Assessment of total evaporation rates and its surface distribution by tridimensional modelling and remote sensing.
Από RemoteSensing Wiki
ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΩΝ ΣΥΝΟΛΙΚΩΝ ΡΥΘΜΩΝ ΕΞΑΤΜΙΣΗΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΚΑΤΑ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΙΤΛΟΣ: Assessment of total evaporation rates and its surface distribution by tridimensional modelling and remote sensing. ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ: Sofia M.G. Rocha a, Ernesto Molinas b, Italo S. Rodrigues c, Iran E. Lima Netoa,* ΠΗΓΗ: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.116846 1.Εισαγωγή Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης παρέχουν πληροφορίες για τη χωρική κατανομή της εξάτμισης, αλλά ενδέχεται να μην είναι διαθέσιμες για συνεχή περίοδο λόγω της παρεμβολής της νεφοκάλυψης σε μακροπρόθεσμη. Ωστόσο, από ό,τι γνωρίζουν οι συγγραφείς, μόνο δισδιάστατα κατακόρυφα (2DV) μοντέλα έχουν χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση των συνολικών ρυθμών εξάτμισης στις λίμνες, τα οποία δεν παρέχουν πληροφορίες για τις μεταβλητές της επιφάνειας του νερού (Lee et al., 2018; Mesquita et al. , 2020, 2022). Η παρούσα μελέτη στοχεύει να αξιολογήσει τους συνολικούς ρυθμούς εξάτμισης και τη χωρική κατανομή τους στην επιφάνεια του νερού μιας ημίξηρης δεξαμενής στη Βραζιλία εφαρμόζοντας καινοτόμα τρισδιάστατη αριθμητική μοντελοποίηση με το Delft3D (Deltares, 2020). Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται επίσης για σκοπούς σύγκρισης. Επιπλέον, ο αντίκτυπος των μετεωρολογικών μεταβλητών σχετικά με τη δεξαμενή, η εξάτμιση αξιολογήθηκε επίσης λόγω μακροπρόθεσμης σχέσης μεταξύ αυτών των παραμέτρων λείπει ακόμη στη βιβλιογραφία. 2. Μέθοδοι Το διάγραμμα ροής για τη μεθοδολογία αυτής της μελέτης δίνεται στο Σχ. S1 του συμπληρωματικού υλικού. Εδώ, αξιολογήθηκε η απόδοση του μοντέλου Delft3D-FLOW για την εκτίμηση της εξάτμισης και η χωρική μεταβλητότητά του. Επιπλέον, αναλύσαμε πώς οι κλιματολογικές παράμετροι μπορεί να επηρεάσουν την απόδοση νερού της δεξαμενής Pentecoste, όπως περιγράφεται παρακάτω. 2.1. Περιοχή μελέτης Η περιοχή μελέτης είναι η δεξαμενή Pentecoste (−39,3 ◦W − 3,8 ◦S, υψόμετρο φράγματος: 62 m), που βρίσκεται στη βορειοανατολική περιοχή της Βραζιλίας σε ένα ημίξηρο κλίμα (de Araújo and Piedra, 2009; Hastenrath , 2012). Το Pentecoste είναι μια δεξαμενή πολλαπλών χρήσεων που βρίσκεται περίπου 80 χλμ δυτικά της πρωτεύουσας της πολιτείας Ceara, Fortaleza. Αυτή η δεξαμενή έχει μέγιστη χωρητικότητα 360 hm3, επιφάνεια 46,64 km2, μέγιστο βάθος 19,8 m, μέσο βάθος 6,5 m και λεκάνη απορροής 3090 km2. Η λεκάνη απορροής της λίμνης και τα περιβάλλοντα χαρακτηριστικά της δίνονται από το Σχ. 1. Το μεγαλύτερο μέρος της περιοχής δεν καλύπτεται από συστήματα αποχέτευσης (SNIS, 2020), επομένως τα ποτάμια και οι λίμνες λαμβάνουν αυτή την ακατέργαστη εισροή. Αναπτύσσονται διαφορετικές μελέτες για την κατανόηση των χαρακτηριστικών εισόδου των ταμιευτήρων στην κατάσταση Ceara, μαζί με μοντελοποίηση της ποιότητας του νερού με βάση πληροφορίες μέτρησης και υδροδυναμικής, όπως ο χρόνος παραμονής (Lima Neto et al., 2022, Rocha and Lima Neto, 2021 , 2022α,β). 