WYKORZYSTANIE INFORMACJI SATELITARNEJ W HYDROLOGII STAN AKTUALNY I PERSPEKTYWY

Transkrypt

1 WYKORZYSTANIE INFORMACJI SATELITARNEJ W HYDROLOGII STAN AKTUALNY I PERSPEKTYWY Wprowadzenie Woda jest na naszej planecie niezbędnym elementem dla Ŝycia ludzi ale równocześnie jednym z największych zagroŝeń. Wśród klęsk Ŝywiołowych pochodzenia naturalnego, powodzie i susze niosą największe zagroŝenie dla Ŝycia ludzkiego oraz powodują największe straty ekonomiczne. Występowanie zjawisk katastrofalnych bezpośrednio związanych z obiegiem wody w przyrodzie powoduje coraz większe konsekwencje, z jednej strony związane z coraz większą wraŝliwością zaawansowanej infrastruktury na klęski Ŝywiołowe wskutek jej stałego rozwoju, a z drugiej strony z coraz częstszym występowaniem zjawisk ekstremalnych, co moŝe się wiązać z globalnymi zmianami klimatu na Ziemi. Prognozowanie i ostrzeganie przed powodzią lub suszą stanowi jedno z podstawowych zadań operacyjnej hydrologii. W ostatnich latach nastąpił dynamiczny rozwój operacyjnych modeli hydrologicznych zarówno pod względem ich jakości jak i rozdzielczości przestrzennej, co wiązało się z przejściem od modeli o parametrach skupionych do modeli o parametrach rozłoŝonych. Na jakość prognoz hydrologicznych istotny wpływ ma równieŝ rozwój sieci obserwacyjno-pomiarowej, zarówno meteorologicznej jak i hydrologicznej oraz rozwój metod meteorologicznego prognozowania numerycznego w skali globalnej, regionalnej i lokalnej. Informacja satelitarna będąca narzędziem operacyjnie wykorzystywanym w meteorologii, znajduje coraz większe zastosowanie równieŝ w hydrologii. Jeszcze do niedawna stanowiła przedmiot badań naukowych i pierwszych wdroŝeń, w chwili obecnej staje się jednym z istotnych danych wejściowych do modeli hydrologicznych uzupełniając inne metody pomiarowe. Takie parametry jak: opad, wilgotność gleby, pokrywa śnieŝna, ewapotranspiracja, temperatura powierzchni, stan pokrycia roślinnego, określanie obszaru zalanego podczas powodzi oraz wiele innych są określane z operacyjnie dostępnych systemów satelitarnych. Podstawowym zadaniem w następnych latach będzie szersze wykorzystanie informacji satelitarnej w operacyjnej hydrologii dzięki wprowadzeniu operacyjnie dostępnych hydrologicznych produktów satelitarnych, z istniejących oraz nowych czujników oraz produktów łączących dane satelitarne z innymi obserwacjami (pomiary naziemne, radary meteorologiczne) o sprawdzonej jakości i udokumentowanym wpływie na jakość modeli hydrologicznych. Dane satelitarne w hydrologii stan aktualny Hydrologia operacyjna znajduje się obecnie w fazie intensywnego rozwoju, spowodowanego rozwojem systemów obserwacyjno-pomiarowych oraz meteorologicznych modeli prognostycznych. W związku z tym istnieje duŝe zróŝnicowanie pomiędzy słuŝbami hydrologicznymi w poszczególnych krajach, nawet w skali europejskiej. Spektrum stosowanych modeli hydrologicznych obejmuje zarówno modele pracujące w skali zlewni, jednorodnych obszarów hydrologicznych jak i w siatce o rozdzielczości dochodzącej do kilkudziesięciu metrów. Tak gwałtowny rozwój modelowania pociąga za sobą Ŝądania dostępu do danych pomiarowych o rozdzielczości zbliŝonej do rozdzielczości modelu zarówno w skali przestrzennej jak i czasowej. Efektem tego jest rozwój telemetrycznych sieci obserwacyjno-pomiarowych, systemów radarów meteorologicznych w pełni pokrywających monitorowane zlewnie, jak i coraz większe zainteresowanie systemami satelitarnymi o rozdzielczości przestrzennej i czasowej pozwalającej na uzyskiwanie informacji wejściowej do modeli hydrologicznych. Podstawowe zastosowania danych satelitarnych dla hydrologii to obecnie: intensywność, faza i suma opadu (czujniki optyczne VIS, w podczerwieni IR oraz mikrofalowe MW), wilgotność gleby (czujniki IR, MW pasywne i aktywne), zasięg i stan pokrywy śnieŝnej (czujniki VIS, MW pasywne i aktywne), rodzaj i stan pokrycia roślinnego (czujniki VIS), temperatura powierzchni (czujniki IR), ewapotranspiracja (czujniki VIS i IR), bilans promieniowania na powierzchni ziemi (czujniki VIS i IR), zasięg zalanych obszarów podczas powodzi (aktywne czujniki MW), geomorfologia zlewni (wysokorozdzielcze czujniki VIS, MW-SAR).

