بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
استفاده از دادههای تصاویر ماهواره نوا ومدل تجربی هارگریوزسامانی جهت برآورد تبخیر و تعرق مزارع نیشکر
چکیده:
تکنیکهای سنجش از دور امکان برآورد دمای سطح زمین را بوسیله الگوریتمهای روزنه مجزا با استفاده از تصاویر ماهواره نوا فراهم میآورند.از جمله راهکارهای برآورد تبخیر و تعرق با استفاده از تصاویرماهوارهای محاسبه تبخیر و تعرق با استفاده از برآورد پارامترهای مورد نیاز، مانند دمای هوا در مدلهای تجربی موجود برای محاسبه تبخیر و تعرق گیاه مرجع است. در این بررسی از مدل تجربی هارگریوزسامانی برای محاسبه تبخیر و تعرق در 5 واحد کشت و صنعت نیشکر استان خوزستان استفاده شده است. در مدل دمایی هارگریوزسامانی از پارامتردمای سطح زمین بدست آمده از 238 تصویر بدون ابر ماهواره نوا طی سالهای 2004 تا 2008، برای محاسبه تبخیر و تعرق گیاه مرجع استفاده شده است. روش پنمن مانتیث به عنوان روشی استاندارد جهت محاسبه تبخیر و تعرق گیاه مرجع جهت ارزیابی تبخیر و تعرق برآورد شده از تصاویر ماهوارهای قرار گرفت. مدل هارگریوز سامانی با ضریب تبیین 0/8 و خطای 1/4 میلیمتر در روز برآورد دقیقی از تبخیر و تعرق با استفاده از تصاویر ماهوارهای در منطقه مورد مطالعه دارد.
واژههای کلیدی: تبخیرو تعرق، پنمن مانتیث، دمای سطح زمین، ماهواره نوا، هارگریوزسامانی
.1 مقدمه
ارزیابی دقیق میزان تقاضا و آب در دسترس جهت بهبود مدیریت منابع آب و جلوگیری از مصرف بیرویه نقشی اساسی در مصرف بهینه آب در بخش کشاورزی ایفا میکند. بیشتر مطالعات نشان میدهدکه مدیریت مناسب و دقیق آبیاری به طور قابل ملاحظهای راندمان محصولات آبی را بدون کاهش محصول بهبود میبخشد .[5] بدین منظور جهت تأمین هر چه بیشتر آب، میتوان با برنامهریزی دقیق در مطالعات منابع آب و مدیریت آن، نقش قابل ملاحظهای در این راستا ایفا نمود. این امر مستلزم یک برنامهریزی دقیق آبیاری میباشد،که پایه و اساس آن، تعیین نیاز آبی گیاهان به منظور مدیریت صحیح منابع آب است. آب مورد نیاز آبیاری بر اساس تبخیر و تعرق گیاه مرجع (ETo) محاسبه میشود .[6] تبخیر و تعرق به عوامل زیادی از جمله تابش خورشیدی، دمای هوا، رطوبت هوا و باد بستگی دارد.روشهای بسیاری به منظور تخمین تبخیر و تعرق مطرح شده است. بیشتر مدلهای تجربی نیازمند دادههای زیادی از جمله حداقل و حداکثر درجه حرارت هوا، رطوبت نسبی، ساعات آفتابی، سرعت باد، تابش خورشیدی برای محاسبه تبخیر وتعرق میباشند. دادههای مورد نیاز این مدلها اکثراً موجود نیستند، همچنین تأسیس ایستگاههای هواشناسی که قادر به اندازهگیری این دادهها باشند بسیار پرهزینه میباشد. از طرفی این ایستگاهها در محدوده کشاورزی واقع نیستند لذا تبخیر و تعرق را بیشتر از شرایط واقعی برآورد میکنند و معرف شدت تبخیر و تعرق از مزارع کشاورزی نمیباشند. از این رو تلاشها برای یافتن روشهای جایگزین در صورت عدم وجود دادههای هواشناسی برای محاسبه تبخیر و تعرق میباشد.
با پیشرفت تکنیک سنجش از دور،تعدادی از پارامترهای مورد نیاز مدلهای تبخیر و تعرق، مثل دمای سطح زمین، تابش خالص رسیده به زمین، ضریب آلبیدو و شاخص گیاهی با استفاده ازتصاویر ماهوارهای برآورد میشوند .[10] درجه حرارت هوا از جمله تأثیرگذارترین پارامترهای محاسبه تبخیر و تعرق می باشند. تکنیکهای سنجش از دور امکان برآورد دمای سطح زمینرا بوسیله الگوریتمهای روزنه مجزا فراهم میآورند. از جمله راهکارهای برآورد تبخیر و تعرق با استفاده از تصاویرماهوارهای محاسبه تبخیر و تعرق با استفاده از برآورد پارامترهای مورد نیاز، مانند دمای هوا در مدلهای تجربی موجود برای محاسبه تبخیر و تعرق گیاه مرجع است.
