ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ - ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΓΡΑΦΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ - ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΓΡΑΦΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΗΣ ΑΠΟ ΓΕΩΣΤΑΤΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΔΥΤΙΚΗΣ ΑΥΣΤΡΑΛΙΑΣ ΘΗΒΑΙΟΥ ΧΑΡΙΚΛΕΙΑ ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: ΣΥΜΕΩΝΑΚΗΣ ΗΛΙΑΣ (ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ) ΚΟΥΚΟΥΛΑΣ ΣΩΤΗΡΙΟΣ ΚΥΡΙΑΚΙΔΗΣ ΦΑΙΔΩΝ ΜΥΤΙΛΗΝΗ, ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2010

2 2

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία αποτελεί για μένα ένα πολύ σημαντικό υπόβαθρο και ένα ισχυρό θεμέλιο πάνω στο οποίο θα μπορέσω να οικοδομήσω την εξέλιξη μου και την περαιτέρω ανάλυση στους επιστημονικούς τομείς που με ενδιαφέρουν. Στα πλαίσια της έρευνας που διεξήγαγα, μου δόθηκε η ευκαιρία να ασχοληθώ με ένα αντικείμενο υψηλού ενδιαφέροντος και σημασίας, αυτού της σύγκρισης των προϊόντων κατακρήμνισης (βροχόπτωσης) από γεωστατιστικές και τηλεπισκοπικές μεθόδους, για την περιοχή της Δυτικής Αυστραλίας. Θα ήθελα λοιπόν να δώσω τις θερμότερες ευχαριστίες μου, στον κύριο Συμεωνάκη Ηλία, Λέκτορα του Τμήματος Γεωγραφίας και επιβλέποντα καθηγητή της διπλωματικής μου εργασίας, τον οποίο είχα την τιμή να γνωρίσω και την ευκαιρία να συνεργαστώ τόσο στα πλαίσια της διπλωματικής μου, όσο και στα πλαίσια των μαθημάτων της Χωρικής Στατιστικής και της Εισαγωγής στη Τηλεπισκόπηση και στις Εφαρμογές Τηλεπισκόπησης. Επίσης, θα ήθελα να τον ευχαριστήσω, για την πολύτιμη καθοδήγηση που μου προσέφερε σε θέματα δομής και σύνταξης της διπλωματικής μου εργασίας και κυριότερα για την πλούσια γνώση που μου παρείχε. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τα άλλα δυο μέλη τις τριμελούς επιτροπής μου. Τον κύριο Κουκούλα Σωτήριο, Επίκουρο Καθηγητή του Τμήματος Γεωγραφίας για την άρτια καθοδήγηση στα μαθήματα ΣΓΠ (Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών) και Εφαρμογές στα ΣΓΠ. Ιδιαίτερα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κύριο Κυριακίδη Φαίδωνα, Καθηγητή του Τμήματος Γεωγραφίας που αφιέρωσε αρκετό από τον πολύτιμο χρόνο του για να μου προσφέρει τις γνώσεις του οι οποίες με βοήθησαν ώστε να φέρω σε πέρας την διπλωματική μου εργασίας, δίνοντας μου πολύτιμες συμβουλές και λύσεις. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου για την ηθική στήριξη, καθώς επίσης και όλους μου τους φίλους που αποτελούσαν για μένα μια διέξοδο και κυρίως την φίλη μου και συμφοιτήτρια μου Κατερίνα Αποστόλου για την βοήθεια της. 3

4 4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 9 ABSTRACT ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός της εργασίας Έρευνες σχετικές με την εκτίμηση της βροχόπτωσης Έρευνες που χρησιμοποιούν μεθόδους χωρικής παρεμβολής Έρευνες που χρησιμοποιούν δορυφορικά δεδομένα Έρευνες που χρησιμοποιούν μεθόδους χωρικής παρεμβολής και δορυφορικά δεδομένα Περιοχή μελέτης Δομή της διπλωματικής Κεφάλαιο 2 ο : Βροχόπτωση και Δορυφορική Τηλεπισκόπηση Η τηλεπισκόπηση και οι εφαρμογές της Εφαρμογές της τηλεπισκόπησης στην Μετεωρολογία Δορυφόροι και Radar που χρησιμοποιούνται στην Μετεωρολογία για την εκτίμηση της Βροχόπτωσης Κατηγορίες μετεωρολογικών δορυφόρων Συστήματα μετεωρολογικών δορυφόρων και τα όργανα μετρήσεων του TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) Precipitation Radar (PR) Tropical Microwave Imager (TMI) Visible Infrared Scanner (VIRS) Lightning Imaging Sensor (LIS) Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I ) Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) Προϊόντα TRMM RADAR

6 2.4 Δορυφορικές Τεχνικές Εκτίμησης Βροχόπτωσης Ορατές και υπέρυθρες τεχνικές Τεχνικές Παθητικών Μικροκυμάτων Οι τεχνικές εκτίμησης της βροχόπτωσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗ ΚΑΙ ΓΕΩΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ Μη γεωστατιστικές μέθοδοι Μειονεκτήματα των μη γεωστατιστικών μεθόδων Γεωστατιστικές Μέθοδοι Βαριόγραμμα ή ημιβαριόραμμα Kriging Μέθοδοι kriging Co-kriging (Συνδυαστικό Kriging) Παραλλαγές kriging ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ Ordinary Kriging Δεδομένα TRMM Αξιολόγηση (Evaluation) των εκτιμήσεων βροχόπτωσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΓΚΡΙΣΗ Επιλογή βαριογράμματος Ετήσια Βαριογράμματα Δοκιμές με διαφορετικό nugget και range βαριογράμματος Εκθετικό Βαριόγραμμα Σφαιρικό Βαριόγραμμα Μηνιαία Βαριογράμματα Αποτελέσματα ordinary kriging και οπτική σύγκριση με TRMM Ετήσιοι Χάρτες Μηνιαίοι Χάρτες Στατιστική σύγκριση αποτελεσμάτων ordinary kriging και TRMM

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΣΥΖΗΤΗΣΗ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Δυσκολίες της έρευνας - Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ

8 8

9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η μελέτη της βροχόπτωσης θεωρείται παγκόσμιως ζωτικής σημασίας, καθώς το συγκεκριμένο φαινόμενο αποτελεί την κυριότερη αρχική εισαγωγή στον υδρολογικό κύκλο και για το λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές (γεωστατιστικές ή τηλεπισκόπησης) μέτρησης, εκτίμησης και πρόβλεψης του ύψους της. Σε αυτό το πλαίσιο, στη συγκεκριμένη έρευνα γίνεται οπτική και στατιστική σύγκριση ανάμεσα στα δεδομένα βροχόπτωσης, όπως αυτά εκτιμήθηκαν με τη μέθοδο του ordinary kriging και στα δεδομένα βροχόπτωσης, όπως αυτά εκτιμήθηκαν από το δορυφόρο TRMM με στοιχεία του αλγόριθμου 3B42RT, για την περιοχή της Δυτικής Αυστραλίας το έτος 2008 και για κάθε μήνα χωριστά. Για την επιλογή του βέλτιστου βαριογράμματος του ordinary kriging, χρησιμοποιήθηκαν τρία κριτήρια στατιστικών σφαλμάτων μέτρησης και διαγράμματα διασποράς των εκτιμώμενων και μετρημένων τιμών, καθώς επίσης και σφαλμάτων και μετρημένων τιμών, όπως αυτά προέκυψαν από το cross validation των δεδομένων. Η διαδικασία αξιολόγησης των εκτιμήσεων πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας δεδομένα από δίκτυο επιλεγμένων επίγειων βροχομετρικών σταθμών της περιοχής, οι οποίοι διέθεταν ολοκληρωμένα στοιχεία βροχόπτωσης. Τα τέσσερα κριτήρια σφαλμάτων που χρησιμοποιήθηκαν και υπολογίστηκαν κατά τη διάρκεια της μεθόδου point-to-pixel analysis, έδειξαν ότι οι εκτιμήσεις του ordinary kriging ήταν καλύτερες από αυτές του TRMM, ενώ και οι δύο μέθοδοι εκτίμησης, στους περισσότερους μήνες, είχαν υψηλούς γραμμικούς συντελεστές συσχέτισης και δείκτες Nash. Το συμπέρασμα της έρευνας είναι ότι το ordinary kriging είναι πιο κατάλληλο για την εκτίμηση της μηνιαίας βροχόπτωσης στην περιοχή της Δυτικής Αυστραλίας για τις συγκεκριμένες χρονικές στιγμές. Λέξεις κλειδιά: Βροχόπτωση, Γεωστατιστική, Τηλεπισκόπηση, TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), kriging, βαριόγραμμα, Αυστραλία 9

