بخشی از مقاله
ارزيابي روند تغييرات تبخير و تعرق مرجع روزانه در مناطق سرد کشور طي سه دهه گذشته
چکيده
کمبود آب و علاقه روز افزون به ارزيابي پيامدهاي گرمايش جهاني و تغيير اقليم منجر به مطالعات زيادي در آشکار سازي روند پارامترهاي هواشناسي بويژه در مناطق خشک و نيمه خشک گرديده است . تا کنون مطالعات اندکي در خصوص رونديابي پارامتر تبخير و تعرق مرجع (ET0) در دنيا صورت گرفته است . در اين مطالعه روند تبخير وتعرق مرجع با روش فائو پنمن مانتيث (٥٦ -PMF) در ده شهر منتخب از شهرهاي مناطق سرد و خشک و سرد و نيمه خشک مورد مطالعه قرار گرفت . دوره آماري مشاهدات هواشناسي ٣٣ ساله و از سال ١٩٧٤ تا سال ٢٠٠٦ مي باشد. براي اين منظور ٢٥٠ سري زماني و مکاني تبخير و تعرق و پارامترهاي موثر بر آن ، ايجاد شد و روند آنان با آزمون هاي ناپارامتري من -کندال و تخمين گر سن (Sen's Estimator) در سطوح معني داري ٩٥% و ٩٩% مورد بررسي قرار گرفت . دو روش مورد مطالعه به طور کامل نتايج يکديگر را تاييد کردند. طبق نتايج به دست آمده شهرهاي اراک ، اصفهان ، همدان ، خوي ، تهران و تربت حيدريه در مقياس سالانه فاقد روند معني دار در پارامتر ET0 بودند. شهرهايي مانند قزوين و شاهرود داراي روند منفي و معني دار، و شهرهاي اروميه ، تبريز و زنجان داراي روند مثبت معني دار در تبخير و تعرق مرجع سالانه بودند. در مقياس فصلي ٦٠% از شهرهاي مورد مطالعه داراي روند ET0 زمستانه مثبت و معني دار بود. بطور کلي روند خاص و منظمي براي تغييرات ET0 در مناطق مورد مطالعه قابل پيشنهاد نمي باشد. همچنين علت وجود روند يا عدم وجود آن نيز با توجه به ميزان همبستگي هاي معني دار تبخير و تعرق مرجع به پارامترهاي دماي متوسط ، سرعت باد، تابش خالص و کمبود فشار بخار اشباع ، و نوع روند آنان مورد بحث قرار مي گيرد.
واژگان کليدي : روند تبخير و تعرق مرجع ، مدل فائو پنمن مانتيث ، من -کندال ، تخمين گر سن ، اقليم خشک و نيمه خشک
پيشگفتار
طي قرن بيستم متوسط دماي کره زمين حدود ٠.٦ درجه سانتي گراد افزايش يافته است IPCC (٢٠٠١). از اين رو انتظار مي رود ميزان تبخير و به دنبال آن تبخير و تعرق نيز افزايش يابد. تبخير و تعرق در چرخه هيدرولوژيکي نقشي کليدي بر عهده دارد و حلقه اتصال زمين و اتمسفر مي باشد لذا با افزايش گرمايش جهاني تصور بر آن است که سرعت چرخه هيدرولوژيکي افزايش يابد و شاهد بازتوزيع منابع آبي جهان باشيم (١٩٩٥ IPCC)، که به نوبه خود باعث تغيير در ديگر پارامترهاي اقليمي خواهد شد.
(ونگ و همکاران ، ٢٠٠٧ ). يکي از روش هاي متداول جهت تحليل سري هاي زماني پارامترهاي هيدرومتئولوژيکي ، بررسي وجود يا عدم وجود روند در آنها با استفاده از آزمون هاي آماري مي باشد. اصولا وجود روند در سري هاي زماني هيدرومتئولوژيکي ممکن است ناشي از تغييرات تدريجي طبيعي و تغيير اقليم يا اثر فعاليت هاي انساني باشد (بروک و کارثز، ١٩٥٣). محاسبه روند تبخير و تعرق در اثر تغيير اقليم از نظر مديريت درازمدت منابع آب از اهميت بسزايي برخوردار است .
