Τυποποίηση και μοντελοποίηση διαχρονικών θερμικών εικόνων, για τον εντοπισμό και ερμηνεία θερμικών ανωμαλιών στο θαλάσσιο χώρο της Μεσογείου

Abstract

Μεταξύ των βιοφυσικών παραμέτρων, η θερμοκρασία είναι από τις πιο σημαντικές, από αυτές που χρησιμοποιούνται στην περιβαλλοντική ανάλυση/αξιολόγηση και στην περιβαλλοντική λήψη αποφάσεων. Οι βιοφυσικές καταγραφές θερμοκρασίας, πραγματοποιούνται από το καταγραφικό σύστημα MODIS. Η διαθεσιμότητα των μηνιαίων μετρήσεων θερμοκρασίας (με μέτρια χωρική ανάλυση δεδομένων), μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για να καταγραφούν οι χωρικές και χρονικές μεταβολές της θερμοκρασίας, τόσο στην ξηρά και τη θάλασσα. Στο πλαίσιο αυτό, γίνεται χρήση μιας χρονοσειράς μέσων μηνιαίων τιμών θερμοκρασίας,, για την περιβαλλοντική μελέτη της Μεσογείου. Η Μεσόγειος, είναι σχεδόν μια κλειστή θάλασσα αφού περιβάλλεται από γη, στα βόρεια από την Ευρώπη, στα νότια από τη Βόρεια Αφρική, και στην ανατολή από την Ασιατική ήπειρο. Καλύπτει μια έκταση περίπου 2,5 εκατομμύρια km², αλλά η σύνδεση της με τον Ατλαντικό (τα Στενά του Γιβραλτάρ) είναι μόλις 14 χιλιόμετρα πλάτος. Η θάλασσα μερικές φορές θεωρείται ως τμήμα του Ατλαντικού Ωκεανού, αν και συνήθως αναγνωρίζεται ως ένα εντελώς ξεχωριστό τμήμα. Παρατηρούνται από πλευράς υδροδυναμικής, τρία στρώματα υδάτινων μαζών. Ένα επιφανειακό στρώμα, που παρουσιάζει ένα πάχος που κυμαίνεται από περίπου 75- 300 m. Ένα ενδιάμεσο στρώμα ευρισκόμενο σε βάθος 300 ως 600 m, που είναι εμποτισμένο με θερμό και αλμυρό νερό, προερχόμενο από την ανατολική Μεσόγειο και στη συνέχεια, τα βαθιά στρώματα ευρισκόμενα στο κάτω μέρος. Η κυκλοφορία της Μεσογείου καθορίζεται από πολλούς φυσικούς παράγοντες,, όπως την αλληλεπίδραση αέρα-θάλασσας (άνεμοι), των ποτάμιων εισροών, την υδραυλική ελεγχόμενη εισροή/εκροή μέσα από τα Στενά του Γιβραλτάρ και την επιρροή της Μαύρης Θάλασσας, την θερμή και αλατούχα αναγκαστική κυκλοφορία, τη μορφολογία πυθμένα, και της τοπογραφίας της περιβάλλουσας ξηράς. Οι εικόνες MODIS που χρησιμοποιήθηκαν, ενδεχομένως να αποκαλύψουν την ισχυρή σχέση, μεταξύ ετήσιας και εποχικής μεταβλητότητας της θερμοκρασίας της θάλασσας, καθώς και το σχέδιο/μοντέλο αλληλεπίδρασης αέρα-θάλασσας. Από την άλλη πλευρά, η θερμοκρασία της θάλασσας, πρέπει εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος (Βορράς/Νότος) και γεωγραφικό μήκος (Ανατολή/Δύση), λόγω μεταβολής της viii προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας με το γεωγραφικό πλάτος, την διαφορική έκθεση στην ηλιακή ενέργεια λόγω περιστροφής της γης γύρω από τον άξονα της, την εισροή των ποταμών, τους ανέμους, της εισροής / εκροής στα Στενά του Γιβραλτάρ, της επιρροή της Μαύρης Θάλασσας, κλπ Σε αυτή την ερευνητική προσπάθεια, χρησιμοποιούνται οι μέσες μηνιαίες θερμοκρασίες ημέρας από το καταγραφικό σύστημα MODIS (Terra), με 4,6 χιλιόμετρα χωρική ανάλυση, για το έτος 2010. Οι στόχοι είναι οι εξής: α) η ποσοτικοποίηση του