Ερμηνεία Δορυφορικών Εικόνων

Επιμέλεια - Σύνταξη: Θοδωρής Μ. Γιάνναρος (thgian82)

Οι μετεωρολογικοί δορυφόροι αποτελούν αναμφισβήτητα ένα πολύ σημαντικό εργαλείο στην προσπάθεια κατανόησης και πρόγνωσης του καιρού. Ειδικότερα, η αξιοποίηση των δορυφορικών μετεωρολογικών παρατηρήσεων έχει βαρύνουσα σημασία για την αναγνώριση "επικίνδυνων" καιρικών συστημάτων, όπως είναι οι καταιγίδες και οι τροπικοί κυκλώνες. Επιπρόσθετα, κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας καταγράφεται σημαντική πρόοδος στον τομέα της αξιοποιήσης των δορυφορικών παρατηρήσεων με στόχο τη διόρθωση των αρχικών και οριακών συνθηκών των μοντέλων. Η αξιοποίηση αυτή γίνεται στα πλαίσια της εφαρμογής μεθόδων αφομοίωσης πειραματικών δεδομένων (data assimilation) που στοχεύουν τελικά στην αύξηση της ακρίβειας των προγνώσεων των αριθμητικών μοντέλων.

Το παρών άρθρο, το οποίο "εγκαινιάζει" μία νέα, "φροντιστηριακού" τύπου κατηγορία, στοχεύει να παρουσιάσει με τρόπο απλό και εύληπτο τα βήματα με τα οποία μπορεί κάποιος να ερμηνεύσει μία δορυφορική εικόνα, ακόμα και εάν η επαφή του με το αντικείμενο της μετεωρολογίας δεν είναι η θεωρητικά προ-απαιτούμενη.

Εισαγωγή
Ξεκινώντας, θα πρέπει πάντα να θυμόμαστε πως οι δορυφορικές παρατηρήσεις (κατ' επέκταση οι εικόνες) δεν είναι τίποτε άλλο παράμετρήσεις της ενέργειας που εκπέμπεται από μία επιφάνεια που βρίσκεται κάτω από τον αισθητήρα του εκάστοτε δορυφόρου. Η ενέργεια αυτήδεν είναι γενική και αόριστη, αλλά η ενέργεια της ακτινοβολίας που εκπέμπει η υποκείμενη του δορυφόρου επιφάνεια σε συγκεκριμένεςπεριοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Σε ό,τι αφορά στην κατανόηση του καιρού, οι περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που μας απασχολούν είναι το ορατό (VIS) και το υπέρυθρο (IR).
Κάθε δορυφορική εικόνα αποτελείται από χιλιάδες εικονοστοιχεία (pixels). Σε κάθε ένα από αυτά αντιστοιχίζεται και μία διαφορετικήαπόχρωση του γκρι, αναπαριστώντας το επίπεδο της ενέργειας ή της θερμοκρασίας που αντιλαμβάνεται ο αισθητήρας του δορυφόρου για το συγκεκριμένο pixel. Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίθεση μεταξύ ενός αντικειμένου (νέφος) και του υποβάθρου (επιφάνεια της γης), τόσοευκολότερη είναι η αναγνώριση βασικών δομών στην δορυφορική εικόνα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα πολύ καλής αντίθεσης είναι η παρουσία μιας καλά ανεπτυγμένης καταιγίδας πάνω από τη "σκοτεινή" επιφάνεια του ωκεανού.
Ένα χαρακτηριστικό των δορυφορικών εικόνων που θα πρέπει να λαμβάνεται πάντα υπόψη, είναι η χωρική ανάλυση. Ο όρος αυτός αναφέρεται στις διαστάσεις του μικρότερου αντικείμενου που μπορεί ο αισθητήρας του δορυφόρου να "δει". Για παράδειγμα, εάν η χωρική ανάλυση είναι 1 km, τότε το μικρότερο αντίκειμενο που μπορούμε να αναγνωρίσουμε σε μια δορυφορική εικόνα έχει διαστάσεις 1 km x 1 km. Αξίζει επίσης να αναφέρουμε πως η χωρική ανάλυση ενός δορυφόρου είναι καλύτερη όταν αυτός βρίσκεται ακριβώς πάνω από μία περιοχή, ενώ φθίνει καθώς ο δορυφόρος "κοιτάει" περιοχές στην άκρη της εικόνας.

