بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
ارزیابی مدل موجک جهت برآورد تبخیرـ تعرق مرجع (مطالعه موردی ایستگاه انار استان کرمان)
چکیده
تبخیرـتعرق مرجع یکی از پارامترهای لازم جهت تعیین نیاز آبی گیاه و برنامهریزی آبیاری میباشد که برآورد دقیق آن امری ضروری است. مدل موجک از جمله مدلهای پر کاربرد در برآورد تبخیرـتعرق با استفاده از روشهای سنجش از دور را میباشد. در این تحقیق دادههای تصاویر ماهوارهای ایستگاه انار در استان کرمان جهت تدوین مدل مورد استفاده قرار گرفت. با توجه به نتایج میتوان دریافت که مدل موجک با استفاده پارامتر دما نسبت به سایر مدلها دارای دقت بالاتری میباشد. در نهایت میتوان نتیجه گرفت که مدل موجک، روش مناسبی جهت برآورد تبخیر تعرق مرجع میباشد.
کلمات کلیدی: تبخیرـتعرق، موجک، سنجنده مودیس،
.1 مقدمه
تبخیرـتعرق فرآیندی است که توسط آن آب از سطح زمین به اتمسفر انتقال پیدا میکند که شامل تبخیر از خاک، سطح آب و همچنین تعرق از گیاه میباشد. انتقال آب به صورت بخار از سطح خاک را تبخیر و از سطح گیاهان را تعرق گویند. مجموع این دو تلفات را تبخیرـ تعرق گویند .[5] تبخیرـتعرق میتواند به طور مستقیم توسط لایسیمتر یا روش بیلان آب اندازه گیری و یا بطور غیر مستقیم با استفاده از دادههای هواشناسی یا دادههای استخراجی از تصاویر ماهوارهای تخمین زده شود. با این وجود امکان استفاده از لایسیمتر برای اندازهگیری تبخیرـ تعرق همواره میسر نخواهد بود، زیرا این روش زمانگیر و نیازمند عملیات و برنامهریزی دقیق میباشد. بدین جهت بشر همواره سعی در یافتن روشهای آسان و سریع تر داشته است. استفاده از دادههای ماهوارهای برای استخراج اطلاعات مورد نیاز از جمله این اهداف میباشد .[3]
تصاویر ماهوارهای این مزیت را دارند که سطح وسیعی را پوشش میدهند و تغییرات مکانی پدیدهها در آن قابل بررسی است. از آنجا که تصاویر ماهوارهای نمیتوانند تبخیرـتعرق را مستقیماً اندازهگیری کنند، باید مدلهای موجود را طوری واسنجی کرد که بتوان بجای دادههای هواشناسی، از دادههای تصاویر ماهوارهای استفاده کرد. در سالهای اخیر مدلهای ریاضی پیشرفته زیادی که دادههای ورودی آن تصاویر ماهوارهای است، برای برآورد تبخیرـتعرق ارائه شده است. از جمله مدلهای ریاضی، مدل موجک میباشد.
.2 پیشینه تحقیق
مطالعات فراوانی در زمینه برآورد تبخیرـ تعرق، کاربرد تصاویر ماهوارهای و استفاده از مدل موجک صورت پذیرفته است. ثنایی نژاد و همکاران [2]، با استفاده از تصاویر سنجنده مودیس و الگوریتم سبال به بررسی توزیع مکانی تبخیر و تعرق روزانه در زیر حوضه آبریز مشهد پرداختند. نتایج این تحقیق نشان داد که از تصاویر سنجنده مودیس و الگوریتم سبال مقدار تبخیر و تعرق واقعی در مقیاس روزانه را در زیر حوضه مورد مطالعه به خوبی برآورد میکنند. اپکو و همکاران [12] کارآیی استفاده از سنجنده MODIS جهت برآورد تبخیر و تعرق در منطقه ساوانا واقع در غرب آفریقا را مورد بررسی قراردادند. آنها از روش سبال و تصاویر ماهواره مودیس و ASTER استفاده کردند. نتایج نشان داد که دو سنجنده برای برآورد تبخیر و تعرق در مناطق بزرگ و ناهموار قابلیت خوبی دارند.
