Hydrological study of evapotranspiration types (ETo, ETa, MODIS ET) for Peloponnese (Greece) during 2016-2019, employing remote-sensed and meteorological stations’ data in GIS models, and pan evaporation measurements.

Abstract

The present dissertation develops 14 GIS models, of which 10 models to implement six empirical and physical-based methods for the estimation of Reference Evapotranspiration (ETo) and Actual Evapotranspiration (ETa) and 4 models implementing statistical measures. Specifically, FAO-56 Penman–Monteith (FAO PM), Hargreaves–Samani (HS) and Hansen, with the former used as a reference, were the methods selected for ETo estimation and Turc, Turc modified and Coutagne were the methods selected for ETa estimation. The study area is Peloponnese, Greece, a suitable Mediterranean testbed with substantial changes of relief over short distances. The study period is years 2016-2019 which constitute four out of the five warmest years since pre-industrial era.For the same period, pan evaporation (Epan) measurements in daily step of two Class-A pan stations in Peloponnese (Patras University at the northmost edge and Ladonas lake at the central part) with different environmental conditions were collected and intercomparisons were made.Moreover, 304 MODIS products have been processed and used in the research.Specifically, 200 images of a global remote-sensed product which estimates actual ET, MODIS net ET (184 images), and MODIS potential ET (ETp; 16 images) were derived (as 8-day composites) and processed for different time scales to detect similarities and differences with the aforementioned ET types. In addition, 104 MODIS LST day and night products have served as inputs to models, in particular, 96 monthly scale and 8 annual scale.Besides the intercomparisons of ET types for an interesting testbed, another novelty of the dissertation is that all the six applied methods and the three most reliable statistical indices for ET studies were implemented after developing GIS models in ArcMap model builder environment and as python scripts. The models of empirical methods include all the stages of pre-procession and the intermediate steps and the inputs are images in raster format. Thus, the output (ETo or ETa) is a useful map for the study area. For the statistical analyses three models implementing statistical indices (RMSD, MB, NMB). Specifically, approximately the same pattern was followed for ETo and ETa investigation. For the first parameter, to investigate the variability in the daily mean reference evapotranspiration (ETo) for the months December and August during 2016–2019, as representative winter and summer months according to availability and qualitative criteria of the data. Furthermore, to investigate the agreement between the three methods’ ETo estimates, and then to examine the former along with MODIS ET (daily) averaged products and daily Epan values. For the second case annual ETa estimates by the three empirical methods were examined along with annual MODIS ET and annual Epan values.The inputs of the models were ground-based and remote-sensed data. Meteorological data from sixty-two stations (over or adjacent to Peloponnese) under the National Observatory of Athens (NOA), MODIS Terra LST day and night products, and MODIS net ET products (8-day composites) have been employed. The parameter differentiating FAO PM from the temperature-based Hansen and Hargreaves-Samani methods was wind speed. The method depicts interactions among climate