Συγκριτικές Αναλύσεις και Χρήση της εξατμισοδιαπνοής μέσω της τηλεπισκόπησης με σκοπό την αναγνώριση αποψιλωμένων εκτάσεων
Από RemoteSensing Wiki
Συγκριτικές Αναλύσεις και Χρήση της εξατμισοδιαπνοής μέσω της τηλεπισκόπησης με σκοπό την αναγνώριση αποψιλωμένων εκτάσεων στον Αμαζόνιο
Τίτλος: Comparative analyzes and use of evapotranspiration obtained through remote sensing to identify deforested areas in the Amazon
Συγγραφείς: Helder José Farias da Silva, Weber Andrade Gonçalves, Bergson Guedes Bezerra
Πίνακας περιεχομένων |
Εισαγωγή
H εξατμισοδιαπνοή είναι ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες του υδρολογικού κύκλου κυρίως επειδή συνδέει τις ατμοσφαιρικές με τις χερσαίες υδρολογικές διεργασίες και επειδή επιστρέφει πίσω στην ατμόσφαιρα περισσότερο από το 60% της υγρασίας των συνολικών κατακρημνίσεων. Η εξατμισοδιαπνοή επίσης τις ξηρές εποχές είναι υψηλότερη σε σύγκριση με τις υγρές εποχές για τα υγρά τροπικά δάση αλλά και για τα εποχιακά ξηρά δάση του νότιου Αμαζονίου. Στα υγρά τροπικά δάση, ο κύριος παράγοντας-ρυθμιστής είναι η ακτινοβολία της επιφάνειας του εδάφους σε αντίθεση με τα εποχιακά ξηρά δάση όπου οι παράγοντες είναι κυρίως βιολογικοί (π.χ. η θερμική αγωγιμότητα του εδάφους). Τις τελευταίες δεκαετίες μεγάλες εκτάσεις του Αμαζονίου και του Cerrado (Βραζιλιάνικη Σαβάννα) έχουν εκχερσωθεί με σκοπό την μετατροπή τους σε άλλες χρήσεις γης. Η μείωση της τάσης των αποψιλώσεων αυτών η οποία είχε καταγραφεί τα τελευταία 15 χρόνια, έχει πάψει πλέον να υφίσταται, γεγονός το οποίο κάνει την εκπόνηση συγκριτικών μελετών για διαφορές στις χρήσεις γης(με βάση υδρολογικούς παράγοντες)εξαιρετικά απαραίτητη. Ακόμα είναι ευρέως αποδεκτό ότι οι εκτενείς αλλαγές στην κάλυψη του εδάφους, δηλαδή κυρίως η μετατροπή δασικών εκτάσεων σε αγροτικές ή αστικές, μπορεί να διαφοροποιήσει άρδην τον ατμοσφαιρικό υδρολογικό κύκλο, τα βιο-γεω-χημικά χαρακτηριστικά και την νεφοκάλυψη, όπως επίσης και την κλιματική ποικιλομορφία μίας περιοχής. Οι περισσότερες από τις μελέτες οι οποίες έχουν προηγηθεί προβλέπουν δριμύτατες κλιματικές επιπτώσεις, όπως την μείωση του υετού και της εξατμισοδιαπνοής, το επίπεδο της θερμοκρασίας εδάφους και την ελάττωση της σύγκλισης της υγρασίας πάνω από αποψιλωμένες εκτάσεις. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η περιοχή Rondonia της Βραζιλίας όπου το νοτιοανατολικό της τμήμα, τις τελευταίες δύο δεκαετίες, είναι 25% πιο ξηρό κατά τις ξηρές περιόδους, ενώ στο βορειοδυτικό οι βροχοπτώσεις αυξήθηκαν αισθητά. Η τηλεπισκόπηση είναι ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο το οποίο συμπληρώνει κενά στην έρευνα και έχει την δυνατότητα να παράξει καλύτερες τοπικές εκτιμήσεις της δυναμικής του υδρολογικού κύκλου και της σχέσης της με τις αλλαγές στις καλύψεις γης αλλά και εκτενέστερα στο κλίμα. Πλέον με την χρήση του προϊόντος MOD16 είναι δυνατή μία πιο άμεση προσέγγιση, σε σύγκριση με προηγούμενες μελέτες, όσον αφορά τις αλλαγές στην κάλυψη της γης και στην σχέση της με την εξατμισοδιαπνοή. Η παρακολούθηση των αποψιλωμένων εκτάσεων του Αμαζονίου πραγματοποιείται από το Εθνικό Ινστιτούτο Διαστημικής Έρευνας (INPE) μέσω του προγράμματος PRODES και του Real Time Deforestation Detection System (DETER).
