ΧΑΡΟΚΟΠΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

ΧΑΡΟΚΟΠΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΣΧΟΛΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ, ΓΕΩΓΡΑΦΙΑΣ & ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΩΝ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΓΡΑΦΙΑΣ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗΣ ΑΠΟ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥΣ. Πτυχιακή Εργασία Φιλιππούση Λουΐζα- Μαρία Αθήνα, 2017.

ΧΑΡΟΚΟΠΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΣΧΟΛΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ, ΓΕΩΓΡΑΦΙΑΣ & ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΩΝ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΓΡΑΦΙΑΣ Τριμελής Εξεταστική Επιτροπή Κατσαφάδος Πέτρος (Επιβλέπων) Επίκουρος Καθηγητής, Τμήμα Γεωγραφίας, Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο Παρχαρίδης Ισαάκ Αναπλ. Καθηγητής, Τμήμα Γεωγραφίας, Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο Χαλκιάς Χρίστος Αναπλ. Καθηγητής, Τμήμα Γεωγραφίας, Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο ` 2

Η Φιλιππούση Λουΐζα- Μαρία δηλώνω υπεύθυνα ότι: 1) Είμαι ο κάτοχος των πνευματικών δικαιωμάτων της πρωτότυπης αυτής εργασίας και από όσο γνωρίζω η εργασία μου δε συκοφαντεί πρόσωπα, ούτε προσβάλει τα πνευματικά δικαιώματα τρίτων. 2) Αποδέχομαι ότι η ΒΚΠ μπορεί, χωρίς να αλλάξει το περιεχόμενο της εργασίας μου, να τη διαθέσει σε ηλεκτρονική μορφή μέσα από τη ψηφιακή Βιβλιοθήκη της, να την αντιγράψει σε οποιοδήποτε μέσο ή/και σε οποιοδήποτε μορφότυπο καθώς και να κρατά περισσότερα από ένα αντίγραφα για λόγους συντήρησης και ασφάλειας. 3

Some things are only capable of being done in space. Examples of that are looking at our Earth from far away, and understanding the entire processes of storms and weather patterns, and oceans, and coastlines. - Laurel Clark (STS- 107 Preflight Crew Interview, 2002). 4

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου κύριο Πέτρο Κατσαφάδο για την συμπαράσταση, την κατανόηση και την αφιέρωση του χρόνου του καθ όλη τη διάρκεια της συγγραφής αυτής της εργασίας. Η συμβολή και η καθοδήγησή του ήταν καθοριστική για την σωστή ολοκλήρωση της πτυχιακής. Επίσης πολύ σημαντική για μένα ήταν και η εμπιστοσύνη του στην ανάθεση του θέματος αυτού. Επιπλέον, ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να δώσω στον υπεύθυνο του τμήματος Μετεωρολογικών Δορυφόρων της Εθνικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας κύριο Αντώνη Φιαμέγκο για την ανιδιοτελή προσφορά του και την βοήθεια τόσο στο θεωρητικό μέρος της εργασίας, όσο και στην μελέτη των δορυφορικών δεδομένων. Τέλος, θα ήθελα να επισημάνω την μεγάλη ευγνωμοσύνη που αισθάνομαι προς τους φίλους μου και κυρίως προς την οικογένειά μου για την πίστη, την κατανόηση και την συμπαράσταση που μου έδειξαν σε όλη την διάρκεια των μαθητικών και φοιτητικών μου χρόνων. Η αμέριστη υποστήριξή τους σε κάθε μου επιλογή ήταν πολύ σημαντική για μένα. 5

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 8 ΑBSTRACT... 9 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ... 10 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΧΑΡΤΩΝ... 15 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ & ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ... 16 ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΕΣ... 18 ΜΕΡΟΣ Α... 21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ.... 21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟΙ ΔΟΡΥΦΟΡΟΙ.... 24 2.1 Ιστορικά στοιχεία... 24 2.2 Τηλεπισκόπηση.... 37 2.2.1 Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία... 42 2.3 Είδη μετεωρολογικών δορυφόρων.... 43 2.4 Εφαρμογές μετεωρολογικών δορυφόρων.... 47 2.5 Μετεωρολογικά δορυφορικά συστήματα και αισθητήρες.... 60 2.5.1 Ο αισθητήρας MVIRI του METEOSAT- 7.... 60 2.5.2 Ο αισθητήρας SEVIRI των METEOSAT 2 ης γενιάς (MSG).... 63 2.5.3 Οι αισθητήρες IMAGER και SOUNDER των GOES- N.... 74 2.5.4 Οι αισθητήρες των POES.... 75 2.6 Εκτίμηση βροχόπτωσης με τον MPE.... 80 2.7 Εκτίμηση βροχόπτωσης με τον TRMM.... 85 ΜΕΡΟΣ Β... 102 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗΣ 24 ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ 2014.... 102 3.2 Εκτίμηση και αξιολόγηση δορυφορικών δεδομένων... 115 3.2.1 Μεθοδολογία και ανάλυση δεδομένων.... 115 3.2.2 Αξιολόγηση δορυφορικών δεδομένων βροχόπτωσης... 133 6

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 145 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 147 7

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η συγκεκριμένη πτυχιακή εργασία αναλύει τα μετεωρολογικά δορυφορικά δεδομένα, πιο συγκεκριμένα τα δεδομένα που αφορούν και δίνουν πληροφορίες για τη βροχόπτωση σε διάφορες περιοχές του πλανήτη (MPE & TRMM). Βασικός στόχος της εργασίας είναι η αξιολόγηση αυτών των δορυφορικών συστημάτων ύστερα από σύγκρισή τους με τις μετρήσεις τριών μετεωρολογικών σταθμών της Εθνικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας. Ο κύκλος των δορυφόρων καιρού διακρίνονται σε δύο διαφορετικά είδη τροχιάς: 1) οι γεωστατικοί δορυφόροι και 2) οι δορυφόροι πολικής τροχιάς. Οι εφαρμογές τους περιλαμβάνουν την εκτίμηση της βροχόπτωσης, το χαρακτηρισμό των νεφών, τη μέτρηση της θερμοκρασίας, τη μελέτη των φυσικών καταστροφών κ.α. Οι κύριοι αισθητήρες που αξιολογήθηκαν και μελετήθηκαν τα αποτελέσματα τους στην συγκεκριμένη εργασία είναι ο MPE και ο TRMM που είναι υπεύθυνοι για της δορυφορικές εκτιμήσεις βροχόπτωσης. Ο MPE (Multi- sensor Precipitation Estimate) των ευρωπαϊκών δορυφόρων, για την παραγωγή δεδομένων χρησιμοποιεί υπέρυθρες εικόνες και μικροκυματικά δεδομένα και η ανάλυση τους γίνεται σε χωρικά παράθυρα 5 5. Από τη πλευρά της NASA ο ίδιος αισθητήρας είναι ο TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), του οποίου τα βασικότερα όργανα για τις εκτιμήσεις είναι ο PR (Precipitation Radar), ο VIRS (Visible and Infrared Scanner) και ο TMI (TRMM Microwave Imager). Η αξιολόγησή των δορυφορικών δεδομένων βροχόπτωσης έγινε ύστερα από τη μελέτη της ακραίας βροχόπτωσης στις 24 Οκτωβρίου 2014 στη Δυτική Αττική. Οι μετεωρολογικοί σταθμοί που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της μελέτης ήταν της Ελευσίνας, του Τατοΐου και της Νέας Φιλαδέλφειας. Ύστερα από επεξεργασία αυτών των μετρήσεων οι μεγαλύτερες τιμές βροχόπτωσης σημειώθηκαν από τις 12-15 UTC με τα ύψη υετού να είναι στο Τατόι 41,7mm, στην Ελευσίνα 31,1mm και στη Νέα Φιλαδέλφεια 33mm. Οι τιμές αυτές συγκρίθηκαν με τις εκτιμήσεις του MPE και του TRMM. Τα αποτελέσματα έπειτα από τη σύγκριση έδειξαν ότι οι εκτιμήσεις του TRMM στις 9 UTC και στις 12 UTC ήταν πολύ κοντά με της μετρήσεις των σταθμών. Ειδικότερα και τα δύο δεν κατάφεραν να καταγράψουν τη μεγάλη σε ένταση βροχή εκείνης της μέρας. Στο τρίωρο που σημειώθηκαν οι μεγαλύτερες μετρήσεις ο MPE και ο TRMM υποεκτίμησαν την περίπτωση δίνοντας πολύ χαμηλές τιμές ως και μηδενικές. Λέξεις Κλειδιά: Βροχόπτωση, μετεωρολογικοί δορυφόροι, MPE, TRMM. 8

ΑBSTRACT This thesis analyzes the meteorological satellite data, particularly that data which concerns and gives information about the rain rates (MPE+TRMM). The main purpose of this study is the appraisal of satellite data through the comparison between them and the measurements of three meteorological stations of the National Meteorological Service in order to understand if their estimations are reliable. The orbits of meteorological satellites are divided into two different types 1) geosynchronous orbit and 2) polar- orbit satellites. Some of the applications of those satellites are the estimate of precipitation, cloud characterization, temperature measurement and the research of natural disaster etc. The two sensors that are evaluated and studied in this work are MPE and TRMM which are responsible for satellite precipitation estimates. The MPE (Multi-sensor Precipitation Estimate) of European satellites, during data production, uses infrared images and microwave data and is analyzed in geographical 5 x5 boxes. On the side of NASA, the same sensor is the TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission). The main instruments for its estimates are PR (Precipitation Radar), VIRS (Visible and Infrared Scanner) and TMI (TRMM Microwave Imager). The general objective of this research is evaluating MPE and TRMM products in comparison with ground rain gauges data. In this work the extreme rainfall on 24 October 2014 in western Attica is studied and the validation is based on this. The rain gauges used during the research are located in Elefsina, Tatoi and Nea Philadelphia. When these measurements were processed, the higher rainfall values were recorded from 12-15 UTC and the heights at Tatoi 41.7mm, Elefsina 31.1mm and Nea Philadelphia 33mm. These values were compared with the estimates of MPE and TRMM. The results of this comparison showed a correlation between the TRMM estimates at 9 UTC and 12 UTC and ground based data, as opposed to the MPE that estimated poorly the ground rainfall observations. In particular, both failed to record the heavy rainfall of that day, the MPE, and the TRMM underestimated the case by giving the lowest values as low as zero. Key Words: Precipitation, meteorological satellites, MPE, TRMM. 9

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 2.1.1:Ο δορυφόρος Explorer VII (Πηγή: EUMETSAT).... 25 Εικόνα 2.1.2: Πρώτη δορυφορική εικόνα του δορυφόρου TIROS (Πηγή: NOAA, 1/4/1960).... 25 Εικόνα 2.1.3: Ο δορυφόρος ATS-1 (Πηγή: NASA).... 26 Εικόνα 2.1.4: Ο γεωστατικός δορυφόρος GOES-1 (Πηγή: NOAA).... 28 Εικόνα 2.1.5: Ο δορυφόρος METEOSAT-1.... 29 Εικόνα 2.1.6: Η πρώτη εικόνα του METEOSAT- 1 (9/12/1977, Πηγή: ESA)... 30 Εικόνα 2.1.7: Δορυφόρος της σειράς Meteor- 3.... 32 Εικόνα 2.1.8: Η οπτική γωνία του δορυφόρου.... 34 Εικόνα 2.2.1: Απεικόνιση της διαδικασίας τηλεπισκόπησης από δορυφόρο με αισθητήρα.... 38 Εικόνα 2.2.2: Πλέγμα υψηλής και χαμηλής χωρικής ανάλυσης.... 39 Εικόνα 2.2.3: Ψηφιακές εικόνες διαφορετικής ραδιομετρικής ανάλυσης με 2, 4, 8 και 16 επίπεδα.... 41 Εικόνα 2.2.1.1: Ανάλυση του φάσματος της ορατής ακτινοβολίας.... 42 Εικόνα 2.3.1: Οι τροχιές των μετεωρολογικών δορυφόρων.... 43 Εικόνα 2.3.2: Γεωστατική τροχιά των μετεωρολογικών δορυφόρων.... 45 Εικόνα 2.3.3: Πολική τροχιά των μετεωρολογικών δορυφόρων.... 46 Εικόνα 2.3.4: Ηλιοσύγχρονη τροχιά.... 47 Εικόνα 2.4.1: Απεικόνιση από το METEOSAT-6 στις 21 Δεκεμβρίου του 1997 12UTC, στο ορατό (1 η ), στο θερμικό υπέρυθρο (2 η ) και στο κανάλι των υδρατμών (3 η ), όπου οι γκρι τόνοι δείχνουν τη συγκέντρωση των υδρατμών στην ατμόσφαιρα. (Πηγή: ESA).... 50 Εικόνα 2.4.2: Ορατή εικόνα από μετεωρολογικό δορυφόρο ( GOES) που χρησιμοποιείται για τον καθορισμό των παραμέτρων των σύννεφων.... 52 Εικόνα 2.4.3:Υπέρυθρη εικόνα από μετεωρολογικό δορυφόρο (GOES) που χρησιμοποιείται για τον καθορισμό των παραμέτρων των σύννεφων.... 52 10

Εικόνα 2.4.4: Κατανομή βροχής όπως καταγράφηκε σε τροπική καταιγίδα πάνω από τη Βόρεια Κίνα.... 53 Εικόνα 2.4.5: Πρόβλεψη τροχιάς τυφώνα (Πηγή: EUMETSAT).... 54 Εικόνα 2.4.6: Ανίχνευση του τυφώνα Isabel από δορυφόρο. Αριστερά απεικόνιση από MFG στο κανάλι του υπέρυθρου. Δεξιά απεικόνιση RGB ( από MSG (Πηγή: EUMETSAT).55 Εικόνα 2.4.7: Ομίχλη πάνω από το δυτικό τμήμα της Μεσογείου, δορυφορική εικόνα (True Color) από MSG, 5/2/2004, 11.00 UTC (Πηγή : EUMETSAT).... 55 Εικόνα 2.4.8: Φωτιά στην περιοχή της Ισπανίας και Πορτογαλίας, 3/8/2003, δορυφορική απεικόνιση από MSG στο υπέρυθρο κανάλι (Πηγή: EUMETSAT).... 56 Εικόνα 2.4.9: Φωτιά στην περιοχή της Ισπανίας και Πορτογαλίας, 3/8/2003, δορυφορική απεικόνιση από MFG στο υπέρυθρο κανάλι (Πηγή: EUMETSAT).... 56 Εικόνα 2.4.10: Φωτιά πάνω από την περιοχή της Γουινέας, δορυφορική εικόνα RG (IR 3.9r, NIR 1.6, VIS 0.6) από MSG (Πηγή: EUMETSAT).... 57 Εικόνα 2.4.11: Έκρηξη ηφαιστείου στο Ανατολικό Κονγκό, δορυφορική εικόνα από MFG στο υπέρυθρο κανάλι στις 10/5/2004, 06.00 UTC (Πηγή: EUMETSAT).... 57 Εικόνα 2.4.12: Έκρηξη ηφαιστείου στο Ανατολικό Κονγκό, δορυφορική εικόνα RGB (VIS 0.8, IR 10.8- IR 8.7, IR 12.0- IR 8.7) από MSG στις 10/5/2004, 06.00 UTC (Πηγή: EUMETSAT).58 Εικόνα 2.4.13: Πλημμύρα σε μία περιοχή της Ανκκόλα 3/2/2004 11.30 UTC, δορυφορική εικόνα από MFG στο κανάλι του ορατού (Πηγή:EUMETSAT).... 58 Εικόνα 2.4.14: Πλημμύρα σε μία περιοχή της Ανγκόλας 3/2/2004 11.30 UTC, δορυφορική εικόνα RGB από MSG (Πηγή:EUMETSAT)... 59 Εικόνα 2.5.1.1: Το πεδίο ορατότητας του δορυφόρου METEOSAT-7 (Πηγή: WMO). 60 Εικόνα 2.5.1.2: Απεικόνιση από το κανάλι του ορατού του MVIRI (Πηγή: EUMETSAT).61 Εικόνα 2.5.1.3: Απεικόνιση από το κανάλι των υδρατμών του MVIRI (Πηγή: EUMETSAT). 62 Εικόνα 2.5.1.4: Απεικόνιση από το υπέρυθρο κανάλι του MVIRI (Πηγή: EUMETSAT).62... 62 Εικόνα 2.5.2.1: Δορυφόρος MSG σε τροχιά με τον αισθητήρα SEVIRI (Πηγή: ESA).. 63 Εικόνα 2.5.2.2: Τα τμήματα των δορυφόρων Meteosat Second Generation (Πηγή:EUMETSAT).... 64 11

Εικόνα 2.5.2.3: Σάρωση της γης από τον SEVIRI.... 66 Εικόνα 2.5.2.4: Οι απεικονίσεις του SEVIRI στα 12 φασματικά κανάλια... 67 Εικόνα 2.5.2.5: Δορυφορική απεικόνιση από το SEVIRI στο φασματικό κανάλι 1 του ορατού. (Πηγή: Dundee Satellite Receiving Station).... 68 Εικόνα 2.5.2.6: Δορυφορική απεικόνιση από το SEVIRI στο φασματικό κανάλι 2 του ορατού. (Πηγή: Dundee Satellite Receiving Station).... 68 Εικόνα 2.5.2.7: Δορυφορική απεικόνιση από το SEVIRI στο φασματικό κανάλι 3 του κοντινού υπέρυθρου. (Πηγή: Dundee Satellite Receiving Station).... 69 Εικόνα 2.5.2.8: Δορυφορική απεικόνιση από το SEVIRI στο φασματικό κανάλι 4 του υπέρυθρου (24/7/2014, 15.00 UTC) (Πηγή: Dundee Satellite Receiving Station).... 70 Εικόνα 2.5.2.9: Δορυφορική απεικόνιση από το SEVIRI στο φασματικό κανάλι 4 του υπέρυθρου (24/1/2015, 15.00 UTC). (Πηγή: Dundee Satellite Receiving Station).... 70 Εικόνα 2.5.2.10: Το ενεργειακό φάσμα, λειτουργίες φασματική απόκριση για τα θερμικά κανάλια του SEVIRI (Πηγή: EUMETSAT).... 71 Εικόνα 2.5.2.11: Δορυφορική απεικόνιση από το κανάλι 5 των υδρατμών (Πηγή: EUMETSAT).... 73 Εικόνα 2.5.2.12: Απεικόνιση της ποσότητας του Ο 3 στην ίδια περιοχής από το υπέρυθρο κανάλι 8 (Πηγή: EUMETSAT).... 73 Εικόνα 2.5.4.1: Ο αισθητήρας AVHRR/3 (Πηγή: ΝΟΑΑ)... 77 Εικόνα 2.5.4.2: Ο αισθητήρας HIRS/3 (Πηγή: ΝΟΑΑ).... 78 Εικόνα 2.5.4.3: Τα φασματικά κανάλια του AMSU- A (Πηγή: EUMETSAT).... 79 Εικόνα 2.6.1: Ποσοστά βροχής από τον MPE και τον SSM/I στην Κεντρική και Νοτιοανατολική Ευρώπη, 11/8/2002 στις 06.00 UTC. Ισχυρή βροχή στις Δαλματικές Ακτές λόγω κίνησης του κυκλώνα Genoa κοντά στην ακτή (Πηγή: EUMETSAT).... 82 Εικόνα 2.6.2: Look-up tables (LUT) που προέρχονται από ένα 6ωρο στις 19 Αυγούστου 2001 με αριθμό πλαισίου 229, πάνω από τη Δυτική Αφρική (Πηγή: EUMETSAT).... 83 Εικόνα 2.6.3: Look-up tables (LUT) που προέρχονται από ένα 6ωρο στις 19 Αυγούστου 2001 με αριθμό πλαισίου 16, νοτιοδυτικά της Νότιας Αφρικής (Πηγή: EUMETSAT)... 83 12

Εικόνα 2.6.4: Στιγμιαία βροχόπτωση στις 19/8/2001, 9.00 UTC που προέκυψε ύστερα από εκτίμηση του MPE. Η δειγματοληψία για τα LUTs έγινε από τις 3.00 UTC- 9.00 UTC. Το πάνω βέλος αντιστοιχεί στη εικόνα 3.6.2 και το κάτω στην εικόνα 3.6.3 (Πηγή: EUMETSAT). 84 Εικόνα 2.7.1: Η τροχιά του TRMM (Πηγή: NASDA).... 87 Εικόνα 2.7.2: Η σχηματική αναπαράσταση του TRMM και η σάρωση από τα 3 όργανα για την μέτρηση της βροχόπτωσης (Πηγή: NASA).... 89 Εικόνα 2.7.3: Το ραντάρ PR (Πηγή: NASDA).... 91 Εικόνα 2.7.4: Το σχέδιο μέτρησης της βροχόπτωσης του PR (Πηγή: NASA).... 93 Εικόνα 2.7.5: Δειγματοληψία δεδομένων κατά τη διάρκεια της λειτουργίας παρατήρησης (Πηγή: NASDA).... 94 Εικόνα 2.7.6: Ο κυκλώνας PAM και η πρώτη εικόνα του PR (Πηγή: NASDA).... 95 Εικόνα 2.7.7: Η τρισδιάστατη δομή την βροχόπτωσης του κυκλώνα PAM (Πηγή: NASDA).... 96 Εικόνα 2.7.8: Μοτίβο κατανομής της ανακλαστικότητας των ραντάρ (Αριστερά: πληροφορίες από τον PR, Δεξιά: πληροφορίες από το ραντάρ εδάφους στην περιοχή της Μελβούρνης) (Πηγή: NASDA).... 97 Εικόνα 2.7.9: Κατανομή βροχόπτωσης τον Ιανουάριο του 1998 και 1999 (1998: Εl Nino, 1999: Κανονικό έτος) (Πηγή: NASDA).... 98 Εικόνα 2.7.10: Eπιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας τον Ιανουάριο του 1998 και 1999 (1998: Εl Nino, 1999: Κανονικό έτος) (Πηγή: NASDA).... 99 Εικόνα 3.1: Υπόγειο πάρκινγκ σε super- market στο Ίλιον.... 102 Εικόνα 3.2: Εικόνες καταστροφής στο πάρκινγκ super- market.... 103 Εικόνα 3.3: Καταστροφές σε κατοικίες μετά την πλημμύρα στο Ίλιον... 103 Εικόνα 3.4: Μεταφορά αυτοκινήτων λόγω της ισχυρής βροχόπτωσης στις 24/10/2014. 104 Εικόνα 3.5: Υποχώρηση του ρέματος Εσχατιάς.... 104 Εικόνα 3.6:Το ύψος της πλημμύρας στο Μενίδι... 105 Εικόνα 3.7: Το ύψος και η ένταση της πλημμύρας στο Ίλιον.... 105 Εικόνα 3.8: Λεωφόρος Καβάλας μετά την ισχυρή βροχόπτωση.... 106 Εικόνα 3.9: Δρόμος στο λιμάνι του Πειραιά κατά τη διάρκεια της βροχόπτωσης.. 106 13

Εικόνα 3.10: Χάρτης επικινδυνότητας από πλημμυρικό κίνδυνο (Πηγή: Λέκκας Θ., 2010, (Αθήνα), «Επιχειρησιακή Οργάνωση των Δήμων του ΑΣΔΑ για την Πολιτική Προστασία & την Αντιμετώπιση Φυσικών & Περιβαλλοντικών Κινδύνων. Α Φάση: Δράσεις Μείωσης Πλημμυρικού Κινδύνου», Εθνικό Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, Τμήμα Γεωλογίας & Γεωπεριβάλλοντος).... 107 Εικόνα 3.11: Χάρτης ανθρωπογενών παρεμβάσεων στο υδρογραφικό σύστημα του Κηφισού (Πηγή: Λέκκας Θ., 2010, (Αθήνα), «Επιχειρησιακή Οργάνωση των Δήμων του ΑΣΔΑ για την Πολιτική Προστασία & την Αντιμετώπιση Φυσικών & Περιβαλλοντικών Κινδύνων. Α Φάση: Δράσεις Μείωσης Πλημμυρικού Κινδύνου», Εθνικό Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, Τμήμα Γεωλογίας & Γεωπεριβάλλοντος).... 108 Εικόνα 3.1.1: Απεικόνιση του γεωδυναμικού στις 23/10 στις 18 UTC (Πηγη: http://www.wetter3.de )... 110 Εικόνα 3.1.2: Χάρτης επιφανειακής ανάλυσης 23/10 στις 12 UTC (Πηγή: UK Met Office). 111 Εικόνα 3.1.3: Ραδιοβόλιση της μεσημβρινές ώρες στην περιοχή του Ελληνικού (Πηγή: weather.co.uk.)... 112 Εικόνα 3.1.4: Χάρτης ανέμων 850 hpa στις 12 UTC (Πηγή: wetter3.de)... 113 Εικόνα 3.1.5: Χάρτης ανέμων 500 hpa στις 12 UTC (Πηγή: wetter3.de)... 113 Εικόνα 3.1.6: Απεικόνιση του γεωδυναμικού στις 24/10 στις 18 UTC (Πηγή: UK Met Office).... 114 Εικόνα 3.1.7: Απεικόνιση του γεωδυναμικού στις 24/10 στις 12 UTC.... 114 Εικόνα 3.2.1.1: Η θέση των τριών μετεωρολογικών σταθμών από τους οποίους πήραμε δεδομένα βροχόπτωσης για τις 24 Οκτωβρίου 2014 (Πηγή: Ε.Μ.Υ).... 116 Εικόνα 3.2.1.2: Απεικόνιση πλεγματικών σημείων και η θέση των τριών μετεωρολογικών σταθμών (9.00 UTC).... 120 Εικόνα 3.2.1.3: Απεικόνιση των δεδομένων βροχής του TRMM στις 12UTC.... 123 Εικόνα 3.2.1.4: Απεικόνιση των δεδομένων βροχής του TRMM στις 15UTC.... 124 Εικόνα 3.2.1.5: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 8.00-8.45UTC.... 125 Εικόνα 3.2.1.6: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 9.00-9.45UTC.... 126 Εικόνα 3.2.1.7: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 10.00-10.45UTC.... 127 14

Εικόνα 3.2.1.8: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 11.00-11.45UTC.... 128 Εικόνα 3.2.1.9: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 12.00-12.15 UTC.... 129 Εικόνα 3.2.1.10: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 12.30-12.45 UTC.... 130 Εικόνα 3.2.1.11: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 13.00-13.45 UTC.... 131 Εικόνα 3.2.1.11: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 14.30-14.30 UTC.... 132 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΧΑΡΤΩΝ Χάρτης 3.2.2.1: Συγκριτικός χάρτης δεδομένων βροχόπτωσης και ταξινόμηση αθροιστικών δορυφορικών δεδομένων 8.45-11.45 UTC.... 138 Χάρτης 3.2.2.2: Συγκριτικός χάρτης δεδομένων βροχόπτωσης και ταξινόμηση αθροιστικών δορυφορικών δεδομένων 9.00-12.00 UTC.... 139 Χάρτης 3.2.2.3: Συγκριτικός χάρτης δεδομένων βροχόπτωσης και ταξινόμηση αθροιστικών δορυφορικών δεδομένων 9.15-12.15 UTC 140 15

