Posouzení vhodnosti měřící techniky a využití dat pro pozemní kalibraci dat dálkového průzkumu Země The evaluation of convenience of measurement apparatures and the usage of data for remote sensing Jakub Brom, Lukáš Šmahel Laboratoř aplikované ekologie, Zemědělská fakulta, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Studentská 13, 370 05 České Budějovice jakub.brom@centrum.cz Abstract/Souhrn We would like to know something about character of ground monitoring for remote sensing analysis of Temelin power plant influence on temperature-humidity parametres. We have done the comparison of air temperature, relative humidity, wind direction and velocity measurement by different apparatures (standard meterological box, Davis and Meteoservis automatic stations). We also estimated temperature and air humidity heterogenity of three typical habitats. The differences in measured temperature between the stations was not so large, the differences in air humidity were a bit larger. The differences in measured air direction were small, but the measured air velocity were quite different. The highest temperature heterogenity was observed in small cutted grass, the lowest one in reed community. The highest humidity heterogenity was observed in high not-cutted grass, the lowest one in reed community, too. We can say that tested own apparatures are possible to use for ground calibration of remote sensing data. Keywords/klíčová slova: temperature, relative humidity, wind velocity, wind direction, micrometeorological habitats heterogenity. Úvod Vliv JETE na teplotně-vlhkostní charakteristiky krajinného pokryvu je posuzován pomocí dálkového průzkumu Země, pro který je nezbytné získávat a využívat data z pozemního monitoringu. Abychom získali představu o jejich charakteru, provedli jsme srovnávací měření průběhu teplot, relativních vlhkostí vzduchu a rychlosti a směru větru. Pro tato srovnávací měření byly využity tři meteorologické stanice. Další částí této studie bylo porovnání teplotní a vlhkostní heterogenity tří vybraných biotopů. Materiál a metody Měření klimatologických charakteristik byla prováděna na terénní stanici Vomáčka Zemědělské fakulty Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích asi 2 km západně od Zlivi. Pro srovnávací měření teplot, relativních vlhkostí a rychlosti a směru větru byly využity tři meteorologické stanice umístěné na stejném stanovišti. Automatický systém pro sběr meteorologických dat Meteoservis v. o. s. Vodňany, zapůjčená od ENKI o. p. s. Třeboň pro období 18. 7. 2004 až 29. 7. 2004 s čidly HMP 45D Vaisala opatřené radiačním krytem pro snímání teploty a relativních vlhkostí v intervalu 15 min, umístěné 2 m nad půdním povrchem a snímačem pro měření rychlosti a směru větru W2 TM Praha.
Standardní meteorologická budka osazená termohygrografem THG 874 M s bimetalovým teploměrem a vlasovým vlhkoměrem, se zápisem časového průběhu změn teploty a relativní vlhkosti a automatickým teplotním záznamníkem L0141 Comet System s čidlem Pt 1000 pro záznam teploty v pětiminutovém intervalu. Čidla byla umístěna ve 2 metrech nad půdním povrchem. Stanice je na stanovišti umístěna trvale od 23. 6. 2004. Meteorologická stanice Davis Vantage Pro. (USA) s automatickým záznamem rychlosti a směru větru, teploty a relativních vlhkostí. Teplotně-vlhkostní čidlo je opatřeno radiačním krytem. Stanice je zde umístěna trvale od 4. 6. 2004. Srovnávací měření relativní vlhkosti byla doplněna měřením pomocí Assmannova aspiračního psychrometru, který byl použit jako standard měření relativní vlhkosti, vzhledem k nejvyšší deklarované přesnosti, a Elektronického psychrometru v průběhu 22. až 23. 7. 