Περιοχή μελέτης
Η περιοχή μελέτης είναι η πολιτεία της Rondonia στην Βραζιλία, η οποία βρίσκεται στο νοτιοδυτικό τμήμα του Βραζιλιάνικου Αμαζονίου. Η Rondonia καλύπτει μία έκταση 240.000 τετραγωνικών χιλιομέτρων στην οποία κατοικούν μόνιμα 1.600.000 άνθρωποι. Το κλίμα της είναι υγρό τροπικό, με μέση ετήσια θερμοκρασία 18ºC και με διακριτά ξηρούς χειμώνες. Ο μέσος ετήσιος υετός κυμαίνεται από 1.300 μέχρι 2.600 χιλιοστά το χρόνο, με τα χαμηλότερα ποσοστά να παρατηρούνται στο νοτιοδυτικό τμήμα και τα υψηλότερα στο ανατολικό-βορειοανατολικό, όπου η μέση ετήσια θερμοκρασία είναι 25ºC. Στην Εικόνα 1 φαίνεται η ακριβής τοποθεσία της περιοχής όπως επίσης και τα υψόμετρα από το επίπεδο της θάλασσας.
Προϊόν MOD16 (Εκτίμηση Εξατμισοδιαπνοής)
Το προϊόν MOD16 είναι ένας αλγόριθμος με κύριο σκοπό της εκτίμηση της παγκόσμιας επιφανειακής εξατμισοδιαπνοής με την χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων από τον δέκτη MODIS των δορυφόρων Terra και Aqua. Τα απαιτούμενα μετεωρολογικά δεδομένα για την εφαρμογή του αλγορίθμου, αντλούνται από το παγκόσμιο μετεωρολογικό μοντέλο GMAO το οποίο έχει χωρική ανάλυση 1.00º x 1.25º. Το συγκεκριμένο μοντέλο μακροπρόθεσμα αποδίδει καλύτερα σε περιοχές με υψηλή δασοκάλυψη ενώ σε περιοχές όπως οι πόλοι της γης η απόδοση του είναι χαμηλότερη.
Προϊόν PRODES
Οι πληροφορίες που αφορούν την κάλυψη της γης στην Rondonia της Βραζιλίας, συλλέχθηκαν με την βοήθεια ψηφιδωτών αρχείων του προγράμματος PRODES το οποίο από το 1988 παρακολουθεί την αποψίλωση του Αμαζονίου παράγοντας κάθε χρόνο έναν συγκεκριμένο ρυθμό αποψίλωσης. Η ταξινόμηση των καλύψεων γης που υιοθετεί το PRODES αποτελείται από: Υδρογραφία (υδάτινα σώματα), Δάση (πρωτεύοντα δάση), Αποψίλωση και Όχι_Δάσος (Cerrado, αστικά κέντρα, υγρότοποι και άλλα). Το 2014, το οποίο είναι και το τελευταίο έτος που χρησιμοποιείται στην συγκεκριμένη μελέτη, τα δάση καλύπτουν το 52,2% (125 τ.χ.), οι αποψιλωμένες εκτάσεις το 37,1% (89 τ.χ.) και οι γυμνές από δάσος εκτάσεις το 10,4% (25 τ.χ.). Στην Εικόνα 2 φαίνεται η εξέλιξη της αποψίλωσης στην περιοχή από το 2000 μέχρι το 2014.
Προϊόν TRMM (3B42)
Το προϊόν αυτό χρησιμοποιήθηκε ούτως ώστε να εξακριβωθεί η χωρική και χρονική ποικιλομορφία, δηλαδή να ταυτοποιηθούν οι υγρές και οι ξηρές περίοδοι της περιοχής μελέτης για την περίοδο 2000 – 2014. Η έκδοση του λογισμικού η οποία χρησιμοποιήθηκε (v7) δοκιμάστηκε νωρίτερα σε πολλές διαφορετικές περιπτώσεις σε όλη την γη και διαπιστώθηκε ότι αποδίδει με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια τον υετό σε σύγκριση με την προηγούμενη έκδοση.
