Distribuția spațio-temporală a arealelor acoperite cu zăpadă în Munții Bucegi

Introducere

Cunoașterea întinderii arealului acoperit cu zăpadă furnizează informații importante cu privire la cantitatea de apă ce ar putea rezulta în urma topirii zăpezii și la aprovizionarea cu apă. Progrese importante, s-au făcut din 1966, când a fost elaborată prima hartă operațională a zăpezii, de către NOAA (National Oceanic And Atmospheric Administration). MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) oferă o rezoluție spațială ridicată și mai multe benzi spectrale, care permit obținerea unor hărți mai exacte ale gradului de acoperire cu zăpadă. Aceste hărți sunt utile pentru înțelegerea variabilității spațiale și temporale și pentru relaționarea variabilelor cu componentele bilanțului hidrologic la nivel global. Pentru o înțelegere mai aprofundată a produselor MODIS, în cele ce urmează vor fi prezentate o serie de caracteristici ale acestora.

Caracteristici ale instrumentului MODIS

Senzorii sunt instalați pe sateliții Terra (EOS AM) și Aqua (EOS PM). Orbita satelitului Terra în jurul Pământului este programată în așa fel încât să treacă de la nord la sud de-a lungul ecuatorului dimineața, în timp ce satelitul Aqua trece de la sud la nord peste ecuator în timpul după-amiezii. Sateliții Terra și Aqua oferă o imagine de ansamblu asupra suprafeței terestre la fiecare 1-2 zile, obținând date în 36 de benzi spectrale. Aceste date îmbunătățesc cunoștințele despre dinamica globală și a proceselor ce apar la suprafața terestră, în oceane și în atmosfera joasă.

Satelitul Terra

Reprezintă o misiune multinațională și multidisciplinară ce implică un parteneriat între agențiile aerospațiale din Canada și Japonia. Misiunea este manageriată de către NASA’s Goddard Space Flight. De asemenea, misiunea primește contribuții și de la Jet Propulsion Laboratory și Langley Research Center

Satelitul Aqua

Colectează informații privind evaporația din oceane, vaporii de apă din atmosferă, norii, precipitațiile, umezeala solului, gheața de pe mare și uscat și acoperirea cu zăpadă. Satelitul măsoară și alte variabile cum ar fi: fluxurile de energie, aerosolii, acoperirea cu vegetație a pământului, fitoplanctonul și materia organică dizolvată în oceane, aer, pământ și temperatura apei. Misiunea Aqua este o parte a Earth Observing System din cadrul NASA. Aceasta a fost numită anterior EOS PM, semnificând trecerea ecuatorului în timpul după-amiezii. Satelitul Aqua a fost lansat pe 4 mai 2002 și are 6 instrumente de observare a Pământului. El a fost primul lansat dintr-un grup de sateliți denumiți “Constelația După-amiezii”. Următorul s-a numit “Aura” în luna iulie 2004, urmat de “PARASOL” în decembrie 2004, și ulterior de „CloudSat” și “CALIPSO” în mai 2006. În proiect sunt misiunile „OCO” și “Glory”.

Pentru acest studiu s-au utilizat două dintre produsele MODIS: MODIS Surface Reflectance Daily (MODIS de reflectanță zilnică) și MODIS Surface Reflectance 8 Days (MODIS de reflectanță medie a 8 zile).

MODIS Surface Reflectance Daily (MOD09)

Produsele de reflectanță MODIS au fost dezvoltate de către Land Surface Reflectance Science Computing Facility. Ele conțin 7 benzi (benzile 1-7), având nivelul de prelucrare 1B. Este estimată reflectanța spectrală pentru fiecare bandă, așa cum ar fi fost măsurată în teren, fără a fi influențată de condițiile atmosferice. Ulterior sunt aplicate corecții atmosferice. Reflectanța este calculată cu ajutorul unui model de transfer radiativ folosind date atmosferice obținute din NCEP ( ozon, presiune), sau derivate direct din datele MODIS (aerosoli sau aport de apă).

Pentru corecția imaginilor se utilizează banda 26 (detectarea norilor cirrus), MOD05 (vaporii de apă), MOD04 (aerosoli) și MOD07 (statul de ozon). Datele climatice sunt folosite în cazul în care nu există informațiile de mai sus.

