ερευνάται καλύπτεται κυρίως από καλλιεργούμενες εκτάσεις και αστικές περιοχές που εξαπλώνονται και καταπατούν την αρόσιμη γη. Η μελέτη διεξάγεται κατά τη θερινή περίοδο, τα περισσότερα από τα χωράφια καλλιεργούνται με δέντρα και καλλιέργειες ενώ δεν εμφανίστηκαν έρημοι ή γυμνά εδάφη στις εικόνες Landsat. Οι εικόνες που αποκτήθηκαν ήταν όλες καθαρές χωρίς σύννεφα, λόγω των ξηρών καλοκαιρινών πρωινών (7:00-8:00 π.μ.). Ακολουθήθηκε εποπτευόμενη ταξινόμηση χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μέγιστης πιθανοφάνειας και εντοπίστηκαν τρεις κατηγορίες κάλυψης γης, συμπεριλαμβανομένων των καλλιεργούμενων εκτάσεων, των υδατικών όγκων και των αστικών περιοχών. Η συνολική ακρίβεια των πέντε ετών ταξινομήσεων ήταν 86.10%, 89.83%, 91.22% , 93.62 και 95,64% αντίστοιχα. Ο συντελεστής Kappa των πενταετών ταξινομήσεων είναι 0.81, 0.83, 0.86, 0.89 και 0.91 αντίστοιχα.	+	Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτήν την μελέτη εμπίπτουν σε 5 κατηγορίες:
-	*Θερμοκρασία επιφάνειας εδάφους	+	1) GRACE level-2 Release 05 σφαιρικές αρμονικές (SH) λύσεις που δόθηκαν από το κέντρο για την έρευνα του διαστήματος και χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή μηνιαίων TWS ανωμαλιών TWSA και TWSC,
-	Οι θερμοκρασίες της επιφάνειας της γης προήλθαν από γεωμετρικά διορθωμένες εικόνες. Εφαρμόστηκε μια απλή μέθοδος για την ανάκτηση των εκπομπών της επιφάνειας της γης (LSE) με βάση τον δείκτη βλάστησης (NDVI) εφαρμόζωντας τη μέθοδο NDVI Thresholds.	+	2) την παρατηρημένη TWS περιλαμβάνοντας δεδομένα από επιφανειακά ύδατα από 32 κύριες δεξαμενές, την υγρασία εδάφους από 148 σταθμούς, τα επίπεδα υποθαλάσσιων υδάτων σε 137 παρατηρούμενα πηγάδια
-	*Αστική θερμική νησίδα	+	3) τα ετήσια πλέγματα (0.5ο) κατακρημνίσεων από τον Μετερεολογικό Σταθμό της Κίνας (CMA)
-	Οι αστικές θερμικές νησίδες είναι επίμονες ζώνες όπου σημειώνονται θερμοκρασίες επιφάνειας εδάφους πάνω από το μέσο όρο. Η ένταση του φαινομένου ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της μέσης θερμοκρασίας τους και της θερμοκρασίας των αγροτικών περιοχών.	+	4) οι υπολογισμοί της ΕΤ από τα GLDAS και MODIS που χρησιμοποιήθηκαν για την σύγκριση για την ETGWB και
-	*Ανάλυση παλινδρόμησης	+	5) τόσο η ΕΤ που προσομοιάστηκε από το τοπικό υδρολογικό μοντέλο και ο υπολογισμός στο ΕΤΗ που βασίζεται σε πληροφορίες για την κατανάλωση του νερού που χρησιμοποιήθηκαν για να επαληθεύσουν περεταίρω την ΕΤGWB.
-	Μελετήθηκε η σχέση μεταξύ της εξαρτημένης μεταβλητής (θερμοκρασία επιφάνειας εδάφους) και της κατηγορίας χρήσης γης/ κάλυψης γης. Η σχέση μελετήθηκε για κάθε μια από τις εικόνες της περιόδου 1984-2013 που ερευνάται.	+
-	Ποσοστό κατοικημένων περιοχών σε τμήματα:	+
-	Ένας κύριος λόγος για τις διαφορές θερμοκρασίας της επιφάνειας μεταξύ αγροτικών και αστικών περιοχών είναι η επίδραση της γεωμετρίας του κτιρίου στις ακτινοβολούμενες ροές. Οι περισσότερες από τις αιγυπτιακές πόλεις έχουν υψηλή πυκνότητα δόμησης, όπως και στην περιοχή μελέτης. Το δομημένων περιοχών υπολογίστηκε για κάθε τμήμα.	+
-	Ποσοστό πράσινων περιοχών :	+
-	Οι σχέσεις μεταξύ θερμοκρασίας και βλάστησης διερευνήθηκαν σε προγενέστερες μελέτες συχνά χρησιμοποιώντας τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης. Το ποσοστό της πράσινης περιοχής υπολογίστηκε για κάθε τμήμα.	+