Εικόνες στην Ορατή Περιοχή του Φάσματος
Οι δορυφορικές εικόνες του ορατού (VIS) αποτελούν μία απεικόνιση του ποσού της ηλιακής ακτινοβολίας που αντανακλάται από την επιφάνεια της γης και τα νέφη. Ανοιχτές αποχρώσεις του γκρι ή του λευκού αντιστοιχούν σε περιοχές με μεγάλη ανακλαστικότητα, ενώ οι σκούρεςαποχρώσεις του γκρι και του μαύρου είναι χαρακτηριστικές περιοχών με μικρή ανακλαστικότητα. Με βάση αυτή τη βασική πληροφορία, μίακαταιγίδα θα φαίνεται στο ορατό ως μία εκτεταμμένη περιοχή με άσπρο ή πολύ ανοιχτό γκρι χρώμα, εξαιτίας της ισχυρής ανάκλασης της ηλιακής ακτινοβολίας. Αντίθετα, τα λεπτά νέφη (π.χ. cirrus) θα παριστάνονται με μέσες αποχρώσεις του γκρι, ενώ εάν είναι πολύ λεπτά είναι πιθανό να μην φαίνονται καθολού στο ορατό.
Είναι λογικό πως οι δορυφορικές εικόνες του ορατού εμφανίζονται πιο φωτεινές κατά τη διάρκεια του τοπικού μεσημεριού, όταν η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει στην επιφάνεια της γης με μικρότερη γωνία. Αντίστοιχα, κατά τις πρώτες πρωινές και βραδινές ώρες, οι δορυφορικές εικόνες του ορατού εμφανίζονται λιγότερο φωτεινές εξαιτίας της μεγάλης γωνίας πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Κατά τη διάρκεια της νύχτας, δεν είναι δυνατό να έχουμε στη διάθεση μας τέτοιες εικόνες.
Ανάλογα με τη γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας, είναι δυνατόν να φαίνονται στη δορυφορική εικόνα οι σκίες από το ένα νέφος στο άλλο. Το ιδιαίτερο αυτό χαρακτηριστικών των εικόνων του ορατού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταυτοποίηση των νεφών. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν τα νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης (εδώ) τα οποία "ρίχνουν" τη σκιά τους στα γειτονικά τους νέφη ή στο έδαφος.

Εικόνες στην Υπέρυθρη Περιοχή του Φάσματος
Οι δορυφορικές εικόνες του υπέρυθρου (IR) αποτελούν μία απεικόνιση της ενέργειας που εκπέμπει η γη και η ατμόσφαιρα, συμπεριλαμβανομένων των νεφών. Με βάση την εξίσωσης εκπομπής ακτινοβολίας του Wien, το μέγιστο της εκπομπής ακτινοβολίας από τη γη καταγράφεται στην υπέρυθρη περιοχή (IR) του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το ποσό της εκπεμπόμενης ενέργειας αποτελεί συνάρτηση του λεγόμενου συντελεστή εκπομπής και της θερμοκρασίας της επιφάνειας που εκπέμπει.
Έτσι, κάθε δορυφορική εικόνα του υπέρυθρου αποτελεί μία απεικόνιση της θερμοκρασίας των κορυφών των νεφών, αλλά και της επιφάνειας της γης. Οι θερμοκρασίες αυτές "μεταφράζονται" σε διαφορετικές αποχρώσεις του γκρι, από το λευκό (ψυχρό) στο μαύρο (θερμό). Με βάση αυτή την πληροφορία, τα νέφη των οποίων η κορυφή εντοπίζεται ψηλά στην ατμόσφαιρα, θα αναπαρίστανται με πιο λευκές αποχρώσεις. Αυτό συμβαίνει για παράδειγμα με τα νέφη cirrus αλλά και με τις κορυφές των καταιγιδοφόρων νεφών. Είναι μάλιστα χαρακτηριστικό πως ενώ τα νέφη cirrus μπορεί να μην είναι αναγνωρισίμα σε μία ορατή εικόνα, εντούτοις εμφανίζονται στην αντίστοιχη υπέρυθρη. Αντίθετα, νέφη που βρίσκονται στα χαμηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας (άρα είναι θερμότερα) απεικονίζονται με πιο σκούρες αποχρώσεις του γκρι.
Το μεγάλο και προφανές πλεονέκτημα των δορυφορικών εικόνων του υπέρυθρου είναι πως είναι διαθέσιμες 24 ώρες το 24ώρο. Παρόλα αυτά, η χρησιμοποίηση τους ενέχει ένα περιορισμό. Τόσο η επιφάνεια της γης όσο και η ομίχλη εμφανίζουν παρόμοιες θερμοκρασίες με απότελεσμα να μην είναι εύκολη η διάκριση τους. Σε αυτές τις περιπτώσεις, είναι εξαιρετικά χρήσιμη η εξέταση ταυτόσημων χρονικά εικόνων στο ορατό και το υπέρυθρο.

