ZMIENNO ű PRZESTRZENNA POKRYWY NIE NEJ W POLSCE ZIM
Transkrypt
ZMIENNO ű PRZESTRZENNA POKRYWY NIE NEJ W POLSCE ZIM
K. Fortuniak, J. JĊdruszkiewicz, M. ZieliĔski (red.) PrzestrzeĔ w badaniach geograficznych Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego, Wydział Nauk Geograficznych UŁ ŁódĨ 2012, s. 120–127 ZMIENNO PRZESTRZENNA POKRYWY NIENEJ W POLSCE ZIM 2010/2011 NA POSTAWIE TELEDETEKCJI SATELITARNEJ I OBSERWACJI NAZIEMNYCH Mariusz Zieliski1, Bartosz Czernecki2, 3, Joanna Jdruszkiewicz1 1 Katedra Meteorologii i Klimatologii, Uniwersytet Łódzki ul. Narutowicza 88, 90-139 ŁódĨ e-mail: [email protected]; [email protected] 2 Zakład Klimatologii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu ul. Wieniawskiego 1, 61-712 PoznaĔ 3 Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej - PaĔstwowy Instytut Badawczy, Centrum Monitoringu Klimatu Polski ul. PodleĞna 61, 01-673 Warszawa e-mail: [email protected] Zarys treci: Celem pracy jest porównanie zasiĊgu pokrywy ĞnieĪnej w Polsce w okresie od listopada 2010 do marca 2011 roku na podstawie obrazów uzyskanych z systemu IMS oraz danych z 45 stacji synoptycznych w Polsce. Weryfikacja zgromadzonego materiału badawczego pod kątem statystycznym oparta jest zarówno na porównaniu zasiĊgu pokrywy ĞnieĪnej, jak i poszczególnych stacji (punkt do punktu). W przypadkach dni o najmniejszej zgodnoĞci pomiĊdzy analizowanymi seriami danych porównano mapy rozkładu przestrzennego wykonane przy uĪyciu technik GIS dla obu serii danych. W celu zapewnienia optymalnej interpolacji w obszarach przygranicznych wykorzystano 12 stacji synoptycznych połoĪonych na terenie paĔstw oĞciennych. Słowa kluczowe: teledetekcja satelitarna, IMS, pokrywa ĞnieĪna w Polsce WSTP Obrazy satelitarne odgrywają istotną rolĊ w badaniach współczesnej meteorologii. Satelita codziennie dostarcza obrazów globalnych i regionalnych procesów w atmosferze. Informacje dostarczone przez satelity pozwalają na ciągłą ocenĊ zmian zasiĊgu pokrywy ĞnieĪnej, co jest bardzo istotne z punktu widzenia monitoringu hydro- i atmosfery. SpoĞród istniejących Ĩródeł danych satelitarnych o pokrywie ĞnieĪnej za jedno z najlepszych uwaĪa siĊ Interactive Multisensor Snow and Ice Mapping System (IMS), dostarczający obrazy z rozdzielczoĞcią przestrzenną 24 km i 4 km tworzone przez National Ice Center (NIC) (K o t a r b a 2011). System IMS został stworzony w roku 1997 by dostarczaü codzienne mapy zasiĊgu pokrywy ĞnieĪnej dla całej północnej półkuli i jednoczeĞnie zastąpiü dotychczasowy, mniej wydajny produkt (National Environmental Satellite Data and Information Service, NESDIS) opracowany przez amerykaĔski oĞrodek NOAA. DziĊki wielu ulepszeniom [120] Zmienno przestrzenna pokrywy nienej … 121 systemu, przede wszystkim wiĊkszą rozdzielczoĞü danych wyjĞciowych (od 2004 roku wynosi ona 4 km), produkty IMS są powszechnie wykorzystywane m.in. jako produkt asymilowany w numerycznych modelach prognozy pogody. Głównymi danymi wejĞciowymi z