بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
برآورد تبخیر تعرق واقعی مبتنی بر تصاویر ماهواره NOAA-AVHRR و الگوریتم SEBS (مطالعه موردی: حوضه آبریز دریاچه ارومیه)
چکیده
تبخیر وتعرق یکی از اجزای اصلی بیلان آب می باشد که اندازه گیری مقدار واقعی آن عملا بامحدودیت و پیچیدگی های خاصی روبه رو است. اندازه گیری تبخیر و تعرق عموما نقطه ای بوده و حداکثر سطح مزرعه و یک منطقه کوچک را پوشش می دهد. مقادیر این پارامتر در مقیاس های زمانی و مکانی ضروری می باشد لذا استفاده از فناوری سنجش از راه دور باتوجه به امکان برآورد مکانی و زمانی اطلاعات می تواند رویکرد مناسبی جهت پاسخ به این محدودیت باشد. امروزه استفاده از الگوریتم های سنجش از دوری که اساس آن معادله بیلان انرژی می باشد، تبخیر وتعرق را در سطح وسیع تر با دقت بیشتر و هزینه کمتر میسر ساخته است. در این راستا برای مطالعه حاضر از تصاویر سنجنده NOAA-AVHRR و به کار گیری الگوریتم SEBS، داده های مربوط به ایستگاه سینوپتیک تبریز، ارومیه، سقز طی فصل رشدبرای ماه های مه تا آگوست سال 8002 تا 8002 استفاده و تبخیر تعرق واقعی به صورت ماهانه برای کاربری های کشاورزی در حوضه آبریز دریاچه ارومیه برآورد گردید و نتایج حاصل از الگوریتم، با نیاز
خالص آب آبیاری مقایسه شد تا صحت مدل در حوضه دریاچه ارومیه برآورد گردد. نتایج پژوهش با ضریب تبیین = ./28 دقت مناسب مدل را برای کاربری های کشاورزی آبی در حوضه دریاجه ارومیه نشان داد.
واژههای کلیدی: تبخیر و تعرق واقعی، نیاز خالص آبیاری، سنجش از دور، سنجنده NOAA-AVHRR، الگوریتم SEBS
-1 مقدمه
حوضه آبریز دریاچه ارومیه از نظر درجه بندی در زمره حوزه های آبریز درجه یک بشمار می رود که دارای مساحت تقریبی 80700 کیلو متر مربع می باشد. این حوزه آبریز در سه استان آذربایجان شرقی، آذربایجان غربی، و کردستان واقع شده است . تغیر کاربری اراضی، توسعه اراضی کشاورزی و بهره برداری بی رویه از منابع آب از عوامل اصلی به هم خوردن تعادل اکولوژیک و افزایش مصرف آب در حوضه آبریز دریاچه ارومیه می باشد (باقری و همکاران، .(0320
تبخیر و تعرق واقعی یکی از عوامل مهم در چرخه هیدرولوژی مدیریت منابع آب و برنامه ریزی آبیاری و از جمله عوامل تعیین کننده معادلات انرژی در سطح زمین و توازن آب می باشد. لذا 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 اطلاعات نقطهای 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 که می توان به (اندرسون و همکاران، (8007، (دیاک و همکاران، (8002، (پاک پرور و همکاران (8002، (تیمرمنس و وندر ولد، (8008 اشاره کرد .
جهت تعیین تبخیر- تعرق با استفاده از اطلاعات ماهوارهای می توان به الگوریتم های متعددی همچون سیستم بیلان انرژی سطح SEBS (سو ،(8008، بیلان انرژی در سطح زمین SEBAL (بستینسن و همکاران، (0222، SEBI (مننتی و چودهوری، (0223، SSEB (سنی و همکاران ، (8007، Metric (آلن و همکاران، (8007 اشاره نمود. از بین روش های ذکر شده در این مطالعه جهت برآورد تبخیر وتعرق واقعی و صحت سنجی این پارامتر از الگوریتم SEBS استفاده شد.
سیستم بیلان انرژی سطح (SEBS) مخفف Surface Energy Balance System ، برای برآورد شارهای جریان گرما (انرژی) و کسر تبخیری توسط Su در 8008 پیشنهاد شد . الگوریتم SEBS برای ایجاد تبخیر و تعرق روزانه، ماهانه و سالانه، در یک محیط نیمه خشک و همچنین برای پایش خشکسالی توسط Su و همکاران در سال 8003 ارائه شد. Su از تصاویر ماهواره ای همراه با اطلاعات هواشناسی برای حل معادله بیلان انرژی استفاده کرد. از مزیت های این الگوریتم برآورد تبخیروتعرق برای سطوح و مقیاس های مختلف می باشد. این مدل برای برآور تبخیر و تعرق در حوضه Taiyuan در چین (Jin et al, 2005) ، Barrax اسپانی (su and Jacob, 2001)، برآورد شار گرمای نهان در Tomelloso اسپانیا (Jia et al, 2003)، و برای پایش خشکسالی در جنوب غربی چین (su et al, 2003) ، مورداستفاده قرار گرفته است.
