Η τηλεπισκόπηση αυξάνει τη δειγματοληψίας της παγκόσμιας σχέσης ζεύξης και δύναμης αυτής μεταξύ εδαφικής υγρασία και θερμοκρασίας αέρος

Από RemoteSensing Wiki

Η τηλεπισκόπηση στο κανάλι L αυξάνει τη δειγματοληψίας της παγκόσμιας σχέσης ζεύξης και δύναμης αυτής μεταξύ εδαφικής υγρασία και θερμοκρασίας αέρος.

Πρότυπος τίτλος: L-band remote-sensing increases sampled levels of global soil moisture-air temperature coupling strength

Συγγραφείς: Jianzhi Dong, Wade T. Crow

Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425718304784

Περίληψη:

Προκειμένου να εξετασθεί η δύναμη της σχέσης εδαφικής υγρασία και θερμοκρασίας αέρος, πρέπει πρώτα να τονιστεί πως η εκτίμηση της εδαφική υγρασίας μέσω της τηλεπισκόπησης δεν έχει πάντα τα καλύτερα αποτελέσματα. Παλαιότερα, η εδαφική υγρασία αντικαθίσταται από τα χιλιοστά βροχόπτωσης. Σήμερα, η χρησιμότητα και η ποιότητα των δεδομένων του L-band, δηλαδή μικροκυμάτων και ραδιομετρίας δεν έχει ακόμη καθοριστεί. Η μελέτη αυτή συγκρίνει παγκοσμίως τις συσχετίσεις της μηνιαίας εδαφικής υγρασίας με το μηνιαίο αριθμό ζεστών καλοκαιρινών ημερών (number of summertime hot days (NHD)) για τρεις διαφορετικές τηλεπισκοπικές μετρήσεις υγρασίας και μια τέταρτη προσέγγιση μέσω του δείκτη πρόβλεψης (standard precipitation index (SPI)). Οι μετρήσεις με SPI φαίνεται να είναι καλύτερες από εκείνες από τα κανάλια C- και X-band. Τη χρονική περίοδο 2015-2018 με υψηλότερη ανάλυση στο L-band μέσω της χρήσης του μοντέλου SMAP (Soil Moisture Active and Passive) η συσχέτιση εδαφική υγρασία- SPI βελτιώνεται πάρα πολύ σε σχέση με αυτά που έδινε το SPI. Σε συνδυασμό με την ισοδυναμία των ανωμαλιών της εδαφικής υγρασίας στην επιφάνεια και στο ριζόστρωμα, τα αποτελέσματα δείχνουν πως ο λόγος σήμα προς θόρυβος (signal-to-noise ratio SNR) από δεδομένα τηλεπισκόπησης, αντικαθιστούν τις κατακόρυφες μετρήσεις στο έδαφος, αποτελούν τη λύση στους περιορισμούς της σχέσης έδαφος και ατμόσφαιρα. Σύμφωνα με αυτό παρακάτω αναλύεται πως τα δεδομένα του L-band δίνουν ένα ικανοποιητικό SNR ώστε να αναπτυχθεί η επιθυμητή σύζευξη εδάφους-ατμόσφαιρας.

Εισαγωγή:

Η δόμηση της σχέσης εδαφικής υγρασίας με τον ατμοσφαιρικό αέρα αντιμετωπίζει πολλά προβλήματα και υφίσταται ποικίλους περιορισμούς. Μερικές φορές, κατά τη διάρκεια της μελέτης, η εδαφική υγρασία μπορεί να αντικαταστήσει της εξατμισοδιαπνοή, άλλες φορές οι μετρήσεις της εδαφικής υγρασίας να είναι κακές ακόμη και στο πεδίο αλλά και από την τηλεπισκόπηση. Έτσι, προκειμένου να εξαλειφθούν και να μειωθούν οι περιορισμοί αυτοί βρέθηκε πως κατά τη μελέτης της εδαφικής υγρασίας τις ημέρες με τη μέγιστη θερμοκρασία του καλοκαιριού εισάγεται ο δείκτης SPI, ως μια μεταβλητή εδαφικής υγρασίας. Για τα ευρωπαϊκά δεδομένα οι ζεστές ημέρες μελέτης έχουν αρνητική συσχέτιση με τον δείκτη SPI, όμως σε παγκόσμιο επίπεδο το έλλειμα εδαφικής υγρασίας το καλοκαίρι έδωσε μια πολύ καλή συσχέτιση με τις ζεστές ημέρες NHD. Για να αποδοθεί η σχέση εδαφικής υγρασίας και θερμοκρασίας αέρος απαιτούνταν δεδομένα παρατήρησης της εδαφικής υγρασίας και χρήση τηλεπισκόπησης που δόθηκαν από την Ευρωπαϊκό Διαστημικό Οργανισμό (European Space Agency, ESA CCI) για τα έτη 1979-2010. Δυστυχώς, τα δεδομένα αυτά έδωσαν ακόμη χειρότερη συσχέτιση της εδαφικής υγρασίας με το NHD από ότι με τον SPI. Πρέπει να τονισθεί πως η συσχέτιση των δορυφορικών δεδομένων με το NHD πιθανότατα να οφείλεται στο λόγο SNR και όχι στο μικρό βάθος ανάκτησης δορυφορικών δεδομένων. Επίσης, στις πρώτες προσπάθειες συσχέτισης τα σφάλματα ήταν πολυπληθέστερα καθώς οι δορυφόροι δεν ήταν εξειδικευμένοι στην εύρεση της εδαφικής υγρασίας. Τα νέα δεδομένα της εδαφικής υγρασίας έχουν πολύ πιο βελτιωμένο το λόγο SNR και τα χαρακτηριστικά του. Τα προιόντα ραδιομετρίας από το L-band μέσω δορυφορικών αποστολών φαίνεται να έχουν τα καλύτερα αποτελέσματα μέχρι σήμερα σχετικά τους λόγους SNR. Τα νέα ενισχυμένα στοιχεία του SNR θα βοηθήσουν να πραγματοποιηθούν μετρήσεις για την εύρεση τα σχέσης εδαφικής επιφάνειας με δεδομένα τηλεπισκόπησης που αφορούν την εδαφική υγρασία.

