Επίπτωση της κλιματικής αλλαγής στις συνιστώσες του υδρολογικού κύκλου

Abstract

This PhD research is placed in the large area of studying the influences of climate change on the components of the hydrological cycle and especially in evaporation (or latent heat flux). The main purpose was the estimation of evapotranspiration using not only simple conventional ground measurements, but simple models based on remote sensing data along with the climate change and the decreasing/increasing trend of solar radiation (Global Dimming and Brightening phenomenon, GDB). In order to contribute to the theoretical concern on the consistency in evaporation trends and trends of solar radiation or humidity and wind speed, reference evapotranspiration (ET) was estimated from REMCT (Reference Evapotranspiration Model for Complex Terrains) model. REMCT model was applied in Greece after developing a methodology for calibrating the model parameters for various groups of stations and it was independently validated from available pan measurements. GDB phenomenon was detected in Greece and especially in the urban area of Athens. Furthermore the consistency in ET trends and the decreasing/ increasing trends of solar radiation and the possible causes of GDB phenomenon (such as, changes in aerosols concentration or cloudiness or humidity at the atmosphere) were investigated. Additionally, the impact of GDB phenomenon on pan evaporation changes as compared to the effects of temporal changes of other meteorological parameters was examined. After verifying the ability of the calibrated REMCT model to incorporate the effects of GDB phenomenon, its use was investigated, for projecting future trends in ET using projections of regional climate model and for estimating ET from MODIS Land Surface Temperature (LST) data in Greece.Analytically, an ET calculation algorithm was developed from monthly precipitation and temperature measurements using REMCT model, which also includes the effect of climate and site elevation. For improving ET estimates from REMCT model, a methodology for calibrating the model parameters was developed using monthly estimates of potential evapotranspiration by Penman-Monteith method (ETPM) for 29 stations in Greece. The locally calibrated ET estimates (ΕΤDB) have been validated from pan evaporation (Epan) measurements and REMCT model was considered as suitable to estimate accurately the monthly ET and hence to investigate its time evolution for longer time periods. ΕΤDB trends in Greece were compared with sunshine duration (SD), trends “used as a proxy” of surface solar radiation, in Athens. The time evolution of ΕΤDB was explained by the GDB phenomenon, i.e. by its agreement with the decrease and the subsequent increase trend of solar radiation. REMCT model was also successfully applied in the station of National Observatory of Athens, using regional calibrated parameters and ΕΤDB estimates were verified from available monthly ETPM estimates. There has been a special investigation of the GDB phenomenon in the urban area of Athens highlighting the dimming/brightening sub-periods on annual and seasonal basis. Furthermore, the effect of cloudiness was linearly removed from SD measurements (“used as a proxy” of surface solar radiation) and causes of GDB phenomenon linked (mostly) to aerosols changes were detected. The ΕΤDB trends