ίκτυο "υδρομε ΩΝ" 2η Συνάντηση Υποψηφίων ιδακτόρων και Μεταπτυχιακών Φοιτητών ACTUAL EVAPOTRANSPIRATION ESTIMATION FROM SATELLITE-BASED SURFACE ENERGY BALANCE MODEL IN THESSALY, GREECE M. Spiliotopoulos, A. Loukas, L. Vasiliades Department of Civil Engineering, University of Thessaly, Greece e-mail: aloukas@civ.uth.gr
Εκτίµηση της πραγµατικής εξατµισοδιαπνοής µε τη χρήση µοντέλουεπιφανειακούενεργειακού ισοζυγίου και τη χρήση τηλεπισκόπησης για την περιοχή της Θεσσαλίας. Μ. Σπηλιωτόπουλος, Α. Λουκάς, Λ. Βασιλειάδης Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας
Στόχοι της εργασίας Η εκτίµηση της πραγµατικής εξατµισοδιαπνοής για κάθε εικονοστοιχείο 1km x 1km για την περιοχή της Θεσσαλίας Η εξέταση της δυναµικής του ενεργειακού ισοζυγίου για την εκτίµηση της πραγµατικής εξατµισοδιαπνοής στη συγκεκριµένη περιοχή Αναγκαίες προϋποθέσεις για την µελετώµενη εφαρµογή είναι: Η ύπαρξη δορυφορικών εικόνων για τις συγκεκριµένες ηµέρες και η απουσία νεφοκάλυψης Η ύπαρξη επαρκών δεδοµένων επίγειων µετεωρολογικών σταθµών
Εικόνα 1: Περιοχή µελέτης ΕΛΛΑ Α Τρίκαλα Λάρισα Θεσσαλία Καρδίτσα Βόλος ΗΘεσσαλίααποτελείκρίσιµη πλουτοπαραγωγικήπεριοχήγιατηνελλάδα
Μεθοδολογία Μεθοδολογία SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land) Γενικά δεν υπάρχει απευθείας µέτρηση της εξατµισοδιαπνοής από δορυφορικά δεδοµένα. Οι όποιες προσπάθειες για την εκτίµηση της εξατµισοδιαπνοής γίνονται µε έµµεσους τρόπους. Στη συγκεκριµένη µεθοδολογία (SEBAL) γίνεται επεξεργασία των φασµατικών υπογραφών των καναλιών που χρησιµοποιούνται και αναγωγή τους σε παραµέτρους του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας του εδάφους (Bastiaanssen et. al 1998a; 1998b; 2005). Η τελική παράµετρος της περιγραφόµενης µεθοδολογίας είναι η εξατµισοδιαπνοή ΕΤ αφού πρώτα υπολογιστούν όπως περιγράφεται παρακάτω οι υπόλοιπες παράµετροι του ισοζυγίου. Για την εφαρµογή της µεθοδολογίας SEBAL απαιτούνται δορυφορικές εικόνες από το ορατό, το εγγύς υπέρυθρο και το θερµικό υπέρυθροτουηλεκτροµαγνητικού φάσµατος. Ηβασικήιδέατης µεθοδολογίας είναι ο υπολογισµός της ακτινοβολίας καi του ενεργειακού ισοζυγίου παράλληλα µε το ύψος αεροδυναµικής τραχύτητας που συσχετίζεται µε τηµεταφορά ορµής (aero-dynamical roughness length for momentum transport συναντάται και ως «resistances for momentum»), τη θερµότητα (heat) και τη µεταφορά υδρατµών (water vapour transport) πάνωαπότοέδαφος. Οι αναφερόµενες αντιστάσεις εξαρτώνται από την υγρασία του εδάφους, την ταχύτητα του ανέµου και τη θερµοκρασία του αέρα και όπως είναι φυσικό µεταβάλλονται ανάλογα µε τις επικρατούσες µετεωρολογικές συνθήκες. Όλες αυτές οι παράµετροι είναι διαφορετικές για κάθε εικονοστοιχείο δίνοντας έτσι µια αρκετά µεγάλη ευελιξία στο µοντέλο (Roerink and Nooordman, 2007). Αρχικά τα δεδοµένα του αισθητήρα MODIS/AQUA Level 1B µετατρέπονται σε εδαφικά χαρακτηριστικά όπως λευκαύγεια (albedo), NDVI και θερµοκρασία εδάφους. ΟδείκτηςNDVI υπολογίζεται από τις φασµατικές µπάντες 1 και 2 του MODIS, και η πολυφασµατική λευκαύγεια (albedo) υπολογίζεται χρησιµοποιώντας βαρυκεντρισµένους συντελεστές από όλα τα χρησιµοποιούµενα κανάλια του ορατού, του εγγύς υπέρυθρου και του θερµικού υπέρυθρου του MODIS (Liang et al. 1999).