2004. Oba přístroje byly zapůjčeny od BÚ AV ČR v Třeboni. S ohledem na různý charakter získávaných dat o směru větru bylo použito 16 tříd pro hodnocení relativní četnosti směru větru. Pro hodnocení vlivu JETE na změnu teplotně-vlhkostních parametrů krajinného pokryvu je využíván dálkový průzkum Země. Pro kalibraci družicových dat jsou prováděna pozemní měření teplot. Abychom si vytvořili představu o charakteru získávaných bodových teplotních záznamů, sledovali jsme teplotní heterogenitu půdního pokryvu na třech vybraných biotopech, charakterizující nejčastěji zastoupené typy bezlesí pokosená vlhčí louka s kulturním druhově chudým porostem, nepokosený druhově bohatší luční porost s malým podílem ruderálních druhů a rákosina. V těchto biotopech byly měřeny hodnoty aktuálních teplot a relativních vlhkostí pomocí staničních rtuťových teploměrů, čtyřvstupových automatických teplotních záznamníků L0141 Comet System s čidly Pt 1000 a dvouvstupových automatických teplotně-vlhkostních záznamníků R3121 Comet System s čidlem T+RH se sintrovanou bronzovou krytkou. V každém biotopu byla zvolena vždy 4 měřící místa, a sice 1 m na sever, na západ, na východ a na jih od centrálního bodu. Kromě bodových měření bylo užito plošné měření heterogenity vybraných biotopů pomocí termokamery TermaCAM TM PM695 (Flir System, Švédsko) zapůjčené od ENKI o. p. s. Třeboň. Výsledky a diskuse Pro dlouhodobé sledování změny klimatických teplotně vlhkostních charakteristik krajinného pokryvu vlivem činnosti JETE byla na referenční ploše terénní stanice Vomáčka Zemědělské fakulty Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích instalována meteorologická stanice Davis. Z naměřených údajů zde uvádíme průměrné hodnoty teploty a relativní vlhkosti ve 2 m za měsíc červen (měřeno od 4. 6. 2004) a červenec jako základní ukazatele klimatické charakteristiky sledovaného stanoviště (Tab. 1). Vzhledem k výpadku dat nejsou uvedeny průměrné hodnoty za měsíc srpen. Dále je uveden graf relativních četností směru větru za období 4. 6. 2004 až 14. 9. 2004 ve formě 16-ti směrové větrné růžice (Graf 1). Tabulka 1 Průměrné hodnoty teploty a relativní vlhkosti. Table 1 Average means of temperature and relative humidity. Průměrná teplota [ C] Průměrná relativní vlhkost [%] Červen 15,9 75,5 Červenec 17,3 74,7
Graf 1 Relativní četnosti směru větru. Graph 1 Relative frequency of wind direction. Jednou z významných částí meteorologických měření je měření průběhu teplot a relativních vlhkostí vzduchu. Pro zajištění korektnosti získávaných dat byly srovnávány tři meteorologické stanice z hlediska měření průběhu teplot, relativních vlhkostí, doplněných psychrometrickým měřením vlhkosti a v případě dvou stanic z hlediska směru a rychlosti větru. Porovnání teplotních průběhů bylo provedeno na základě vyhodnocení základních statistických charakteristik, tedy směrodatné odchylky rozdílu získaných hodnot a průměrného rozdílu získaných hodnot, vždy ze dvou stanic. Tabulka 2 Porovnání zaznamenaných teplotních průběhů. Table 2 The comparison of recorded temperature rate. Rozdíl hodnot Průměr rozdílu [ C] Směrodatná odchylka Období měření rozdílu [ C] Záznamník ve stand. 0,75 0,97 18. 7. 20. 7. 2004 met. budce-meteoservis Záznamník ve stand. 0,16 0,22 23. 6. 20. 7. 2004 met. budce-davis Meteoservis-Davis 0,76-0,18 18. 7. 29. 7. 2004 Z tabulky 2 je patrné, že se získané hodnoty značně liší. Vysoké hodnoty směrodatné odchylky a průměru rozdílu hodnot mezi automatickým záznamníkem teplot v standardní met. budce a stanicí Meteoservis zřejmě vycházejí z toho, že časová řada srovnávaných dat je příliš krátká ve srovnání s časovou řadou porovnání mezi údaji z met. budky a stanicí Davis. Tato skutečnost je patrně dána i jinou metodou záznamu teplot. Vysoká hodnota průměru rozdílu hodnot teplot naměřených stanicemi Meteoservis a Davis ve srovnání s nízkou směrodatnou odchylkou rozdílu značí jistý posun v naměřených hodnotách. Srovnávání průběhu relativních vlhkostí bylo doplněno ještě o psychrometrické měření elektronickým psychrometrem a Assmannovým aspiračním psychrometrem, který byl pro tuto práci použit za standard měření relativní vlhkosti. Měřeno bylo v průběhu 22. a 23. 7. 2004.