were examined during the period 1951-2001 and they were found in agreement with the detected dimming/brightening periods.GDB phenomenon and its impact on pan evaporation (Epan) were investigated widely in Greece. Causes of GDB were also examined by focusing especially on changes in aerosols, cloudiness (CL) and precipitable water (PW). For this purpose, daily PW data, from the NCEP-1 reanalysis data were extracted for 28 stations during the period 1974-2004 in order to examine their contribution in GDB phenomenon. Additionally, the consistency in SD anomalies or residuals SD time series and PW and CL anomalies, were investigated according to the dimming/brightening periods. Moreover, the implications of GDB phenomenon in Epan changes were also examined on yearly and seasonal basis for 13 stations during the period 1979-2004, where pan evaporation measurements were available. Epan anomalies and anomalies of meteorological parameters, such as SD, wind speed and vapor pressure deficit, were calculated in order to investigate the causes of Epan changes. The results indicated the SD changes as the most likely causative meteorological factor affecting Epan in Greece. Since REMCT model could incorporate GDB phenomenon, the use of ETDB estimates as an ET formulation based on minimum data, was investigated in order to predict ET changes in a future climate. Epan and ETDB (or ETPM) have been found well correlated with similarities between the magnitudes and signs of their trends (in various time scales). Daily projections of temperature and precipitation from the Regional Atmospheric Climate MOdel (RACMO2) were employed in REMCT model to estimate reference evapotranspiration (ETDB proj) in 29 stations in Greece during 1979-2004 (control period). The DBS (Distribution Based Scaling) method is used for the bias corrections of temperature and precipitation projections and the corrected values are used in the estimation of ETDB (ETDB cor). Furthermore, the corrected projections of the RACMO2 model were employed in the calibrated REMCT model and ETDB cor trends were also estimated for the future period (2011-2100) and compared with the corresponding ones of the control period. Positive trends were found for ETDB cor, accompanied mostly with negative precipitation trends and increasing temperatures during future period.Daytime and nighttime MODIS land surface temperature data (LST) were tested as an alternative input for maximum (Tmax) and minimum (Tmin) air temperature in three reference evapotranspiration (ET) models in Greece. Thus, daily Aqua MODIS LST data were extracted during the day (LSTday) or during the night (LSTnight), for 28 sites in Greece during the growing period (May- October) of the years 2002, 2003 and 2004. Firstly, the use of LSTday or LSTnight as “indicators” of ground Tmax or Tmin air temperatures, respectively, was investigated and a good correlation was found between MODIS LSTnight and Tmin. Then MODIS LSTday and LSTnight data were employed in the air temperature range-based Hargreaves-Samani method and in two other ET methods, depended upon precipitation besides air temperatures, the Droogers-Allen method and the calibrated REMCT model. The obtained ET results for 28 stations (using MODIS LST data) were compared with the corresponding ET estimates from the ground air temperature data and furthermore