WAT rozwija nowe metody oceny zagrożeń hydrologicznych

Badacze z Wojskowej Akademii Technicznej – którzy rozwijają techniki monitorowania ekstremalnych zjawisk hydrologicznych, takich jak susze i powodzie – opracowali wielowymiarowy wskaźnik dotkliwości suszy pozwalający precyzyjnie analizować to zjawisko nawet w trudno dostępnych regionach świata.

Fot. Animesh Srivastava przez Canva.com

Nowy wielowymiarowy wskaźnik dotkliwości suszy MDSI (ang. Multivariate Drought Severity Index) powstał dzięki wykorzystaniu zaawansowanych technik geodezyjnych GPS oraz GRACE.

– Systematyczny wzrost temperatury prowadzi do wzrostu intensywności, częstości i czasu trwania zjawisk suchych i mokrych w bezprecedensowym tempie, co ma trwały wpływ na rośliny, ekosystemy, społeczność i ludzi – podkreśla dr inż. Artur Leńczuk z Wydziału Inżynierii Lądowej i Geodezji WAT. – Dlatego w ostatnich latach kluczowym wyzwaniem dla naukowców jest znalezienie alternatywnych technik i metod do monitorowania zasobów wodnych oraz trendów klimatycznych w różnych regionach świata – dodaje.

• Nowoczesne metody monitorowania zasobów wodnych

Informacje te w skali globalnej są już powszechnie uzyskiwane przy użyciu satelitarnych technik geodezyjnych. Oferują one doskonałe rozwiązania do monitorowania zmienności całkowitych zasobów wód kontynentalnych TWs (ang. Total Water Storage). Można to określić bezpośrednio poprzez analizę zmiennego w czasie pola grawitacyjnego Ziemi obserwowanego przez satelity misji Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) lub pośrednio poprzez wiarygodne odzwierciedlenie odkształceń skorupy ziemskiej wynikających z sezonowych i długoterminowych przemieszczeń mas w obrębie hydrosfery lądowej obserwowanych jako zmiana pozycji stacji permanentnych wyposażonych w anteny odbiorcze Globalnego Systemu Pozycjonowania GPS.

Aby ocenić dotkliwość i ryzyko susz wynikających ze zmienności klimatu, wyznacza się wskaźniki klimatyczne lub wskaźniki suszy. Są one zwykle szacowane przy użyciu modeli hydrologicznych, parametrów meteorologicznych lub na podstawie ich kombinacji. Jednak w obu przypadkach właściwości suszy – m.in. intensywność, kategoria i czas trwania – są często niedoszacowane.

– Alternatywę stanowią tutaj dane geodezyjne dostarczane przez techniki GRACE i GPS, dla których magazynowanie wody lub zmiany pozycji stacji spowodowane przez te masy są przeliczane na wskaźniki dotkliwości suszy DSI (ang. Drought Severity Index) z niewielkim opóźnieniem. Właśnie tym zagadnieniem postanowiliśmy się zająć – mówi dr inż. Artur Leńczuk.

• Wyniki obserwacji

W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Progress in Earth and Planetary Science” naukowcy udowadniają, że zastosowanie technik geodezyjnych do analizy suszy jest znaczącym krokiem w kierunku poprawy niezawodności wykrywania zdarzeń ekstremalnych w kontekście badań lokalnych i regionalnych. Badania pokazały, że dla 85% stacji globalnych wskaźniki suszy wyznaczone z osiemnastoletnich obserwacji GPS są silnie czasowo skorelowane z szeroko wykorzystywanymi tradycyjnymi wskaźnikami klimatycznymi jak znormalizowany wskaźniki opadów SPI (ang. Standardized Precipitation Index) czy wskaźnik wilgotności gleby SMI (ang. Soil Moisture Index), w szczególności w centralnych regionach obu Ameryk czy zachodniej Australii.

Obszary o najmniejszych korelacjach występują głównie na średnich szerokościach geograficznych, m.in. w Ameryce Łacińskiej i środkowej części Azji. Zauważono umiarkowane warunki suszy przez 40% analizowanych miesięcy, odnotowując zarazem stan alarmowy na co najmniej 52% stacjach globalnych. Globalne zmiany zasobów wodnych są zdominowane przez dziewięciomiesięczne susze, wykazując około 12 i 14-miesięczny średni czas trwania suszy odpowiednio dla technik GPS i GRACE.