10 ABSTRACT The study of precipitation is considered to be of worldwide and vital significance, as this specific phenomenon constitutes the main primary input in the hydrological cycle; therefore, several techniques (geostatistical or remote sensing) for the measurement, estimation and prediction of rainfall have been developed. In that perspective, in the current research a visual and a statistical comparison between interpolated (using ordinary kriging) rain-gauge data and TRMM-based precipitation estimates (using data gathered by the 3B42RT algorithm) was conducted, for the region of West Australia, for the year 2008 and for every month separately. For the selection of the best semi-variogram, three statistical error criteria were used, along with scatter diagrams, as resulted from the cross-validation of data, between predicted and measured values and errors and measured values. Evaluation was carried out using a dataset of a chosen gauge network, consisted only of stations with full data precipitation. The four error criteria, used and calculated during the point-to-pixel analysis, indicate that the ordinary kriging estimates perform better than the satellite-based (TRMM) data, whereas both techniques have high linear correlation coefficients and Nash Indices, in most months. It was concluded that ordinary kriging is more suitable for the estimation of monthly rainfall in the region of Western Australia for the particular time moments. Keywords: Precipitation, Geostatistic, Remote Sensing, TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), kriging, variogram, Australia 10

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Σκοπός της εργασίας Αναμφίβολα, η εκτίμηση, η μέτρηση και η πρόβλεψη της κατακρήμνισης και πιο συγκεκριμένα της βροχόπτωσης, είναι πολύ σημαντική, τόσο για τους κατοίκους της εκάστοτε περιοχής, όσο και για τους επιστήμονες πολλών και διαφορετικών πεδίων, συμπεριλαμβανομένης, της μετεωρολογίας, της υδρολογίας, της γεωγραφίας και άλλων. Η κατακρήμνιση, η αρχική εισαγωγή στον υδρολογικό κύκλο, παρουσιάζει ιδιαίτερη χωρική μεταβολή. Αυτό επέρχεται από τις διαφορές στον τύπο και την κλίμακα της ανάπτυξης των διαδικασιών παραγωγής της κατακρήμνισης, και επηρεάζεται αρκετά από τοπικούς ή περιφερειακούς παράγοντες, όπως η τοπογραφία και η διεύθυνση των ανέμων κατά τη στιγμή της κατακρήμνισης. Το πρόβλημα είναι να προσπαθήσει κάποιος να περιγράψει τη χωρική παραλλαγή και να κάνει εκτιμήσεις της κατακρήμνισης στις περιοχές όπου δεν υπάρχει κανένας σταθμός ελέγχου. Δύο κύριες προσεγγίσεις έχουν προκύψει για τον υπολογισμό των ποσών κατακρήμνισης: παρεμβολή των σημειακών μετρήσεων και τεχνικές εκτίμησης βασισμένες σε δορυφόρους. Οι μέθοδοι για την παρεμβολή της κατακρήμνισης από σημειακά επίγεια δεδομένα κυμαίνονται από τεχνικές βασισμένες στα πολύγωνα Thiessen και την απλή ανάλυση επιφάνειας τάσης, την αντίστροφη στάθμιση απόστασης έως τις περιπλοκότερες στατιστικές μεθόδους όπως το kriging, και τις διάφορες επεκτάσεις τους, επίσης γνωστές ως γεωστατιστικές μέθοδοι. Διάφορες μελέτες υπάρχουν που αναφέρουν συγκρίσεις μεταξύ διάφορων μεθόδων, οι περισσότερες από τις οποίες υποστηρίζουν ότι οι γεωστατιστικές μέθοδοι παρέχουν τις ακριβέστερες εκτιμήσεις. Η πλειοψηφία αυτών των μελετών εστιάζει στην χωρική παρεμβολή της κατακρήμνισης από μικρής μέχρι περιφερειακής κλίμακας εφαρμογές δίνοντας έμφαση στην ανάγκη για παρόμοια έρευνα σε μεγαλύτερες περιοχές για να υποστηριχτεί η αντίστοιχη ανάλυση για τις υδρολογικές διαδικασίες, όπως η διάβρωση του εδάφους και η επιφανειακή απορροή σε ηπειρωτικές και παγκόσμιες κλίμακες. Οι τοπικοί μέσοι όροι που προέρχονται από τις παρατηρήσεις βροχομέτρων πάσχουν από τους περιορισμούς λόγω της δειγματοληψίας αλλά και επειδή οι μετρητές διανέμονται συνήθως με μια χωρική προτίμηση προς τις εποικημένες περιοχές και ενάντια στις περιοχές με υψηλό υψόμετρο ή/και κλίση. Μια εναλλακτική επίγεια μέθοδος εκτίμησης είναι η χρήση του radar κατακρήμνισης (PR) 11

12 αλλά αυτή δεν είναι συνήθως εφικτή από άποψη κόστους και έλλειψης υποδομών. Μια απάντηση σε αυτούς τους περιορισμούς είναι πιθανό να προέλθει από την δορυφορική τηλεπισκόπηση, της οποίας η δυναμική είναι εμφανής από τις πρώτες μέρες εφαρμογής της: τα στοιχεία είναι ανέξοδα, παρέχουν πλήρη κάλυψη της υπό μελέτης περιοχής και είναι διαθέσιμα σε πραγματικό χρόνο (Symeonakis et al, 2009). Οι πόροι για τη συλλογή τέτοιων βασικών πληροφοριών είναι περιορισμένοι ιδιαίτερα στον αναπτυσσόμενο κόσμο και για το λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί δύο βασικές μέθοδοι για τη συγκέντρωση τους: η γεωστατιστική μέθοδος και η μέθοδος τηλεπισκόπησης. Στα πλαίσια αυτά, σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής είναι η ανάλυση και η σύγκριση των δύο αυτών μεθόδων, αναφορικά με την ικανότητα τους να εκτιμούν και να προβλέπουν το ύψος της βροχόπτωσης στην περιοχή της Δυτικής Αυστραλίας για το έτος και τους μήνες του Πιο συγκεκριμένα, η σύγκριση θα γίνει με την μέθοδο point to pixel analysis μεταξύ των δεδομένων των 20 βροχομετρικών σταθμών με τις τιμές των που προκύψαν από τους χάρτες του ordinary kriging και τους δορυφορικούς χάρτες του TRMM. 1.2 Έρευνες σχετικές με την εκτίμηση της βροχόπτωσης Παρακάτω παρουσιάζονται μερικές έρευνες που έχουν γίνει για την εκτίμηση της βροχόπτωσης χρησιμοποιώντας μεθόδους παρεμβολής, δορυφορικά δεδομένα ή και τα δυο Έρευνες που χρησιμοποιούν μεθόδους χωρικής παρεμβολής o Mirás-Avalos M.J. et al (2009), Consistency analysis of pluviometric information in Galicia (NW Spain), Atmospheric Research, Vol. 94, No. 4, pp Στην έρευνα αυτή ο José M. Mirás-Avalos et al., (2009) αρχικά διεξήγαγε μια ανάλυση διπλομαζικής καμπύλης (double-mass curve analysis) των δεδομένων ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης, που καταγράφηκαν στη Γαλικία από το 2002 έως το 2006, για να ελεγχτεί η ποιότητα αυτών των παρατηρήσεων. Στη συνέχεια, η βροχόπτωση για αυτή την περίοδο, περιγράφτηκε στατιστικά και εξετάστηκε η σχέση της με το υψόμετρο. Επιπλέον, έγινε ένας προσδιορισμός της χωρικής μεταβλητότητας της βροχόπτωσης στην περιοχή και δημιουργήθηκαν χάρτες μηνιαίας βροχόπτωσης με δύο διαφορετικές τεχνικές kriging: του ordinary kriging και του kriging with external drift, χρησιμοποιώντας το υψόμετρο ως δευτερεύουσα πληροφορία. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης επιβεβαιώνουν ότι οι κατάλογοι βροχοπτώσεων στη Γαλικία ήταν συνεπείς μετά την απομάκρυνση ενός ποσοστού 12

