تحليل وتفسير الموجات الباردة الممطرة باستخدام نظم المعلومات الجغرافية GIS والاستشعار من بعد RS

مقدمة:

تعد الدراسات التطبيقية الفائدة المرجوة لخدمة الإنسان والبيئة، وتمر تلك الدراسات بمراحل يمكن من خلالها تطوير للوسائل المستخدمة في تلك الدراسات، مثل العمل الميداني، النماذج الرياضية ، التأكد الإحصائي، وأخير الاستشعار من البعد ونظم المعلومات الجغرافية.

هذا وقد جاءت التطورات الأخيرة في مجال نظم المعلومات الجغرافية والاستشعار عن بعد كطوق نجاة للجغرافيين من خلال تطبيق هذه التقنيات الحديثة في مجال التنمية والتخطيط الزراعي والعمراني (عبدالفتاح صديق، 2007، ص 155).

إذا تعد وكالة ناسا الأمريكية (NASA) ِAeronautics of Science Administration National أهم المؤسسات العالمية المهتمة بإنتاج وتطوير المستشعرات الخاصة برصد المناخ والبيئة.

ويعد برنامج نظام مراقبة الأرض Earth Observation System (EOS) أحد أهم البرامج الناجحة لرصد ومراقبة الأرض والذي انطلق سنة 1991م، ويمكن إرجاع بداية هذا البرنامج إلى سنة 1979م حيث توجت الجهود الدولية بتأسيس برنامج أبحاث مناخ العالم (world Climate Research program) ويهدف هذا البرنامج إلى فهم الأسس الطبيعية للمناخ المسئولة عن تطرف المناخ كما هو الحال عند حدوث الجفاف والسيول (EOS Science Plan,1999, P 4-7) .
وتمتلك معظم دول العالم المتقدم أقمار مناخية أو مهتمة برصد التغيرات البيئية؛ حيث أسست الولايات المتحدة الأمريكية مشروع نوا NOAA ويقوم على خدمة العديد من الأقمار NOAA Platform (NOAA1: NOAA18) التي تحمل العديد من المستشعرات مثل AVHRR, ATOVS.

كما أطلقت وكالة الفضاء الأوروبية "ESA" مشروع لرصد المناخ "MetOP"ويتكون من ثلاثة أقمار ذات القدرات الفائقة في رصد التغيرات المناخية والتنبؤ بها والتي أطلقت أول أقمارها في 19 أكتوبر 2006.

وسلسلة الأقمار الصناعية المناخية " MetOP" مصممة لتوفير بيانات مناخية متجددة من المدار القطبي حتى عام 2020، لتساعد بدرجة كبيرة على تطوير أساليب مراقبة طقس ومناخ وبيئة الأرض والحد من الكوارث المناخية.

كما يعد تطوير السلسلة الجديدة من الأقمار الصناعية المناخية MetOP نتاج التعاون بين كل من وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء الفرنسية والهيئة القومية الأميركية لشؤون المحيطات والغلاف الجوي، إضافة إلى المنظمة الأوروبية لاستغلال بيانات أقمار الأرصاد

وقد أطلقت العديد من تلك الدول برامج متنوعة لرصد ومراقبة المناخ ودراسة الظاهرات المناخية المتطرفة ومدي تأثيرها على البيئة ورصدت لها أموالا طائلة كما في استراليا واندونيسيا ونيوزيلندا لدراسة ظاهرة التسونامي Mega Tsunami, أيضا دراسة ظاهرة الجفاف باستراليا. ودراسة فيضانات الأنهار بانجلترا وويلز حيث قامت العديد من البرامج لهذا الغرض


كما أسهمت الجامعات بدور كبير من حيث تأسيس وحدات بحثية وإطلاق أقمار صناعية في بعض الجامعات الأمريكية، وقيام برامج للدكتوراه لذلك الغرض كما في السويد لدراسة تناقص مساحات وسمك

طبقات الجليد، أيضا دراسة خصائص الغلاف الجوي والتغيرات المناخية والنماذج المناخية كما في ألمانيا مثل برنامج (إيرس).
-International PhD-Programme on The Earth System Sciences Research School (ERSSES).