parameters (T, evaporative demand and water availability) in the frame of climate change. The years 2016–2019 are four of the warmest since the preindustrial era. Hargreaves–Samani’s estimations for the month December of 2016–2019 were almost identical to MODIS ET, despite their different physical meaning. As expected, for month August, there were considerable discrepancies between the three methods’ and MODIS’s estimates, attributed to the higher evaporative demand in the summertime. Thus H-S could serve as an alternative to MODIS ET for month December of years 2016-2019 for Peloponnese. The latter needs further investigation to find out if this is the case for other winter months.Turc method’s outcomes resemble MODIS ET ranges for all years, followed by Coutagne. Estimates by Turc modified, were almost identical to those of MODIS ET. Moreover, unpaired Student T-test has been performed between each empirical method and MODIS ET which verified that the outcomes were statistically significant (p ≤ 0.05) and exhibited low effect size according to Cohen’s D value (< 0,24). Therefore, Turc modified could be used as an alternative to MODIS ET for Peloponnese for years 2016-2019. Their discrepancies are attributed to the uncertainty which MODIS ET involves as a global product. The GIS models were proved accurate, reliable, time-saving, and they are adjustable to any study area. Moreover, Epan for Patras University station (semi-urban, low-elevation) exhibits an upward trend which resembles FAO PM trend through study-years and the same pan coefficients were determined for both December and August of each year which is an indication of consistency that needs further investigation. In contrast, Epan of Ladonas station (lakeside, higher elevation) is more complex. Therefore, pan coefficients based on FAO PM substantially vary and require investigation on monthly time scale. Additionally, the gradual decrease in days of Ladonas pan-water icing could imply undergoing decrease in snowpack-storage retention over the mountains of Peloponnese.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκαν 14 μοντέλα GIS τα οποία υλοποιούν έξι παγκοσμίως καθιερωμένες μεθόδους της διεθνούς βιβλιογραφίας για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETo) και της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) και τρία στατιστικά μέτρα. Συγκεκριμένα, 4 μοντέλα υλοποιούν τρεις μεθόδους για την εκτίμηση της ETo, ήτοι FAO Penman-Monteith (FAO PM), Hansen και Hargreaves-Samani (HS) με την πρώτη να χρησιμοποιείται ως μέθοδος αναφοράς και 6 μοντέλα υλοποιούν τρεις μεθόδους για την εκτίμηση της ETa, ήτοι Turc, Coutagne και τροποποιημένη Turc (Turc modified). Την περιοχή μελέτης αποτελεί η Πελοπόννησος στην Ελλάδα, μία κατάλληλη περιοχή για μελέτη τύπων εξατμισοδιαπνοής, λόγω των σημαντικών μεταβολών που εμφανίζονται στο ανάγλυφο σε μικρές αποστάσεις. Η περίοδος μελέτης είναι τέσσερα έτη, 2016-2019, τα οποία αποτελούν τέσσερα από τα πέντε θερμότερα έτη από την προβιομηχανική εποχή σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Μετεωρολογίας. Η μελέτη περιλαμβάνει επίσης την πραγματοποίηση και συλλογή μετρήσεων εξάτμισης από εξατμισήμετρο τύπου Α (Epan) σε δύο σταθμούς στην Πελοπόννησο, ήτοι στο Πανεπιστήμιο της Πάτρας το οποίο βρίσκεται στο βορειότερο σημείο της Πελοποννήσου (ημιαστικό περιβάλλον σε χαμηλό υψόμετρο πλησίον της θάλασσας) και στη λίμνη του Λάδωνα στο κεντρικό τμήμα της Πελοποννήσου (υψόμετρο 428 m, περιτριγυρισμένο από σκληρόφυλλη αραιή βλάστηση). Πρόκειται