عاملی و ثنایی نژاد [6] در طی تحقیقی بر روی مدلسازی دادههای بارندگی از تبدیلات موجک استفاده کردند. آنها با بهرهگیری از تبدیلات موجک که قابلیت تجزیه سری زمانی به چند زیر سری زمانی با مقیاس مختلف را دارد، بارندگی دشت مشهد را در قالب این تبدیلات مدلسازی کردند. نراقی [8] از مدل موجک برای برآورد تابش رسیده به زمین با استفاده از تصاویر ماهوارهای مورد بررسی قرار دارد و به این نتیجه رسید که پارامتر بخارآب جو و دمای سطح زمین هر دو با هم به عنوان ورودی مدل موجک برای ایستگاههای مورد مطالعه دقت بالاتری نسبت به دمای سطح زمین و بخارآب جو دارد.
همچنین تحقیقات زیادی در مورد مدلسازی با استفاده از تبدیل موجک در زمینه پیشبینی پارامترهای دبی و بارندگی حوضه رودخانهای (1)، پیشبینی سیگنال بارندگی [4]، سطح آب زیر زمینی کم عمق و آبدهی روزانه [14] و پیش-بینی فرآیندهای هیدرولوژیکی [9] صورت پذیرفته است.
با توجه به نتایج مطالعات پیشین به این موضوع میتوان پیبرد که استفاده از دادههای حاصل از تصاویر ماهواری به دلیل گستردگی و پوشش زمانی و مکانی بیشتر پدیدهها، دقت بالاتری در مقایسه با اندازهگیریهای زمینی دارند. در این مطالعه سعی بر این است که میزان دقت مدل موجک برای هر یک از ورودیهای دمای سطح زمین و بخارآب جو و هر دو پارامتر بعنوان ورودی مدل موجک به طور همزمان در ایستگاه سینوپتیک انار استان کرمان ارزیابی گردد.
.3 مواد و روشها:
منطقه مطالعاتی و منابع دادههای هواشناسی
در این تحقیق از دادههای ایستگاه سینوپتیک شهرستان انار برای چهار ماه گرمتر سال (ژوئن، ژوئیه، اوت، سپتامبر) در یک دوره سه ساله از 2003 تا 2005 جمع آوری گردیدکه دادههای سال 2003 و 2004 بعنوان دادههای آموزش و دادههای سال 2005 بعنوان دادههای آزمون در مدل مورد استفاده قرار گرفت. همچنین در ایستگاه سینوپتیک مورد نظر عوامل جوی نظیر بارندگی، رطوبت جوی، تبخیر، تابش، جهت حرکت ابرها، فشار هوا، جهت وسرعت باد در طول 24 ساعت اندازهگیری میشود.
دادههای ماهوارهای و ماهواره ترا
ماهواره ترا محصول مشترک کشورهای آمریکا، کانادا و ژاپن است. این ماهواره در اوایل سال 1999 پرتاب شد و تصویر برداری آن در سال2000 آغاز شد که در ارتفاع 705 کیلومتری سطح زمین است. ماهواره ترا به بررسی ارتباط بین اتمسفر و زمین و تعادل انرژی برای درک آب وهوای کره زمین و تغییرات آب و هوا و تأثیر فعالیتهای انسانی و بلایای طبیعی می-پردازد. سنجنده مودیس یکی از پنج سنجنده اصلی ماهواره ترا است که تصویر برداری آن در مارس 2000 شروع شد. سنجنده مودیس دارای 36 باند دریافتی از طول موجهای 0/4 تا 14/4 میکرومتر است. سنجنده مودیس به دلیل دارا بودن باندهای حرارتی متعدد آن را نسبت به سایر سنجندهها در موقعیت ممتازتری قرار داده است .[9] برای دریافت تصاویر سنجنده مودیس از سایت http://modis.gsfc.nasa.gov/ استفاده شده است که این سایت تمامی محصولات سنجنده مودیس را در بر میگیرد. برای این تحقیق از دو محصول دمای سطح زمین و بخارآب جو استفاده شده است.