هدف اصلی تحقیق بررسی دقت معادله تجربی تبخیر و تعرق پتانسیل هارگریوزسامانی در صورت استفاده از دادههای دمای سطح زمین برداشت شده از ماهواره نوا بجای دادههای درجه حرارت هوا اخذ شده از ایستگاههای هواشناسی و واسنجی معادله تجربی فوق، برای محاسبه تبخیر و تعرق در مزارع نیشکر واقع در استان خوزستان است. با توجه به اینکه امکان استفاده از لایسیمتر به علت وجود مشکلات فنی و مالی دشوار میباشد، میتوان با استفاده از سایر روشهای تجربی برآورد مناسبی از تبخیر و تعرق بدست آورد. با توجه به پیشنهاد سازمان خوارو بار جهانی معادله پنمن مانتیث، به عنواندقیقترین روش محاسبه تبخیر و تعرق گیاه مرجع با استفاده از دادههای هواشناسی و در مناطق مختلف با شرایط آب و هوایی متفاوت [3]، و یک روش استاندارد برای ارزیابی سایر روشهای برآورد تبخیر و تعرق گیاه مرجع، مبنای ارزیابی عملکرد مدل تجربی قرارگرفت.
.2 مواد و روش
با توجه به اینکه تبخیر و تعرق گیاه مرجع، معرف شدت تبخیر از سطح وسیع پوشیده از چمن است، برای تعیین آن با استفاده از معادله پنمن مانتیث باید اطلاعات هواشناسی از مناطق کشاورزی با کشت وسیع جمعآوری شود. لذا 5 واحد از مزارع توسعه طرح توسعه نیشکر برای انجام این تحقیق انتخاب شد. دادههای مورد نیاز شامل میانگین روزانه حداقل و حداکثر دمای هوا، رطوبت نسبی هوا، ساعات آفتابی و سرعت باد از ایستگاههای هواشناسی واقع در محدودههای شبکه آبیاری طرح توسعه نیشکر به مدت 6 سال (از سالهای 1382 تا (1387 به صورت روزانه جمعآوری شدند. از کل محدوده مورد مطالعه دو واحد آن (امام-EM و امیرکبیر-(AM در سمت شرق رودخانه کارون و سه واحد آن (فارابی-FA، غزالی-GHو خزاعی-(KH در سمت غرب رودخانه کارون واقع شدهاند. موقعیت کلی واحدهای کشت و صنعت نیشکر در محدوده مورد مطالعه در شکل (1) نشان داده شده است.
شکل : (1 ) موقعیت منطقه مورد مطالعه
مشخصات ایستگاههای هواشناسی و میانگین پارامترهای هواشناسی منطقه مورد مطالعه در جدول((1 ارائه شده است.
نوا در مداری خورشید آهنگ، در ارتفاع بین 833 الی 870 کیلومتری (بسته به نوع ماهواره)، با انحنای مداری 98/7 درجه هر 101/4 دقیقه یک بار به دور زمین میچرخد. این سنجنده شامل 5 باند در محدودههای طیفی مرئی، فروسرخ نزدیک، فروسرخ میانی و فروسرخ حرارتی میباشد. در این تحقیق برای تعیین دمای سطح زمین از 238 تصویر بدون ابر سنجنده AVHRR ماهوارههای نوا 16 و 18 با رزولوشن 1 کیلومتر به صورت روزانه از سال 2004تا (1387-1382) 2009 در زمان گذر بین ساعات 9 تا 12:30 به وقت گرینویچ استفاده شد. در طول دوره آماری به طور متوسط هر 9/4 روز یک بار، تصویر از منطقه مورد مطالعه موجود میباشد.
.1-2 محاسبه دمای سطح زمین
تعیین دمای سطح زمین به علت تغییرات گسیلندگی سطح که ناشی از تغییرات سطح از نظر ساختار، ترکیبات، مواد آلی، مقدار رطوبت، خصوصیات پوشش گیاهی و توپوگرافی سطح است، پیچیدهتر از تعیین دمای سطح دریا است. شاخص گیاهی تفاضل نرمال شده (NDVI)، از مهمترین شاخصهای طیفی پوشش گیاهی است که به طور وسیعی در مطالعات سنجش از دور برای تعیین تراکم پوشش گیاهی در یک منطقه و میزان سبزینگی به کار میرود. این شاخص ناشی از تفاضل بین طیف الکترومغناطیس در ناحیه قرمز (Red) و مادون قرمز نزدیک (NIR) میباشد. بر این اساس شاخص تفاضل پوشش گیاهی نرمال شده به صورت رابطه زیر تعریف شده است.
