بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی تبخیر برآورد شده از سطوح آزاد آب با استفاده از الگوریتمهای سنجش از دوری SEBS و SEBAL )منطقه مطالعاتی: دریاچه ارومیه(
چکیده
تبخیر یکی از پارامترهای مهم در مدیریت پیکرههای آبی، تغییرات تراز آب در آنها و محاسبه بیلان آب می باشد که برآورد دقیق آن با مشکلات و پیچیدگی های خاصی روبرو است. با توجه به محدودیت روشهای فیزیکی و تجربی برآورد تبخیر، استفاده از فناوری سنجش از دور به دلیل امکان برآورد مکانی اطلاعات و همچنین حداقل نمودن استفاده از داده های هواشناسی میتواند کاربرد وسیعی در محاسبه تبخیر داشته باشد. الگوریتمهای زیادی برای برآورد تبخیر و تعرق با استفاده از فناوری سنجش از دور توسعه داده شده اند. در مورد استفاده از این الگوریتمها برای برآورد تبخیر از سطوح آزاد آب مطالعاتی هر چند بصورت محدود صورت گرفته، ولی در مورد مقایسه آنها در برآورد تبخیر از سطوح آب تا کنون هیچ مطالعهای صورت نگرفته است. در این مطالعه دو الگوریتم سنجش از دوری SEBS و SEBAL برای برآورد تبخیر ماهانه از سطح دریاچه ارومیه مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفته اند. در الگوریتمهای مذکور تصاویر سنجنده MODIS برای ماه های خرداد ، تیر، مردادو شهریور سال 1388 استفاده گردید. سپس برای ارزیابی الگوریتم ها از داده های تشتک تبخیر ایستگاه هواشناسی ارومیه استفاده شد. نتایج حاکی از دقت قابل قبول هر دو الگوریتم در برآورد تبخیر ماهانه می باشند ولی الگوریتم SEBS علی رغم سادگی روابط و پیاده سازی آن، از دقت بالاتری باRMSD=8/96 نسبت به SEBAL باRMSD= 21/33 برخوردار است.
کلمات کلیدی: تبخیر از سطوح آزاد آب، سنجش از دور، الگوریتمهای SEBS و SEBAL ، سنجنده مودیس
-1 مقدمه
دریاچه ارومیه به عنوان یکی از مهمترین زیستگاههای آبی کشور، به دلیل تغییرات اقلیمی و انسانی و نبود رویکرد مدیریت جامع و به هم پیوسته در حوضه آبریز دریاچه، طی سالهای اخیر تغییرات شدیدی را تجربه نموده است. در حال که طی 50 سال اخیر، تراز متوسط آب این دریاچه در حدود 1275 متر از سطح دریا و مساحت متوسط آن بالغ بر 5300 کیلومتر مربع ثبت گردیده [9] ، ولی هم اکنون تراز آن به کمتر از 1270 متر از سطح دریا و مساحت آن به کمتر از 2000 کیلومتر مربع کاهش یافته که این امر مشکلات زیست- محیطی و نگرانیهایی را در سطح ملی و بینالمللی به همراه داشته است.
تبخیر یکی از اجزای مهم در پایش و مدیریت مخازن آب است که برآورد دقیق آن همواره با عدم قطعیتهای بسیاری روبرو بوده است . تخمین تبخیر بر مبنای روابط فیزیکی و تجربی بسیار متداول است. این روشها بر پایه دادهها هواشناسی هستند که نقصان یا کمبود این دادهها استفاده از این روابط را با محدودیت روبرو کرده است. از طرفی این اطلاعات نقطهای و مربوط به ایستگاههای هواشناسی است و برآورد منطقهای آن با استفاده از روشهای آماری مشکل دیگری است که عدم قطعیت خاص خود را دارد. در چند دهه اخیر مطالعات زیادی در زمینه برآورد تبخیر و تعرق با استفاده از فنآوری سنجش از دور صورت گرفته است [5,11,12] اما در مورد استفاده از فناوری سنجش از دور در برآورد تبخیر از سطوح آزاد آب مطالعات بسیار کمی صورت گرفته و تنها دو الگوریتم SEBAL و SEBS برای برآورد تبخیر از سطوح آزاد آب اصلاح شدهاند. سیستم بیلان انرژی سطح یا همان SEBS برای برآورد شارهای جریان گرما یا همان انرژی و کسر تبخیری توسط [13] Su پیشنهاد شد. او از تصاویر ماهواره ای همراه با اطلاعات هواشناسی برای حل معادله بیلان انرژی استفاده میکند . SEBAL نیز روشی است که بر پایه روابط