13 10% από αυτά. Η χωρική εξάρτηση της βροχόπτωσης που παρατηρήθηκε σε διάστημα 60 μηνών αναλύθηκε, παρά το γεγονός ότι πολλά βαριογράμματα ταίριαζαν στα δεδομένα. Πιο συγκεκριμένα 36 από τις 60 σειρές δεδομένων δεν έδειξαν κανένα φαινόμενο κόκκου. Επιπλέον, και οι τρεις διαφορετικές μέθοδοι παρεμβολής που χρησιμοποιήθηκαν στην συγκεκριμένη έρευνα όλες κατέληξαν σε ρεαλιστικά αποτελέσματα σε σχέση με προηγούμενες μεθόδους που έγιναν στην περιοχή. Το kriging with external drift έδωσε πιο λογικά αποτελέσματα, λαμβάνοντας υπόψη τα τοπογραφικά χαρακτηριστικά της Γαλικίας. o Shoji T., Kitaura H. (2004), Statistical and geostatistical analysis of rainfall in central Japan, Computers & Geosciences, Vol. 32, No. 8, pp Η συγκεκριμένη έρευνα έγινε από τους Tetsuya Shoji και Hisashi Kitaura (2006). Στα πλαίσια αυτής της έρευνας τα δεδομένα ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης αναλύθηκαν στατιστικά και γεωστατιστικά, ώστε να αποκτηθούν θεμελιώδεις πληροφορίες για την αξιολόγηση των υδάτινων πόρων και την πρόβλεψη φυσικών κινδύνων που προκαλούνται από τις δυνατές βροχές. Η περιοχή μελέτης ήταν το ορεινό Chubu και οι πεδινές περιοχές του Kanto, στην κεντρική Ιαπωνία. Στόχος αυτής της μελέτης ήταν η κατανόηση των χωρικών και χρονικών συνεχειών της βροχόπτωσης και πιο συγκεκριμένα ειδικές συνέχειες των ωριαίων, ημερήσιων, μηνιαίων και ετήσιων ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων στη βάση των βαριογραμμάτων τους. Η μελέτη έδειξε τα εξής αποτελέσματα: 1. Οι ωριαίες, ημερήσιες και ετήσιες ατμοσφαιρικές κατακρημνίσεις (precipitations) έδειξαν λογαριθμικές κατανομές ανεξάρτητα από τις περιοχές, ενώ μόνο οι μηνιαίες ατμοσφαιρικές κατακρημνίσεις έδειξαν εκθετικές κατανομές και η κατανομή Weibull distribution που χρησιμοποιήθηκε, εξήγησε άψογα τις ωριαίες και ημερήσιες ατμοσφαιρικές κατακρημνίσεις και πολύ καλά τις μηνιαίες με ή χωρίς τα μηδενικά δεδομένα. 2. Τα χωρικά βαριογράμματα των ετήσιων ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων είχαν εύρη 130 km και στις δύο περιοχές. 3. Τα χρονικά βαριογράμματα των ωριαίων ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων, σε μια περίοδο ενός χρόνου, είχαν εύρη 8 ωρών ανεξάρτητα από την περιοχή. 4. Τα χρονικά βαριογράμματα δεν έδειξαν τον ημερήσιο κύκλο, παρά το γεγονός ότι η ένταση και η συχνότητα της βροχόπτωσης άλλαζε στατιστικά μέσα σε μια μέρα. 5. Εάν βρέξει δυνατά σε μια ευρεία περιοχή στα πλαίσια μιας σειράς βροχοπτώσεων, τα χωρικά βαριογράμματα ωριαίων ατμοσφαιρικών 13

14 κατακρημνίσεων στο Kanto, έδειξαν καθαρά εύρη, τα οποία είναι μεταξύ των 50-70km. 6. Τα εύρη των βαριογραμμάτων αυξήθηκαν σταθερά km σε μια περίοδο 3 5 ωρών. 7. Τα εύρη των χρονικών βαριογραμμάτων είναι περίπου 16 ώρες, σε περίπτωση που η βροχή είχε διάρκεια 30 ώρες. Αυτά τα χαρακτηριστικά προτείνουν ότι η πυκνότητα σταθμών AMeDAS 1, είναι επαρκής για την αξιολόγηση των υδάτινων πόρων, και ότι είναι πολύ μικρή και το διάστημα μέτρησης πολύ μακρύ για την πρόβλεψη φυσικών κινδύνων. o Federico S. et al (2009), Preliminary results of a 30-year daily rainfall data base in southern Italy, Atmospheric Research, Vol. 94, No. 4, December 2009, pp Η έρευνα αυτή διεξήχθη από τον Stefano Federico et al (2009) και είχε ως στόχο την παρουσίαση των πρώτων επεξηγηματικών αποτελεσμάτων και της ανάλυσης που έγινε σε μια βάση δεδομένων ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης χρονικού διαστήματος 30 ετών ( ), η οποία δημιουργήθηκε για τη χερσόνησο της Καλαβρία, στη Νότια Ιταλία. Η βάση των δεδομένων αποτελείται από χρονολογικές σειρές ημερησίων τιμών ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης 88 σταθμών διανεμημένων στην περιοχή. Η χρονική ανάλυση της βάσης δεδομένων ήταν η μία μέρα ενώ η χωρική της ανάλυση ήταν περίπου τα 10 km. Η Καλαβρία πρόσφερε ένα ενδιαφέρον σενάριο μεσοκλιματικών μελετών στη χρονική και χωρική μεταβλητότητα της βροχόπτωσης. Η περιοχή βρίσκεται στην Κεντρική λεκάνη της Μεσογείου, που έχει μια δυνατή εποχιακή μεταβλητότητα που αντανακλάται στις μεγάλες διαφορές ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης ανάμεσα στις εποχές. Η πολύπλοκη ορογραφία της περιοχής οδηγεί σε διαφορετικές εκθέσεις του εδάφους στις αέρινες μάζες που μεταφέρουν βροχή και μεγάλες διαφορές στις βροχοπτώσεις μπορούν να συμβούν σε μερικές δεκάδες χιλιόμετρα. Για την περιοχή της Καλαβρίας, διαφορετικά είδη θυελλών είναι σημαντικά: α) οι θύελλες που προέρχονται από την υπήνεμη πλευρά των Άλπεων, β) οι θύελλες οι οποίες εισέρχονται στη λεκάνη ή δημιουργούνται στη δυτική Μεσόγειο, γ) οι θύελλες από τη βόρεια Αφρική, δ) οι θύελλες που μετακινούνται πάνω από την κεντρική Μεσόγειο από τα Βαλκάνια και την ανατολική Ευρώπη. Επιπλέον, η αλληλεπίδραση τους με την τοπική ορογραφία καθορίζει 1 Η μετεωρολογική υπηρεσία της Ιαπωνίας έχει εγκαταστήσει ένα αυτόματο μετεωρολογικό σύστημα παρατήρησης που ονομάζεται AMeDAS (Automated Meteorological Data Acquisition System). 14

15 σύνθετα μοντέλα βροχοπτώσεων και μεταβλητότητα. Στη συγκεκριμένη μελέτη, παρουσιάζονται χάρτες των μέσων τιμών της ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης, η συχνότητα βροχής, το ποσοστό βροχής, η επιμονή των βροχοπτώσεων και του μήκους των ξηρών περιόδων. o Wei C. et al (2010), Rain Gauges Network Design using discrete entropy and Kriging approach, Geophysical Research Abstracts, Vol. 11, EGU Στην έρευνα αυτή που έγινε από τον Chiang Wei et al (2010) αναφέρεται ότι ένα καλά σχεδιασμένο δίκτυο σταθμών μπορεί επακριβώς να παρέχει και να απεικονίσει τις πληροφορίες των βροχοπτώσεων σε μια συλλογή. Ωστόσο, ο επαρκής αριθμός και η βέλτιστη τοποθεσία των βροχομετρικών σταθμών θα πρέπει να πετύχουν ένα ακόμα ικανοποιητικό αποτέλεσμα. Στην αλπική περιοχή, πιο συγκεκριμένα, λόγω της υψηλής απόκλισης, ένας πιο ακριβής σχεδιασμός του δικτύου βροχομέτρων χρειάζεται. Ως εκ τούτου, ένα μοντέλο που αποτελείται από kriging και εντροπία (discrete entropy) εισάγεται σε αυτή την έρευνα για να επανατοποθετήσει το δίκτυο βροχόπτωσης και να λάβει ένα βέλτιστο σχεδιασμό με τον ελάχιστο αριθμό βροχόμετρων. Το ordinary kriging χρησιμοποιείται για να παράγει δεδομένα Οι πληροφορίες εντροπίας που ήταν βασισμένες στην πιθανότητα χρησιμοποιήθηκαν για να μετρηθεί η αβεβαιότητα της κατανομής της βροχόπτωσης. Υπολογίζοντας την κοινή εντροπία και τη μεταφερόμενη πληροφορία, δόθηκε προτεραιότητα στα επανατοποθετημένα βροχόμετρα και ο αριθμός και η τοποθεσία των βροχόμετρων στη συλλογή μπορούσαν να ληφθούν ώστε να κατασκευαστεί ένα βέλτιστο δίκτυο βροχόπτωσης που θα αντικαθιστούσε το παλιό δίκτυο. Η αλπική περιοχή στο πειραματικό δάσος του εθνικού πανεπιστημίου της Ταϊβάν στην κεντρική Ταϊβάν διαλέχτηκε ως η περιοχή στόχος της έρευνας. Συμπεριλαμβάνοντας 50 υπάρχοντα βροχόμετρα, 346 τεμάχια που κάλυπταν 1x1 km 2 το καθένα, επιλέχτηκαν από την περιοχή στόχo ως τα υποψήφια βροχόμετρα για να εξετάσουν τον προτεινόμενο αλγόριθμο, χρησιμοποιώντας αρχεία βροχόπτωσης από το Το αποτέλεσμα έδειξε ότι μόνο 2 και 5 υποψήφια βροχόμετρα μπορούν να αντιπροσωπεύουν 62.93% και 85.21% της απόκλισης της κατανομής της βροχόπτωσης, αντίστοιχα. 15