Produsele MODIS de reflectanță zilnică L2G Global 500 m SIN Grid, conțin date pentru fiecare din cele 7 benzi, dintre care două la rezoluția de 250 m (benzile 1 și 2) și 5 la rezoluția de 500 m (benzile 3-7). Cele mai bune observații într-o perioadă de 24 de ore, așa cum sunt determinate prin calitatea pixelilor și observații privind acoperirea, sunt potrivite din punct de vedere geografic unei rezoluții spațiale de 500 de metri. Informații calitative referitoare la produsele MODIS de reflectanță zilnică L2G Global 500 m SIN Grid sunt furnizate la următoarele nivele diferite de detaliu: pentru pixelii individuali, pentru fiecare bandă, pentru fiecare rezoluție și pentru întregul fișier. Pe baza lor se pot calcula: indicii de vegetație (NDVI), acoperirea terenului, acoperirea cu zăpadă (NDSI), anomalii termice, indicele acoperirii cu frunze (LAI), etc. În ceea ce privește validarea, acuratețea reflectanței a fost calculată pentru 4988 de cazuri, produsul comportându-se bine în aproximativ 90% din cazuri. Produsele de reflectanță MODIS L2G Global 500 m, au următoarele caracteristici: suprafață de aproximativ 10º X 10º lat/long, dimensiune imagine 2400 X 2400 rânduri/coloane, mărimea fișierului este de 50-500 MB, rezoluție spatială aproximativ 500 m, proiecția este sinusoidală, iar formatul este HDF-EOS.

MODIS Surface Reflectance 8 Days (MOD09A1)

La fel ca și produsele MODIS de reflectanță zilnică și cele de reflectanță medie la 8 zile sunt alcătuite din 7 benzi (benzile 1-7). L3 Global 500 m SIN Grid, sunt obținute din produsele de reflectanță L2G a 8 zile precedente. Au o rezoluție spațială de 500 de metri.

Metodologie

Imaginile satelitare obținute prin scanare multispectrală sau prin radiometrie, se bazează pe comportamentul diferit al corpurilor din natură. Fiecărui pixel îi corespunde o anumită valoare (număr digital, simbolizat DN) și o signatură spectrală. Comportamentul spectral este diferențiat de la o bandă spectrală la alta, element reliefat de curba de reflectanță spectrală. Din compararea acestora, rezultă benzile sau intervalele optime pentru identificarea și interpretarea elementelor dorite din peisaj.

Imaginile MODIS oferă posibilitatea observării îmbunătățite a acoperirii cu zăpadă, fiind folosite cu succes împreună cu valorile NDSI (Normalized Difference Snow Index). NDSI reprezintă un raport de bandă spectrală bazat pe avantajul diferențelor spectrale ale zăpezii benzile ultra-scurte infraroșii și vizibile.

Comparativ cu alte elemete ale acoperirii suprafeței terestre, zăpada are două proprietăți:

1. o reflectanță ridicată în vizibil – banda 4 MODIS
2. o reflectanță scăzută în infraroșu de undă scurtă – banda 6 MODIS.

Hall, Riggs și Salomson (1995), Hall (2002) și Klein, Hall și Riggs(1998) au utilizat diferențele spectrale între zonele acoperite cu zăpadă și cele neacoperite, pentru a dezvolta o abordare automată. Aceasta utilizează indicele normalizat de diferențiere a zăpezii (NDSI) pornind de la faptul că reflectanța zăpezii este mare în spectrul vizibil (0.5-0,7μm) (Fig.1a) și scazută în spectrul infraroșu de undă scurtă (1-4 μm) (Fig. 1b)

Figura 1 Imagini satelitare în benzile spectrale vizibil (a) și infraroșu de undă scurtă (b).

NDSI= (b4-b6) / (b4+b6)

NDSI nu numai că folosește diferențele spectrale între suprafețele acoperite cu zăpadă și cele neacoperite și nori, dar, la fel ca și alte abordări ce folosesc rapoarte, tinde să reducă (dar în mod cert nu elimină total) influența efectelor atmosferice.

O abordare denumită SNOW MAP’ este folosită în prezent, într-un mod automat, pentru a furniza informații utilizabile în hidrologie și managementul resurselor de apă (Hall 2002). Aceste informații oferă detalii despre fiecare pixel MODIS în sensul precizării dacă este sau nu acoperit cu zăpadă. SNOWMAP folosește nu numai NDSI, dar și alte criterii pentru determinarea falselor detectări ale zăpezii asociate lacurilor sau plajelor și ajustări ale acoperirii cu zăpadă în zonele împădurite sau neacoperite cu păduri.