دمای سطح زمین: برای دریافت دادههای دمای سطح زمین حاصل از سنجنده مودیس از دادهها در سطح L3 استفاده شده است که این سطح دارای قدرت تفکیک مکانی 1000 متر و قدرت تفکیک زمانی روزانه است که شامل دمای سطح زمین و گسیلندگی(LST) 1 میباشد. این محصول در ماهواره ترا بنام MOD11A1 ثبت شده است.
بخار آب جو: بخارآب جو2 عمق آب در ستون اتمسفر است. محصولات مودیس شامل ستون بخارآب جو نیز می-شود. دادههای بخار آب جو در ماهواره ترا بنام MOD05_L2 ثبت شده است. دادههای بخارآب جو در سطح L2 قرار گرفته است. دادههای سطح 2 در دقت مکانی 1 کیلومتر از ابزار مودیس با استفاده از الگوریتم اشعه مادون قرمز نزدیک در طول روز وشب تولید میشود.
مدل موجک
لغت موجک در ریاضیات برای مشخص کردن یک نوع از پایههای یکا متعامد در فضای L2 با خاصیت تقریب زنندگی بسیار دقیق بهکار میرود. موجکها توابع ریاضی هستند که دادهها را به اجزاء فراوان فرکانس تفکیک کرده و هر جزء را با نمایش متناسب با مقیاس آن جزء مطالعه میکنند .[8] موجکها دسته ای از توابع ریاضیاند که برای تجزیه سیگنالها به مولفههای فرکانسی آن به کار میروند، به این صورت که ابتدا سیگنالها را تجزیه و سپس بازسازی میکنند. تبدیل موجک از دو تابع پدر ومادر تشکیل شده است. تابع پدر فی((φ و تابع مادر سای ( ψ ) میباشد. بطوریکه:
.4 نتایج و بحث:
تدوین مدل موجک در این تحقیق به سه روش پایهگذاری شده است که در روش اول تنها از دادههای میانگین دمای روز و شب سطح زمین، در روش دوم تنها از پارامتر بخار آب موجود در جو و در روش سوم از هر دو پارامتر مذکور به عنوان ورودی مدل استفاده شده است. مدل مذکور در محیط نرمافزار MATLAB اجرا گردیده است و نتایج حاصل از بکارگیری پارامترهای ورودی مختلف در ایستگاه مطالعاتی بصورت مجزا ارائه شده و تجزیه و تحلیل گردیده است.
تدوین مدل موجک با ورودی پارامتر میانگین دمای روز و شب سطح زمین
در این بخش نتایج حاصل از تخمین تبخیرـتعرق مرجع توسط مدل موجک با استفاده از پارامتر میانگین دمای روز و شب سطح زمین با مقدار تبخیرـتعرق محاسبه شده با مدل پنمن مونتیث مورد مقایسه قرار گرفته است که نمودار پراکنش داده-های آموزش و آزمون در شکل 1 ارائه گردیده است:
همانگونه که در نمودارهای پراکنش دادههای آزمون و آموزش ایستگاه مطالعاتی مشاهده میشود مدل موجک تدوین شده با ورودی پارامتر میانگین دمای روز و شب سطح زمین با ضریب تبیین بالایی میزان تبخیرـتعرق روزانه را برآورد نموده است. در جدول1 خلاصه نتایج آماری شامل ضریب تبیین و میزان خطاهای مدلهای تدوین شده دادههای آزمون و آموزش ارائه گردیده است.