2.3. Μοντέλα για την εκτίμηση της εξάτμισης Το Delft3D-FLOW (Deltares, 2020) είναι ένα υδροδυναμικό μοντέλο που μπορεί να προσομοιώσει δισδιάστατα και τρισδιάστατα φαινόμενα ασταθούς ροής ή μεταφοράς. Στην οποία Tm = T + 0,006 h, h είναι το υψόμετρο (m), A είναι το γεωγραφικό πλάτος σε μοίρες και K1, K2, K3 και K4 είναι παράμετροι που βαθμονομούνται από το Linacre (1977), οι τιμές τους είναι 700, 100, 15 και 80, αντίστοιχα. Τα δεδομένα υψομέτρου ελήφθησαν χρησιμοποιώντας την αποστολή τοπογραφίας ραντάρ Shuttle (SRTM). Προκειμένου να εφαρμοστεί το μοντέλο εξάτμισης, οι υπολογισμοί της θερμοκρασίας του αέρα χωρίστηκαν σε δύο στάδια, i) στον υπολογισμό της θερμοκρασίας επιφάνειας (Avdan and Jovanovska, 2016· Malaret et al., 1985) και αργότερα της ii) της θερμοκρασίας του αέρα (Dugdale et al., 2017). Ο αλγόριθμος των Malaret et al. (1985) χρησιμοποιήθηκε για το Landsat 5, ενώ αυτό που αναπτύχθηκε από τους Avdan και Jovanovska (2016) ήταν Χρησιμοποιήθηκε για το Landsat 8. Και οι δύο αλγόριθμοι εκτιμούν τη θερμοκρασία της επιφάνειας, αλλά ο Linacre (1977) απαιτεί τη θερμοκρασία του αέρα ως ένα από τα δεδομένα εισόδου. 2.4. Διαμόρφωση μοντέλου Delft3D και αξιολόγηση ακρίβειας Η περίοδος προσομοίωσης ορίστηκε με βάση τη διαθεσιμότητα μέτρησης πεδίου, τη φάση θέρμανσης και τον χρόνο που απαιτείται για κάθε εκτέλεση. Ξεκίνησε τον Ιανουάριο του 2011, που είναι ενάμιση χρόνο πριν από την πρώτη εκστρατεία και ολοκληρώθηκε τον Ιούλιο του 2013. Στη συνέχεια, το δισδιάστατο πλέγμα της δεξαμενής δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας ένα καμπυλόγραμμο πλέγμα (Εικ. S2 συμπληρωματικού υλικού), με αποτέλεσμα 184 πόντους στο M κατεύθυνση και 120 πόντους στη Β κατεύθυνση με ομοιόμορφη διαμόρφωση. Χρησιμοποιήθηκαν πολλαπλές μέθοδοι καλής προσαρμογής για τη σύγκριση δεδομένων μοντελοποίησης και μέτρησης: μέσο τετραγωνικό σφάλμα ρίζας (RMSE), μέσο τετραγωνικό σφάλμα (MAE), κανονικοποιημένο μέσο τετραγωνικό σφάλμα (NMAE) και συντελεστής προσδιορισμού (r2). Γνωρίζοντας ότι ο στόχος της μελέτης είναι η κατανόηση των διεργασιών της υδροδυναμικής και η σύγκριση των αποτελεσμάτων της εξάτμισης για την περίοδο προσομοίωσης, μαζί με τις περιορισμένες ημέρες μετρήσεων των προφίλ θερμοκρασίας, χρησιμοποιήθηκαν όλα τα δεδομένα μέτρησης για βαθμονόμηση. Επιπλέον, οι ρυθμοί εξάτμισης που μοντελοποιήθηκαν από το Delft3D και το μοντέλο εξάτμισης του Linacre (1977) συγκρίθηκαν με σχετική απόκλιση, καθώς η αξιολόγηση γίνεται για τους μέσους ρυθμούς εξάτμισης σε κάθε μία από τις ημέρες που αναλύθηκαν. 2.5. Σύγκριση μοντέλων εξάτμισης
