بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی مدلهای تجربی در برآورد تبخیر و تعرق مرجع با دادههای LST سنجنده مودیس در خوزستان
چکیده
تبخیر و تعرق یکی از مهمترین پارامترهایی است که دانستن آن برای برآورد آب مصرفی گیاه و طراحی سیستمهای آبیاری ضروری است. ترکیب مدلهای برآورد تبخیر و تعرق مرجع و دادههای حاصل از تصاویر ماهوارهای امکان بررسی تغییرات مکانی این متغیر را در سطوح گسترده و وسیع فراهم میکند. در این پژوهش، چهار مدل تجربی هارگریوز-سامانی و بلانی-کریدل، تورک و لینیاکر که وابسته به دادههای دمای هوا هستند، با ورودی دادههای روزانه LST محصولات MOD11A1 و MYD11A1 سنجنده مودیس به جای دمای هوا، برای برآورد تبخیر و تعرق مرجع مورد ارزیابی قرار گرفتند. برای این منظور، دادههای روزانه مقادیر حداکثر و حداقل روزانه دمای هوا، رطوبت نسبی، ساعات آفتابی و سرعت باد در ایستگاههای هواشناسی پنج واحد از مزارع توسعه نیشکر (شعیبیه-SH، امیرکبیرAM-، فارابی-FA، خزاعی-KH و غزالی-(GH برای تخمین تبخیر و تعرق مرجع بهوسیله معادله فائو-پنمن-مانتیث بهعنوان خروجی هدف، استفاده شد. اطلاعات ایستگاههای شعیبیه، امیرکبیر و فارابی برای واسنجی و ایستگاههای خزایی و غزالی برای اعتبارسنجی مدلها مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد که تبخیر و تعرق مرجع مدلهای مورد بررسی با ورودی دادههای LST سنجنده مودیس (محصولات MOD11A1 و (MYD11A1 بدون استفاده از دادههای اندازهگیری زمینی با دقت مناسب قابل برآورد است. در مقایسه، نتایج برآورد تبخیر و تعرق مرجع بر اساس نوع محصول دمایی مورد استفاده بهعنوان ورودی مدل، نشان داد که واسنجی مدلها با استفاده از دادههای LST محصولات MOD11A1 نسبت به محصولات MYD11A1، از دقت بیشتری برخوردار است. مقایسه دقت برآورد مدلهای مورد بررسی نشان داد که مدل تورک مبتنی بر دادههای LST محصولات MOD11A1 با مقادیر آمارههای RMSE و R2 بهترتیب برابر 1/3 میلیمتر بر روز و 0/86 نسبت به سایر مدلها از دقت بیشتری برخوردار است.
واژههای کلیدی: بلانی-کریدل، تهارگریوز-سامانی، دمای هوا، لینیاکر، ورک
مقدمه
تبخیر و تعرق یکی از مهمترین پارامترهایی است که دانستن آن برای برآورد آب مصرفی گیاه و طراحی سیستمهای آبیاری ضروری است. تعیین دقیق مقدار آبی که برای تبخیر و تعرق مصرف میشود، از عوامل اساسی در برنامهریزی برای رسیدن به محصول بیشتر است. همچنین، در طراحی و تعیین ظرفیت شبکههای آبیاری و زهکشی، برآورد تبخیر و تعرق نقش مهمی دارد. برای برآورد تبخیر و تعرق مرجع تنها روش مستقیم، استفاده از لایسیمتر است که هزینه سنگین نصب و نگهداری، استفاده از آن را مشکل ساخته است. از اینرو محققین سعی در تخمین این پارامتر در قالب روشهای ترکیبی، آئرودینامیک و تجربی نمودهاند که اغلب با توجه به دادههای هواشناسی، نتایج متفاوتی دارند.
مدلهای تجربی مبتنی بر مشاهدات زمینی و آنالیزهای آماری در صورتی که برای یک شرایط اقلیمی یا ناحیهای خاص به درستی واسنجی شوند، نتایج حاصل از آنها مناسب خواهد بود Ahmadi) و Fooladmand، 2008، Gavilán، .(2006 با وجود این که پایه و اساس مدلهای آئرودینامیک برای شبیهسازی تبخیر و تعرق ، اصول اساسی بیلان انرژی و انتقال جرم بوده (مبتنی بر مفاهیم فیزیکی) و در شرایط اقلیمی متنوع دارای نتایج خوبی هستند ( Villa Nova، 2007، Cancela، (2006، اما این مدلها برای برآورد تبخیر و تعرق نیازمند تعداد دادههای ورودی زیادی هستند. به عنوان مثال دادههای تابش خورشیدی، رطوبت نسبی و سرعت باد از جمله متغیرهای ورودی مورد نیاز برای برآورد تبخیر و تعرق در مدلهای مبتنی بر مفاهیم فیزیکی، هستند که اندازهگیری آنها بهدلیل مسائل اقتصادی در نصب و نگهداری ایستگاههای هواشناسی، بهطور محدود انجام میشود. بنابراین، پژوهش درباره مجموعه دادهها و روشهای جایگزین برای برآورد تبخیر و تعرق، در مناطق با کمبود اطلاعات هواشناسی الزامی است.