γεωγραφικού πλάτους και μήκους στην χωροχρονική κατανομή των θερμοκρασιών και β) η εφαρμογή αποσυσχέτισης των θερμοκρασιών από το γεωγραφικό πλάτος και μήκος. Για να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση του γεωγραφικού πλάτους και μήκους, εφαρμόζεται η ανάλυση κύριων συνιστωσών (PCA), που είναι μια γραμμική τεχνική μετασχηματισμού, η οποία παράγει ένα σύνολο εικόνων, γνωστών ως κύριες συνιστώσες (PC), που είναι ασυσχέτιστες μεταξύ τους και διατάσσονται σε σχέση με το ποσό της διακύμανσης. Οι πρώτες δυο συνιστώσες, αντιπροσωπεύουν το 94 - 96% της διακύμανσης. Η συμβολή των ανεξάρτητων μεταβλητών (γεωγραφικό πλάτος και μήκος), σε κάθε κύρια συνιστώσα, προκύπτει από την εφαρμογή του γραμμικού μοντέλου. Η PC1 αντιπροσωπεύει το 86,3% της συνολικής διακύμανσης, ενώ το 86,1% της διακύμανσης εξηγείται από το μοντέλο γραμμικής παλινδρόμησης. Έτσι, το 74,3% της συνολικής διακύμανσης, εμφανής στην πολυχρονική δέσμη στοιχείων, εξηγείται από το μοντέλο γραμμικής παλινδρόμησης, ενώ 11,99% της διακύμανσης είναι ανεξάρτητο από το γεωγραφικό πλάτος και μήκος. Η PC2 αντιπροσωπεύει το 8,66% της συνολικής διακύμανσης, εμφανής στο πολυχρονικό σύνολο δεδομένων, ενώ 64,0% της διακύμανσης, εξηγείται από το μοντέλο γραμμικής παλινδρόμησης. Έτσι, το 5,54% της συνολικής διακύμανσης εξηγείται από το μοντέλο γραμμικής παλινδρόμησης, ενώ το 3,12% της διακύμανσης ποσοτικοποιείται μέσω της υπολειμματικής εικόνας. Στην συνέχεια γίνεται ανασύσταση των εικόνων, λαμβάνοντας υπόψη τις υπολειμματικές εικόνες PC1 και PC2. Οπότε προκύπτει μια χρονοσειρά, που είναι ανεξάρτητη από το γεωγραφικό πλάτος και μήκος, ενώ εξηγεί 20,1% της αρχικής διακύμανσης. Στο τέλος, μια μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση (αλγόριθμος των Κ-Κέντρων) προσδιορίζει 9 τάξεις με διαφορετική χωροχρονική κατανομή της θερμοκρασίας. Τα κέντρα βάρους, υποδηλώνουν τις αρνητικές ανωμαλίες που παρατηρούνται μεταξύ Σεπτεμβρίου – Δεκεμβρίου, ενώ η μεταβλητότητα στην θερμοκρασία μεγιστοποιείται το καλοκαίρι και ελαχιστοποιείται χειμώνα. Το χωρικό πρότυπο, υποδεικνύει ότι οι θερμότερες περιοχές, διανέμονται κατά μήκος των παράκτιων περιοχών της Βορειοανατολικής/Ανατολικής. Μεσογείου (Κροατία, Αλβανία, Ελλάδα, Τουρκία, Συρία, Ισραήλ) και τη δυτική ακτή της Ιταλίας. Από την άλλη πλευρά, οι πιο κρύες περιοχές παρατηρήθηκαν: 1) Στο ανατολικά του Γιβραλτάρ Στενό, όπου η εισροή του Ατλαντικού κρύου νερού στα επιφανειακά στρώματα συνδέεται με την εκροή περισσότερο αλατούχου, στο παρακάτω ενδιάμεσο στρώμα. 2) Κατά μήκος των παράκτιων περιοχών της ανατολικής Αιγύπτου, που πιθανώς σχετίζονται με εκροές του Νείλου και της Ερυθράς Θάλασσας που επικοινωνεί μέσω της διώρυγας του Σουέζ με τη Μεσόγειο. 3) Ανατολικά / βόρεια του Εύξεινου Πόντου, που σχετίζεται με τις εκροές των μεγάλων ποτάμιων συστημάτων, στο βόρειο τμήμα της Μαύρης Θάλασσας, όπως του Ντον, του Δνείπερου και του Δούναβη που είναι οι πιο σημαντικοί..