وفيما يلي تحاول الدراسة التي نحن بصددها استخدام تلك التقنيات في دراسة وتفسير الموجة الباردة على الساحل الشمالي الغربي في جمهورية مصر العربية حيث تستخدم الدراسة مرئيات MODIS وبيانات الأمطار باستخدام TRMM.

دراسة حالة " للموجة الباردة الممطرة على الساحل الشمالي الغربي
لجمهورية مصر العربية خلال الفترة 8-10 يناير2008م"

يمكن تعريف الموجات الباردة بأنها تلك الموجات التي تقل خلالها درجة الحرارة لكل من المتوسط اليومي والعظمى والصغرى خلال الموجة بنسبة 20% عن المعدل الشهري باعتباره يمثل 100%، وقد استخدم العديد من الباحثين(1]) ذلك الأسلوب الإحصائي حيث أن تحديد الموجات الباردة بها لا يعتمد على درجة الحرارة الصغرى فقط؛ وإنما يعتمد على المتوسط اليومي ودرجة الحرارة العظمى أيضا، وذلك لوجود مراكز التسخين المحلية التي تعمل على ارتفاع درجة الحرارة نهارا وانخفاضها ليلا.

وقد قسم شحاتة سيد أحمد (1994) الموجات الباردة إلى ثلاثة أنواع: الأولى معتدلة أقل من المعدل مابين 5-7مْ، الثانية موجات باردة متوسطة أقل من المعدل مابين 8-10مْ، الثالثة موجات باردة أقل من المعدل أكثر من 10مْ.

وبذلك يمكن تعريف الموجات الباردة الأكثر شيوعاً أيضاً بأنها هبوط واضح في درجة حرارة الهواء فوق منطقة كبيرة، أو غزو شديد البرودة لهذه المنطقة ( شحاتة سيد احمد،1994، ص 28-30) وفي الغالب تقترن الموجات الباردة بتقلبات للعناصر المناخية، مثل الأمطار والصقيع أو حدوث بعض الظواهر مثل الرعد والبرق وتساقط البرد .

ويتضح من دراسة الجدول رقم ( 1- 1) والشكل رقم (1-1) الأتي:

- يحتوي شهر يناير 2008 على عدد أيام ممطرة تمثل ثلث أيام الشهر تقريبا ( 9 أيام ) حدث خلاله خمس موجات باردة ممطرة أثرت على منطقة مطروح.

- تترافق الموجات الباردة الممطرة مع أوضاع خاصة للعناصر المناخية في معظم الأحيان، حيث تتباين تلك الأوضاع من موجة ممطرة لأخرى على حسب نوع الجبهات والأحوال الإقليمية السائدة حينها.

- ترتفع درجة الحرارة غالبا خلال فترات أو أيام سقوط المطر ويرجع ذلك إلى طبقة السحب التي تحجب معظم الإشعاع الأرضي من الارتداد انطلاق جزء من حرارة التربة أو السطح الذي تسقط علية الأمطار إلى الجو، وقد تنخفض درجة الحرارة إلى أدنى مستوى لها قبل يوم سقوط الأمطار أي عند مرور الجبهة الباردة.

1]: طاهر الدسوقي، 1978 . نعمان شحادة ،1990.


- كما تتميز فترات سقوط الأمطار بارتفاع كبير للرطوبة النسبية سواء أكانت العظمى أو المتوسط اليومي أو الصغرى.
- ينخفض الضغط الجوي خلال الموجات الباردة الممطرة حيث تتميز بانحدار بارومتري يتناسب مع قوة المنخفض.


جدول (1- 1): تذبذب الخصائص المناخية لشهر يناير 2008م خلال الموجات الباردة الممطرة بمطروح.