-	[[Αρχείο:γ2 (2).png|200px|thumb|left|Εικόνα 2: Διάγραμμα ροής της εφαρμοζόμενης μεθοδολογίας]]	+
	'''Αποτελέσματα'''		'''Αποτελέσματα'''
-	*Χαρτογράφηση της Αστικής Ανάπτυξης μεταξύ 1984 και 2013	+
-	Η εικόνα Landsat TM ταξινομήθηκε με χρήση εποπτευόμενης ταξινόμησης και προέκυψαν τρείς κατηγορίες, αστικές και καλλιεργούμενες εκτάσεις και υδατικές μάζες. Ο συντελεστής Kappa του αποτελέσματος ταξινόμησης είναι 0,81 και η ακρίβεια των δεδομένων ικανοποιητική. Η περιοχή χαρακτηρίζεται από υψηλή δόμηση, στενούς δρόμους,ανεπαρκείς μέθοδοι επεξεργασίας στερεών αποβλήτων και έλλειψη χώρων πρασίνου προκαλούν αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης και αλλαγή στο αστικό μικροκλίμα. Στον πίνακα 3 φαίνονται και οι αλλαγές στις χρήσεις/καλύψεις γής κατα την περίοδο 1984-2013.	+	Η εικόνα 2a παρουσιάζει τις  μηνιαίες κατακρημνίσεις κατά την περίοδο 2005-2012 για τα συστατικά TWS (SWS,SMS, GWS) και τις παρατηρούμενες ανωμαλίες. Όπως παρατηρείται η εποχιακή μεταβλητότητα και η μακροχρόνια τάση μείωσης της TWS προκαλούνται κυρίως από το GWS, ενώ η μεταβλητότητα μέσα στην κάθε εποχή προκαλείται κυρίως από το SMS. H εικόνα 2b συγκρίνει την TWSA από τα δεδομένα GRACE, και τις επιτόπιες μετρήσεις με τον R (συντελεστή συσχέτισης) καθώς και την μέση τετραγωνική ρίζα του σφάλματος (RMSE). Στις εικόνες 3α και 3β απεικονίζονται οι μέσες ετήσιες τιμές για τους εποχιακούς κύκλους TWSA και TWSC από την βάση δεδομένων GRACE, οι επιτόπιες μετρήσεις και ο μέσος όρος από 4 GLDAS LSMs. Oι εικόνες 3c και 3d καταγράφουν τις αντίστοιχες μέσες τιμές των ετήσιων κύκλων των κατακρημνίσεων και των απορροών. Όπως φαίνεται η TWSA παραμένει υψηλή κατά την περίοδο από τον Δεκέμβριο έως τον Μάρτιο και στην συνέχεια μειώνεται μέχρι να φτάσει το ετήσιο ελάχιστο τον Ιούνιο πριν αυξηθεί ξανά κατά το δεύτερο μισό του χρόνου. Τα εποχιακά πρότυπα της TWSA στην λεκάνη του ποταμού Haihe μπορούν να αποδοθούν τόσο σε ανθρώπινες όσο και σε φυσικές επιδράσεις όπως οι εντατικές εκταμιεύσεις υπόγειων υδάτων για ποτιστική χρήση χειμερινών σιτηρών.  Oι εικόνες 4 α και 4β απεικονίζουν τις μηνιαίες μέσες τιμές για τους εποχιακούς κύκλους για τους δείκτες ΕΤGWB, ETOWB, και ΕΤ και τις εκτιμήσεις από τα GLDAS και MODIS. Γενικά το ETGWB ταιριάζει αρκετά καλά με το με το ΕΤOWB, ενώ τόσο τα GLDAS και τα MODIS υποδηλώνουν πως οι ασυνέπειες μεταξύ των υπολογισμών ΕΤ ταιρίαζουν με τις πρακτικές διαχείρισης των τοπικών αποθεμάτων υδάτων. Η ΕΤGWB  παρουσιάζει διπλή κορυφή τον Μάιο και τον Αύγουστο παρομοίως με το ETOWB, κάτι που συνδέεται στενά με την εναλλαγή καλλιεργειών μεταξύ αραβόσιτου (Ιούνιος-Οκτώβριος) και σιταριού (Οκτωβρίου-Ιουνίου). Μάλιστα η παραγωγή σιταρίου βασίζεται ιδιαίτερα στην άρδευση με υπόγεια ύδατα, που αγγίζει το 57% των συνολικής ετήσιας κατανάλωσης νερού ( Liu et al.,2002), ενώ ο αραβόσιτος καταναλώνει ελάχιστο ποσοστό υπόγειων υδάτων καθώς βασίζεται σε καλοκαιρινές βροχοπτώσεις (Lei and Yang,2010). [[Αρχείο:κ2.png|200px|thumb|left|Εικόνα 2: Μηνιαία δεδομένα για την περίοδο 2005-2012 για α) κατακρημνίσεις από CMA και επιτόπιες μετρήσεις του συνολικού TWSA, b) Εκτιμήσεις από τον μέσο όρο των GLDAS LSMs, GRACE δεδομένων και επιτόπιων μετρήσεων. Και γ) η ανάλογη TWSC, δηλαδή η μηνιαία αλλαγή της TWSA. ]][[Αρχείο:κ3.png|200px|thumb|right|Eικόνα 3: Oι ετήσιοι μέσοι κύκλοι για a) TWSA, b) TWSC από