که در آن، B1 , B2، بازتاب باندهای 1 و 2 سنجده AVHRR است.
در الگوریتم مک کلاین و همکاران (1985) تنها از دمای روشنایی باندهای 4 و 5 استفاده شده است. برای لحاظ کردن تأثیرات گسیلندگی سطح زمین مقدار ثابت 10/93 در نظر گرفته شده است .[8]
در این بررسی،الگوریتم روزنه مجزای مک کلاین و همکاران (1985) جهت تعیین دمای سطح زمین در مزارع طرح توسعه نیشکر استان خوزستان استفاده شده است. شار گرمای محسوس که عامل اصلی ایجاد دما میباشد در سردترین پیکسل تصویر، با بزرگترین مقدار NDVI، صفر میباشد. سردترین پیکسل درتصاویر پیکسلی است که بخوبی آب دریافت کرده است و دارای بزرگ ترین مقدار NDVI و کمترین مقدار دمای سطحی در منطقه در حال مطالعه میباشد .[ 7] از اینرو اختلافی بین درجه حرارت هوا و دمای سطح زمین در پیکسل سرد وجود ندارد .[4] با توجه به همبستگی زیادی که بین دمای هوا و دمای سطح زمین در پیکسل سرد به علت صرف نظر کردن از شار گرمای محسوس وجود دارد، از اینرو، متوسط درجه حرارت هوا که در ایستگاههای هواشناسی منطقه مورد مطالعه اندازهگیری شده است، مبنای مقایسه الگوریتم مک کلاین و همکاران[8] قرار گرفت. با استفاده از محاسبه دمای سطح زمین ، در هر تصویر پیکسلی که دارای کمترین دمای سطح زمین در محدوده مطالعه است به عنوان پیکسل معرف تبخیر و تعرق گیاه مرجع انتخاب شده است.
.2-2 معادله پنمنمانتیث
معادله PM که توسط سازمان فائو بعنوان روش استاندارد برای تعیین ETO و مقایسه سایر روشها توصیه شده است، دراین تحقیق بعنوان مبنای ارزیابی استفاده شده است. این معادله به صورت رابطه زیر میباشد .[1]
در رابطه فوق، ETO تبخیر و تعرق گیاه مرجع (mm d-1)، Taدمای هوا (◦c)، U2 سرعت باد درارتفاع 2 متری (ms-1) ، Rn تابش خالص در سطح زمین (MJ m-2 d-1)، es-ea کمبود فشار بخاراشباع هوا (Kpa)، شیب منحنی فشار بخار اشباع با دما (KpaC-1)و γ ثابت سایکرومتر((KpaC-1 میباشند. کلیه پارامترهای فوق با استفاده از روابط پیشنهادی توسط آلن و همکاران [1] محاسبه شده است.
.3-2 مدل هارگریوز سامانی (HR)
روش هارگریوزسامانی بر اساس درجه حرارت و تابش خورشید استوار است. تنها پارامتر اندازه گیری در این روش درجه حرارت است و تابش خورشید با استفاده از عرض جغرافیایی منطقه مورد نظر برای روزهای مختلف سال تعیین میگردد. روش هارگریوزسامانی توسط سازمان خواروبار جهانی برای ایستگاههایی که تنها دمای هوا درآنها اندازهگیری میشود، توصیه شده است. استفانو و فرو (1997)، برای استفاده از سنجش از دور و تصاویر ماهواهای جهت محاسبه تبخیر و تعرق گیاه مرجع، فرمول هارگریوزسامانی را به صورت اصلاح شده زیر بیان کردند .[9]
که در آن، ، تشعشع خروجی خورشید ، ، برابر با 0/23 برای گیاه گیاه مرجع و Tmean ، متوسط دمای هوا ، است.مقدار تشعشع خروجی از سطح زمین از رابطه زیر محاسبه شده است .[2]
که در آن، ، تشعشع وارد شده به سطح زمین است و با استفاده از رابطه پیشنهادی توسط آلن و همکاران (1998) برآورد شده است. و ، ضریب آلبیدو سطح میباشد و از میانگین عدد رقومی باندهای1 و2 ماهواره نوا بر حسب درصد برآورد شده است.در این روش دمای سطح زمین برآورد شده از تصاویر ماهوارهای و الگوریتمهای روزنه مجزا بجای درجه حرارت هوا به عنوان ورودی مدل مورد استفاده قرار گرفته است.
برای بررسی نتایج مدل بوسیله نتایج تجربی، تستهای آماری مورد استفاده قرار میگیرند. در این تحقیق از شاخصهای آماری ضریب تبیین (R2) ، میانگین انحراف خطا (MBE) و ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) استفاده شده است.