with Penman Monteith ET estimates based on ground data and as a result, REMCT model has shown the best ET estimates. In order to furthermore improve the accuracy of Tmax (as obtained from the LST data), the temperature-vegetation index (TVX) method was applied in various stations in Greece and it was evaluated at different time periods and areas. Thus, daily MODIS data of surface reflectance were used for the calculation of daily Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Maximum air temperature was estimated under the assumption that the temperature of a full cover canopy approaches the temperature of air within the canopy and therefore the normalized difference index of a full canopy (NDVImax) was estimated in Greece. Moreover, monthly maximum temperature estimates from the TVX method (TVX LSTday) were validated on temporal basis and the results have shown that the TVX method has highly improved the accuracy of monthly maximum temperature estimates from MODIS LSTday data. The method has also been validated on spatial basis using the estimated value of NDVImax in various stations in Greece improving slightly the accuracy of Tmax values. When the TVX LSTday estimates were used in ET models, a slight improvement was also observed compared either with ET estimates based on simple MODIS products or with ETPM estimates. In areas with lack of ground temperature data, MODIS products can be employed especially in REMCT model for estimating ET, achieving spatial analysis of ET at higher spatial resolutions.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η εκτίμηση της πυκνότητας ροής της λανθάνουσας θερμότητας στην ατμόσφαιρα με τη χρήση μοντέλων που χρησιμοποιούν ελάχιστες επίγειες ή δορυφορικές μετρήσεις και η σύνδεση των αλλαγών της με την κλιματική αλλαγή και με τη μειούμενη/αυξανόμενη τάση της ηλιακής ακτινοβολίας (φαινόμενο Global Dimming and Brightening, GDB). Η παρούσα μελέτη συμβάλει στον ανοιχτό, μέχρι τώρα, θεωρητικό προβληματισμό για την εναρμόνιση των τάσεων της εξάτμισης με τις τάσεις της ηλιακής ακτινοβολίας ή της υγρασίας και του ανέμου. Για το λόγο αυτό έγινε εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ΕΤ) από το μοντέλο REMCT (Reference Evapotranspiration Model for Complex Terrains), μετά από την τοπική βαθμονόμηση του για τον Ελλαδικό χώρο, καθώς και εντοπισμός του φαινομένου GDB ευρύτερα στην Ελλάδα και ιδιαίτερα στην αστική περιοχή των Αθηνών. Επιπλέον έγινε διερεύνηση της εναρμόνισης της διαχρονικής πορείας της λανθάνουσας θερμότητας με τη μειούμενη/αυξανόμενη τάση της ηλιακής ακτινοβολίας και των πιθανών αιτίων του φαινομένου GDB (όπως, π.χ., η διαχρονική μεταβολή της συγκέντρωσης των αερολυμάτων, ή της νεφοκάλυψης, ή της υγρασίας στην ατμόσφαιρα) και αποτίμηση των επιπτώσεων του στις διαχρονικές αλλαγές της εξάτμισης από εξατμισίμετρα λεκάνης (Εpan) σε σύγκριση με τις επιδράσεις των διαχρονικών μεταβολών άλλων μετεωρολογικών παραμέτρων. Μετά τη διαπίστωση της ικανότητας του βαθμονομημένου μοντέλου REMCT να ενσωματώνει της επιδράσεις του φαινομένου GDB έγινε διερεύνηση της χρήσης του, για την πρόβλεψη των μελλοντικών τάσεων της ΕΤ με προβλέψεις περιοχικού κλιματικού μοντέλου και για την εκτίμηση της ΕΤ με δορυφορικά δεδομένα MODIS θερμοκρασίας επιφάνειας του εδάφους (LST) στην Ελλάδα.