2008
(C) درجة الحرارة
الرطوبة (%)
الضغط الجوي(ميلليبار)
الرياح (كم/ ساعة)
يناير
العظمى
المتوسط
الصغرى
العظمى
المتوسط
الصغرى
العظمى
المتوسط
الصغرى
العظمى
المتوسط
1
17
12
7
93
68
45
1014
1014
1012
23
13
2
18
13
7
88
70
49
1017
1014
1014
29
29
3
17
13
10
88
73
55
1023
1019
1017
23
14
4
18
14
10
88
70
56
1026
1023
1021
29
23
5
17
14
10
88
69
55
1029
1027
1026
24
5
6
16
14
11
77
63
55
1029
1028
1026
19
16
7
17
13
8
87
73
59
1027
1025
1022
23
6
8
17
14
11
94
76
56
1022
1022
1020
19
13
9
16
14
12
100
90
77
1020
1020
1017
16
10
10
17
15
12
100
78
59
1021
1017
1017
32
13
11
16
14
12
77
66
55
1024
1022
1022
24
24
12
15
12
10
94
83
63
1025
1024
1023
19
10
13
15
12
10
94
81
55
1026
1025
1024
14
8
14
16
13
10
88
63
48
1028
1026
1026
24
8
15
16
11
6
87
72
52
1029
1027
1025
16
5
16
16
12
8
94
78
59
1028
1026
1024
14
3
17
18
12
6
94
79
56
1025
1024
1021
23
2
18
17
13
10
88
77
59
1022
1020
1017
26
8
19
17
12
6
93
73
56
1019
1018
1017
13
3
20
17
13
10
100
66
45
1021
1019
1019
24
5
21
16
13
10
88
71
52
1021
1021
1018
26
10
22
16
13
10
100
79
59
1019
1017
1015
24
13
23
18
14
10
94
76
56
1016
1016
1015
27
13
24
20
15
10
94
71
40
1020
1017
1017
19
14
25
13
12
10
94
86
77
1020
1019
1017
26
8
26
15
13
11
82
68
59
1020
1017
1017
35
32
27
17
14
10
88
63
42
1022
1020
1020
27
27
28
16
13
10
94
74
52
1021
1014
1010
55
27
29
12
11
8
88
64
44
1020
1015
1011
71
45
30
13
11
8
66
55
44
1026
1022
1020
60
48
31
15
12
10
72
59
48
1027
1026
1025
37
29
ٍSource: [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]

شكل ( 1-1): تذبذب الخصائص المناخية لشهر يناير 2008 م خلال موجات الباردة الممطرة.


[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

المصدر: من عمل الباحث اعتمادا على الجدول رقم (1-1).


استخدام بيانات MODIS & TRMM

ـــــــــــــــــــــــــــــــ



1- المستشعرات موديس MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)

تعد المستشعرات موديس ذات أهمية كبيرة لما لها من قدرة على التغطية العالية والمتنوعة حيث تغطي معظم العالم يومياdaily global coverage ، وهى مستشعرات محمولة على قمريين الأول تيرا Terra Platform حيث أطلق في 18 ديسمبر 1999، والثاني أكوا ِAqua Platform حيث أطلق في 4 مايو 2002.



وتقدم تلك المستشعرات بنوعيها بيانات بدرجة وضوح عالية ومتنوعة من حيث حجم الخلايا Pixel Size تبدأ من 1000م ، 500م، 250م، وتعد بذلك الأعلى دقة مقارنة بمستشعرات أقمار نوا المتعددة NOAA (AVHRR, ATOVIS)، غير أن لكل منها أهدافها من حيث التكرار والتغطية المساحية وطريقة المسح ( قطبي أو مداري – رأسي أو مائل).