În general, zăpada este caracterizată de valori mai mari ale NDSI, decât alte tipuri de suprafețe. Un pixel într-o regiune împădurită, dar nu dens, va fi reprezentat pe hartă ca zăpadă, dacă NDSI este mai mare sau egal cu 0,4. Oricum, pădurile acoperite cu zăpadă pot avea valori ale NDSI mai mici decât 0,4. Pentru a corecta această problemă, combinând NDSI cu NDVI, se pot determina suprafețele acoperite cu zăpadă și suprafețele împădurite neacoperite cu zăpadă. Pixelii, pentru valori ale NDSI mai mari de 0,4 sunt considerați acoperiți cu zăpadă. Și pixelii cu valori ale NDSI ușor mai scăzute, dar cu valori ale NDVI ridicate, mai mari de 0,1 (Klein, Hall si Riggs 1998) pot fi considerați ca suprafețe împădurite acoperite cu zăpadă.

De asemenea, există două criterii de clasificare pentru determinarea zăpezii:

1. Dacă reflectanța în banda 2 (841-876 nm) este mai mare de 11%, poate fi determinată zăpada, deoarece apa nu depășește acest prag în banda respectivă. Se poate distinge astfel zăpada de apă.
2. Dacă reflectanța în banda 4 MODIS (545-565 nm) este mai mare sau egală cu 10%, putem distinge pixelul ca acoperit cu zăpadă. În caz contrar, pixelul nu va putea fi pus pe hartă ca acoperit cu zăpadă, deoarece banda 4 este o bandă vizibilă, suprafețele cele mai întunecate asemenea pădurilor de molid au o reflectanță scăzută în această bandă. Pentru NDSI, reflectanța foarte scăzută determină o valoare redusă a numitorului, iar o ușoară creștere a benzii 4 poate determina o valoare NDSI destul de ridicată pentru a clasifica un pixel ca fiind acoperit cu zăpadă.

Rezultate obținute și concluzii

Analiza privind evoluția suprafețelor acoperite cu zăpadă în Munții Bucegi s-a realizat pentru perioada cuprinsă între lunile noiembrie 2002 și mai 2003.
În perioada analizată, s-a observat că suprafețele medii lunare acoperite cu zăpadă au variat de la 18,2 km² în luna noiembrie 2002, au crescut pâna la 226.3 km² în luna februarie (excepție facând luna ianuarie, când suprafața acoperită cu zăpadă a fost de 155 km²), după care au început să scadă ajungând la 11,2 km² în luna mai 2003 (Fig. 2, 3).

Fig.2 Evoluția spațială a stratului de zăpadă în Munții Bucegi în perioada noiembrie 2002 – ianuarie 2003

Fig.3 Evoluția spațială a stratului de zăpadă în Munții Bucegi în perioada februarie 2003 – mai 2003

Analizând evoluția suprafețelor acoperite cu zăpadă în perioada noiembrie 2002 – mai 2003, se poate observa că în medie cele mai extinse suprafețe acoperite cu zăpadă au fost pe versanții cu orientare estică și sud-vestică, iar cele mai restrânse pe versanții cu orientare nordică și nord-vestică.

Fig. 4 Suprafețe acoperite cu zăpadă în funcție de orientarea versanților

Dacă în mod normal zăpada ar trebui să se mențină mai mult pe versanții cu orientare nordică, în Munții Bucegi, aceste areale au extinderea cea mai redusă. Evenimentul se poate datora pe de o parte faptului că în Munții Bucegi versanții cu orientare nordică ocupă suprafețe restrânse, sau e posibil ca zăpada să fi fost spulberată de vânt.

Folosindu-se MODIS Surface Reflectance Daily s-a realizat și o evoluție zilnică a suprafețelor acoperite cu zăpadă pentru Munții Bucegi pentru luna martie a anului 2003.

Fig.5 Evoluția spațială a stratului de zăpadă în Munții Bucegi în luna martie 2003

Bibliografie

Flueraru, C., Stăncălie, Ghe., Snow cover measurements in the Carpathians mountains using satellite imagery.
Salomonson,V.V., (2004), Estimating fractional snow cover from MODIS using the normalized difference snow index.
Tappeiner,U., (2001), GIS-based modelling of spatial pattern of snow cover duration in an alpine area.