16 o Goovaerts P. (2000), Geostatistical approaches for incorporating elevation into the spatial interpolation of rainfall, Journal of Hydrology, Vol. 228, No. 1-2, 21, pp Η έρευνα αυτή διεξήχθει από τον P. Goovaerts (2000) και παρουσιάζει τρεις πολυμετάβλητους γεωστατικούς αλγόριθμους για την ενσωμάτωση ενός ψηφιακού μοντέλου υψομέτρου σε μια χωρική πρόβλεψη βροχόπτωσης. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν ήταν το απλό kriging με μια ποικιλία από τοπικούς μέσους, το kriging with an external drift και το colocated co-kriging. Οι τεχνικές πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ετήσιων και μηνιαίων παρατηρήσεων βροχόπτωσης, οι οποίες μετρήθηκαν σε 36 κλιματικούς σταθμούς σε μια περιοχή 5000 km 2 στην Πορτογαλία. Ο διμερής έλεγχος αξιοπιστίας (cross validation) χρησιμοποιήθηκε για να συγκρίνει τις αποδόσεις της πρόβλεψης των τριών γεωστατιστικών αλγορίθμων παρεμβολής με την απευθείας γραμμική παλινδρόμηση έναντι του υψομέτρου και των μη γεωστατιστικών τεχνικών: α) Πολυγώνων Thiessen (Thiessen polygon) και β) Αντίστορφη Τετραγωνική Απόσταση (Inverse Square Distance). Μεγάλα λάθη προέκυψαν από τους δύο αλγόριθμους (Inverse Square Distance, Thiessen polygon) που αγνόησαν τόσο το υψόμετρο όσο και τα αρχεία βροχόπτωσης στους γύρω σταθμούς. Οι πολυμετάβλητοι γεωστατιστικοί αλγόριθμοι ξεπέρασαν άλλες μεθόδους παρεμβολής, συγκεκριμένα τη γραμμική παρεμβολή, η οποία τονίζει τη σημασία του να δοθεί προσοχή στις χωρικά εξαρτώμενες παρατηρήσεις σε συνδυασμό με το υψόμετρο. Τέλος, το ordinary kriging παράγει περισσότερο ακριβείς προβλέψεις από τη γραμμική παλινδρόμηση όταν η συσχέτιση των βροχοπτώσεων και του υψομέτρου είναι μέτρια (μακρότερη από 0.75 στη συγκεκριμένη περίπτωση) Έρευνες που χρησιμοποιούν δορυφορικά δεδομένα o Feidas H. (2008), Validation of satellite rainfall products over Greece, Theoretical and Applied Climatology, Vol. 99, No. 1-2, pp Στην έρευνα αυτή, που έγινε από τον Feidas H. (2008), έξι ευρέως διαθέσιμα προϊόντα ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης, προερχόμενα από δορυφόρο, αξιολογήθηκαν και συγκρίθηκαν σε μηνιαίες-εποχικές χρονολογικές σειρές και ποικίλες χωρικές σειρές, για την περίοδο , χρησιμοποιώντας ένα πυκνό 16

17 δίκτυο σταθμών σε όλη την Ελλάδα. Τα προϊόντα των δορυφόρων χωρίστηκαν σε τρεις κατηγορίες σύμφωνα με τη χωρική τους ανάλυση: 1. Η πρώτη κατηγορία είχε υψηλή (0,5 ο ) χωρική ανάλυση και αποτελούνταν μόνο από προϊόντα TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) και πιο συγκεκριμένα από το προϊόν ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης TMI (Tropical Microwave Imager-3Α12) και τα προϊόντα πολυδορυφορικής ανάλυσης ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης (3Β42 και 3Β43). 2. Η δεύτερη κατηγορία περιλάμβανε προϊόντα με μέση χωρική ανάλυση (1 ο ), τα οποία περιλάμβαναν τις εκτιμήσεις TRMM 3Β42 και 3Β43 διαμορφωμένες σε ανάλυση 1 ο και την ανάλυση GPCP-1DD (Global Precipitation Climatology Project one degree daily). 3. Η τρίτη κατηγορία αποτελούνταν από προϊόντα χαμηλής χωρικής ανάλυσης (2,5 ο ) και περιλάμβανε το 3Β43 προϊόν διαμορφωμένο σε ανάλυση 2,5 ο, το προϊόν GPCP-SG (GPCP Satellite and Gauge) και την ανάλυση CMAP (Climate Modeling Analysis and Prediction). Αρχικά, τα δεδομένα των βροχόμετρων απέκτησαν συντεταγμένες και στη συνέχεια συγκρίθηκαν με τα σύνολα μηνιαίας και εποχικής ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης, καθώς επίσης και με τους μακροπρόθεσμους μέσους όρους των έξι προϊόντων ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης, προερχόμενα από δορυφόρο σε διαφορετικές χωρικές αναλύσεις (0,5 ο, 1 ο, 2,5 ο ). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το προϊόν 3Β43 έχει εξαιρετική απόδοση πάνω στην Ελλάδα και στις τρεις χωρικές σειρές. Ένα σημαντικό συμπέρασμα που μπορεί να προέλθει από αυτήν την μελέτη είναι ότι μερικά από τα παρόντα δορυφορικά μηνιαία προϊόντα βροχοπτώσεων είναι ενδεχομένως χρησιμοποιήσιμα σε ένα σχέδιο ανάλυσης βροχόπτωσης πάνω από την Ελλάδα, τουλάχιστον σε μερικές εποχές, αλλά δεν είναι ιδανικά. Η βελτίωση αυτών των δορυφορικών προϊόντων απαιτείται σαφώς Έρευνες που χρησιμοποιούν μεθόδους χωρικής παρεμβολής και δορυφορικά δεδομένα o Symeonakis E., Bonaficio R., Drake N. (2009), A comparison of rainfall techniques for sub-saharan Africa, International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, Vol. 11, pp

18 Η έρευνα αυτή διεξήχθει από τους Elias Symeonakis et al (2009). Τα δεδομένα παρεμβαλλόμενου βροχόμετρου (interpolated rain gauge data), συγκρίθηκαν με τους υπολογισμούς της ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης βασισμένα στον δορυφόρο Meteostat, για την υπό Σαχάρια Αφρική. Ο έλεγχος της αξιοπιστίας πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ενός συνόλου δεδομένων από ένα πολύ πυκνό δίκτυο μέτρησης στη Νότια Αφρική, πάνω σε μια βάση point to pixel και pixel to pixel (PI-PI). Επιπρόσθετα, τα κριτήρια σφάλματος που υπολογίστηκαν στα μετρημένα pixels έδειξαν ότι οι συνολικές εκτιμήσεις που έχουν προκύψει με παρεμβολή, αποδίδουν παρόμοια με τα δεδομένα που είναι βασισμένα σε παρατηρήσεις από το δορυφόρο. Πιο συγκεκριμένα, όλες οι μέθοδοι υποτίμησαν τα υψηλότερα ποσοστά της ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης και υπερτίμησαν τα χαμηλότερα. Η παραπάνω έρευνα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι δορυφορικές εκτιμήσεις αποδίδουν περισσότερο για την επιχειρησιακή μοντελοποίηση των διαδικασιών όπως η απορροή και η διάβρωση του εδάφους, ειδικότερα στις αναπτυσσόμενες περιοχές που οι πόροι είναι λιγοστοί. o Li M., Shao Q. (2010), An improved statistical approach to merge satellite rainfall estimates and rain gauge data, Journal of Hydrology, Vol. 385, No. 1-4, pp Στην έρευνα αυτή, των Ming Li και Quanxi Shao (2010), αναφέρεται ότι η παραγωγή υψηλών ποιοτικών ημερησίων εκτιμήσεων βροχόπτωσης, είναι απαραίτητη όχι μόνο για μια επιτυχημένη υδρολογική μοντελοποίηση αλλά επίσης και για την εφαρμογή της σε λεκάνες για τις οποίες δεν υπάρχουν μετρήσεις. Επιπλέον, σύμφωνα με την έρευνα υπάρχουν δύο πηγές για να εκτιμήσουμε πεδία βροχόπτωσης: α) οι βροχομετρικοί σταθμοί και β) συσκευές τηλεπισκόπησης, όπως δορυφόροι και radar. Οι παρατηρήσεις από τα βροχόμετρα είναι ακριβείς και αξιόπιστες, αλλά είναι συνήθως περιορισμένες για να γίνει η παρεμβολή ημερήσιας βροχόπτωσης ως δεδομένο στα υδρολογικά μοντέλα με χωρική επικάλυψη. Ως εκ τούτου, οι τοπικές εκτιμήσεις ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης γίνονται μόνο από βροχόμετρα, τα οποία παρουσιάζουν μεγάλη αβεβαιότητα όταν το δίκτυό τους είναι αραιό, ειδικότερα για τα τοπικά εκ μεταφοράς γεγονότα. Οι εκτιμήσεις ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης που βασίζονται σε δορυφόρο, παράγονται σε υψηλή χρονική (3 o ώρες) και χωρική ανάλυση ( 0, 25 x 0, 25 o ). Ωστόσο, η ακρίβεια αυτών των επιφανειών είναι μικρότερη από τη χρησιμοποίηση παρατηρήσεων βασισμένων σε επίγεια μέσα. 18

