Χαρτογράφηση της σκόνης από τη Σαχάρα στην ατμόσφαιρα με τη χρήση δορυφορικών εικόνων και αριθμητικών μοντέλων πρόγνωσης

Από RemoteSensing Wiki

Περίληψη

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 πέραν του περιορισμού της ορατότητας στην ατμόσφαιρα και την επιρροή των καιρικών φαινομένων δημιουργεί επίσης 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.

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.

Εισαγωγή

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. 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.

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.

Υλικά και Μέθοδοι

Τα βήματα που απαιτούνται προκειμένου να γίνει επεξεργασία των εικόνων NOAA-AVHRR για την παραγωγή και δημιουργία χαρτών σκόνης είναι τα εξής:

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. Για τον λόγο αυτό τα κανάλια 1 και 2 μετασχηματίζονται σε τιμές ακτινοβολίας και τα κανάλια 3, 4 και 5 βαθμονομούνται χρησιμοποιώντας την εν πτήσει βαθμονόμηση. Η βαθμονομημένη εικόνα εισάγεται σε ένα μοντέλο επεξεργασίας εικόνας, το οποίο ανιχνεύει τις επιφάνειες νεφών και εδάφους με τη χρήση κριτηρίων.

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 παράγεται 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.

Ομάδα Ατμοσφαιρικών Μοντέλων και Πρόγνωσης Καιρού – Σύστημα SKIRON

Το Σύστημα πρόγνωσης καιρού SKIRON αναπτύχθηκε για να εφαρμοσθεί επιχειρησιακά στην Ελληνική Μετεωρολογική Υπηρεσία. Για την εφαρμογή του συστήματος χρειάζεται περιβάλλον Unix/Linux και μετεωρολογικά δεδομένα εισαγωγής. 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.

Αποτελέσματα

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.

Σχήμα 1: Αποτελέσματα φορτίων σκόνης από AVHRR και SKIRON ημερομηνίας 19/04/97

Σχήμα 2: Αποτελέσματα φορτίων σκόνης από AVHRR και SKIRON ημερομηνίας 20/04/97

Επίσης στα Σχήματα 3α και 3β καθώς και 4α και 4β μπορεί κανείς να δει ότι τα δύο μοντέλα παρήγαγαν παρόμοια αποτελέσματα. Ενα 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 σε λανθασμένα συμπεράσματα. Ένα άλλο ιδιαίτερο πρόβλημα είναι η νεφοκάλυψη.

Σχήμα 3: Αποτελέσματα φορτίων σκόνης από AVHRR και SKIRON ημερομηνίας 21/04/97

Σχήμα 4: Αποτελέσματα φορτίων σκόνης από AVHRR και SKIRON ημερομηνίας 22/04/97

Αποτελέσματα από τη χρήση του κώδικα 6S και σύγκριση με AERONET

Ο κώδικας 6S (Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum) (Vermote et al., 1997) που αποτελεί μία αναβάθμιση του 5S χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Η σύγκριση που έγινε έδειξε ότι το 6s δίνει καλύτερα αποτελέσματα για τη μελέτη αεροζόλ με τον δέκτη AVHRR, ενώ τονίστηκε ιδιαίτερα και η ευελιξία που παρουσιάζει σε σχέση με τον κώδικα Dave.

Η επιβεβαίωση των τιμών της ατμοσφαιρικής οπτικής πυκνότητας AOD που προέκυψαν έγινε με τη χρήση δεδομένων από το AERONET. Το σύστημα AERONET είναι μια φιλόδοξη προσπάθεια της NASA να επιβεβαιώσει και να βαθμονομήσει αποτελέσματα και δέκτες που επικεντρώνονται στην μελέτη των αεροζόλ στην ατμόσφαιρα. Αποτελείται ουσιαστικά από φωτόμετρα (CIMEL Electronique 318A) τα οποία μετρούν το σημειακό AOD ακριβώς στο ζενίθ της κάθε τοποθεσίας καθώς και τη συγκέντρωση υδρατμών. Τα μήκη κύματος στα οποία γίνονται οι μετρήσεις είναι στα 440, 670, 870 και 1020 nm, φανερά πολύ κοντά στα κεντρικά μήκη κύματος των ανακλώμενων καναλιών του AVHRR. Οι τοποθεσίες στις οποίες εγκαθίστανται τα φωτόμετρα (βλέπε Σχήμα 5) είναι προσεκτικά επιλεγμένες ώστε να παρουσιάζουν όσο το δυνατόν μεγαλύτερη γεωγραφική εξάπλωση αλλά και να δίνουν δεδομένα από ευαίσθητα ή μεγάλης σημασίας σημεία.

Σχήμα 5: Σταθμοί Aeronet ανα την υφήλιο (μόνιμοι, εποχιακοί και προσωρινοί)

Ορισμένοι από τους σταθμούς λήψης δεδομένων είναι μόνιμοι ενώ άλλοι λειτουργούν εποχιακά ή προσωρινά. Η χρήση του AERONET για την επιβεβαίωση αποτελεσμάτων που προέκυψαν με τη μέθοδο που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία έχει γίνει και στο παρελθόν. Οι μελέτες έδειξαν ότι υπάρχει συμφωνία στη διακύμανση του AOD αλλά με την ύπαρξη ενός αρκετά υψηλού offset για τον ΝΟΑΑ-16 όπως φαίνεται στο Σχήμα 6

Σχήμα 6: Σύγκριση τιμών AOD από AVHRR (NOAA-16) και Aeronet

Επίσης επιλέχτηκε ένα σετ 10 εικόνων των δεκτών ΝΟΑΑ-16 και ΝΟΑΑ-17 της περιόδου 15-30 Ιουνίου 2003. Τα αποτελέσματα ήταν πολύ ικανοποιητικά αφού έδειξαν μία συμφωνία τιμών μεταξύ AVHRR και AERONET με μέση απόκλιση 0.02 για το 1ο και 0.016 για το 2ο κανάλι, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7.

Σχήμα 7: Σύγκριση αποτελεσμάτων AOD από εικόνες AVHRR (NOAA-16) και Aeronet

Η απόκλιση θα μπορούσε να μειωθεί αλλάζοντας την τιμή της ανακλαστικότητας της θάλασσας που εισήχθη νωρίτερα στο 6S. Μεταβολή της ανακλαστικότητας κατά 0.01 μπορεί να μεταβάλλει το εξαγόμενο από τη διαδικασία AOD κατά ±0.1 (Hauser, 2004). Κάτι τέτοιο όμως θα αποτελούσε ουσιαστικά παραποίηση των δεδομένων εισόδου προς χάριν των αποτελεσμάτων και έτσι δεν ακολουθήθηκε.

Πηγή: Χατζόπουλος Ι., Χωριατέλλης Χ., Καντζάς Π. Χαρτογράφηση της σκόνης από τη Σαχάρα στην ατμόσφαιρα με τη χρήση δορυφορικών εικόνων και αριθμητικών μοντέλων πρόγνωσης