Αξιολόγηση της επαναιώρησης ιζημάτων με τηλεπισκόπηση κατά τη διάρκεια του τυφώνα Frances στον κόλπο Apalachicola, ΗΠΑ

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 20:20, 8 Φεβρουαρίου 2010

Authors: Shuisen Chen, Wenrui Huang, Hongqing Wang, Dan Li

Εισαγωγή

Το αντικείμενο εφαρμογής που χρησιμοποιείται η τηλεπισκόπηση στο παρόν άρθρο είναι η Υδρολογία. Οι αξιολογήσεις των επιδράσεων που προκαλούν οι τυφώνες είναι σημαντικές στην διαχείριση των ακτών και στην ανάλυση του κινδύνου των οικοσυστημάτων. Σε αυτήν την μελέτη, παρουσιάζεται μια επιτυχής εφαρμογή της τηλεπισκόπησης των ολικών αιωρούμενων στερεών (Total Suspended Solids – TSS) για την εκτίμηση της περιβαλλοντικής επίδρασης του τυφώνα Frances στις συγκεντρώσεις των TSS στον κόλπο Apalachicola (βορειοδυτική ακτή της Φλόριδα – εικόνα 1).Το μοντέλο τηλεπισκόπησης χρησιμοποιεί το 250m Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) για να χαρτογραφήσει τις συγκεντρώσεις των TSS στον κόλπο. Έντεκα επιπρόσθετες δορυφορικές εικόνες του MODIS χρησιμοποιήθηκαν για τη βελτίωση και τον έλεγχο του μοντέλου. Ο υπολογισμός της συγκέντρωσης των TSS στο παρόν μοντέλο έχει βελτιωθεί ουσιαστικά με τη χρήση μιας διαδικασίας σε δύο στάδια: αρχικά παράγοντας τη διαφορά της ατμοσφαιρικής διόρθωσης από μια προσέγγιση του συντελεστή ανάκλασης παλινδρόμησης (reflectance regression) μέσα στο νερό, και έπειτα δημιουργώντας το μοντέλο παλινδρόμησης (regression model) (R2=0.8534, n=25) μεταξύ του συντελεστή ανάκλασης των 250-m MODIS και των παρατηρημένων συγκεντρώσεων των TSS.

Στόχος

Ο στόχος της εφαρμογής του βελτιωμένου μοντέλου ήταν να εξετάσει τον αντίκτυπο του τυφώνα Frances στην επαναιώρηση και την κατανομή των ιζημάτων μέσα στον κόλπο σε σύγκριση με τις συγκεντρώσεις των TSS πριν από, κατά τη διάρκεια και κατόπιν του τυφώνα. Ο τυφώνας ανήκει στην κατηγορία 4 και έλαβε χώρα στις 3-6 Σεπτεμβρίου 2004.

Εικόνα 1: Περιοχή μελέτης και οι σταθμοί θολότητας που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μελέτη. (Πράσινες κουκκίδες: δεδομένα πεδίου από Wang et al., in press και κόκκινες κουκκίδες: παρατηρήσεις από το Apalachicola National Estuarine Research Reserve.