για περιοχές με διαφορετικό ανάγλυφο, χρήση γης και περιβαλλοντικές συνθήκες. Επιπλέον 304 δορυφορικές εικόνες αντλήθηκαν και επεξεργάστηκαν στη διατριβή, από τις οποίες 184 αφορούν προϊόντα MODIS net ET, και 16 προϊόντα MODIS PET (ETp), παγκόσμια προϊόντα τηλεπισκόπησης που αποτελούν εκτιμητή της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής αντίστοιχα, και 104 δορυφορικές εικόνες που αφορούν τη θερμοκρασία της επιφάνειας του εδάφους. Η τελευταία βάσει της βιβλιογραφίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη θέση της θερμοκρασίας του αέρα. Η επεξεργασία των δεδομένων MODIS ET έγινε για διαφορετικές χρονικές κλίμακες (ετήσια για τα έτη 2016-2019 και μέση ημερήσια για τους μήνες Δεκέμβριο και Αύγουστο της περιόδου μελέτης) και μελετήθηκαν σε αντιπαραβολή με τις εκτιμήσεις των εμπειρικών μεθόδων ώστε να εντοπιστούν ομοιότητες και διαφορές με τους προαναφερόμενους τύπους ΕΤ. Αντίστοιχες αντιπαραβολές έγιναν για τα δεδομένα εξάτμισης, στους δύο σταθμούς. Εκτός από την μεθοδολογική πρωτοτυπία με την μελέτη από κοινού διαφορετικών τύπων ΕΤ σε κατάλληλη περιοχή στην οποία δεν έχει γίνει στοχευμένη μελέτη ΕΤ, μία επιπλέον καινοτομία της διατριβής είναι ότι τόσο οι έξι μέθοδοι όσο και τα τρία στατιστικά μέτρα που χρησιμοποιήθηκαν αναπτύχθηκαν ως μοντέλα GIS σε περιβάλλον model Builder (ArcMap 10.6) καθώς και ως προγράμματα κώδικα σε γλώσσα Python. Tα μοντέλα των εμπειρικών μεθόδων περιλαμβάνουν εκτός από την τελική εξίσωση και όλα τα στάδια προ-επεξεργασίας των δεδομένων, καθώς και ενδιάμεσα απαιτούμενα βήματα, ενώ λαμβάνουν ως εισόδους εικόνες τύπου raster (και ορισμένες τύπου feature). Tο προϊόν τους είναι επίσης μία κατανομή του εκτιμώμενου τύπου ΕΤ στην περιοχή μελέτης. Το γεγονός αυτό έναντι παραγόμενων σημειακών αριθμητικών εκτιμήσεων ΕΤ είναι πλεονεκτικό: αξιοποιεί τη χωρική συνέχεια και δεν χρειάζεται μετέπειτα εφαρμογή μεθόδου παρεμβολής. Για τις στατιστικές αναλύσεις υλοποιήθηκαν σε μοντέλα GIS τα μέτρα Root Mean Square Difference (RMSD), Mean Bias (MB) και Normalized Mean Bias (NMB) που κρίνονται βάσει της βιβλιογραφίας τα πιο αξιόπιστα για μελέτες ΕΤ και υδρολογικές μελέτες εν γένει. Η ακρίβεια και η αξιοπιστία τους ελέγχθηκε με χρήση σε αντιπαραβολή του στατιστικού πακέτου SPSS 25 (2017).Μεθοδολογικά παρόμοιος σχεδιασμός ακολουθήθηκε για τη διερεύνηση τόσο της ETo όσο και της ETa. Στην πρώτη περίπτωση διερευνήθηκε η μεταβλητότητα που παρουσιάζουν οι μέσες ημερήσιες τιμές ΕΤο για τους μήνες Δεκέμβριο και Αύγουστο των ετών 2016-2019 (8 μήνες), ως χαρακτηριστικοί μήνες της χειμερινής και θερινής περιόδου αντίστοιχα, που επιλέχθηκαν έναντι άλλων μηνών βάση της διαθεσιμότητας και ποιοτικών κριτηρίων των δεδομένων. Επιπλέον, μελετήθηκε η συμφωνία στις εκτιμήσεις μεταξύ των τριών μεθόδων ΕΤο, εξετάσθηκαν οι μέσες ημερήσιες τιμές MODIS ET καθώς και ημερήσιες τιμές Epan. Αντιστοίχως στην περίπτωση της ETa, οι ετήσιες εκτιμώμενες τιμές των τριών εμπειρικών μεθόδων συγκρίθηκαν στατιστικά μεταξύ τους, καθώς επίσης και με τις ετήσιες τιμές MODIS ET, ενώ εξετάστηκαν και οι αντίστοιχες τιμές της ετήσιας Epan για τους δύο σταθμούς. Οι είσοδοι των μοντέλων ήταν μετεωρολογικά δεδομένα και δεδομένα τηλεπισκόπησης. Τα μετεωρολογικά δεδομένα αντλήθηκαν από 62 σταθμούς για την Πελοπόννησο οι οποίοι ανήκουν στο Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών. Τα δεδομένα τηλεπισκόπησης (MODIS TERRA LST και MODIS ET) επεξηγούνται ανωτέρω.