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ & ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ Πίνακας 2.5.2.1: Τα 12 φασματικά κανάλια του SEVIRI και οι χρήσεις τους (Πηγή: ESA). 65 Πίνακας 2.7.1.: Τα προϊόντα των δεδομένων του ΤRMM. (Πηγή: Kummerow et al., 2000, The status of the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM ) after Two Years in Orbit, Journal of Applied Meteorology, Vol. 39, pp. 1970) 100 Πίνακας 3.2.1.1: Οι συντεταγμένες από τους τρεις μετεωρολογικούς σταθμούς... 116 Πίνακας 3.2.1.2: Τα δεδομένα βροχόπτωσης σε mm ανά χρόνο σε UTC στον μετεωρολογικό σταθμό Τατοΐου της 24 ης Οκτωβρίου 2014 (Πηγή: Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία). 117 Πίνακας 3.2.1.3: Τα δεδομένα βροχόπτωσης σε mm ανά χρόνο σε UTC στον μετεωρολογικό σταθμό Ελευσίνας στις 24 ης Οκτωβρίου 2014 (Πηγή: Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία). 117 Πίνακας 3.2.1.4: Τα δεδομένα βροχόπτωσης σε mm ανά χρόνο σε UTC στον μετεωρολογικό σταθμό Νέας Φιλαδέλφειας στις 24 ης Οκτωβρίου 2014 (Πηγή: Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία).... 117 Διάγραμμα 3.2.1.1: Διάγραμμα ύψους βροχής σε mm (κάθετος άξονας) σε σχέση με το χρόνο σε UTC (οριζόντιος άξονας) για τις τρεις περιοχές.... 119 Πίνακας 3.2.1.5: Οι τιμές βροχόπτωσης σε mm ανά χρόνο σε UTC από τα δορυφορικά δεδομένα TRMM στον μετεωρολογικό σταθμό της Ελευσίνας στις 24 Οκτωβρίου 2014. 121 Πίνακας 3.2.1.6: Οι τιμές βροχόπτωσης σε mm ανά χρόνο σε UTC από τα δορυφορικά δεδομένα TRMM στον μετεωρολογικό σταθμό Τατόι στις 24 Οκτωβρίου 2014.... 121 Πίνακας 3.2.1.7: Οι τιμές βροχόπτωσης σε mm ανά χρόνο σε UTC από τα δορυφορικά δεδομένα TRMM στον μετεωρολογικό σταθμό της Ν. Φιλαδέλφειας στις 24 Οκτωβρίου 2014.... 121 Διάγραμμα 3.2.1.2: Διάγραμμα ύψους βροχής σε mm (κάθετος άξονας) σε σχέση με το χρόνο σε UTC (οριζόντιος άξονας) για τις τρεις περιοχές από τα δορυφορικά δεδομένα TRMM. 122 Πίνακας 3.2.2.1: Συγκριτικός πίνακας υψών βροχής στην περιοχή της Ελευσίνας.. 133 Διάγραμμα 3.2.2.1: Συγκριτικό διάγραμμα υψών βροχής στην περιοχή της Ελευσίνας. 133 Πίνακας 3.2.2.2: Συγκριτικός πίνακας υψών βροχής στην περιοχή του Τατοΐου.... 134 Διάγραμμα 3.2.2.2: Συγκριτικό διάγραμμα υψών βροχής στην περιοχή του Τατοΐου.134 Πίνακας 3.2.2.3: Συγκριτικός πίνακας υψών βροχής στην περιοχή της Ν. Φιλαδέλφειας. 134 16

Διάγραμμα 3.2.2.3: Συγκριτικό διάγραμμα υψών βροχής στην περιοχή της Ν. Φιλαδέλφειας.... 135 Διάγραμμα 3.2.2.4: Συγκριτικό διάγραμμα MPE, TRMM και Μετεωρολογικών σταθμών για τις 12.00 UTC..143 Διάγραμμα 3.2.2.5: Εικοσιτετράωρο συγκριτικό διάγραμμα MPE, TRMM και Μετεωρολογικών σταθμών για τις 12.00 UTC 144 17

ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΕΣ AMSU: APT: ATS: AVHRR: CCD: CERES: DMSP: EPS: ESA: ESRO: EUMETSAT: FY: GMS: GOES: GOMS: HIRS: IFOV: IR: ISRO: JAXA: LEO: Advanced Microwave Sounding Unit Automatic Picture Transmission Application Technology Satellite Advanced Very High Resolution Radiometer Charge- couple Device Clouds and Earth s Radiant Energy System Defense Meteorological Satellite Program European Polar System European Space Agency European Space Research Organization European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellite Feng-Yum Geostationary Meteorological Satellite Geostationary Operational Environmental Satellite Geostationary Operational Meteorological Satellite High Resolution Infrared Radiation Sounder Instantaneous Field of View Infrared Indian Space Research Organization Japan Aerospace Exploration Agecy Low Earth Orbit 18

LIS: LUT: METEOSAT: MFG: MHS: MPA: MPE: MRIR: MSG: MTG: MVIRI: NASA: NIR: nm: NOAA: OLS: POES: PR: SAGE: SBUV: SEVIRI: SMS: SSM/I: Lighting Imaging Sensor Look- up Table Meteorological Satellite Meteosat First Generation Microwave Humidity Sounder Multi- sensor Precipitation Analysis Multi- sensor Precipitation Estimate Medium Resolution Infrared Radiometer Meteosat Second Generation Meteosat Third Generation Meteosat Visible and Infrared Imager National Aeronautics and Space Administration Near Infrared Nanometer National Oceanic and Atmospheric Administration Operational Linescan System Polar Operational Environmental Satellites Precipitation Radar Stratospheric Aerosol and Gas Experiment Solar Backscatter Ultraviolet Spectral Radiometer Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager Synchronous Meteorological Satellite Special Sensor Microwave Image/ Sounder 19

TIROS: TIROS- N: TMI: TMPA: TRMM: UTC: VHRR: VIRS: VIS: VISSR: WMO: WV: Television Infrared Observation Satellite Television Infrared Observation Satellite- New generation TRMM Microwave Imager TRMM Multi- satellites Precipitation Analysis Tropical Rainfall Measurement Mission Universal Time Coordinate Very High Resolution Radiometer Visible and Infrared Scanner Visible Visible and Infrared Spin Scan Radiometer World Meteorological Organization Water vapor 20

ΜΕΡΟΣ Α ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ. Η πρόγνωση του καιρού αποτελεί μία επιστήμη που χρονολογείται από τον 17 ο αιώνα. Η χρήση των μετεωρολογικών δορυφόρων προσφέρει αρκετές δυνατότητες στους μετεωρολόγους, όπως τη δυνατότητα να έχουν πλήρη εικόνα της γης σε σύντομο χρονικό διάστημα, καθώς επίσης παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες και μετεωρολογικές παρατηρήσεις ειδικότερα για απομακρυσμένες περιοχές του πλανήτη στις οποίες δεν ήταν εύκολα διαθέσιμες με τις παραδοσιακές πηγές δεδομένων του παρελθόντος. Συνοπτικά, η δορυφορική μετεωρολογία αποτελεί εφαρμογή της τηλεπισκόπησης στο ατμοσφαιρικό σύστημα και ουσιαστικά καταγράφει και αναλύει τα διάφορα καιρικά φαινόμενα από απόσταση (Καρτάλης και Φειδίας, 2006). Ο πρωταρχικός λόγος της εφαρμογής των μετεωρολογικών δορυφόρων είναι η κάλυψη χρονικών και χωρικών κενών από τα δεδομένα εδάφους, για μια σειρά εφαρμογών όπως είναι η πρόβλεψη των καιρικών φαινομένων. Οι παραγόμενες εικόνες αποτελούν την πιο σημαντική πηγή εξαγωγής δεδομένων καθώς μπορούν: α) να χρησιμοποιηθούν ως εργαλεία ανάλυσης, β) να βοηθήσουν στην γρήγορη πρόβλεψη των καιρικών φαινομένων μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα και γ) να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση ενός μοντέλου πρόβλεψης. Οι χρήσεις των τοπικών δεδομένων εδάφους έχουν πολύ σημαντικούς περιορισμούς εξαιτίας της έλλειψης μετρήσεων πάνω από τις ωκεάνιες περιοχές του πλανήτη. Οι μετρήσεις αυτές αφορούν την θερμοκρασία, τη βροχόπτωση, την υγρασία και τον άνεμο. Από όλα όσα αναφέρθηκαν η βροχή είναι το καιρικό φαινόμενο που έχει άμεση επίπτωση στην ανθρώπινη ζωή, ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα είναι η έντονη βροχόπτωση και οι πλημμύρες (Levizzani et al., 2002). Το σημαντικό πλεονέκτημα τους είναι ότι δίνουν ακριβείς μετρήσεις της βροχής. Παρόλα αυτά δεν είναι σε θέση να επαληθεύσουν τις δορυφορικές εκτιμήσεις στους ωκεανούς καθώς περιορίζονται σε χερσαίες και νησιωτικές περιοχές. Οι εκτιμήσεις των δορυφορικών δεδομένων βροχόπτωσης χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μέτρηση του παγκόσμιου ύψους βροχής σε σχεδόν πραγματικό χρόνο. Επιπλέον, τα δεδομένα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για κλιματικές μελέτες, προβλέψεις, προειδοποίηση φυσικών καταστροφών (π.χ. πλημμύρες) και παρακολούθηση των υδάτινων πόρων (Seyyedi, 2010). 21

Όπως όλα τα δεδομένα παρατηρήσεων έτσι και οι δορυφορικές εκτιμήσεις βροχής απαιτούν τη διερεύνηση και την αξιολόγησή τους. Αυτό πραγματοποιείται μετά από έρευνες που έχουν στόχο την επαλήθευση των εκτιμήσεων του δορυφόρου από τα δεδομένα εδάφους και τα δεδομένα των ραντάρ (Levizzani et al., 2007). Μέχρι σήμερα έχουν πραγματοποιηθεί αρκετές μελέτες σύγκρισης πάνω στα δορυφορικά δεδομένα βροχής με δεδομένα από ραντάρ ή μετρήσεις εδάφους. Δύο από τα σημαντικά δορυφορικά συστήματα εκτίμησης της βροχόπτωσης είναι ο MPE (Multi- sensor Precipitation Estimate) και ο TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission). Οι περισσότερες από αυτές τις έρευνες έχουν σαν αποτέλεσμα την υποεκτίμηση του ύψους βροχής από τους δορυφόρους. Ενδεικτικά κάποιες από τις έρευνες που έχουν γίνει κατά καιρούς είναι: η σύγκριση του TRMM 3B42, MPEG και του CFSR με μετρήσεις εδάφους στη λίμνη Tana της Αιθιοπίας για το χρονικό διάστημα 1994-2008 (Worqlul et al., 2014). Τα αποτελέσματα της έρευνας αυτής ήταν η υποεκτίμηση της βροχής από τον MPE και τον TRMM, ο CFSR σε κάποια σημεία της περιοχής μελέτης υποεκτιμούσε το ύψος βροχής ενώ σε άλλα εκτιμούσε μεγαλύτερες τιμές βροχόπτωσης. Παρόλα αυτά, ο MPE και CFSR κατάφεραν να αποδώσουν αρκετά καλά την κατανομή της βροχόπτωσης. Σε μία άλλη έρευνα με στόχο την αξιολόγηση των δεδομένων MPE (Seyyedi, 2010) στην περιοχή της Ολλανδίας εξετάστηκαν δύο περιστατικά βροχόπτωσης στις 14-17 Μαΐου 2009 με έντονες βροχοπτώσεις και πλημμύρες και στις 25-27 Μαΐου 2009 με ισχυρές καταιγίδες. Ύστερα από τη σύγκριση των δορυφορικών δεδομένων με τις μετρήσεις εδάφους παρατηρήθηκε η αδυναμία του MPE να αποδώσει τα ακραία καιρικά φαινόμενα καθώς στην δεύτερη περίοδο υποεκτίμησε τη βροχόπτωση. Για την πρώτη περίπτωση (14-17/5/2009) υπήρχε μεγάλη συσχέτιση. Παρόμοια περίπτωση υποεκτίμησης ήταν η μελέτη των Wooten and Boyles (2014). Ο MPE συγκρίθηκε για τις ημερήσιες εκτιμήσεις του με δεδομένα εδάφους στην ανατολική περιοχή των Η.Π.Α, κατά τη χρονική περίοδο 2002-2011. Δύο ακόμη έρευνες με αντικείμενο μελέτης τον TRMM έγιναν από τους Barbosa et al. (2015) και τους Chokngamwong and Chiu (2008). Στην πρώτη μελέτη παρατηρήθηκε η αδυναμία του TRMM να αποδώσει τις τιμές του ύψος βροχής. Τα δορυφορικά δεδομένα συγκρίθηκαν με μηνιαίες και ετήσιες μετρήσεις εδάφους στην περιοχή της Βραζιλίας, για την περίοδο 2004-2011. Στην άλλη περίπτωση αξιολογήθηκε με βάση ημερήσιες και μηνιαίες εκτιμήσεις από το 1998 μέχρι το 2002, περιοχή μελέτης στην έρευνα ήταν η Ταϊλάνδη. Τα αποτελέσματα της μελέτης ήταν η υπερεκτίμηση τις περιόδους με χαμηλή βροχόπτωση και η υποεκτίμηση κατά τους μήνες με έντονη βροχόπτωση. 22

Με βάση τα παραπάνω ο ερευνητικός σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας αποτελεί η εφαρμογή των διαθέσιμων δορυφορικών δεδομένων βροχόπτωσης σε μία περίπτωση μελέτης ενός ακραίου καιρικού φαινομένου στην Αττική. Ειδικότερα για την επίτευξη του στόχου η εργασία περιλαμβάνει: o Αξιολόγηση των MPE δεδομένων ύστερα από σύγκρισή τους με μετρήσεις εδάφους. o Αξιολόγηση των TRMM δεδομένων ύστερα από σύγκρισή τους με μετρήσεις εδάφους. o Συγκριτική αξιολόγηση των δύο δορυφορικών συστημάτων. 23

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟΙ ΔΟΡΥΦΟΡΟΙ. Οι μετεωρολογικοί δορυφόροι είναι ένα είδος δορυφόρων που χρησιμοποιούνται για την καταγραφή του καιρού και του κλίματος της Γης. Πιο συγκεκριμένα εκτός από τα καιρικά συστήματα, παρακολουθούν και συλλέγουν πληροφορίες για το περιβάλλον όπως πυρκαγιές, επιπτώσεις μόλυνσης, αμμοθύελλες χιονοκάλυψη και παγοκάλυψη, όρια θαλασσίων ρευμάτων, ροή ενέργειας, κλπ. Οι δορυφόροι διακρίνονται είτε σε πολικής τροχιάς, που παρακολουθούν την ίδια ζώνη της Γης, είτε σε γεωστατικής τροχιάς, που παρακολουθούν μόνιμα ένα συγκεκριμένο τμήμα της Γης. Τα συγκεκριμένα είδη θα αναλυθούν εκτενέστερα στη συνέχεια, καθώς και οι εφαρμογές και οι αισθητήρες τους. 2.1 Ιστορικά στοιχεία. Ο πρώτος δορυφόρος που εκτοξεύτηκε ήταν από τη Ρωσία ο Sputnik 1 στις 4 Οκτωβρίου 1957 και ακολούθησε o αμερικανικός δορυφόρος Explorer 1. Οι πρώτοι δορυφόροι που διέθεταν μετεωρολογικά μηχανήματα ήταν ο Vanguard 2 (1958) που αποσύρθηκε καθώς παρουσίασε προβλήματα στα μηχανικά μέρη. Αντίθετα ο δορυφόρος Explorer VII (1959) ήταν το πρώτο επιτυχημένο μετεωρολογικό πείραμα. Διέθετε μία πρώιμη έκδοση ενός ραδιόμετρου σχεδιασμένο για να μετρά το θερμικό ισοζύγιο της Γης (EUMETSAT). Ο πρώτος μετεωρολογικός δορυφόρος που εκτοξεύτηκε και τέθηκε σε πολική τροχιά χαμηλού υψομέτρου τον Απρίλιο του 1960 και ήταν ο αμερικανικός TIROS 1 από τον Οργανισμό NOAA των ΗΠΑ. Διέθετε τηλεοπτικές κάμερες για την απεικόνιση των νεφών (Houghton, 2002). Στη συνέχεια ακολούθησαν άλλοι 9 δορυφόροι της ίδιας σειράς στους οποίους βέβαια είχαν προστεθεί αποδοτικότερες τεχνολογίες, όπως: o Το ραδιόμετρο MRIR (Medium Resolution Infrared Radiometer). o Οι δορυφόροι TIROS 3, 4 και 7 είχαν εξελιγμένα ραδιόμετρα Suomi. o Ο δορυφόρος TIROS 8 (Δεκέμβριος 1963) διέθετε το APT (Automatic Picture Transmission). 24

o TIROS 9 (Ιανουάριος 1965) διέθετε κάμερες για παγκόσμια απεικόνιση των ατμοσφαιρικών συστημάτων (Kidder & Haar, 1995). Εικόνα 2.1.1:Ο δορυφόρος Explorer VII (Πηγή: EUMETSAT). Εικόνα 2.1.2: Πρώτη δορυφορική εικόνα του δορυφόρου TIROS (Πηγή: NOAA, 1/4/1960). 25

Στη συνέχεια ακολούθησαν οι πειραματικοί μετεωρολογικοί δορυφόροι Nimbus 1, 2, 3, 4, 5, 6 και 7 από το 1964 μέχρι το 1978. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους ήταν: o Τριαξονική σταθερότητα. o Συστήματα κάμερας. o Συσκευή υπέρυθρης απεικόνισης. o Μικροκομματικά ραδιόμετρτα. Το 1966 εκτοξεύτηκε ο πρώτος γεωστατικός δορυφόρος της σειράς ATS (Applications Technology Satellite) από τη NASA που έστειλε τις πρώτες ασπρόμαυρες φωτογραφίες νεφών. Ακολούθησαν 5 δορυφόροι της ίδιας σειράς. Εικόνα 2.1.3: Ο δορυφόρος ATS-1 (Πηγή: NASA). Ο δορυφόρος ATS-3 (1967) είχε συστήματα για μετεωρολογικά και τηλεπικοινωνιακά πειράματα, καθώς έδωσε και τις πρώτες έγχρωμες εικόνες καιρού. Η πρωτοπορία του 26

τελευταίου δορυφόρου της σειράς ATS-6 (1974) ήταν το πειραματικό ραδιόμετρο και η τεχνολογική βοήθεια σε διασώσεις και έρευνες (NASA). Από τη συνεργασία της NASA και της NOAA ξεκίνησε η σειρά δορυφόρων SMS (Synchronous Meteorological Satellite). Ο SMS- 1 εκτοξεύτηκε το 1974 και ακολούθησε ο SMS- 2 το 1975. Η σειρά αυτή ήταν η πρώτη που σχεδιάστηκε για να ανιχνεύει μετεωρολογικές συνθήκες σε γεωστατική τροχιά (NOAA). Τη δεκαετία του 70 η NOAA εκτόξευσε μία σειρά μετεωρολογικών δορυφόρων πολικής τροχιάς. Ο πρώτος NOAA-1 διέθετε δύο ραδιόμετρα σάρωσης που λειτουργούσαν σε μήκη κύματος από 0,5-1,0 μm με ανάλυση 4 χλμ. και σε μήκη κύματος 10,5-12,5 μm (θερμικό) με ανάλυση 8 χλμ. Εκτός, από τα ραδιόμετρα ήταν επανδρωμένος με δύο εξελιγμένες κάμερες που λάμβαναν δεδομένα σε μήκη κύματος από 0,45-0,65 μm με ανάλυση 2,2 χλμ. (Gibson, 2000). Οι δορυφόροι NOAA χρησιμοποιήθηκαν για την παγκόσμια παρακολούθηση της κάλυψης νεφών, της θερμοκρασίας της θάλασσας, του πάγου, του χιονιού και της φωτοσύνθεσης (EUMETSAT). Ειδικότερα αυτοί που εκτοξεύτηκαν από το 1978 (TIROS-N) και ύστερα διέθεταν τον AVHRR έναν αισθητήρα προηγμένου ραδιομέτρου. Το πρώτο ήταν ένα ραδιόμετρο 4 καναλιών. Πλέον το ραδιόμετρο έχει ανάλυση 1,09 χλμ. στο ναδίρ και υποστηρίζει 5 φασματικά κανάλια. Το 1 ο φασματικό κανάλι στο ορατό (0,58-0,68 μm), το 2 ο στο κοντινό υπέρυθρο (0,72-1,00 μm), το 3 ο στο μέσο και θερμικό εκπεμπόμενο υπέρυθρο (1,58-3,93 μm) και τέλος το 4 ο (10,3-11,3 μm) και 5 ο (11,3-12,3 μm) στο θερμικό εκπεμπόμενο υπέρυθρο (NOAA). Το 1972 η αεροπορία των ΗΠΑ εκτοξεύει τον πολικό δορυφόρο DMSP (Defense Meteorological Satellite Program). O συγκεκριμένος δορυφόρος έδινε τη δυνατότητα να παρακολουθούνται τα ακραία καιρικά φαινόμενα (τυφώνες, καταιγίδες κ.α.) με τον αισθητήρα SSMIS μέσω μικροκυματικής ακτινοβολίας, ενώ ο αισθητήρας ΟLS έστελνε πληροφορίες για τα νέφη στα κανάλια του ορατού και του υπέρυθρου και βοηθούσε στη τρισδιάστατη απεικόνισή τους ( Los Angeles Air Force). 27

Εικόνα 2.1.4: Ο γεωστατικός δορυφόρος GOES-1 (Πηγή: NOAA). Το 1975 οι ΗΠΑ εκτοξεύει τον πρώτο γεωστατικό δορυφόρο (16 Οκτωβρίου) της σειράς GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite). Οι δορυφόροι πρώτης γενιάς λειτούργησαν από το 1975 μέχρι το 1994 και σάρωναν μόνο το 10% μιας περιοχής μέσα στο χρόνο που χρειαζόντουσαν οι δορυφόροι επόμενης γενιάς για να σαρώσουν όλοι την περιοχή. Στις 13 Απριλίου του 1994 ξεκίνησε η επόμενη γενιά δορυφόρων με πρώτο τον GOES- 8. Από το 1994 μέχρι το 2001 ακολούθησαν 4 δορυφόροι δεύτερης γενιάς (GOES 9-12) οι οποίοι σάρωναν μεγαλύτερη περιοχή σε μικρότερο χρόνο, λαμβάνοντας συνεχόμενες εικόνες και βολιδοσκοπήσεις. Οι δορυφόροι αυτοί παρέχουν στοιχεία για αξιολόγηση καταιγίδας, πληροφορίες σχετικά με τη νεφοκάλυψη και για τους ανέμους, επίσης παρακολουθούν τα ρεύματα των ωκεανών και την κατανομή της ομίχλης χρησιμοποιώντας οπτικές και υπέρυθρες εικόνες. Στις 24 Μαΐου του 2006 εκτοξεύεται ο πρώτος δορυφόρος τρίτης γενιάς (GOES- 13). Οι δορυφόροι αυτοί διαθέτουν βελτιωμένες εικονικές και ηχητικές βάσεις για τον καλύτερο εντοπισμό των καταιγίδων και άλλων μετεωρολογικών φαινομένων (NOAA). 28

Στα τέλη της δεκαετίας του 70 ξεκίνησαν οι ενέργειες και από τη μεριά της Ευρώπης για την εκτόξευση μετεωρολογικών δορυφόρων. Το 1968, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστημικής Έρευνας (ESRO) έλαβε χρηματοδότηση για τη μελέτη των δορυφόρων εφαρμογής, συμπεριλαμβανομένων και των καιρικών δορυφόρων. Έτσι δημιουργήθηκε η ιδέα της Meteosat η οποία εισήγαγε την έννοια ενός παγκόσμιου συστήματος γεωστατικών δορυφόρων για την παρατήρηση της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας και των καιρικών συνθηκών γύρω από τον ισημερινό, σε σχεδόν πραγματικό χρόνο. Η ιδέα ξεκίνησε να υλοποιείται στις αρχές του 1970 μέσα από ένα πρόγραμμα που ξεκίνησε από την ESRO για να εξυπηρετήσει την μετεωρολογική κοινότητα των χρηστών. Το 1975 από την ESRO δημιουργείται ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ΕΟΔ ή ESA: European Space Agency). Οι ιδρυτές του οργανισμού ήθελαν να δημιουργήσουν ένα ανεξάρτητο ευρωπαϊκό διαστημικό τομέα με οικονομικά οφέλη μέσα από τα αναπτυξιακά και ερευνητικά προγράμματα. Κατά τη διάρκεια των οκτώ πρώτων ετών, οι αρχικοί στόχοι της ESA επιτεύχθηκαν έτσι το Νοέμβριο του 1977 εκτοξεύτηκε ο πρώτος Ευρωπαϊκός δορυφόρος (METEOSAT-1). Τοποθετήθηκε σε γεωστατική τροχιά με 0 γεωγραφικού μήκους, είχε μόνιμο οπτικό πεδίο σε περισσότερες από 100 χώρες, κάλυπτε το μεγαλύτερο τμήμα της Ευρώπης, ολόκληρη την Αφρική, τη Μέση Ανατολή και κατά το ήμισυ το ανατολικό μέρος της Νότιας Αμερικής. Tο 1981 ακολούθησε ο METEOSAT-2 (EUMETSAT). Εικόνα 2.1.5: Ο δορυφόρος METEOSAT-1. 29

Εικόνα 2.1.6: Η πρώτη εικόνα του METEOSAT- 1 (9/12/1977, Πηγή: ESA). Η ESA έχει τη χρηματοδότησης, το ανθρώπινο δυναμικό, την τεχνική υποστήριξη και την απαραίτητη υποδομή για την ανάπτυξη των δορυφόρων Meteosat. Εκτός από την ανάπτυξη του διαστημικού τμήματος και την προμήθεια των δορυφόρων, η ESA ήταν υπεύθυνη για τις επιστημονικές έρευνες. Για την κάλυψη της Ευρώπης με δεδομένα Μετεωρολογικών Δορυφόρων δημιουργήθηκε το 1986 από τα Δυτικό-Ευρωπαϊκά Κράτη ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Μετεωρολογικών Δορυφόρων (EUMETSAT). Τον Ιανουάριο του 1987 η EUMETSAT ανέλαβε τυπική ευθύνη για το σύστημα του Meteosat. Ο τελευταίος δορυφόρος Meteosat της ESA ήταν ο METEOSAT-3, ο οποίος εκτοξεύτηκε στις 15 Ιουνίου 1988 (ESA). 30

Οι δορυφόροι ΜΕΤΕΟSAT- 1,2,3,4,5,6 και 7 αποτελούν τους δορυφόρους πρώτης γενιάς Meteosat. Οι METEOSAT 4,5 και 6 εκτοξεύτηκαν μέσα στο χρονικό διάστημα 1989-1993. Την 1η Δεκεμβρίου 1995, η EUMETSAT ανέλαβε από την ESA τη λειτουργία των δορυφόρων Meteosat από νέο ειδικό Κέντρο Ελέγχου του. Το 1997 εκτοξεύτηκε ο τελευταίος δορυφόρος πρώτης γενιάς METEOSAT-7 ο οποίος είναι μέχρι και σήμερα ενεργός πάνω από τον Ινδικό Ωκεανό (EUMETSAT). Οι δορυφόροι MFG (Meteosat First Generation) έχουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά στοιχεία (ESA): o Είναι γεωστατικοί δορυφόροι. o Η σάρωση των εικόνων γίνεται σε τρία φασματικά κανάλια. Το 1 ο στο ορατό και εγγύς υπέρυθρο τμήμα της ακτινοβολίας, το 2 ο στο μέσο υπέρυθρο ή κανάλι υδρατμών και το 3 ο στο θερμικό υπέρυθρο. o Το ύψος λειτουργίας είναι στο 36.000 χλμ. o Απεικονίζουν νέφη, το ποσοστό των υδρατμών και μετρούν την ανακλαστικότητα των σωμάτων. Το 2002 ξεκίνησε η λειτουργία του πρώτου δορυφόρου δεύτερης γενιάς MSG-1 (METEOSAT-8). Ένα χρόνο αργότερα έχουμε τον πρώτο Ευρωπαϊκό δορυφόρο πολικής και χαμηλής τροχιάς (EPS: European Polar System) τον METOP-1. Το 2005 εκτοξεύτηκε ο MSG-2 (METEOSAT-9) και το 2012 ο MSG-3 (METEOSAT-10) και ο ΜETOP-2. Η σειρά δορυφόρων Meteor αναπτύχθηκε κατά τη δεκαετία του 1960 και αποτελούταν από 25 δορυφόρους παρατήρησης του καιρού από το 1969 έως το 1977. Ο Meteor 1-1 ήταν ο πρώτος μετεωρολογικός δορυφόρος της Σοβιετικής Ένωσης, και εγκαινιάστηκε στις 26 Μαρτίου του 1969 και αρχικά βρισκόταν σε τροχιά ύψους 650 χιλιομέτρων. Δύο ηλιακοί συλλέκτες ήταν προσανατολισμένοι αυτομάτως προς τον ήλιο. Σταμάτησε να λειτουργεί τον Ιούλιο του 1970. Οι δορυφόροι αυτής της σειράς παρείχαν σχεδόν παγκόσμιες παρατηρήσεις των καιρικών συστημάτων της γης, πληροφορίες για τη νεφοκάλυψη, τον πάγο και το χιόνι. Οι εργασίες για την ανάπτυξη της δεύτερης γενιάς Meteor ξεκίνησε το 1967 και ολοκληρώθηκε το 1975. Η σειρά των Meteor- 2 σχεδιάστηκε για να επεκτείνει τη λειτουργική διάρκεια ζωής του διαστημικού οχήματος από έξι μήνες έως ένα χρόνο και είχε την ικανότητα της άμεσης διαβίβασης των μετεωρολογικών δεδομένων στο δίκτυο των σταθμών. Οι Meteor- 31