Tabulka 3 Porovnání zaznamenaných průběhů relativní vlhkosti během 22. a 23. 7. 2004. Jako standard byl brán Assmannův aspirační psychrometr. Table 3 The comparison of recorded relative humidity rate during July, 22nd and 23rd, 2004. The Assmann aspirated psychrometer was used as a standard. Průměrný rozdíl relativní vlhkosti [%] Směrodatná odchylka rozdílu [%] Assman. psychrometr 0,0 0,0 Davis -2,2 3,3 Termohygrograf -7,1 5,0 Meteoservis -1,0 4,9 Elektr. psychrometr -1,1 4,5 Jak ukazuje tabulka 3, největší odchylku má měření vlhkosti termohygrografem umístěným ve standardní meteorologické budce, kde lze data odečítat s určitým zkreslením jedenkrát za hodinu. Takto získaná data jsou navíc ovlivněna určitým zpožděním vlasového vlhkoměru při měření vlhkosti (graf 2). Stanice Davis při záznamu vlhkosti vykazuje zpoždění odpovědi a ani v ranních hodinách nedosahuje hodnoty 100 % relativní vlhkosti, což přičítáme softwarovému nedostatku. Má ale nejnižší směrodatnou odchylku rozdílu od Assmannova psychrometru. Údaje z elektronického psychrometru a meteostanice firmy Meteoservis jsou svým charakterem velmi podobné. Graf 2 Průběh relativních vlhkostí během 22. a 23. 7. 2004. Graph 2 The relative humidity rate during July, 22nd and 23rd, 2004. 100% Elektr. psychrometr Davis Meteoservis Assmannův psychrometr Meteo. budka 90% 80% 70% 60% 50% 40% 8:55 10:55 12:55 14:55 16:55 18:55 20:55 22:55 0:55 2:55 4:55 6:55 Relativní vlhkost [%] 8:55 10:55 12:55 14:55 Dalšími porovnávanými veličinami byly aktuální rychlost a směr větru ve 2 m. Data byla získána ze stanic Meteoservis a Davis pro období 18. 7. až 29. 7. 2004. Z analýzy dat směru větru bylo zjištěno, že se relativní četnosti od sebe statisticky neliší. Aktuální hodnoty směru větru není možné statisticky porovnat vzhledem k rozdílnému zápisu dat z použitých stanic. Srovnání průběhu aktuální rychlosti větru vykazuje značnou rozdílnost mezi oběma použitými systémy (Graf 3). Data byla porovnána párovým t-testem po logaritmické transformaci dat přirozeným logaritmem. Hodnoty měření se významně lišily na hladině významnosti p<0,05.
Graf 3 Porovnání aktuálních rychlostí větru. Graph 3 The comparison of actual wind velocity. 14 12 10 8 6 4 2 0 18.07.04 19.07.04 20.07.04 20.07.04 21.07.04 22.07.04 Aktuální rychlost větru [m/s] 22.07.04 23.07.04 24.07.04 24.07.04 25.07.04 26.07.04 26.07.04 27.07.04 28.07.04 28.07.04 29.07.04 Davis Meteoservis Lze předpokládat, že rozdíl mezi naměřenými rychlostmi větru je způsoben rozdílnou citlivostí měřících zařízení a popřípadě možným rozdílem v chování vzdušných mas v blízkosti obou stanic. Tabulka 4 zachycuje zjištěné hodnoty heterogenity teplot prostředí třech sledovaných biotopů. Největší heterogenita teplot byla naměřena v nízkém pokoseném trávníku, nejnižší v rákosu. U vlhkosti byla největší heterogenita v nepokosené ploše, nejnižší opět v rákosu. V denním průměru se hodnoty naměřené na jednotlivých místech hodně vyrovnávají, aktuální hodnoty se ale mohou dosti lišit. Tabulka 4 Přehled teplotní heterogenity vybraných biotopů v průběhu 22. a 23. 7. 