ΣΚΟΝΗ ΣΑΧΑΡΑΣ

Από RemoteSensing Wiki

ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΤΗΣ ΣΚΟΝΗΣ ΑΠΟ ΤΗ ΣΑΧΑΡΑ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΚΑΙ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΠΡΟΓΝΩΣΗΣ

Από τους Χατζόπουλος Ιωάννης*, Χωριατέλλη Χρυσομάλλη, Καντζάς Παντελής

Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης και ΣΓΠ Πανεπιστήμιο Αιγαίου Τμήμα Περιβάλλοντος Μυτιλήνη Τηλ/Fax: 22510-36264, ihatz@aegean.gr

Κάλλος Γεώργιος Κατσαφάρδος Πέτρος Χρήστος Σπύρου Ομάδα Ατμοσφαιρικών Μοντέλων και Πρόγνωσης Καιρού Πανεπιστήμιο Αθηνών Τμήμα Φυσικής Αθήνα Πηγή http://www.topo.org.cy/images/HATZOPOULOS-XORIATELLI.pdf.

Περίληψη

Ο χώρος της ατμόσφαιρας είναι ένας τεράστιος επιχειρησιακός χώρος από όπου εξαρτώνται πολλές ανθρώπινες δραστηριότητες. Ένα φαινόμενο που επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τον Ευρωπαϊκό χώρο καθώς και χώρους πέραν του Ατλαντικού είναι η μετακίνηση μέσω της ατμόσφαιρας ποσότητας σκόνης από την Έρημο Σαχάρα. Η επιρροή της σκόνης αυτής είναι πέραν του περιορισμού της ορατότητας στην ατμόσφαιρα και την επιρροή των καιρικών φαινομένων επίσης δημιουργεί προβλήματα υγείας σχετικά με το αναπνευστικό σύστημα καθώς επίσης επηρεάζει εδώ και χιλιάδες χρόνια τη δομή των εδαφών στον Ευρωπαϊκό χώρο. Η πιο σημαντική όμως επιρροή της σκόνης από τη Σαχάρα είναι η επιβάρυνση της ατμόσφαιρας των χωρών της Νότιας Ευρώπης σε τέτοιο βαθμό ώστε να ξεπερνούν τα όρια που έχουν τεθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση για συγκεντρώσεις σωματιδίων, μάλιστα για την Ελλάδα τα 2/3 των υπερβάσεων των ορίων αυτών οφείλονται στη σκόνη από τη Σαχάρα. Το Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης και ΣΓΠ του Πανεπιστημίου Αιγαίου σε συνεργασία με την Ομάδα Ατμοσφαιρικών μοντέλων και Πρόγνωσης Καιρού του Πανεπιστημίου Αθηνών, έχουν κάνει μια πρωτοποριακή έρευνα στην ανίχνευση της σκόνης από την Έρημο Σαχάρα χρησιμοποιώντας δορυφορικές εικόνες του δορυφόρου της ΝΟΑΑ AVHRR και αναπτύσσοντας αριθμητικά μοντέλα πρόγνωσης. Tα μοντέλα αυτά χρησιμοποιούνται επιχειρησιακά τα τελευταία χρόνια και οι προγνώσεις διατίθενται καθημερινά από τη διεύθυνση http://forecast.uoa.gr. Η μεθοδολογία που χρησιμοποιείται καθώς και τα αποτελέσματα της έρευνας αυτής παρουσιάζονται στην παρούσα εργασία. Έμφαση δίνεται στις τηλεπισκοπικές μεθόδους που ξεκινούν από μια απλή ενίσχυση της εικόνας μέχρι τη χρήση αριθμητικών μοντέλων μεταφοράς ακτινοβολίας μέσω της ατμόσφαιρας και εκτίμηση της οπτικής πυκνότητας με μοντέλα όπως είναι ο κώδικας 6S. Η χαρτογράφηση της σκόνης βρίσκεται σε ένα γενικότερο ερευνητικό πεδίο που ασχολείται με τη χαρτογράφηση των αεροζόλ στην ατμόσφαιρα για το λόγο αυτό μετρήσεις οπτικής πυκνότητας των αεροζόλ από σταθμούς του συστήματος Aeronet συγκρίνονται με αποτελέσματα της ανάλυσης δορυφορικών εικόνων.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

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 (Bergametti et Al., 1989). Έχει αποδειχθεί ότι οι παραλλαγές το albedo μπορούν να προκαλέσουν σημαντικές αλλαγές στη μεγάλης κλίμακας κυκλοφορία και τις βροχοπτώσεις, ιδιαίτερα πέρα από τις περιοχές ερήμων, (Charney et Al, 1977, Henderson-Sellers, 1992). Η ατμοσφαιρική μεταφορά εδαφικής σκόνης από την Αφρική δημιουργεί τις έντονες αιχμές συγκέντρωσης αεροζόλ, επηρεάζει σημαντικά τη βιοχημεία ιχνοστοιχείων στον ωκεανό και διαδραματίζουν έναν σημαντικό ρόλο στο pH των σχετικών εφαρμογών, (Dulac et Al 1992). 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.