Źródło: Artur Leńczuk

• Badania w dorzeczu Amazonki

Dalej warto podkreślić, że susze możemy podzielić na różne kategorie: meteorologiczne, rolnicze i hydrologiczne. Charakteryzują się one odmiennym tempem rozwoju i czasem ustępowania oraz wykazują różnorodne tempo zmian warunków z powodu zmiennych czynników, w tym nagłych zmian klimatycznych lub wpływów antropogenicznych. Dlatego w kolejnych badaniach opublikowanych w czasopiśmie „Remote Sensing of Environment” naukowcy skupili się na analizie sygnałów krótkoterminowych, czyli krótszych niż 9 miesięcy, dla części dorzecza Amazonki – obszaru o największych zmianach hydrosfery lądowej na całym świecie.

Ze względu na ograniczenia techniczne dostępnych technik geodezyjnych, m.in. niską rozdzielczość przestrzenną danych GRACE lub efekty lokalne i błędy systemu GPS, nie wszystkie zdarzenia hydrometeorologiczne są rejestrowane przez wskaźniki suszy wyznaczone z danych dostarczanych przez tylko jedną technikę. W związku z tym naukowcy przedstawili innowacyjną koncepcję łączenia różnych zbiorów danych w celu uzyskania wiarygodnego wskaźnika suszy.

– W naszej publikacji pokazujemy, że proponowany nowy łączony wielowymiarowy wskaźnik dotkliwości suszy MDSI jest podstawą do wykonania znaczącego kroku w kierunku poprawy oceny z większą wiarygodnością parametrów suszy, takich jak intensywność, częstość, początek, postęp i czas trwania, i może stanowić nie tylko uzupełnienie dla hydrometeorologicznych metod klasycznych, lecz – nawet w regionach, gdzie tego typu klasyczne obserwacje nie są wykonywane – może być jedynym źródłem informacji o suszy – wyjaśnia dr Leńczuk.

W artykule autorzy pokazali silną spójność przestrzenno-czasową krótkoterminowych sygnałów GPS/GRACE z modelem hydrologicznym, przepływem rzeki z lokalnych pomiarów terenowych oraz tradycyjnymi wskaźnikami klimatycznymi i rolniczymi. Dla ponad 50% stacji dorzecza Amazonki proponowany łączony wskaźnik suszy odzwierciedla tyle samo lub nawet więcej zdarzeń hydrometeorologicznych niż poszczególne wskaźniki wyznaczone z danych GPS lub GRACE. Co więcej, proponowany wskaźnik MDSI jest silniej skorelowany z wyraźnymi anomaliami opadów powyżej 400 mm/miesiąc i poniżej 100 mm/miesiąc w trakcie rejestrowanych okresów suszy i powodzi w różnych grupach klimatycznych analizowanego regionu.

• Kierunek przyszłych badań

– Warto zauważyć, że nasze badania podkreślają potencjał oszacowanego wskaźnika MDSI do wykrywania susz rolniczych, które nie są wychwytywane przez tradycyjne wskaźniki, a są rejestrowane przez przepływy wód na stacjach hydrotechnicznych zlokalizowanych w obrębie rzeki Amazonki – mówi naukowiec.

Publikacje pokazują, że obie techniki GPS i GRACE są wrażliwe na rzeczywiste zmiany hydrologiczne, meteorologiczne i rolnicze powodowane przez czynniki klimatyczne i antropogeniczne. Jest w nich też podkreślony potencjał wskaźników dotkliwości suszy wyznaczonych przez pojedyncze dane GPS/GRACE lub ich kombinację do wykrywania każdego rodzaju suszy.

Wyniki badań na temat przydatności technik geodezyjnych do analizy suszy ukazały się w czasopiśmie „Progress in Earth and Planetary Science” w artykule pod tytułem „On the ability to study regional hydrometeorological changes using GPS and GRACE measurements. Progress in Earth and Planetary Science”. Jego współautorami są: dr inż. Artur Leńczuk, dr hab. inż. Anna Kłos, prof. WAT, i prof. dr hab. inż. Janusz Bogusz z Wydziału Inżynierii Lądowej i Geodezji WAT oraz dr Luis Enrique Olivera-Guerra z Université Paris-Saclay.

Wskaźnik dotkliwości suszy MDSI został opisany w czasopiśmie „Remote Sensing of Environment” w artykule „A new Multivariate Drought Severity Index to identify short-term hydrological signals: case study of the Amazon River basin”. Jego współautorami są: dr inż. Artur Leńczuk, dr hab. inż. Anna Kłos, prof. WAT, i prof. dr hab. inż. Janusz Bogusz z Wydziału Inżynierii Lądowej i Geodezji WAT oraz dr Christopher E. Ndehedehe z Griffith University.

Marcin Wrzos, WAT