براي يکسان سازي و رفع ابهام موجود در تبخير و تعرق مرجع ، محققان و مختصصان آبياري (مانند آلن و همکاران ، ١٩٩٨) در اواخر دهه ١٩٧٠ تبخير و تعرق مرجع را اينگونه تعريف کردند"تبخير و تعرق از گياه مرجع چمن به ارتفاع ٠.١٢ مترکه داراي مقاومت سطحي ثابت s.m٧٠ و ضريب بازتابش ٠.٢٣ = α است که وسعت آن زياد باشد و در وضعيت محدوديت آبي از نظر مصرف قرار نداشته باشد و فعالانه در رشد باشد".
روش پنمن مانتيث توسط سازمان فائو به عنوان روش استاندارد محاسبه تبخير وتعرق مرجع در هر جايي که داده هاي آب وهوايي موجود باشد ارائه شده است (آلن و همکاران ، ١٩٩٨). تعيين تبخير وتعرق مرجع و بدنبال آن برآورد مقدار نياز آبي گياه مورد نظر يکي از داده هاي اساسي براي طراحي شبکه هاي آبياري و زهکشي و بالا بردن راندمان استفاده از آب مي باشد. با توجه به مطالب ارائه شده محاسبه روند تبخير و تعرق مورد توجه بسياري از محققان قرار گرفته است . تاکنون روش هاي آماري متعددي جهت تحليل روند سري هاي زماني ارائه گرديده است که اين روش ها در دو دسته کلي روش هاي پارامتري و روش هاي ناپارامتري قرار گرفته است . روش هاي ناپارامتري از کاربرد نسبتا وسيع تر و چشم گيرتري نسبت به روش هاي پارامتري برخوردارند (تاکيوچي و همکاران ، ٢٠٠٣). دو آزمون منکندال و Sen's Estimator جزو متداول ترين روش هاي ناپارامتري تحليل روند سري هاي زماني هيدرومتئولوژيکي به شمار مي روند. روش منکندال توسط سازمان هواشناسي جهاني ١ براي تعيين روند در داده هاي سري زماني محيطي معرفي شده است (يو و همکاران ، ٢٠٠٢). مطالعات مختلف انجام شده با استفاده از اين دو روش حاکي از اهميت و کاربرد فراوان آنها در تحليل روند سري هاي زماني مي باشد. براي مثال در ايران حجام و همکاران (١٣٨٧) با استفاده از اين دو روش به تحليل روند تغييرات بارندگي هاي فصلي و سالانه چند ايستگاه منتخب در حوزه مرکزي ايران پرداختند. که نتايج کلي حاکي از عدم وجود روند معني دار منظم در اين مناطق بود.
چادوپادهاي و هالم (١٩٩٧ ,Chattopadhyay and Hulme)، به بررسي روند تبخير از تشت و تبخير و تعرق در هند پرداختند. روند منفي تبخير از تشت کاملا با روند مثبت در رطوبت نسبي مرتبط بود. روند منفي در تبخير و تعرق به روند مثبت در رطوبت نسبي و روند کاهشي در تابش حساس بود. همچنين در مطالعه ديگري که توسط جاجهاريا و همکاران (٢٠٠٩ ,.Jhajharia et. al) در کشور هند، در يازده منطقه انجام شد، کاهش در ميزان تبخير از تشت در اکثر مناطق مشاهده شد. همچنين روند کاهشي در ساعات آفتابي و سرعت باد در اکثر مناطق ، و در چهار منطقه از مناطق مورد مطالعه روند افزايشي در رطوبت نسبي به اثبات رسيد. روش ناپارامتري مورد استفاده براي تعيين روند روش منکندال بود. طبق اين مطالعه دو پارامتر مدت ساعات آفتابي و سرعت باد بيشترين تاثير را در ايجاد روند تبخير از تشت داشته اند.
توماس (٢٠٠٠ ,Thomas) روندهاي گوناگوني را در مقياس زماني و مکاني براي تبخير و تعرق پتانسيل در چين ارائه داد. در تمام مقياس هاي فصلي و سالانه روند تبخير و تعرق پتانسيل منفي بود. اين روند منفي در نواحي جنوبي چين بيشتر به روند منفي ساعات آفتابي حساس بود در حالي که در نواحي شمالي به کاهش در دماي ماکزيمم ، در نواحي شمال شرقي به رطوبت نسبي و در شمال غربي به ميزان سرعت باد حساسيت بيشتري نشان داد.
