بخشی از مقاله
استفاده از دادههاي ماهوارههاي ارتفاعسنج TOPEX/Poseidon و Jason-1 در پایش نوسانات
سالانه تراز آب دریاي خزر
چکیده:
در این پژوهش روند تغییرات سالیانه تراز آب خزر با استفاده از مشاهدات ارتفـاعسـنجی مـورد مطالعـه قـرار گرفـت. در میـان ارتفـاع سنجهاي ماهوارهاي، موقعیت مکانی گذرهايTOPEX/Poseidon و Jason-1 بر روي سطح دریـا، ایـن امکـان را فـراهم مـیسـازد کـه رژیمهاي هیدرولوژیکی و هیدرودینامیکی خزر شمالی، میانی و جنوبی را مورد مطالعه و بررسی قرار داد به طوريکه موقعیـت ایـن گـذرها براي تحلیل تغییرات تراز آب در دریاي خزر به بهترین شکل ممکن است. تغییرات تـراز آب یکـی از مهـم تـرین عوامـل طبیعـی مـوثر بـر اکوسیستم سواحل دریاي خزر است. این تاثیرات میتواند هم به صورت مزمن (طولانی مدت) و هم حاد (کوتاه مدت) باشـد. تـاثیرات بلنـد مدت ناشی از نوسانات طبیعی تراز آب از زمانهاي قدیم است که میتواند با تغییرات اقلیم و تخلیه رودخانهاي به خزر مرتبط باشد. اثـرات کوتاه مدت نیز در نتیجه تغییرات فصلی و یا وجود بادهاي موثر در تغییر تراز آب است. در عین حال، دامنه تغییـرات سـطح خـزر در بـازه توزیع مکانی ثابت نبوده و عوامل هیدروهواشناسی پارامتري موثر در شکل گیري فصلی و سالیانه این تغییرات است.
واژههاي کلیدي: ارتفاعسنجی ماهوارهاي، TOPEX/Poseidon، Jason-1، دریاي خزر، نوسانات تراز آب
-1 مقدمه:
بیشتر از ده سال اسـت کـه ارتفـاعسـنجی مـاهوارهاي، روش موفقیتآمیزي جهت پایش تغییرات ترازآّب در ارزیـابی آبهـاي سطح قارهاي مانند دریاهاي دورن قارهاي، دریاچهها، رودخانههـا و اخیراً مناطق تالابی معرفی شده است. 1]و[2 مطالعات سـالهـاي اخیر استفاده از دادههاي ارتفـاعسـنجی مـاهوارهاي را بـه منظـور تحلیل تغییرپذیري بینسالی و فصلی تراز آب توصیه کردهاند. [3]
در واقع دقت مکان-زمانی ارتفاعسنجی ماهوارهاي امکـان بررسـی صحیحتري از تغییرات تراز آب سالیانه و فصلی مجموعههاي آبـی را فراهم میکند.
تغییرات تراز آب را در دورههاي زمانی مختلف بهدست آوریم.
هرچند از طرف دیگر ارتفاعسنجی ماهوارهاي ما را قادر مـیسـازد تا برخـی از پارامترهـاي ضـروري جهـت محاسـبه مقـدار تبخیـر، سرعت باد و بررسی هدف اولیه ارتفاع سنجی مـاهوارهاي مطالعـه تغییرات ارتفاع سطح دریاهاي باز بوده، اما در عین حال این روش بهطور موفقیت آمیزي جهت پایش تغییرات سطح دریاهاي بـسته، بهکار گرفتـه شـده اسـت 4[،.]5 در میـان مـاهوارههـاي متفـاوت ارتفـــاعســـنجی، TOPEX/Poseidon(T/P) و Jason-1(J-1)
بهدلیل موقعیت خاص آنها در فـضا، منحـصر بـهفـرد هـستند. از زمان پرتاب آنها در اکتبـر 1992 تـا حـال حاضـر، T/P و J-1 بـا دورههاي تکرار ده روزه امکان مطالعه مجموعههاي آبی را در طول گذرهاي موجود بر روي کل اقیانوسها و آبهاي سـطحی قـارهاي از 660 عرض شمالی تا 660 عرض جنوبی فراهم میکند. [6]
-1-1 ضرورت کار
یکی از مشکلات ملی در سالهاي اخیر، نوسانات تـراز سـطح آب دریاي خزر و تاثیرات مخرب آن بر تاسیسات نیـروي دریـایی، بندري و شیلات، صنایع کـشتیرانی، حمـل و نقـل، نیروگـاه نکـا، نواحی مسکونی و نیز صدمات جبران ناپذیر زیـستمحیطـی بـوده است .]7[ همچنین نوسانات تراز آب دریاي خزر تاثیرات زیادي بر کشورهاي مجاور داشته است و از آنجاییکه اکثر شهرهاي بـزرگ در مجاور دریا (شهرهاي بندري) قـرار گرفتـه اسـت، لـذا بررسـی
78
نوسانات تراز آب دریاي خزر یک ضـرورت مـیباشـد. در گذشـته، تعیین تغییرات دراز مدت تراز آب دریا، به وسیله نوسـاننگارهـاي ساحلی صورت میگرفت؛ هرچند این ایستگاهها اطلاعات موضـعی دقیقی از تراز آب دریا بهدست میدهند، اما ترکیب اطلاعات ایـن نوساننگارها بهدلیل مشکلات یکسان سازي مبنـاي ارتفـاع کـاري دشوار است در عین حال، استفاده از آنها مشکلات دیگري نیز بـه همراه دارد. از جمله اینکه نوساننگارهاي ساحلی، تنهـا محـدوده اطراف خود را اندازهگیري میکننـد، بنـابراین خـشکی و خطـوط ساحلی اثرات زیادي بر روي دادههـاي انـدازهگیـري شـده دارنـد.