jakich korzysta system IMS są: obrazy z satelitów okołobiegunowych m.in. POES, geostacjonarnych GOES, GMS, Meteosat, obrazy z polarnych orbiterów US Department of Defence (DOD) i programu Defense Meteorological Satellite Program (DMPS). IMS poĞrednio korzysta z tygodniowych danych z National Ice Center, dobowych danych miąĪszoĞci i zasiĊgu pokrywy ĞnieĪnej z US Air Force (USAF) oraz danych z kanału 3A radiometru AVHRR i spektroradiometru MODIS (H e l f r i c h i in. 2007; B r u b a k e r i in. 2005). Celem pracy jest ocena przydatnoĞci produktu IMS w badaniach meteorologicznych i klimatologicznych. Weryfikacja obrazów pokrywy ĞnieĪnej dostarczonych przez IMS została dokonana za pomocą metod statystycznych na podstawie danych z wybranych stacji synoptycznych. DANE I METODY Dane IMS są tworzone i publikowane przez National Ice Center (NIC) od lutego 1997 roku. Dane udostĊpniane są nieodpłatnie w formie cyfrowej za poĞrednictwem portalu internetowego (http://nsidc.org/data/g02156.html). Cechuje je dobra rozdzielczoĞü czasowa, jak równieĪ duĪa rozdzielczoĞü przestrzenna (24 i 4 km). IMS jest systemem interaktywnym, co oznacza, Īe mapy nie są tworzone automatycznie, ale z czynnym udziałem analityka. W opracowaniu mapy wykorzystywane są bezpoĞrednie dane satelitarne z wielu Ĩródeł, m.in. GOES, Meteosat, NOAA, MetOp, MODIS, Landsat. Proces tworzenia danych rozpoczyna siĊ od analizy mapy IMS z dnia poprzedniego. Na jej podstawie analityk decyduje, bądĨ nie o zmianie statusu danego piksela w rozpatrywanym dniu. Decyzja ta jest wynikiem analizy dostĊpnych obrazów satelitarnych, przy czym w zimie głównym Ĩródłem informacji są satelity geostacjonarne, zaĞ latem biegunowe. Kiedy poszczególne Ĩródła dostarczają sprzecznych danych, analityk podejmuje ostateczną decyzjĊ, przyjmując najbardziej wiarygodną wersjĊ (K o t a r b a 2011). W pierwszym etapie pracy wyznaczono procentowy udział pokrywy ĞnieĪnej w poszczególnych miesiącach (listopad–marzec) na podstawie danych IMS, jak równieĪ 45 stacji synoptycznych. NastĊpnie z danych rastrowych (IMS) wybrano piksele, w obrĊbie których znajdują siĊ analizowane stacje synoptyczne, a póĨniej wyznaczono zgodnoĞü danych obserwacyjnych z danymi IMS. W danych IMS uĞredniany jest charakter podłoĪa, to znaczy Īe wartoĞü poszczególnych pikseli ustalana jest na podstawie przewaĪającego rodzaju podłoĪa. I tak, w przypadku, gdy na obszarze danego piksela znaczną czĊĞü zajmują obszary wodne, piksel otrzymuje wartoĞü odpowiadającą 122 M. Zieliski, B. Czernecki, J. Jdruszkiewicz podłoĪu wodnemu. W przypadku trzech stacji okazało siĊ, Īe w związku z powyĪszym znalazły siĊ one na obszarach okreĞlonych jako wodne. Były to stacje na Helu, w Łebie i w Poznaniu. W związku z tym w ich przypadku do analizy wybrano piksele leĪące w najbliĪszej odległoĞci od stacji. ZgodnoĞü wystĊpowania pokrywy ĞnieĪnej miĊdzy danymi IMS a obserwacjami wyznaczono na podstawie porównania punkt do punktu, czyli wystąpienia Ğniegu na