جدول رقم (1- 2): خصائص بيانات موديس MODIS

عالمي Global
التغطية المكانية Spatial Coverage
250 متر النطاقات ( 1-2)
500 متر النطاقات (3- 7)
1000 متر النطاقات (8- 36)
دقة الوضوح المكاني([1]) Spatial Resolution
تغطي العالم كل يوم أو أثنين، وتتنوع التغطية حسب الاستخدام والدقة المكانية (يوم أو 8 أيام أو 16 يوم).
التغطية الزمنية Temporal Resolution
Source: Data Products Handbook,Volume1,2004,pp 39-43



تتعدد استخدامات مرئيات موديس MODIS Image وتمثل خصائص السحب أحد أهم تلك الاستخدامات من حيث النوع والسمك والحرارة، كما أن التغطية اليومية المتتالية تظهر حركة تلك السحب بوضوح، واستخدمت الدراسة الحالية مرئية فضائية MODIS Composite bands لإظهار حركة السحب بالإضافة إلى النوع والاتجاه، وتم استخدام النطاقات 2،1،3Bands لإظهار الحدود بدقة عالية، كما يتضح من الأشكال (1-4، 1-5،1-6).




[1]) Channels 1 and 2 have 250-m resolution, Channels 3-7 have 500-m resolution,
and the rest have 1-km resolution.


[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

شكل رقم (1-2): التصحيح الهندسي للمرئية الفضائية من نوع موديس MODIS
باستخدام برنامج إنفي Envi4.2


[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

شكل رقم (1-3): تحسين المرئية الفضائية وتطبيق أكثر من فلتر Filter Enhancement

المصدر : من عمل الباحث باستخدام برنامج Envi4,2.


- علاوة على ذلك فإن مرئيات موديس تتميز بتعدد النطاقات Bands والتي تنقسم إلى ثلاثة أنواع Emissive,
Radiance and Reflectance ويصل عددها لنحو 36 نطاق مما يتيح إظهار العديد من الخصائص المناخية كما يوضح جدول رقم (1-3).

- وتحتاج تلك المرئيات للعديد من العملية لكي تصبح جاهزة للتحليل، حيث يجب كل تصحيح هندسي لتلك المرئيات لتوجيه وضبط المرئية كما يوضح شكل رقم (1-2)، حيث تم استخدام برنامج Envi4.2 لما يتميز به من مرونة في التعامل مع معظم المرئيات.
- تحديد النطاقات التي يتم استخدامها تبعا للغرض من التحليل ودرجة الوضوح كما يبين جدول رقم (1-3).
- تتنوع طرق تحسين المرئيات الفضائية ويتوفر في البرنامج عدد من المرشحات (Filters) يتم التنويع فيما بينها للوصول لأوضح ضبط كما يوضح الشكل رقم (1-3) .




جدول (1-3): خصائص واستخدامات المستشعر موديس MODIS


الإشعاع طيفي
Radiance² Spectral

SNR³Required
عرض النطاق الترددى
Bandwidth¹
النطاقات
Bands
Primary Use
الاستخدام الأساسي

21.8
128
620 - 670
1
Land/Cloud/
Aerosols
Boundaries
حدود الأرض/ السحاب/ الايروسولات
24.7
201
841 - 876
2
35.3
243
459 - 479
3
Land/Cloud/
Aerosols
Properties
خصائص الأرض/ السحاب/ الايروسولات
29
228
545 - 565
4
5.4
74
1230 - 1250
5
7.3
275
1628 - 1652
6
1
110
2105 - 2155
7
44.9
880
405 - 420
8
Ocean Color
Phytoplankton
Biogeochemistry

لون مياه المحيط / البلنكتون/ الكيمياء الحيوية
41.9
838
438 - 448
9
32.1
802
483 - 493
10
27.9
754
526 - 536
11
21
750
546 - 556
12
9.5
910
662 - 672
13
8.7
1087
673 - 683
14
10.2
586
743 - 753
15
6.2
516
862 - 877
16
10
167
890 - 920
17
Atmospheric
Water Vapor

بخار الماء بالغلاف الجوي
3.6
57
931 - 941
18
15
250
915 - 965
19
Spectral
Radiance²
Required
NE[delta]T(K)4
Bandwidth¹
Band
Primary Use
الاستخدام الأساسي