2 Wiele z wymienionych aplikacji jest równocześnie stosowane operacyjnie, jak i rozwijana jest metodyka tworzenia doskonalszych produktów. Efektem oczekiwań w stosunku do systemów satelitarnych jest wiele projektów międzynarodowych mających na celu wykazanie uŝyteczności tych danych dla operacyjnej hydrologii. Jednym z nich jest powołane do Ŝycia w 2005 r. przez organizację EUMETSAT, Satelitarne Centrum Aplikacyjne dla Hydrologii Operacyjnej i Gospodarki Wodnej (H-SAF). Polska była głównym inicjatorem i jest jednym z czterech głównych partnerów tej struktury. Schematyczne przedstawienie procesów związanych z obiegiem wody w przyrodzie i moŝliwości ich monitorowania z kosmosu, na przykładzie produktów EUMETSAT H-SAF i Land-SAF pokazano na rys. 1. Rys. 1. Cykl hydrologiczny i wykorzystanie produktów satelitarnych do monitorowania poszczególnych procesów na przykładzie produktów EUMETSAT H-SAF I Land-SAF. Źródło: Sadoń. J, Niedbała J., Struzik P. Land-SAF and H-SAF products as complimentary source of information for operational hydrology, 2nd LSA SAF User Training Workshop, Lisbona, Portugalia, Przykłady zastosowania informacji satelitarnej do generowania produktów przydatnych do monitorowania procesów zachodzących w zlewniach przedstawiono na rysunkach. Stale rosną potrzeby hydrologii operacyjnej w zakresie rozdzielczości przestrzennej i czasowej produktów satelitarnych. Nie jest to problemem w przypadku takich parametrów jak temperatura, stan pokrycia roślinnego, albedo, bilans promieniowania, ewapotranspiracja oraz parametry wolnozmienne lub stałe w czasie, jak np. geomorfologia zlewni. Uzyskiwane rozdzielczości danych satelitarnych znacznie przewyŝszają moŝliwości pomiarów naziemnych a dokładność pomiaru jest konkurencyjna do metod klasycznych. Gorzej wygląda sytuacja w przypadku opadu deszczu i śniegu, wilgotności gleby, czy wodności pokrywy śnieŝnej, gdzie czujniki optyczne nie zapewniają wystarczającej dokładności. Stosowane do tego celu czujniki mikrofalowe pasywne (Rys. 2.) posiadają jeszcze stosunkowo niewielką rozdzielczość przestrzenną (od kilku do kilkudziesięciu km). Czujniki mikrofalowe, zarówno pasywne jak i aktywne, są zainstalowane na satelitach okołobiegunowych, co nie pozwala na osiągnięcie tak krótkiego czasu repetycji jak w przypadku satelitów geostacjonarnych. Rys.2. Intensywność opadu określona z mikrofalowych danych satelitarnych AMSU/NOAA. Źródło: Zakład Badań Satelitarnych IMGW w Krakowie

3 Rys. 3. Wilgotność powierzchniowej warstwy gleby 0-7 cm (objętościowa zawartość wody %) na podstawie mikrofalowych pomiarów satelitarnych (kwiecień 2007). Źródło: ATDD-1.0 Algorithm Theoretical Definition Document, H-SAF 2007, praca zbiorowa Monitorowanie aktualnego stanu zlewni pod względem jej temperatury, wilgotności gleby oraz wysokości ewapotranspiracji i aktualnego stanu roślinności pozwala na lepsze prognozowanie hydrografu odpływu ze zlewni, co jest istotne zwłaszcza dla zlewni górskich, gdzie występują powodzie natychmiastowe będące efektem nawalnych opadów burzowych lub frontalnych. Anomalie związane z wilgotnością gleby (Rys. 3.) oraz temperaturą powierzchni (Rys. 4.) mogą być zwiastunem suszy, która gdy obejmie strefę korzeniową zagraŝa roślinności, co odzwierciedla się na produktach satelitarnych NDVI (Normalized Difference Vegetation Inex) przedstawiających jej aktualny stan (Rys. 5.). Rys. 4. Temperatura powierzchni na podstawie danych AVHRR/NOAA. Źródło: Zakład Badań Satelitarnych IMGW w Krakowie II połowa lipca II połowa sierpnia (max. suszy) II połowa września Rys. 5. Stan roślinności (NDVI) określony z danych AVHRR/NOAA podczas suszy 1993 r. Źródło: Zakład Badań Satelitarnych IMGW w Krakowie Pomiary satelitarne aktualnego zasięgu (Rys. 6.), stanu i zawartości wody w pokrywie śnieŝnej słuŝą do modelowania i ostrzegania przed powodziami roztopowymi oraz pozwalają na ocenę dopływu do zbiorników, tak waŝnego dla produkcji energii elektrycznej. Najlepszą rozdzielczość przestrzenną posiadają satelitarne mapy zasięgu pokrywy śnieŝnej, poniewaŝ korzystają z czujników w świetle widzialnym o stosunkowo dobrej rozdzielczości. Ograniczeniem jest aktualny stan zachmurzenia uniemoŝliwiający obserwacje ziemi w tym zakresie spektralnym. W przypadku korzystania z czujników mikrofalowych pasywnych chmury nie stanowią przeszkody, niestety rozdzielczość przestrzenna jest ograniczona wielkością anten moŝliwych do rozłoŝenia w przestrzeni kosmicznej. Rozwiązaniem eliminującym te problemy jest radar z aperturą syntetyczną pozwalający obecnie na uzyskiwanie rozdzielczości rzędu kilkudziesięciu metrów. Znajduje on zastosowanie przede wszystkim do mapowania obszarów zalanych podczas powodzi. Przykładem takiego zastosowania jest Rys. 7 przedstawiający zasięg powodzi, która wystąpiła na Węgrzech, w Rumuni i Serbii w roku Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej

4 Rys. 6. Zasięg pokrywy śnieŝniej (kolor Ŝółty) na podstawie kompozycji barwnej AVHRR/NOAA. Źródło: Zakład Badań Satelitarnych IMGW w Krakowie Rys. 7. Obszary zalane podczas powodzi w 2000 r na terenie Węgier obraz na podstawie danych satelitarnych RADARSAT. Autor: P. Struzik Dane satelitarne mają szczególne znaczenie dla obszarów mórz i oceanów, gdzie sieć obserwacyjna jest szczególnie uboga. Hydrologia morska korzysta z obrazów pozwalających na określenie temperatury morza, stanu morza, kierunku i prędkości wiatru istotnego dla ostrzegania przed powodziami związanymi z wlewem wody na wybrzeŝa i w ujścia rzek. Rys. 8. Temperatura Bałtyku widoczne zjawisko upwellingu (wypływu zimnych wód głębinowych) u południowych wybrzeŝy. Źródło: Zakład Badań Satelitarnych IMGW w Krakowie Perspektywy hydrologii satelitarnej NajbliŜsze lata przyniosą dalszy rozwój moŝliwości jakie niosą systemy zainstalowane w kosmosie do monitorowania cyklu hydrologicznego. NajwaŜniejsze zadania, jakie powinny zostać rozwiązane to: Coraz szersze stosowanie modeli o parametrach rozłoŝonych, co wpłynie na potrzebę stosowania jako dane wejściowe pomiarów o charakterze ciągłym w przestrzeni jakimi są obserwacje satelitarne. Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej

5 Wykorzystanie informacji satelitarnej do określania parametrów jakie nie są mierzone na powierzchni lub nie posiadają sieci pomiarowej o wystarczającej gęstości wilgotność gleby, bilans promieniowania itp. Umieszczenie na orbicie nowych systemów satelitarnych, wyposaŝonych z czujniki spełniające oczekiwania hydrologii operacyjnej. Pomiary poziomu wody w rzekach i jeziorach z wykorzystaniem radaru satelitarnego (satellite altimetry) dalsza poprawa rozdzielczości i szersze wykorzystanie w hydrologii radarów dotychczas eksploatowanych na satelitach ERS 1 i 2, Envisat, Topex. Wspólne wykorzystanie danych pomiarowych z róŝnych systemów (data merging), sieci obserwacji naziemnych (w tym automatycznych sieci telemetrycznych), danych radarowych oraz satelitarnych, celem uzyskania produktów o wyŝszej jakości oraz redundancja informacji potrzebna w przypadku klęsk Ŝywiołowych i moŝliwości awarii części systemów pomiarowych. Dalsze postępy w asymilacji danych satelitarnych (szczególnie czujników hyperspektralnych) do prognostycznych modeli meteorologicznych celem poprawy ich jakości zwłaszcza w zakresie parametrów wykorzystywanych w modelach hydrologicznych. W efekcie realizacji wymienionych zadań oczekiwana jest poprawa jakości modelowania odpływu ze zlewni oraz wydłuŝenie czasu ostrzegania przed powodzią, szczególnie istotne w przypadku powodzi natychmiastowych. System satelitarny wykorzystywany do powyŝszych celów będzie ulegał stałej ewolucji. NajwaŜniejsze planowane wydarzenia to: Kontynuacja misji METOP z czujnikami ASCAT, IASI, GRAS, AVHRR, HIRS, AMSU (METOP-B 2011 r., C 2015 r.), Kontynuacja misji DSMP z czujnikami mikrofalowymi SSMI/S (DCMP-S r., S r.), Nowa misja NPOESS NPP (NPOESS Preparatory Project) w 2009, NPOESS C1 w 2013, C2 w 2016 i C3 w 2020 r., nowe instrumenty VIIRS, CrIS, ATMS, MIS, OMPS/Nadir, Satelita SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity Mission) 2007, CRYOSAT-2 monitorowanie lodów polarnych -2009, LDCM (Landsat Data Continuity Mission) 2010 r. kontynuacja znanej od lat 70-tych misji LANDSAT, GCOM-W 2010 r. globalna cyrkulacja wody i energii w przyrodzie, GPM (Global Precipitation Mission) 2012 r. pierwszy satelita tego systemu, HYDROS (Hydrosphere State Mission) 2010, kontynuacja misji SMOS. NajwaŜniejsze przyrządy przyszłych satelitów będą wykorzystywały zakresy mikrofalowe. Wynika to głównie z właściwości mikrofal, które bardziej bezpośrednio mierzą parametry związane z obecnością wody oraz nie są wraŝliwe na zachmurzenie. Ich rozdzielczość przestrzenna i spektralna ulegać będą systematycznej poprawie. Przykładowe przyrządy wymieniono poniŝej. Mikrofalowe skanery stoŝkowe: GMI (GPM Microwave Imager) - jeden z podstawowych przyrządów konstelacji satelitów GPM: 9 kanałowy radiometr pracujący na 5 częstotliwościach o róŝnej polaryzacji, rozdzielczość od 5.5 km dla 89 GHz do 25 km dla GHz. CMIS (Conical-scanning Microwave Imager/Sounder) - przyrząd satelitów NPOESS, aktualnie przeprojektowywany, 63-częstotliwości, 77-kanałów, rozdzielczość od 3 km dla 89 GHz do 40 km dla 6.6 GHz. Mikrofalowe skanery poprzeczne: ATMS (Advanced Technology Microwave Sounder) - następca AMSU-A i AMSU-B, dla satelitów NPP i NPOESS, 22-kanałowy radiometr pracujący w zakresie 54 do 183 GHz pozwalający na sondowanie atmosfery we wszystkich warunkach pogodowych, rozdzielczość od 16 km dla 183 GHz do 32 km dla 54 GHz. Skatterometry radarowe: ASCAT (Advanced SCATterometer) satelity Metop - kontynuacja podobnych przyrządów satelitów ERS 1/2, częstotliwość GHz; rozdzielczość 25 km (próbkowanie 12.5 km). Inne instrumenty: DPR (Dual-frequency Precipitation Radar) - przyrząd podstawowego satelity konstelacji GPM, radar obrazowy pracujący na dwóch częstotliwościach 13.6 i GHz do pomiaru intensywnego i słabego opadu (odpowiednio), rozdzielczość 5.0 km (pozioma), 250 m (pionowa).

6 IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) - interferometer satelity MetOp pracujący w podczerwieni, do sondowania temperatury i wilgotności; 8461 kanałów o rozdzielczości spektralnej 0.25 cm -1 ; rozdzielczość przestrzenna 12 km. CrIS (Cross-track Infrared Sounder) - interferometer satelitów serii NPOESS, 1302 kanały, rozdzielczość przestrzenna 14 km. Podsumowanie Dane z systemów satelitarnych nie zastąpią w przyszłości naziemnych systemów obserwacyjnych, niemniej będą w coraz większym stopniu uzupełniać te dane, dzięki czemu produkty określające parametry hydrologiczne będą coraz lepiej opisywały procesy, jakie zachodzą w hydrosferze. Powinno to spowodować poprawę dokładności modeli hydrologicznych zwłaszcza w zakresie przepływów ekstremalnych zagroŝenia powodzią oraz niskich przepływów (niŝówek). Pozwoli to na poprawę ostrzeŝeń powodziowych pod względem czasu i miejsca wystąpienia tych zjawisk. Informacja satelitarna będzie coraz szerzej wykorzystywana równieŝ w gospodarce wodnej pozwalając na lepsze gospodarowanie tym cennym produktem w obliczu moŝliwych zmian klimatycznych. Stale wzrastająca ilość danych z kosmosu, wymusi rozwój systemów selekcji, przetwarzania i przesyłania informacji. Nowe moŝliwości pociągną za sobą rozwój systemów ostrzegania i będą wymagały podniesienia świadomości społeczeństwa, jak efektywnie wykorzystywać informację pochodzącą z hydrologicznych systemów ostrzegania, aby najlepiej ochronić siebie i swoje mienie. Rys. 9. Prognozowana objętość danych z satelitów meteorologicznych w najbliŝszych latach. Źródło: Jack Hades, Satellite Data Utilization , 2003 Opracowanie: P. Struzik