stacji synoptycznej i w pikselu obejmującym lokalizacjĊ danej stacji. W celu okreĞlenia stopnia zgodnoĞci danych obliczono Ğredni błąd jednego pomiaru (MBE) i Ğredni błąd absolutny (MAE) (G a i l e 1984). N MBE = N −1 ¦ (P − O ) i i (1) i =1 N MAE = N −1 ¦ Pi − Oi (2) i =1 gdzie: P – wartoĞci modelowe (IMS), O – wartoĞci obserwacji (dane synoptyczne), N – liczebnoĞü Oszacowaną na podstawie danych obserwacyjnych powierzchniĊ zajmowaną przez pokrywĊ ĞnieĪną, wyraĪoną w procentach, porównano z toĪsamą powierzchnią wyznaczoną na podstawie danych IMS. Dane IMS zostały podstawione do wzorów (1) i (2) jako wartoĞci modelowe, zaĞ dane synoptyczne jako wartoĞci obserwowane. Dni o najwiĊkszych rozbieĪnoĞciach analizowanych danych teledetekcyjnych i obserwacji naziemnych przeanalizowano pod kątem panujących warunków synoptycznych, okreĞlając w jakich sytuacjach najczĊĞciej wystĊpują potencjalne ograniczenia wykorzystania danych satelitarnych w analizach klimatologicznych dotyczących pokrywy ĞnieĪnej. ANALIZA ZGODNOCI DANYCH IMS Z OBSERWACJAMI W POLSCE MiesiĊczna analiza zgodnoĞci danych IMS z obserwacjami została dokonana dla okresu od listopada 2010 do marca 2011 roku. Z obliczeĔ zostały wyłączone dni: 24 I oraz 9 II ze wzglĊdu na brak danych IMS. W pierwszym miesiącu (ryc. 1a) widoczna jest ogólna wysoka zgodnoĞü danych, w związku z pojawieniem siĊ stałej pokrywy ĞnieĪnej dopiero po 24 listopada. System IMS nie wykrył jedynie epizodycznej pokrywy ĞnieĪnej w dniach 8–9 listopada na niewielkim obszarze kraju. Ponadto w pierwszych dniach stałej pokrywy ĞnieĪnej obrazy wskazują na mniejszy obszar objĊty Ğniegiem niĪ dane z obserwacji. W kolejnych dniach, gdy pokrywa ĞnieĪna obejmuje juĪ prawie cały obszar Polski, błĊdy IMS są coraz mniejsze (do 10%). W grudniu zgodnoĞü IMS i obserwacji jest bardzo wysoka, gdyĪ przez cały miesiąc wystĊpowała wówczas w Polsce pokrywa ĞnieĪna (ryc. 1b). 123 Zmienno przestrzenna pokrywy nienej … !"#$"%&"'() !"#$"%&"'() 12/31 12/27 12/29 12/23 12/25 12/19 12/21 02/27 02/25 02/23 02/21 02/19 02/17 02/15 02/13 02/11 02/09 02/07 02/05 02/03 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 02/01 IMS [%] [%] OBSERWACJE OBSERWACJE vs IMS [%] 01/31 01/27 01/29 01/25 01/23 01/21 01/19 01/17 01/15 01/13 01/11 01/07 01/09 01/05 01/01 OBSERWACJE vs IMS [%] 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 01/03 [%] d) [%] IMS 12/17 !"#$"%&"'() c) OBSERWACJE 12/15 12/11 12/13 12/07 12/09 12/03 IMS 12/01 12/05 [%] OBSERWACJE OBSERWACJE vs IMS [%] 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 11/29 11/27 11/23 11/25 11/21 11/17 11/19 11/15 11/13 11/09 11/11 11/07 11/03 11/05 11/01 OBSERWACJE vs IMS [%] [%] OBSERWACJE [%] 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 [%] b) IMS a) !"#$"%&"'() 03/31 03/27 03/29 03/25 03/23 03/21 03/19 03/17 03/15 03/13 03/11 03/07 03/09 03/05 03/01 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 03/03 [%] [%] OBSERWACJE vs IMS [%] OBSERWACJE IMS e) !"