Παράδειγμα - Εφαρμογή
Στο παράδειγμα μας θα χρησιμοποιήσουμε δύο ταυτόχρονες δορυφορικές εικόνες, μία στο ορατό και μία στο υπέρυθρο. Όταν υπάρχει αυτή η δυνατότητα, αυτός είναι ο "κανόνας" που οφείλουμε να ακολουθούμε για την ερμηνεία των δορυφορικών παρατηρήσεων.
Στις εικόνες 1α και 1β παρουσιάζονται οι δορυφορικές λήψεις στο ορατό και το υπέρυθρο, αντίστοιχα, του μετεωρολογικού δορυφόρου MSG Eumetsat για την 24 Ιουνίου 2010, στις 17:00 τοπική ώρα (15:00 UTC).

Εικόνα 1α. Δορυφορική εικόνα στο ορατό - 24 Ιουνίου 2012, 17:00 (τοπική) (Πηγή: www.sat24.com).

Εικόνα 1β. Δορυφορική εικόνα στο υπέρυθρο- 24 Ιουνίου 2012, 17:00 (τοπική) (Πηγή: www.sat24.com).

Τα βασικά χαρακτηριστικά στοιχεία που διακρίνονται στις δύο αυτές εικόνες είναι τα ακόλουθα (αντιστοίχιση αριθμών στις εικόνες με τις ακόλουθες περιγραφές):
1) Στη Β. Ελλάδα και τη ΝΔ Τουρκία εντοπίζονται περιοχές με έντονες λευκές αποχρώσεις τόσο στο ορατό όσο και στο υπέρυθρο. Το φωτεινό λευκό χρώμα της εικόνας στο ορατό υποδεικνύει την παρουσία νεφών που ανακλούν την ηλιακή ακτινοβολία σε μεγάλο ποσοστό, ενώ τα αντίστοιχα λευκά χρώματα στην υπέρυθρη λήψη είναι χαρακτηριστικά νεφών με μεγάλη κατακόρυφη ανάπτυξη (ψυχρή κορυφή). Κατά συνέπεια, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι στις συγκεκριμένες γεωγραφικές περιοχές κυριαρχούν καταιγιδοφόρα νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης.
2) Στο Βισκαϊκό κόλπο, παρατηρείται μία φωτεινή περιοχή στην εικόνα του ορατού, η οποία δεν διακρίνεται ωστόσο στην εικόνα του υπέρυθρου. Αυτή η πληροφορία υποδεικνύει ότι οι κορυφές των ανίστοιχων νεφών δεν βρίσκονται ψηλά και επομένως δεν πρόκειται για καταιγίδες. Παρότι τα συγκεκριμένα νέφη συνδέονται με την παρουσία μετωπικής δραστηριότητας, το πιθανότερο είναι πως στη συγκεκριμένη περιοχή εκδηλώνονται βροχοπτώσεις από νέφη τύπου cumulus.
3) Στη ΝΔ Γαλλία, η εικόνα στο ορατό υποδεικνύει την πλήρη απουσία νέφωσης. Ωστόσο, παρατηρώντας την αντίστοιχη υπέρυθρη λήψη, στη συγκεκριμένη περιοχή εντοπίζονται ανοιχτές αποχρώσεις του γκρι. Η πληροφορία αυτή μας οδηγεί στο συμπέρασμα πως στη συγκεκριμένη περιοχή θα πρέπει να υπάρχουν νέφη cirrus, τα οποία δύσκολα διακρίνονται στις ορατές εικόνες ενώ παρατηρούνται ευκολότερα στις υπέρυθρες.