19 Έτσι, στόχος της συγκεκριμένης μελέτης ήταν να παρουσιάσει μια νέα μέθοδο παραγωγής μιας σύνθεσης ενός ιδιαίτερου συνόλου σημειακών παρατηρήσεων από βροχόμετρα και ενός προϊόντος βροχόπτωσης που θα προερχόταν από δορυφόρο. Σύμφωνα, με την έρευνα, η μέθοδος αυτή, πηγάζει από κάποιες ιδέες σχετικές με την αφομοίωση δεδομένων και επικεντρώνεται στη διαφορά μεταξύ δεδομένων με συντεταγμένες (σημειακών δεδομένων) και δεδομένων από δορυφόρο. Για να επιτευχθεί αυτή η συγχώνευση χρησιμοποιήθηκε μια μη παραμετρική kernel μέθοδος εξομάλυνσης και δόθηκε έμφαση στη διόρθωση της ασυνέχειας και στη χωρική παρεμβολή προσαρμοσμένη για ένα αραιό δίκτυο. Στη συνέχεια διεξήχθη μια μελέτη διμερούς ελέγχου αξιοπιστίας (cross-validation) για να διασταυρωθούν οι παρατηρήσεις από το αυστραλιανό δίκτυο βροχόμετρων και τη δορυφορικά παραγόμενη TRMM Multisatellite Precipitation Analysis (TMPA) 3B42. Για να εξεταστεί η προτεινόμενη μέθοδος, δοκιμάστηκαν πολλές τεχνικές, συμπεριλαμβανομένου του ordinary kriging και του co-kriging. Η σύγκριση έδειξε ότι τα αποτελέσματα που παρήχθησαν από την προτεινόμενη μέθοδο, ήταν πολύ πιο αξιόπιστα από τις άλλες μεθόδους που δοκιμάστηκαν, ενώ άλλα στατιστικά λάθη, όπως η ρίζα μέσου τετραγωνικού σφάλματος (Root Mean Square Error-RMSE), ήταν συγκρίσιμα ή καλύτερα παρά το γεγονός ότι οι μέθοδοι kriging έτειναν να αποδίδουν καλύτερα στις πυκνά μετρημένες περιοχές. Πιο συγκεκριμένα, η μεροληψία της προτεινόμενης μεθόδου μειώθηκε με συνέπεια σε ολόκληρη τη χώρα, ενώ οι μέθοδοι kriging που δοκιμάστηκαν, παρήγαγαν σχετικά μεγάλη μεροληψία κατά μήκος της χώρας οδηγώντας σε σχεδόν μηδική συνολική μεροληψία. Επιπρόσθετα, βελτιώνοντας την ποσοτική αποδοτικότητα, το εκτιμώμενο πεδίο βροχόπτωσης έδειξε καλή απόδοση παρά το γεγονός ότι το δίκτυο των σταθμών που χρησιμοποιήθηκε ήταν αραιό. Velasco-Forero A. C. et al (2008), A non-parametric automatic blending methodology to estimate rainfall fields from rain gauge and radar data, Advances in Water Resources, Vol. 32, No. 7, pp Στην έρευνα που έγινε από τον Carlos A. Velasco-Forero et al (2008) για την περιοχή της Καταλονίας, αναφέρεται ότι η ποσοτική ανάλυση των πεδίων βροχόπτωσης αποτελεί ένα από τα πιο σημαντικά αντικείμενα για πολλές έρευνες για τα radar καιρού. Επιπλέον, προηγούμενες έρευνες έδειξαν ότι η ροή πληροφοριών βελτιώνεται όταν τα δεδομένα από τα radar και τα βροχόμετρα συνδυάζονται για την εκτίμηση των πεδίων βροχόπτωσης. Στόχος αυτής της εργασίας ήταν να υπολογιστούν τα βαριογράμματα χωρίς τη χρήση των κλασικών προσεγγίσεων. Για 19

20 το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκε μια μη παραμετρική τεχνική βασισμένη στο FFT (Fast Fourier Transform), ώστε να αποκτηθούν δυσδιάστατα βαριογράμματα απευθείας από τις παρατηρήσεις του radar, εξετάζοντας τόσο τη φυσική ανισοτροπία, όσο και την χρονική απόκλιση της χωρικής δομής της βροχόπτωσης στα υπό εκτίμηση πεδία. Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε για αυτή την έρευνα είχε δύο διαφορετικά χαρακτηριστικά σε σύγκριση με τις κλασσικές προσεγγίσεις: 1. Τη χρήση μιας μη παραμετρικής αυτόματης διαδικασίας για την εκτίμηση έγκυρων μοντέλων χωρικής μεταβλητότητας 2. Τη χρήση των δεδομένων πεδίου από το radar για να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με τη χωρική δομή του πεδίου των βροχοπτώσεων. Ουσιαστικά, στόχος της μελέτης ήταν να δείξει πως αυτή η μεθοδολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βελτιωθούν οι επιλεγμένοι γεωστατιστικοί εκτιμητές των πεδίων της βροχόπτωσης και για να συγκριθούν οι αποδόσεις τριών εναλλακτικών προσεγγίσεων που χρησιμοποιούν τα δεδομένα του radar. Και οι τρεις εναλλακτικές που αναλύθηκαν στην έρευνα, χρησιμοποιούν τα δεδομένα από τα βροχόμετρα, αλλά συμπληρώνουν αυτές τις εκτιμήσεις με τα στοιχεία από το radar με διαφορετικούς τρόπους: 1. Χρησιμοποιώντας πεδία radar μόνο για να καθορίσουν τη χωρική μεταβλητότητα των μοντέλων βροχόπτωσης (με έναν ordinary kriging estimator). 2. Χρησιμοποιώντας πεδία radar όπως στο 1 αλλά καθοδηγώντας επίσης την εκτίμηση βροχόπτωσης χρησιμοποιώντας τις παρατηρούμενες τάσεις στα πεδία radar (διαμέσου του kriging with external drift). 3. Χρησιμοποιώντας πεδία radar όπως στο 1, συμπεριλαμβάνοντας επίσης τις παρατηρήσεις του radar, στο σημείο στόχο, στην εξίσωση εκτίμησης (διαμέσου co-kriging). 4. Το κλασικό kriging (ordinary kriging) χρησιμοποιώντας μόνο τις πληροφορίες από τα βροχόμετρα που εξυπηρετούν την αξιολόγηση των βελτιώσεων που εισήχθησαν από τη χρήση των δεδομένων του radar. Η απόδοση καθενός από αυτούς τους εκτιμητές αναλύθηκε, συγκρίθηκε και συζητήθηκε χρησιμοποιώντας διάφορα γεγονότα που παρατηρήθηκαν στην Καταλονία (Ισπανία). Τα αποτελέσματα της μελέτης φαίνεται να έδειξαν ότι η μεθοδολογία του kriging with external drift (KED), σε συνδυασμό με την τεχνική του αυτόματου 20

21 υπολογισμού δυσδιάστατων χωρικών βαριογραμμάτων, παρέχει συγχωνευμένα πεδία βροχόπτωσης σε καλή συμφωνία με τα βροχόμετρα και με την πιο ακριβή προσέγγιση στις χωρικές τάσεις που παρατηρήθηκαν στα πεδία βροχόπτωσης που έδειξαν τα radar, όταν συγκρίθηκε με τις άλλες εναλλακτικές που αναλύθηκαν. 1.3 Περιοχή μελέτης Χαρακτηριστικά και Κλίμα της Αυστραλίας Η Αυστραλία είναι μια χώρα, ένα νησί και μια ήπειρος. Βρίσκεται στην Ωκεανία μεταξύ του Ινδικού και του Νότιου Ειρηνικού ωκεανού με γεωγραφικές συντεταγμένες 27 Ν 144 Α. Είναι η έκτη μεγαλύτερη χώρα στον κόσμο με συνολική επιφάνεια 7,686,850 τετραγωνικών χιλιομέτρων (περιλαμβάνοντας τα Lord Howe Island and Macquarie Island), καθιστώντας την ελάχιστα μικρότερη από τις 48 όμορες πολιτείες των Ηνωμένων Πολιτειών και 31.5 φορές μεγαλύτερη του Ηνωμένου Βασιλείου. Εικόνα 1.1: Χάρτης της Δυτικής Αυστραλίας (Πηγή: National Geographic) Η ενδοχώρα της Αυστραλίας έχει ένα συνολικό μήκος ακτογραμμών 35,876 km και άλλα 23,859 km νησιωτικών ακτογραμμών. Υπάρχουν 758 δέλτα γύρω από τη χώρα με τα περισσότερα να βρίσκονται στις τροπικές και υποτροπικές ζώνες. Η Αυστραλία έχει μια εκτενή αποκλειστική οικονομική ζώνη 8,148,250 τετραγωνικών χιλιομέτρων. Αυτή η ζώνη δεν περιλαμβάνει την Αυστραλιανή Ανταρκτική Επικράτεια. 21