همچنین بر اثـر حرکـت پوسـته زمـین، ایـن وسـایل در راسـتاي عمودي حرکت میکنند و علاوه بر این اندازهگیري تـراز آب بـراي برخی نقاط دوردست ممکن نیست. [8]
بهعلاوه، از سال 1960 تـا بـه امـروز از تعـداد ایـستگاههـاي موجود اندازهگیري تراز آب در دریاي خزر کاسته شده است. حـل این مشکلات، بـا اسـتفاده از دادههـاي ارتفـاعسـنجی مـاهوارهاي مرتفع میشود. در این روش، ارتفاع سطح آب نـسبت بـه بیـضوي مرجع یا مرکز ثقل اندازهگیري میشـود و بـدین ترتیـب حرکـات عمودي پوسته زمین حذف مـیشـود (شـکل.(1 امـروزه، اهمیـت پیشبینی تراز آب دریا در طراحی مدلهاي هواشناسـی و نیـز در حفظ سواحل کمک میکند. دقت اندازهگیري ماهوارهها بسیار بالا است. تنها اشکال ماهوارههاي ارتفاعسنجی در منابع خطـاي آنهـا است، که در صورت تصحیح این خطاها از تمـام روشهـاي دیگـر بهتر و مناسبتر است. [6] با توجه به اهمیت روز افـزون تـاثیرات ناشـی از نوسـانات سـطح آب دریـاي خـزر و بـا در نظـر گـرفتن مطالعات مختلف محققان، مطالعه تغییرات سطح آب دریاي خـزر به روشی دیگر و کاربرديتر، به طوري کـه بتـوان از نتـایج آن بـه صورت عملی در سازمانها و ارگانهاي تـصمیم گیرنـده اسـتفاده کرد، ضروري احساس می شود.
شکل-1 ارتفاعسنج ماهوارهاي در حال انجام ماموریت
-2 روش کار:
به منظور مطالعه تغییرات تـراز آب دریـاي خـزر از دادههـاي ماهوارههاي T/P و J-1 که محصول مـشترك NASA و CNES1
(سازمان فضایی فرانسه) براي مطالعـه آبهـاي جهـان مـیباشـد، استفاده شده است. ارتفاعسنج با ارسال یک پالس کوتـاه از امـواج الکترومغناطیس و اندازهگیري زمان رفت و برگشت موج از ماهواره تا سطح آب ارتفاع را اندازهگیري میکنـد؛ کـه فاصـله بـین آنـتن فرستنده و سطح آب است. ایـن مـشاهده، بـرد نامیـده مـیشـود.
فاصله زمانی میان دو عبور متوالی ماهوارهاي Topex/Poseidon
و Jason-1 از یک گذر حدود 9/915 روز است این مـاهوارههـا در هر ثانیه دادهبرداري میکنند و هر ثانیه در حدود km6 میباشـد که به ترك (track) معروف است. پس با تکیه بر اطلاعات حاصـل از این ماهوارهها میتوان در سطح دریاي خـزر نقـاط مشخـصی را یافت که وضعیت ارتفاع سطح آب در آنها هر 9/915 روز یک بـار اندازهگیري میشود؛ کـه ایـن امکـان تحلیـل تغییـرات سـالیانه و فصلی تراز آب دریا را فراهم میکنـد. لازم بـه توضـیح اسـت کـه سطح دریاي خزر گذرتوسط 7 (شامل گـذرهاي فـرد:031، 209، 133، 057 و گذرهاي زوج: 016، 092، (168، جـاروب مـیشـود
(شکل .(3 فرمت دادههاي مـاهواره T/P بـه صـورت MGDR2 و
ماهواره J-1 به صورت GDR3 میباشد. کـه در خـلال سـالهـاي
2008-1993 میباشد. ابتدا به منظور تعیین ارتفاع تراز آب خـزر در نقاط امتداد گذر نسبت به ژئوئید فاصله ماهواره از سـطح دریـا نسبت به خطاهاي سیـستماتیک کـه اطلاعـات مربـوط بـه آن در فایلهاي ماهواره موجود میباشد تصحیح گردید سـطح لحظـهاي آب دریا نـسبت بـه سـطح متوسـط دریـا (ژئوئیـد) از رابطـه زیـر محاسبه می شود:
h hisl − N (1)
که در رابطه (1)، hisl برابـر بـا ارتفـاع لحظـهاي آب از سـطح بیضوي و N ارتفاع ژئوئید میباشد. در این پزوهش براي محاسـبه ارتفاع ژئوئیـد نـسبت بـه بیـضوي مرجـع در منطقـه خـزر مـدل
EGM96 مورد استفاده قرار گرفت. [10]
-3 نتایج:
مجموع نقاط برداشتی پـاي مـاهواره 678 نقطـه در 7 گـذر براي کل دریاي خزر بوده است. تعداد 101 نقطه بـه دلیـل عـدم دقت، نزدیکی به ساحل و فراوانی مشاهدات کمتـر از 190 از کـل نقاط کم شـدند و در نتیجـه مجمـوع 577 نقطـه برداشـتی پـاي ماهواره مورد مطالعه و تحلیل قرار گرفته و نتایج به دستآمـده در این پایاننامه، حاصل تجزیه تحلیل دادههاي مربوط به ایـن نقـاط است. بر اساس نتایج بهدست آمده از تجزیه تحلیلهاي ذکر شده، میانگین (انحراف معیار) تـراز آب دریـاي خـزر از سـال 1993 تـا
2008، (0/68) -26/50 متــر پــایینتــر از ســطح متوســط آب اقیانوسها (سطح ژئوئید) بوده است. همچنین، حداکثر مقدار تراز آب دریاي خزر -25/97 متر در تابستان 1995 و حـداقل مقـدار آن در پاییز 2001 برابر با -26/82 متر بوده است.
نکته قابل ملاحظهاي تفـاوت در نـرخهـاي افـزایش و کـاهش سالیانه تراز آب و در نتیجه عدم خطی بودن روند سالیانه تـراز آب دریاي خزر میباشد و این به معنی آنـست کـه تغییـرات تـراز آب دریاي خزر به کمک یک مدل ساده قابل پیشبینی نبوده و عوامل
79
متعددي در بروز این تغییرات دخیـل مـیباشـند کـه پـیشبینـی درازمدت تغییرات تراز آب دریاي خزر را با مشکل مواجه میکنـد. (نمودار .(1
نمودار:1 تغییرات سالیانه تراز آب دریاي خزر در خلال سالهاي
1993 تا 2008
نمودار:2 تغییرات سالیانه تراز آب سه بخش دریاي خزر در خلال سالهاي 1993 تا 2008
نتایج بهدستآمده نشان میدهد که رونـد تغییـرات تـراز آب بخش شمالی، جنوبی، و میانی خزر بسیار مشابه روند این تغییرات در کــل دریــاي خــزر اســت (نمــودار .(2 بــه طــوريکــه آزمــون همبستگی با ضریب همبستگی اسپیرمن نشان داد که همبـستگی قوي میان تغییرات تراز آب کـل خـزر بـا سـه بخـش ذکـر شـده
P <0/001)، (=92/0r وجود دارد. به محل برخورد دو گذر، نقطـه تقاطع می گوینـد. از آنجـاییکـه داده برداشـتی در نقطـه تقـاطع
توسط دو گذر متفاوت به دست میآید، داراي دقت بالایی بـوده و در مطالعه و پیشبینی تغییرات تـراز آب بـه منظـور تحلیـلهـاي مقایسهاي کاربرد فراوانی دارند. در دریاي خـزر مجموعـاً 9 نقطـه تقاطع وجود دارد که به عنوان نمونه تغییرات تراز آب بـه صـورت فصلی و سالیانه در 2 نقطه تقاطع مورد بررسی قرار گرفتـه اسـت
(نمودار .(3 نمودار فوق ما را به این نتیجـه مـیرسـانند کـه رونـد تغییرات تراز آب در هر نقطه از سطح دریاي خزر شـباهت زیـادي با روند این تغییرات در کل دریاي خزر دارد به طـوريکـه آزمـون همبستگی با ضریب همبستگی اسپیرمن نشان داد که همبـستگی بسیار قوي میان تغییرات تراز آب نقاط تقاطع با تغییرات تـرازآّب کل خزر P <0/001)، (=91/0r وجود دارد. که این امر بیانگر ایـن مطلب است که عامل تغییرات تراز آب براي نواحی مختلف دریاي خزر مشترك است. براي تعیین تراز آب دریا چندین مبنا بـه کـار میرود که از جمله میتوان به تعیین تراز آب نـسبت بـه بیـضوي مرجع، مبناهاي محلی زادوسطح آبهاي آ (سطح ژئوئیـد) اشـاره کرد که در این مطالعه تراز آب دریاي خزر نسبت به سطح ژئوئیـد
(شکل (2 ارزیـابی شـده اسـت. در عـین حـال بـه عنـوان نمونـه، تغییرات سالیانه تراز آب دریـاي خـزر در سـال 2008 نـسبت بـه بیضوي مرجع در شکل 3 نشان داده شده است.
نمودار:3 تغییرات سلیانه تراز آب در دو نقطه تقاطع گذر در طول
سالهاي 1993 تا 2008
80