#$"%&"'() Ryc. 2. Pokrywa ĞnieĪna w Polsce wg danych IMS i obserwacji, oraz zgodnoĞü danych (liczona punkt do punktu) dla a) listopada, b) grudnia, c) stycznia, d) lutego, e) marca zimą 2010/2011 W dniach, w których Ğnieg pokrywał PolskĊ w 80–90% system IMS w dalszym ciągu wskazywał prawie całkowite pokrycie kraju Ğniegiem. NiezgodnoĞü ta spowodowana była zapewne faktem, iĪ w tym miesiącu bardzo czĊsto wystĊpowało duĪe zachmurzenie, uniemoĪliwiające zanotowanie ewentualnych zmian zasiĊgu Ğniegu przez analityka. 124 M. Zieliski, B. Czernecki, J. Jdruszkiewicz StyczeĔ początkowo wykazywał całkowite pokrycie Ğniegiem zarówno w obserwacjach, jak i obrazach IMS (ryc. 1c). WiĊksze róĪnice pojawiają siĊ w połowie miesiąca, kiedy nastĊpuje ocieplenie i pokrywa ĞnieĪna powoli ustĊpuje z powierzchni kraju. Obrazy zaniĪają procentowe pokrycie terenu do ok. 20%. Pod koniec miesiąca zasiĊg Ğniegu ponownie wzrasta do 90% i wiĊcej, a IMS ponownie wskazuje pokrycie 100%. Bardzo podobna sytuacja miała miejsce w lutym (ryc. 1d), kiedy to spadek zasiĊgu wystĊpującej pokrywy ĞnieĪnej w pierwszej dekadzie miesiąca był wiĊkszy na obrazach niĪ w rzeczywistoĞci Ğrednio o ok. 10%. ZauwaĪalne jest takĪe wiĊksze zróĪnicowanie zasiĊgu z dnia na dzieĔ w obserwacjach niĪ w wynikach systemu IMS, który „wygładza” wartoĞci. W ostatniej dekadzie miesiąca zgodnoĞü obserwacji i IMS jest najwiĊksza (powyĪej 95%), w związku z obecnoĞcią pokrywy ĞnieĪnej niemal w całym kraju. Ostatnim analizowanym miesiącem, w którym wystąpiła stała pokrywa ĞnieĪna był marzec (ryc. 1e). Zmniejszający siĊ stopniowo z dnia na dzieĔ udział obszarów pokrytych Ğniegiem jest zauwaĪalny zarówno w obserwacjach, jak i na obrazach IMS. Stwierdzono stosunkowo duĪą przestrzenną zgodnoĞü wynoszącą przeciĊtnie ponad 80%. System IMS zdecydowanie nie poradził sobie w trakcie pojedynczych epizodów ĞnieĪnych w drugiej połowie miesiąca, kiedy to opad Ğniegu wystąpił jedynie w czĊĞci kraju, czego nie widaü na obrazach IMS. BłĊdy te ponownie spowodowane były wystąpieniem duĪego zachmurzenia znacznie utrudniającego weryfikacjĊ ewentualnych zmian. 12 MBE i MAE [%] 8 4 0 -4 -8 -12 Lis Gru Sty *"%&"'(% Lut Mar Ryc. 3. ĝredni błąd jednego pomiaru (MBE) oraz Ğredni błąd absolutny (MAE) WartoĞci Ğredniego błĊdu jednego pomiaru (MBE) w zaleĪnoĞci od miesiąca wahały siĊ od –8,67 do 3,34% (ryc. 2). Ujemne wartoĞci błĊdu Ğwiadczą o niedoszacowaniu przez system IMS obszaru pokrytego przez Ğnieg w miesiącach znacznego przyrostu lub topnienia pokrywy ĞnieĪnej (listopad, styczeĔ i marzec). Zazwyczaj przy niewielkim udziale obszaru z wystĊpowaniem pokrywy ĞnieĪnej obrazy IMS wykazują tendencjĊ do „zawĊĪania” takiego obszaru. WartoĞci dodatnie zanotowano w grudniu (1%) i lutym (3%), Zmienno przestrzenna pokrywy nienej … 125 gdy praktycznie w ciągu całego miesiąca pokrywa ĞnieĪna wystĊpowała na obszarze całego kraju. WartoĞci Ğredniego błĊdu absolutnego (MAE) (ryc. 2) wynoszą maksymalnie 10%. Najmniejsze