δεδομένα GRACE και επιτόπιες μετρήσεις και μέσοι όροι των εκτιμήσεων για μοντελοποίησεις GLDAS, c) κατακρημνίσεις από CMA και d) απορρόες από τις επιτόπιες μετρήσεις]] [[Αρχείο:κ4.png|200px|thumb|left|Εικόνα 4: Δεδομένα από την χρονική περίοδο 2005-2012 για α) μηνιαίες αλλαγές, b) μέσους ετήσιους κύκλους, c) ετήσιες αλλαγές για το ΕΤ από τον μέσο όρο των 4 GLDAS LSMs. d) μέσος ετήσιος κύκλος του ΕΤΗ από το στατιστικό δελτίο, e) διάγραμμα διασποράς για τις ετήσιες κατακρημνίσεις από την ΕΤ που βασίζεται στην GRACE καθώς και στην ΕΤ από το στατιστικό δελτίο]]
-	[[Αρχείο:γ3 (2).png|200px|thumb|right|Πίνακας 3: Αλλαγές στις χρήσεις/καλύψεις γής.]]	+
-	*Ερμηνεία των χαρτών θερμοκρασίας επιφάνειας εδάφους	+
-	Τα αποτελέσματα των εικόνων με τις θερμοκρασίες της επιφάνειας γης ταξινομήθηκαν χρησιμοποιώντας την τυπική απόκλιση. Η σύγκριση τον αποτελεσμάτων για τις θερμοκρασίες της επιφάνεις της γής κατα τη περίοδο 1984-2013 φαίνεται στον πίνακα 4. Η ανάλυση παλινδρόμησης έδειξε μια αρνητική συσχέτιση μεταξύ του ποσοστού των πράσινων περιοχών και θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης. Από την παραπάνω ανάλυση, θα μπορούσε να βγεί το συμπέρασμα ότι η χρήση γης /κάλυψη γης επηρεάζει τις κατανομές των αστικών θερμικών νησίδων.	+
-	[[Αρχείο:γ4 (2).png|200px|thumb|left|Πίνακας 4: Στατιστικά στοιχεία θερμοκρασιών επιφάνειας εδάφους απο εικόνες Landsat.]]	+
	'''Συμπεράσματα'''		'''Συμπεράσματα'''
-	Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η δομημένη περιοχή έχει επεκταθεί δραματικά σε βάρος των καλλιεργούμενων περιοχών, προκαλώντας τεράστιες αλλαγές στην περιοχή μελέτης. Προκειμένου να εφαρμοστούν μέτρα για τον μετριασμό του σχηματισμού αστικών θερμικών νησίδων, είναι σημαντικό να προσδιοριστεί η κατανομή της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης στις αστικές περιοχές και να προσδιοριστούν οι περιοχές με μη φυσιολογικά υψηλές θερμοκρασίες. Τέτοιες μελέτες είναι πολύ χρήσιμες σε πόλεις που χαρακτηρίζονται από ξηρό κλίμα. Η χρήση τηλεπισκόπησης παρέχει μια χρονικά και οικονομικά αποδοτική μεθοδολογία για την ανάλυση αυτή.	+
		+	Σε αυτήν την μελέτη εξετάζεται η δυναμική των δεδομένων GRACE TWS σχετικά με την  διαχείριση υδάτινων πόρων στον εντοπισμό ανθρωπωγενών ΕΤ αλλαγών στην λεκάνη του ποταμού Haihe στην Κίνα. Τα μηνιαία δεδομένα για την περίοδο 2005-2012 από τα GRACE TWSA και ΤWSC συγκρίθηκαν με τις επιτόπιες μετρήσεις, όσο και με τις προσομοιώσεις GLDAS. Τα GRACE TSWA βρέθηκαν σε συμφωνία με τις επιτόπιες μετρήσεις. Όσον αφορά στα GLDAS παρουσιάζουν τάση ελαφρής αύξησης, καθώς τα GLDAS LSMs δεν προσομοιώνουν τις διεργασίες των υπόγειων υδάτων. Οι εκτιμήσεις για την ET που βασίζεται στην GRACE εμφανίζει μια διπλή εποχιακή κορυφή (τον Μάιο και τον Αύγουστο) και είναι σε συμφωνία με τους υπολογισμούς για τα αποθέματα υδάτων που βασίζονται σε επιτόπιες μετρήσεις, και το οποίο ταιριάζει με την εκτεταμένη χρήση των υπόγειων υδάτων για την άρδευση του σιταριού στην λεκάνη του ποταμού Haine.
		+	Συμπερασματικά αυτή η μελέτη τονίζει την μοναδική ικανότητα των δορυφόρων να παρακολουθούν τις διακυμάνσεις στα αποθέματα νερού, που οφείλονται τόσο σε κλιματικούς όσο και ανθρωπογενής παράγοντες, συγκρίνοντας τις προσομοιώσεις GLDAS σε περιοχές με έντονη ανθρωπογενή επίδραση, όπως η χρήση των υπόγειων υδάτων για άρδευση.