Αναλυτικότερα, έγινε ανάπτυξη αλγορίθμου υπολογισμού της ΕΤ πάνω από ανάγλυφο χρησιμοποιώντας μηνιαίες μετρήσεις βροχόπτωσης και θερμοκρασιών από το μοντέλο REMCT το οποίο λαμβάνει υπόψη χαρακτηριστικά, όπως το υψόμετρο και το κλίμα. Για τη βελτίωση των εκτιμήσεων του μοντέλου REMCT αναπτύχθηκε μεθοδολογία τοπικής βαθμονόμησης των παραμέτρων του, από τις μηνιαίες εκτιμήσεις της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής με τη μέθοδο Penman-Monteith (ETPM) σε 29 σταθμούς του Ελλαδικού χώρου. Οι εκτιμήσεις του βαθμονομημένου μοντέλου (ΕΤDB) επαληθεύθηκαν με πειραματικές μετρήσεις Epan και το μοντέλο REMCT θεωρήθηκε κατάλληλο για τη διερεύνηση της διαχρονικής πορείας της ΕΤ για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους. Διερευνήθηκαν οι τάσεις της ΕΤDB στην Ελλάδα σε σύγκριση με τις τάσεις της διάρκειας ηλιοφάνειας (SD), ‘‘υποκατάστατου’’ της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας, στην Αθήνα. Εξηγήθηκε η διαχρονική πορεία της ΕΤDB με το φαινόμενο GDB στην Ελλάδα, δηλαδή η εναρμόνιση της με τη μειούμενη και τη μετέπειτα αυξανόμενη τάση της ηλιακής ακτινοβολίας.Το μοντέλο REMCT εφαρμόσθηκε με τοπικά βαθμονομημένες παραμέτρους επιπλέον στο σταθμό του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, όπου οι προβλέψεις του επαληθεύθηκαν από τις ETPM εκτιμήσεις και η απόδοση του ήταν πολύ καλή. Έγινε ιδιαίτερη διερεύνηση της παρουσίας του φαινομένου GDB στην αστικοποιημένη περιοχή της Αθήνας σε ετήσια και εποχική βάση και εντοπίσθηκαν οι υποπερίοδοι του. Περαιτέρω αναπτύχθηκε μεθοδολογία απομάκρυνσης ‘‘γραμμικής’’ επίδρασης της νεφοκάλυψης από τις μετρήσεις της SD (‘‘υποκατάστατου’’ της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας) και διαπιστώθηκε η επίδραση (κατά κύριο λόγο) των αερολυμάτων στο φαινόμενο. Μελετήθηκαν οι τάσεις της ΕΤ από το μοντέλο REMCT για την περίοδο 1951-2001 και διαπιστώθηκε η εναρμόνιση των αλλαγών των ΕΤDB τάσεων με τις dimming/brightening περιόδους που εντοπίστηκαν.Περαιτέρω, έγινε διερεύνηση της παρουσίας του φαινομένου GDB και της διασύνδεσής του με την εξάτμιση από εξατμισίμετρα λεκάνης (Epan) ευρύτερα στον Ελλαδικό χώρο. Εξετάστηκαν τα αίτια του φαινομένου με έμφαση στις αλλαγές της συγκέντρωσης των αερολυμάτων, της νεφοκάλυψης (CL) και του υετίσιμου ύδατος (PW). Στη συνέχεια διερευνήθηκε η εναρμόνιση της διαχρονικής πορείας των ανωμαλιών της SD και των ‘‘υπολοίπων’’ της SD με αυτή των PW και CL ανωμαλιών, σύμφωνα με τις περιόδους dimming/brightening. Επίσης, οι επιπτώσεις του φαινομένου GDB στις αλλαγές της Εpan διερευνήθηκαν σε ετήσια και εποχική βάση, για τους σταθμούς και την περίοδο που ήταν διαθέσιμες οι μετρήσεις από τα εξατμισίμετρα λεκάνης. Υπολογίσθηκαν οι Εpan ανωμαλίες καθώς και οι ανωμαλίες παραμέτρων, όπως η SD, η ταχύτητα του ανέμου και το κοροπλήρωμα των υδρατμών με στόχο τη διερεύνηση των αιτίων των Εpan αλλαγών. Τα αποτελέσματα έδειξαν τις διακυμάνσεις της SD ως τον πιθανότερο παράγοντα που επηρεάζει τις αλλαγές της Epan στην Ελλάδα.Μετά τη διαπίστωση της ικανότητας του μοντέλου REMCT στην αποτύπωση του φαινομένου GDB, διερευνήθηκε η χρησιμοποίησή του στην πρόβλεψη μελλοντικών τάσεων της ΕΤ, αφού προηγουμένως εξετάσθηκαν ομοιότητες μεταξύ των μεγεθών και των τάσεων της Εpan και της ΕΤ, είτε από το μοντέλο REMCT ή τη μέθοδο Penman-Monteith σε μηνιαία, εποχική και ετήσια βάση. Ημερήσιες προβλέψεις θερμοκρασίας (Τ) και βροχόπτωσης (Ρ) από το περιοχικό κλιματικό μοντέλο Regional Atmospheric Climate MOdel (RACMO2) χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο REMCT για την εκτίμηση της ΕΤ σε 29 σταθμούς κατά την περίοδο ελέγχου (1979-2004). Έγινε χρήση της μεθόδου DBS (Distribution Based Scaling) για τη διόρθωση σφαλμάτων των Τ και Ρ προβλέψεων και οι διορθωμένες τιμές χρησιμοποιήθηκαν στην εκτίμηση της ETDB και των τάσεων της, τόσο κατά την περίοδο ελέγχου, όσο και κατά τη μελλοντική περίοδο (2011-2100). Αυξητικές τάσεις της ETDB προβλέφθηκαν και για τις δυο περιόδους.