2 ήταν σε θέση να καλύπτουν 30.000 τετραγωνικά χιλιόμετρα της επιφάνειας της Γης. Το δίκτυο συνήθως αποτελούνταν από δύο ή τρεις δορυφορικές, οι οποίοι χωρίζονται 90 με 180 κατά μήκος του γεωγραφικού μήκους, έτσι επανεμφανίζεται πάνω από την ίδια περιοχή κάθε 60 ή 12 ώρες. Παρείχαν παγκόσμια εικόνα της νεφοκάλυψη επίσης, οι εικόνες από τους δορυφόρους Meteor- 2 αποδείχθηκαν ότι ήταν αρκετά καλές για να διακρίνονται τα χαρακτηριστικά των πάγων στους αρκτικές ωκεανούς. Ο Meteor 2-21 είναι ο τελευταίος δορυφόρος της σειράς Meteor-2, οι οποίοι ξεκίνησαν 22 φορές από το 1975 έως το 1993. Εικόνα 2.1.7: Δορυφόρος της σειράς Meteor- 3. Η σειρά Meteor- 3 ξεκίνησε 7 φορές από το 1984 μέχρι το 1994 και λειτουργεί σήμερα στη Ρωσία. Αυτοί οι δορυφόροι παρέχουν τακτικές για άμεση λήψη εικόνων της νέφωσης και της επιφάνειας της γης στις ζώνες του ορατού και του υπέρυθρου, επιπλέον δίνει πληροφορίες σχετικά με τη θερμοκρασία και την υγρασία του αέρα, την ατμοσφαιρική ακτινοβολία, τη θερμοκρασία στην επιφάνεια της θάλασσας και τη θερμοκρασία στα σύννεφα, επίσης παρέχουν την δυνατότητα για απόκτηση δεδομένων για την παγκόσμια περιβαλλοντική παρακολούθηση, τέλος υπό παρακολούθηση βρίσκεται και η στιβάδα του όζοντος. Η σειρά των Meteor-3 βρίσκεται σε πολική τροχιά, έχει το ίδιο φορτίο με τους Meteor-2, αλλά περιλαμβάνει ένα προηγμένο ραδιόμετρο σάρωσης με καλύτερη φασματική και χωρική ανάλυση και ένα φασματόμετρο για τον προσδιορισμό της συνολικής περιεκτικότητας του όζοντος. Επιπλέον, οι δορυφόροι βρίσκονται σε μεγαλύτερο υψόμετρο έτσι ώστε να παρέχουν μεγαλύτερη κάλυψη της επιφάνειας της Γης (NOAA). Ο βασικός εξοπλισμός αυτής της σειράς δορυφόρων είναι (WMO): 32

o Αισθητήρας με ενσωματωμένο σύστημα καταγραφής δεδομένων για την κατάσταση της παγκόσμιας κάλυψης της γης. o Αισθητήρας για τη λειτουργία της αυτόματης μετάδοσης των δεδομένων. o Σύστημα μέτρησης ακτινοβολίας. o Ραδιόμετρο στο υπέρυθρο για παγκόσμια κάλυψη και μετάδοσης δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Εκτός από τα κύρια όργανα που διαθέτουν οι δορυφόροι αυτής της σειράς, συχνά μπορεί να είναι εξοπλισμένοι με επιπλέον πειραματικά ή ερευνητικά όργανα. Ο Meteor- 3-5 (1991) είναι επανδρωμένος με το φασματόμετρο σάρωσης TOMS για την παγκόσμια χαρτογράφηση του όζοντος το οποίο αναπτύχθηκε από τη NASA. Επίσης, ο Meteor- 3-8 φέρει το όργανο SAGE-II της NASA και το φασματοφωτόμετρο SFM- 2. Tο SAGE- II υποστηρίζει 7 φασματικές ζώνες, παρακολουθεί τη διανομή του όζοντος, των υδρατμών και του διοξειδίου του άνθρακα, επιπλέον επιτρέπει την κάθετη αποτύπωση των συστατικών της ατμόσφαιρας με ανάλυση 1 χιλιόμετρο χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της απορρόφησης που βασίζεται στην εξασθένηση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας που διέρχεται από την ατμόσφαιρα στη γη. To SFM- 2 χρησιμοποιεί επίσης τη μέθοδο της απορρόφησης σε 4 φασματικά κανάλια στη ζώνη συχνοτήτων από 0,25μm μέχρι 0,6μm και επιτρέπει την κάθετη αποτύπωση του όζοντος. Στις 31 Οκτωβρίου του 1994 η Ρωσία εκτοξεύει τον πρώτο (σε πειραματικό στάδιο) γεωστάσιμο δορυφόρο Electro-1 / GOMS-1 (Geostationary Operational Meteorological Satellite- 1) πάνω από τον Ινδικό Ωκεανό. Ο αρχικός σχεδιασμός του προγράμματος ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του 1970 και συνεχίστηκε μέχρι τη δεκαετία του 1980. Με τον GOMS- 1 η Ρωσία εντάχθηκε στη διεθνή ομάδα γεωστατικής παρακολούθησης του καιρού. Οι στόχοι του προγράμματος ήταν (PLANETA): o Η παροχή εικόνων της επιφάνειας και της νεφοκάλυψης της γης σε πραγματικό χρόνο με οπτική γωνία 60º στις ορατές και υπέρυθρες περιοχές του φάσματος. 33

Εικόνα 2.1.8: Η οπτική γωνία του δορυφόρου. o Η μέτρηση της θερμοκρασίας στην επιφάνεια της γης (το έδαφος και τον ωκεανό), καθώς και της νεφοκάλυψης. o Η μέτρηση της ακτινοβολίας και του μαγνητικού πεδίου του περιβάλλοντος χώρου σε γεωστατική θέση. o Η μετάδοση εικόνων μέσω ραδιοφωνικών σταθμών, για τη θερμοκρασία και την ακτινοβολία στα κύρια και περιφερειακά κέντρα λήψης και επεξεργασίας δεδομένων. o Η ανταλλαγή υψηλής ταχύτητας ψηφιακών δεδομένων (αναμετάδοση μέσω δορυφόρου) μεταξύ των κυρίων και των περιφερειακών κέντρων λήψης και επεξεργασίας δεδομένων. o Η αναμετάδοση των επεξεργασμένων μετεωρολογικών δεδομένων με τη μορφή φαξ ή αλφαριθμητικών πληροφοριών από τα κέντρα λήψης και επεξεργασίας προς τους ανεξάρτητους σταθμούς λήψης μέσω δορυφόρου GOMS. 34

o Η ανταλλαγή ψηφιακών δεδομένων υψηλής ταχύτητας (αναμετάδοση μέσω GOMS) μεταξύ όλων των περιφερειακών κέντρων στο εσωτερικό της Ρωσίας. Το 1978 η Ιαπωνία εκτόξευσε τον πρώτο της μετεωρολογικό δορυφόρο γεωστάσιμης τροχιάς GMS (Geostationary Meteorological Satellite). Ακολούθησαν άλλοι 4 δορυφόροι της σειράς GMS. Τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά τους είναι (Meteorological Satellite Center of Japan Meteorological Agency): o Έχουν γεωστατική τροχιά. o Διαθέτουν αισθητήρες απεικόνισης που λαμβάνουν εικόνες συνεχώς. o Ο GMS- 1,2,3 και 4 λαμβάνουν δεδομένα στο ορατό και στο υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. o Ο GMS- 5 (1995) λειτουργεί στο ορατό και σε τρία κανάλια του υπέρυθρου τμήματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. o Παρέχουν πληροφορίες για τα νέφη, όπως επίσης για την ανάλυση και την πρόγνωση του καιρού. Οι επόμενοι ιαπωνικοί δορυφόροι είναι ο MTSAT- 1R (2005) και ο MTSAT- 2 (2010) ο οποίος βρίσκεται σε λειτουργία μέχρι σήμερα. Τα χαρακτηριστικά των δύο τελευταίων γεωστατικών δορυφόρων είναι (Meteorological Satellite Center of Japan Meteorological Agency): o Λαμβάνουν εικόνες στο ορατό και υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος μέσω κάμερας. o Παρέχουν πληροφορίες για τον τύπο και το ύψος των νεφών, για το ποσοστό των υδρατμών και για τα μέτωπα του καιρού. Ο πρώτος δορυφόρος της Ινδίας INSAT- 1A, ξεκίνησε τον Απρίλιο του 1982 από το ISRO (Indian Space Research Organization), αλλά δεν κατάφερε να εκπληρώσει την αποστολή έτσι ο δεύτερος δορυφόρος INSAT- 1Β εκτοξεύτηκε τον Αύγουστο του 1983. Οι δορυφόροι INSAT είναι γεωστάσιμοι δορυφόροι πολλαπλών χρήσεων, καθώς εξυπηρετούν στις τηλεπικοινωνίες, στις ραδιοτηλεοπτικές μεταδόσεις, στη μετεωρολογία και στις υπηρεσίες διάσωσης. Φέρουν τα μέσα για μετεωρολογικές παρατηρήσεις και αναμετάδοσης των δεδομένων για την παροχή 35

μετεωρολογικών υπηρεσιών. Μερικοί από αυτούς τους δορυφόρους έχουν το ραδιόμετρο πολύ υψηλής ανάλυσης (VHRR), κάμερες CCD για μετεωρολογικές απεικονίσεις. Οι δορυφόροι ενσωματώνουν επίσης αναμεταδότες για τη λήψη σημάτων συναγερμού κινδύνου στις περιοχές της Νότιας Ασίας και του Ινδικού Ωκεανού. Οι δορυφόροι της σειράς INSAT- 1 αποτελείται από 4 δορυφόρους και ο τελευταίος εκτοξεύτηκε το 1990 (Indian Space Research Organization). Τον Σεπτέμβριο του 2002 ξεκίνησε ο πρώτος αποκλειστικά μετεωρολογικός δορυφόρος γεωστατικής τροχιάς METSAT ο οποίος μετονομάστηκε σε Kalpana- 1. Έχει γεωγραφικό μήκος 74 ανατολικά. Για τις μετεωρολογικές παρατηρήσεις, ο Kalpana- 1, μεταφέρει πολύ υψηλή ανάλυση ραδιόμετρο (VHRR) το οποίο μπορεί να απεικονίζει τη γη στο κανάλι του ορατού (0,55-0,75μm), του θερμικού υπέρυθρου (10,5-12,5μm) και στο κανάλι των υδρατμών (5,7-7,1μm). Φέρει ωφέλιμα φορτία για την παροχή μετεωρολογικών υπηρεσιών και είναι ο πρόδρομος των μελλοντικών συστημάτων INSAT που θα έχουν χωριστούς δορυφόρους για μετεωρολογικές παρατηρήσεις, για τις τηλεπικοινωνιακές και ραδιοτηλεοπτικές υπηρεσίες (WMO). Τελευταία η Κίνα πραγματοποίησε με επιτυχία την πρώτη εκτόξευσης μετεωρολογικού δορυφόρου το 1988 με τον δορυφόρο πολικής τροχιάς FY-1A να τίθεται σε λειτουργία. Ακολούθησαν οι δορυφόροι FY- 1B (1990), FY- 1C (1999) και FY- 1D (2002). Εκτός από τους δορυφόρους πολικής τροχιάς η Κίνα διαθέτει και γεωστάσιμους δορυφόρους, ο πρώτος FY- 2A εκτοξεύτηκε το 1997 και ακολούθησαν άλλοι 5 γεωστάσιμοι δορυφόροι (FY- 2B, FY- 2C, FY- 2D, FY- 2E, FY- 2F). Οι δορυφόροι αυτοί φέρουν το ραδιόμετρο VISSR (Visible and Infrared Spin Scan Radiometer). Οι εφαρμογές της σειράς FY- 2 είναι η ανάλυση και η καταγραφή των παραμέτρων των νεφών, η μέτρηση της επιφανειακής θερμοκρασίας της θάλασσας και η μέτρηση της ταχύτητας του ανέμου. Τέλος, το 2008 εκτοξεύει τον δεύτερης γενιάς δορυφόρο πολικής τροχιάς FY- 3A και ακολούθησε ο FY-3B το 2010. Οι εφαρμογές των δύο τελευταίων δορυφόρων είναι η αριθμητική πρόγνωση του καιρού, η μελέτη τω κλιματικών αλλαγών, η παρακολούθηση των φυσικών καταστροφών και οι υπηρεσίες μετεωρολογίας στο στρατό (China National Satellite Meteorological Center). 36

2.2 Τηλεπισκόπηση. Ορισμός: Τηλεπισκόπηση ορίζεται ως η τεχνική απόκτησης πληροφοριών για αντικείμενα που βρίσκονται στην γήινη επιφάνεια, μέσα από την ανάλυση δεδομένων που συλλέγονται από ειδικά όργανα τα οποία όμως δεν έχουν φυσική επαφή με τα αντικείμενα. Έτσι η τηλεπισκόπηση μπορεί να αποδοθεί και ως η αναγνώριση ενός αντικειμένου από απόσταση (Avery & Berlin, 1992). Με την τηλεπισκόπηση λοιπόν, γίνεται η συλλογή και η ερμηνεία των πληροφοριών που αφορούν σε ένα αντικείμενα, μία περιοχή ή ένα φαινόμενο χωρίς να υπάρχει επαφή με αυτό. Οι δορυφόροι αποτελούν το πιο συνηθισμένο μέσο τηλεσκοπίας. Τα αντικείμενα ή τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας της γης καταγράφονται από την ανακλώμενη ή την αποβαλλόμενη ακτινοβολίας, καθώς ανάλογα από τις ιδιότητες των υλικών, την τραχύτητα της επιφάνειας, τη γωνία πρόπτωσης της ακτινοβολίας, την πυκνότητα και το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, επιστρέφουν διαφορετικά ποσά ενέργειας σε διαφορετικές ζώνες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Τα βήματα της τηλεπισκόπησης είναι: o Αποβολή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. o Μετάδοση της ενέργειας από την πηγή στην επιφάνεια της γης, απορρόφηση και σκέδαση. o Αλληλεπίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με την επιφάνεια της γης, αντανάκλαση και αποβολή. o Έξοδος των δεδομένων του αισθητήρα. o Μετάδοση δεδομένων, επεξεργασία και ανάλυση. 37

Εικόνα 2.2.1: Απεικόνιση της διαδικασίας τηλεπισκόπησης από δορυφόρο με αισθητήρα. Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες του μηδενός όλα τα αντικείμενα εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ανάλογα με τις ταλαντώσεις των ατόμων και των μορίων τους. Η συνολική εκπεμπόμενη ακτινοβολία από κάθε σώμα είναι ανάλογη της θερμοκρασίας του. Κάθε σώμα έχει τη δικιά του κατανομή ανακλώμενης, αποβαλλόμενης και απορροφούμενης ακτινοβολίας η οποία χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό των αντικειμένων, τη λήψη πληροφοριών για το σχήμα, τις φυσικές και χημικές του ιδιότητες. Όλοι οι δορυφόροι στη τηλεπισκόπηση χαρακτηρίζονται από τη συλλογή δεδομένων εικόνας η οποία βασίζεται στη χωρική (spatial), φασματική (spectral), ραδιομετρική χρονική (temporal) ανάλυση ή διακριτική ικανότητα. ( radiometric) και Χωρική Ανάλυση Για ορισμένα όργανα καταγραφής η απόσταση αυτού και του στόχου είναι καθοριστική για τη λεπτομέρεια της παραγόμενης εικόνας. Η ευδιάκριτη λεπτομέρεια σε μία εικόνα εξαρτάται από τη χωρική ανάλυση του οργάνου καταγραφής και αναφέρεται στο μέγεθος του μικρότερου χαρακτηριστικού που μπορεί να ανιχνευθεί. Οι δορυφόροι που βρίσκονται σε πολύ υψηλή τροχιά ενώ καταγράφουν μεγάλες περιοχές η διακριτική του ικανότητα περιορίζεται (Παρχαρίδης, 2003). 38

Η χωρική ανάλυση καθορίζει των αριθμό των pixels των εικόνων των δορυφόρων που λαμβάνονται από τη γη. Υπάρχουν δορυφόροι που χαρακτηρίζονται από μεγάλη χωρική ανάλυση ( 0,6-4 m.), μεσαία χωρική ανάλυση ( 4-30 m.), και χαμηλή χωρική ανάλυση ( 30-1000 m.) στις εικόνες που διακρίνονται μόνο μεγάλα χαρακτηριστικά της γήινης επιφάνειας χαρακτηρίζονται από χαμηλή χωρική ανάλυση, αντίθετα στις εικόνες υψηλής ανάλυση μπορούν να ανιχνευτούν πιο μικρά σε μέγεθος αντικείμενα. Εικόνα 2.2.2: Πλέγμα υψηλής και χαμηλής χωρικής ανάλυσης. Ο τρόπος μέτρησης της χωρικής ανάλυσης βασίζεται Στιγμιαίο Πεδίο Ορατότητας (Instantaneous Field of View, IFOV). Το IFOV είναι η περιοχή της γήινης επιφάνειας που ανιχνεύεται από το ανάλογο όργανο, από ένα δεδομένο ύψος σε μία συγκεκριμένη χρονική στιγμή και εξαρτάται από την οπτική των αισθητήρων και το μήκος κύματος. Για τους μετεωρολογικούς δορυφόρους η χωρική ανάλυση αποσκοπεί στη συλλογή πληροφοριών για δισδιάστατο επίπεδο. Τέτοιες πληροφορίες μπορεί να αφορούν στην θερμοκρασίας της επιφάνειας, της θάλασσας, των σύννεφων, την υγρασία του εδάφους κ.α. Φασματική Ανάλυση Η φασματική ανάλυση περιγράφει την ικανότητα ενός αισθητήρα να ορίζει τα διαφορετικά διαστήματα του μήκους κύματος, άρα σχετίζεται με τον αριθμό των φασματικών καναλιών που χρησιμοποιεί ο κάθε δορυφόρος. Όσο μεγαλύτερη είναι η φασματική ανάλυση τόσο μεγαλύτερη ακρίβεια και τόσο μικρότερο είναι το εύρος του μήκους κύματος για ένα συγκεκριμένο κανάλι ή ζώνη. 39

Η πιο απλή μορφή φασματικής ανάλυσης είναι ένας αισθητήρας με μία μόνο φασματική ζώνη που ανιχνεύει την ορατή ακτινοβολία, αυτές οι απεικονίσεις μοιάζουν με ασπρόμαυρες φωτογραφίες. Πολλά συστήματα τηλεπισκόπησης έχουν την ικανότητα να καταγράφουν την ενέργεια σε διαφορετικά μήκη κύματος και με διαφορετικές φασματικές αναλύσεις, τα συστήματα αυτά αποτελούν τους πολυφασματικούς αισθητήρες. Ραδιομετρική Ανάλυση Τα ραδιομετρικά χαρακτηριστικά περιγράφουν την πραγματική πληροφορία που περιέχεται σε μία εικόνα. Κατά την αποτύπωση μιας εικόνας, η ευαισθησία της στην ένταση της ανακλώμενης ενέργειας καθορίζει τη ραδιομετρική ικανότητα (Παρχαρίδης, 2003). Όσο καλύτερη είναι η ραδιομετρική ανάλυση ενός αισθητήρα τόσο πιο ευαίσθητος είναι αυτός στην ανίχνευση μικρών διαφορών στην αποβαλλόμενη ή ανακλώμενη ενέργεια. Τα δεδομένα απεικόνισης αντιπροσωπεύονται από θετικούς αριθμούς που μεταβάλλονται από το 0 μέχρι μία τιμή x 2. Το εύρος μεταξύ των τιμών αντιπροσωπεύει τον αριθμό των bits που χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση ενός αριθμού ψηφίων στο δυαδικό σύστημα. Επιπλέον, από τον αριθμό των bits, που χρησιμοποιούνται στην αναπαράσταση της καταγραφόμενης ενέργειας, εξαρτάται και ο μέγιστος αριθμός των επιπέδων φωτεινότητας. Η αύξηση της ραδιομετρικής ικανότητας έχει ως αποτέλεσμα και την αύξηση στις διαβαθμίσεις του γκρι στην εικόνα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, τα δεδομένα της εικόνας να εμφανίζονται σε μία κλίμακα του γκρι με το λευκό να αναπαριστάται με την μέγιστη τιμή. 40

Εικόνα 2.2.3: Ψηφιακές εικόνες διαφορετικής ραδιομετρικής ανάλυσης με 2, 4, 8 και 16 επίπεδα. Χρονική Ανάλυση Η χρονική ανάλυση αφορά την συχνότητα λήψης εικόνων για μια συγκεκριμένη περιοχή. Η λήψη εικόνων από ένα δορυφορικό σύστημα για την απεικόνιση της ίδιας γεωγραφικής περιοχής με την ίδια γωνία παρατήρησης είναι της τάξης κάποιων ημερών, χαρακτηρίζεται ως απόλυτη χρονική διακριτική ικανότητα και παίζει σημαντικό ρόλο στην ομοιότητα των δύο εικόνων. Τα δύο βασικά χαρακτηριστικά που θα πρέπει να ικανοποιούνται έτσι ώστε τα αποτελέσματα να είναι αξιόπιστα, είναι (Παρχαρίδης, 2003): o Η λήψη των εικόνων για μία περιοχή θα πρέπει να λαμβάνονται από τα συστήματα την ίδια περίπου ώρα, ώστε να αποτρέπονται οι ημερήσιες διαφορές της γωνίας πρόπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας. 41

o Θα πρέπει να λαμβάνονται την ίδια περίοδο του έτους, για να εξαλείφονται οι διαφοροποιήσεις των επιφανειακών χαρακτηριστικών. Επιπλέον, κάποιο δορυφόροι ρυθμίζουν τους αισθητήρες τους ώστε να στοχεύουν κάποιες περιοχές ενώ βρίσκονται σε επόμενες τροχιές. Ενώ, άλλα συστήματα μεταξύ δύο συνεχόμενων τροχιών παρέχουν επικάλυψη από 10 μέχρι 30%. Κατά συνέπεια, η χρονική ανάλυση εξαρτάται επίσης και από τις ιδιότητες των δορυφορικών συστημάτων, την επικάλυψη των απεικονίσεων και το γεωγραφικό μήκος της περιοχής. 2.2.1 Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Το συνεχόμενο εύρος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας συγκροτεί το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, το οποίο διαχωρίζεται σε φασματικά κανάλια. Τα κανάλια αυτά είναι το υπεριώδες (Ultraviolet, UV), το ορατό (Visible), το υπέρυθρο (Infrared, IR) και το μικροκυματικό (Microwave). Εικόνα 2.2.1.1: Ανάλυση του φάσματος της ορατής ακτινοβολίας. Το υπεριώδες κανάλι βρίσκεται μεταξύ των ακτίνων Χ και του ορατού, με μήκος κύματος από 0,01 μm μέχρι 0,40 μm και διακρίνεται σε μακρινό, ενδιάμεσο και κοντινό. Η φασματική ζώνη του ορατού καθορίζεται με βάση την ανθρώπινη όραση. Έχει μήκος κύματος από 0,40 μm έως 0,70 μm και αποτελείται από έξι χρώματα: το ιώδες, το μπλε, το πράσινο, το κίτρινο, το πορτοκαλί και το κόκκινο. Τα τρία βασικά χρώματα όμως είναι το μπλε 42

(0,40-0,50 μm), το πράσινο (0,50-0,60 μm) και το κόκκινο (0,60-0,70 μm), από τα οποία με τον κατάλληλο συνδυασμό προέρχονται όλα τα υπόλοιπα χρώματα. Το υπέρυθρο κομμάτι του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος έχει μήκος κύματος από 0,70 μm μέχρι 1000 μm και βρίσκεται μεταξύ του ορατού και των μικροκυμάτων. Χωρίζεται σε κοντινό, ενδιάμεσο και μακρινό, όπως επίσης διακρίνεται σε θερμικό και ανακλώμενο. Τέλος, τα μικροκύματα κυμαίνονται από το υπέρυθρο μέχρι τα ραδιοκύματα με μήκος κύματος από 1000 μm μέχρι 1 m και περιλαμβάνει τα μεγαλύτερα μήκη κύματος. 2.3 Είδη μετεωρολογικών δορυφόρων. Οι μετεωρολογικοί δορυφόροι διακρίνονται στις ακόλουθες δύο κατηγορίες με βάσει την τροχιά που ακολουθούν μετά την εκτόξευσή τους, στους δορυφόρους γεωστατικής τροχιάς και στους δορυφόρους πολικής τροχιάς. Εικόνα 2.3.1: Οι τροχιές των μετεωρολογικών δορυφόρων. Οι γεωστατικοί μετεωρολογικοί δορυφόροι έχουν τροχιά γύρω από τη γη πάνω από τον Ισημερινό σε υψόμετρο 35.880 χλμ (22.300 μίλια). Έχουν σταθερό γεωγραφικό μήκος ( 0 ) και οι τοποθεσίες των δορυφόρων διαφέρουν μόνο ως προς το γεωγραφικό πλάτος. Κινούνται κυκλικά με την ίδια γωνιακή ταχύτητα και είναι συγχρονισμένοι με την περιστροφή της γης γύρω από τον άξονά της. Με αυτόν τον τρόπο μία πλήρη τροχιά ολοκληρώνεται σε 24 ώρες, παραμένουν στάσιμοι σε σχέση με τη γη και κινούνται πάνω από μία συγκεκριμένη περιοχή. 43

Οι δορυφόροι αυτού του είδους είναι κατάλληλοι για την παρακολούθηση των καιρικών συνθηκών που απαιτούν κρίσιμες πληροφορίες για την δυναμική της ατμόσφαιρας και την πρόγνωση του καιρού. Ο συνδυασμός των πολλών γεωστάσιμων δορυφόρων επιτρέπει την παρακολούθηση των καιρικών συνθηκών σε ολόκληρη τη γη (Μακρογιάννης και Σαχσαμάνογλου, 2004). Τα πλεονεκτήματα αυτών των δορυφόρων είναι: o Η υψηλή χρονική κλίμακα ανάλυσης των δεδομένων τους. Η ανανέωση της εικόνας πραγματοποιείται κατά μέσο όρο σε χρόνο 30 λεπτών. o Απεικονίζεται ένα μεγάλο μέρος της γήινης επιφάνειας. o Παρακολουθούν αποτελεσματικά την χρονική εξέλιξη των καιρικών φαινομένων. Τα μειονεκτήματα τους είναι: o Η περιορισμένη χωρική ανάλυση,σε σχέση με τους δορυφόρους πολικής τροχιάς, εξαιτίας του υψηλού υψομέτρου. o Είναι δύσκολες οι ακριβές μετρήσεις λόγω του μεγάλου ύψους περιστροφής. o Οι πολικές περιοχές (γεωγραφικό πλάτος 60 ) εμφανίζονται μόνο σε οξείες γωνίες της γήινης σφαίρας. Παραδείγματα γεωστάσιμων δορυφόρων αποτελούν οι METEOSAT, οι GOES, INSAT 1 και 2, ο δορυφόρος GMS κ.α. 44

Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται η γεωστατική τροχιά των μετεωρολογικών δορυφόρων. Εικόνα 2.3.2: Γεωστατική τροχιά των μετεωρολογικών δορυφόρων. Οι δορυφόροι πολικής τροχιάς περιστρέφονται γύρω από τη γη και έχουν τροχιά σχεδόν κάθετη προς το επίπεδο του Ισημερινού, κινούνται δηλαδή από το βορρά προς το νότο (ή αντίστροφα), περνώντας πάνω από τους πόλους κατά τη διάρκεια της συνεχούς πτήσης τους. Βρίσκονται σε υψόμετρο από 850 μέχρι 1500 χλμ. πάνω από τη γη με περίοδο Τ= 100min., έτσι μέσα σε ένα 24ωρο ο πολικός δορυφόρος μπορεί να καλύψει δύο φορές την επιφάνεια της γης (Bader, 1995). Όσο μικρότερο είναι το ύψος τροχιάς των πολικών δορυφόρων τα πλεονεκτήματα είναι τα εξής (Strong, 2005): o Μικρότερη περίοδος τροχιάς. o Ισχυρότερη επιστροφή σήματος. o Καλύτερη χωρική ανάλυση. Παράδειγμα δορυφόρων πολικής τροχιάς αποτελούν οι δορυφόροι NOAA και οι METOP. 45