---

Παρούσα αναθεώρηση της 10:47, 10 Φεβρουαρίου 2022

Τηλεπισκοπική ανάλυση των διακυμάνσεων υπόγειων υδάτινων αποθεμάτων στην λεκάνη του ποταμού Haihe στην Κίνα

Detection of human-induced evapotranspiration using GRACE satellite observations in the Haihe River basin of China

Συγγραφείς: Xu, Haili & Pan, Yun & Gong, Huili & Zhou, Demin

Πηγή: [[1]]

Abstract

Η τοπική εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ) μπορεί να ενισχύεται από ανθρώπινες δραστηριότητες όπως η άρδευση και η κατακράτηση σε ταμιευτήρες. Σε αυτήν την μελέτη χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα σχετικά με την αποθήκευση χερσαίων υδάτων μέσω της Ανάκτησης Βαρύτητας και Κλιματικού Πειράματος (Gravity Recovery and Climate Experiment - GRACE) προκειμένου να ανιχνευθεί η προκλειθήσα από τον άνθρωπο αλλαγή της τοπικής εξατμισοδιαπνοής (ET) στην λεκάνη του ποταμού Haihe στην Κίνα. Η σύγκριση μεταξύ των μηνιαίων εκτιμήσεων της ΕΤ με βάση την GRACE (2005-2012) και οι μοντελοποιήσεις της ΕΤ μέσω του Παγκόσμιου Συστήματος Εξομοίωσης (GLDAS) υποδηλώνουν πως η ΕΤ οφείλεται σε ανθρωπογενείς δραστηριότητες λόγω της εκτεταμένης υπόγειας άρδευσης από τον Μάρτιο μέχρι τον Μάιο και μπορεί να εντοπιστεί μόνο από το GRACE.