2004. První číslo udává průměrnou teplotu, druhé směrodatnou odchylku. Table 4 The overview of temperature heterogenity at the selected habitats during July, 22nd and 23rd, 2004. The first number is the temperature mean, the second is standard deviation. Nekosená Kosená Rákos Povrch rákosu Čas Teploměr IR kamera Teploměr IR kamera Teploměr IR kamera IR kamera [ C] [ C] [ C] [ C] [ C] [ C] [ C] 15:00 27,2±0,3 26,4±0,7 31,5±1,2 30,6±1,7 27,1±0,4 27,3±0,5 30,2±0,7 18:00 23,9±1,0 22,9±0,6 26,3±0,6 21,7±0,6 25,4±0,1 20,2±1,0 22,2±0,7 19:00 21,9±0,4 21,5±0,6 24,3±0,6 22,5±0,5 24,1±0,1 23,8±0,6 24,4±0,5 21:00 18,2±0,4 16,6±0,8 18,8±0,6 18,0±0,4 19,7±0,0 19,6±0,4 18,9±0,5 12:00 30,3±2,2 26,8±2,1 36,6±2,6 26,8±2,0 21,8±0,6 20,5±0,8 22,8±0,9 14:00 29,3±0,9 28,1±1,2 35,2±2,0 28,0±1,5 26,3±0,6 26,4±0,9 25,8±0,6 15:00 27,3±1,0 29,8±1,6 36,2±2,1 27,5±1,6 28,5±0,8 27,1±1,3 28,6±1,1 Z analýzy snímků pořízených termokamerou v uvedených biotopech vyplývá, že průměrné teploty zjištěné z jednotlivých snímků jsou srovnatelné s bodovým měřením v terénu,
směrodatné odchylky se částečně liší, což může být dáno rozdílnou metodou měření, kdy termokamerou snímáme radiační teplotu povrchu s rozlišením 320 x 240 bodů a teploměrem provádíme bodová měření. Závěr Představu o charakteru dat získávaných při pozemním monitoringu, využívaných při studiu vlivu JETE na teplotně-vlhkostní parametry, poskytuje srovnávací měření průběhu teplot, relativních vlhkostí vzduchu a rychlosti a směru větru. Další částí této studie bylo porovnání teplotní a vlhkostní heterogenity tří vybraných biotopů. Rozborem teplotních měření se neprokázal významný rozdíl průměrných hodnot, ovšem směrodatné a průměrné odchylky rozdílů získaných hodnot se mezi sebou značně liší, nejlépe spolu korespondují měření ve standardní meteorologické budce se záznamy stanice Davis. Tyto údaje jsou ovšem značně ovlivněny rozdíly v době a délce měření. Pro porovnání relativní vlhkosti vzduchu byla měření doplněna o elektronický a Assmannův aspirační psychrometr, který byl brán jako standard. Největší rozdíl v průběhu relativních vlhkostí se projevil ve srovnání s měřením termohygrografem umístěným ve standardní meteorologické budce, kde je patrné určité zpoždění, nejlepší shoda průběhu hodnot byla se stanicí Meteoservis. Z analýzy směru větru bylo zjištěno, že se relativní četnosti ve zvolených 16 třídách od sebe statisticky neliší. Srovnání průběhu aktuální rychlosti větru vykazuje značnou rozdílnost mezi oběma použitými systémy, statisticky se významně liší. Z hodnocení teplotní a vlhkostní heterogenity testovaných porostů vyplývá, že největší heterogenita teplot byla naměřena v nízkém pokoseném trávníku, nejnižší v rákosu. U vlhkosti byla největší heterogenita v nepokosené ploše, nejnižší opět v rákosu. Doplňující měření pomocí termokamery koresponduje s uvedenými závěry. Celkově lze konstatovat, že použité vlastní přístroje (Davis a záznamníky teplot a vlhkostí Comet) je možné s určitými korekcemi považovat za standard pro pozemní kalibraci dat získaných z dálkového průzkumu. Poděkování Tato studie vznikla s podporou projektů VaV 640/8/03 a MSM 122200003/1 na LAE ZF JU v Českých Budějovicích a katedře ekologie (terénní stanice Vomáčka). Poděkování patří především týmu LAE a ENKI o. p. s.