مطابق مطالعات صورت گرفته، دادههای سنجش از دور میتوانند بهطور قابل قبولی پارامترهای هواشناسی، از قبیل دمای سطح زمین1 را از نظر مکانی و زمانی در اختیار کاربران قرار دهند Wan)، .(2008 همچنین، مطالعات گذشته نشان داده که بین دمای سطح زمین (LST) محصولات سنجنده مودیس2 و دمای هوا همبستگی بالایی وجود دارد Yan) و همکاران، 2009؛ Vancutsem و همکاران، 2010؛ Shengpan و همکاران، 2012؛ Emamifar و همکاران، .(2013 ترکیب مدلهای برآورد تبخیر و تعرق مرجع و دادههای حاصل از تصاویر ماهوارهای امکان بررسی تغییرات مکانی این متغیر را در سطوح گسترده و وسیع فراهم میکند. در این زمینه میتوان به مطالعه Maeda و همکاران (2010)، اشاره کرد که در آن با استفاده از سه مدل تجربی هارگریوز-سامانی3، تورنت وایت 4 و بلانی-کریدل5 به برآورد تبخیر و تعرق مرجع در منطقهای در کنیا پرداخته است.
در این مطالعه پارامترهای دمای سطح زمین بهدست آمده از تصاویر مودیس مربوط به ماهواره ترا6 به جای پارامترهای دمای هوا بهعنوان ورودی این مدلها مورد استفاده قرار گرفت. نتایج این مطالعه نشان داد که در بین مدلهای مورد بررسی، مدل هارگریوز-سامانی نتیجه بهتری ارائه میدهد و دقت ETo برآورده شده با این مدل برابر 0/47 میلیمتر در روز بود Maeda) و همکاران، .(2011
Moradi و (2012) RahimiKhoob، از مدل درختی M5، برای تبدیل داده های دمای سطح زمین و تابش فرا زمینی به تبخیر و تعرق مرجع در شبکه آبیاری قزوین استفاده کردند. در این پژوهش برای برآورد دمای سطح زمین از الگوریتم روزنه مجزا Ulivieri و همکاران (1994)، بر اساس دادههای سنجنده AVHRR ماهواره نوا7 استفاده شد. نتایج نشان داد که مدل تدوینی مبتنی بر دادههای اختصاص داده شده در مرحله آزمون، میتواند مقدار ETO را با ضریب تعیین، درصد جذر میانگین مربعات خطا و درصد میانگین انحراف خطا به ترتیب 0/81، 8/5 و 2/5 درصد برآورد نماید.
محصولات LST سنجنده مودیس بهصورت روزانه با کدهای MOD11A1 مربوط به ماهواره ترا و کدهای MYD11A1 مربوط به ماهواره آکوا 8 برای کاربران قابل استفاده است. یکی از اهداف این پژوهش ارزیابی دقت مدلهای تجربی بلانی-کریدل، لینیاکر، هارگریوز-سامانی و تورک بر اساس دادههای LST محصولات دمایی سنجنده مودیس به جای دمای هوا
برای برآورد تبخیر و تعرق گیاه مرجع برای یکی از منطقههای نیمهخشک ایران است. مقایسه نتایج مدل- های بالا با یکدیگر در برآورد تبخیر و تعرق گیاه مرجع یکی دیگر از اهداف این پژوهش است.
همچنین، مقایسه دقت برآورد تبخیر و تعرق گیاه مرجع با مدلها بر اساس نوع محصول دمایی مورد استفاده، هدف سوم این مطالعه محسوب میشود.
مواد و روشها
منطقه مورد پژوهش: این پژوهش در مزارع طرح توسعه نیشکر و صنایع جانبی واقع در استان خوزستان انجام شد. استان خوزستان با وسعتی حدود 63238 کیلومتر مربع بین 38 47 تا 50 32 دقیقه طول شرقی از نصفالنهار گرینویچ و 29 57 تا 33 عرض شمالی از خط استوا در جنوبغربی ایران واقع شده است.