Εικόνα 2.3.3: Πολική τροχιά των μετεωρολογικών δορυφόρων. Εκτός από τις δύο πιο γνωστές τροχιές τον μετεωρολογικών δορυφόρων υπάρχει και η τροχιά η οποία είναι συγχρονισμένη με τον ήλιο. Οι δορυφόροι που ακολουθούν ηλιοσύγχρονη τροχιά κινούνται κυκλικά σε χαμηλό ύψος 800 χλμ (LEO: Low Earth Orbit) και καλύπτουν κάθε περιοχή της γης σε σταθερό τοπικό χρόνο, που ονομάζεται ηλιακός χρόνος. Οπότε για κάποιο συγκεκριμένο γεωγραφικό μήκος η θέση του ήλιου στον ουρανό καθώς ο δορυφόρο περνάει από εκεί επαναλαμβάνεται για την ίδια εποχή. Δεδομένου λοιπόν ότι ο χρόνος έχει 365 μέρες και ο κύκλος 360, αυτό σημαίνει ότι για να μετατοπιστεί η τροχιά του δορυφόρου κατά 1 χρειάζεται περίπου μία ημέρα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να εξασφαλίζονται σταθερές συνθήκες φωτισμού κατά την απόκτηση εικόνων σε μία συγκεκριμένη περίοδο κατά τη διάρκεια διαδοχικών ετών. 46

Εικόνα 2.3.4: Ηλιοσύγχρονη τροχιά. Η κλίση των δορυφόρων αυτής της τροχιάς επιλέγεται ώστε το τροχιακό επίπεδο γύρω από τη γη να διατηρείται όλο τον χρόνο σε σταθερή γωνία σε σχέση με.μία.νοητή γραμμή ανάμεσα στη γη και τον ήλιο. Όταν η τροχιά του δορυφόρου συμπίπτει με το επίπεδο που χωρίζει το ημισφαίριο της γης που είναι φωτεινό με το ημισφαίριο της γης που είναι σκοτεινό ονομάζεται dawn to dusk τροχιά, η οποία αποτελεί ειδική τροχιά συγχρονισμένη με τον ήλιο. 2.4 Εφαρμογές μετεωρολογικών δορυφόρων. Οι εικόνες που λαμβάνονται από τους μετεωρολογικούς δορυφόρους για την ανάλυση και την πρόγνωση καιρού διακρίνονται σε ορατές και υπέρυθρες εικόνες, εικόνες υδρατμών και εικόνες μικροκυμάτων. Ορατές εικόνες. Οι πιο συνηθισμένη ζώνη του φάσματος που χρησιμοποιείται από τους μετεωρολογικούς δορυφόρους για την λήψη εικόνων είναι αυτή του ορατού. Οι εικόνες από το κανάλι αυτό εκφράζουν την ποσότητα που ανακλάται από τα σύννεφα και τη γήινη επιφάνεια πίσω στο διάστημα. Καθώς οι δορυφόροι ανιχνεύουν μόνο την ποσότητα της ακτινοβολίας οι παραγόμενες εικόνες είναι ασπρόμαυρες, οι περιοχές με μεγαλύτερη ανακλαστικότητα εμφανίζονται με πιο ανοιχτές διαβαθμίσεις του γκρι. 47

Για παράδειγμα, τα σύννεφα που ανακλούν περισσότερη ακτινοβολία εμφανίζονται με λευκό χρώμα σε σχέση με την επιφάνεια της γης που παρουσιάζονται με πιο σκούρα χρώματα. Το πλεονέκτημα των εικόνων αυτών είναι ότι είναι εύκολο να ερμηνευτούν. Σύννεφα, νεφικά συστήματα, λίμνες, δάση, βουνά, χιόνι, πάγος, πυρκαγιές και μόλυνση όπως ο καπνός και η σκόνη είναι εμφανώς αναγνωρίσιμα. Επιπλέον, μπορούν να δώσουν πληροφορίες για το σχήμα, το μέγεθος, το βάθος και την κίνηση των νεφών. Αντίθετα, οι αδυναμίες στη λήψη εικόνων στο ορατό φάσμα είναι ότι μπορούν να ληφθούν κατά τη διάρκεια της ημέρες και ότι υπάρχει δυσκολία διαχωρισμού ανάμεσα στα σύννεφα και την επιφάνεια όταν καλύπτεται από χιόνι. (ESA). Υπέρυθρες εικόνες. Το επόμενο είδος εικόνων, που λαμβάνονται από τους μετεωρολογικούς δορυφόρους, δημιουργούνται από την αποβαλλόμενη ακτινοβολία από τα σύννεφα και την γη στην υπέρυθρη ζώνη. Στο θερμικό υπέρυθρο (κανάλι 3), οι κρύες επιφάνειες φαίνονται πιο φωτεινές και οι θερμικές περιοχές πιο σκοτεινές. Όπως και στο κανάλι του ορατού, τα σύννεφα εμφανίζονται ως φωτεινές περιοχές, αλλά υπάρχουν κάποιες σημαντικές διαφορές. Με δεδομένο ότι η θερμοκρασία μειώνεται με την αύξηση του ύψους από την επιφάνεια της θάλασσας η μικρότερη υπέρυθρη ακτινοβολία αποβάλλεται από τα σύννεφα που είναι πιο απομακρυσμένα από την επιφάνεια της γης, ενώ η μεγαλύτερη υπέρυθρη ακτινοβολία εκπέμπεται από την επιφάνεια της γης. Κατά συνέπεια, τα σύννεφα που απεικονίζονται πιο φωτεινά είναι πιο κρύα, καταλαβαίνουμε λοιπόν ότι βρίσκονται σε ψηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας, καθώς η θερμοκρασία μειώνεται όσο απομακρυνόμαστε από την επιφάνεια της γης. Επομένως οι πιο σκούροι σχηματισμοί νεφών βρίσκονται πιο χαμηλά στην ατμόσφαιρα.(esa) Οι θερμικές και υπέρυθρες εικόνες καταγράφονται από αισθητήρες που ονομάζονται ραδιόμετρα σάρωσης, με αυτές μπορούμε αν ορίσουμε τα ύψη των νεφών και τους τύπους τους, και χρησιμοποιούνται στον προσδιορισμό της κατανομής της θερμοκρασίας στην ξηρά και στις υδάτινες επιφάνειες. Το πλεονέκτημα των απεικονίσεων αυτών είναι ότι μπορούν να ληφθούν κατά τη διάρκεια όλου του εικοσιτετραώρου. Το μειονέκτημα από την άλλη είναι ότι στις εικόνες υπερύθρου είναι δύσκολο να γίνει διάκριση μεταξύ της χαμηλής νέφωσης και των 48

περιοχών χωρίς νέφη, επειδή η θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ νεφών και υγρής γήινης επιφάνειας είναι πολύ μικρή. Επιπλέον σε σύγκριση με τις εικόνες του ορατού οι υπέρυθρες έχουν μικρότερη ανάλυση, αυτό οφείλεται στο ότι η αποβαλλόμενη υπέρυθρη ακτινοβολία είναι μικρότερη από την ορατή ακτινοβολία. Οι υπέρυθρες εικόνες μπορούν να είναι είτε ασπρόμαυρες, είτε έγχρωμες, στις οποίες τα διαφορετικά χαρακτηριστικά αντιστοιχούν σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Στις εικόνες υπέρυθρου το διάστημα εμφανίζεται λευκό, καθώς το κενό δεν ακτινοβολεί στο θερμικό υπέρυθρο. Απεικονίσεις υδρατμών. Το κανάλι υδρατμών είναι πολύ ειδικό, καθώς καταγράφει σε ένα μήκος κύματος όπου η ατμόσφαιρα είναι αδιαφανής καθώς η ακτινοβολία απορροφάται σχεδόν κατά 100%. Η ακτινοβολία που λαμβάνεται από το δορυφόρο σε αυτό το κανάλι προέρχεται από το περιεχόμενο των, κατά τα άλλα, αόρατων υδρατμών της ατμόσφαιρας. Οι μετεωρολογικοί δορυφόροι μπορούν να δώσουν εικόνες από την απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας από ένα αέριο όπως για παράδειγμα οι υδρατμοί. Έτσι είναι δυνατό να αναλυθεί η μετακίνηση των υδρατμών, που περιέχουν μεγάλες ποσότητες λανθάνουσας θερμότητας. Αυτές οι μετακινήσεις είναι σημαντικός παράγοντας κατανομής της ενέργειας στο σύνολο της ατμόσφαιρας. (ESA) Το επίπεδο φωτεινότητας της εικόνας υποδεικνύει τα ποσοστά της υγρασίας στην ατμόσφαιρα. Δεδομένου ότι υπάρχει περιορισμένη ποσότητα υδρατμών στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας καταλαβαίνουμε ότι σε αυτά τα στρώματα η ακτινοβολία που θα εκπέμπεται θα είναι μικρή. Αντιθέτως, από τη μεσόσφαιρα εκπέμπεται η μεγαλύτερη ποσότητα ακτινοβολίας καθώς έχει την μεγαλύτερη περιεκτικότητα υδρατμών. Ανάλογα με την ποσότητα των υδρατμών οι απεικονίσεις χαρακτηρίζονται ως λευκές περιοχές ή περιοχές με χρώμα στην κλίμακα του γκρι. Είναι προφανές πως οι ψυχρές περιοχές έχουν μεγαλύτερη περιεκτικότητα υδρατμών ενώ οι θερμότερες περιοχές μικρότερη και απεικονίζονται ως σκούρες γκρι ή μαύρες. Αξίζει να σημειωθεί, σε αυτό το σημείο, πως στις συγκεκριμένες απεικονίσεις εμφανίζονται μόνο τα επίπεδα υγρασίας στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας και η λήψη της συγκεκριμένης απεικόνισης μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο σε περιοχές που δεν σκιάζονται από σύννεφα. 49

Εικόνα 2.4.1: Απεικόνιση από το METEOSAT-6 στις 21 Δεκεμβρίου του 1997 12UTC, στο ορατό (1 η ), στο θερμικό υπέρυθρο (2 η ) και στο κανάλι των υδρατμών (3 η ), όπου οι γκρι τόνοι δείχνουν τη συγκέντρωση των υδρατμών στην ατμόσφαιρα. (Πηγή: ESA). Ο βασικός ρόλος των απεικονίσεων από μετεωρολογικούς δορυφόρους είναι η πρόβλεψη των καιρικών φαινομένων. Ωστόσο, οι εφαρμογές των μετεωρολογικών δορυφόρων έχουν περισσότερους από έναν στόχους. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται κάποιες από αυτές οι εφαρμογές. o Προσδιορισμός χαρακτηριστικών σύννεφων. Οι απεικονίσεις που λαμβάνονται από τους δορυφόρους τόσο στο κανάλι του ορατού, όσο και στο κανάλι του υπέρυθρου αποτελούν χρήσιμο εργαλείο για τους μετεωρολόγους για τον 50

καθορισμό των παραμέτρων και την παρατήρηση των σύννεφων. Οι ορατές εικόνες δίνουν πληροφορίες για το πάχος, την υφή και το σχήμα του σύννεφου, από την άλλη οι υπέρυθρες εικόνες καθορίζουν το ύψος τους. Οι βασικές παράμετροι που καθορίζουν το είδος ενός σύννεφου είναι: 1) Το κλάσμα κάλυψης του σύννεφου. 2) Η ανώτερη πίεση του σύννεφου. 3) Η ανώτερη θερμοκρασία σύννεφου και κλίμακα μέσης μεταβλητότητας. 4) Το οπτικό πάχος του σύννεφου και η κλίμακα μέσης μεταβλητότητας του. 5) Το καιρικό μονοπάτι του σύννεφου. 6) Η βασική πίεση των σύννεφων. 7) Η βασική θερμοκρασία των σύννεφων. 51

Εικόνα 2.4.2: Ορατή εικόνα από μετεωρολογικό δορυφόρο ( GOES) που χρησιμοποιείται για τον καθορισμό των παραμέτρων των σύννεφων. Εικόνα 2.4.3:Υπέρυθρη εικόνα από μετεωρολογικό δορυφόρο (GOES) που χρησιμοποιείται για τον καθορισμό των παραμέτρων των σύννεφων. o Εκτίμηση βροχόπτωσης. Ακόμη μία σημαντική εφαρμογή των απεικονίσεων από τους μετεωρολογικούς δορυφόρους είναι η εκτίμηση της βροχόπτωσης. Οι εικόνες που λαμβάνονται από τα σύννεφα αναλύονται 52

για την πρόβλεψη του τόπου της βροχόπτωσης. Επίσης μπορεί να γίνει και η πρόγνωση του ύψους βροχής για μία περιοχή αλλά και της δυναμικής της που δίνει τη δυνατότητα να προβλέψουν φαινόμενα όπως είναι η πλημμύρα. Εικόνα 2.4.4: Κατανομή βροχής όπως καταγράφηκε σε τροπική καταιγίδα πάνω από τη Βόρεια Κίνα. o Μέτρηση θερμοκρασίας στα στρώματα του εδάφους. Η χρήση των μετεωρολογικών δορυφόρων για μετρήσεις της θερμοκρασίας είναι αναγκαία σε περιπτώσεις που δεν υπάρχουν διαθέσιμα δεδομένα. Στις χαμηλότερες περιοχές της ατμόσφαιρας οι πληροφορίες σχετικά με τη θερμότητα από τα δορυφορικά δεδομένα είναι πιο ακριβή μόνο κατά τη διάρκεια πολύ ψυχρών ημερών, καθώς η κατανομή της ακτινοβολίας εκείνες τις μέρες στην ατμόσφαιρα είναι ελάχιστη. Παρόλα αυτά μπορεί να επιτευχθεί η παρακολούθηση της μέγιστης και ελάχιστης θερμοκρασία με τη χρήση υπέρυθρων ραδιόμετρων, καθώς επίσης και να παραχθούν χρήσιμες πληροφορίες για την παρατήρηση φυσικών φαινομένων. Τέλος, με τη χρήση της υπέρυθρης απεικόνισης είναι σημαντική στην παραγωγή θερμικών χαρτών της γης. o Προσδιορισμός της ταχύτητας και της κατεύθυνσης των ανέμων. Μία από τις πιο βασικές παρατηρήσεις και τον σωστό προσδιορισμό της κατάστασης στην ατμόσφαιρα είναι ο καθορισμός της ταχύτητας και της διεύθυνσης των ανέμων. Οι 53

πληροφορίες αυτές καθορίζονται ύστερα από παρακολούθηση της μετακίνησης των ανέμων στις ορατές και υπέρυθρες απεικονίσεις που παράγονται από τα δεδομένα των γεωστατικών μετεωρολογικών δορυφόρων, εφόσον υπάρχουν σύννεφα. Ένας ακόμα τρόπος για να παραχθούν αυτές οι πληροφορίες είναι και η παρατήρηση της κίνησης του ανέμου μέσω εικόνων από το κανάλι των υδρατμών. o Εφαρμογές μετεωρολογικών δορυφόρων στη μελέτη ακραίων καιρικών φαινομένων. Ακόμα μία σημαντική εφαρμογή αυτών των δορυφόρων είναι η πρόβλεψη και η μελέτη ακραίων καιρικών φαινομένων (ανεμοστρόβιλοι, τροπικές καταιγίδες, κ.α.). Τα φαινόμενα αυτά ανιχνεύονται και παρακολουθούνται στα διάφορα στάδια ανάπτυξής τους. Μέσω των δορυφορικών πληροφοριών στη μεταβολή των βασικών χαρακτηριστικών των σύννεφων οι μετεωρολόγοι μπορούν να τα προβλέψουν και να προειδοποιήσουν τους πληθυσμούς που μπορεί να κινδυνέψουν. Εικόνα 2.4.5: Πρόβλεψη τροχιάς τυφώνα (Πηγή: EUMETSAT). 54

Εικόνα 2.4.6: Ανίχνευση του τυφώνα Isabel από δορυφόρο. Αριστερά απεικόνιση από MFG στο κανάλι του υπέρυθρου. Δεξιά απεικόνιση RGB ( από MSG (Πηγή: EUMETSAT). o Εφαρμογές μετεωρολογικών δορυφόρων στη μελέτη φυσικών καταστροφών και φυσικών φαινομένων. Εικόνα 2.4.7: Ομίχλη πάνω από το δυτικό τμήμα της Μεσογείου, δορυφορική εικόνα (True Color) από MSG, 5/2/2004, 11.00 UTC (Πηγή : EUMETSAT). 55

Εικόνα 2.4.8: Φωτιά στην περιοχή της Ισπανίας και Πορτογαλίας, 3/8/2003, δορυφορική απεικόνιση από MSG στο υπέρυθρο κανάλι (Πηγή: EUMETSAT). Εικόνα 2.4.9: Φωτιά στην περιοχή της Ισπανίας και Πορτογαλίας, 3/8/2003, δορυφορική απεικόνιση από MFG στο υπέρυθρο κανάλι (Πηγή: EUMETSAT). 56

Εικόνα 2.4.10: Φωτιά πάνω από την περιοχή της Γουινέας, δορυφορική εικόνα RG (IR 3.9r, NIR 1.6, VIS 0.6) από MSG (Πηγή: EUMETSAT). Εικόνα 2.4.11: Έκρηξη ηφαιστείου στο Ανατολικό Κονγκό, δορυφορική εικόνα από MFG στο υπέρυθρο κανάλι στις 10/5/2004, 06.00 UTC (Πηγή: EUMETSAT). 57

Εικόνα 2.4.12: Έκρηξη ηφαιστείου στο Ανατολικό Κονγκό, δορυφορική εικόνα RGB (VIS 0.8, IR 10.8- IR 8.7, IR 12.0- IR 8.7) από MSG στις 10/5/2004, 06.00 UTC (Πηγή: EUMETSAT). Εικόνα 2.4.13: Πλημμύρα σε μία περιοχή της Ανκκόλα 3/2/2004 11.30 UTC, δορυφορική εικόνα από MFG στο κανάλι του ορατού (Πηγή:EUMETSAT). 58

Εικόνα 2.4.14: Πλημμύρα σε μία περιοχή της Ανγκόλας 3/2/2004 11.30 UTC, δορυφορική εικόνα RGB από MSG (Πηγή:EUMETSAT). 59

2.5 Μετεωρολογικά δορυφορικά συστήματα και αισθητήρες. Στο συγκεκριμένο μέρος της εργασίας αναλύονται οι αισθητήρες των ευρωπαϊκών μετεωρολογικών δορυφόρων Meteosat- 7 (MFG) και Μeteosat- 8, 9, 10 (MSG) καθώς επίσης και των αμερικάνικων NOAA ( NOAA- 15-18 και GOES 2 ης γενιάς), οι οποίοι χρησιμοποιούνται σήμερα για την παρακολούθηση των καιρικών φαινομένων. Ιδιαίτερη έμφαση θα δοθεί στους αισθητήρες που παρέχουν δεδομένα για τη βροχόπτωση (MPE και TRMM). 2.5.1 Ο αισθητήρας MVIRI του METEOSAT- 7. Ο δορυφόρος Meteosat- 7 είναι ο τελευταίος από τους δορυφόρους και ο μόνος σε λειτουργια μέχρι σήμερα από τους Μeteosat πρώτης γενιάς (MFG). Εκτοξεύτηκε το 1997, η τροχιά του είναι γεωστάσιμη και βρίσκεται σε ύψος 36.000 χλμ. Πάνω από τον Ινδικό Ωκεανό. Ο βασικός αισθητήρας του δορυφόρου είναι το ραδιόμετρο MVIRI (Meteosat Visible and Infrared Imager). Εικόνα 2.5.1.1: Το πεδίο ορατότητας του δορυφόρου METEOSAT-7 (Πηγή: WMO). o Ο αισθητήρας MVIRI. Ο αισθητήρας MVIRI είναι ένα ραδιόμετρο υψηλής ευκρίνειας. Οι δορυφορικές εικόνες του λαμβάνονται κάθε 30 λεπτά και λειτουργεί σε 3 φασματικά κανάλια: στο ορατό μεταξύ 0,45-1,0μm με χωρική ανάλυση 2,5 χλμ., στο κανάλι των υδρατμών μεταξύ 5,7-7,1μm με χωρική ανάλυση 5 χλμ. και στο υπέρυθρο κανάλι στο διάστημα 10,5-12,5 μm με χωρική 5 χλμ. (ESA). Στις εικόνες από το κανάλι του ορατού παρατηρείται η ανακλαστικότητα της ηλιακής ακτινοβολίας από τα νέφη, τη θάλασσα και το έδαφος. Περιοχές με μεγάλη ανακλαστηκότητα παρουσιάζονται με ανοιχτές αποχρώσεις του γκρι (χιονισμένο έδαφος και νέφη), αντίθετα με σκούρες αποχρώσεις παρατηρούνται περιοχές με χαμηλή ανακλαστικότητα (θάλασσα, έδαφος, νέφη με χαμηλή περιεκτικότητα σε νερό). Σημαντικό ρόλο έχει και η θέση του 60

δορυφόρου και του ήλιου σε σχέση με τη γη, καθώς επηρεάζουν την φωτεινότητα των χρωμάτων. Εικόνα 2.5.1.2: Απεικόνιση από το κανάλι του ορατού του MVIRI (Πηγή: EUMETSAT). Στο κανάλι των υδρατμών μετράται η ακτινοβολία που απορροφάται από τους υδρατμούς και στη συνέχεια εκπέμπεται πίσω στο διάστημα. Όσο περισσότερη είναι η υγρασία των νεφών τόσο μεγαλύτερη είναι η απορρόφηση και η εκπομπή της ακτινοβολίας, οι περιοχές αυτές απεικονίζονται με σκουρόχρωμες διαβαθμίσεις του γκρι, όπως επίσης το έδαφος και η θάλασσα. Αντίθετα οι περιοχές με πιο ανοιχτές αποχρώσεις υποδηλώνουν νέφη με λιγότερη υγρασία, άρα και μικρότερη απορρόφηση και εκπομπή ακτινοβολίας. Ανάλογα τις διαβαθμίσεις του γκρι οι περιοχές χαρακτηρίζονται με υψηλή ή χαμηλή υγρασία. 61

Εικόνα 2.5.1.3: Απεικόνιση από το κανάλι των υδρατμών του MVIRI (Πηγή: EUMETSAT). Τέλος, η θερμική εκπεμπόμενη ακτινοβολία παρατηρείται από το θερμικό κανάλι του αισθητήρα. Περιοχές με χαμηλή θερμοκρασία εκπέμπουν λιγότερη θερμική ακτινοβολία με αποτέλεσμα να φαίνονται πιο φωτεινές στις εικόνες δορυφορικές εικόνες. Το αντίθετο συμβαίνει στις πιο θερμές περιοχές ( θάλασσα, έδαφος, χαμηλά νέφη). Εικόνα 2.5.1.4: Απεικόνιση από το υπέρυθρο κανάλι του MVIRI (Πηγή: EUMETSAT).. 62

2.5.2 Ο αισθητήρας SEVIRI των METEOSAT 2 ης γενιάς (MSG). Η σειρά Meteosat πρώτης γενιάς (MFG) αντικαταστήθηκε από μια νέα σειρά δορυφόρων που ονομάζεται Meteosat δεύτερη γενιά (MSG). Όπως και οι MFG, έτσι και οι MSG δορυφόροι είναι γεωστατικής τροχιάς. Ωστόσο, οι Meteosat 2 ης γενιάς παρέχουν δορυφορικές εικόνες κάθε 15 λεπτά σε 12 φασματικά κανάλια ( 3 στο ορατό, 7 στο υπέρυθρο και 3 στο κανάλι των υδρατμών), σε αντίθεση με τους Meteosat 1 ης γενιάς που έστελναν δορυφορικές εικόνες κάθε 30 λεπτά σε 3 φασματικά κανάλια. Στα 11 κανάλια η χωρική ανάλυση της εικόνας γίνεται στα 3 χιλιομέτρων στο ναδίρ, ενώ μόνο στο κανάλι της υψηλής ανάλυσης του ορατού (High Resolution Visible, HRV) η χωρική ανάλυση γίνεται στο 1 χιλιόμετρο. Στο σημείο αυτό πρέπει να σημειωθεί ότι οι MFG είχαν χωρική ανάλυση 5 χλμ. (στο υπέρυθρο και στο κανάλι των υδρατμών) και 2,5 χλμ. (στο ορατό). Το πρόγραμμα MSG καλύπτει μια σειρά από τρεις όμοιους δορυφόρους MSG-1, -2, και -3. Κάθε δορυφόρος διαθέτει μια αναμενόμενη διάρκεια ζωής του 7 χρόνια. MSG- 1 (Meteosat- 8) εκτοξεύτηκε το 2002, ακολούθησε ο MSG-2 (Meteosat-9) το 2005 και ο MSG-3 (Meteosat- 10) το 2012. (EUMETSAT) Εικόνα 2.5.2.1: Δορυφόρος MSG σε τροχιά με τον αισθητήρα SEVIRI (Πηγή: ESA). 63

Εικόνα 2.5.2.2: Τα τμήματα των δορυφόρων Meteosat Second Generation (Πηγή:EUMETSAT). 64

o Ο αισθητήρας SEVIRI. Η πρωταρχική σκοπός των Meteosat 2 ης γενιάς ήταν η συνέχιση της παρατήρηση του συστήματος της γης και της ατμόσφαιρας και η παροχή περισσότερων πληροφοριών. Αυτό έγινε πραγματικότητα με το οπτικό ραδιόμετρο SEVIRI, το οποίο παρέχει 2 ο φορές περισσότερη πληροφορία σε σχέση με τους δορυφόρους της πρώτης γενιάς. Ο SEVIRI σαρώνει τη γη σε 12 φασματικά κανάλια και παρέχει εικόνες και πληροφορίες κάθε 15 λεπτά. Από τα 12 τα 3 είναι στο ορατό τμήμα, εκ των οποίων το 1 είναι το κανάλι υψηλής χωρικής ανάλυσης, HVR (Channel 12). Στο υπέρυθρο τμήμα λειτουργούν 6 κανάλια και 1 κανάλι στο κοντινό υπέρυθρο τα υπόλοιπα 2 είναι στο κανάλι των υδρατμών. (Πίνακας 2.5.2.1) ΚΑΝΑΛΙ λ min λ λ max ΧΩΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΧΡΗΣΕΙΣ VIS0.6 0.56 0.653 0.71 Ανίχνευση και παρακολούθηση των 1 νεφών και της χερσαίας επιφάνειας. 2 VIS0.8 0.74 0.81 0.88 Ανίχνευση και παρακολούθηση των νεφών και της χερσαίας επιφάνειας. 3 NIR1.6 1.50 1.64 1.78 Διάκριση νεφών με νερό και πάγο. 4 IR3.9 3.48 3.90 4.36 Ανίχνευση των χαμηλών νεφών της ομίχλης/ παρακολούθηση επιφανειακής θερμοκρασίας/ παρατήρηση δασικές πυρκαγιές. 5 WV6.2 5.35 6.25 7.15 Μέτρηση των υδρατμών στην 3 km ανώτερη τροπόσφαιρα/ ατμοσφαιρικές αστάθειες και τοπικοί άνεμοι. 6 WV7.3 6.85 7.35 7.85 Μέτρηση των υδρατμών στην ανώτερη τροπόσφαιρα/ ατμοσφαιρικές αστάθειες και τοπικοί άνεμοι. 7 IR8.7 8.30 8.70 9.10 Ανίχνευση λεπτών νεφών (cirrus)/ ατμοσφαιρική αστάθειες. 8 IR9.7 9.38 9.66 9.94 Μέτρησης του όζοντος. 9 IR10.8 9.80 10.80 11.80 Ανίχνευση νεφών/ θερμοκρασιών της γης και των ωκεανών επιφάνειες/ ατμοσφαιρικές αστάθειες. 10 IR12.0 11.00 12.00 13.00 Ανίχνευση νεφών/ θερμοκρασιών της γης και των ωκεανών επιφάνειες/ ατμοσφαιρικές αστάθειες. 11 IR13.4 12.40 13.40 14.40 Προσδιορισμός του ύψους των νεφών/ 12 HVR Πολυφασματικό κανάλι 0.4-1,1 1km ατμοσφαιρική αστάθειες Ανίχνευση και παρακολούθηση των νεφών και της χερσαίας επιφάνειας. Πίνακας 2.5.2.1: Τα 12 φασματικά κανάλια του SEVIRI και οι χρήσεις τους (Πηγή: ESA). 65