0.45 (300K)
0.05
3.660 - 3.840
20
Surface/Cloud
Temperature
درجة حرارة السطح والسحاب
2.38 (335K)
2
3.929 - 3.989
21
0.67 (300K)
0.07
3.929 - 3.989
22
0.79 (300K)
0.07
4.020 - 4.080
23
0.17 (250K)
0.25
4.433 - 4.498
24
Atmospheric
Temperature
درجة حرارة الغلاف الجوي
0.59 (275K)
0.25
4.482 - 4.549
25
6
150(NR)
1.360 - 1.390
26
Cirrus Clouds
السحب الطبقية
1.16 (240K)
0.25
6.535 - 6.895
27
Water Vapor

بخار الماء

2.18 (250K)
0.25
7.175 - 7.475
28
9.58 (300K)
0.05
8.400 - 8.700
29
Cloud Properties
خصائص السحاب
3.69 (250K)
0.25
9.580 - 9.880
30
Ozone
الأوزون
9.55 (300K)
0.05
10.780 - 11.280
31
Surface/Cloud
Temperature
درجة حرارة السطح والسحاب
8.94 (300K)
0.05
11.770 - 12.270
32
4.52 (260K)
0.25
13.185 - 13.485
33
Cloud Top
Altitude
ارتفاع السحب
3.76 (250K)
0.25
13.485 - 13.785
34
3.11 (240K)
0.25
13.785 - 14.085
35
2.08 (220K)
0.35
14.085 - 14.385
36
Source:Data Products Handbook,Volume1,2004,pp39-43,MODIS brochure ,2007,P21

1 Bands 1 to 19 are in nm; Bands 20 to 36 are in µm

2 Spectral Radiance values are (W/m² -µm-sr)

3 SNR = Signal-to-noise ratio

4 NE(delta)T = Noise-equivalent temperature difference

Note: Performance goal is 30-40% better than required

2- استخدام بيانات تي أر أم أم ([1]) The Tropical Rainfall Measuring Mission

(TRMM),

تعد بيانات تي أر أم أم TRMM ذات أهمية كبيرة لكونها توفر حجم كبير من البيانات حيث يتم رصد الأمطار المدارية ما بين خطي عرض 35 شمالا و35 جنوبا، كما يتضح من الجدول رقم ( 1-4)، وبذلك يمكن الاعتماد عليها للدراسات كبيرة المقياسMeso-scale والدراسات الإقليمية Regional، ومن أمثلة تلك الدراسات:

M.Nazrul Islam, Hiroshi Uyeda., 2007, P 264–276.

جدول رقم ( 1- 4): خصائص بيانات تي أر أم أم TRMM 3B42 Ver 6



50° شمالا - 50 ° جنوبا ( عالمي)
التغطية المكانيةSpatial Coverage
0.25 X ° 0.25°
دقة الوضوح المكانيSpatial Resolution
يومي Daily
مدى التغطية الزمنية Temporal Resolution
Source: Data Products Handbook,Volume1,2004,pp 39-43





ويتطلب استخدام بيانات TRMM عدد من الخطوات حتى تكتمل الفائدة من استخدامها في تلك الدراسة حيث تم بناء قواعد بيانات جغرافية Geodatabase وذلك بالاعتماد على بيانات TRMM، لمجموع كمية الأمطار خلال ثلاثة أيام لاستخدامها في العديد من التحليلات الرقمية وباستخدام برنامج ArcGIS 9,2.



أيضا تم استخدام برامج نظم المعلومات الجغرافية والاستشعار من البعد, حيث تم تجهيز البيانات Setting Database وتحويلها Converted إلى امتداد يسهل قراءته في تلك البرامج، وتتناسب مع غرض البحث، وهي كالتالي:



تم الحصول على بيانات TRMM على هيئة بيانات عددية خام على هيئةTxt file ، تم تنظيمها في Database file باستخدام برنامج Microsoft Access :



1- يتم تحويل تلك البيانات إلى خرائط مكانيةGeomaps وفى شكل نقاطVector Points بأبعاد 0.25 X ° 0.25° لتمثل كل نقطة كموضع محطة, مرتبطة بقواعد البيانات المناخية لمجموع كمية الأمطار المستخلصة من بيانات TRMM من خلال استخدام برنامج Arc GIS.