22 Η Αυστραλία έχει τη μεγαλύτερη επιφάνεια ωκεάνιας αρμοδιότητας από οποιαδήποτε άλλη χώρα στη γη. Δεν έχει σύνορα στην ξηρά. Τα βορειότερα σημεία της χώρας είναι η χερσόνησος Cape York του Qeeensland και το Top End. Το μισό δυτικό τμήμα της Αυστραλίας αποτελείται από το δυτικό οροπέδιο το οποίο αναδύεται σε υψόμετρα ορέων κοντά στη δυτική ακτή και κατεβαίνει σε χαμηλότερα υψόμετρα κοντά στο ηπειρωτικό κέντρο. Η περιοχή του δυτικού οροπεδίου είναι γενικά επίπεδη, αν και υπάρχουν διάφορα βουνά όπως τα Hamersley Range και MacDonnell Ranges που διαταράσσουν την ομοιομορφία. Το επιφανειακό νερό στο δυτικό οροπέδιο βρίσκεται γενικά σε έλλειψη, αν και υπάρχουν αρκετά μεγάλα ποτάμια στα δυτικά και βόρεια, όπως τα Murchison, Ashburton και Victoria. Το μεγαλύτερο κομμάτι της Αυστραλίας είναι έρημος ή ημιάγονο - 40% της ηπειρωτικής μάζας καλύπτεται από αμμώδεις θίνες. Μόνο στα νοτιοανατολικά και νοτιοδυτικά υπάρχει ένα πιο συγκρατημένο κλίμα και πιο γόνιμη γη. Το βόρειο κομμάτι της χώρας έχει τροπικό κλίμα με τροπικά δάση, βοσκότοπους και ένα μέρος έρημος. Η βροχόπτωση είναι αρκετά ευμετάβλητη, με συχνές περιόδους ξηρασίας που διαρκούν πολύ και θεωρείται ότι προκαλούνται από τη Νότια μετάπτωση του El Nino. Περιοδικά μια καταιγίδα σκόνης σκεπάζει μια περιοχή ή διάφορες πολιτείες και υπάρχουν αναφορές περιοδικών μεγάλων ανεμοστρόβιλων. Τα υψηλά επίπεδα αλμυρότητας και ερημοποίησης σε κάποιες περιοχές ερημώνουν το τοπίο. Η τροπική/υποτροπική τοποθεσία της Αυστραλίας και τα ψυχρά νερά της Δυτικής ακτής κάνουν τη Δυτική Αυστραλία μια καυτή άγονη έρημο, ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα του μεγαλύτερου μέρους της ηπείρου. Αυτά τα ψυχρά νερά δημιουργούν μια μικρή υγρασία που χρειάζεται στη κυρίως χώρα. Μια έρευνα του 2005 από Αμερικάνους και Αυστραλούς ερευνητές έγινε με σκοπό να μελετηθεί η ερημοποίηση του εσωτερικού και πρότειναν ότι μια εξήγηση είχε σχέση με τους άποικους που έφτασαν πριν από χρόνια. Αν δεν υπήρχαν οι συχνές πυρκαγιές από αυτούς τους αποίκους το εσωτερικό της Αυστραλίας θα μπορούσε να είχε προστατευθεί από τους μουσώνες. ( 22

23 1.4 Δομή της διπλωματικής Έχοντας περιγράψει το σκοπό της συγκεκριμένης διπλωματικής, στη συνέχεια παρουσιάζεται μια σύντομη περιγραφή των περιεχομένων των κεφαλαίων από το οποία απαρτίζεται η διπλωματική, εκτός του Κεφαλαίου 1, το οποίο αποτελεί την Εισαγωγή και περιλαμβάνει, μια σύντομη περιγραφή της κατακρήμνισης και των μεθόδων εκτίμησής της, έρευνες σχετικές με την εκτίμηση της βροχόπτωσης και παρουσίαση των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν στα πλαίσια αυτών των ερευνών, καθώς επίσης και των αποτελεσμάτων στα οποία αυτές κατέληξαν, την περιγραφή της περιοχής μελέτης, το σκοπό και τη δομή της διπλωματικής. Επομένως, για τα υπόλοιπα κεφάλαια αναλυτικότερα έχουμε: Το Κεφάλαιο 2, αφορά τη βροχόπτωση και τη δορυφορική τηλεπισκόπηση. Πιο συγκεκριμένα, στο εν λόγω κεφάλαιο γίνεται μια περιγραφή της τηλεπισκόπησης και των γενικότερων εφαρμογών της, αλλά και των εφαρμογών της στην μετεωρολογία. Στη συνέχεια γίνεται μια αναφορά των δορυφόρων και των radar που χρησιμοποιούνται στην μετεωρολογία για την εκτίμηση της βροχόπτωσης, ενώ το κεφάλαιο κλείνει κάνοντας παρουσίαση των δορυφορικές τεχνικών εκτίμησης της βροχόπτωσης. Το Κεφάλαιο 3, αφορά τη βροχόπτωση και τη γεωστατιστική. Πιο συγκεκριμένα, αφού γίνει μια περιγραφή της γενικότερης έννοιας και χρησιμότητας της γεωστατιστικής, παρουσιάζονται αναλυτικά οι μη γεωστατιστικές μέθοδοι και τα μειονεκτήματα τους, καθώς επίσης και οι γεωστατιστικές μέθοδοι. Στη συνέχεια, γίνεται ανάλυση του βαριογράμματος, της χρήσης του και των διαφορετικών ειδών βαριογραμμάτων, ενώ το κεφάλαιο κλείνει κάνοντας μια περιγραφή της μεθόδου kriging και των διάφορων παραλλαγών της, καθώς επίσης και της χρήσης αυτών. Το Κεφάλαιο 4, αφορά τη μεθοδολογία που ακολουθήθηκε στη συγκεκριμένη διπλωματική. Πιο συγκεκριμένα, περιγράφεται ο τρόπος, τα μέσα και οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν, έτσι ώστε η έρευνα να καταλήξει σε κάποια συμπεράσματα αναφορικά με την ικανότητα εκτίμησης των δύο υπό εξέταση μεθόδων (ordinary kriging και TRMM βάσει του αλγορίθμου 3B42RT). Το Κεφάλαιο 5, αφορά την παρουσίαση των αποτελεσμάτων και τη σύγκριση των χαρτών που προέκυψαν χρησιμοποιώντας τις δύο υπό εξέταση μεθόδους. Πιο συγκεκριμένα, στο εν λόγω κεφάλαιο, δίνεται η αιτιολόγηση της επιλογής του καταλληλότερου για τη μέθοδο του ordinary kriging βαριογράμματος για την βροχόπτωση για το έτος και τους μήνες του Η επιλογή του βαριογράμματος, 23

24 έγινε μέσα από τη σύγκριση τριών διαφορετικών βαριογραμμάτων (εκθετικού, σφαιρικού και Gaussian) με βάση τρία κριτήρια (στατιστικά σφάλματα εκτίμησηςμέτρησης), το Root Mean Square Error (ρίζα μέσου τετραγωνικού σφάλματος), το Mean Error (μέσο σφάλμα) και το Root Mean Square Standardized Error (τυποποιημένη ρίζα μέσου τετραγωνικού σφάλματος). Επιπρόσθετα, για επαλήθευση της επιλογής του βαριογράμματος, γίνεται σύγκριση μεταξύ των διαγραμμάτων διασποράς, στα οποία απεικονίζονται οι τιμές, που έχουν εκτιμηθεί με το ordinary kriging που χρησιμοποιεί καθένα από τα τρία βαριογράμματα και οι τιμές που έχουν μετρηθεί, αλλά και των διαγραμμάτων διασποράς, των λαθών εκτίμησης του καθενός από τα τρία βαριογράμματα και των μετρημένων-πραγματικών τιμών από τους επίγειους βροχομετρικούς σταθμούς. Στη συνέχεια, έχοντας επιλέξει τα καταλληλότερα βαριογράμματα για κάθε περίπτωση, γίνεται η σύγκριση των τιμών των 20 βροχομετρικών σταθμών με τις τιμές των αντίστοιχων 20 σημείων που προέκυψαν από τους χάρτες του ordinary kriging και του δορυφόρου TRMM. Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται και οι χάρτες Prediction Map, και Prediction Standard Error Map, με τους οποίους μπορούμε να δούμε και να αναλύσουμε την αβεβαιότητα των χαρτών του ordinary kriging. Το Κεφάλαιο 6, αφορά την παρουσίαση, συζήτηση και την ανάλυση των συμπερασμάτων και τις προτάσεις για περαιτέρω έρευνα στο συγκεκριμένο αντικείμενο και τη συγκεκριμένη υπό εξέταση περιοχή. 24