Ο αισθητήρα αυτός παρέχει πολυφασματικές παρατηρήσεις σε ταχέως μεταβαλλόμενα φαινόμενα, καθώς και περισσότερες πληροφορίες για τη μελέτη του ανέμου από τη παρακολούθηση των γρήγορων μεταβολών στα χαρακτηριστικά των σύννεφων. Η απεικόνιση γίνεται, συνδυάζοντας περιστροφή του δορυφόρου και του καθρέφτη σάρωσης. Οι εικόνες λαμβάνονται από το νότο προς το βορρά και από την ανατολή προς τη δύση. Η πρώτη σάρωση επιτυγχάνεται μέσω ενός καθρέφτης που καλύπτει και δίνει πλήρη εικόνα της γης με περίπου 1250 γραμμές σάρωσης, ενώ η δεύτερη γίνεται με τη περιστροφή του δορυφόρου με ρυθμό 100 στροφές ανά λεπτό. Στα 11 πρώτα κανάλια του SEVIRI, χρησιμοποιώντας τρεις ανιχνευτές για την απεικόνιση στο καθένα, γίνεται πλήρη σάρωση της γης, σε ένα κύκλο επανάληψης 15 λεπτών, από τα ανατολικά προς τα δυτικά και από το νότο προς το βορρά. Αντίθετα, το κανάλι HVR με εννέα ανιχνευτές καλύπτει μόνο το ήμισυ της επιφάνειας του πλανήτη στην κατεύθυνση ανατολήςδύσης. ( Εικόνα 2.5.2.4, σελ. 58). Τα φασματικά κανάλια έχουν επιλεγεί έτσι ώστε να παρέχουν καλές πληροφορίες για τα σύννεφα, την επιφάνεια της γης, τους υδρατμούς και το όζον. Ο συνδυασμός των καναλιών παρέχει επίσης χρήσιμες πληροφορίες για την ατμοσφαιρική αστάθεια. Εικόνα 2.5.2.3: Σάρωση της γης από τον SEVIRI. 66

Εικόνα 2.5.2.4: Οι απεικονίσεις του SEVIRI στα 12 φασματικά κανάλια. Τα χαρακτηριστικά και οι εικόνες που λαμβάνονται από το SEVIRI είναι διαφορετικά για κάθε φασματικό κανάλι αφού είναι σε διαφορετικά μήκη κύματος. Στα 2 πρώτα κανάλια του ορατού (VIS0.6 και VIS0.8) γίνεται ανίχνευση των νεφικών συστημάτων, όπως επίσης και παρακολούθηση του εδάφους και της βλάστησης. Τα κανάλια αυτά λαμβάνουν μόνο την ανακλώμενη ακτινοβολία. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η θάλασσα να εμφανίζεται με μαύρο χρώμα, το έδαφος και τα διαφανή νέφη με γκρι, ενώ με λευκό παρουσιάζονται τα λεπτά νέφη και το χιόνι. Πρέπει να αναφερθεί ότι στο τμήμα του μήκους κύματος που βρίσκεται το κανάλι 2 του ορατού η ανακλαστικότητα του εδάφους και της βλάστησης είναι μεγαλύτερη από αυτή στο κανάλι 1, έτσι στις δορυφορικές εικόνες το έδαφος απεικονίζεται καλύτερα από το κανάλι 2, ενώ τα νέφη στο κανάλι 1 (Zwatz- Meise, 2004). 67

Εικόνα 2.5.2.5: Δορυφορική απεικόνιση από το SEVIRI στο φασματικό κανάλι 1 του ορατού. (Πηγή: Dundee Satellite Receiving Station). Εικόνα 2.5.2.6: Δορυφορική απεικόνιση από το SEVIRI στο φασματικό κανάλι 2 του ορατού. (Πηγή: Dundee Satellite Receiving Station). 68

Στο 3 ο κανάλι (NIR1.6), του οπίου η πηγή είναι η ηλιακή ακτινοβολία, γίνεται η διαφοροποίηση μεταξύ του χιονιού και των νεφών, καθώς επίσης και διαχωρισμός των ψυχρών από τα θερμά νέφη. Έτσι με ανοιχτές διαβαθμίσεις του γκρι παρουσιάζονται τα νέφη με μεγάλη περιεκτικότητα νερού, σε αντίθεση με τα νέφη που βρίσκονται στη φάση του πάγου και του εδάφους της γης που απεικονίζονται με έντονο γκρι λόγω της μεγάλης απορροφητικότητας της ηλιακής ακτινοβολίας. Το χιόνι, ο πάγος και η θάλασσα παρουσιάζονται με σκούρες αποχρώσεις. Εικόνα 2.5.2.7: Δορυφορική απεικόνιση από το SEVIRI στο φασματικό κανάλι 3 του κοντινού υπέρυθρου. (Πηγή: Dundee Satellite Receiving Station). Από το κανάλι 4 (IR3.9) παρατηρούνται τα χαμηλά νέφη καθώς και η ομίχλη, επιπλέον μπορεί να μελετηθεί η θερμοκρασία της θάλασσας και του εδάφους κατά τη διάρκεια της νύχτας. Αποτελεί ατμοσφαιρικό παράθυρο και βρίσκεται κοντά στο κανάλι απορρόφησης του CO 2. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του φασματικού καναλιού είναι ότι αλληλεπικαλύπτεται από την ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία και την εκπεμπόμενη γήινη ακτινοβολία. Το CO 2 απορροφά την ακτινοβολία του καναλιού αυτού προκαλώντας μια ψυχρότητα στα χρώματα της δορυφορικής εικόνας. Αυτό επίσης εξαρτάται και από τη θερμοκρασία του εδάφους, την ώρα που έγινε η λήψη, το ύψος των νεφών και τη γωνία του δορυφόρου. Κατά τη διάρκεια της νύχτας λαμβάνεται μόνο η εκπεμπόμενη ακτινοβολία της γης, έτσι τα νέφη και το χιονισμένο έδαφος φαίνονται με πιο ανοιχτά χρώματα. Τη διάρκεια της ημέρας λαμβάνεται η ανακλώμενη ηλιακή και η εκπεμπόμενη γήινη ακτινοβολία, έτσι περιοχές με 69

ψυχρά εδάφη (μικρή ανακλαστικότητα) απεικονίζονται από ανοιχτές αποχρώσεις σε αντίθεση με τις θερμές περιοχές (υψηλή ανακλαστικότητα) (Kerkmann, 2004). Εικόνα 2.5.2.8: Δορυφορική απεικόνιση από το SEVIRI στο φασματικό κανάλι 4 του υπέρυθρου (24/7/2014, 15.00 UTC) (Πηγή: Dundee Satellite Receiving Station). Εικόνα 2.5.2.9: Δορυφορική απεικόνιση από το SEVIRI στο φασματικό κανάλι 4 του υπέρυθρου (24/1/2015, 15.00 UTC). (Πηγή: Dundee Satellite Receiving Station). 70

Τα 2 κανάλια των υδρατμών (WV6.2 και WV7.3) είναι υπεύθυνα για τον υπολογισμό της ποσότητας των υδρατμών στη μέση ατμόσφαιρα και την παρακολούθηση των ανέμων. AAADSF IR3.9 WV6.2 WV7.3 Απορρόφηση CO 2 Απορρόφηση H 2 O Εικόνα 2.5.2.10: Το ενεργειακό φάσμα, λειτουργίες φασματική απόκριση για τα θερμικά κανάλια του SEVIRI (Πηγή: EUMETSAT). Στα δύο αυτά κανάλια δεν απεικονίζεται το έδαφος και η κατώτερη ατμόσφαιρα, αντίθετα τα ανώτερα νέφη αντιπροσωπεύονται από ανοιχτές αποχρώσεις στις δορυφορικές απεικονίσεις. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 2.5.2.10 το κανάλι 5 είναι στο κέντρο της ζώνης απορρόφησης και απορροφά μεγάλο μέρος της γήινης ακτινοβολίας με αποτέλεσμα ο δορυφόρος να δέχεται ακτινοβολία μόνο από υψηλότερα επίπεδα. Αντίθετα, στο κανάλι 6 με λιγότερη απορρόφηση ο δορυφόρος ακτινοβολία και από τα χαμηλότερα στρώματα. 71

Σε περίπτωση υψηλής υγρασίας στην ανώτερη ατμόσφαιρα, η απορρόφηση της ακτινοβολίας στα κατώτερα στρώματα είναι μεγαλύτερη με αποτέλεσμα να μην φτάνει στον δορυφόρο. Έτσι η απεικόνιση της στη μέση και ανώτερη ατμόσφαιρα στα κανάλια αυτά γίνεται με ανοιχτές αποχρώσεις, με στόχο τη διαφοροποίηση από περιοχές κατώτερων στρωμάτων με μεταβλητή υγρασία. Τα υπέρυθρα κανάλια 7, 9 και 10 (IR8.7, IR10.8 και IR12.0) είναι ατμοσφαιρικά παράθυρα έτσι λαμβάνουν την εκπεμπόμενη θερμική γήινη ακτινοβολία. Το κανάλι 7 (IR8.7) δίνει πληροφορίες για τα λεπτά νέφη cirrus, ενώ τα κανάλια 9 (IR10.8) και 10 (IR12.0) ανιχνεύουν τη θερμοκρασία της κορυφής των νεφών τα νέφη ηφαιστειακής σκόνης και τα νέφη cirrus. Στα δύο αυτά κανάλια οι θερμές περιοχές απεικονίζονται με σκούρο χρώμα, σε αντίθεση με τις ψυχρές. Στις υπέρυθρες εικόνες των τριών καναλιών τα ψηλά νέφη και τα λεπτά νέφη cirrus εμφανίζονται με λευκό χρώμα, ενώ τα χαμηλά και πιο θερμά με σκούρες αποχρώσεις. Οι θαλάσσιες περιοχές εμφανίζονται με πιο ανοιχτές διαβαθμίσεις από αυτές των ηπειρωτικών περιοχών, βελτιώνοντας την διακριτική ικανότητα (Bader, 1995). Τέλος, η σκόνη της ερήμου διακρίνεται με πιο σκούρα χρώματα από τα υψηλά νέφη. Στο υπέρυθρο κανάλι 8 (IR10.8) ή «κανάλι του όζοντος» μελετάται η περιεκτικότητα του όζοντος στην κατώτερη στρατόσφαιρα όπου έχει την μεγαλύτερη συγκέντρωση. Σε κάποιες δορυφορικές εικόνες διακρίνονται κάποιες «λευκές γραμμές» πάνω σε περιοχές όπου υπήρχαν σκούρες γραμμές στα δύο κανάλια των υδρατμών. Αυτό υποδηλώνει και την υψηλή συγκέντρωση του όζοντος, το οποίο απορροφά και εκπέμπει το ίδιο ποσό υπέρυθρης ακτινοβολίας. 72

Εικόνα 2.5.2.11: Δορυφορική απεικόνιση από το κανάλι 5 των υδρατμών (Πηγή: EUMETSAT). Εικόνα 2.5.2.12: Απεικόνιση της ποσότητας του Ο 3 στην ίδια περιοχής από το υπέρυθρο κανάλι 8 (Πηγή: EUMETSAT). 73

Το κανάλι 11 (IR13.4) απορροφάται από το CO 2 και δίνει πληροφορίες για την θερμοκρασία στην κατώτερη τροπόσφαιρα, το ύψος και τη θερμοκρασία των νεφών cirrus, τους ανέμους και την ατμοσφαιρική αστάθεια. Τέλος, το κανάλι 12 (HVR) με 1km χωρική ανάλυση χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση φαινομένων μικρής κλίμακας. 2.5.3 Οι αισθητήρες IMAGER και SOUNDER των GOES- N. Οι δορυφόροι GOES- N είναι οι πιο σύγχρονοι δορυφόροι της σειράς των γεωστάσιμων αμερικανικών μετεωρολογικών δορυφόρων και δημιουργήθηκαν για την παρατήρηση ακραίων καιρικών φαινομένων. Ο πρώτος GOES- 13 (γεωγραφικό μήκος 75 ) εκτοξεύτηκε το 2006, ακολούθησε ο GOES- 14 (γεωγραφικό μήκος 105 ) το 2009 και τέλος, το 2010 ο GOES- 15 (γεωγραφικό μήκος 135 ). Οι δύο πρώτοι δορυφόροι βρίσκονται σε ύψος 35.790 χλμ. Πάνω από τον Ισημερινό και παρακολουθούν τα φαινόμενα που συμβαίνουν στον Ατλαντικό Ωκεανό, στις Ανατολικές ΗΠΑ και το Μεξικό. O τελευταίος βρίσκεται στο ίδιο ύψος και παρακολουθεί τις δυτικές ΗΠΑ και των Ειρηνικό Ωκεανό. Δύο βασικοί αισθητήρες των δορυφόρων για τη μελέτη της ατμόσφαιρας είναι οι Imager και Sounder που αναλύονται παρακάτω. o Ο αισθητήρας Imager. O Imager είναι ραδιόμετρο που παράγει δεδομένα από 5 φασματικά κανάλια που παρέχουν συνεχώς εικόνες της γήινης και ωκεάνιας επιφάνειας, ένα στο κανάλι του ορατού και τα υπόλοιπα 4 στο υπέρυθρο τμήμα. Χρησιμοποιεί ένα σύστημα σάρωσης ανατολικά προς τα δυτικά και δυτικά προς ανατολικά κάθετα προς το Βορρά-Νότο. Επιπλέον παρέχει πληροφορίες για την ανάπτυξη θυελλών, τη νεφοκάλυψη καθώς και τη θερμοκρασία και το ύψος των νεφών. Δίνει τη δυνατότητα στους χρήστες να προσδιορίσουν την παρουσία ομίχλης κατά τη διάρκεια της νύχτας και να ανιχνεύσουν «καυτά» σημεία στην επιφάνεια της γης (όπως ηφαίστεια και δασικές πυρκαγιές). Το πρώτο κανάλι στο τμήμα του ορατού (0,52-0,71 μm) μετρά την ανακλαστικότητα της ηλιακής ακτινοβολίας από τα σύννεφα, τη θάλασσα και το έδαφος. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τα σύννεφα να απεικονίζονται με πιο ανοιχτά χρώματα από το έδαφος και τη θάλασσα λόγω μεγαλύτερης ανακλαστικότητας. Τα υπόλοιπα 4 κανάλια βρίσκονται στο υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το 2 ο κανάλι, που είναι ατμοσφαιρικό παράθυρο, μετρά την εκπεμπόμενη γήινη και ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία. Κατά τη διάρκεια της νύχτας τα νέφη 74

λόγω της μικρότερης εκπεμπόμενης ακτινοβολίας απεικονίζονται με ανοιχτές διαβαθμίσεις του γκρι, αντίθετα την ημέρα εμφανίζονται όπως και στο ορατό κανάλι. Τα υπόλοιπα 3 κανάλια λαμβάνουν την εκπεμπόμενη θερμική γήινη ακτινοβολία και έτσι δίνουν πληροφορίες για το ύψος των νεφών, την θερμοκρασία της θάλασσας και για τους υδρατμούς. o Ο αισθητήρας Sounder. Ο αισθητήρας Sounder λαμβάνει ακτινοβολία σε 19 φασματικά κανάλια. Τα επτά πρώτα είναι μακρών μηκών κύματος (1-7), τα κανάλια 1 έως 6 λαμβάνουν την θερμική εκπεμπόμενη ακτινοβολία της γης, ενώ ο 7 λαμβάνει την εκπεμπόμενη ακτινοβολία του εδάφους. Τα επόμενα 5 φασματικά κανάλια είναι μέσων μηκών κύματος. Το 8 ο, όπως και το 7 ο λαμβάνει την εκπεμπόμενη ακτινοβολία του εδάφους, το 9 ο μετρά τη ποσότητα του Ο 3 στην ατμόσφαιρα και τα κανάλια 10-12 μετρούν την ποσότητα των υδρατμών στα νέφη. Τα κανάλια 13 έως 18 είναι βραχέων μηκών κύματος, τα 4 πρώτα λαμβάνουν την θερμική εκπεμπόμενη ακτινοβολία της γης, ενώ το 17 ο και 18 ο του εδάφους. Τέλος, το κανάλι 19 βρίσκεται στο ορατό τμήμα και απεικονίζει τα νέφη μέσω της ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας. 2.5.4 Οι αισθητήρες των POES. Εκτός από τους γεωστάσιμους δορυφόρους η NOAA και η NASA έχουν αναπτύξει από κοινού μία σειρά δορυφόρων πολικής τροχιάς, τους POES (Polar Operational Environmental Satellites). Το σύστημα αποτελείται από ένα ζευγάρι δορυφόρων που διασφαλίζει ότι κάθε περιοχή της γης παρατηρείται τουλάχιστον δύο φορές ανά 12 ώρες. Η πρωταρχική αποστολή του συστήματος POES είναι να παρέχει καθημερινές παρατηρήσεις των καιρικών συνθηκών, περιβαλλοντικές μετρήσεις της γήινης ατμόσφαιρας και να δημιουργήσει μακροπρόθεσμα σύνολα δεδομένων για το κλίμα. Από την αρχή του προγράμματος POES, περιβαλλοντικά δεδομένα καθώς και προϊόντα που έχουν αποκτήσει οι δορυφόροι έχουν χορηγηθεί στους χρήστες σε όλο τον κόσμο. Η σειρά των δορυφόρων αυτών αποτελείται από 5 δορυφόρους τους NOAA 15, 16, 17, 18 και 19. Η έναρξη αυτής της σειράς έγινε στις 19 Νοεμβρίου του 1998 με την εκτόξευση του πρώτου δορυφόρου NOAA- 15 και NOAA- 16, οι οποίοι βρίσκονται σε ύψος 807 χλμ. και 849 χλμ. αντίστοιχα. 75

Οι βασικοί αισθητήρες αυτών των δορυφόρων είναι οι: AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), HIRS (High Resolution Infrared Radiation Sounder), AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit) και ο MHS (Microwave Humidity Sounder). o Οι αισθητήρες AVHRR/ 3 και HIRS/ 3. Ο αισθητήρας AVHRR/ 3 (Advanced Very High Resolution Radiometer) παρέχει πληροφορίες σε 6 φασματικά κανάλια με χωρική ανάλυση 1,1 χλμ. στο ναδίρ και στιγμιαίο οπτικό πεδίο 1,3 mi. Ο αισθητήρας αυτός μετρά την ανακλώμενη ηλιακή ενέργεια και την εκπεμπόμενη θερμική ενέργεια από την επιφάνεια της γης, τη θάλασσα, τα σύννεφα και την ατμόσφαιρα. Ο στόχος του είναι να εξετάσει τις εικόνες επιφανείας και νεφών, τη θερμοκρασία της θαλάσσιας επιφάνειας, την παγοκάλυψη και χιονοκάλυψη. Επίσης δίνει πληροφορίες για τον δείκτη βλάστησης, τα γήινα και υδάτινα σύνορα, την ηφαιστειακή τέφρα και τη συγκέντρωση αεροζόλ στην ατμόσφαιρα. Τα κανάλια 1, 2 και 3Α Πιο συγκεκριμένα, το κανάλι 1 του ορατού (0,56-0,68 μm) λαμβάνει την ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία και παρακολουθεί τα νέφη, το χιόνι και τον πάγο λόγω της μεγάλη ανακλαστικότητας διακρίνονται με πιο ανοιχτόχρωμες διαβαθμίσεις του γκρι σε σχέση με το έδαφος και τη θάλασσα. Το κανάλι 2 στο κοντινό υπέρυθρο (0,72-0,10 μm) λαμβάνει την ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία και είναι ειδικό στην απεικόνιση της βλάστησης του νερού και του εδάφους. Έτσι η βλάστηση εμφανίζεται με πιο ανοιχτές αποχρώσεις, στη δορυφορική εικόνα, σε σχέση με το νερό λόγω υψηλής ανακλαστικότητας της βλάστησης. Αυτό βοηθάει και ενισχύει την διακριτική ικανότητα. Το υπέρυθρο κανάλι 3Α (1,58-1,64 μm) το έκτο και τελευταίο κανάλι που προστέθηκε είναι η σημαντικότερη αλλαγή στους POES 5 ης γενιάς σε σχέσης με παλαιότερες σειρές πολικών δορυφόρων. Το νέο κανάλι παρέχει πλέον τη δυνατότητα για το διαχωρισμό μεταξύ των νεφών, του πάγου και του χιονισμένου εδάφους. Στη δορυφορική εικόνα που λαμβάνεται τα νέφη χαρακτηρίζονται με πιο ανοιχτές αποχρώσεις του γκρι ενώ το χιόνι με πιο σκούρες λόγω της μικρότερης ανακλαστικότητάς του. Το αρχικό 3 ο φασματικό κανάλι σε αυτή τη σειρά αναφέρεται ως 3Β (3,55-3,95 μm). Το κανάλι αυτό δέχεται την ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία, καθώς και ένα μικρό ποσό θερμικής ακτινοβολίας. Λαμβάνονται πληροφορίες για τα νέφη και την περιεκτικότητα τους, την παγοκάλυψη, τα αερολύματα και την ηφαιστειακή σκόνη. Έτσι, τα νέφη με υψηλή περιεκτικότητα σε νερό και τα αερολύματα εμφανίζονται με 76

πιο ανοιχτά χρώματα λόγω της μεγαλύτερης απορρόφησης σε σχέση με το χιόνι, ενώ με πιο σκούρες αποχρώσεις, λόγω μικρότερης απορρόφησης, παρουσιάζονται τα νέφη με υψηλή περιεκτικότητα σε πάγο. Το κανάλι 3Α δίνει πληροφορίες κατά τη διάρκεια της μέρας σε κάθε τροχιά, ενώ το κανάλι 3Β παρέχει νυχτερινές λήψεις. Το κανάλι 4 (10,3-11,3 μm) στο θερμικό υπέρυθρο λαμβάνει την εκπεμπόμενη θερμική γήινη ακτινοβολία και οι αποχρώσεις της δορυφορικής εικόνας είναι ανάλογες της θερμοκρασίας του εδάφους. Παρομοίως και το κανάλι 5 του θερμικού υπέρυθρου (11,3-12,5 μm) δέχεται την εκπεμπόμενη θερμική ακτινοβολία της γης έτσι το έδαφος και τα νέφη απεικονίζονται ανάλογα της θερμοκρασία τους. Έτσι, οι ψυχρότερες περιοχές απεικονίζονται με πιο σκούρες αποχρώσεις του γκρι. Εικόνα 2.5.4.1: Ο αισθητήρας AVHRR/3 (Πηγή: ΝΟΑΑ). Ένας ακόμα αισθητήρας των POES 5 ης γενιάς είναι ο HIRS/3 (High Resolution Infrared Radiometer Sounder), ο οποίος σαρώνει την γήινη επιφάνεια σε 20 φασματικά κανάλια με χωρική ανάλυση 20 χλμ. και χρησιμοποιείται στους μετεωρολογικούς δορυφόρους NOAA- 15, 16, 17. Οι δορυφόροι NOAA- 18 και 19 διαθέτουν το νέο αισθητήρα HIRS/4 ο οποίος παρέχει καλύτερη χωρική ανάλυση (10 χλμ.). Αναλυτικότερα, από τα 20 φασματικά κανάλια του αισθητήρα τα 12 είναι στο μακρινό υπέρυθρο, 7 στο κοντινό υπέρυθρο και 1 στο ορατό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Τα πρώτα 7 υπέρυθρα κανάλια είναι υπεύθυνα για την μέτρηση της ατμοσφαιρικής θερμοκρασίας. Στα κανάλια 1-5 γίνεται με την απορρόφηση του CO 2, ενώ στα κανάλια 6 και 7 με την απορρόφηση του CO 2 και H 2 O αντίστοιχα. 77

Το 8 ο κανάλι του HIRS/3 είναι ατμοσφαιρικό παράθυρο, υπολογίζεται η θερμοκρασία εδάφους και ανιχνεύονται τα νέφη. Στα κανάλια 9-12 γίνεται η μέτρηση για την ποσότητα O 3 καθώς και την ποσότητα υδρατμών αντίστοιχα. Η μέτρηση της θερμοκρασίας στην ατμόσφαιρα γίνεται επίσης και από τα κανάλια 13-17, μέσω της απορρόφησης του N 2 O στα κανάλια 13 και 14, της απορρόφησης του C 2 O και Ν 2 Ο στα κανάλια 15 και 16, ενώ στο κανάλι 17 η ατμοσφαιρική θερμοκρασία μετριέται με την απορρόφηση του N 2. Τέλος, τα κανάλια 18 και 19 απορροφούν το Η 2 για την μέτρηση της θερμοκρασίας εδάφους, ενώ το κανάλι 20 το μοναδικό που βρίσκεται στο τμήμα του ορατού απεικονίζει τα νέφη. Εικόνα 2.5.4.2: Ο αισθητήρας HIRS/3 (Πηγή: ΝΟΑΑ). o Οι αισθητήρες AMSU και MHS. Ο AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit) είναι αισθητήρας μικροκυματικής ακτινοβολίας και αποτελείται από δύο αισθητήρες: τον AMSU- A και AMSU- B. Οι βασικές του εφαρμογές είναι η μέτρηση του ποσοστού υγρασίας, της ατμοσφαιρικής θερμοκρασίας, της θερμοκρασίας εδάφους και της θερμοκρασίας στην επιφάνεια της θάλασσας. Επιπλέον, μετράται η εκπεμπόμενη και ανακλώμενη ακτινοβολία του εδάφους, γίνεται απεικόνιση του πάχους των νεφών και τέλος μας παρέχει εκτιμήσεις βροχόπτωσης. 78

Ο AMSU- A λειτουργεί σε 15 μικροκυματικά κανάλια, με εύρος συχνοτήτων 29-89 GHz, σε ύψος τροχίας 837 χλμ. και παρέχει δορυφορικές εικόνες κάθε 8 λεπτά με γεωμετρική ανάλυση 48 χλμ. στο ναδίρ. Τα κανάλια 1 και 2 χρησιμοποιούνται για τη μελέτη των φάσεων του ατμοσφαιρικού νερού, εκτός των σωματιδίων του πάγου. Από την άλλη πλευρά, τα κανάλια 3-15 παρέχουν ακριβείς πληροφορίες για την κατακόρυφη θερμοκρασία της ατμόσφαιρας από την επιφάνεια της γης μέχρι και τα 45 χλμ. Εικόνα 2.5.4.3: Τα φασματικά κανάλια του AMSU- A (Πηγή: EUMETSAT). O AMSU- B λειτουργεί σε 5 μικροκυματικά κανάλια υψηλών συχνοτήτων με εύρος 89-190 GHz με γεωμετρική ανάλυση στα 15 χλμ. Οι υψηλές αυτές συχνότητες χρησιμοποιούνται για την μελέτη της υγρασίας σε πιέσεις από την επιφάνεια μέχρι τα 200 hpa. Το βασικό πλεονέκτημα αυτού του αισθητήρα είναι η απεικόνιση και η παρακολούθηση των τροπικών κυκλώνων και των νεφών εξαιτίας του μεγάλου εύρους συχνοτήτων των καναλιών και της διεισδυτικότητας της μικροκυματικής ακτινοβολίας στα νέφη. Ο επόμενος αισθητήρας που αναλύεται είναι το μικροκυματικό ραδιόμετρο MHS (Microwave Humidity Sounder) με χωρική ανάλυση 17 χλμ. και οπτικό πεδίο 50 στο ναδίρ. Ο συγκεκριμένος αισθητήρας έχει παρόμοια λειτουργία με τον AMSU- B αφού λειτουργεί στα 79

ίδια μήκη κύματος (89-190GHz) και χρησιμοποιείται από τους δορυφόρους NOAA- 18 και 19. Τα δύο πρώτα κανάλια είναι ατμοσφαιρικά παράθυρα, ελέγχουν την υγρασία στα κατώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα και παρακολουθούν τη θερμοκρασία καθώς επίσης και την ακτινοβολία του εδάφους. Τα υπόλοιπα κανάλια 3-5 μετρούν την υγρασία στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Από τα δύο αυτά παραδείγματα μπορούμε να κατανοήσουμε την σημασία των ενεργητικών αισθητήρων, των αισθητήρων δηλαδή που χρησιμοποιούν την μικροκυματική ακτινοβολία, στη συστηματική παρατήρηση του ποσοστού υγρασίας στην ατμόσφαιρα. Αποδεικνύεται λοιπόν, ότι οι αισθητήρες αυτής της κατηγορίας είναι χρήσιμα εργαλεία για τους μετεωρολόγους καθώς μπορούν να τους δώσουν στοιχεία για την πιθανότητα βροχόπτωσης. Τα συστήματα MPE (Multi- sensor Precipitation Estimates) και TRMM (Tropical Rainfall Measurement Mission) αναπτύχθηκαν από την EUMETSAT και τη NASA αντίστοιχα, για την εκτίμηση της βροχόπτωσης σε μία περιοχή. Τα δύο αυτά συστήματα και ο τρόπος λειτουργίας τους αναλύονται στα δύο επόμενα κεφάλαια της εργασίας. 2.6 Εκτίμηση βροχόπτωσης με τον MPE. Η τηλεπισκόπηση της βροχόπτωσης από υπέρυθρες εικόνες έχουν αρκετά μεγάλη ιστορία. Ο συνδυασμός των μετρήσεων από δορυφορικά μέσα για την εκτίμηση του ποσοστού των κατακρημνίσεων είναι ένας πολλά υποσχόμενος τρόπος για να ξεπεραστούν οι ανεπαρκείς μετρήσεις από μία πηγή δεδομένων. Ο στόχος της EUMETSAT με τη δημιουργία του MPE (Multi- sensor Precipitation Estimate) ήταν να συνδυάσει τα πλεονεκτήματα των υπέρυθρων εικόνων από τους γεωστάσιμους δορυφόρους Meteosat και των δεδομένων από τον μικροκυματικό αισθητήρα SSM/I ( Special Sensor Microwave Imager) των πολικών δορυφόρων DMSP (Defense Meteorological Satellite Program), ο οποίος είναι το πιο ολοκληρωμένο πρόγραμμα με διαθέσιμα στοιχεία μετρήσεων σε σχεδόν πραγματικό χρόνο, για την εκτίμηση του ποσοστού βροχής (Seyyedi, 2010). Πιο αναλυτικά, για το μοντέλο αυτό επιλέχτηκε η υψηλή χωρική και χρονική ανάλυση των υπέρυθρων εικόνων, που επιτρέπουν στους μετεωρολόγους τη λεπτομερή μελέτη της δημιουργίας των νεφών και των αντίστοιχων συστημάτων τους. Επιπλέον, μπορούν να μελετήσουν την πιθανότητα βροχής από τη θερμοκρασία των νεφών. Από την άλλη πλευρά το πλεονέκτημα στις μετρήσεις του μικροκυματικού αισθητήρα είναι ότι προσφέρουν μεγάλη ακρίβεια στις μετρήσεις πιθανότητας βροχόπτωσης (Doutriaux- Boucher, 2013). Αυτό 80