ορυφορικές εικόνες Στην εργασία αυτή χρησιµοποιήθηκαν εικόνες από τον αισθητήρα MODIS του δορυφόρου AQUA. Συγκεκριµένα χρησιµοποιήθηκε το σετ εικόνων MODIS Level 1B. Ο λόγος είναι ότι οι εικόνες αυτές είναι ήδη γεωαναφερµένες (βλ. Εικόνα 2). Οι εικόνες προέρχονται από τον ftp server της NASA: http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/ Το σετ εικόνων Level 1B αποτελείται από 36 κανάλια από τα οποία µόνο τα 9 χρησιµοποιούνται στην εργασία αυτή όπως φαίνεται στον Πίνακα 1. Ο Πίνακας 2 δίνει τις ακριβείς ηµεροµηνίες για τις οποίες παρελήφθησαν και επεξεργάστηκαν οι δορυφορικές εικόνες MODIS/AQUA.
Χρησιµοποιούµενα κανάλια Πίνακας 1. Τα κανάλια του MODIS L1B Κανάλια MODIS L1B Channel 1 Channel 2 Channel 3 Channel 4 Channel 5 Channel 6 Channel 7 Channel 31 Channel 32 Μήκος κύµατος (nm) 620-670 841-876 459-479 545-565 1230-1250 1628-1652 2105-2155 10780-11280 11770-12270
Χρησιµοποιούµενες εικόνες DAY 1/5/2005 Πίνακας 2. Εικόνες MODIS/AQUA ACQ. TIME (UTC) Resolution 11:50 DATA SET MODIS L1B 1/6/2005 1/7/2005 1/8/2005 6/9/2005 11:10 11:20 12:15 10:55 MODIS L1B MODIS L1B MODIS L1B MODIS L1B
Εικόνα 2: Παράδειγµα αρχικών εικόνων
Εικόνα 3: Σχηµατική απεικόνιση µεθοδολογίας SEBAL Rn Ορατό Εγγύς υπέρυθρο Θερµικό υπέρυθρο Λευκαύγεια είκτης Βλάστησης Επιφανειακή θερµοκρασία Μετα τροπή Go H λε Bowen Ratio Κλάσµα εξάτµισης Σταθ. Priestley & Taylor Εδαφική αντίσταση ορυφ.εικόνες Επιφ.παράµετροι Παραµετροποίηση Ενεργ.Ισοζύγιο Υγρασιακοί είκτες
Εξισώσεις Η εξίσωση ενεργειακού ισοζυγίου στη συνέχεια αναλύεται περαιτέρω χρησιµοποιώντας τις αναφερόµενες δορυφορικές εικόνες MODIS/AQUA. Ηπρώτηπαράµετρος του ενεργειακού ισοζυγίου είναι η καθαρή ακτινοβολία (net radiation) R n όπου: R n = (1-α)R S + R L -R L -(1-ε 0 )R L (1) Ηεπόµενη παράµετρος είναι η εδαφική ροή θερµότητας (Soil Heat Flux) G όπου (Waters et al., 2002): G/R n = {T s /α (0.0038α+0.0074α 2 )(1-0.98NDVI 4 )} (2) Ηεπιφανειακήθερµοκρασία µε βάση τους αισθητήρες του MODIS υπολογίζεται από τα θερµικά κανάλια 31 και 32 χρησιµοποιώντας την τεχνική split window (Wan,1999). ΗΤρίτηπαράµετρος είναι η Αισθητή Ροή Θερµότητας (Sensible Heat Flux) όπου: H=pC p *dt/ra h (3) Περισσότεροι ορισµοί και εξηγήσεις µπορούν να βρεθούν στον Bastiaanssen (1998a; b).
