Τηλεπισκόπηση των παραμέτρων που ρυθμίζουν τη μεταφορά ενέργειας και νερού μεταξύ εδάφους και ατμόσφαιρας

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 22:03, 8 Φεβρουαρίου 2010

Author: Koen De Ridder

Εισαγωγή

Πολλές μελέτες έχουν καταδείξει τον αντίκτυπο της ενεργειακής ισορροπίας της επιφάνειας του εδάφους στην ατμόσφαιρα. Το 1996 βρέθηκε μία σαφής ανάδραση μεταξύ της υδρολογίας της επιφάνειας του εδάφους και των εαρινών κατακρημνισμάτων στις κεντρικές ΗΠΑ. Επιπλέον παρουσιάστηκε ότι η υγρασία του εδάφους αποτελεί κρίσιμο παράγοντα για τις κατακρημνίσεις στην Ευρώπη. Για να γίνει κατανοητός ο ρόλος της επιφάνειας του εδάφους στην ανακύκλωση του νερού δημιουργήθηκε ένα μοντέλο στοιβάδας. Αποδείχτηκε ότι η πιθανότητα μεταφερόμενης κατακρήμνισης όπως αντιπροσωπεύεται από την ισοδύναμη θερμοκρασία αυξάνεται με την με την επιφανειακή εξάτμιση. Προκειμένου να αντιπροσωπευθούν τα χαρακτηριστικά επιφάνειας εδάφους, τα μοντέλα περιλαμβάνουν λεπτομερή παραμετροποίηση της υδρολογίας, της εξατμισοδιαπνοής των φυτών, της τύρβης της ατμόσφαιρας και της ανταλλαγής της ακτινοβολίας. Η ενεργειακή ισορροπία εξαρτάται από την κάλυψη των φυτών και την εδαφολογική υγρασία πληροφορίες που απαιτούν επαρκή χωρική και χρονική δειγματοληψία και συνεπώς αντλούνται από δορυφορικά δεδομένα. Έχουν γίνει πολλές προσπάθειες για τη χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων για μέτρηση της θερμοκρασίας. Με αυτές τις μεθόδους η βλάστηση και η υγρασία του εδάφους προσαρμόζονται σε ένα αριθμητικό πρότυπο μέχρι να δημιουργηθεί συμφωνία μεταξύ της πειραματικής τιμής και της τιμής του μοντέλου. Οι θερμικές μέθοδοι πάσχουν από τη μικρή ακρίβεια που παρουσιάζει η μέτρηση της επιφανειακής θερμοκρασίας μέσω δορυφόρου. Επιπλέον η μέτρηση δε μπορεί να γίνει αν υπάρχουν σύννεφα. Σε αυτή τη μελέτη γίνεται ένας απολογισμός για την κάλυψη με βλάστηση και την περιεκτικότητα σε εδαφολογική υγρασία. Επιπλέον, δίνεται μία περιγραφή της εφαρμογής των παραμέτρων σε μία άσκηση διαμόρφωσης της ενεργειακής ισορροπίας (FIFE). Το πρόγραμμα FIFE πραγματοποιήθηκε σε μία περιοχή λιβαδιών 15 x 15 km2 μεταξύ 1987 και 1989, στο Κάνσας, ΗΠΑ.

Τηλεπισκόπηση επιφανειακών χαρακτηριστικών

Η κάλυψη με βλάστηση προέρχεται από το AVHRR και η εδαφολογική υγρασία από το SSM/I. Βλάστηση που καλύπτεται από το NOAA-AVHRR Το AVHRR είναι ένα ραδιόμετρο που βρίσκεται στην δορυφορική πλατφόρμα του ΝΟΑΑγια πολλά χρόνια και παρέχει στοιχεία στο ορατό και το θερμικό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Είναι ένα όργανο με 5 κανάλια και μετράει ανακλάσεις από 0,63 έως 0,91 μm και θερμοκρασίες φωτεινότητας στα 3.7, 10.8 και 12 μm. Η χωρική του διακριτική ικανότητα φτάνει το 1.1 km. Αν και αρχικά ξεκίνησε για μετεωρολογικούς σκοπούς χρησιμοποιήθηκε εκτενώς για τη μελέτη της βλάστησης. Ο δείκτης βλάστησης NDVI ορίζεται ως εξής: NDVI=

όπου RNIR και RRED η ανάκλαση στο εγγύς υπέρυθρο(0.91μm) και στο κόκκινο (0.63μm) αντίστοιχα. Το NDVI εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι η πράσινη βλάστηση δημιουργεί μία μεγάλη φασματική αντίθεση μεταξύ του κόκκινου και του NIR (εικόνα 1).