در شمال شرقي برزيل سري هاي زماني سالانه و فصلي هشت متغير اقليمي شامل دماي ماکزيمم ،دماي مينيمم ،متوسط دما،رطوبت نسبي ، تبخير از تشت کلاس A، تبخير و تعرق پتانسيل ، شاخص هاي خشکي و بارش توسط آزمون منکندال مورد بررسي قرار گرفت . نتايج حاکي از افزايش معني دار در بسياري از اين پارامترها از جمله تبخير و تعرق پتانسيل ، در سطوح اطمينان ٠.٠١و ٠.٠٥ بود. اما بارش و رطوبت نسبي يک روند کاهشي را نشان مي دادند. بيشترين مقدارشيب روند افزايشي در مورد پارامتر تبخير و تعرق پتانسيل در مقياس سالانه mm.year ٠.٠٤٣، و در فصل خشک mm.year ٠٥٣. ٠ با استفاده از روش هاي ناپارامتري برآورد شد (رود ريگوس ، ٢٠٠٤). يو زو و همکارانش (٢٠٠٥ ,.Yu- Zu et.al) نيز به بررسي روند تبخير و تعرق مرجع با روش پنمن مانتيث پرداختند. در اين مطالعه که در ١٥٠ ايستگاه و در دوره آماري ١٩٦٠ تا ٢٠٠٠ انجام شد در کل منطقه تبخير و تعرق مرجع داراي روند منفي معني دار بود. لازم به ذکر است که در اين مطالعه نيز از روش منکندال به عنوان روش ناپارامتري و از روش پارامتري آزمون t براي تعيين معني داري اين روند استفاده شد. دونالد و همکاران ( Donald
٢٠٠٦ ,.et.al) تحقيقي را در ٤٨ ايستگاه کانادا انجام دادند. طبق اين تحقيق سري زماني تبخير با آزمون من -کندال مورد بررسي قرار گرفت . نتايج حاکي از روند کاهشي تبخير در ماههاي ژانويه ، جولاي ، آگوست و اکتبر و روند افزايشي در ماه آوريل بود. بيشترين روندهاي صعودي در مناطق شمالي ، و روندهاي نزولي در مناطق جنوبي به چشم مي خورد. با توجه به نتايج بدست آمده ، سرعت باد بيشترين تاثير را در روند نزولي ، و کمبود فشار بخار اشباع بيشترين تأثير را در روند صعودي داشته است .ونگ و همکاران (٢٠٠٧ ,.Wang et.al) در ساحل رودخانه يانگ تسه تغييرات تبخير از تشت و تبخير و تعرق مرجع را با استفاده از داده هاي هواشناسي ١١٥ ايستگاه و دوره آماري ١٩٦١ تا ٢٠٠٠ مورد بررسي قرار دادند. در اين مطالعه نيز که از روش منکندال براي بررسي معني داري روند استفاده شده بود، تبخير و تعرق و نيز تبخير از تشت در مقياس هاي سالانه و فصلي مورد بررسي قرار گرفت و تاثير پارامترهاي تابش خالص ، سرعت باد، کمبود فشار بخار اشباع و متوسط درجه حرارت بر روي تبخير از تشت و تبخير و تعرق مورد بررسي قرار گرفت . نتايج نشان داد ميزان تبخير از تشت در مقياس فصلي در کل حوضه رودخانه داراي روند منفي معني دار مي باشد. سطوح معني داري در فصل بهار ٩٥% و در بقيه فصول و مقياس سالانه ٩٩%
بود. همچنين تغييرات تبخير و تعرق مرجع در تمامي فصول به جز فصل بهار و مقياس ساليانه داراي روند منفي معني دار در سطح ٩٩% بود. پارامترهاي تابش خالص ، کمبود فشار بخار اشباع و سرعت باد بيشترين تاثير را در ايجاد اين روندها داشتند.
طبق نتايج اين تحقيق ضريب همبستگي بين دماي متوسط و تبخير و تعرق مرجع در مقياس سالانه و در فصل پاييز معني دار نبود.
بنابراين با وجود تغيير اقليم در سراسر جهان و ارتباط آن با تبخير و تعرق ، در اين تحقيق جهت بررسي روند سري هاي زماني تبخير و تعرق و پارامترهاي موثر بر آن از دو آزمون ناپارامتري من کندال و Sen's Estimator استفاده گرديد.