Οι χάρτες για τα TSS που προκύπτουν από το MODIS παρουσιάζουν ουσιαστικές αυξήσεις των συγκεντρώσεων των TSS στον κόλπο κατά τη διάρκεια του τυφώνα Frances (η μέση και η μέγιστη συγκέντρωση των TSS είναι 54.3 mg/l και 165 mg/l αντίστοιχα) και συγκρίθηκαν κάτω από συνθήκες που δεν υπάρχει τυφώνας (μέση και μέγιστη συγκέντρωση TSS ήταν περίπου 24-27 mg/l και 58-64 mg/l). Συγκρίνοντας τις μέσες και τις μέγιστες συγκεντρώσεις κατά τη διάρκεια του τυφώνα με τις αντίστοιχες πέντε μέρες πριν και μετά το πέρασμά του παρατηρήθηκε ότι η μέση συγκέντρωση των TSS στον κόλπο διπλασιάστηκε ενώ η μέγιστη συγκέντρωση αυξήθηκε σχεδόν τρεις φορές κατά τη διάρκεια του τυφώνα. Αυτό δείχνει ότι οι ισχυροί άνεμοι κατά τη διάρκεια του τυφώνα έχουν προκαλέσει σημαντική επαναιώρηση των ιζημάτων. Γιατί η τηλεπισκόπηση Οι παράμετροι της ποιότητας του νερού όπως το chlorophyll-a, τα TSS, η αλατότητα, η θερμοκρασία, και η ταχύτητα μπορεί να είναι χρήσιμοι δείκτες της υγείας του οικοσυστήματος για την αύξηση των στρειδιών που υπάρχουν στην περιοχή του κόλπου. Η υψηλή συγκέντρωση των TSS μπορεί να προκαλέσει θνησιμότητα των στρειδιών κατά τη διάρκεια της πρόωρης φάσης τους. Οι μετρήσεις της συγκέντρωσης των ιζημάτων που πραγματοποιούνται στο πεδίο είναι γενικά ακριβές ή έχουν περιορισμένη χωρική κάλυψη. Η κατανομή των TSS στις ρηχές εκβολές του Κόλπο του Μεξικού είναι χωρικά και χρονικά μεταβλητή, ειδικά κατά τη διάρκεια ενός τυφώνα. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μια αποτελεσματική προσέγγιση για τον έλεγχο των συγκεντρώσεων των TSS σε μια μεγάλη περιοχή νερού ώστε να μπορεί να στηρίξει τον έλεγχο της επαναιώρησης των ιζημάτων που προκαλούνται από τον τυφώνα στον κόλπο Apalachicola. Σε προηγούμενες εφαρμογές του δορυφόρου για τα αιωρούμενα ιζήματα οι περισσότερες μέθοδοι ατμοσφαιρικών διορθώσεων που χρησιμοποιούνταν ήταν προσομοίωση μεταφοράς ακτινοβολίας, επί τόπου (in situ) βασισμένη στο φάσμα εμπειρική βαθμονόμηση ή προσεγγίσεις DOS (band dark object subtract approaches). Μέθοδος Οι εικόνες της τηλεπισκόπησης εφαρμόστηκαν για να χαρτογραφήσουν τις συγκεντρώσεις των TSS από δύο ζώνες των δεδομένων του MODIS 250m, που βασίστηκαν στο βελτιωμένο αλγόριθμο φασματικής ανάκλασης και στην μέθοδο ατμοσφαιρικών διορθώσεων. Η ατμοσφαιρική διόρθωση στοχεύει να ανακτήσει τον πραγματικό “clear-sky” συντελεστή ανάκλασης επιφάνειας από τις εικόνες τηλεπισκόπησης Τα δεδομένα της υψηλής φασματοσκοπικής απεικόνισης SNR Terra/Aqua MODIS 250m παρέχουν συγκεκριμένες φασματικές πληροφορίες στο κανάλι 1 (band 1) (620-670 μm) και το κανάλι 2 (band 2) (841-876 μm). Το βελτιωμένο μοντέλο παλινδρόμησης in-water με συντελεστή ανάκλασης παλινδρόμησης b1/b2 παρουσιάζει ένα καλύτερο συσχετισμό της θολότητας με τις μετασχηματισμένες συγκεντρώσεις των TSS. Σε σύγκριση με την προηγούμενη μέθοδο ατμοσφαιρικής διόρθωσης DOS (R2=0.72,) ο παρόν μετασχηματισμένος λογαριθμικός λόγος των τιμών της ανάκλασης b1 και b2 σε καμπυλόγραμμη παλινδρόμηση δεύτερου βαθμού παρουσιάζει καλύτερη σύγκριση με τις διαθέσιμες παρατηρήσεις στον κόλπο Apalachicola με R2=0.85 (εικόνα 2).