فیزیکی و تجربی ، میزان تبخیر و تعرق واقعی را با حداقل داده های زمینی برآورد مینماید. این الگوریتم اولین بار توسط Bastiaanssen و همکاران [6] ارائه و دو سال بعد توسط [7] Bastiaanssen مجددا بررسی و به روز رسانی شد. در مورد استفاده از الگوریتم SEBAL در برآورد تبخیر از سطوح آب ، El-Magd و [10] Elham این الگوریتم را با استفاده از تصاویر ماهوارهای NOAA-AVHRR برای برآورد تبخیر ماهانه از دریاچه Nasser در مصر اصلاح نمودند. آنها از 24 تصویر ماهوارهای در سال 2008 استفاده و نتایج حاصل از الگوریتم اصلاح شده را با نتایج معادله Penman-Moteith مقایسه میکنند. نتایج نشان داد که الگوریتم اصلاح شده SEBAL همبستگی بالایی با با معادله Penman-Moteith دارد. در زمینه بکارگیری این الگوریتم در کشور باقری و همکاران (1390) با استفاده از تصاویر سنجنده MODIS و پیاده سازی این روش تبخیر دریاچه ارومیه را برآورد و با مقادیر تشتک تبخیر آب شور مقایسه مینمایند، نتایج همبستگی بالای SEBAL با را با دادههای مشاهداتی تشتک نشان میدهند. در تحقیق دیگری نیز الگوریتم الگوریتم SEBS را برای برآورد تبخیر از دریاچه Mutirikwi در زیمبابوه توسط [8] Chinyepe اصلاح گردید. وی از تصاویر MODIS/Terra برای این مورد استفاده مینماید و تبخیر را بر اساس 10 تصویر برای هر ماه برای یک ماه زمستانی و یک ماه تابستانی در سال 2009 بدست میآورد و نتایج حاصل از SEBS را با تبخیر به دست آمده از تشتک تبخیر مقایسه میکند. نتایج نشان میدهد که میزان تبخیر برآورد شده با SEBS کمی بالاتر از مقادیر تبخیر بدست آمده از تشتک است ولی تفاوت قابل توجهی بین این مقادیر وجود ندارد و می توان SEBS را برای برآورد تبخیر در مقیاس های بزرگ استفاده نمود. همچنین Abdelrady [3] الگوریتم SEBS را برای محاسبه تبخیر از آبهای شور و شیرین اصلاح نمود. ایشان از تصاویر ماهواره AATSR/Envisat استفاده میکند. او ابتدا الگوریتم اصلاح شده برای آبهای شیرین را برای دریاچه Ijsselmeer در هلند به کار برد و نتایج را با مقادیر اندازه گیری های میدانی مقایسه مینماید. همچنین برای محاسبه مولفه های بیلان انرژی و در نهایت بدست آوردن تبخیر از ابزارهای مخصوصی استفاده میکند. برای آبهای شور نیز فاکتور شوری را بر اساس غلظت شوری مورد استفاده قرار میدهد. او الگوریتم خود را نیز برای محاسبه تبخیر از دریاچه های آب شور وشیرین و اقیانوسها درنقاط مختلف جهان به کار میبرد و نتایج را با داده های ECMWF که مرکز پیش بینی های آب و هوای اروپا میباشد، مقایسه مینماید. نتایج تحقیق، همبستگی بالایی را با برای آبهای شیرین و برای آبهای شور نشان میدهند.
هدف مطالعه حاضر اصلاح الگوریتم های سنجش از دوری SEBS و SEBAL در برآورد تبخیر از سطوح آزاد آب و مقایسه و ارزیابی تبخیر ماهانه برآورد شده با استفاده از این الگوریتمها میباشد.
-2 روش تحقیق
-1-2 منطقه مطالعاتی
دریاچه ارومیه بین عرض های جغرافیایی'37°03 و 38°17' شمالی و طول جغرافیایی'44°59 و 45°56' شرقی بین استان های آذربایجان شرقی و آذربایجان غربی در شمال غربی ایران قرار گرفته است. این دریاچه بزرگترین دریاچه داخلی ایران بوده و یکی از دریاچه های فوق شور جهان است . طول دریاچه از 130 تا 146 کیلومتر متغیر بوده و عرض دریاچه در پهن ترین قسمت، 58 کیلومتر و در کم عرض ترین قسمت آن 15 کیلومتر می باشد. مساحت و عمق دریاچه به علت تبخیر شدید و شرایط آب و هوائی در سال اخیر تغییرات زیادی را شاهد بوده است.[2] تغییرات در مساحت و عمق دریاچه به دلیل تغییرات آب و هوایی و به طبع آن تبخیر زیاد و عوامل مدیریتی می باشد.