Εισαγωγή

Δεδομένης της μοναδικής ικανότητας παρακολούθησης των χερσαίων αποθεμάτων νερού (TWS) από το διάστημα, οι μετρήσεις βαρύτητας από την δίδυμη αποστολή δορυφόρων GRACE χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα με άλλα βοηθητικά δεδομένα, που αφορούν κυρίως κατακρημνίσεις και ροή υδάτων, ώστε να υπολογιστεί η τοπική εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ). Oι περισσότερες από αυτές τις μελέτες επικεντρώνονται στην σύγκριση των εκτιμήσεων GRACE της ΕΤ από την διαχείριση των υδάτινων πόρων (ΕΤGWB) με άλλες μεθόδους όπως οι προσομοιώσεις μοντέλων επιφάνειας γης (LSM) ή τις τεχνικές τηλεπισκόπησης όπως η μέτρια ανάλυση απεικόνισης φασματοραδιόμετρου (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer - MODIS) (Corbari et al.,2014). H ET δεν επηρεάζεται μόνο από παράγοντες του φυσικού κλίματος και της βλάστησης αλλά και από ανθρώπινες δραστηριότητες όπως η άρδευση και η άντληση υπόγειων υδάτων. Είναι κοινά παραδεκτό πως η GRACE μπορεί να εντοπίσει αλλαγές στο TWS (το άθροισμα των αποθηκευμένων επιφανειακών υδάτων (SWS), στην αποθήκευση της υγρασίας του εδάφους (SMS) και της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων (GWS)) που προκαλούνται τόσο από φυσικούς όσο και από ανθρωπογενείς παράγοντες. Σε αυτήν την μελέτη ακολουθήθηκε παρόμοια προσέγγιση με τους Castle et al.,2016 για τον υπολογισμό της ΕΤ για την λεκάνη του ποταμού Haihe (HRB) στην Βόρεια Κίνα που χαρακτηρίζεται από εκτεταμένη άντληση υπόγειων υδάτων. Αυτή η περιοχή κατοικείται από 120 εκατομμύρια ανθρώπους και παράγει το 10% των συνολικών σιτηρών της Κίνας. Σε αυτήν την μελέτη τα μηνιαία δεδομένα GRACE (2005-2012) επαληθεύτηκαν πρώτα με επιτόπιες μετρήσεις για τα επιφανειακά ύδατα, την υγρασία του εδάφους, τα επίπεδα των υπόγειων υδάτων και στην συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό της ΕΤGWB.

Μεθοδολογία

Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτήν την μελέτη εμπίπτουν σε 5 κατηγορίες: 1) GRACE level-2 Release 05 σφαιρικές αρμονικές (SH) λύσεις που δόθηκαν από το κέντρο για την έρευνα του διαστήματος και χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή μηνιαίων TWS ανωμαλιών TWSA και TWSC, 2) την παρατηρημένη TWS περιλαμβάνοντας δεδομένα από επιφανειακά ύδατα από 32 κύριες δεξαμενές, την υγρασία εδάφους από 148 σταθμούς, τα επίπεδα υποθαλάσσιων υδάτων σε 137 παρατηρούμενα πηγάδια 3) τα ετήσια πλέγματα (0.5ο) κατακρημνίσεων από τον Μετερεολογικό Σταθμό της Κίνας (CMA) 4) οι υπολογισμοί της ΕΤ από τα GLDAS και MODIS που χρησιμοποιήθηκαν για την σύγκριση για την ETGWB και 5) τόσο η ΕΤ που προσομοιάστηκε από το τοπικό υδρολογικό μοντέλο και ο υπολογισμός στο ΕΤΗ που βασίζεται σε πληροφορίες για την κατανάλωση του νερού που χρησιμοποιήθηκαν για να επαληθεύσουν περεταίρω την ΕΤGWB.