مواد و روش ها
در اين تحقيق ١٠ شهر از شهرهاي مناطق سرد خشک ، سرد نيمه خشک و خنک و خشک انتخاب شد. موقعيت جغرافيايي ، نوع اقليم و طول دوره آماري آنها در جدول يک آورده شده است .
نوع اقليم هر منطقه با استفاده از نتايج پروژه پهنه بندي اقليم کشاورزي با روش يونسکو که توسط غفاري و همکاران که
(١٣٨٤) در موسسه تحقيقات کشاورزي ديم کشور انجام شده بود، مشخص گرديد. اين پهنه بندي در حقيقت به نوعي پهنه بندي اقليم کشاورزي مي باشد که در آن ، بر مبناي سه معيار اصلي رژيم رطوبتي ، تيپ زمستان و تابستان ، ٢٨ پهنه اقليمي در ايران مشخص شده است .
در ابتدا داده هاي هواشناسي از طريق سايت سازمان هواشناسي ايران دريافت شد. اطلاعات هواشناسي شامل دماي ماکزيمم ، دماي مينيمم ، فشار بخار اشباع ، رطوبت نسبي ماکزيمم و مينيمم ، سرعت باد، فشار اتمسفري و مدت واقعي ساعات آفتابي جهت تعيين تابش خالص بود. طول دوره آماري به خاطر فقدان داده هاي ساعات آفتابي از بدو تاسيس ايستگاهها، از سال ١٩٧٤ تا ٢٠٠٦ انتخاب شد. سپس با استفاده از نرم افزار SPSS صحت و همگني داده ها از طريق آزمون Run-test مورد بررسي قرار گرفت . در مرحله بعد با وارد کردن داده ها در محيط نرم افزار اکسل ، عمليات آماده سازي داده ها جهت استفاده در نرم افزار REF-ET به منظور استخراج تبخير و تعرق پتانسيل انجام شد. براي تعيين ضرايب حساسيت تبخير و تعرق به پارامترهاي هواشناسي از آزمون هاي همبستگي و نرم افزار SPSS استفاده شد. به اين منظور پارامترهاي موثر در تبخير و تعرق محاسبه شده با روش پنمن مانتيث (٥٦-PMF) مورد بررسي قرار گرفت . آمار ٣٣ ساله تبخير و تعرق و پارامترهاي موثر بر آن پس از استخراج و آماده سازي ، جهت تعيين معني داري روند و بزرگي آن وارد الگوي مک سنس ١ شد. با توجه به تعداد شهرها و بررسي در مقياس هاي فصلي و سالانه پارامترهاي مورد مطالعه ، در نهايت ٢٥٠ سري زماني و مکاني ايجاد گرديد. در پايان نوع و معني داري روند تبخير و تعرق مرجع در شهرهاي مورد بررسي ، با استفاده از نتايج دو آزمون من -کندال و Sen's Estimator
مورد تحليل قرار گرفت . وجود يا عدم وجود روند نيز با توجه به ضرايب حساسيت و نوع روند پارامترهاي اثرگذار بررسي شد.
يافته ها و بحث
نتايج حاصل از دو آزمون من -کندال و Sen's Estimator مورد بررسي قرار گرفت . کارايي اين دو آزمون در سري زماني هاي مورد بررسي به طور کامل بر هم منطبق بودند. نتايج نشان داد تعداد ايستگاههاي داراي روند معني دار براي پارامترهاي مختلف قابل ملاحظه مي باشد که مي تواند دليلي بر وجود روند درمقياس فصلي و سالانه باشد. پارامترهاي دماي متوسط و تابش خالص در مقياس سالانه در ميان ساير پارامترها بيشترين روند معني داري را به خود اختصاص داده اند. در جدول ٢ روند معني داري ايستگاههاي مختلف به تفکيک روند مثبت معني دار و روند منفي معني دار براي کليه ايستگاههاي مورد مطالعه ارائه شده است .
با توجه به نتايج جدول ٢ همانند دماي متوسط و تابش خالص ، تبخير و تعرق مرجع نيز در ايستگاههاي مورد بررسي بيشتر از روند مثبت معني دار برخورداراست . بيشترين روند افزايشي در تبخير و تعرق مرجع به ترتيب در فصول زمستان ، بهار، پاييز و تابستان مشاهده مي شود. در مقياس سالانه نيز در ٣٠% ايستگاهها روند، مثبت و معني دار مي باشد. دو پارامتر دماي متوسط و