Το μοντέλο εξάτμισης του Linacre (1977) χρησιμοποιεί δορυφορικές εικόνες που λαμβάνονται στις 12:30 μ.μ., ενώ το Delft3D έχει έξοδο κάθε 2 ώρες. Επομένως, τα αριθμητικά αποτελέσματα προέκυψαν για τις 12:00 μ.μ. Για αυτήν τη μελέτη, τρεις ημέρες στην περίοδο προσομοίωσης ήταν διαθέσιμες για σύγκριση, λαμβάνοντας υπόψη ότι η παρεμβολή ήταν ελάχιστη: 7 Απριλίου 2011. 30 Μαΐου 2013; και 1 Ιουλίου 2013. Με βάση αυτό, έγινε η αξιολόγηση τόσο για τις μέσες απώλειες εξάτμισης όσο και για τη χωρική κατανομή των ρυθμών εξάτμισης για τις ημέρες εκείνες. Επιπλέον, για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των εκτιμήσεων εξάτμισης των Delft3D και Linacre (1977) εφαρμόστηκε ως αναφορά η Εξίσωση Penman-Monteith. Τα υδρομετεωρολογικά δεδομένα (θερμοκρασία, σχετική υγρασία, ακτινοβολία και ταχύτητα ανέμου) για την Εξίσωση (3) μετρήθηκαν στον μετεωρολογικό σταθμό Itapipoca. Στην εξίσωση (3), το Ed είναι ημερήσια εξάτμιση (mm/ημέρα), Rn η καθαρή ακτινοβολία προσπίπτει στην επιφάνεια του νερού (W/m2), γ είναι η ψυχρομετρική σταθερά (kPa/◦C) (τιμή αναφοράς: 0,054 kPa/◦C). Δ είναι ο ρυθμός μεταβολής της τάσης ατμών κορεσμού με τη θερμοκρασία (kPa/◦C), G0 η εσωτερική ροή θερμότητας του σώματος του νερού (W/m2), ρa είναι η πυκνότητα αέρα για μια δεδομένη πίεση αέρα (kg/m3). Το cp αντιπροσωπεύει την ειδική θερμότητα του αέρα (MJ/kg ◦C), es την πίεση κορεσμού των ατμών (kPa), ea είναι η πραγματική τάση ατμών (kPa). Το ra αντιπροσωπεύει την αντίσταση του αέρα (s/m), το rs είναι η αντίσταση επιφάνειας (s/m) και το λ αντιπροσωπεύει τον ογκομετρικό συντελεστή λανθάνουσας θερμότητας (2453 MJ/m3). Περισσότερες λεπτομέρειες για το πώς υπολογίζονται οι προαναφερθείσες παράμετροι βρίσκονται στο Monteith (1965).
3. Αποτελέσματα και συζήτηση 3.1. Αξιολόγηση ακρίβειας Το Σχ. 3 δείχνει τα αποτελέσματα για τη βαθμονόμηση της στάθμης του νερού. Είναι ενδιαφέρον ότι η στάθμη του νερού μειώνεται μόνο μετά τα γεγονότα βροχοπτώσεων του 2011, με μια διακριτή διατήρηση της στάθμης στις αρχές του 2012. Το γεγονός αυτό εξηγείται από την εκτεταμένη ξηρασία που ξεκίνησε το 2012 για αυτήν την περιοχή (Pontes Filho et al., 2020 ), επηρεάζοντας σημαντικά την εισροή του ταμιευτήρα. Κατά την ανάλυση της μετεωρολογικής χρονοσειράς για αυτήν την περίοδο (βλ. Εικ. 2) μαζί με τη στάθμη του νερού, είναι αξιοσημείωτο ότι, για το δεύτερο εξάμηνο του 2012 (ξηρή περίοδος), η περιοχή κατέγραψε υψηλότερες ταχύτητες ανέμου και χαμηλότερα επίπεδα νερού από ό,τι στο υγρή περίοδο, η οποία ευνοεί την ανάμειξη της στήλης νερού. Τυπικά προφίλ θερμοκρασίας για μοντελοποιημένα και μετρημένα δεδομένα λαμβάνοντας υπόψη στρωματοποιημένες και μικτές συνθήκες μπορούν να είναι που παρατηρούνται στο Σχ. S3 συμπληρωματικού υλικού, τα οποία είναι παρόμοια με τα μοτίβα που παρατηρήθηκαν από τους Carneiro et al. (2022), οι οποίοι συσχέτισαν επίσης τη σταθερή στρωματοποίηση με την κακή ποιότητα του νερού. Τα καλά αποτελέσματα της προσαρμογής δείχνουν ότι το μοντέλο αναπαράγει σωστά την υδροδυναμική συμπεριφορά της δεξαμενής Pentecoste, παρόμοια με τις προηγούμενες μελέτες των Dissanayake et al. (2019), Polli and Bleninger (2019), Zhang et al. (2020), Amorim et al. (2021), Piccioni et al. (2021) και Plec et al. (2021). 