در مطالعه ای در هلند (هیل جورجیس ، (8002، به منظور براورد تبخیر و تعرق واقعی در تابستان از الگوریتم SEBS استفاده کردند . در این مطالعه الگوریتم SEBS ، تبخیر تعرق واقعی براورد شده توسط تغیرات زمانی و مکانی را برای کاربری های مختلف زمین نشان داد . مقایسه بین تبخیر و تعرق مرجع و Kc در الگوریتم SEBS قدرت این مدل را در این مطالعه نشان داد. در خصوص برآورد تبخیر و تعرق واقعی با به کار گیری اطلاعات سنجش از دور در کشور نیز مطالعاتی صورت گرفته که به تعدادی از آنها اشاره می شود.
(ضیایی و همکاران، (0323 برای براورد تبخیر ماهانه از سطح دریاچه ارومیه دو الگوریتم سنجش از دوری SEBS و SEBAL را هدف مطالعه خود قرار دادند. در این راستا از تصاویر سنجنده Modis برای ماه های خرداد، تیر، مرداد، و شهرویور سال های 0328 - 0322استفاده کردند. لذا برای ارزیابی این دو الگوریتم از داده های تشت تبخیر ایستگاه هواشناسی ارومیه استفاده کردند.
نتایج برای هر دو الگوریتم قابل قبول بود ولی الگوریتم SEBS علی رغم سادگی روابط و پیاده سازی آن، از دقت بالاتری نسبت به الگوریتم SEBAL برخوردار بود.
(پاک پرور و همکاران ، (8000 با استفاده از روش SEBS و تصاویر لندست 8 تبخیر و تعرق واقعی دشت گربایگان استان فارس را براورد کردند. در این بررسی R.sun تشعشع خالص و تبخیر و تعرق واقعی براورد شد و با تبخیر و تعرق مرجع مقایسه شد. نتایج نشان داد r.sun در مقایسه با SEBS با تبخیر و تعرق مرجع هماهنگی بیشتری داشت اما مدل SEBS در براورد زمانی و مکانی تبخیر و تعرق توانایی مطلوبی نشان داد.
(حیدر نژاد و همکاران، (0328، به منظور تعیین دقت مدل SEBS در براورد تبخیر و تعرق واقعی در منطقه خشک یزد با استفاده از تصاویر Landsat 5 TIM و الگوریتم SEBS تبخیر و تعرق واقعی مربوط به دوره آماری 0220-8000 در منطقه مرکزی یزد را براورد کردند و نتایج حاصل را با نتایج تشت تبخیر و معادله فائو پنمن مانتیث مقایسه کردند. نتایج نشان داد تبخیر و تعرق واقعی بدست آمده با الگوریتم SEBS با تبخیر و تعرق روش فائو پنمن مانتیث از لحاظ آماری ضریب همبستگی معنی داری داشت اما به دلیل نبود یک پیکره آبی در منطقه مورد مطالعه از سطح همبستگی مناسبی برخوردار نبود.
(رحیمی خوب، (0322 با استفاده از دادههای ماهوارهای NOAA-AVHRR تبخیر و تعرق گیاه مرجع را در حوزه آبریز دریاچه ارومیه به دست آورد. در این تحقیق پارامتر دمای سطح زمین استخراج شده از دادههای ماهوارهای و شاخص NDVI به همراه طول و عرض جغرافیایی، ارتفاع و شماره روز از سال به عنوان ورودیهای مدل رگرسیون چند متغیره درجه 8 مورد استفاده قرار گرفته و دما و رطوبت نسبی هوا جهت برآورد تبخیر و تعرق محاسبه گردید. نتایج مدل با نتایج روش هارگریوس (Hargreaves) مورد مقایسه قرار گرفت و ملاحظه گردید که خطای برآورد در حدود 0/32 تا 0/22 میلیمتر در روز میباشد.
در همین راستا در این مطالعه تلاش می گردد، با به کارگیری الگوریتم SEBE در حوضه آبریز دریاچه ارومیه ، میزان عملکرد روش مذکور ارزیابی و مقادیر تبخیر و تعرق واقعی با به کار گیری فناوری سنجش از دور براورد و نتایج حاصل با نیاز خالص آبیاری محصول سیب زمینی در دوره رشد مقایسه گردد.