Υλικά και μέθοδοι:

Για την εξέταση των δεδομένων εδαφικής υγρασίας μελετήθηκαν βάσεις δεδομένων από τρία διαφορετικά δορυφορικά συστήματα τηλεπισκόπησης και επιλεγμένα δεδομένα σχετικά με το SPI και τις μεταβλητές του. Ο δείκτης SPI υπολογίστηκε για 4 διαφορετικές χρονικές κλίμακες (1, 3, 6 και 9 μήνες). Η δυνατότητα σύζευξης μεταξύ εδαφικής υγρασία και θερμοκρασίας αέρος παρουσιάζεται από το συντελεστή συσχέτισης Pearson, που είχε ληφθεί για 1 μήνα, μεταξύ εδαφικής υγρασίας και NHD. Για την εύρεση του NHD τυπικά εφαρμόστηκε η ανίχνευση μόνο για το μήνα με τις πιο ζεστές ημέρες (Ιούνιος). Για να μειωθούν τα σφάλματα τελικά αποφασίστηκε να μελετηθεί ο NHD για τους μήνες Ιούνιο-Αύγουστο για το Βόρειο ημισφαίριο και Δεκέμβριο-Φεβρουάριο για το Νότιο Ημισφαίριο. To CCI απέκτησε τις παρατηρήσεις του L-band μετά το 2010 κάνοντας τη μελέτη και απομόνωση των στοιχείων πιο δύσκολη. Για αυτό αποκτήθηκαν παθητικά τα δεδομένα από τα C- και X-band για τα έτη 2002-2010. Για τη περίοδο αυτή χρησιμοποιήθηκαν και άλλα παθητικά μοντέλα και διάφοροι αισθητήρες αλλά και δορυφορικά όργανα. Βέβαια, το πρώτο είχε καλύτερα αποτελέσματα και πιο ποιοτικά δεδομένα. Μόνο κατά τη θερινή περίοδο θεωρήθηκαν τα αποτελέσματα πως δεν χρειάζονται κάποια ανάλυση ή ενίσχυση. Τα δεδομένα υγρασίας από το ASCAT ήταν διαθέσιμα από το 2007 και μετά. Η συλλογή των δεδομένων από τότε και το εξής αυξήθηκε ιδιαίτερα για αυτό και συνδυάστηκε με το CCI-passive για να βγουν τα αποτελέσματα της μελέτης.

Εδαφική υγρασία-ζεστές μέρες, συσχέτιση και σφάλματα: Υποθέτοντας ότι και οι δύο ανακτήσεις υγρασίας εδάφους RS (και τιμές SPI proxy) γίνεται να εκφραστούν ως γραμμική συνάρτηση του πραγματικού σήματος, τα χείριστα προϊόντα υγρασίας του εδάφους (x, λαμβάνεται ως υγρασία εδάφους RS ή SPI) μπορούν να εκφραστούν με την εξίσωση που παρουσιάζεται παρακάτω (Stoffelen, 1998).

θ η εδαφική υγρασία, εθ το τυχαίο σφαλμα εδαφικής υγρασία και s 0 συντελεστης κλιμάκωσης.

Με την ίδια λογική υπολογίζονται και ο αριθμός των ζεστών ημερών: Όπου y η θερμοκρασία του αέρα, Ν οι ζεστές ημέρες, εΝ το σφάλμα του Ν και ρ ο συντελεστης κλιμάκωσης. Τελικά, η συσχέτιση φαίνεται από την σχέση:

Όπου το μέσο RθΝ είναι η δειγματοληπτική συσχέτιση με την υγρασία του εδάφους με βάση τις παρατηρήσεις, RθΝ είναι η πραγματική συσχέτιση της υγρασίας με τις ζεστλες ημέρες και τα SNRθ και SNRN είναι ο λόγος σημάτος προς θόρυβο της υγρασίας και αντίστοιχα για τις ζεστές ημέρες.