3.2. Μέσοι ρυθμοί εξάτμισης Οι μηνιαίοι μέσοι ρυθμοί εξάτμισης στην επιφάνεια της λίμνης (χρονοσειρά που δίνεται στο Σχ. S4 του συμπληρωματικού υλικού) δείχνει ένα εποχιακό μοτίβο με υψηλότερους ρυθμούς εξάτμισης που παρατηρούνται σταθερά στο ξηρό περίοδο, όπου σημειώνονται υψηλότερες ταχύτητες ανέμου και θερμοκρασίες αέρα (βλ. μετεωρολογικές συνθήκες στο Σχ. 2). Αυτή η έντονη εποχικότητα αναμένεται για ημίξηρες περιοχές, με παρόμοια μοτίβα που σημειώνονται από τον Alazard et al. (2015) σε μια τυνησιακή δεξαμενή και οι Benzaghta et al. (2012) σε μια λίμνη της Λιβύης, όπου τα εποχιακά μοτίβα στους ρυθμούς εξάτμισης είναι αξιοσημείωτα. Στο Σχ. 4 η συσχέτιση μεταξύ των ρυθμών εξάτμισης και του αέρα παρουσιάζονται η θερμοκρασία και η ταχύτητα του ανέμου. Με βάση τα κριτήρια αξιολόγησης για την κλίμακα πεδίου που προτείνονται από τους Moriasi et al. (2015) σε μηνιαία χρονική κλίμακα, και οι δύο συντελεστές συσχέτισης μεταξύ των ρυθμών εξάτμισης και της θερμοκρασίας του αέρα (r2 0,817) και της ταχύτητας του ανέμου (r2 0,849) ταξινομούνται ως πολύ καλοί. 3.3. Χωρική κατανομή των ρυθμών εξάτμισης
Το Σχ. 6 συγκρίνει τη χωρική κατανομή των αποτελεσμάτων εξάτμισης μεταξύ Delft3D και RS. Η χρονική εξέλιξη της επιφανειακής κατανομής των ρυθμών εξάτμισης από το Delft3D μπορεί να παρατηρηθεί στο Σχ. S6 του συμπληρωματικό υλικό. Αναλύοντας τα αποτελέσματα από το Delft3D και το RS στο Σχήμα 6, παρατηρείται παρόμοια κατανομή επιφάνειας εξάτμισης για την 7η Απριλίου 2011, που είναι η ημέρα με την υψηλότερη στάθμη νερού και τον μήνα με τις υψηλότερες βροχοπτώσεις συμβάν μεταξύ αυτών που παρατηρήθηκαν. Παρόλο που το σχέδιο της επιφάνειας είναι γενικά το ίδιο, τα αποτελέσματα από το Delt3D δείχνουν μόνο ελαφρώς υψηλότερες απώλειες από το RS. Με βάση το γεγονός ότι το RS εξαρτάται από τον αέρα και το νερό θερμοκρασίες, αυτό μπορεί να υποδηλώνει ότι, για την υγρή περίοδο, ο κύριος παράγοντας για την εξάτμιση είναι η θερμοκρασία του νερού. Το μοτίβο που παρατηρείται στους ρυθμούς εξάτμισης RS δείχνει υψηλότερη σταθερότητα για όλη την επιφάνεια της δεξαμενής τον Μάιο και τον Ιούλιο (Εικ. 6), η οποία μπορεί να συσχετιστεί με την απουσία βροχής εκείνη την περίοδο του έτους. Αυτό το σενάριο ευνοεί την ομοιογενή εξάτμιση του υδατικού συστήματος, σε συμφωνία με τους Rodrigues et al. (2021b). Ωστόσο, τα αποτελέσματα του Delft3D δείχνουν ότι η απουσία βροχής δεν εξηγεί μόνο την επιφανειακή κατανομή των ρυθμών εξάτμισης, παρόλο που είναι ένας πιθανός παράγοντας. Το Delft3D δεν λαμβάνει υπόψη τις επιπτώσεις της βροχόπτωσης απευθείας στο υδάτινο σώμα, επομένως οι αλλαγές στο μοτίβο εξάτμισης μπορεί να προκληθούν από την αυξημένη εισροή την υγρή περίοδο, σε συμφωνία με τον Elhakeem et al. (2015).