Εικόνα 4: Υπολογισµός του NDVI, της επιφανειακής λευκαύγειας και της επιφανειακής λαµπρότητας (Surface Emissivity) µε δεδοµένα MODIS (Yann( Chemin, 2006)
Εικόνα 5: Χρήση του λογισµικού Erdas Imagine 9.0 για τον υπολογισµό της πολυφασµατικής λευκαύγειας (broadband albedo)
Τελική Εξίσωση Τελικά η πραγµατική εξατµισοδιαπνοή µπορεί να υπολογιστεί σαν το αλγεβρικό άθροισµα όλων αυτών των φυσικών παραµέτρων που περιγράφηκαν νωρίτερα σύµφωνα µε τησχέση: LE=λET=R n -H-G (4)
Αποτελέσµατα Στην εικόνα 6 απεικονίζεται η πραγµατική εξατµισοδιαπνοή για κάθε εικονοστοιχείο 1x1 km για την περιοχή της Θεσσαλίας σύµφωνα µε τη µεθοδολογία SEBAL. Η εικόνα αυτή προκύπτει από την εφαρµογή της εξίσωσης 4 και συνδυάζοντας εικόνες που προκύπτουν από τα επιµέρους βήµατα που περιγράφονται από τις εξισώσεις 1-3. Ηδιακύµανση των τιµών φαίνεται να απεικονίζει σε πολύ ικανοποιητικό βαθµό τηντοπογραφίακαι το ανάγλυφο της περιοχής. Προκειµένου να ελεγχθούν τα αποτελέσµατα υπολογίσθηκαν τιµές της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς και συγκρίθηκαν µε τις τιµές που προέκυψαν από τη µεθοδολογία SEBAL. Η σύγκριση έγινε για την περιοχή του Μετεωρολογικού Σταθµού της Λάρισας (Ε.Μ.Υ.) και κατά τις ίδιες ηµεροµηνίες για τις οποίες χρησιµοποιήθηκαν οι δορυφορικές εικόνες του πίνακα 2. Η σύγκριση απεικονίζεται στην εικόνα 7. Ο συντελεστής συσχέτισης προέκυψε ότι είναι 0.70 και φαίνεται αρκετά ικανοποιητικός.
Εικόνα 6: Πραγµατική εξατµισοδιαπνοή σύµφωνα µε τη µεθοδολογία SEBAL Αποτελέσµατα ίκτυο "υδρομε ΩΝ«- 2η Συνάντηση Υποψηφίων ιδακτόρων και Μεταπτυχιακών Φοιτητών
Εικόνα 7: Σχέση µεταξύ πραγµατικής εξατµισοδιαπνοής και εξατµισοδιαπνοής αναφοράς για τον Μετεωρολογικό Σταθµό Λάρισας 12,00 mm 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 R=0,7 R2=0,49 ACTUAL ET REF ET 0,00 1 2 3 4 5
Συµπεράσµατα Στην εργασία αυτή γίνεται µια πρώτη προσπάθεια για τον υπολογισµό της πραγµατικής εξατµισοδιαπνοής για την περιοχή Θεσσαλίας, χρησιµοποιώντας τη µεθοδολογία SEBAL. Η µεθοδολογία SEBAL φαίνεται πως µπορεί να εκτιµήσει σε ικανοποιητικό βαθµό την τάση της πραγµατικής εξατµισοδιαπνοής αλλά δεν µπορεί να απεικονίσει µε ακρίβεια το ακριβές µέγεθος αυτής. Σε µια πρώτη εκτίµηση φαίνεται ότι οι τιµές που προκύπτουν είναι µεγαλύτερες από τις πραγµατικές. Σε κάθε περίπτωση όµως όπως εξάλλου φαίνεται και από την Εικόνα 3 η µεθοδολογία µπορεί να δικαιολογήσει τις διαφορετικές τιµές που αναµένεται να παρουσιάζει το µέγεθος της εξατµισοδιαπνοής σύµφωνα µε το ανάγλυφο και την τοπογραφία της περιοχής. Οι αδυναµίες που παρουσιάστηκαν κατά την εφαρµογή της µεθοδολογίας γενικά είναιοιεξής: Φτωχό υφιστάµενο δίκτυο µετεωρολογικών σταθµών Μεγάλος αριθµός θεωρητικών παραδοχών που έγιναν για τον υπολογισµό τωνr n and H. εν εισέρχεται λεπτοµερής αποτύπωση των ειδικών συνθηκών που επικρατούν στην περιοχή στις επιµέρους εξισώσεις που χρησιµοποιήθηκαν κατά την ακολουθία των αρχικών φάσεων της µεθοδολογίας δίνοντας έτσι, φυσιολογικά, υπολογίσιµο σφάλµα.