Σύνοψη
Στον επόμενο πίνακα γίνεται προσπάθεια να συνοψιστούν τα κυριότερα κριτήρια με τα οποία μπορεί κανείς να ερμηνεύσει μία δορυφορική εικόνα.

Τύπος νέφους (εδώ)	Περιεχόμενο	Ύψος βάσης	Σχήμα στη δορυφορική εικόνα	Απόχρωση στη δορυφορική εικόνα ορατού	Απόχρωση στη δορυφορική εικόνα υπερύθρου
Cirrus	Πάγος	20,000 με40,000 πόδια	Σαν λεπτό άχυρο. Το έδαφος είναι συνήθως ορατό.	Ανοιχτό γκρι ή λευκό.	Λευκό.
Cirrostratus	Πάγος	15,000 με30,000 πόδια	Σαν λεπτό βέλο.	Ανοιχτό γκρι ή λευκό.	Ανοιχτό γκρι ή λευκό.
cirrocumulus	Πάγος	15,000 με30,000 πόδια	Σαν λεπτά μπαλώματα	Ανοιχτό γκρι ή λευκό.	Ανοιχτό γκρι ή λευκό.
Altostratus	Νερό και πάγος	6,500 με15,000 πόδια	Επίπεδα στρώματα με συχνά ακανόνιστες άκρες.	Μέσο με ανοιχτό γκρι. Μπορεί να έχουν σκιές ή ραβδώσεις.	Μέσο γκρι.
Altocumulus	Νερό και πάγος	6,500 με15,000 πόδια	Επίπεδα στρώματα με συχνά ακανόνιστες άκρες.	Μέσο με ανοιχτό γκρι. Μπορεί να έχουν σκιές ή ραβδώσεις.	Μέσο γκρι.
Stratocumulus	Νερό (πάγος το χειμώνα)	1,500 με6,500 πόδια	Κυματοειδή ή πορώδη. Συχνά εμφανίζονται σε γραμμές ή ομάδες με τις άκρες να ακουμπάνε.	Μέσο με ανοιχτό γκρι.	Σκούρο με μέσο γκρι. Συχνά, η αντίθεση με την ξηρά είναι μικρή.
Cumulus	Νερό (πιθανή παρουσία πάγου)	< 6,500 πόδια	Σαν ομπρέλες. Μεμονωμένα χαρακτηριστικά διακρίνονται εύκολα.	Ανοιχτό γκρι προς λευκό.	Μέσο προς ανοιχτό γκρι.
Cumulonimbus	Νερό και πάγος	< 6,500 πόδια	Σφαιροειδή ή με σχήμα καρότου. Συχνά εμφανίζονται σε γραμμές και "ρίχνουν" σκιές.	Ανοιχτό λευκό.	Ανοιχτό λευκό.
Nimbostratus	Νερό και πάγος	6,500 πόδια	Εκτεταμένη περιοχή με ραβδώσειςLarge area of smooth cloud with striations.	Μέσο με ανοιχτό γκρι.	Μέσο γκρι με λευκό.
Stratus (και ομίχλη)	Νερό (πάγος τον χειμώνα)	< 3000 πόδια	Ομαλά με σχήμα που συχνά καθορίζεται από την τοπογραφία.	Μέσο γκρι με λευκό, εξαρτώμενο από το πάχος των στρωμάτων. Πηγή:http://www.meteoclub.gr	Σκούρο με μέσο γκρι. Συχνά, η αντίθεση με την ξηρά είναι μικρή.