استان خوزستان از مناطق مهم کشاورزی در ایران است. متوسط درجه حرارات در طول زمستان 9/14 درجه و حداقل آن گاهی به چند درجه زیر صفر هم میرسد. متوسط درجه حرارت در تابستان 31/2 درجه و حداکثر آن گاهی از 50 درجه نیز فراتر میرود. شکل 1 موقعیت مکانی منطقه مورد مطالعه را نشان میدهد.
مدلهای تجربی تبخیر و تعرق مرجع
معادله هارگریوز-سامانی Hargreaves :(HS) و (1985) Samani، روش تجربی زیر را برای محاسبه تبخیر و تعرق ارائه نمودند. این روش مبتنی بر درجه حرارت و تابش برونزمینی است. تنها پارامتر قابل اندازهگیری در این روش، درجه حرارت هوا میباشد و تابش برونزمینی با استفاده از عرض جغرافیایی برای روزهای مختلف سال در منطقه مورد نظر تعیین میشود.
که در آن، ET0 تبخیر و تعرق گیاه مرجع ، Ra تابش برون جوی (mm.d-1)، Tmax حداکثر دمای روزانه ( (0C و T min حداقل دمای روانه ( (0C و ضریب 0/0023، ضریب تبدیل میباشد، که در این پژوهش برای منطقه مورد مطالعه واسنجی شد.
معادله تورک (1961) Turce :(Tu)، در شرایط اقلیمی اروپای غربی، روابط زیر را برای تخمین ETO ارائه کرد.
که در آن ها، ETo تبخیر و تعرق گیاه مرجع (mm.d-1)، T متوسط دمای هوا (œC) و RS تابش خورشیدی رسیده به سطح زمین (MJ.m-2.d-1) میباشد.
معادله بلانی-کریدل :(BC) مدل ارائه شده توسط Blaney و (1962 ) Criddle ، بهصورت زیر میباشد که در مناطق خشک غربی ایالا ت متحده و سایر نقاط بهطور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. با وجود اینکه این روش در چند دهه گذشته توسعه یافته است، ولی هنوز در بسیاری از مطالعات منابع آب از آن استفاده میشود Fooladmand) و Ahmadi، .(2009
که در آنها،ETo تبخیر و تعرق گیاه مرجع (mm.d-1)، P ضریب درصد سالانه تابش آفتاب در ماه برای عرضهای جغرافیایی مختلف (متوسط ساعات روشنایی هر روز در ماه مورد نظر تقسیم بر کل ساعات روشنایی سال ضرب در (100 و Tmean متوسط دمای هوا (œC) میباشد. n ساعات آفتابی واقعی، N حداکثر ساعات آفتابی، U day سرعت باد روزانه در ارتفاع دو متری (m.s-1) و RH Min حداقل رطوبت نسبی روزانه (درصد) میباشد.
معادله لینیاکر :(Li) این مدل بر اساس درجه حرارت هوا توسعه یافته است. این رابطه برای محاسبه تبخیر و تعرق گیاه مرجع فقط نیازمند به درجه حرارت هوا میباشد. تبخیر و تعرق گیاه مرجع از مدل لینیاکر با استفاده از رابطه زیر محاسبه میشود.
که در آن ها، ET0 تبخیر و تعرق گیاه مرجع (mm.d-1)، T متوسط دمای هوا (œC)، Z ارتفاع از سطح دریا (m)، A عرض جغرافیایی (درجه)، R حداقل درجه حرارت هوا (œC) و Rm تفاوت بین درجه حرارت در گرمترین و سردترین ماه سال (œC) است.
دادههای ماهوارهای: در این پژوهش از دادههای سنجنده مودیس که از جمله سنجندههای ماهوارههای ترا و آکوا است، استفاده شد. طراحی اجزای این سنجنده با اعمال سیگنال به نویز بالا میباشد که قابلیت استفاده از این سنجنده را در علومی مانند کشاورزی، هواشناسی، زمینشناسی و اقیانوسشناسی مهیا میکند. سنجنده مودیس بهطور روزانه یکسری مشاهدات در مقیاس جهانی بر روی دریا، خشکی و اتمسفر انجام میدهد و دارای یک پوشش ممتد و وسیع طیفی و مکانی با قدرت تفکیک 250، 500 و 1000 متر است. بنابراین، مطالعه و ارزیابی تغییرات بلندمدت در دریا، خشکی و اتمسفر به وسیله مودیس امکانپذیر میباشد.