2- استخلاص خطوط الكنتور Extracts contours line(Isoline) من خرائط النقاط السابقة.

3- يتم تحويل الكنتور إلى خرائط مساحيةRaster maps باستخدام برنامج ArcGISلتصبح خرائط سطح متصلة القيمSurface continuous تصلح لإجراء التحليلات الجغرافية مثل الجوار Neighborhood والعمليات الحسابيةRaster calculator .

4- يتم تصنيفها إلى فئات category Classification ليسهل تفسيرها وتحليلهاvisual analysis ، وتمت تلك الخطوة باستخدام برنامج ArcGIS.

5- يصبح لدينا خرائط سطح رقمية لمجموع المطر اليومي Digital surface analysis , وهذه الخرائط تحمل نفس المسقط الجغرافيMap Projection وخلاياها لها نفس المساحة (الطول والعرض) Pixel size.

6-ويصبح لدينا بذلك طبقات Layers vector تمثل كل واحدة منها أحد أيام الموجة الباردة الممطرة؛ وفي النهاية يمكن وضع تلك الطبقات بالإضافة إلى طبقات أخرى مثل طبقات جيومورفولوجية أو جيولوجية أو عمران أو ارض زراعية فوق بعضهم البعض overlay Layer, وإجراء التحليلات المطلوبة.

النتائج والتوصيات:



اتضح من تحليل الموجة الباردة أن يوم 9 يناير أكثر الأيام من حيث كمية الأمطار والتي تراوحت مابين 11- 25 مم في حين10يناير أقل الأيام مطر خلال تلك الموجة. كما اتضح أن أقصى النطاق الغربي من الساحل الشمالي الغربي أكثر المناطق مطرا، حيث أن اتجاه الموجة الباردة من الاتجاه الشمالي الغربي قادمة من شبة جزيرة البلقان. ومن ثم كثافة التساقط تقل بالتحرك باتجاه الشرق والجنوب.



توفر التقنيات الحديثة لنظم المعلومات الجغرافية والاستشعار من البعد إمكانيات هائلة للبحث العلمي وبخاصة في مجال الدراسات المناخية والبيئية، سواء كانت في مرحلة الحصول على البيانات أو تحليل تلك البيانات، وبمميزات ودقة تفوق الوسائل التقليدية.



تتعدد استخدامات مرئيات موديس MODIS Image بتعدد النطاقات الطيفية وتعد خصائص السحب أحد أهم تلك الاستخدامات من حيث الحدود النوع والسمك والحرارة، كما أن التغطية اليومية المتتالية تظهر حركة تلك السحب بوضوح وبدقة عالية.



تعد بيانات تي أر أم أم (TRMM)ذات أهمية كبيرة لتحليل تساقط الأمطار لكونها توفر كم هائل من البيانات الخاصة بالأمطار يمكن الاعتماد عليها للدراسات كبيرة المقياسMeso-scale والدراسات الإقليمية Regional ، والمحلية Local وبدقة عالية وبتكرار يومي.


[1]) تعد TRMM أول قمر صناعي أطلق لقياس التساقط بأنواعه المختلفة، وهو نتاج تعاون بحثي بين الولايات المتحدة (NASA) واليابان National Space Development Agency (NASDA) ، حيث أن موضوعها الأساسي هو تقدير رأسي لصافي الحرارة المنطلقة من تكاثف بخار الماء في الغلاف الجوي Condensation of water vapor in atmosphere وبخاصة منطقة التجمع بين المدارية Inter tropical convergence
zone (ITCZ)


شكل(1- 4): تأثر الساحل الشمالي الغربي بموجة باردة ممطرة يوم 8 يناير 2008م.



[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

مرئية فضائية باستخدام المستشعر موديسModis يوم 8 يناير 2008.


[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

المصدر : من عمل الباحث اعتمادا على بيانات TRMM باستخدام برنامج ِARCGIS.


[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]