Μεθοδολογία
Οι αναλύσεις διεξήχθησαν σε μια σειρά από ομογενείς υποπεριοχές οι οποίες καθορίστηκαν σύμφωνα με την χρονική διαφοροποίηση της εξατμισοδιαπνοής στην Rondonia μέσω ανάλυσης cluster και με την χρήση της μεθόδου Silhouette Index προσαρμοσμένη στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της περιοχής του Αμαζονίου. Στην συνέχεια εκτελέστηκαν συγκριτικές αναλύσεις των ξηρών και των υγρών περιόδων για ολόκληρη την περιοχή και για κάθε υποπεριοχή ξεχωριστά. Ακόμα επιλέχθηκαν τυχαία μικρότερες περιοχές (πολύγωνα 500 τ.μ.) μέσα στις υποπεριοχές έτσι ώστε να αποφευχθούν στατιστικά λάθη. Για την διαδικασία της ανάλυσης χρησιμοποιήθηκε επίσης το μοντέλο LRM για τον προσδιορισμό της σχέσης του τύπου του εδάφους και της μηνιαίας μέσης τιμής της εξατμισοδιαπνοής. Τέτοια στατιστικά μοντέλα όπως αυτό συμπεραίνουν ότι η πληροφορία είναι ανεξάρτητη και σωστά κατανεμημένη.
Αποτελέσματα
Περιοχική ανάλυση του υετού και της εξατμισοδιαπνοής
Για να αναλυθούν σε μηνιαία βάση οι διαφοροποιήσεις στον υετό και την εξατμισοδιαπνοή, προσδιορίστηκαν οι μέσες τιμές για όλη την πολιτεία της Rondonia για την χρονική περίοδο 2000 – 2014 (Εικόνα 3). Ο μέσος μηνιαίος υετός παρουσίασε μεγάλη εποχικότητα. Από τον Νοέμβριο μέχρι τον Μάρτιο (υγρή περίοδος) κυμάνθηκε από 200 μέχρι 307 (Ιανουάριος) χιλιοστά, ενώ από τον Μάιο μέχρι τον Σεπτέμβριο (ξηρή περίοδος) από 19 (Ιούλιος) μέχρι 100 χιλιοστά. Η εποχική διαφοροποίηση της εξατμισοδιαπνοής παρουσίασε μικρότερες διακυμάνσεις σε σύγκριση με τον υετό. Οι μήνες με την χαμηλότερη και την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή ήταν με την σειρά, ο Αύγουστος (92 mm) και ο Ιανουάριος (124 mm). Για την κατανόηση της χωρικής μεταβλητότητας της διαδικασίας της εξατμισοδιαπνοής σε συνδυασμό με τον υετό στην περιοχή ενδιαφέροντος, τα μηνιαία δεδομένα επανακατηγοριοποιήθηκαν εποχικά, όπως δείχνει και η Εικόνα 4, σε υγρά και ξηρά τεταρτημόρια.
Αποτελέσματα αλλαγής χρήσεων και καλύψεων γης στην εξατμισοδιαπνοή
Σύμφωνα με την ανάλυση που προηγήθηκε, τρεις ομογενείς υποπεριοχές θεωρήθηκαν επαρκείς για την εκπροσώπηση της εξατμισοδιαπνοής στην περιοχή μελέτης (Εικόνα 5, Εικόνα 5β). Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται ορισμένα περιγραφικά στατιστικά για τις υγρές και τις ξηρές περιόδους καθώς επίσης και το ποσοστό της αύξησης των τιμών της ξηρής περιόδου σε σύγκριση με αυτών της υγρής για διαφορετικούς τύπους εδαφών. Για την ποσοτικοποίηση του αποτυπώματος της αλλαγής από δάσος (F) σε αποψιλωμένη έκταση (D), όσον αφορά την εξατμισοδιαπνοή, υπολογίστηκε η συχνότητα της κατανομής για τους δύο διαφορετικούς τύπους κάλυψης γης (Εικόνα 6α, Εικόνα 6β). Τα αποτελέσματα ενισχύουν αυτά προηγούμενων μελετών οι οποίες έκαναν χρήση της μεθόδου συνδιασποράς στροβίλου όπου η μείωση της εξατμισοδιαπνοής παρατηρούταν όταν η φυσική βλάστηση άλλαζε σε ανθρωπογενή κάλυψη γης.