Στο τελευταίο μέρος της παρούσας εργασίας έγινε διερεύνηση της απόδοσης του μοντέλου REMCT σε σύγκριση με άλλα δύο μοντέλα εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (Hargeaves-Samani και Droogers-Allen), τα οποία απαιτούν ελάχιστα δεδομένα εισόδου, ως εναλλακτικού τρόπου υπολογισμού της ΕΤ σε περιοχές με χαμηλή διαθεσιμότητα μετεωρολογικών δεδομένων. Έτσι, έγινε ανάκτηση και έλεγχος ημερήσιων δορυφορικών δεδομένων MODIS θερμοκρασίας επιφανείας εδάφους κατά τη διάρκεια της ημέρας (LSTday) ή κατά τη διάρκεια της νύχτας (LSTnight), για 28 σημεία του Ελλαδικού χώρου κατά την καλλιεργητική περίοδο (Μάιος-Οκτώβριος) για τα έτη 2002, 2003 και 2004. Αρχικά, διερευνήθηκε η χρήση των δεδομένων LSTday ή LSTnight ως ‘‘αντιπροσωπευτικών’’ των επίγειων μετρήσεων της μέγιστης -Tmax ή ελάχιστης -Tmin θερμοκρασίας αέρα, αντίστοιχα και βρέθηκε πολύ καλή συμφωνία μεταξύ των MODIS LSTnight και Tmin. Στη συνέχεια, οι μέσες μηνιαίες LSTday ή LSTnight τιμές χρησιμοποιήθηκαν απευθείας ως δεδομένα εισόδου στα 3 επιλεγμένα μοντέλα υπολογισμού της ΕΤ αντικαθιστώντας τις αντίστοιχες επίγειες Tmax ή Tmin μετρήσεις. Οι εκτιμώμενες τιμές της ΕΤ από τις 3 μεθόδους με τη χρήση επίγειων και δορυφορικών δεδομένων αξιολογήθηκαν από συγκρίσεις με εκτιμήσεις ΕΤ που βασίζονται σε επίγεια μόνο δεδομένα από τις ίδιες μεθόδους και τις ΕΤΡΜ εκτιμήσεις και το μοντέλο REMCT έδειξε τα καλύτερα αποτελέσματα. Προκειμένου να επιτευχθούν ακριβέστερες εκτιμήσεις της μέγιστης θερμοκρασίας του αέρα και κατά συνέπεια και της ΕΤ, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Τemperature-Vegetation index (TVX) η οποία εφαρμόστηκε σε διάφορους σταθμούς στην Ελλάδα και αξιολογήθηκε σε διαφορετικές χρονικές περιόδους και περιοχές. Έγινε, έτσι, ανάκτηση και έλεγχος ημερήσιων δορυφορικών δεδομένων ανακλαστικότητας επιφανείας από τα δεδομένα MODIS, όπου και υπολογίστηκε ο ημερήσιος κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης (NDVI). Η εκτίμηση της μέγιστης θερμοκρασίας αέρα έγινε με την παραδοχή ότι η Tmax ισούται με την επιφανειακή θερμοκρασία για βλάστηση πλήρους κάλυψης, οπότε και εκτιμήθηκε η τιμή του δείκτη βλάστησης πλήρους κάλυψης (NDVImax) στον Ελλαδικό χώρο. Επιπλέον, έγινε επιβεβαίωση των μηνιαίων εκτιμήσεων της μέγιστης θερμοκρασίας, από τη μέθοδο TVX σε χρονική βάση, η οποία και βελτίωσε αρκετά την ακρίβεια εκτίμησης των MODIS LSTday. Η μέθοδος επιβεβαιώθηκε και σε χωρική βάση χρησιμοποιώντας την εκτιμώμενη τιμή του NDVImax σε διαφορετικές περιοχές στην Ελλάδα βελτιώνοντας σε μικρό βαθμό την ακρίβεια εκτίμησης της μέγιστης θερμοκρασίας. Όταν οι εκτιμώμενες τιμές Tmax από την TVX μέθοδο χρησιμοποιήθηκαν στα μοντέλα ΕΤ, έδειξαν μικρή βελτίωση των εκτιμήσεων ΕΤ σε σύγκριση με τις εκτιμήσεις ΕΤ από τα απλά προϊόντα MODIS και με τις αντίστοιχες ETPM εκτιμήσεις. Η χρήση των δεδομένων MODIS LST στο μοντέλο REMCT φάνηκε ως μια χρήσιμη εναλλακτική λύση για μελλοντική χρήση.