wartoĞci błĊdu wystĊpują w listopadzie i grudniu 1–5%, ze wzglĊdu na niewielką zmiennoĞü zasiĊgu wystĊpowania pokrywy ĞnieĪnej w Polsce. Z drugiej strony najwiĊksze błĊdy wystąpiły w styczniu i lutym (9–10%), w których to miesiącach nastĊpowały duĪe zmiany zasiĊgu pokrywy ĞnieĪnej na wiĊkszoĞci obszaru kraju. ZGODNO DANYCH IMS Z OBSERWACJAMI NA POSZCZEGÓLNYCH STACJACH Ogólnie zgodnoĞü danych na wybranych 45 stacjach (poza Helem) jest bardzo dobra i wynosi ponad 85%, z czego aĪ na 33 stacjach zgodnoĞü siĊga 91–96% (ryc. 3). Najgorzej wĞród wszystkich stacji wypadł Hel z wartoĞcią zgodnoĞci wynoszącą zaledwie 82%. Wynika to prawdopodobnie z faktu, Īe dane IMS pokazują na obszarze Półwyspu Helskiego, tylko jeden piksel lądowy, który dodatkowo nie pokrywał siĊ z połoĪeniem stacji synoptycznej. Ponadto wydaje siĊ, iĪ przez znaczną czĊĞü grudnia wartoĞü tego piksela (ląd nie pokryty Ğniegiem) pozostała nie zmieniona, pomimo iĪ pozostała czĊĞü kraju była pokryta Ğniegiem, co mogło byü wynikiem zaniedbania osoby, która dokonuje interpretacji w kontekĞcie dalszych analiz o zasiĊgu regionalnym. 100 90 [%] 80 70 60 +"),-&./0 12/3!"(% 145&./(2/6) 7898': ;/<4=6 >%8 ?%8%!")#;=<) @)8"&4 @)./6"(% @5.<4-! @"%8(% @,/A40/ @/,/ @/,/9<4%: @/&4)8"! @/4"%!"(% B%:!"() B%&0/ B%&4!/ BC98"! D%9) D=AE *"0/,)30" *,)6) FG/8% F8&4.-! H",) H,/(0 H/4!)I J)("9=<4 J%&0/ J4%&4=6 K)!A/$"%<4 K"%A8(% KC8%3=6 KC6),0" K4(4%("! L)<!=6 L%<%&G/8 L/<CI M)<&4)6) M"%8CI M,/A)6) M</(,)6 N"%8/!)#;=<) 50 Ryc. 4. ZgodnoĞü danych IMS z obserwacjami na poszczególnych stacjach STUDIUM PRZYPADKU Jak juĪ wczeĞniej zostało wspomniane, system IMS gorzej radzi sobie w sytuacji wystąpienia zachmurzenia, szczególnie chmur warstwowych. Jako przykład na ryc. 4 przedstawiono sytuacjĊ w dniach 20 i 21 stycznia 2011 roku. W obu przypadkach pokrywa ĞnieĪna według obrazów wystĊpuje jedynie 126 M. Zieliski, B. Czernecki, J. Jdruszkiewicz w północno-wschodniej Polsce, natomiast w rzeczywistoĞci Ğniegu nie zaobserwowano jedynie w Polsce Zachodniej i Południowo-Zachodniej. Analizując obrazy satelitarne począwszy od 19 stycznia widoczne jest całkowite pokrycie nieba w Polsce przez chmury warstwowe i pionowe. W tych dniach ocena stopnia zaĞnieĪenia na podstawie obrazów satelitarnych w kraju była znacznie utrudniona, ze wzglĊdu na wystĊpowanie pełnego zachmurzenia. 21 stycznia analityk podjął niepoprawną decyzjĊ, zmniejszając zasiĊg pokrywy ĞnieĪnej na niewielkim fragmencie południowej czĊĞci Polesia. Ryc. 5. Pokrywa ĞnieĪna wg danych IMS i obserwacji w dniach: 20 stycznia 2011 (po lewej) i 21 stycznia 2011 (po prawej) Zachmurzenie odgrywa bardzo istotną rolĊ przy obrazowaniu powierzchni ziemi za pomocą teledetekcji satelitarnej. Najbardziej widoczne jest to w sytuacjach kiedy przez dłuĪszy czas nad danym obszarem wystĊpuje zachmurzenie całkowite. Wówczas zgodnoĞü danych teledetekcyjnych z obserwacjami naziemnymi jest znacznie mniejsza, aniĪeli w przypadkach dni bezchmurnych. NaleĪy przy tym zaznaczyü, Īe nie tylko zachmurzenie w danym dniu jest istotne, ale takĪe duĪe znaczenie ma pokrycie nieba w dniach poprzedzających (ryc. 5). Zaznaczyło siĊ to w przypadku dni, podczas których zanotowano spadek zgodnoĞci do ok. 40%. PoniewaĪ dane IMS w pierwszej kolejnoĞci opracowywane są w oparciu mapy z dni poprzednich, w sytuacji gdy przez kilka dni wystĊpuje zachmurzenie bliskie 100%, zgodnoĞü bĊdzie osiągała bardzo niskie wartoĞci. 