Προτάσεις για το µέλλον Μετά από την δοκιµαστική εφαρµογή της µεθοδολογίας SEBAL για την περιοχή της Θεσσαλίας προτείνεται: Η χρησιµοποίηση πολύ µεγαλύτερης σειράς δορυφορικών εικόνων σε συνδυασµό µε επίγειες µετεωρολογικές παρατηρήσεις µε αποτέλεσµα τον πυκνότερο και ακριβέστερο χρονικά υπολογισµό της πραγµατικής εξατµισοδιαπνοής Η εισαγωγή του µεγέθους της πραγµατικής εξατµισοδιαπνοής σε δείκτη ξηρασίας όπως ο Reconnaissance Drought Index (RDI) έτσι ώστε να δώσει νέες δυνατότητες υπολογισµού σε χωρικές και χρονικές κλίµακες που δεν είναι εφικτό µε την παραδοσιακή µέθοδο υπολογισµού της εξατµισοδιαπνοής (λόγω του ελλιπούς υπάρχοντος δικτύου µετεωρολογικών σταθµών). Αυτό θα δώσει τη δυνατότητα να υπολογιστεί µε τη σειρά του ο νέος δείκτης σε ένα αρκετά καλύτερο χωρικό πλέγµα δίνοντας περισσότερες δυνατότητες όχι µόνο για την εκτίµηση της µετεωρολογικής ξηρασίας αλλά και για την πληρέστερη διαχείριση των υδάτινων πόρων της συγκεκριµένης και όχι µόνο νευραλγικής για την οικονοµία περιοχής.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ - Bastiaanssen, W.G.M., M. Menenti, R.A. Feddes, and A.A.M. Holtslag; 1998a; A remote sensing surface energy balance algorithm for land (SEBAL): 1. Formulation. J. Hydrology, 212-213, p. 198-212. - Bastiaanssen, W.G.M., M. Menenti, R.A. Feddes, and A.A.M. Holtslag; 1998b; The Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL): Part 2 validation, J. Hydrology, 212-213: 213-229. - Bastiaanssen, W.G.M., Noordman, E.J.M., Pelgrum, H., Davids, G., Thoreson, B.P., Allen, R.G., 2005. SEBAL Model with Remotely Sensed Data to Improve Water Resources Management Under Actual Field Conditions, ASCE J. of Irrigation and Drainage Engineering. Vol. 131. - Liang S, Strahler AH and Walthall CW (1999), Retrieval of land surface albedo from satellite observations: Journal of Applied Meteorology. - Muramatsu, K., Furumi, S., Fujiwara, N., Hayashi, A., Daigo, M. and Ochiai, F.,2000. 'Pattern decomposition method in the albedo space for Landsat TM and MSS data analysis', International Journal of Remote Sensing, 21:1, 99-119. - Roerink G.J. and Nooordman E.J.M., 2007. Irrigation Performance Assessment Tool (IPAT), Wageningen Alterra, Alterra Report 1467, ISSN 1566-7197. - Wan, Z., 1999. MODIS Land-surface Temperature algorithm theoretical basis document (LST ATBD). University of California, Santa Barbara, USA. - Waters R., Allen R.,Tasumi M., Trezza R., Bastiaanssen W., 2002. SEBAL: Surface Energy Balance Algorithms for Land Idaho Implementation Advanced Training and Users Manual August, 2002 Version 1.0. NASA EOSDIS, USA. - Yann Chemin, 2006. The Application of the Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) For Estimating Daily Evaporation. A Handbook of Published Methodologies Version 0.6.8.