تصاویر مورد استفاده در این پژوهش، جزء زیرگروه دادههای سطح سه (L3) سنجنده مودیس با کد مشخصه MOD11A1 مربوط به ماهواره ترا و MYD11A1 مربوط به ماهواره آکوا هستند. از ویژگیهای این محصولات این است که دارای توان تفکیک مکانی یک کیلومتر و قدرت تفکیک زمانی روزانه و حاوی اطلاعات روزانه دمای سطح زمین و گسیلندگی میباشند. محصولات دمای سطح زمین سنجنده مودیس از دو باند مادون قرمز حرارتی کانال-های 31 (محدوده طول موج 10/78 تا 11/28 میکرومتر) و 32 (محدوده طول موج 11/77 تا 12/27 میکرومتر) با استفاده از الگوریتم پنجره مجزا بهدست آمدهاند Wan) و همکاران، .(2002 در مجموع 835 تصویر سنجنده مودیس مربوط به ماهوارههای ترا و آکوا 428) تصویر محصول MOD11A1 سنجنده مودیس ماهواره ترا و 407 تصویر محصول MYD11A1 سنجنده مودیس ماهواره (آکوا) از طریق پایگاه اینترنتی مودیس مربوط به ناسا به آدرس http://modis.gsfc.nasa.gov در سالهای 2006 و 2007 اخذ شد. صاف و بدون ابر بودن هوا، دلیل انتخاب این تصاویر بود. تغییر سیستم مختصات تصاویر از سینوسی به UTM با استفاده از ابزار 1MRT و استخراج اطلاعات LST در محل ایستگاههای مورد نظر، در محیط نرمافزار ARCGIS9.3 به وسیله ابزار 2HAT انجام گرفت. مقادیر LST استخراج شده از تصاویر بر حسب کلوین میباشند و لذا، قبل از استفاده از آنها بهعنوان ورودی مدلها، این مقادیر به واحد درجه سلسیوس تغییر داده شدند.
واسنجی و اعتبارسنجی معادلات تجربی: مطالعات صورت گرفته نشاندهنده کارایی بالای مدلهای تجربی در برآورد تبخیر و تعرق مرجع است Gavilán) و همکاران، 2006؛ Ahmadi و Fooladmand، (2008 ، با این وجود، این مدلها با توجه به طبیعت تجربی بودن آنها نیاز به تطبیق و تعدیل پارامترهای موجود برای هر منطقه دارند. عملیات تطبیق پارامترها را برای هماهنگی و سازگاری پاسخ رابطه در تولید دادههای همانند نمونه اصلی سیستم، واسنجی رابطه گویند و با هدف حداقل کردن اختلاف بین مقادیر پیشبینی شده و مشاهده شده صورت میگیرد. همچنین، بهمنظور رسیدن به نتایج مورد انتظار و تعیین اینکه آیا عملکرد مدل رضایتبخش است یا خیر، روشهای توسعه و بهبود ارزیابی دقت مدل ضروری است که این مرحله از آزمون بهعنوان اعتبارسنجی شناخته میشود. در این پژوهش، بهدلیل عدم دسترسی به دادههای لایسیمتری، از روش فائو-پنمن-مانتیث بهعنوان روش استاندارد برای واسنجی و اعتبارسنجی معادلات تجربی استفاده شد. تحقیقات کارشناسان سازمان فائو نشان داد که معادله تبخیر و تعرق فائو-پنمن-مانتیث که مبتنی بر مفاهیم فیزیکی است، دارای نتایج دقیق در تخمین تبخیر و تعرق برای شرایط آب و هوایی مختلف بوده است Itenfisu) و همکاران، 2003؛ Allen و همکاران، 1998؛ Gavilán و همکاران، .(2006
از اینرو با توجه به خصوصیات تعریف شده برای گیاه مرجع، این سازمان آنرا بهعنوان معادله استاندارد برای تخمین تبخیر و تعرق مرجع (ETo) و واسنجی معادلات ساده تبخیر و تعرق، فرموله و معرفی کرد. در مطالعات صورت گرفته در ایران نیز جهت واسنجی مدلهای برآورد تبخیر و تعرق مرجع در اقلیمهای مختلف، در صورت عدم دسترسی به دادههای لایسیمتری از مدل فائو-پنمن-مانتیث استفاده شده است Ahmadzadeh-Gharegoiz) و همکاران، 2010؛ Sayadi و همکاران، 2009؛ RahimiKhoob، .(2008 این معادله بهصورت زیر میباشد.