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Τα επόμενα βήματα, τα οποία αναλύονται με περισσότερη λεπτομέρεια στο κείμενο, απαιτούνται προκειμένου να γίνει επεξεργασία των εικόνων NOAA - AVHRR για την παραγωγή και δημιουργία χαρτών σκόνης. 1. Βαθμολόγηση καναλιών. 2. Υπολογισμός των φαινόμενων θερμοκρασιών για τα κανάλια 3, 4 και 5. 3. Μοντέλο επεξεργασίας εικόνας για την παραγωγή ποιοτικών χαρτών σκόνης. 4. Διόρθωση γεωμετρικών παραμορφώσεων της εικόνας. 5. 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 (Paronis D., & J. N. Hatzopoulos 1997). (a) Η φαινόμενη ακτινοβολία υπολογίζεται με τη χρήση των συντελεστών βαθμονόμησης που παίρνονται από κάθε 100η γραμμή από τα στοιχεία που στέλνει ο δορυφόρος και (b) Η λαμπρότητα της θερμοκρασίας υπολογίζεται από το νόμο του Plank. Το μοντέλο δημιουργεί χωριστές μάσκες για το κανάλι 1 και το κανάλι 2, και έπειτα διαιρεί το albedo του καναλιού 1 με 100, και τις ενοποιεί και έπειτα παράγει μια τελική εικόνα που αποτελείται από τη θάλασσα, το έδαφος και τα νέφη. Η εικόνα που παράχθηκε δεν είναι πραγματικός χάρτης επειδή η γεωμετρία της έχει παραμορφώσεις λόγω της γήινης περιστροφής κατά τη διάρκεια λήψης της εικόνας και λόγω του ελλειψοειδούς σχήματος της γης. Υπάρχει επίσης μια παραμόρφωση των εικονοστοιχείων, τα οποία βρίσκονται σε απόσταση από το δορυφορικό ναδίρ, και ο πραγματικός Βορράς είναι 9 μοίρες ανατολικά ή δυτικά της δορυφορικής τροχιάς. Επομένως, η διόρθωση της γεωμετρικής παραμόρφωσης είναι απαραίτητη. Η διόρθωση της γεωμετρικής παραμόρφωσης 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.

ΟΜΑΔΑ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΓΝΩΣΗΣ ΚΑΙΡΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑ SKIRON

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

Το Σύστημα πρόγνωσης καιρού ΣΚΙΡΩΝ αναπτύχθηκε για να εφαρμοσθεί επιχειρησιακά στην Ελληνική Μετεωρολογική Υπηρεσία, στα πλαίσια του έργου "Ανάπτυξη ενός συστήματος πρόγνωσης καιρού μεγάλης ακρίβειας σε υπολογιστές υψηλών επιδόσεων" και χρηματοδοτήθηκε από την Ελληνική Κυβέρνηση και την Ευρωπαϊκή Ένωση μέσο του προγράμματος ΕΠΕΤ ΙΙ της Γενικής Γραμματείας Έρευνας και Τεχνολογίας. Για την εφαρμογή του συστήματος χρειάζεται περιβάλλον Unix/Linux και μετεωρολογικά δεδομένα εισαγωγής. Το όλο σύστημα είναι πλήρως παραλληλισμένο και μπορεί να εφαρμοστεί περίπου σε κάθε παράλληλο περιβάλλον χρησιμοποιώντας οποιοδήποτε αριθμό επεξεργαστών. Το σύστημα αναπτύχθηκε με σκοπό να μπορεί να λειτουργήσει αυτόματα. 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. Το μοντέλο μεταφοράς του συστήματος υπολογίζει τη διασπορά επιλεγμένων ρύπων, και είναι η συνιστώσα η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη / πρόγνωση καταστροφικών και / ή μόνιμων εκπομπών ατμοσφαιρικών αερολυμάτων. Μία κύρια εφαρμογή αφορά τη συνδυασμένη λειτουργία με ένα μοντέλο για μεταφορά και εναπόθεση σκόνης. Η Ομάδα Ατμοσφαιρικών Μοντέλων και Πρόγνωσης Καιρού (Atmospheric Modeling And Weather Forecasting Group) επιμελείται την αδιάλειπτη λειτουργία του συστήματος ΣΚΙΡΩΝ στις εγκαταστάσεις της στο Πανεπιστήμιο Αθηνών. Το σύστημα παρέχει πρόγνωση ατμοσφαιρικής κατάστασης μέχρι και 168 ωρών (7 ημερών) τόσο για τον ευρύτερο ελλαδικό χώρο όσο και για ολόκληρη την περιοχή της Μεσογείου και της Νότιας Ευρώπης. Παράλληλα παρέχεται πρόγνωση μεταφοράς και εναπόθεσης σωματιδίων σκόνης από την περιοχή της ερήμου Σαχάρας προς τη Μεσόγειο και την Ευρώπη μέχρι και 72 ωρών (3 ημερών).