Η παράμετρος η οποία βρέθηκε ότι διαφοροποιεί σημαντικά τις κατανομές της FAO PM σε σχέση με τις άλλες δύο μεθόδους (Hansen και HS) οι οποίες στηρίζονται στη θερμοκρασία ήταν η ταχύτητα του ανέμου. Η FAO PM αντικατοπτρίζει τις σύνθετες αλληλεπιδράσεις μεταξύ κλιματικών παραμέτρων (θερμοκρασία, διαθεσιμότητα νερού, η ζήτηση της ατμόσφαιρας σε νερό εξάτμισης) στο πλαίσιο της κλιματικής αλλαγής. Οι εκτιμήσεις της HS για τον Δεκέμβριο των ετών 2016-2019 ήταν σχεδόν πανομοιότυπες με τις τιμές MODIS, παρά την διαφορετική φυσική σημασία των μεγεθών. Ωστόσο, όπως αναμενόταν για τον μήνα Αύγουστο των τεσσάρων ετών βρέθηκαν σημαντικές διαφοροποιήσεις μεταξύ των τριών μεθόδων και των τιμών MODIS, που αποδίδονται στην υψηλότερη ζήτηση της ατμόσφαιρας για νερό εξάτμισης τη θερινή περίοδο. Συνεπώς η μέθοδος HS μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτική της MODIS για τον Δεκέμβριο των ετών 2016-2019 στην Πελοπόννησο (π.χ. σε σχετικές εξισώσεις που περιλαμβάνουν ως είσοδο MODIS ET ή σε σχετικές μελέτες). Το παραπάνω συμπέρασμα αποτελεί μία ένδειξη η οποία χρήζει περαιτέρω διερεύνησης για να διαπιστωθεί εάν συμβαίνει το ίδιο και για άλλους χειμερινούς μήνες. Τα αποτελέσματα της μεθόδου Turc προσομοιάζουν σε εύρος τιμών τις τιμές MODIS για όλα τα υπό μελέτη έτη και ακολουθεί η Coutagne. Οι εκτιμήσεις της τροποποιημένης Turc είναι σχεδόν πανομοιότυπες με τις ετήσιες τιμές MODIS ΕΤ, γεγονός που επιβεβαιώνεται από την εφαρμογή Student T-test ανεξαρτήτων δειγμάτων μεταξύ καθεμιάς από τις εμπειρικές μεθόδους και της MODIS ET για όλα τα έτη, ενώ τα αποτελέσματα είναι στατιστικά σημαντικά (p ≤ 0,05) και παρουσιάζουν πολύ ασθενή επίδραση μεγέθους βάσει της τιμής του δείκτη Cohen's D (< 0,24). Συνεπώς, η τροποποιημένη Turc μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτική της MODIS ET για την Πελοπόννησο για τα έτη 2016-2017. Μερικές διαφοροποιήσεις μεταξύ τους μπορούν να αποδοθούν στην αβεβαιότητα που εμφανίζουν τα δεδομένα MODIS ως παγκόσμια τηλεσκοπικά προϊόντα. Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν στο GIS αποδείχθηκαν ακριβή και αξιόπιστα. Προσφέρουν σημαντική εξοικονόμηση χρόνου ενώ είναι εφαρμόσιμα σε οποιαδήποτε περιοχή μελέτης. Επιπλέον, οι τιμές Epan για τον σταθμό του Πανεπιστημίου Πατρών (ημιαστικός, χαμηλού υψομέτρου) εμφανίζει μία αυξανόμενη τάση για τον Δεκέμβριο και τον Αύγουστο της περιόδου μελέτης που προσομοιάζει στην τάση της FAO PM. Επιπλέον οι συντελεστές εξάτμισης που υπολογίστηκαν βάσει της μεθόδους αναφοράς βρέθηκαν να είναι ίδιοι για τους δύο μήνες κάθε έτους. Το εξαγόμενο αυτό αποτελεί μία ένδειξη συνέπειας στις τιμές εξάτμισης η οποία χρήζει περαιτέρω διερεύνησης για άντληση πιθανών μοτίβων. Αντιθέτως, η εξάτμιση από τον σταθμό του Λάδωνα (παραλίμνιος, υψηλότερου υψομέτρου – 428 m) παρόλο που εμφανίζει γραφικά ίδια σειρά μεγέθους Epan με αυτή του Πανεπιστημίου Πατρών (δηλ. υψηλότερη εν γένει εξάτμιση το 2016 ακολουθεί το 2017 και), εμφανίζει υψηλότερης διακύμανσης τάσεις και οι συντελεστές εξάτμισης με βάση την FAO PM κυμαίνονται σε πολύ διαφορετικά επίπεδα, χωρίς να ανιχνεύεται κάποιο μοτίβο. Μία επιπρόσθετη παρατήρηση που προέκυψε κατά τη μελέτη υπήρξε η βαθμιαία σημαντική τάση μείωσης του αριθμού των ημερών στις οποίες το νερό του εξατμισήμετρου στο σταθμό του Λάδωνα ήταν σε στερεά μορφή πάγου (από 20 ημέρες το 2016 σε 0 ημέρες το 2019). Ένδειξη η οποία πιθανώς προοικονομεί την τάση μείωσης της διατήρησης των στρωμάτων πάγου στα βουνά της Πελοποννήσου, γεγονός που σχετίζεται άμεσα με την κλιματική αλλαγή κι επιφέρει δυσμενείς κοινωνικο-οικονομικές επιπτώσεις (πλημμυρικά φαινόμενα, μείωση της τροφοδοσίας των υδροφορέων κ.α.).