3.4. Αβεβαιότητες Αν και το μοντέλο εξάτμισης επέδειξε καλή ακρίβεια σε σχέση με τα δεδομένα αναφοράς, πολλές πηγές αβεβαιότητας ενδέχεται να υπάρχουν σε αυτήν την αξιολόγηση, συμπεριλαμβανομένων των απόσταση από την εξάτμιση αναφοράς, το χωρικό μοτίβο της εξάτμισης και τις προσεγγίσεις και παρεμβολές μετεωρολογικών δεδομένων και δεδομένων τηλεπισκόπησης (Timmermans et al., 2013). Αβεβαιότητες που αφορούν την παρεμβολή των μετεωρολογικών δεδομένων προκειμένου να εκπληρώσει τις ημέρες χωρίς μετρήσεις μπορεί επίσης να επηρεάσει την τελικές εκτιμήσεις της εξάτμισης χρησιμοποιώντας το Delft3D. Οι Regan et al. (2002) χωρίζει την αβεβαιότητα σε έξι κατηγορίες: εγγενής τυχαιότητα, σφάλμα μέτρησης, συστηματικό σφάλμα, φυσική παραλλαγή, αβεβαιότητα μοντέλου και υποκειμενική κρίση. Συνοπτικά, οι αβεβαιότητες είναι εγγενείς και στις δύο τιμές, στις εκτιμώμενες και στις μετρούμενες (στοιχεία αναφοράς). Σε σχέση με τις μετρήσεις, το ιδανικό θα ήταν η εγκατάσταση Δεξαμενών Τάξης Α εντός της δεξαμενής υπό τη μελέτη (Masoner et al., 2008), παράγοντας μια πιο ακριβή εκτίμηση της εξάτμισης. Ωστόσο, αυτή η μεθοδολογία είναι πιο ακριβή και απαιτεί υψηλότερο επίπεδο προσοχής από τον χειριστή, σε σύγκριση με την εγκατάσταση στο έδαφος. Lowe et al. (2009) αναφέρονται επίσης λεπτομερείς πηγές αβεβαιότητας σχετικά με τις εκτιμήσεις εξάτμισης σε δεξαμενές. 4. Συμπεράσματα Η κύρια συμβολή αυτής της μελέτης είναι η πρόταση ενός εργαλείου τρισδιάστατης μοντελοποίησης για την πρόβλεψη και την αξιολόγηση της χωρικής κατανομής των απωλειών εξάτμισης σε μια δεξαμενή πολλαπλών χρήσεων στην ημίξηρη περιοχή της Βραζιλίας. Ένα άλλο σημαντικό εύρημα αυτής της έρευνας είναι οι καμπύλες που αντιπροσωπεύουν τη συσχέτιση μεταξύ των ρυθμών εξάτμισης και της θερμοκρασίας του αέρα (r2 0,817) και ταχύτητα ανέμου (r2 0,849), τα οποία μπορούν να θεωρηθούν ως πρακτικά εργαλεία για την τοπική εταιρεία διαχείρισης νερού. Επίσης, τα αποτελέσματα RS έδειξαν υψηλότερη σταθερότητα στους ρυθμούς εξάτμισης κατά την ξηρή περίοδο, ενώ το Delft3D δεν αναπαρήγαγε την ίδια συμπεριφορά, υποδεικνύοντας ότι οι συνθήκες εκτός από τη βροχόπτωση επηρεάζουν τα πρότυπα εξάτμισης. Τέλος, έγινε μια συζήτηση σχετικά με τις αβεβαιότητες που εμπλέκονται στη μελέτη προκειμένου να επισημανθούν οι εγγενείς απλοποιήσεις των προσεγγίσεων μοντελοποίησης. Ως συστάσεις για μελλοντικές εργασίες, είναι σημαντικό να συμπεριληφθούν μετρήσεις ρυθμού εισροής, θερμοκρασίας και εξάτμισης σε εκστρατείες πεδίου. Επιπλέον, θα ήταν ιδανικό να υπάρχουν πολλαπλά σημεία δειγματοληψίας στη δεξαμενή προκειμένου να γίνει χωρική βαθμονόμηση της θερμικής δομής και της εξάτμισης. Αυτή η μελέτη φέρνει μια καινοτόμο προσέγγιση η οποία, με περισσότερα διαθέσιμα δεδομένα για βαθμονόμηση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτιστοποίηση της θέσης για τεχνικές που μειώνουν τους ρυθμούς εξάτμισης, όπως διαχυτές αέρα, δομές σκίασης και πλωτούς ηλιακούς συλλέκτες.