25 Κεφάλαιο 2 ο : Βροχόπτωση και Δορυφορική Τηλεπισκόπηση 2.1 Η τηλεπισκόπηση και οι εφαρμογές της Τηλεπισκόπηση είναι η εξ αποστάσεως συλλογή πληροφοριών σχετιζόμενη με αντικείμενα χωρίς να βρίσκεται κάποιος σε φυσική επαφή μαζί τους. Η τηλεπισκόπηση ορίζεται ως η τέχνη, η επιστήμη και η τεχνολογία με την οποία αποκτούμε αξιόπιστη πληροφορία (όπως χάρτες, διαγράμματα κ.α.) για φυσικά αντικείμενα (όπως έδαφος, κτίρια, φυσικά διαθέσιμα) με τη χρήση φωτογραφίας ή άλλων δεκτών, ειδικότερα εκείνων που λειτουργούν από αεροπλάνα ή διαστημόπλοια. Ο όρος τηλεπισκόπηση δημιουργήθηκε περίπου το έτος 1900 όταν τα αερόπλοια (και αργότερα τα αεροπλάνα) έγιναν μεταφορείς των ανθρώπων πολύ πάνω από την επιφάνεια της γης. Αυτές οι πλατφόρμες επέτρεψαν πρωτόγνωρες θέες του περιβάλλοντος και ειδικότερα της επιφάνειας της γης. Αυτή η θέα ενεργοποίησε μια επιταχυνόμενη πρόοδο στις γεωεπιστήμες. Η επίδραση των ανυψωμένων αυτών πλατφορμών είχε μεγαλύτερη απήχηση σε περιοχές με επίπεδους ορίζοντες όπου έλειπαν οι φυσικές οπτικές γωνίες. Πιο εντυπωσιακή ήταν η εμφάνιση των πρώτων εικόνων της γης που λήφθηκαν από δορυφόρους. Ο πρώτος δορυφόρος καιρού Tiros 1 (Television and InfraRed Observation Satellite) σαν προτεραιότητα είχε την ανάπτυξη ενός μετεωρολογικού συστήματος πληροφοριών. Η πρόγνωση του καιρού θεωρείτο η πιο υποσχόμενη εφαρμογή των διαστημικών παρατηρήσεων. Αν και όχι υψηλής ανάλυσης αυτές οι εικόνες κατέδειξαν ήδη την δυναμική για να αποκτήσουμε γεωφυσικές πληροφορίες σε μεγάλες εκτάσεις π.χ. στην χωρική κατανομή των σύννεφων και του χιονιού επειδή οι αντανακλαστικές τους ιδιότητες ήταν καθαρές υπογραφές πάνω από το σκοτεινότερο γήινο υπόβαθρο. Η τηλεπισκόπηση προήλθε από την ανθρώπινη όραση από ειδικές πλατφόρμες, συμπληρώθηκε από την καταγραφή της οπτικής πληροφορίας, την φωτογραμμετρία και την ποσοτική εκμετάλλευση των καταγεγραμμένων εικόνων. Αργότερα οι μέθοδοι επεκτάθηκαν σε φασματικά εύρη πέρα από το ανθρώπινο μάτι. Για αυτό το σκοπό έπρεπε να αναπτυχθούν ειδικοί αισθητήρες και όργανα. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται ακόμα. Η τηλεπισκόπηση δεν είναι ένας επιστημονικός τομέας με την κλασσική έννοια. Είναι περισσότερο μια συλλογή από μια μεγάλη ποικιλία διαγνωστικών 25

26 μεθόδων που χρησιμοποιούν κυρίως ηλεκτρομαγνητικά κύματα που καλύπτουν το φάσμα μεταξύ ραδιοκυμάτων (μήκος κύματος λ>1m) και των ακτινών γ (λ<10-12 m). Σε κάποιες περιπτώσεις χρησιμοποιούνται τα ηχητικά κύματα ειδικά εκεί όπου οι ηλεκτρομαγνητικές μέθοδοι αποτυγχάνουν. Είναι προφανές ότι πολύ διαφορετικές τεχνικές και δεξιότητες απαιτούνται στα διαφορετικά μέρη μιας τηλεπισκόπησης. Όχι μόνο οι τεχνικές είναι πολυτομεακές αλλά οι εφαρμογές καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος ανθρωπίνων δραστηριοτήτων, όπως για παράδειγμα: αρχαιολογία, κλιματολογία, γεωλογία, υδρολογία και μετεωρολογία (Συμεωνάκης, ). Εικόνα 2.1: Δορυφορική τηλεπισκόπηση μέσω των Landsat-7 και ΕΟ-1,οι οποίοι κινούνται στην ίδια τροχιά (rst.gsfc.nasa.gov). 2.2 Εφαρμογές της τηλεπισκόπησης στην Μετεωρολογία Η μετεωρολογία ως εφαρμοσμένη γεωφυσική επιστήμη βασίζεται στην παρατήρηση και είναι σαφής η ανάγκη για συχνές και ακριβείς μετρήσεις διαφόρων καιρικών παραμέτρων καθώς και η γρήγορη αναμετάδοση αυτών. Η τηλεπισκόπηση αποτέλεσε σημαντικό αρωγό παρέχοντας στους επιστήμονες δύο σημαντικά εργαλεία: τα μετεωρολογικά radar και τους μετεωρολογικούς δορυφόρους. Υπάρχει η δυνατότητα σχεδόν σε πραγματικό χρόνο της δημιουργίας, εξέλιξης και κίνησης των επικίνδυνων καιρικών φαινομένων καθ όλη τη διάρκεια της ζωής τους. Γενετήσιοι μηχανισμοί θεωρούνται οι τοπικές ζώνες σύγκλισης που προκύπτουν από διαφορική θέρμανση της επιφάνειας και της εμφάνισης τοξοειδών γραμμών νέφωσης, οι οποίες 26

27 θεωρούνται η κινητήριος δύναμη εμφάνισης ισχυρών καταιγίδων σε πολλά μέρη του κόσμου. Για όσο το δυνατόν ακριβέστερες μετεωρολογικές προβλέψεις για την ένταση και την κατεύθυνση των ανέμων, για βροχές, χιονοπτώσεις ή ανεμοστρόβιλους καθώς και την ύπαρξη παγετού και ομίχλης απαιτείται ανάλυση των δορυφορικών εικόνων με κατάλληλες μεθόδους. Σημαντική βοήθεια στις μετεωρολογικές προβλέψεις παρέχουν οι χάρτες νέφωσης. Για τη δημιουργία τους απαιτείται η ανάλυση δορυφορικών εικόνων η οποία συνίσταται από τρεις διεργασίες. Αρχικά πραγματοποιείται ο εντοπισμός των νεφών με εξέταση των δεδομένων που προέρχονται από το ορατό και το υπέρυθρο φάσμα για τον καθορισμό της ύπαρξης ή μη νεφών σε κάθε pixel. Τα pixels ταξινομούνται σε δύο κατηγορίες, στα καθαρά και στα νεφώδη. Ακολουθεί η διεργασία της ανάλυσης της ακτινοβολίας με σύγκριση των τιμών της ακτινοβολίας που μετρήθηκε με τις αντίστοιχες τιμές μοντέλων αναφοράς ακτινοβολίας των νεφών, της ατμόσφαιρας και της επιφάνειας. Οι ατμοσφαιρικές ιδιότητες καθορίζονται από άλλα δεδομένα με αποτέλεσμα τα καθαρά pixels δύνανται να χρησιμοποιηθούν για την μέτρηση φυσικών μεγεθών της επιφάνειας της γης, όπως η θερμοκρασία. Από τα νεφώδη pixels προκύπτουν ιδιότητες των νεφώσεων. Για την ολοκλήρωση της διαδικασίας απαιτείται στατιστική ανάλυση όλων των δεδομένων που οδηγεί στη δημιουργία χαρτών που περιλαμβάνουν πληροφορίες για τα νέφη, την ατμόσφαιρα και την επιφάνεια της γης. Μια άλλη σημαντική εφαρμογή της τηλεπισκόπησης που συνεισφέρει σημαντικά στον τομέα της μετεωρολογίας είναι η δημιουργία χαρτών βροχόπτωσης. Με χρήση αυτών των χαρτών είναι δυνατή η πρόβλεψη πλημμυρών και άλλων επικίνδυνων καιρικών φαινομένων. Για την μέτρηση των βροχοπτώσεων συνήθως χρησιμοποιούνται ειδικά όργανα μετρήσεων τα οποία όμως παρουσιάζουν το μειονέκτημα των τοπικών μετρήσεων, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει η δυνατότητα γενικών εκτιμήσεων. Αρχικά χρησιμοποιούνταν χερσαία radar τα οποία λάμβαναν μετρήσεις από τη σκέδαση της ακτινοβολίας από τα μόρια της βροχής ή του χιονιού αλλά χωρίς να λαμβάνουν υπ όψιν τη σκέδαση από τα νέφη. Παρ όλα αυτά η εκτίμηση των επιπέδων των βροχοπτώσεων δεν ήταν εύκολη διότι δεν υπήρχε γραμμική εξάρτηση μεταξύ της σκέδασης και της αναλογίας των βροχοπτώσεων. Σήμερα εκτιμήσεις των βροχοπτώσεων πραγματοποιούνται με χρήση δορυφορικών εικόνων που έχουν ληφθεί στο ορατό (εικ.2.3) και στο υπέρυθρο (εικ.2.2) φάσμα 27

28 καθώς και αυτών που έχουν ληφθεί στην περιοχή των μικροκυμάτων (εικ.2.4) (Εγγλεζοπούλου, 2008). Εικόνα 2.2: Υπέρυθρη δορυφορική εικόνα που δείχνει τον σχηματισμό των νεφών σε πρόωρο στάδιο. (Emirates meteorology blog) Εικόνα 2.3: Δορυφορική εικόνα στο ορατό φάσμα αναπαριστώντας την εξάπλωση των νεφών πάνω από τον Περσικό Κόλπο που δημιουργούν την τροπική καταιγίδα Ida.(The Baltimore Sun, weblogs.marylandweather.com) 28