Αποτελέσματα:

Συνολικός μηνιαίος αριθμός θερμών ημερών (NHD) κατά τη διάρκεια της θερινής εποχής υπολογίζεται για τρεις διαφορετικές ιστορικές περιόδους, που αντιστοιχούν στη χρονική διαθεσιμότητα των διαφόρων προϊόντων RS. Η μέση κατανομή NHD για αυτές τις χρονικές περιόδους 2002-2010, 2010-2018 και 2015-2018 παρουσιάζονται στο σχήμα 1. Η τάση για αύξηση του αριθμού των ζεστών ημερών στο χρόνο αντανακλά την επίδραση της κλιματικής υπερθέρμανσης (ΣΧΗΜΑ 1). Το σχήμα 2 απεικονίζει τα παγκόσμια πρότυπα συσχέτισης της υγρασίας εδάφους-ΝΗD με βάση το SPI και οι τιμές υπολογίζονται χρησιμοποιώντας διάφορες χρονικές κλίμακες. Οι μηνιαίες τιμές SPI και NHD που συλλέχθηκαν από το 1979 έως το 2018 χρησιμοποιούνται σε αυτή τη σύγκριση ( ΣΧΗΜΑ 2). Το σχήμα 3 δείχνει τα αποτελέσματα χρονολογικών σειρών για τα επεξηγηματικά κύτταρα πλέγματος που επιλέχθηκαν από δύο περιοχές θερμών σημείων (τις μεγάλες πεδιάδες των ΗΠΑ και την Ευρώπη). Στις Η.Π.Α (Σχήμα 3α), το 1μηνιαίο προϊόν του CCI-Pas για το 2002-2010 δεν μπορεί να εξηγήσει φυσικά τα αντίστοιχα άκρα της θερμότητας και το προϊόν CCI-Pas συνήθως παρουσιάζει υγρές ανωμαλίες όταν είναι NHD (3α). Αντίστοιχα αποτελέσματα παρουσιάζονται και για την περιοχή της Ευρώπης. Το Σχήμα 4 δείχνει τις συνολικές εικόνες των συσχετίσεων RS-NHD (άνω σειρά) και για τα τρία προϊόντα υγρασίας εδάφους RS (δηλ. 2002-2010 CCI-Pas, 2010-2018 SMOS και 2015-2018 SMAP). Οι χωρικές κατανομές των RS- και SPI-NHD συσχετίσεων παρουσιάζονται στο σχήμα 5 και οι περιφερειακά στατιστικά στοιχεία σχετικά με τις περιοχές θερμών σημείων συνοψίζονται στο σχήμα 6.

Συμπεράσματα:

Προβλέψεις υγρασίας του εδάφους που προέρχονται είτε από μοντελοποίηση off-line ή προϊόντα πραγματικού χρόνου προέρχονται από τη θερμοκρασία του επιφανειακού αέρα. Επομένως, για να αποφευχθεί τυχόν σφάλμα αλληλοσυσχέτισης, στις μελέτες συσχέτισης εδαφικής υγρασίας –θερμοκρασίας αέρος χρησιμοποιείται συνήθως η απλή εκτίμηση (πειραματικά) της εδαφικής υγρασίας. Οι εκτιμήσεις με τηλεπισκόπηση (RS) της επιφανειακής υγρασίας του εδάφους παρέχουν μια άλλη πιθανή επιφάνεια γης πληροφορίες για τις μελέτες αυτές. Ωστόσο, οι εργασίες στο παρελθόν έχουν θέσει υπό αμφισβήτηση την χρήση της τηλεπισκόπησης για την επιτυχή συσχέτιση των παραπάνω. Στη μελέτη αυτή συσχετίζεται η υγρασία εδάφους- με τον NHD μεταξύ τριών ειδών δεδομένων τηλεπισκόπησης RS με προϊόντα εδαφικής υγρασίας (δηλαδή πριν από το 2010 CCI-Pas, 2010-2018 SMOS και 2015-2018 SMAP) και η μέτρηση SPI συγκρίνεται προκειμένου να διευκρινιστεί ο δυνητικός ρόλος της επιφανειακής εδαφικής υγρασίας στα RS προϊόντα για την ποσοτικοποίηση της δυνατότητας συσχέτισης της επιφάνειας της γης με την ατμόσφαιρα. Τελικά, από τη μελέτη συμπεραίνεται πως τα προϊόντα από το L-band που εφαρμόζεται μετά το 2010, βοηθούν στην επιλογή σωστών μεγεθών για τη βελτιστοποίηση της συσχέτισης. Η καλύτερη μορφή είναι ο συνδυασμός κατακρημνισμάτων με εδαφική υγρασία μέσω τηλεπισκόπησης συγχωνευμένη μέσω δεδομένων προσομοίωσης.