-2 روش تحقیق
-1-2 محدوده مطالعاتی
حوضه آبریز دریاچه ارومیه با وسعتی برابر 80700 کیلو متر مربع بین مدار های 20 و 38 تا 82 و 22 شمالی و نصف النهار 03 و 22 تا 83 و 27 شرقی در شمال غرب ایران قرار دارد . مقادیر بارندگی در سطح حوضه از 380 تا 200 میلی متر متغیر بوده و اقلیم بیشتر بخش های نیمه خشک است. از نظر توپوگرافی حدود 33270 کیلومتر مربع آن را منطقه های کوهستانی 08820 کیلومتر مربع آن را دشت ها و کوهپایه ها و 8380 کیلومتر مربع آن را دریاچه ارومیه تشکیل می دهد (باقری و همکاران، .(0320 شکل (0) موقعیت کلی حوضه آبریز دریاچه ارومیه، بر روی یک تصویر ماهواره لندست 8 را نشان می دهد.
در این مطالعه تصاویر از ماهوارههای NOAA-18 و NOAA-19 سنجندهی AVHRR با قدرت تفکیک 0/0 کیلومتر با فرمت (Local Area Coverage ) LAC از ماه های مه تا آوت ( اوایل اردیبهشت تا اوایل شهریور) سال 8002 و 8002 به صورت روزانه، برای هر ماه به طور میانگین پنج تصویر بدون پوشش ابر از آرشیو وب سایت سازمان ملی هوانوردی و فضایی آمریکا www.class.ngdc.noaa.gov (NASA) اخذ گردید. علت انتخاب تصاویر سنجنده AVHRR در دسترس بودن تصاویر به صورت روزانه بود.
-2-2 آماده سازی دادها
فایل اطلاعات تصاویر بافرمت LAC شامل: اطلاعات مداری، ژئومتری و ضرایب کالیبراسیون برای باند های سنجنده AVHRR می باشد. با استفاده از اطلاعات فایل هر تصویر، بازتابندگی (Reflectance) در باندهای 0، 8 و 3 (مرئی، مادون قرمز نزدیک و مادون قرمز میانی) و دمای درخشندگی (Brightness) در باندهای 2 و 8 (مادون قرمز حرارتی) با در نظر گرفتن اصلاحات مربوط به زاویه میل خورشیدی محاسبه گردید. در این مطالعه برای عملیات ذکر شده همچنین پردازش ، زمین مرجع و کالیبره کردن تصاویر از نرم افزار ENVI نسخه 5 استفاده شد.
برای اجرای اگوریتم SEBS پارامتر های هواشناسی شامل دمای هوا ، سرعت باد ، و دمای نقطه شبنم مورد نیاز است. این اطلاعات از ایستگاه هواشناسی تبریز، ارومیه، سقز، جمع آوری و مورد استفاده قرار گرفت علت انتخاب این ایستگاه ها قدمت و صحت اطلاعات موجود بود . همچنین به منظور برآورد تبخیر و تعرق مرجع و ارزیابی مدل SEBS، داده های هواشناسی در ای سه ایستگاه مورد استفاده و بررسی قرار گرفت. کاربری های کشاورزی با استفاده از نرم افزار Google Earth و تصاویر LANDSAT 5 TM مشخص و نقاط تعیین شده با خروجی مدل SEBS تعیین و در نهایت تبخیر و تعرق واقعی برای کاربری های کشاورزی در حوزه آبریز دریاچه تعیین شد.
-3-2 الگوریتم SEBS
به طور کلی تمامی الگوریتمهای برآورد اجزای شار انرژی بر اساس معادله بیلان انرژی استوار میباشند. در ادامه به تفکیک اجزای معادله بیلان انرژی اشاره میشود.
رابطه (0)
-1-3-2 شار تابش خالص RN
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((8 میباشد.
در رابطه 0 ، آلبیدوی سطحی، تابش موج کوتاه فرودی که مقادیری از 0/3 تا 3 میکرومتر را دارد , W/m2 تابش موج بلند فرودی که مقدار آن 3 تا 000 میکرومترمیباشد W/m2 , تابش موج بلند بازتابیده (W/m2) و گسیلمندی سطحی پهن باند میباشد.
-2-3-2 شار گرمای خاک G
شار گرمای خاک میزان انرژی وارد شده به خاک و پوشش گیاهی در اثر هدایت ملکولی می باشد. معادله شار گرمای خاک در SEBS به صورت زیر بیان می شود.
و ضرایب تجربی هستند و با استفاده از مشاهدات تجربی تعیین می شوند و به نوع خاک و پوشش گیاهی وابسته اند برای اغلب خاکهای بایر و بدون کشت و برای پوشش گیاهی اغلب فرض می شود