-2-2 دادههای مورد استفاده
در این مطالعه تصاویر سنجنده MODIS واقع در ماهواره Terra برای ماههای خرداد ، تیر ، مرداد و شهریور سال 1388 از وب سایت سازمان ملی هوانوردی و فضایی آمریکا یا همان NASA تهیه و پردازش شد. برای محاسبات تبخیر در این مطالعه باندهای 1تا7 و 31 و 32 سنجنده MODIS مورد استفاده قرار گرفت. برای هر ماه به طور میانگین شش تصویر با توجه به ابری بودن برخی تصاویر و عدم امکان استفاده از آنها مورد استفاده قرار گرفت. برای اجرای الگوریتمهای SEBAL و SEBS برخی پارامترهای هواشناسی از جمله دمای هوا ، سرعت باد ، دمای نقطه شبنم مورد نیاز است که اطلاعات ایستگاههای سینوپتیک ارومیه ، سلماس ، تبریز و سهند بدین منظور جمع آوری گردید. علت انتخاب این ایستگاه ها در اولویت اول فاصله از دریاچه و سپس قدمت و صحت اطلاعات موجود بود. هریک از پارامترهای هواشناسی مورد نیاز برای هر یک از روزها با استفاده از روش کریجینگ برای دریاچه درونیابی شد و مقدار متوسط دریاچه برای محاسبات مورد استقاده قرار گرفت. به منظور ارزیابی نتایج تبخیر، قسمتی از منطقه شمالی دریاچه برش داده شد و میزان میانگین تبخیر آن مورد استفاده قرار گرفت. نمایی از ایستگاههای سینوپتیک و منطقه مورد استفاده برای ارزیابی نتایج در شکل (1) نیز نمایش داده شده است. همچنین به منظور ارزیابی نتایج داده های تشتک تبخیر ایستگاه سینوپتیک ارومیه مورد استفاده قرار گرفت.
-3-2 الگوریتمهای سنجش از دوری
به طور کلی تمامی الگوریتمهای برآورد اجزای شار انرژی بر اساس معادله بیلان انرژی استوار میباشند. در ادامه به تفکیک اجزای معادله بیلان انرژی و شباهتها و اختلافات آن برای دو الگوریتم اشاره میشود.
-1-3-2 شار تابش خالص Rn
فرآیند محاسباتی Rn در هر دو الگوریتم تقریبا یکسان میباشد. شار تابش برابر یا مجموع تابش های موج کوتاه و بلند ورودی و خروجی به سطح است که معیاری از مقدار انرژی موجود در سطح زمین به شمار میرود. تابش خالص بر اساس بقای انرژی مطابق رابطه((1 میباشد.
در رابطه((1 ، آلبیدوی سطحی، RS تابش موج کوتاه فرودی که مقادیری از 0/3 تا 3 میکرومتر را دارد (W/m2)، RL تابش موج بلند فرودی که مقدار آن 3 تا 100 میکرومترمیباشد (W/m2)، RL تابش موج بلند بازتابیده (W/m2) و 0 گسیلمندی سطحی پهن باند میباشد.
-2-3-2 شار گرمای خاک G
شار گرمای خاک پارامتری است که باید برای سطوح آب اصلاح شود. در الگوریتم SEBS برای محاسبه شار گرمای خاک از مدل موازنه گرمایی طبق رابطه (2) استفاده شد.[3]
که در آن دمای موازنه ) ) ، دمای سطح آب ) ) و ضریب مبادله گرمایی ( )می باشند.
در SEBAL روابط جدول((1 که توسط [1] ارائه شده مورد استفاده قرار گرفت.
عمق آب دو متر، معیار عمیق و کمعمق بودن آب در نظر گرفته میشود .[4]
-3-3-2 شار گرمای محسوس H
شار گرمای محسوس میزان گرمای انتقال یافته به صورت همرفت و هدایت ملکولی و بر اثر اختلاف دما می باشد.تفاوت اصلی الگوریتمهای سنجش از دوری در برآورد تبخیر و تعرق در محاسبه شار گرمای محسوس است.
در SEBAL شار گرمای محسوس بر اساس رابطه (3) محاسبه شد.
در رابطه فوق TO دمای آئرودینامیک هوا، Tair دمای هوا (کلوین)، چگالی هوا گرمای ویژه
هوا (J/kg/K) وRah مقاومت آئرودینامیکی هوا (s/m) میباشد
برای محاسبه شار گرمای محسوس در SEBS از تئوری مشابهت استفاده شدهاست. در این تئوری از چند رابطه در یک فرآیند تکراری برای برآورد شار گرما محسوس استفاده می شود. رابطه((4، رابطه اصلی است که در آن شار گرمای محسوس محاسبه میشود .[13]
که در این رابطه H شار گرمای محسوس طول ارتفاع مرجع بالای سطح آب گرمای ویژه هوا در فشار ثابت سرعت برشی ، K ثابت Von Karmanو برابر با 0/4 ، دمای پتانسیل در سطح آب دمای پتانسیل هوا در ارتفاع مرجع تابع اصلاح پایداری برای انتقال گرمای نهان، ارتفاع زبری سطح برای انتقال گرما چگالی هوا ارتفاع جابجایی صفر می باشند.
پارامترهایی که در محاسبه شار گرمای محسوس برای سطوح آب باید اصلاح شوند ارتفاع زبری برای انتقال گرما یا Zoh و ارتفاع زبری برای انتقال مومنتم Zom می باشند. Zom پارامتری است که در SEBAL برای محاسبه مقاومت آئرودینامیکی هوا و در SEBS برای محاسبه سرعت برشی مورد استفاده قرار گرفت.
روابط جدول (3) برای محاسبه Zom برای سطوح آب در الگوریتم SEBAL مورد استفاده قرار گرفت .[1]