Εικόνα 1: φασματική αντίθεση μεταξύ του κόκκινου και του NIR

Επιπλέον f=

όπου NDVImin και NDVImax οι τιμές του γυμνού εδάφους και της βλάστησης. Η εικόνα 3 δείχνει μια περιοχή του πειράματος FIFE 227 ημέρα 1987 στις 20:45 τοπική ώρα. Η μέση τιμή της περιοχής είναι 0,452. Οι μικρότερες και οι μεγαλύτερες τιμές είναι 0,175 και 0,667.

Εδαφολογική υγρασία που καλύπτεται από DMPS-SSM/I

Οι παρατηρήσεις βασίζονται στο γεγονός ότι η διηλεκτρική σταθερά αλλάζει με την υγρασία και επηρεάζει την πολικότητα και τα χαρακτηριστικά εκπομπής. Το SSM/I του DMPS έχει 7 κανάλια, 4 συχνότητες, γραμμική πολικότητα, είναι παθητικό σύστημα και μετράει θερμοκρασίες στις ακόλουθες συχνότητες 19.35, 22.235, 37.0, 85,5 GHz. Το 1999 δημιουργήθηκε μία σχέση (PDT) που δείχνει την εξάρτηση των κάθετων και οριζόντιων πολωμένων θερμοκρασιών, στα 19.35 GHz . Το PDT λοιπόν εκφράζεται ως εξής: TV-TH = (1-f) ta (Ts-Td) eh (1-2Q) (ΓH-ΓV) ta,Ts,Td αντιπροσωπεύουν αντίστοιχα την εκπομπή, το θερμοδυναμικό προφίλ της θερμοκρασίας, και τη θερμοκρασία κοντά στην επιφάνεια. Οι παράμετροι h και Q περιγράφουν την τραχύτητα και την πόλωση της επιφάνειας. Οι συντελεστές ανάκλασης ΓH και ΓV υπολογίζονται από τις σχέσεις του Fresnel για την υγρασία του εδάφους και τη διηλεκτρική σταθερά.

Προσομοίωση της ενεργειακής ισορροπίας του FIFE-IFC3

Το μοντέλο περιλαμβάνει ένα επίπεδο βλάστησης, ένα επίπεδο γυμνού εδάφους, και 4 υποεπίπεδα εδάφους. Η ακτινοβολία μακρών και βραχέων κυμάτων μεταφέρεται στη βλάστηση και υπολογίζεται με τη θεωρία two-stream. Υπολογισμοί της μεταφοράς βασίζονται στην ομοιογένεια του επιφανειακού στρώματος και θεωρούν τις ανταλλαγές αέρα στο έδαφος και τα φυτά ξεχωριστές διαδικασίες. Μεταβλητές είναι η θερμοκρασία των φύλλων, ο κορεσμός της ατμόσφαιρας και η εδαφολογική υγρασία ενώ σαν δεδομένα εισόδου είναι η ταχύτητα του ανέμου, η θερμοκρασία η υγρασία, οι ροές ακτινοβολίας και η ένταση της κατακρήμνισης. Σαν δεδομένα εξόδου λαμβάνονται οι τυρβώδεις ροές, η λανθάνουσα θερμότητα, η ροή θερμότητας στο έδαφος και η ακτινοβολία. Το μέσο τετραγωνικό σφάλμα μεταξύ των μετρήσεων και των τιμών του μοντέλου είναι 21,15,22 και 31 Wm-2 για την ακτινοβολία, για την θερμορροή στο έδαφος, για η θερμότητα και τη λανθάνουσα θερμότητα αντίστοιχα. Είναι περίπου ίδια όπως και τα σφάλματα σε πειραματικές διατάξεις.