Αποτελέσματα

Η εικόνα 2a παρουσιάζει τις μηνιαίες κατακρημνίσεις κατά την περίοδο 2005-2012 για τα συστατικά TWS (SWS,SMS, GWS) και τις παρατηρούμενες ανωμαλίες. Όπως παρατηρείται η εποχιακή μεταβλητότητα και η μακροχρόνια τάση μείωσης της TWS προκαλούνται κυρίως από το GWS, ενώ η μεταβλητότητα μέσα στην κάθε εποχή προκαλείται κυρίως από το SMS. H εικόνα 2b συγκρίνει την TWSA από τα δεδομένα GRACE, και τις επιτόπιες μετρήσεις με τον R (συντελεστή συσχέτισης) καθώς και την μέση τετραγωνική ρίζα του σφάλματος (RMSE). Στις εικόνες 3α και 3β απεικονίζονται οι μέσες ετήσιες τιμές για τους εποχιακούς κύκλους TWSA και TWSC από την βάση δεδομένων GRACE, οι επιτόπιες μετρήσεις και ο μέσος όρος από 4 GLDAS LSMs. Oι εικόνες 3c και 3d καταγράφουν τις αντίστοιχες μέσες τιμές των ετήσιων κύκλων των κατακρημνίσεων και των απορροών. Όπως φαίνεται η TWSA παραμένει υψηλή κατά την περίοδο από τον Δεκέμβριο έως τον Μάρτιο και στην συνέχεια μειώνεται μέχρι να φτάσει το ετήσιο ελάχιστο τον Ιούνιο πριν αυξηθεί ξανά κατά το δεύτερο μισό του χρόνου. Τα εποχιακά πρότυπα της TWSA στην λεκάνη του ποταμού Haihe μπορούν να αποδοθούν τόσο σε ανθρώπινες όσο και σε φυσικές επιδράσεις όπως οι εντατικές εκταμιεύσεις υπόγειων υδάτων για ποτιστική χρήση χειμερινών σιτηρών. Oι εικόνες 4 α και 4β απεικονίζουν τις μηνιαίες μέσες τιμές για τους εποχιακούς κύκλους για τους δείκτες ΕΤGWB, ETOWB, και ΕΤ και τις εκτιμήσεις από τα GLDAS και MODIS. Γενικά το ETGWB ταιριάζει αρκετά καλά με το με το ΕΤOWB, ενώ τόσο τα GLDAS και τα MODIS υποδηλώνουν πως οι ασυνέπειες μεταξύ των υπολογισμών ΕΤ ταιρίαζουν με τις πρακτικές διαχείρισης των τοπικών αποθεμάτων υδάτων. Η ΕΤGWB παρουσιάζει διπλή κορυφή τον Μάιο και τον Αύγουστο παρομοίως με το ETOWB, κάτι που συνδέεται στενά με την εναλλαγή καλλιεργειών μεταξύ αραβόσιτου (Ιούνιος-Οκτώβριος) και σιταριού (Οκτωβρίου-Ιουνίου). Μάλιστα η παραγωγή σιταρίου βασίζεται ιδιαίτερα στην άρδευση με υπόγεια ύδατα, που αγγίζει το 57% των συνολικής ετήσιας κατανάλωσης νερού ( Liu et al.,2002), ενώ ο αραβόσιτος καταναλώνει ελάχιστο ποσοστό υπόγειων υδάτων καθώς βασίζεται σε καλοκαιρινές βροχοπτώσεις (Lei and Yang,2010).

Συμπεράσματα

Σε αυτήν την μελέτη εξετάζεται η δυναμική των δεδομένων GRACE TWS σχετικά με την διαχείριση υδάτινων πόρων στον εντοπισμό ανθρωπωγενών ΕΤ αλλαγών στην λεκάνη του ποταμού Haihe στην Κίνα. Τα μηνιαία δεδομένα για την περίοδο 2005-2012 από τα GRACE TWSA και ΤWSC συγκρίθηκαν με τις επιτόπιες μετρήσεις, όσο και με τις προσομοιώσεις GLDAS. Τα GRACE TSWA βρέθηκαν σε συμφωνία με τις επιτόπιες μετρήσεις. Όσον αφορά στα GLDAS παρουσιάζουν τάση ελαφρής αύξησης, καθώς τα GLDAS LSMs δεν προσομοιώνουν τις διεργασίες των υπόγειων υδάτων. Οι εκτιμήσεις για την ET που βασίζεται στην GRACE εμφανίζει μια διπλή εποχιακή κορυφή (τον Μάιο και τον Αύγουστο) και είναι σε συμφωνία με τους υπολογισμούς για τα αποθέματα υδάτων που βασίζονται σε επιτόπιες μετρήσεις, και το οποίο ταιριάζει με την εκτεταμένη χρήση των υπόγειων υδάτων για την άρδευση του σιταριού στην λεκάνη του ποταμού Haine. Συμπερασματικά αυτή η μελέτη τονίζει την μοναδική ικανότητα των δορυφόρων να παρακολουθούν τις διακυμάνσεις στα αποθέματα νερού, που οφείλονται τόσο σε κλιματικούς όσο και ανθρωπογενής παράγοντες, συγκρίνοντας τις προσομοιώσεις GLDAS σε περιοχές με έντονη ανθρωπογενή επίδραση, όπως η χρήση των υπόγειων υδάτων για άρδευση.