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. Κατά το στάδιο αυτό στο πλέγμα του μοντέλου καθορίζονται παράμετροι της επιφάνειας, που είτε προέρχονται από παρατηρήσεις, είτε προκαθορίζονται υπολογιστικά (ανάγλυφο, θερμοκρασία στην επιφάνεια της θάλασσας, τύποι εδάφους και βλάστησης. θερμοκρασία υγρασία εδάφους. Τα δεδομένα ορογραφίας, που χρησιμοποιούνται προέρχονται από το US Geological Survey (USGS) με ανάλυση 30x30 δευτερολέπτων της μοίρας. Όσο αφορά τη βλάστηση χρησιμοποιούνται τα δεδομένα σε κόμβους πλέγματος (gridded) με ανάλυση 30x30 δευτερολέπτων (σύμφωνα με την ταξινόμηση Olson World Ecosystems) ενώ για τις κλάσεις υφής εδάφους χρησιμοποιούνται δεδομένα υφής εδάφους με ανάλυση 2x2 πρώτων λεπτών.

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 (Janjic 1990) και με την ανάπτυξη του τμήματος του μοντέλου για την συγκέντρωση της σκόνης της ερήμου (Nickovic and Dobricic, 1996). Η τελική έκδοση της συνιστώσας της μεταφοράς (Nickovic et al., 2001) περιλαμβάνει για τις πηγές το σχήμα του ιξώδους υποστρώματος (viscous sub layer, Janjic, 1994) και χρησιμοποιεί επίσης το σχήμα της τύρβης του μοντέλου Eta (Lobocki, 1993, Janjic, 1996). Η συνιστώσα της μεταφοράς περιγράφεται εδώ σύμφωνα με τον Nickovic et al., 2001. Ο προσδιορισμός των οριακών συνθηκών του κατώτερου ορίου για τη συγκέντρωση της σκόνης (πηγές), που αποτελεί τον πιο κρίσιμο παράγοντα για τους υπόλοιπους υπολογισμούς, εξηγείται παρακάτω με περισσότερες λεπτομέρειες.

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: Η υγρή απομάκρυνση τώρα σε κάθε επίπεδο του μοντέλου υπολογίζεται από τα κλάσματα της ευρείας κλίμακας κατακρήμνισης (large scale precipitation fraction) και της κατακρήμνισης λόγω σύγκλισης (convective precipitation fraction), με το σταθερό λόγο σάρωσης (scavenging).

1.4. Το στάδιο μετεπεξεργασίας (Post-processing)

Τα προγράμματα μετεπεξεργασίας είναι αρκετά και όλα συνδέονται με γραφικά πακέτα. Το κυρίως πρόγραμμα είναι ένα και χρησιμοποιείται με σκοπό την ενοποίηση των πεδίων των διαφόρων ατμοσφαιρικών παραμέτρων τα οποία είναι χωρισμένα από τους διάφορους επεξεργαστές, αφού το μοντέλο έχει παραλληλιστεί (παράλληλες I/O διαδικασίες). Η συχνότητα των εξαγομένων αποτελεσμάτων είναι προκαθορισμένη. Η καθημερινή πρόγνωση είναι διαθέσιμη στην ιστοσελίδα http://forecast.uoa.gr και 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.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Τα αποτελέσματα αφορούν τις ημερομηνίες από 19/4/1997 μέχρι και 22/4/1997. Στο Σχήμα 1α δίνονται αποτελέσματα από την επεξεργασία της δορυφορικής εικόνας του NOAA – AVHRR για την ημερομηνία 19/04/1997, 11:45 UTC, ενώ στο Σχήμα 1β παρουσιάζονται αντίστοιχα αποτελέσματα από την πρόβλεψη του συστήματος Skiron. Από τη σύγκριση υπάρχει σημαντική συμφωνία μεταξύ AVHRR και των αποτελεσμάτων της πρόβλεψης SKIRON. Στο Σχήμα 2α και 2β φαίνεται αντίστοιχα η ομοιότητα μεταξύ των αποτελεσμάτων που παρέχουν τα δύο συστήματα. Το μοντέλο επεξεργασίας εικόνας AVHRR εμφανίζεται να υπερεκτιμά δυτικά της Αιγύπτου. Επίσης στα σχήματα 4α και 4β μπορεί κανείς να δει ότι τα δύο μοντέλα παρήγαγαν παρόμοια αποτελέσματα. ένα από τα σημαντικά προβλήματα για τις εικόνες NOAA είναι η αντανάκλαση από το νερό του ήλιου (Sun-glint). Το πρόβλημα αυτό έχει ιδιαίτερη ένταση κατά τη διάρκεια της ανοιξιάτικης και θερινής περιόδου και μπορούν να οδηγήσουν στα λανθασμένα συμπεράσματα. Ένα άλλο ιδιαίτερο πρόβλημα είναι η νεφοκάλυψη.