127 8 6 4 2 0 01/01 01/02 01/03 01/04 01/05 01/06 01/07 01/08 01/09 01/10 01/11 01/12 01/13 01/14 01/15 01/16 01/17 01/18 01/19 01/20 01/21 01/22 01/23 01/24 01/25 01/26 01/27 01/28 01/29 01/30 01/31 K./G"%I# 4)(2$C<4%!") Zmienno przestrzenna pokrywy nienej … !"#$"%&"'() Ryc. 6. ĝredni stopieĔ zachmurzenia na obszarze Polski w styczniu 2011 r. WyróĪniono dni, które zostały zanalizowane w studium przypadku WNIOSKI Obrazy systemu IMS cechują siĊ bardzo duĪym stopniem zgodnoĞci czasowo-przestrzennego rozkładu pokrywy ĞnieĪnej w Polsce. ĝrednia zgodnoĞü danych IMS z obserwacjami wyniosła ok. 92%. Najmniejsze błĊdy stwierdzono w okresach gdy pokrywa ĞnieĪna utrzymywała siĊ na obszarze całego kraju przez dłuĪszy czas, przy czym wartoĞci IMS są zwykle nieznacznie przeszacowywane. Z kolei najwiĊksze zróĪnicowanie w okresach duĪej zmiennoĞci pokrywy ĞnieĪnej, zwłaszcza podczas intensywnego wytapiania pokrywy powoduje, Īe Ğrednie niedoszacowanie systemu IMS siĊga 20%. Najgorzej system IMS radzi sobie podczas pojedynczych epizodów związanych z krótkotrwałymi opadami i zaleganiem Ğniegu przez 1–2 dni. Główną przeszkodą w poprawnych wskazaniach obrazów satelitarnych jest wystąpienie całkowitego zachmurzenia, szczególnie w przypadku chmur warstwowych, które w okresie zimy pojawiają siĊ w Polsce bardzo czĊsto (F i l i p i a k , M i Ċ t u s 2009). JednakĪe nie umniejsza to bardzo dobrych wyników i szerokiego zastosowania danych IMS m.in. w prognozach pogody oraz w badaniach zmian klimatu. LITERATURA B r u b a k e r K. L., P i n k e r R. T., D e v i a t o v a E., 2005, Evaluation and Comparison of MODIS and IMS Snow-Cover Estimates for the Continental United States Using Station Data. Journal of Hydrometeorology, 6, s. 1002–1017. F i l i p i a k J., M i Ċ t u s M., 2009, Spatial and temporal variability of cloudiness in Poland, 1971–2000. International Journal of Climatology, 29, s. 1294–1311. G a i l e G. L., W i l l m o t t C. J., 1984, On the evaluation of model performance in physical geography. [w:] Spatial statistics and models. Wyd. Reidel Publishing Company, s. 443– 460. K o t a r b a A., 2011, IMS – satelitarne dane o zasiĊgu pokrywy ĞnieĪnej. [w:] Materiały z II Ogólnopolskich Warsztatów Klimatologii Satelitarnej KlimSat 2011, s. 1–11. H e l f r i c h S. R., M c N a m a r a D., R a m s a y B. H., B a l d w i n T., K a s h e t a T., 2007, Enhancements to, and forthcoming developments in the Interactive Multisensor Snow and Ice Mapping System (IMS). Hydrological Processes, 21, s. 1576–1586.