29 Εικόνα 2.4: Δορυφορική εικόνα μικροκυμάτων. Η ισχυρή βροχόπτωση απεικονίζεται με κόκκινα χρώματα. (Navy Research Lab, Δορυφόροι και Radar που χρησιμοποιούνται στην Μετεωρολογία για την εκτίμηση της Βροχόπτωσης Οι μετεωρολογικοί δορυφόροι παρέχουν πληροφορίες για το ενεργειακό ισοζύγιο γης-ατμόσφαιρας. Παρακολουθούν και αναγνωρίζουν τον τύπο των νεφών, την κατανομή των υδρατμών μέσα στην ατμόσφαιρα, την κάλυψη της γης από χιόνι, πάγο (Αρκτική, Ανταρκτική), το ύψος της επιφάνειας των ωκεανών, τη θερμοκρασία της επιφάνειας της γης καθώς και άλλες ποικίλες παραμέτρους. Αυτοί οι δορυφόροι λαμβάνουν και επανεκπέμπουν μετρήσεις επίγειων σταθμών. Οι μετεωρολογικοί δορυφόροι φέρουν ανιχνευτές διαφόρων ειδών (κυρίως ανιχνευτές ακτινοβολιών) οι οποίοι εκτελούν τις ακόλουθες βασικές λειτουργίες: i) Λήψη και επεξεργασία εικόνων στα φάσματα ορατής και υπέρυθρης ακτινοβολίας επιτρέποντας την μελέτη των νεφικών συστημάτων που συνοδεύουν τα καιρικά φαινόμενα. ii) Ραδιοβόλιση, δηλαδή μετρήσεις καθ ύψος μέσα στην ατμόσφαιρα για τη μέτρηση της κατακόρυφης θερμοκρασιακής και 29

30 υγρασιακής δομής του κατώτερου στρώματος της ατμόσφαιρας, όπου σημειώνονται όλα τα μετεωρολογικά φαινόμενα Κατηγορίες μετεωρολογικών δορυφόρων Υπάρχουν δύο κατηγορίες μετεωρολογικών δορυφόρων: Α) Γεωστάσιμοι δορυφόροι Οι γεωστάσιμοι δορυφόροι είναι τοποθετημένοι πάνω από τον Ισημερινό και το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι ότι περιστρέφονται γύρω από τη Γη με φορά από την Ανατολή προς την Δύση, έχοντας την ίδια γωνιακή ταχύτητα με τη Γη. Το αποτέλεσμα είναι ότι βρίσκονται συνεχώς πάνω από ένα προκαθορισμένο σημείο της Γήινης επιφανείας. Για να επιτευχθεί αυτό, το ύψος του δορυφόρου πρέπει να είναι περίπου km. Η τροχιακή κλίση ενός γεωστάσιμου δορυφόρου είναι 0, δηλαδή το επίπεδο της τροχιάς του ταυτίζεται με αυτό του Ισημερινού. Οι δορυφόροι του τύπου αυτού παρέχουν εικόνες ολόκληρου του γήινου δίσκου που βρίσκεται από κάτω τους. Λόγω όμως της καμπυλότητας της Γης, οι εικόνες των πολικών περιοχών δεν θεωρούνται αξιόπιστες για επιστημονική εκμετάλλευση. Στη κατηγορία των γεωστάσιμων δορυφόρων ανήκει η σειρά των δορυφόρων GOES (Geosynchronous Operational Environmental Satellites) που έχει θέσει σε λειτουργία η Αμερικάνικη Μετεωρολογική Υπηρεσία καθώς και η σειρά των Ευρωπαϊκών δορυφόρων METEOSAT που χρησιμοποιείται κυρίως από τις Ευρωπαϊκές Μετεωρολογικές Υπηρεσίες. Επτά δορυφόροι ΜΕΤΕΟSΑT έχουν τεθεί σε τροχιά από το 1977 μέχρι σήμερα από την Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία, ο τελευταίος της σειράς (METEOSAT-7) εκτοξεύθηκε τον Σεπτέμβριο του Άλλοι γεωστάσιμοι δορυφόροι έχουν τεθεί σε τροχιά από την Ινδία (INSAT-2E), τη Ρωσία (GOMS Geostationary Operational Meteorological Satellite), την Ιαπωνία (GMS) και την Κίνα (Feng Yun 2) (Γιάμα Ευφροσύνη). Η συνδυασμένη χρήση έξι γεωστάσιμων δορυφόρων επιτρέπει τελικά την πλήρη κάλυψη της γήινης επιφανείας, σε ένα εύρος μεταξύ 60 Β και 60 Ν γεωγραφικού πλάτους. 30

31 Εικόνα 2.5: Θέσεις και ονομασίες πέντε γεωστάσιμων δορυφόρων που παρέχουν μετεωρολογικές πληροφορίες (FAO Corporate Document Repository, Β) Δορυφόροι πολικής τροχιάς Οι δορυφόροι πολικής τροχιάς βρίσκονται σε πολύ μικρότερο ύψος πάνω από την επιφάνεια της Γης ( km). Η τροχιά τους είναι περίπου παράλληλη με τους γήινουs μεσημβρινούς (τροχιακή κλίση ). Κατά συνέπεια υπερίπτανται των πολικών περιοχών, γεγονός που εξηγεί την ονομασία τους. Λόγω του χαμηλού ύψουs τροχιάς, η περίοδος περιστροφής τους γύρω από τη Γη είναι min και εκτελούν περίπου 14 πλήρεις περιστροφές μέσα σε ένα 24ωρο. Λόγω της περιστροφής της Γης γύρω από τον άξονα της, το ίχνος του δορυφόρου σε κάθε περιστροφή του είναι μετατοπισμένο προs τα Δυτικά, κατά 2000 km περίπου. H απόσταση αυτή μεταβάλλεται ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος. Οι δορυφόροι πολικής τροχιάς επιτρέπουν την μελέτη περιοχών κοντά στους Πόλους, όπου οι γεωστάσιμοι δορυφόροι δεν μπορούν να παρέχουν δεδομένα υψηλής ευκρίνειας, από την άλλη μεριά, λόγω του χαμηλού ύψους περιστροφής τους πάνω από την Γη μπορούν να δώσουν πολύτιμες πληροφορίες για καιρικά φαινόμενα μικρής κλίμακας (π.χ. καταιγίδες και νεφικά συστήματα μεγέθους της τάξεως μερικών χιλιομέτρων). Στην κατηγορία αυτή ανήκει η σειρά των δορυφόρων ΝΟΑΑ (National Oceanic and Atmospheric Administration) και DMSP (Defense Meteorological Satellite Program) της Αμερικάνικης Κυβερνήσεως. Τέσσερις δορυφόροι ΝΟΑΑ βρίσκονται σήμερα σε λειτουργία και χρησιμοποιούνται από μεγάλο αριθμό Μετεωρολογικών Υπηρεσιών. Επίσης, στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι δορυφόροι METEOR ρώσικης προέλευσης καθώς και οι κινέζικοι Feng Yun 1. 31

32 Εικόνα 2.6: Δορυφόροι πολικής τροχιάς (NPOESS, Η σχετική πληροφορία που παρέχουν σήμερα οι μετεωρολογικοί δορυφόροι εξάγεται από φωτογραφίες (images) που λαμβάνονται τόσο στην ορατή όσο και στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Ιδιαίτερη σημασία έχουν οι εικόνες στην υπέρυθρη περιοχή, δεδομένου ότι από τις μετρήσεις της ενέργειας των υπέρυθρων ακτινοβολιών μπορεί να εξαχθεί μέσω του νόμου Stefan-Boltzmann (η ολική ενέργεια που ακτινοβολείται από την μονάδα επιφάνειας ενός μελανού ή ενός φαιού σώματος και ονομάζεται φασματική εκπομπή ή φάσμα της ακτινοβολίας είναι ευθέως ανάλογη της τέταρτης δύναμης της απόλυτης θερμοκρασίας του), η θερμοκρασία των σωμάτων που εκπέμπουν την ακτινοβολία και, κατά συνέπεια, των σύννεφων στην ανώτερη περιοχή τους. Με δεδομένη τη θερμοβαθμίδα της ατμόσφαιρας, η θερμοκρασία της ανώτερης περιοχής των σύννεφων μπορεί να αξιοποιηθεί για την εκτίμηση του ύψους τους. Μικρή θερμοκρασία της περιοχής των σύννεφων συνεπάγεται μεγάλο πάχος σύννεφων και κατά συνέπεια μεγάλη πιθανότητα κατακρήμνισης. Με σύγκριση των αναλύσεων των υπέρυθρων εικόνων με πραγματικά βροχομετρικά δεδομένα εδάφους, προκύπτουν εμπειρικές σχέσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση του ύψους βροχής σε περιοχές που δε διαθέτουν βροχομετρικούς σταθμούς. Σε αυτή τη θεώρηση στηρίζεται η λεγόμενη μέθοδος θερμοκρασίας κατωφλίου. Πρόκειται για μια απλή μέθοδο που εκτιμά το ύψος βροχής, σε μηνιαία χρονική και χωρική κλίμακα που ορίζεται από ένα κάνναβο 2.5 x 2.5, με βάση τον εμπειρικό τύπο h = (3mm/h)ƒd. 32