Μοντέλο ταυτοποίησης αποψιλωμένων περιοχών με χρήση δεδομένων εξατμισοδιαπνοής
Στον Πίνακα 2 παρουσιάζονται οι συντελεστές και η στατιστικές υπολογισμού του μοντέλου παλινδρόμησης. Η αρνητική σχέση μεταξύ των τιμών της εξατμισοδιαπνοής την ξηρή περίοδο και των πιθανοτήτων μίας επιφάνειας να αποψιλωθεί, είναι συναφείς, διότι ο μηχανισμός διατήρησης της υποβαθμισμένης βλάστησης κατά αυτήν την περίοδο, μειώνει την διαδικασία της εξατμισοδιαπνοής, αυξάνοντας έτσι τις πιθανότητες το έδαφος να έρθει σε κατάσταση πλήρης απογύμνωσης. Αυτό συμβαίνει γιατί τα φυτά σε τέτοιες περιοχές διαθέτουν πολύ κοντές ρίζες με αποτέλεσμα να δυσκολεύει η απομάκρυνση της υγρασίας από το έδαφος, σε αντίθεση με περιοχές οι οποίες καλύπτονται πλήρως από βλάστηση με βαθιές ρίζες. Τέλος η μελέτη καταλήγει σε έναν χωρικό χάρτη πιθανοτήτων ο οποίος παίρνει τιμές από 0 έως 1 (Εικόνα 7). Όσο πιο κοντά στο 1 είναι οι τιμές τόσο μεγαλύτερη θα είναι η πιθανότητα να βρεθεί εκεί αποψιλωμένη έκταση. Το όριο της ύπαρξης αποψιλωμένων εκτάσεων ή όχι είναι το 0,5.
Συμπεράσματα
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σε γενικές γραμμές τα δεδομένα από το προϊόν MOD16A2 μπορούν να παρέχουν μία ικανοποιητική αναπαράσταση των αλλαγών στην εξατμισοδιαπνοή μίας μεγάλης περιοχής του Αμαζονίου. Ωστόσο ο υπολογισμός της μέσω της τηλεπισκόπησης παραμένει ακόμα μεγάλη πρόκληση εξαιτίας της αβεβαιότητας των δεδομένων εισαγωγής και παραγόντων κλιμάκωσης. Παρ΄ όλα αυτά, αυτή η προσέγγιση αναδεικνύει την δυνατότητα της εκτίμησης των αλλαγών στην διαδικασία της εξατμισοδιαπνοής, οι οποίες οφείλονται στις αλλαγές των χρήσεων και καλύψεων γης και στον κλιματικό χαρακτηρισμό μίας περιοχής, κάνοντας έτσι δυνατή την αναγνώριση της εποχικότητας σε τοπικό επίπεδο με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν επίσης ότι η αποψίλωση των δασών προξενεί μία σημαντική μείωση στην εξατμισοδιαπνοή τις ξηρές περιόδους και παράλληλα μία πολύ μικρότερη αύξηση, τις υγρές. Με την χρήση της κλασματικής ανάλυσης έγινε σαφές ότι αυτές οι διαφορές μπορούν να ποικίλουν σε σημαντικό βαθμό από περιοχή σε περιοχή, το οποίο γεγονός καταδεικνύει την υψηλή χωρική μεταβλητότητα της διαδικασίας της εξατμισοδιαπνοής στην περιοχή μελέτης. Μολαταύτα η αποψίλωση των δασών του Αμαζονίου δεν μπορεί από μόνη της να εξηγήσει όλες τις πρόσφατες αλλαγές στην ισορροπία του νερού στην ευρύτερη περιοχή, καθώς υπάρχουν ακόμα και άλλες ανθρωπογενείς δραστηριότητες οι οποίες σχετίζονται άμεσα με την επιρροή της εξατμισοδιαπνοής, όπως η άρδευση και η κατασκευή φραγμάτων. Με άλλα λόγια, ο χρόνος απόκρισης που αφορά την κλίμακα της αλλαγής, εξαρτάται από την υπό μελέτη κλίμακα. Για τον λόγο αυτό, τα αποτελέσματα της ροής της ενέργειας και/ή των διαδικασιών ισορροπίας του νερού τα οποία λαμβάνονται από μικρές σε έκταση περιοχές, μπορεί να διαφέρουν από αυτά μεγαλύτερων περιοχών, πράγμα το οποίο αποδεικνύει την ανάγκη να αναλύονται οι αποκρίσεις σε διαφορετικές κλίμακες.