تدوین مدل موجک با ورودی پارامتر بخار آب موجود در جو به تفکیک ایستگاههای مطالعاتی
در این بخش نتایج حاصل از تخمین تبخیرـتعرق مرجع توسط مدل موجک با استفاده از پارامتر بخار آب موجود در جو با مقدار تبخیرـتعرق محاسبه شده با مدل پنمن مونتیث مورد مقایسه قرار گرفته است که نمودار پراکنش دادههای آموزش و آزمون در شکل 2 ارائه گردیده است:
با توجه به نمودارهای پراکنش ارائه شده، مدل موجک تدوین شده با ورودی پارامتر بخار آب موجود در جو با ضریب تبیین پایینتری نسبت به پارامتر میانگین دما میزان تبخیرـتعرق را برآورد نموده است. در جدول 2 خلاصه نتایج آماری شامل ضریب تبیین و میزان خطاهای مدلهای تدوین شده دادههای آزمون و آموزش ارائه گردیده است.
تدوین مدل موجک با ورودی پارامترهای میانگین دمای روز و شب سطح زمین و بخار آب موجود در جو به تفکیک ایستگاههای مطالعاتی
در این بخش نتایج حاصل از تخمین تبخیرـتعرق مرجع توسط مدل موجک با استفاده از پارامترهای میانگین دمای روز و شب سطح زمین و بخار آب موجود در جو با مقدار تبخیرـتعرق محاسبه شده با مدل پنمن مونتیث مورد مقایسه قرار گرفته است که نمودار پراکنش دادههای آموزش و آزمون مربوطه در شکل 3 ارائه گردیده است:
نوع پراکنش میزان تبخیرـ تعرق برآورد شده توسط مدل موجک با ورودی پارامترهای میانگین دمای روز و شب سطح زمین و بخار آب موجود در جو در مقابل مقادیر متناظر محاسبه شده با مدل پنمن مونتیث که در شکل 3 نمایش داده شده است، نشاندهنده توانایی بالای مدل تدوین شده در برآورد پارامتر خروجی مدل میباشد. علیرغم اینکه مدل تدوین شده با بکارگیری دو پارامتر دما و بخار آب دارای ضریب تبیین و دقت پایینتری نسبت به مدل تدوین شده با پارامتر ورودی دما میباشد، ولی این مدل پارامتر خروجی را با دقت بالاتری نسبت به مدلی است که در آن تنها از پارامتر بخار آب موجود در جو استفاده میشود، برآورد مینماید.
آنالیز نتایج آماری مدلهای تدوین شده در ایستگاههای مطالعاتی
پس از تدوین مدل موجک با پارامترهای ورودی مختلف که در بخشهای پیشین ارائه گردید، در این قسمت هر سه حالت مدل تدوین شده به صورت همزمان مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و پارامترهای مربوط به مدلهای تدوین شده برای دادههای آموزش و آزمون در جدول 4 و جدول 5 ارائه گردیده است:
در بررسی مدلهای تدوین شده با استفاده از پارامترهای ورودی مختلف همانگونه که در جداول بالا مشاهده میشود، مدل تدوین شده با استفاده از پارامتر دمای سطح زمین دارای ضریب تبیین، 92 درصد برای دادههای آموزش و 93 درصد برای دادههای آزمون به عنوان مدل برتر برای برآورد تبخیرـتعرق انتخاب گردید که نشان دهنده تأثیر غالب دمای سطح زمین نسبت به بخار آب بر روی تبخیرـتعرق میباشد. همچنین مدل تدوین شده با هر دو پارامتر دما و بخار نسبت به مدل تدوین شده با ورودی بخار آب دارای ضریب تبیین بالاتری بوده که نشان دهنده افزایش دقت مدل موجک با ورودی همزمان هر دو پارامتر دما و بخار میباشد. مقدار ضریب MBE در هر سه حالت مدلهای تدوین شده دارای مقدار منفی هم در دادههای آموزش و آزمون بوده که نشان دهنده کم برآورد بودن مقدار تبخیرـتعرق برآورد شده با مدل نسبت به تبخیرـ-تعرق محاسبه شده با مدل پنمن مونتیث میباشد.