οφείλεται στο γεγονός ότι τα δεδομένα αυτά προέρχονται από την απορρόφηση την μικροκυματικής ακτινοβολίας από το υγρό νερό και την σκέδασή της από τα σωματίδια του πάγου, έτσι μπορούν οι επιστήμονες να εκτιμήσουν βροχοπτώσεις πάνω από την ξηρά ή τη θάλασσα (Ferrarro 1997). Η βασική μέθοδος που χρησιμοποιεί ο αισθητήρας MPE για να δώσει αποτέλεσμα, βασίζεται στο φαινόμενο ότι τα νέφη με χαμηλή θερμοκρασία είναι πιθανότερο να δημιουργήσουν βροχή σε σχέση με ένα θερμότερο σύννεφο στο ίδιο σύστημα. Με τον τρόπο αυτό αναπαράγονται οι μέσες τιμές βροχόπτωσης σύμφωνα με τις μικροκυματικές μετρήσεις εντός χωρικών και χρονικών παραθύρων.. Για την εκτίμηση των τιμών βροχόπτωσης του MPE χρησιμοποιείται ένας συγκεκριμένος αλγόριθμος ο οποίος βασίζεται στη συσχέτιση των μετρήσεων της υπέρυθρης θερμοκρασίας φωτεινότητας (οι περισσότεροι χρησιμοποιούν τη θερμοκρασία στην κορυφή των νεφών ως ενιαίο δείκτη για την πιθανότητα βροχόπτωσης) και της μικροκυματικής ακτινοβολίας. Ο αλγόριθμος αυτός είναι μία στατιστική αντιστοίχηση των δεδομένων σε χωρικά και χρονικά παράθυρα. Το μέγεθος των παραθύρων επιλέγεται έτσι ώστε να έχουν επαρκή σύνολα δεδομένων για την στατιστική αντιστοίχηση και παράλληλα δεν πρέπει να είναι πολύ μεγάλα ώστε να αντιπροσωπεύουν την τρέχουσα καιρική κατάσταση (Heinemann, 2002). Το πρότυπο για τον αλγόριθμο του MPE αναπτύχθηκε από τον Turk το 1999, αν και απλουστεύτηκε εξαιτίας τεχνικών εκτιμήσεων τα κύρια χαρακτηριστικά του παραμένουν αμετάβλητα. Όπως οι περισσότεροι υπέρυθροι αλγόριθμοι έτσι και ο MPE βασίζεται σε μονότονες λειτουργίες που σχετίζουν την υπέρυθρη θερμοκρασία φωτεινότητας με το ρυθμό βροχής. Για να υλοποιηθεί αυτό συνδυάζονται μεταξύ τους οι υπέρυθρες θερμοκρασίες φωτεινότητας και τα στοιχεία του παθητικού μικροκυματικού (WV) αισθητήρα και συσχετίζονται στο χώρο και στο χρόνο (co-location). Στην πράξη λοιπόν συνδυάζονται οι υπέρυθρες εικόνες και τα μικροκυματικά δεδομένα σε γεωγραφικά παράθυρα των 5 x 5. Σε κάθε χωρικό παράθυρο υπάρχουν δεδομένα για μία χρονική περίοδο από 6 μέχρι 24 ώρες και αντλούν τα ποσοστά βροχής για κάθε μία από τις γεωγραφικές θέσεις. Τα δεδομένα βροχόπτωσης παράγονται ανά 15 λεπτά ενώ η επεξεργασία γίνεται σχεδόν σε πραγματικό χρόνο με έναν χρόνο καθυστέρησης λιγότερου από 10 λεπτά μεταξύ απόκτησης εικόνας και τη διάδοση των δεδομένων. Τα παραγόμενα προϊόντα του MPE παρέχουν πληροφορίες για τα εκτιμώμενα στιγμιαία ποσοστά βροχόπτωσης σε πλήρη ανάλυση pixel (Doutriaux- Boucher, 2013). 81

Εικόνα 2.6.1: Ποσοστά βροχής από τον MPE και τον SSM/I στην Κεντρική και Νοτιοανατολική Ευρώπη, 11/8/2002 στις 06.00 UTC. Ισχυρή βροχή στις Δαλματικές Ακτές λόγω κίνησης του κυκλώνα Genoa κοντά στην ακτή (Πηγή: EUMETSAT). Όπως αναφέρθηκε ο αλγόριθμος βασίζεται στη σύγκριση της θερμοκρασίας των νεφών με το ποσοστό βροχής των μικροκυματικών δεδομένων. Σύμφωνα με αυτή οι χαμηλότερες θερμοκρασίες αντιστοιχούν με υψηλότερα ποσοστά βροχής. Η σχέση αυτή, δηλαδή του ποσοστού βροχής και της θερμοκρασίας των νεφών, είναι μη γραμμική και εξαρτάται έντονα από την τρέχουσα καιρική κατάσταση. Ο συνδυασμός αυτών των δύο γίνεται μέσω μιας τεχνικής ιστογραμματικής αντιστοίχισης ξεκινώντας από τις ψυχρότερες θερμοκρασίες (μεγαλύτερα ποσοστά βροχής). Τα παραγόμενα προϊόντα από τις λειτουργίες αυτές αποθηκεύονται με τη μορφή των look-up tables (LUTs) (Heinemann, 2002). 82

Εικόνα 2.6.2: Look-up tables (LUT) που προέρχονται από ένα 6ωρο στις 19 Αυγούστου 2001 με αριθμό πλαισίου 229, πάνω από τη Δυτική Αφρική (Πηγή: EUMETSAT). Εικόνα 2.6.3: Look-up tables (LUT) που προέρχονται από ένα 6ωρο στις 19 Αυγούστου 2001 με αριθμό πλαισίου 16, νοτιοδυτικά της Νότιας Αφρικής (Πηγή: EUMETSAT). 83

Στις δύο παραπάνω εικόνες οι ευθείες γραμμές αντιστοιχούν στα LUTs όπως προέκυψαν από μία περίοδο 6 ωρών για 2 διαφορετικά γεωγραφικά πλαίσια. Οι κουκίδες στις εικόνες αναπαριστούν τα συγκεντρωμένα σημειακά δεδομένα. Με την τεχνική αντιστοίχησης ιστογράμματος τα πιο κρύα σημεία απονέμονται στους υψηλότερους ρυθμούς βροχής. Στην Εικόνα 2.6.2 παρατηρείται μία μεγάλης κλίμακας μεταφερόμενη βροχή πάνω από τη δυτική Αφρική με υψηλές βροχοπτώσεις. Επιπλέον παρατηρούμε μια αρκετά καλή συσχέτιση μεταξύ των ποσοστών βροχής και των μετρήσεων στη θερμοκρασία φωτεινότητας, έτσι η εφαρμογή του LUT θα παράγει μια εξίσου καλή αναπαράσταση για το πεδίο βροχής. Στην Εικόνα 2.6.3 η κατάσταση είναι τελείως διαφορετική. Στο συγκεκριμένα γεωγραφικό πλαίσιο κυριαρχούσε ένα μετωπικό σύστημα στο νότιο Ατλαντικό, σύμφωνα με τα μικροκυματικά δεδομένα η βροχή παράγεται από το ζεστό μέτωπο. Στην περίπτωση αυτή η συσχέτιση δεν είναι καλή βλέπουμε ότι οι τιμές από τη θερμοκρασία φωτεινότητας είναι σχεδόν ανεξάρτητες από τα ποσοστά βροχής του SSM/I, οπότε στην περιοχή αυτή δεν θα έχουμε καλές πληροφορίες σχετικά με τη χωρική κατανομή των ποσοστών βροχής από τα δεδομένα του υπέρυθρου καναλιού. Αυτό δείχνει το πρόβλημα του αλγόριθμου να περιγράψει αυτό το είδος «ζεστής βροχής» (Heinemann, 2003). Οι θέσεις των 2 γεωγραφικών πλαισίων που αναλύθηκαν παραπάνω (Εικόνα 2.6.2 και 2.6.3 αναφέρονται με βέλη στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 2.6.4: Στιγμιαία βροχόπτωση στις 19/8/2001, 9.00 UTC που προέκυψε ύστερα από εκτίμηση του MPE. Η δειγματοληψία για τα LUTs έγινε από τις 3.00 UTC- 9.00 UTC. Το πάνω βέλος αντιστοιχεί στη εικόνα 3.6.2 και το κάτω στην εικόνα 3.6.3 (Πηγή: EUMETSAT). 84

Γενικά, ο αλγόριθμος MPE φαίνεται να ικανοποιεί με την απόδοσή του. Η υλοποίηση δεν παρουσιάζει πλέον σημαντικά και απροσδόκητα σφάλματα. Η μέθοδος είναι κατάλληλη για τις περιοχές τροπικών και υποτροπικών συνθηκών αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τα μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη με κάποιους περιορισμούς. Ο αλγόριθμος είναι αρκετά ισχυρός και αξιόπιστος για την υλοποίηση σε ένα επιχειρησιακό περιβάλλον. Παρόλα αυτά όμως πρέπει να ερευνηθεί το ενδεχόμενο καλυτέρευσης του αλγόριθμου στην εκτίμηση της βροχόπτωσης (Heinemann, 2002). 2.7 Εκτίμηση βροχόπτωσης με τον TRMM. Το πρόσφατα αυξανόμενο ενδιαφέρον για το περιβάλλον έχει προσδιορίσει τη σημασία να κατανοηθεί η παγκόσμια αλλαγή του κλίματος και να κατανοηθούν οι μηχανισμοί του. Ο υδρολογικός κύκλος είναι το κεντρικό στοιχείο στο σύστημα της γης και το κλειδί για την κατανόηση της συμπεριφοράς της. Μεταξύ διαφόρων συνιστωσών του προϋπολογισμού του νερού, οι τροπικές βροχοπτώσεις, που περιλαμβάνουν τα δύο τρίτα της παγκόσμιας βροχόπτωσης είναι η κινητήρια δύναμη της παγκόσμιας ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας. Ως εκ τούτου, η γνώση για τις τροπικές βροχοπτώσεις και τις διακυμάνσεις είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση και την πρόβλεψη του παγκόσμιου κλιματικού συστήματος. Παρά το σημαντικό της ρόλο στο παγκόσμιο κλίμα η μέτρηση της παγκόσμιας βροχόπτωσης είναι εξαιρετικά δύσκολη εξαιτίας της χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας. Ειδικότερα λίγα δεδομένα βροχόπτωσης υπάρχουν για τις τροπικές περιοχές και για τους ωκεανούς. Η τηλεπισκόπηση είναι ίσως ο μόνος τρόπος για την παροχή αξιόπιστων δεδομένων βροχόπτωσης σε παγκόσμια κλίμακα. Ο TRMM είναι η πρώτη διαστημική αποστολή αφιερωμένη στην μέτρηση των τροπικών και υποτροπικών βροχοπτώσεων μέσω μικροκυματικών, ορατών και υπέρυθρων αισθητήρων συμπεριλαμβανομένου και του πρώτου διαστημικού ραντάρ βροχής (NASDA, 2001). Ο δορυφόρος TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) ανήκει στην κατηγορία των μετεωρολογικών δορυφόρων και αισθητήρων. Αποτελεί την πρώτη κοινή αποστολή της NASA με τη διαστημική ιαπωνική υπηρεσία JAXA. Εκτοξεύτηκε στις 27 Νοεμβρίου του 1997 ενώ η ιδέα για δορυφορική παρακολούθηση και μελέτη των τροπικών καταιγίδων προτάθηκε για πρώτη φορά το 1984. Σχεδιάστηκε για τη μελέτη κυρίως των τροπικών καταιγίδων καθώς υπήρχε μεγάλη δυσκολία στις μετρήσεις λόγω των μεγάλων χωρικών και χρονικών 85

διακυμάνσεων, ήταν σημαντική όμως η κατανόησή τους στην πρόβλεψη του καιρού και του κλίματος, όπως επίσης και στην κατανόηση των παγκόσμιων κύκλων νερού και ενέργειας. Η κοινή χρήση ενεργητικών και παθητικών μικροκυματικών οργάνων τον έχουν κάνει κύριο δορυφόρο για τη μελέτη της βροχόπτωσης και των κλιματικών διεργασιών πάνω από τις τροπικές περιοχές (Braun S.A., 2011). Η συγκεκριμένη δορυφορική αποστολή έχει ανταποκριθεί και υπερβεί τους αρχικούς της στόχους στην προώθηση γνώσεων σχετικά με την κατανομή των τροπικών βροχοπτώσεων. Έχει εξελιχθεί από μία πειραματική αποστολή σε πρωτεύον δορυφόρο σε ένα σύστημα έρευνας και επιχειρησιακών δορυφόρων που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση των χαρακτηριστικών της βροχόπτωσης. Ο γενικός επιστημονικός πλέον στόχος μιας εκτεταμένης αποστολής TRMM είναι να χαρακτηριστούν χωρικά και χρονικά τα ποικίλα χαρακτηριστικά των τροπικών βροχοπτώσεων, τα συστήματα συναγωγής και οι καταιγίδες βάσει τον τρόπο που σχετίζονται με τις διακυμάνσεις στον παγκόσμιο κύκλο νερού και ενέργειας. Ο TRMM αποτελεί την πρώτη δορυφορική αποστολή με στόχο την ποσοτική μέτρηση της βροχόπτωσης σε παγκόσμια κλίμακα. Το γεωγραφικό πλάτος του δορυφόρου είναι ± 35, βρίσκεται σε χαμηλή τροχιά (402,5 km μετά το 2001) ενώ διαθέτει ενεργούς και παθητικούς μικροκυματικούς αισθητήρες. Μία πλήρης περιστροφή του γύρω από τη γη γίνεται περίπου κάθε 90 λεπτά, και εκτελεί 16 τροχιές την ημέρα. Αποτελείται από 5 επιστημονικά όργανα μετρήσεων (Braun S.A., 2011) : o PR (Precipitation Radar) o TMI (TRMM Microwave Imager) o VIRS (Visible and Infrared Scanner) o LIS (Lighting Imaging Sensor) o CERES (Clouds and Earth s Radiant Energy System) 86

Εικόνα 2.7.1: Η τροχιά του TRMM (Πηγή: NASDA). Οι τρεις βασικοί αισθητήρες του TRMM που χρησιμοποιούνται από κοινού ή μεμονωμένα για να κατανοηθούν τα συστήματα κατακρήμνισης, οι διαδικασίες, η δομή και το κλίμα, όπως επίσης και για τη μέτρηση της βροχόπτωσης είναι το PR, το TMI και το VIRS. To PR είναι το βασικότερο όργανο στον TRMM και το μοναδικό ραντάρ βροχόπτωσης στο διάστημα. Οι βασικοί στόχοι των παρατηρήσεων είναι: o η παροχή τρισδιάστατης δομής της βροχής με ιδιαίτερη σημασία στην κάθετη κατανομή και o η λήψη υψηλής ποιότητας ποσοτικών μετρήσεων πάνω από τη ξηρά και τους ωκεανούς. Το ραντάρ βροχόπτωσης χρησιμοποιεί συχνότητες 13,796-13,802 GHz με οριζόντια πόλωση και οριζόντια ανάλυση 4,3 χλμ. στο ναδίρ. Σκοπός του είναι η ποσοτική μέτρηση της βροχόπτωσης σε mm/h πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας και της ξηράς με ανάλυση 87

μεγαλύτερη από 0,5 mm/h. Το ύψος μέτρησης των βροχοπτώσεων είναι 15 χλμ κάθετα από το έδαφος. Όταν τα δεδομένα του PR συνδυάζονται κατάλληλα με τις μετρήσεις από τον αισθητήρα TMI συμβάλλουν στην επίτευξη της δημιουργίας ενός προφίλ για το περιεχόμενο των κατακρημνισμάτων από το οποίο μπορεί να εκτιμηθεί και το προφίλ της λανθάνουσας θερμότητας της γης. Ο ρυθμός της βροχής θα εκτιμηθεί από τον παράγοντα της ανακλαστικότητα του ραντάρ. Ο TMI είναι ένα πολλαπλών καναλιών παθητικών μικροκυμάτων ραδιόμετρο που συμπληρώνει τον PR. Η λειτουργία του βασίζεται στον SSM / I με μόνη διαφορά τους ένα ζεύγος καναλιών 10,7 GHz με κάθετες και οριζόντιες πολώσεις. Ο αισθητήρας TMI χρησιμοποιεί 9 κανάλια και παρέχει δεδομένα που σχετίζονται κυρίως με τα ποσοστά βροχοπτώσεων πάνω από τους ωκεανούς, τα δεδομένα πάνω από την γήινη επιφάνεια είναι λιγότερο αξιόπιστα καθώς οι εκπομπές μη ομοιογενή επιφάνειας δυσκολεύουν την ερμηνεία τους. Ο VIRS είναι ένας αισθητήρας 5 φασματικών καναλιών με εύρος 0,6-12 μm. και έχει τα ίδια μήκη κύματος και εύρος ζώνης με τον AVHRR με μόνη διαφορά ότι ο πρώτος έχει οπτικό πεδίο 2,5 χλμ στο ναδίρ, σε αντίθεση με τον AVHRR που έχει 1,1 χλμ στο ναδίρ. Τα δεδομένα του συγκεκριμένου αισθητήρα χρησιμοποιούνται για την λήψη πληροφοριών για το περιεχόμενο των νεφών στα διάφορα συστήματα χρησιμοποιώντας ορατές και υπέρυθρες τεχνικές. Επιπλέον χρησιμοποιείται για να γίνει η σύνδεση των μικροκυματικών δεδομένων βροχόπτωσης με τα προϊόντα που προέρχονται από δεδομένα των γεωσύγχρονων δορυφόρων στο ορατό και υπέρυθρο, έτσι η βροχόπτωση μπορεί να εκτιμηθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια (Braun S.A., 2011). 88

Εικόνα 2.7.2: Η σχηματική αναπαράσταση του TRMM και η σάρωση από τα 3 όργανα για την μέτρηση της βροχόπτωσης (Πηγή: NASA). O TRMM όπως αναφέρθηκε έχει τρία όργανα για τις μετρήσεις των τροπικών και υποτροπικών βροχοπτώσεων. Επιπλέον έχει το μόνο παθητικό όργανο μικροκυμάτων (TMI) σε κεκλιμένη τροχιά και το μόνο ραντάρ βροχή (PR) στο διάστημα. Τα τρία αυτά όργανα που αναφέρθηκαν παρέχουν την πιο πλήρη σειρά δεδομένων βροχής μέχρι σήμερα, προκειμένου να δημιουργήσει τα κλιματικά μοντέλα και να μελετηθούν οι ισχυρές καταιγίδες (NASDA, 2001). Τα δύο πρόσθετα όργανα που έχουν επανδρωθεί επί του σκάφους TRMM είναι η CERES και LIS. Αυτά τα δύο χρησιμοποιούνται ως όργανα του προγράμματος για την παρατήρηση της γης (Earth Observation System Program). Το όργανο CERES μετρά την ακτινοβολία της γης, και το LIS ερευνά την παγκόσμια διανομή της αστραπής. Τα δεδομένα από το όργανο LIS μπορούν να συσχετιστούν με τις παγκόσμιες τιμές βροχής, τα ποσά και την κατανομή των βροχοπτώσεων, και με την απελευθέρωση και τη μεταφορά της λανθάνουσας θερμότητας. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά έχουν κάνει τον TRMM βασικό δορυφόρο για τη μελέτη της βροχόπτωσης και των κλιματικών διεργασιών στις τροπικές περιοχές. 89

Όπως αναφέρθηκε το πιο σημαντικό όργανο στον δορυφόρο TRMM είναι το ραντάρ PR και αυτό γιατί είναι το μοναδικό ραντάρ βροχόπτωσης που έχει επανδρωθεί σε δορυφόρο. Γενικότερα η χρήση του PR βασίζεται στη μέτρηση της έντασης του ήχου της βροχόπτωσης. Πιο αναλυτικά για τη μέτρηση του ποσοστού βροχόπτωσης γίνεται χρήση ραδιοκυμάτων από το ραντάρ. Τα ραδιοκύματα που εκπέμπονται από το ραντάρ προσπίπτουν στις σταγόνες της βροχής και επιστρέφουν πίσω (οπισθοσκέδαση). Η ποσότητα της βροχής εκτιμάται από μία εξίσωση μεταξύ της ενεργειακής έντασης των ραδιοκυμάτων που έχουν σκεδαστεί και την ένταση της βροχής που λαμβάνεται από την κεραία του ραντάρ. Υπάρχει ένας αριθμός εικαζόμενων συνθηκών στην εξίσωση του ραντάρ, όπως η διάμετρος των σταγόνων να είναι αρκετά πιο μικρή από τα μήκη κύματος των ραδιοκυμάτων που χρησιμοποιούνται, που βοηθάνε σε όποιες διορθώσεις απαιτούνται. Ο PR εκπέμπει κύματα σε δύο συχνότητες f 1 = 13,796GHz και f 2 = 13,802 GHz κάθε 360,23 μsec το οποίο είναι το διάστημα μετάδοσης και επανάληψης (Transmission Pulse Repetition Interval) για κάθε επιμέρους κατεύθυνση της δέσμης. Μετρά επίσης την λαμβανόμενη δύναμη από τα ανακλώμενα ραδιοκύματα (radar echo) που επέστρεψαν ύστερα από την σκέδασή τους με σταγόνες της βροχής ή τη γήινη επιφάνεια. Η μέθοδος χρησιμοποιεί δύο συχνότητες μετάδοσης έτσι ώστε να εξασφαλιστεί ο ανεξάρτητος αριθμός των δειγμάτων. Ο PR σαρώνει μια φορά κάθε 0,6 sec στην κατεύθυνση η οποία είναι κάθετή (εγκάρσια κατεύθυνση τροχιάς) προς την κατεύθυνση που κινείται ο δορυφόρος. Υπάρχουν 49 δέσμες (ακτίνες) σε κάθε σάρωση με μία δέσμη κάθε 0.71 σε ένα εύρος ±17 με κέντρο το ναδίρ. Κάθε σάρωση λοιπόν πραγματοποιεί παρατηρήσεις και συλλέγει δεδομένα για 49 κατευθύνσεις (NASDA, 2001). 90

Εικόνα 2.7.3: Το ραντάρ PR (Πηγή: NASDA). Οι πιο σημαντικές λειτουργίες του PR είναι: o Μεταδίδει σύντομα ημιτονοειδή κύματα προς την κατεύθυνση της γης, και λαμβάνει την ηχώ (radar echo) που σκεδάζεται στις σταγόνες της βροχής και τη γήινη επιφάνεια, απαραίτητο για να κατανοηθεί η κάθετη κατανομή της βροχής. o Η κάθε δέσμη που σαρώνεται κάθε φορά είναι εντός ενός πεδίου κάθετο προς την κατεύθυνση παρατήρησης, έτσι ώστε να δημιουργείται η τρισδιάστατη δομή των βροχοπτώσεων. o Υπολογίζει το σύνολο των 64 δεδομένων (παλμοί) που λαμβάνονται και από τις δύο συχνότητες (32 παλμούς η κάθε συχνότητα). o Επιτρέπει την ποσοτική μέτρηση της λαμβανόμενης ενέργειας από το ραντάρ, του παράγοντα ανακλαστικότητας του ραντάρ και την ομαλοποιημένη σκέδαση εγκάρσιας τομής της γήινης επιφάνειας (6 ). o Πραγματοποιεί θερμικό έλεγχο έτσι ώστε να διασφαλιστεί η κανονική και σωστή λειτουργία και απόδοση. 91

o Μία λειτουργία εντολών απαιτείται για τον καθορισμό του τρόπου λειτουργίας του ραντάρ και την εναλλαγή μεταξύ του πρωταρχικού και του εφεδρικού συστήματος. o Τέλος, πραγματοποιεί διασύνδεση με το παρατηρητήριο του TRMM για τη μεταφορά των ζητούμενων δεδομένων, καθώς και την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος στο ραντάρ και το τροφοδοτικό (NASDA, 2001). 92

Εικόνα 2.7.4: Το σχέδιο μέτρησης της βροχόπτωσης του PR (Πηγή: NASA). 93

Εικόνα 2.7.5: Δειγματοληψία δεδομένων κατά τη διάρκεια της λειτουργίας παρατήρησης (Πηγή: NASDA). Η λήψη των πρώτων δεδομένων από το ραντάρ βροχόπτωσης ήταν στις 8 Δεκεμβρίου του 1997, όταν ο TRMM δορυφόρος πέρασε πάνω από την Οκινάουα και τον κυκλώνας "PAM" στα βορειοανατολικά της Νέας Ζηλανδίας. Αυτά τα δεδομένα βροχόπτωσης κυκλοφόρησαν ως τις πρώτες εικόνες του PR στις 17 Δεκεμβρίου (Εικόνα 2.7.6). 94

Εικόνα 2.7.6: Ο κυκλώνας PAM και η πρώτη εικόνα του PR (Πηγή: NASDA). Η εικόνα αυτή δίνει σαφώς μια λεπτομερή δομή της βροχής γύρω από τον κυκλώνα και είναι εμφανής η ύπαρξη βροχόπτωσης σε πολύ μεγάλο υψόμετρο. Ο PR έχει ανάλυση φάσματος 250 μ. και η οριζόντια ανάλυση 4 χλμ. και αυτή η εικόνα αποδεικνύει τις επιδόσεις του. 95

Εικόνα 2.7.7: Η τρισδιάστατη δομή την βροχόπτωσης του κυκλώνα PAM (Πηγή: NASDA). Το βασικό πλεονέκτημα του δορυφόρου TRMM σε σχέση με τους υπόλοιπους μετεωρολογικούς δορυφόρους είναι ότι μέσω του PR παράγει την τρισδιάστατη δομή της βροχόπτωσης, σε αντίθεση με τους υπόλοιπους που μελετούν τις περιοχές γύρω από την κορυφή των νεφών. Επιπλέον ο PR έχει βασικά προτερήματα σε σχέση με τα ραντάρ εδάφους, καθώς με τα ραντάρ εδάφους μπορούμε να παρατηρήσουμε τα ποσοστά βροχής κοντά και πάνω από της γήινες επιφάνειες. Αντίθετα ο δορυφόρος TRMM δίνει μετρήσεις και για περιοχές πάνω από ωκεανούς. Επίσης ο PR σε αντίθεση με τα ραντάρ εδάφους δεν επηρεάζεται από την αρνητική επίδραση της ανώμαλης διάδοσης έτσι τα δεδομένα του είναι πιο καθαρά. Παρότι η κατάσταση του PR είναι άριστη επιβεβαιώθηκε σφάλμα στη λήψη των δεδομένων κατά 1 db με βάση τα αποτελέσματα βαθμονόμησης. Το σφάλμα αυτό των δεδομένων προέρχεται από την ύπαρξη χαμηλής έντασης βροχόπτωσης που δεν μπορεί να παρατηρηθεί λόγω της ευαισθησίας του ραντάρ. Πρέπει να σημειωθεί ότι το σφάλμα της τάξης του 1 db της ανακλαστικότητας του ραντάρ προκαλεί σφάλμα 15% στο ποσοστό βροχής. Επιπλέον το πρότυπο κατανομής της ανακλαστικότητας του PR συμπίπτει με αυτό των ραντάρ εδάφους. 96