Εικόνα 2: Σχέση μεταξύ της αναλογίας των αλγορίθμων της ανάκλασης του MODIS b1/b2 λογάριθμου των TSS για βαθμονόμηση

Αποτελέσματα Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δείχνουν ότι το μοντέλο καμπυλόγραμμης παλινδρόμησης της ανάκλασης του MODIS b1/b2 σε συνάρτηση με τα TSS μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παραγάγει μεγάλης κλίμακας συγκεντρώσεις TSS κατά τη διάρκεια του τυφώνα στον Κόλπο Apalachicola για να υποστηρίξει την ανάλυση της περιβαλλοντικής επίδρασης και τη διαχείριση οικοσυστήματος στις εκβολές (estuarine). Η χαρτογράφηση των TSS με την τηλεπισκόπηση από τις εικόνες του MODIS 250m αποκαλύπτουν την ευρεία χωρική κατανομή των TSS του κόλπου για την ανάλυση της επαναιώρησης των ιζημάτων που προκλήθηκαν από τον τυφώνα στον κόλπο Apalachicola. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δείχνουν ότι ο τυφώνας Frances οδήγησε σε μια σημαντική αύξηση της συγκέντρωσης των TSS από την επαναιώρηση των ιζημάτων στον κόλπο, με ιδιαίτερα υψηλή θολότητα κατά τη διάδοση του νερού από τον εσωτερικό και εξωτερικό κόλπο Apalachicola από το West Pass στις 4 Σεπτεμβρίου 2004 (εικόνα 3) κάτω από νοτιοδυτικό άνεμο προκαλώντας νοτιοδυτικά ρεύματα και συνθήκες μεταφοράς των ιζημάτων.

Εικόνα 3: Σύγκριση χαρτογραφήσεων των TSS πριν (a, 24 Αυγ.) κατά τη διάρκεια (b, 4 Σεπτ.) και μετά (c, 9 Σεπτ.) τον τυφώνα Frances το 2004 στον κόλπο Apalachicola και σε γειτονικά παράκτια ύδατα. Η μέση κατεύθυνση του ανέμου ήταν δυτική κατά τη διάρκεια της καταιγίδας.

Η εικόνα 4 αποδεικνύει τα αποτελέσματα που έχει ο τυφώνας στη συγκέντρωση των ιζημάτων στο σταθμό Dry Bar. Στην 4a απεικονίζεται η κύρια διαφορά μεταξύ των καιρικών συνθηκών, με και χωρίς τυφώνα και θύελλες, που είναι η αύξηση της ταχύτητας κατά τη διάρκεια του τυφώνα. Γενικά η θολότητα (εικόνα 4b) είναι πολύ χαμηλά κάτω από συνθήκες κανονικού ανέμου πριν τον τυφώνα. Κατά τη διάρκεια του τυφώνα η ταχύτητα του ανέμου αυξάνεται και η αντίστοιχη θολότητα αυξάνει. Ο χρόνος της μέγιστης θολότητας είναι περίπου ο ίδιος με το χρόνο όταν συνέβη η μέγιστη ταχύτητα ανέμου. Αν και η εικόνα 4a μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αναλύσει τα αποτελέσματα του αέρα στη θολότητα σε μια μόνο θέση στον κόλπο, τα αποτελέσματα χαρτογράφησης της συγκέντρωσης των TSS μέσω της τηλεπισκόπησης όπως φαίνεται στην εικόνα 3 αποκαλύπτουν τις υψηλές συγκεντρώσεις των TSS. Στην εικόνα 4c παρουσιάζεται η γενική κατεύθυνση του ανέμου. Με αυτή την κατεύθυνση του ανέμου προκλήθηκε νοτιοδυτική μεταφορά των θόλων νερών του κόλπου. Σαν αποτέλεσμα, το νερό του κόλπου με την υψηλότερη συγκέντρωση των TSS κινείται έξω από τον κόλπο μέσω του Indian Pass που βρίσκεται στο δυτικό όριο του κόλπου, και οδηγείται σε υψηλότερες συγκεντρώσεις των TSS στα παράκτια νερά έξω από τον κόλπο κοντά στο West Pass και το Indian Pass. Η μεταφορά του νερού του κόλπου νοτιοδυτικά προκάλεσε επίσης την διείσδυση του ωκεάνιου νερού με συγκεντρώσεις χαμηλότερες σε TSS από το άνοιγμα στο East Pass στο ανατολικό όριο του κόλπου, το οποίο προκάλεσε τις χαμηλότερες συγκεντρώσεις των TSS στο ανατολικό τμήμα του κόλπου και των παράκτιων νερών.

Εικόνα 4: Παρατηρήσεις στο Dry Bar από 14 Αυγούστου ως 20 Σεπτεμβρίου 2004 a) ταχύτητα ανέμου b) θολότητα c) διεύθυνση ανέμου πριν τις εικόνες του MODIS