که در آن، ETo تبخیر و تعرق گیاه مرجع (mm.d-1)، U2 سرعت باد در ارتفاع دو متری (m.s-1)، Tدمای هوا (œC)، Rn شار تابش خالص در سطح زمین (MJ.m- 2.d-1)، (es– ea) کمبود فشار بخار اشباع هوا (kPa)، شیب منحنی فشار بخار اشباع با دما (kPa.œC-1) و ثابت سایکرومتر (kPa.œC-1) میباشند. در تدوین معادله فوق، فرض شده که گیاه چمن در یک سطح وسیع و متراکم کشت شده و ارتفاع چمن بهطور یکنواخت 0/12 متر و کاملأ بر سطح زمین سایه انداخته است و بدون کمبود آب، تبخیر و تعرق می نماید. با توجه به این فرضیات، جریان افقی هوا و شار روزانه گرمای خاک ناچیز و از آنها صرف نظر شده است.
برای تعیین (HV HD)، Rn، و از روابط توصیه شده توسط Allen و همکاران (1998) استفاده شده است. شار تابش خالص در سطح زمین Rn با استفاده از ساعات واقعی آفتاب روزانه، روز از سال و موقعیت جغرافیایی ایستگاه برآورد شده است. کمبود فشار بخار اشباع از اختلاف بین فشار بخار اشباع (es) و فشار بخار واقعی هوا (ea) از روابط زیر تعیین میشوند.
در این روابط، e (Tmax) و e (Tmin) بهترتیب فشار بخار اشباع هوا در دماهای حداکثر و حداقل است و RHmax و RHmin رطوبت حداکثر و حداقل روزانه میباشد. برای تخمین تبخیر و تعرق مرجع بهوسیله معادله فائو-پنمن- مانتیث، مقادیر حداکثر و حداقل روزانه دمای هوا، رطوبت نسبی، ساعات آفتابی و سرعت باد در ایستگاههای هواشناسی پنج واحد از مزارع توسعه نیشکر (شعیبیه-SH، امیر کبیرAM-، فارابی-FA، خزاعی-KH و غزالی-(GHکه هر کدام حدود 15 هزار هکتار وسعت دارند، استفاده شد . اطلاعات ایستگاههای شعیبیه، امیرکبیر و فارابی برای واسنجی و ایستگاههای خزایی و غزالی برای راستی آزمایی مدلها مورد استفاده قرار گرفت. در جدول 1 مشخصات مکانی و هواشناسی واحدهای فوق ارائه شده است.
مقدار تبخیر و تعرق مرجع برای هر ایستگاه، به وسیله مدلهای تجربی و با استفاده از دادههای LST سنجنده مودیس بهجای دمای هوا، برآورد شد. واسنجی مدلهای مورد استفاده مطابق رابطه (13) صورت گرفت Allen) و همکاران، .(1998
که در آن، ETO نشاندهنده مقدار تبخیر و تعرق مرجع واسنجی شده مدل تجربی و ETO L S T نشاندهنده مقدار تبخیر و تعرق مرجع برآورده شده بهوسیله مدل تجربی با ورودی دادههای LST سنجنده مودیس، a و b ضرایب ثابت واسنجی مدلها هستند.
آمارههای ارزیابی: برای ارزیابی دقت مدلهای تجربی واسنجی شده در برآورد تبخیر و تعرق مرجع و مقایسه نسبی آنها با مقادیر برآورده شده به وسیله مدل فائو-پنمن-مانتیث، از آمارههای ضریب تعیین (R2)، جذر میانگین مربع خطا (RMSE) و میانگین انحراف خطا (MBE) استفاده شد.
نتایج و بحث
بررسی همبستگی بین دمای سطح زمین و دمای هوا در مرحله اول این پژوهش، میزان همبستگی محصولات سنجنده مودیس، با دمای هوا بررسی شد. بر این اساس، تغییرات زمانی دمای هوا و محصولات دمای سطح زمین سنجنده مودیس برای ایستگاه خزایی بهعنوان نمونه، در شکل 2 ارائه شده است. همان طور که ملاحظه میشود، دمای سطح زمین و دمای هوا همبستگی خوبی با هم دارند و در این بین، همبستگی دادههای کمینه LSTN (دمای سطح زمین برداشت شده در شب، مربوط به هر دو ماهواره ترا و آکوا) و Tmin در مقایسه با دادههای بیشینه LSTD (دمای سطح زمین برداشت شده در روز، مربوط به هر دو ماهواره ترا و آکوا) و Tmaxبرای هر دو محصول دمایی سنجنده مودیس، بیشتر است.