Παρόλα αυτά τα δεδομένα του TRMM είναι καλύτερης ποιότητας και αυτό οφείλεται στην απόλυτη τιμή ανακλαστικότητας του PR, η οποία είναι συγκριτικά καλύτερη (NASDA, 2001). Παρακάτω ακολουθεί ένα παράδειγμα σύγκρισης του PR με ένα ραντάρ εδάφους στην περιοχή της Μελβούρνης στην Φλόριντα των Η.Π.Α (Εικόνα 2.7.8). Εικόνα 2.7.8: Μοτίβο κατανομής της ανακλαστικότητας των ραντάρ (Αριστερά: πληροφορίες από τον PR, Δεξιά: πληροφορίες από το ραντάρ εδάφους στην περιοχή της Μελβούρνης) (Πηγή: NASDA). Η σύγχρονη παρατήρηση του PR και ραντάρ εδάφους έγινε στην περιοχή της Μελβούρνης στην Φλόριντα στις 9 Μαρτίου του 1998. Το παραπάνω μοτίβο είναι το αποτέλεσμα της ταυτόχρονης παρατήρησης, και δείχνει τη διανομή της ανακλαστικότητας των δύο ραντάρ σε σταθερό ύψος 3 χλμ.. Τα δύο στοιχεία που δείχνουν μεγάλη συσχέτιση με το πρότυπο κατανομής της ανακλαστικότητας, αλλά η απόλυτη τιμή της στο ραντάρ PR είναι 2 db υψηλότερο από ό, τι εκείνη του ραντάρ εδάφους. Αυτή η διαφορική δημιουργείται από τον όγκο των δειγμάτων PR και το μέγεθος. Στη συνέχεια απεικονίζεται ένα σημαντικό φαινόμενο για τη δημιουργία των καταιγίδων. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται η κατανομή της παγκόσμιας βροχόπτωσης από τον PR τον Ιανουάριο του 1998 και του 1999. Οι διαφορές στα ποσοστά βροχής είναι εμφανή εξαιτίας του φαινομένου El Nino. Εξαιτίας του φαινομένου αυτού παρουσιάζονται ισχυρές βροχοπτώσεις στην περιοχή του Ειρηνικού σε σχέση με το επόμενο έτος (NASDA, 2001) 97

Εικόνα 2.7.9: Κατανομή βροχόπτωσης τον Ιανουάριο του 1998 και 1999 (1998: Εl Nino, 1999: Κανονικό έτος) (Πηγή: NASDA). Στη συνέχεια παρουσιάζεται και η επιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας για τα ίδια έτη όπως παρατηρήθηκε από τον TMI. 98

Εικόνα 2.7.10: Eπιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας τον Ιανουάριο του 1998 και 1999 (1998: Εl Nino, 1999: Κανονικό έτος) (Πηγή: NASDA). Τα προϊόντα από τα δεδομένα του TRMM αρχειοθετούνται και διανέμονται σε 3 κατηγορίες: 1. τροχιακά προιόντα (orbital products), 2. πλεγματικά προιόντα (gridded products) και 3. άλλα προιοντα που σχετίζονται με τον TRMM. Τα επίπεδα 1 και 2 ακολουθούν την τυποποιημένη ονοματολογία της NASA, το επίπεδο 2 αποτελείται από ανακτημένες γεωφυσικές παραμέτρους ενώ τα προϊόντα στο επίπεδο 3 αναλύουν γεωφυσικές παραμέτρους με κριτήριο το χώρο ή το χρόνο. Γενικότερα τα αποτελέσματα του TRMM αναλύονται χωρικά από 0,25 0,25 μέχρι 5 5 και χρονικά μέχρι ένα μήνα. Τα δύο πιο δημοφιλή προϊόντα είναι το 3Β42 (3-ωρες εκτιμήσεις βροχής) και 3Β43 (μηνιαίες εκτιμήσεις βροχής) λόγω της υψηλής χωρικής και χρονικής τους ανάλυσης (Lui z., American Meteorological Society, 2012). Ο πίνακας που ακολουθεί ο παραθέτει μη επεξεργασμένα και βαθμονομημένα καθώς και γεωφυσικά προϊόντα που παρέχονται από τον VIRS, τον TMI και τον PR. 99

Πίνακας 2.7.1.: Τα προϊόντα των δεδομένων του ΤRMM. (Πηγή: Kummerow et al., 2000, The status of the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM ) after Two Years in Orbit, Journal of Applied Meteorology, Vol. 39, pp. 1970). Οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται στον TRMM από την έναρξη του προγράμματος έχουν διορθωθεί και έχουν εξελιχθεί έτσι ώστε να αποφεύγονται οι πιθανότητες για λάθος εκτιμήσεις. Κάποιοι από τους πιο γνωστούς αλγορίθμους στην τελευταία έκδοση (Version 6) είναι o 2A12 TMI που αναφέρεται στην επιφανειακή βροχόπτωση. Ο αλγόριθμος αυτός χρησιμοποιεί μια συγκεκριμένη μεθοδολογία (Bayesian methodology) ώστε να συσχετίσει τις παρατηρούμενες θερμοκρασίες φωτεινότητας πολλών καναλιών με τους υδρομετρητές που παρέχονται από μια προϋπάρχουσα βάση δεδομένων. Τα παραγόμενα προϊόντα από αυτό τον αλγόριθμο αφορούν τον επιφανειακό ρυθμό βροχής, τη τρισδιάστατη δομή και τη λανθάνουσα θερμότητα (Kummerow et al., 2000). Ένας ακόμη αλγόριθμος που ασχολείται με την επιφανειακή βροχόπτωση είναι ο 2Α25 PR. Ο πρωταρχικός σκοπός του είναι να παράγει την καλύτερη εκτίμηση για την κατακόρυφο δομή της βροχόπτωσης. Ο αλγόριθμος ανακτά το προφίλ της βροχής σε δύο στάδια. Πρώτα 100

υπολογίζεται ο πραγματικά αποτελεσματικός συντελεστής ανακλαστικότητας (Z e ) από τα καταμετρημένα κατακόρυφα προφίλ του συντελεστή ανακλαστικότητας (Z m ). Στη συνέχεια μετατρέπει την εκτιμώμενη Z e σε ρυθμό βροχής (R) χρησιμοποιώντας μία σχέση Z e R η οποία προσαρμόζεται ανάλογα τον τύπο βροχής, το υψόμετρο κ.α. Τόσο ο Z e και ο ρυθμός βροχής δίνονται σε πλαίσια ανάλυσης 4km 4km 250 m του PR. Ο μηνιαίος στατιστικό αλγόριθμος επιφανειακής βροχής 3Α11 παράγει μηνιαίες βροχοπτώσεις κυρίως πάνω από τους ωκεανούς σε ένα πλέγμα 5 5. Ο αλγόριθμος αυτός αρχικά αναπτύχθηκε για τον SSM/I και βασίζεται σε μία σχέση βροχόπτωσης (Τ b ) που προέρχεται από ένα ατμοσφαιρικό μοντέλο που καθορίζεται από την ένταση της βροχής και το ύψος ψύξης. Τέλος οι αλγόριθμοι πολλαπλών δορυφόρων για την εκτίμηση της επιφανειακής βροχόπτωσης (Multi- satellite surface rain algorithm) 3Β42 και 3Β43 αποτελούν τμήμα του τυποποιημένου αλγόριθμου TRMM από την έναρξη. Στην τρέχουσα έκδοση με τον αλγόριθμος 3Β42 γίνεται η ανάλυση πολλαπλών δορυφορικών εκτιμήσεων βροχής (MPA: Multi-satellite Precipitation Analysis) και παράγει παγκόσμια ανάλυση βροχόπτωσης σε ένα πλέγμα 0,25 0,25 ανά 3 ώρες. Η υψηλής ποιότητα ανάλυση βασίζεται στις μικροκυματικά δεδομένα βροχόπτωσης από τους δορυφόρου πολικής τροχιάς που είναι κάθε φορά από 3 μέχρι και 7 και στις υπέρυθρες μετρήσεις από 5 γεωσύγχρονους δορυφόρους πάνω από τροπικές περιοχές. Ο αλγόριθμος 3Β43 αφορά μηνιαίες αναλύσεις της επιφανειακής βροχόπτωσης (Βraun S.A., 2011). Η συνέχιση του προγράμματος είναι σημαντική για την επιτυχία των μελετών της NASA, καθώς μέσω των εκτεταμένων πληροφοριών, που κάθε χρόνο γίνονται όλο και πιο πολύτιμες, για την παρατήρηση και τη μελέτη της αλλαγής του κλίματος. 101

ΜΕΡΟΣ Β ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗΣ 24 ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ 2014. Σε αυτό το κεφάλαιο της εργασίας γίνεται μελέτη στα ακραία καιρικά φαινόμενα και στην μεγάλη σε ένταση βροχόπτωση της 24 ης Οκτωβρίου 2014 στην περιοχή της Αττικής. Αρχικά περιγράφονται τα μετεωρολογικά χαρακτηριστικά και η κατάσταση της ατμόσφαιρας. Ακολουθεί η παρουσίαση και η ανάλυση των δεδομένων βροχόπτωσης από τα βροχομετρικά και δορυφορικά δεδομένα ξεχωριστά (MPE, TRMM). Τέλος, γίνεται η εκτίμηση και αξιολόγηση των δορυφορικών δεδομένων βροχόπτωσης συγκρίνοντας τα δορυφορικά δεδομένα για το ύψος βροχής και τις μετρήσεις των βροχόμετρων στις περιοχές. Στις 24 Οκτωβρίου 2014, στην περιοχή της Αττικής, εκδηλώθηκε υψηλής έντασης και διάρκειας καταιγίδα με αποτέλεσμα τη δημιουργία μεγάλων πλημμύρων σε πολλούς δήμους από τις οποίες προκλήθηκαν μεγάλες υλικές ζημιές σε δρόμους, κατοικίες, καταστήματα, περιουσίες καθώς επίσης κινδύνεψαν και ανθρώπινες ζωές. Οι πλημμύρες εκδηλώθηκαν κυρίως στα ανατολικά και δυτικά του νομού. Πιο συγκεκριμένα οι δήμοι στους οποίους καταγράφηκαν οι μεγαλύτερες ζημιές είναι: Αγίων Αναργύρων - Καματερού, Αγίας Βαρβάρας, Αθηναίων, Αιγάλεω, Αμαρουσίου, Ασπροπύργου, Αχαρνών, Γαλατσίου, Διονύσου, Δραπετσώνας - Κερατσινίου, Ελευσίνας, Ιλίου, Κορυδαλλού, Μεταμόρφωσης, Μάνδρας, Μεγαρέων, Νέας Ιωνίας, Νέας Φιλαδέλφειας - Χαλκηδόνας, Νίκαιας - Αγ. Ι. Ρέντη, Πειραιά, Περιστερίου, Πετρούπολης, Σαλαμίνας, Χαϊδαρίου και Χαλανδρίου. Στις εικόνες που παρατίθενται παρακάτω είναι φανερές οι καταστροφές που δημιουργήθηκαν από τη βροχόπτωση της 24 ης Οκτωβρίου 2014 σε κάποιες από τις περιοχές. Εικόνα 3.1: Υπόγειο πάρκινγκ σε supermarket στο Ίλιον. 102

Εικόνα 3.2: Εικόνες καταστροφής στο πάρκινγκ super- market. Εικόνα 3.3: Καταστροφές σε κατοικίες μετά την πλημμύρα στο Ίλιον. 103

Εικόνα 3.4: Μεταφορά αυτοκινήτων λόγω της ισχυρής βροχόπτωσης στις 24/10/2014. Εικόνα 3.5: Υποχώρηση του ρέματος Εσχατιάς. 104

Εικόνα 3.6:Το ύψος της πλημμύρας στο Μενίδι Εικόνα 3.7: Το ύψος και η ένταση της πλημμύρας στο Ίλιον. 105

Εικόνα 3.8: Λεωφόρος Καβάλας μετά την ισχυρή βροχόπτωση. Εικόνα 3.9: Δρόμος στο λιμάνι του Πειραιά κατά τη διάρκεια της βροχόπτωσης. 106

Το οικιστικό σύνολο της περιοχής μελέτης χαρακτηρίζεται από μικτές χρήσεις γης, υψηλή οικιστική πυκνότητα, σχετική έλλειψη ελεύθερων χώρων, επιβαρυμένη οδική κυκλοφορία και ατμοσφαιρική ρύπανση. Σε κάθε περίπτωση η υψηλή συγκέντρωση κατοίκων και οι χρήσεις γης καθιστούν την τρωτότητα της περιοχής πολύ υψηλή (Λέκκας Θ., 2010). Από το 2010 είχε επισημανθεί από επιστήμονες του Πανεπιστημίου Αθηνών η μεγάλη πιθανότητα των καταστροφικών πλημμύρων. Σε μελέτη που είχαν εκπονήσει για τον Αναπτυξιακό Σύνδεσμο Δυτικής Αθήνας (ΑΣΔΑ), με τίτλο «Επιχειρησιακή Οργάνωση των Δήμων του ΑΣΔΑ για την Πολιτική Προστασία & την Αντιμετώπιση Φυσικών & Περιβαλλοντικών Κινδύνων. Α Φάση: Δράσεις Μείωσης Πλημμυρικού Κινδύνου» με υπεύθυνο τον καθηγητή Λέκκα Θ. είχαν αποτυπώσει σε χάρτη την πλημμυρική επικινδυνότητα για τις περιοχές της Δυτικής Αττικής (Εικόνα 3.10). Εικόνα 3.10: Χάρτης επικινδυνότητας από πλημμυρικό κίνδυνο (Πηγή: Λέκκας Θ., 2010, (Αθήνα), «Επιχειρησιακή Οργάνωση των Δήμων του ΑΣΔΑ για την Πολιτική Προστασία & την Αντιμετώπιση Φυσικών & Περιβαλλοντικών Κινδύνων. Α Φάση: Δράσεις Μείωσης Πλημμυρικού Κινδύνου», Εθνικό Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, Τμήμα Γεωλογίας & Γεωπεριβάλλοντος). 107

Η περιοχή μελέτης καλύπτει κυρίως το δυτικό τμήμα της υδρολογικής λεκάνης του Κηφισού. Μεγάλο τμήμα του υδρογραφικού δικτύου της περιοχής έχει υποστεί αλλοιώσεις με εξαίρεση τον Κηφισό ποταμό, που στο μεγαλύτερο τμήμα του έχει υποστεί σημαντικές τεχνικές επεμβάσεις. Οι ανθρωπογενείς παρεμβάσεις στα υδρογραφικά συστήματα μπορούν διαχωριστούν σε 4 βασικές κατηγορίες: (Εικόνα 3.11) (Λέκκας Θ., 2010) να o κλειστά διευθετημένα ρέματα o μπαζωμένα ή υποδιαστασιοποιημένα o ανοικτά μη διευθετημένα o ανοικτά διευθετημένα Εικόνα 3.11: Χάρτης ανθρωπογενών παρεμβάσεων στο υδρογραφικό σύστημα του Κηφισού (Πηγή: Λέκκας Θ., 2010, (Αθήνα), «Επιχειρησιακή Οργάνωση των Δήμων του ΑΣΔΑ για την Πολιτική Προστασία & την Αντιμετώπιση Φυσικών & Περιβαλλοντικών Κινδύνων. Α Φάση: Δράσεις Μείωσης Πλημμυρικού Κινδύνου», Εθνικό Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, Τμήμα Γεωλογίας & Γεωπεριβάλλοντος). 108

Όπως φαίνεται και από την Εικόνα 3.11 στο βορειοανατολικό τμήμα της Δυτικής Αττικής το υδρογραφικό σύστημα της Εσχατιάς είναι σε μεγάλο τμήμα ανοικτό μη διευθετημένο, από τα δυτικά του δήμου Ζεφυρίου μέχρι και το Καματερό το ρέμα αυτό είναι κλειστό και διευθετημένο. Στο μεγαλύτερο τμήμα των δήμων Πετρούπολης και Ιλίου υπάρχει το ρέμα του Αλφειού το οποίο σε όλο το μήκος του είναι κλειστό και διευθετημένο. Το Χαϊδαρόδεμα και το ρέμα του Νέστου αποτελούν άλλα δύο σημαντικά συστήματα ρεμάτων στη περιοχή του Χαϊδαρίου. Το πρώτο στο μεγαλύτερο τμήμα του και εντός του δάσους Χαϊδαρίου και του δήμου Αιγάλεω είναι κλειστό και διευθετημένο, στο δυτικό τμήμα του ακολουθεί την Εθνική Οδό Αθηνών- Κορίνθου παραμένοντας διευθετημένο και ανοικτό. Στο νότιο τμήμα της υπολεκάνης του Χαϊδαρίου υπάρχει το ρέμα του Νέστου του οποίου το μεγαλύτερο τμήμα είναι κλειστό και διευθετημένο Ο σημαντικός λόγος στο περιστατικό των καταστροφικών πλημμυρικών φαινομένων της 24 ης Οκτωβρίου δεν ήταν μόνο η ακραία βροχόπτωση και το ανάγλυφο της περιοχής, αλλά διαδραμάτισαν σημαντικό ρόλο οι ανθρωπογενείς παρεμβάσεις όπως η άναρχη δόμηση και οι παρεμβάσεις στα ρέματα. Η πολύ αυξημένη αστικοποίηση της περιοχής οδηγεί στην απομείωση των όγκων νερού που κατεισδύουν στο έδαφος. Τέλος, οι παρεμβάσεις στα ρέματα και η μείωση της διατομής τους έχουν σαν αποτέλεσμα τη αδυναμία που έχουν τα τελευταία να αποστραγγίζουν τα νερά που κατεβαίνουν από τους ορεινούς όγκους της Πάρνηθας και του Αιγάλεω (Λέκκας Θ., 2010). 3.1 Ανάλυση συνοπτικής κατάστασης της ατμόσφαιρας. Την Πέμπτη 23 Οκτωβρίου Ελλάδα επηρεάστηκε από ένα οργανωμένο βαθύ βαρομετρικό χαμηλό 1 το οποίο δημιουργήθηκε στην ευρύτερη περιοχή της Αδριατικής Θάλασσας και κινήθηκε ανατολικά. Την ίδια στιγμή οι υψηλές πιέσεις που επικρατούσαν στην Βόρεια Βαλκανική εξαναγκάζουν το κυρίως σώμα της σφήνας υφέσεων 2 να αποκοπεί από την 1 Βαρομετρικό χαμηλό (L): Κλειστές ισοβαρείς με την πίεση να ελαττώνεται από την περιφέρεια προς το κέντρο. Λέγεται αλλιώς και κυκλώνας ή ύφεση. Ισοβαρείς είναι καμπύλες που εμφανίζονται στους χάρτες επιφανείας και συμπεριλαμβάνουν όλα τα σημεία που έχουν την ίδια πίεση. 2 Αυλώνας : Διαταραχή της ατμόσφαιρας, ονομάζεται και σφήνα χαμηλών πιέσεων ή ύφεσης. Στους χάρτες φαίνεται σαν γλώσσα ισοβαρών (πιέσεων) και πολλές φορές μία μεγάλη γλώσσα (long wave trough) περικλείει στις περιφερειακές ισοβαρείς και άλλες μικρότερες δευτερεύουσες και αβαθέστερες υφέσεις (short wave trough). Η ύπαρξη μίας trough σχετίζεται με την κυκλοφορία στην ατμόσφαιρα και έχει άμεση σχέση με την ύπαρξη μεσημβρινής κυκλοφορίας. 109

κυκλοφορία των αέριων μαζών στην Ευρώπη, να κινηθεί πάνω από την περιοχή της Νότιας Ιταλίας και να κατευθυνθεί νοτιοανατολικά (Εικόνα 3.1.1). Εικόνα 3.1.1: Απεικόνιση του γεωδυναμικού στις 23/10 στις 18 UTC (Πηγη: http://www.wetter3.de ) 110

Εικόνα 3.1.2: Χάρτης επιφανειακής ανάλυσης 23/10 στις 12 UTC (Πηγή: UK Met Office). Το αποκομμένο χαμηλό ανώτερης ατμόσφαιρας (cutoff low) συνδέεται με μετωπική ύφεση επιφανείας πάνω από τη Β. Ελλάδα (Εικόνα 3.1.2). Το ψυχρό μέτωπο φαίνεται να επηρεάζει την περιοχή της Αττικής συνοδευόμενο από ισχυρούς νότιους ανέμους και έντονη βροχόπτωση. Την Παρασκευή 24 Οκτωβρίου έχουμε τη δημιουργία ενός δεύτερου βαρομετρικού χαμηλού στη Νότια Ιταλία και το Ιόνιο το οποίο κινείται προς την περιοχή των Σποράδων μέσω του λεκανοπεδίου της Αττικής. Κατά τη διέλευσή του από την περιοχή της Αττικής το βαρομετρικό χαμηλό βρίσκεται σε φάση ωρίμανσης με αποτέλεσμα τον σχηματισμό μετωπικών επιφανειών 3. 3 Μετωπικές επιφάνειες-μέτωπα: Όταν δύο αέριες μάζες με διαφορετικά χαρακτηριστικά συναντηθούν, τότε η μεταξύ τους διαχωριστική επιφάνεια ονομάζεται μετωπική επιφάνεια και η τομή μιας τέτοιας επιφάνειας με το οριζόντιο επίπεδο λέγεται μέτωπο. 111

Η επιφανειακή ύφεση συνοδευμένη από το ψυχρό μέτωπο που σχηματίζεται στην περιοχή της Πελοποννήσου δημιουργεί ισχυρές καταιγίδες, κατά τις μεσημβρινές ώρες, στην περιοχή του Σαρωνικού Κόλπου, οι οποίες μεταφέρονται προς την περιοχή του λεκανοπεδίου. Σημαντικό είναι να αναφερθεί και η δομή της τροπόσφαιρας εκείνης της μέρας που ευνόησε στη δημιουργία των πολυκύτταρων καταιγίδων (multicell) στα ανοιχτά του Σαρωνικού. Τα χαρακτηριστικά που παρατηρήθηκαν στην τροπόσφαιρα ήταν: (Εικόνες 3.1.3-5) o Ισχυρή διάτμηση των ανέμων καθ ύψος. o Διεύθυνση των ανέμων στα 700 mb σχεδόν παράλληλη στον διαμήκη άξονα του μετώπου. o Σύγκλιση των επιφανειακών ανέμων νότιας συνιστώσας πάνω από την περιοχή του δυτικού λεκανοπεδίου. Πολύ υψηλά ποσοστά σχετικής υγρασίας στα πρώτα 3000μ. της τροπόσφαιρας. Εικόνα 3.1.3: Ραδιοβόλιση της μεσημβρινές ώρες στην περιοχή του Ελληνικού (Πηγή: weather.co.uk.) 112

Εικόνα 3.1.4: Χάρτης ανέμων 850 hpa στις 12 UTC (Πηγή: wetter3.de) Εικόνα 3.1.5: Χάρτης ανέμων 500 hpa στις 12 UTC (Πηγή: wetter3.de) 113

Εικόνα 3.1.6: Απεικόνιση του γεωδυναμικού στις 24/10 στις 18 UTC (Πηγή: UK Met Office). Εικόνα 3.1.7: Απεικόνιση του γεωδυναμικού στις 24/10 στις 12 UTC. 114

Πιο αναλυτικά, από το πρωί της 24 ης Οκτωβρίου παρουσιάστηκαν σύντομες μπόρες, όμως ο καιρός στη συνέχεια βελτιώθηκε. Το μεσημέρι (12 UTC) τα καιρικά φαινόμενα επιδεινώνονται με τη δημιουργία της οργανωμένης γραμμής καταιγίδων. Η Αττική επηρεάστηκε από βαρομετρικό χαμηλό με πίεση στο κέντρο κάτω από 1005 hpa συνοδευόμενο από μετωπική δραστηριότητα (ψυχρό μέτωπο) όπως παρατηρείται και στην Εικόνα 3.1.7. Παράλληλα, το σύστημα επιφανείας υποστηρίζεται από ψυχρή λίμνη στην ανώτερη ατμόσφαιρα (Εικόνα 3.1.7) το οποίο βοήθησε στην ενίσχυση των ανοδικών ρευμάτων στην επιφάνεια ενισχύοντας τα δυναμικά αίτια (μέτωπα). Ο καιρός επιδεινώθηκε ακόμα περισσότερο μετά τις 3 το μεσημέρι και ύστερα από τη δημιουργία νέων πυρήνων καταιγίδων, καθώς η επιφανειακή ύφεση κινείται νοτιοανατολικά προς τον ηπειρωτικό κορμό της χώρας. Μέχρι τις 5μ.μ. η κατάσταση συνεχίστηκε με μια ραγδαία βροχόπτωσή και κατά περιόδους χαλαζόπτωση σε ορισμένες περιοχές του νομού. Ένας νέος πυρήνας σχηματίζεται, νωρίς το βράδυ, στη περιοχή της Σαλαμίνας ο οποίος κινείται ανατολικά. Η τελευταία σύντομη αλλά έντονη βροχόπτωση δεν δημιούργησε παραπάνω προβλήματα στην Αττική. Το πολύ εντυπωσιακό αυτού του κύματος καταιγίδας ήταν η δημιουργία υδροστρόβιλου στην παράκτια περιοχή του Πειραιά. 3.2 Εκτίμηση και αξιολόγηση δορυφορικών δεδομένων. Στο συγκεκριμένο κομμάτι της εργασίας παρουσιάζεται η μεθοδολογία που ακολουθήσαμε για να πάρουμε τα δεδομένα βροχόπτωσης από τα βροχόμετρα καθώς επίσης και τα δορυφορικά δεδομένα βροχόπτωσης στις 24 Οκτωβρίου του 2014. Στη συνέχεια, έχουμε την αξιολόγηση των δεδομένων βροχόπτωσης από τους δορυφόρους και τέλος ένα σύντομο σχολιασμών των αποτελεσμάτων. 3.2.1 Μεθοδολογία και ανάλυση δεδομένων. Για τη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν και αναλύθηκαν δεδομένα βροχόπτωσης από τρεις διαφορετικούς μετεωρολογικούς σταθμούς της Εθνικής Μετεωρολογικής Εταιρίας, κοντά στις περιοχές που παρουσιάστηκε η δυνατή βροχή και είχα τις μεγαλύτερες καταστροφές. Έτσι οι σταθμοί αυτοί είναι ο μετεωρολογικό σταθμός στο Τατόι (1) με γεωγραφικό πλάτος: 38 06 24.84 βόρεια και γεωγραφικό μήκος: 23 46 48.36 ανατολικά, ο σταθμός στην Ελευσίνα (2) με γεωγραφικό πλάτος: 38 04 03.00 βόρεια και γεωγραφικό μήκος: 115

23 33 08.28 ανατολικά και τέλος ο μετεωρολογικός σταθμός στη Νέα Φιλαδέλφεια (3) με γεωγραφικό πλάτος: 38 02 43.45 βόρεια και γεωγραφικό μήκος: 23 44 44.63 ανατολικά. ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΣΤΑΘΜΩΝ Χ Υ ΤΑΤΟΙ 23.7801 38.1069 ΕΛΕΥΣΙΝΑ 23.5523 38.0675 ΝΕΑ ΦΙΛΑΔΕΛΦΕΙΑ 23.745731 38.045403 Πίνακας 3.2.1.1: Οι συντεταγμένες από τους τρεις μετεωρολογικούς σταθμούς. Εικόνα 3.2.1.1: Η θέση των τριών μετεωρολογικών σταθμών από τους οποίους πήραμε δεδομένα βροχόπτωσης για τις 24 Οκτωβρίου 2014 (Πηγή: Ε.Μ.Υ). 116

-ΒΡΟΧΟΜΕΤΡΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ. Τα δεδομένα βροχόπτωσης των μετεωρολογικών σταθμών δίνουν μια εκτίμηση για το ύψος βροχής σε mm σε σχέση με το χρόνο. Οι πίνακες που ακολουθούν δείχνουν τις μετρήσεις των σταθμών για τις 24 Οκτωβρίου του 2014. ΤΑΤΟΙ ΗΜΕΡΑ ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ 23 24 24 24 24 24 24 24 25 25 ΩΡΑ UTC 21 00 03 06 09 12 15 18 21 00 ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ mm 0 0 0 2 0 7,5 49,2 63 0 0 Πίνακας 3.2.1.2: Τα δεδομένα βροχόπτωσης σε mm ανά χρόνο σε UTC στον μετεωρολογικό σταθμό Τατοΐου της 24 ης Οκτωβρίου 2014 (Πηγή: Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία). ΕΛΕΥΣΙΝΑ ΗΜΕΡΑ ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ 23 24 24 24 24 24 24 24 25 25 ΩΡΑ UTC 21 00 03 06 09 12 15 18 21 00 ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ mm 0 0 0 1,2 0 13,5 44,6 61,4 0 0 Πίνακας 3.2.1.3: Τα δεδομένα βροχόπτωσης σε mm ανά χρόνο σε UTC στον μετεωρολογικό σταθμό Ελευσίνας στις 24 ης Οκτωβρίου 2014 (Πηγή: Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία). ΝΕΑ ΦΙΛΑΔΕΛΦΕΙΑ ΗΜΕΡΑ ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ 23 24 24 24 24 24 24 24 25 25 ΩΡΑ UTC 21 00 03 06 09 12 15 18 21 00 ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ mm 0 0 0 3,2 0,2 9,6 42,6 58,4 0,2 0 Πίνακας 3.2.1.4: Τα δεδομένα βροχόπτωσης σε mm ανά χρόνο σε UTC στον μετεωρολογικό σταθμό Φιλαδέλφειας στις 24 ης Οκτωβρίου 2014 (Πηγή: Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία). Νέας 117

Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι στις 06 και 18 UTC το ύψος βροχής αναφέρεται στο προηγούμενο 12ωρο, αντίθετα με τις υπόλοιπες ώρες που το ύψος βροχής αναφέρεται στο προηγούμενο 3ωρο (Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία). Για να βρούμε λοιπόν το ακριβή ύψος βροχής στις 06 UTC αφαιρούμε την τιμή που κατέγραψαν τα βροχόμετρα στις 06 UTC με τις αντίστοιχες τιμές που σημειώθηκαν στις 03 UTC και 00 UTC στις 24 Νοεμβρίου και 21 UTC στις 23 Νοεμβρίου. Τελικό ύψος βροχής 06UTC = P 06UTC - P 03UTC - P 00UTC - P 21UTC Επομένως το τελικό ύψος βροχής στις 06 UTC, για το σταθμό στο Τατόι είναι 2 mm, στην Ελευσίνα 1,2 mm και στη Νέα Φιλαδέλφεια 3,2 mm. Η ίδια μέθοδος εφαρμόζεται και για να βρεθεί το τελικό ύψος βροχής στις 18 UTC. Τελικό ύψος βροχής 18UTC = P 18UTC - P 15UTC - P 12UTC P 09UTC Άρα το τελικό ύψος βροχής στις 18 UTC, για τον σταθμό στο Τατόι είναι 6,3 Ελευσίνα είναι 3,3 mm και στη Νέα Φιλαδέλφεια 6 mm. mm, στην Στη συνέχεια παρουσιάζεται ένα διάγραμμα του ύψους βροχής (σε mm/h) σε σχέση με το χρόνο (UTC), βάσει τα παραπάνω δεδομένα. 118

ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ mm/h (24-10-2014) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 21 0 3 6 9 12 15 18 21 0 ΤΑΤΟΙ ΕΛΕΥΣΙΝΑ ΝΕΑ ΦΙΛΑΔΕΛΦΕΙΑ Διάγραμμα 3.2.1.1: Διάγραμμα ύψους βροχής σε mm (κάθετος άξονας) σε σχέση με το χρόνο σε UTC (οριζόντιος άξονας) για τις τρεις περιοχές. Από διάγραμμα που παρουσιάζεται παραπάνω μπορούμε να συμπεράνουμε πως τα μεγαλύτερα ποσά υετού σημειώθηκαν κατά τις μεσημβρινές ώρες (12 με 15 UTC) και στις τρεις περιοχές που χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη. Συγκεκριμένα, το ύψος βροχής εκείνες τις ώρες στο Τατόι ήταν 41,7 mm, στην Ελευσίνα 31,1 mm και στη Νέα Φιλαδέλφεια 33 mm (αφαιρέθηκε η τιμή του ύψους βροχής στις 15 UTC με την τιμή στις 12 UTC). Αντίθετα οι υπόλοιπες ώρες τις 24 ης Οκτωβρίου παρουσιάζουν πολύ χαμηλά ποσά υετού. Τέλος, μπορούμε να παρατηρήσουμε την ώρα που ξεκίνησε η έντονη βροχόπτωση (12 UTC), όπως επίσης και τη μείωση της από τις 18 UTC και ύστερα. -ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ. Για την σωστή αξιολόγηση των δορυφορικών δεδομένων θα πρέπει να συγκριθούν οι παραπάνω τιμές στα ύψη της βροχής από τις μετρήσεις των τριών μετεωρολογικών σταθμών με αυτές του MPE και του TRMM αντίστοιχα. Για την επεξεργασία των δορυφορικών δεδομένων TRMM χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα IDV (Integrated Data Viewer) της UNIDATA. Το συγκεκριμένο πρόγραμμα βασίζεται στην γλώσσα προγραμματισμού Java και εξειδικεύεται στην ανάλυση μετεωρολογικών δεδομένων. Με το IDV δίνεται η δυνατότητα απεικόνισης δορυφορικών και πλεγματικών δεδομένων δύο διαστάσεων (gridded data), επιφανειακών παρατηρήσεων καθώς και δεδομένων radar. 119

Για την υλοποίηση της εργασίας χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικά δεδομένα δύο διαστάσεων. Τα δεδομένα αυτά αναφέρονται στο ύψος βροχής στο δυσδιάστατο pixel (5*5 km), εισήχθησαν στο συγκεκριμένο λογισμικό με αποτέλεσμα τη δημιουργία πλεγματικών σημείων. Πρέπει να σημειωθεί ότι τα δορυφορικά δεδομένα του TRMM για το ύψος βροχής δίνονται ανά τρίωρο. Κατά την ανάλυση των δεδομένων βροχόπτωσης του TRMM εισήχθησαν στον πρόγραμμα δεδομένα δύο διαστάσεων για τις 6, 9, 12 και 15 UTC δημιουργώντας πλεγματικά σημεία. Με τη χρήση των συντεταγμένων των τριών μετεωρολογικών σταθμών πήραμε τις ακριβείς μετρήσεις του δορυφόρου για τα συγκεκριμένα σημεία ώστε να γίνει η σωστή σύγκριση. Στην παρακάτω εικόνα (Εικόνα 3.2.1.2) απεικονίζονται τα πλεγματικά σημεία και οι θέσεις των τριών σταθμών. Εικόνα 3.2.1.2: Απεικόνιση πλεγματικών σημείων και η θέση των τριών μετεωρολογικών σταθμών (9.00 UTC). Οι πίνακες που ακολουθούν δείχνουν τις τιμές του ύψους βροχής από τα δορυφορικά δεδομένα για τις 24 Οκτωβρίου του 2014. 120

ΕΛΕΥΣΙΝΑ ΗΜΕΡΑ ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ 24 24 24 24 ΩΡΑ UTC 06 09 12 15 ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ (mm) 2,2 8,4 12,5 0 Πίνακας 3.2.1.5: Οι τιμές βροχόπτωσης σε mm ανά χρόνο σε UTC από τα δορυφορικά δεδομένα TRMM στον μετεωρολογικό σταθμό της Ελευσίνας στις 24 Οκτωβρίου 2014. ΤΑΤΟΙ ΗΜΕΡΑ ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ 24 24 24 24 ΩΡΑ UTC 06 09 12 15 ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ (mm) 0,616 10 5,8 4,6 Πίνακας 3.2.1.6: Οι τιμές βροχόπτωσης σε mm ανά χρόνο σε UTC από τα δορυφορικά δεδομένα TRMM στον μετεωρολογικό σταθμό Τατόι στις 24 Οκτωβρίου 2014. ΝΕΑ ΦΙΛΑΔΕΛΦΕΙΑ ΗΜΕΡΑ ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ 24 24 24 24 ΩΡΑ UTC 06 09 12 15 ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ (mm) 0,804 9 8,2 2,4 Πίνακας 3.2.1.7: Οι τιμές βροχόπτωσης σε mm ανά χρόνο σε UTC από τα δορυφορικά δεδομένα TRMM στον μετεωρολογικό σταθμό της Ν. Φιλαδέλφειας στις 24 Οκτωβρίου 2014. 121

Στο παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζονται τα ύψη βροχής του TRMM στις διαφορετικές τοποθεσίες βάσει των πινάκων που προηγήθηκαν. ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ TRMM 14 12 10 8 6 4 ΕΛΕΥΣΙΝΑ ΤΑΤΟΙ ΝΕΑ ΦΙΛΑΔΕΛΦΕΙΑ 2 0 6 9 12 15 Διάγραμμα 3.2.1.2: Διάγραμμα ύψους βροχής σε mm (κάθετος άξονας) σε σχέση με το χρόνο σε UTC (οριζόντιος άξονας) για τις τρεις περιοχές από τα δορυφορικά δεδομένα TRMM. Στο διάγραμμα καθώς και στους πίνακες που προηγήθηκαν μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι από τις μετρήσεις των δεδομένων βροχής του TRMM τα μεγαλύτερα ποσοστά υετού σημειώθηκαν στο διάστημα 9 έως 12 UTC. Από εκείνη τη χρονική στιγμή και έπειτα φαίνεται να μειώνεται αρκετά το ύψος βροχής. Το ίδιο μπορούμε να παρατηρήσουμε και στις παρακάτω εικόνες όπου φαίνεται και η μείωση στις τιμές της βροχόπτωσης. Συγκεκριμένα στην Εικόνα 3.2.1.4 (σελ.123) για τις 15 UTC μπορούμε να δούμε τις πολύ χαμηλές τιμές της βροχής στο λεκανοπέδιο της Αττικής. Βάσει των δορυφορικών δεδομένων TRMM εκείνη την ώρα τα φαινόμενα είχαν εξασθενήσει στην Αθήνα και παρατηρούνται πιο έντονα φαινόμενα στο βορειοανατολικό μέρος. 122

Εικόνα 3.2.1.3: Απεικόνιση των δεδομένων βροχής του TRMM στις 12UTC. 123

Εικόνα 3.2.1.4: Απεικόνιση των δεδομένων βροχής του TRMM στις 15UTC. Στη συνέχεια γίνεται η ανάλυση των δορυφορικών δεδομένων βροχόπτωσης MPE. Πρέπει να αναφερθεί ότι οι τιμές του ύψους βροχής από το MPE δίνονται ανά ώρα σε αντίθεση με τις τιμές του TRMM και των βροχόμετρων πουν δίνονται ανά τρίωρο. Για την επεξεργασία των δεδομένων αυτών χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα ArcGIS, στο οποίο έγινε η ταξινόμηση των δεδομένων. Τα διαθέσιμα δεδομένα είναι για τις ώρες 8.00-14.15 UTC. Παρακάτω ακολουθεί η ταξινόμηση της βροχόπτωσης για τα δεδομένα του MPE. 124

Εικόνα 3.2.1.5: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 8.00-8.45UTC. 125

Εικόνα 3.2.1.6: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 9.00-9.45UTC. 126

Εικόνα 3.2.1.7: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 10.00-10.45UTC. 127

Εικόνα 3.2.1.8: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 11.00-11.45UTC. 128

Εικόνα 3.2.1.9: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 12.00-12.15 UTC. 129

Εικόνα 3.2.1.10: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 12.30-12.45 UTC. 130

Εικόνα 3.2.1.11: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 13.00-13.45 UTC. 131

Εικόνα 3.2.1.11: Ταξινόμηση των δεδομένων MPE 14.30-14.30 UTC. Από τις παραπάνω ταξινομήσεις μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι ο MPE δεν δίνει τιμές βροχόπτωσης στην περιοχή μελέτης στις πρώτες ώρες 8.00-8.15 UTC και στα τελευταία δεδομένα 13.30-14.30 UTC. Πρέπει να σημειωθεί ότι στις 15.00 UTC τα βροχόμετρα έδωσαν την μέγιστη τιμή βροχόπτωσης (Διάγραμμα 3.2.1.1, σελ. 119) σε αντίθεση με τον δορυφόρου ο οποίος δεν έχει διαθέσιμες τιμές για εκείνη την ώρα. Από τα δεδομένα MPE φαίνεται ότι η μεγαλύτερη ένταση βροχής ήταν στο διάστημα 12.00 και 12.15 UTC με μέγιστη τιμή 4,32 mm/h (12.15 UTC). Στην περιοχή της Αττικής δίνονται μεγάλα ύψη βροχής βάσει των δεδομένων του δορυφόρου για τις συγκεκριμένες ώρες και αυτό φαίνεται και από τις ταξινομήσεις των δεδομένων (Εικόνα 3.2.1.9, σελ. 129). Στη συνέχεια από τις 12.30 UTC και μετά οι υψηλές τιμές βροχής εμφανίζονται βορειότερα και κοντά στην περιοχή της Εύβοιας ενώ το ύψος βροχής κάθε ώρα μειώνεται σταδιακά και τα φαινόμενα εξασθενούν από το λεκανοπέδιο (12.45-13.15 UTC). Από τις 13.30-14.15 UTC σημειώνεται ακόμα μεγαλύτερη μείωση στην εκτίμηση της βροχής, ενώ ο δορυφόρος δεν δίνει σχεδόν καθόλου δεδομένα βροχόπτωσης για την Αττική, το φαινόμενο φαίνεται να έχει εξασθενήσει. Στις 14.00-14.15 UTC υπάρχει εκτίμηση πολύ ήπιας βροχής στην περιοχή της Εύβοιας. 132

ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ mm 3.2.2 Αξιολόγηση δορυφορικών δεδομένων βροχόπτωσης. Στο συγκεκριμένο μέρος της εργασίας πραγματοποιείται η αξιολόγηση των δορυφορικών δεδομένων βροχόπτωσης TRMM και MPE. Λόγω της εγκυρότητας στις παρατηρήσεις των μετεωρολογικών σταθμών για τα ημερήσια ύψη βροχής η αξιολόγηση και ο σχολιασμός των αποτελεσμάτων γίνεται ύστερα από σύγκριση των τιμών βροχής των δορυφόρων με τις μετρήσεις των βροχόμετρων από τους τρεις μετεωρολογικούς σταθμούς που επιλέχτηκαν για τη συγκεκριμένη εργασία. Στους παρακάτω πίνακες καθώς και στα αντίστοιχα διαγράμματα γίνεται η σύγκριση των τιμών βροχής σε mm του TRMM και οι τιμές των βροχόμετρων. Τα δεδομένα συγκρίθηκαν για κάθε περιοχή ξεχωριστά στο διάστημα μεταξύ 06 έως 15 UTC. ΕΛΕΥΣΙΝΑ ΩΡΑ UTC ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ TRMM (mm) ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ ΒΡΟΧΟΜΕΤΡΟΥ (mm) 06 2,2 1,2 09 8,4 0 12 12,5 13,5 15 0 44,6 Πίνακας 3.2.2.1: Συγκριτικός πίνακας υψών βροχής στην περιοχή της Ελευσίνας.. 50 ΕΛΕΥΣΙΝΑ 40 30 20 10 ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΒΡΟΧΟΜΕΤΡΟΥ TRMM 0 6 9 12 15 ΩΡΑ UTC Διάγραμμα 3.2.2.1: Συγκριτικό διάγραμμα υψών βροχής στην περιοχή της Ελευσίνας. 133

ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ mm ΤΑΤΟΙ ΩΡΑ UTC ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ TRMM (mm) ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ ΒΡΟΧΟΜΕΤΡΟΥ (mm) 06 0,616 2 09 10 0 12 5,8 7,5 15 4,6 49,2 Πίνακας 3.2.2.2: Συγκριτικός πίνακας υψών βροχής στην περιοχή του Τατοΐου. TATOI 60 50 40 30 20 10 0 6 9 12 15 ΩΡΑ UTC ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΒΡΟΧΟΜΕΤΡΟΥ TRMM Διάγραμμα 3.2.2.2: Συγκριτικό διάγραμμα υψών βροχής στην περιοχή του Τατοΐου. ΝΕΑ ΦΙΛΑΔΕΛΦΕΙΑ ΩΡΑ UTC ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ TRMM (mm) ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ ΒΡΟΧΟΜΕΤΡΟΥ (mm) 06 0,804 3,2 09 9 0,2 12 8,2 9,6 15 2,4 42,6 Πίνακας 3.2.2.3: Συγκριτικός πίνακας υψών βροχής στην περιοχή της Ν. Φιλαδέλφειας. 134

ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ mm 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 ΝΕΑ ΦΙΛΑΔΕΛΦΕΙΑ 6 9 12 15 ΩΡΑ UTC ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΒΡΟΧΟΜΕΤΡΟΥ TRMM Διάγραμμα 3.2.2.3: Συγκριτικό διάγραμμα υψών βροχής στην περιοχή της Ν. Φιλαδέλφειας. Από τα παραπάνω διαγράμματα και πίνακες σύγκρισης για τα δορυφορικά δεδομένα από τον TRMM παρατηρούνται διαφοροποιήσεις ιδιαίτερα στις ακραίες τιμές σε σχέση με τα δεδομένα των βροχόμετρων. Πιο συγκεκριμένα και στις τρεις περιοχές παρατηρείται υπερεκτίμηση της βροχής κατά τη χρονική περίοδο 6.00-9.00 UTC. Οι καταγραφές και των τριών μετεωρολογικών σταθμών δίνουν σχεδόν μηδενική τιμή βροχόπτωσης σε αντίθεση με τα δεδομένα του δορυφόρου που δίνουν το ύψος βροχής από 8,4 μέχρι 10 mm. Επιπλέον, μεγάλη απόκλιση στις τιμές παρατηρείται και για το διάστημα 12.00-15.00 UTC. Πρέπει να σημειωθεί ότι στις 15.00 UTC σημειώθηκαν οι μεγαλύτερες τιμές βροχόπτωσης βάσει των μετεωρολογικών σταθμών. Όπως παρουσιάζεται και στα διαγράμματα ενώ τα δεδομένα των βροχόμετρων δίνουν για τη συγκεκριμένη περίοδο (12.00-15.00 UTC) σταθερή άνοδο στις τιμές βροχόπτωσης, τα δεδομένα του δορυφόρου δίνουν μείωση. Σημαντικό παράδειγμα είναι η περιοχή της Ελευσίνας που έχουμε και την μεγαλύτερη διαφορά στα δεδομένα, όπου ο δορυφόρο εκτίμησε μηδενική βροχόπτωση, αντίθετα με τα δεδομένα του μετεωρολογικού σταθμού που ήταν 44,6 mm βροχής. Στις 6.00 και 12.00 UTC η απόκλιση είναι πολύ μικρή μεταξύ των δεδομένων. Οι τιμές βροχόπτωσης του TRMM είναι πολύ κοντά στις μετρήσεις και των τριών σταθμών. Άρα με βάσει τα διαγράμματα και τους αντίστοιχους πίνακες μπορούμε να παρατηρήσουμε: o Αύξηση στις τιμές του δορυφόρου από τις 6.00-9.00 UTC, όταν για την ίδια περίοδο τα βροχόμετρα δίνουν μείωση. 135

o Μεγαλύτερες τιμές βροχής στις 12.00 UTC και στα τρία σημεία. o Μείωση στις τιμές του δορυφόρου από τις 12.00-15.00 UTC, όπου παρατηρείται και οι μεγαλύτερη απόκλιση τιμών. Τα δεδομένα του TRMM έδωσαν τιμές βροχής χωρίς όμως να περιγράψουν την ακραία βροχόπτωση εκείνης της μέρας και χωρίς να εκτιμήσουν το μεγάλο όγκο βροχής στις 15.00 UTC. Στη συνέχεια ακολουθεί η ανάλυση των δεδομένων του MPE. Όπως ήδη αναφέρθηκε στη προηγούμενη ενότητα τα δεδομένα του MPE δίνονται ανά ώρα για να γίνει η σύγκριση με τα δεδομένα των μετεωρολογικών σταθμών που δίνονται ανά τρίωρο χρειάστηκε να προστεθούν τα ύψη βροχής. Τα διαθέσιμα δεδομένα του MPE για την εργασία ήταν από τις 8.00-14.15 UTC οπότε για τη συγκεκριμένη σύγκριση των MPE θα βασιστούμε στο διάστημα 9.00-12.00 UTC. Επιπλέον, για καλύτερη σύγκριση δημιουργήθηκαν ακόμη δύο χάρτες με απόκλιση ± 15 στο διάστημα που αναφέρθηκε. Παρακάτω αναλύονται τα βήμα που ακολουθήθηκαν στο ArcGIS για την σύγκριση των δεδομένων: o Αρχικά έγινε η πρόσθεση στα ύψη βροχής για κάθε γεωγραφική συντεταγμένη στα δορυφορικά δεδομένα για τις 10.00, 11.00 και 12.00 UTC. o Έχοντας την αθροιστική βροχόπτωση έγινε η ταξινόμηση των βροχομετρικών δεδομένων. o Στη συνέχεια εισήχθησαν στο πρόγραμμα τα δεδομένα των 3 μετεωρολογικών σταθμών (γεωγραφικές συνταγμένες & ύψος βροχής). o Μέσω του join επιλέχθηκαν τα κοντινότερα σημεία στους τρεις μετεωρολογικούς σταθμούς Η παραπάνω διαδικασία είχα σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός νέου αρχείου το οποίο περιέχει τα δεδομένα των τριών σταθμών και τα δεδομένα των πλησιέστερων σημείων σε αυτούς, τα δεδομένα αυτά θα χρησιμοποιηθούν για να πραγματοποιηθεί η σύγκριση των δορυφορικών δεδομένων. Από το attribute table μπορούμε να τα δούμε αναλύτικα, όπως επίσης και την μεταξύ τους απόσταση. 136

Το εξαγόμενο αποτέλεσμα που ακολουθεί παρακάτω είναι ένας συγκριτικός χάρτης δορυφορικών και βροχομετρικών δεδομένων για τα διάστημα 8.45-11.45 UTC, 9.00-12.00 UTC και 9.15-12.15 UTC αντίστοιχα. Στους συγκεκριμένους χάρτες υπάρχει και ένα διάγραμμα με τις τιμές των μετεωρολογικών σταθμών και τις τιμές των δορυφόρων το οποίο θα βοηθήσει στη σύγκριση των δεδομένων. 137

Χάρτης 3.2.2.1: Συγκριτικός χάρτης δεδομένων βροχόπτωσης και ταξινόμηση αθροιστικών δορυφορικών δεδομένων 8.45-11.45 UTC. 138

Χάρτης 3.2.2.2: Συγκριτικός χάρτης δεδομένων βροχόπτωσης και ταξινόμηση αθροιστικών δορυφορικών δεδομένων 9.00-12.00 UTC. 139

Χάρτης 3.2.2.3: Συγκριτικός χάρτης δεδομένων βροχόπτωσης και ταξινόμηση αθροιστικών δορυφορικών δεδομένων 9.15-12.15 UTC. 140

Όπως αναφέρθηκε τα σημεία που επιλέχθηκαν για τη σύγκριση ήταν τα κοντινότερα στους σταθμούς. Το σημείο 1 (23.7972, 38.1233) είναι το πλησιέστερο στο μετεωρολογικό σταθμό στο Τατόι με απόσταση 0,023μ., το σημείο 2 (23.7655, 38.042) είναι το αντίστοιχο για το σταθμό στη Νέα Φιλαδέλφεια με απόσταση 0,020μ. και το σημείο 3 (23.535, 38.0696) αναφέρεται ως το κοντινότερο στην Ελευσίνα με απόσταση 0,017μ. Από τους παραπάνω συγκριτικούς χάρτες μπορούμε να παρατηρήσουμε την κίνηση του συστήματος εκείνης της μέρας. Πρέπει να αναφερθεί ότι στο πρώτο τρίωρο 8.45-11.45 UTC (Χάρτης 3.2.2.1, σελ. 138) έχουμε τις μικρότερες τιμές στην αθροιστική βροχόπτωση σε σχέση με το τρίτο τρίωρο 9.15-12.15 UTC (Χάρτης 3.2.2.3, σελ.140) που έχουμε τις μεγαλύτερες τιμές (μέχρι 5,33 mm). Παρόλα αυτά, για τις περιοχές ενδιαφέροντος οι μεγαλύτερες τιμές παρατηρούνται κατά το δεύτερο τρίωρο (Συγκριτικό διάγραμμα Χάρτης 3.2.2.2, σελ. 139) αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι από τις 12.15 UTC και μετά το σύστημα εξασθενεί ανεβαίνει προς την περιοχή της Εύβοιας. Σύμφωνα λοιπόν με τους χάρτες μπορούμε να δούμε την υποεκτίμηση της βροχόπτωση και από τον MPE, καθώς ούτε εδώ γίνεται σωστή εκτίμηση για τη βροχόπτωση εκείνης της μέρας. Το μεγαλύτερο ύψος βροχής παρατηρείται στις 12.00 UTC στην Ελευσίνα. Από την ώρα αυτή και έπειτα έχουμε μείωση στις τιμές βροχής. Αυτό το σφάλμα μπορεί να προέρχεται από τους εφαρμοσμένους αλγορίθμους εκτίμησης του MPE και από την χωρική ανάλυση του δορυφόρου. Στη συνέχεια ακολουθεί οι σύγκριση των δύο δορυφορικών συστημάτων (MPE, TRMM). Mε το παρακάτω διάγραμμα συγκρίνονται τα ύψη βροχής για τις 9.00-12.00 UTC των τριών μετεωρολογικών σταθμών με τις αντίστοιχες εκτιμήσεις για τις περιοχές αυτές του TRMM και του MPE. 141

14 13,5 12,5 12 10 8 6 4 2 5,8 7,5 2,02 1,87 8,2 9,6 3,02 MPE TRMM ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ 0 ΤΑΤΟΙ ΝΕΑ ΦΙΛΑΔΕΛΦΕΙ ΕΛΕΥΣΙΝΑ Διάγραμμα 3.2.2.4: Συγκριτικό διάγραμμα MPE, TRMM και Μετεωρολογικών σταθμών για τις 12.00 UTC. Η σύγκριση των δύο δορυφορικών συστημάτων όπως αναφέρθηκε έγινε για την χρονική περίοδο 9.00-12.00 UTC καθώς ήταν η μόνη που υπήρχαν διαθέσιμα δεδομένα και από τον TRMM καθώς και από τον MPE. Τα δύο δορυφορικά συστήματα έδωσαν τις μέγιστες τιμές τους μέσα στην περίοδο 9.00-12.00 UTC. Από το διάγραμμα συμπεραίνουμε ότι τα δεδομένα του TRMM εκτίμησαν καλύτερα την βροχόπτωση και στις τρεις περιοχές και οι τιμές του είναι πολύ κοντά στις μετρήσεις των σταθμών (μεγαλύτερη απόκλιση 1,7 mm στο Τατόι), σε αντίθεση με τις εκτιμήσεις του MPE οι οποίες δίνουν πολύ χαμηλές τιμές (μεγαλύτερη απόκλιση 10,48 mm στην Ελευσίνα). Αν και οι εκτιμήσεις του TRMM για την συγκεκριμένη περίοδο ήταν αρκετά καλή και στα δύο συστήματα παρατηρείται μείωση της βροχόπτωσης από τις 12.00 UTC και έπειτα. Στις 15.00 UTC (μεγαλύτερες τιμές από τους σταθμούς) και τα δύο υποεκτίμησαν την βροχή και απέτυχαν να περιγράψουν την πολύ μεγάλη της ένταση. 142

70 60 65 61,8 62,6 50 40 MPE 30 TRMM 20 21 20,4 23,1 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ 10 3,74 2,59 3,16 0 TATOI NEA ΦΙΛΑΔΕΛΦΕΙΑ ΕΛΕΥΣΙΝΑ Διάγραμμα 3.2.2.5: Εικοσιτετράωρο συγκριτικό διάγραμμα MPE, TRMM και Μετεωρολογικών σταθμών για τις 12.00 UTC. Ύστερα από την εικοσιτετράωρη σύγκριση και τη δημιουργία του αντίστοιχου διαγράμματος (Διάγραμμα 3.2.2.5) συμπεραίνεται η αδυναμία και των δύο δορυφορικών συστημάτων να καταγράψουν την δομή της βροχόπτωσης καθώς και τα μεγάλα ύψη βροχής της συγκεκριμένης περίπτωσης. Μία παρόμοια έρευνα σχετικά με τα βροχομετρικά δορυφορικά δεδομένα πραγματοποιήθηκε και δημοσιεύτηκε από τη Hydrology and Earth System Science στις 5/12/2014. Σκοπός της ήταν η αξιολόγηση και η σύγκριση των TRMM 3B42, MPEG και CFSR (Climate Forecast System Reanalysis) και αφορούσε την περιοχή στη λίμνη Tana της Αιθιοπίας. Η συγκεκριμένη περιοχή μελέτης βρίσκεται στα βορειοδυτικά υψίπεδα της Αιθιοπίας με συνολική λεκάνη απορροής 15.000 τ. χλμ., καλύπτει περίπου 3.060 τ. χλμ. και έχει υψόμετρο 1.786 μ. 143