بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
برآورد تبخیر وتعرق واقعی با استفاده از مدل متریک
چکیده
در این تحقیق کارایی یک روشنسبتاً جدید به نام متریک در برآورد تبخیر و تعرق واقعی (ETact) بر روی سه محدوده کشاورزی واقع در مجاورت ایستگاه های سینوپتیک مشهد، گلمکان و قوچان مورد بررسی قرار گرفته است. برای انجام این کار از تصاویر سنجنده استر و الگوریتم توازن انرژی متریک استفاده شد. روش متریک با استفاده از تبخیر و تعرق مرجع (مبتنی بر دادههای زمینی) کالیبره میشود، تا خطای محاسباتی معمول در روشهای بیلان انرژی مبتنی بر سنجش از دور را کاهش دهد. با توجه به نتایج به دست آمده، میانگین تبخیر و تعرق واقعی برای سه محدوده کشاورزی گلمکان، مشهد و قوچان به ترتیب برابر با 2/06، 0/959 و 0/85 میلی متر در روز به دست آمد. همچنین نتایج نشان داد که مدل توازن انرژی متریک از مدل های مناسب جهت برآورد تبخیر و تعرق واقعی در مقیاس محلی در منطقه مورد مطالعه میباشد.
واژگان کلیدی: بیلان انرژی، تبخیر و تعرق واقعی، سنجش از دور، متریک
.1 مقدمه
طی فرآیند تبخیر و تعرق (ET1) حجم بالایی از آب خاک سطحی به صورت تبخیر و آب خاک زیر سطحی از طریق پوشش گیاهی و به صورت تعرق به اتمسفر انتقال داده می شود. پایش مستمر مقدار مصرف آب برای پروژه های آبیاری از نقطه نظر مدیریت حقابه ها، برنامه ریزی آبیاری، افزایش بهره وری آب، و تنظیم بیلان هیدرولوژیکی آب حوضه مهم می باشد. به علاوه، تفاوت های بین ET واقعی و پتانسیل، به عنوان یک شاخص کمبود آب، در قدرت تفکیک مکانی بالا در بسیاری از کاربردها از جمله کشاورزی و منابع آب مورد توجه است. همچنین، رطوبت خاک (قابل برآورد به کمک تبخیر و تعرق واقعی) یک ورودی با ارزش برای مدل های بارش- رواناب می باشد.
مدل متریک یک مدل پردازش تصویر ماهواره ای برای محاسبه تبخیر و تعرق واقعی (ETact2) متناظر با باقیمانده بیلان انرژی سطحی است. این مدل اصول و تکنیک هایی دارد که عمده آن ها در مدل سبال نیز بکار می رود، گر چه تفاوت هایی نیز با یکدیگر دارند. در این مدل بیلان انرژی مبتنی بر ماهواره با کالیبراسیون داخلی در دو شرایط آستانه (خشک و مرطوب) با استفاده از داده های هواشناسی موجود محلی کالیبره می شود. کالیبراسیون خودکار برای هر تصویر با استفاده از یک ET مرجع یونجه(ETr) 3 که از اطلاعات ساعتی آب و هوا محاسبه شده است، انجام می شود.
آلن و همکاران (2005) طی تحقیقی در منطقه کیمبرلی آیداهو به ارزیابی مدل متریک با داده های لایسیمتری پرداخته و تفاوت بین مقادیر مدل متریک و داده های لایسیمتر برای ET محصول چغندر قند طی فصل رشد را کمتر از 4 درصد به دست آوردند. همچنین در تحقیقی دیگر توسط آلن وهمکاران 2005)و(2007b با به کار بردن الگوریتم متریک و مقایسه با مقادیر لایسیمتری، میزان خطا در برآورد تبخیر و تعرق چمن و چغندر قند به ترتیب 4 و 1 درصد، برای فصل رشد، به دست آمد.
فالز و همکاران (2009) با استفاده از تصاویر ماهواره لندست و مدل توازن انرژی متریک مقادیر تبخیر و تعرق را در برزیل محاسبه نمودند. نتایج نشان داد که مدل متریک می تواند به منظور برآورد مصرف آب و بهبود مدیریت آب در نواحی نیمه خشک و تحت آبیاری شمال شرق برزیل به کار رود. در مقاله حاضر سعی بر این است تا اساس و الگوریتم اجرایی مدل متریک ارائه شده و امکان کاربرد آن در مناطق مشهد، گلمکان و قوچان مورد بررسی قرار گیرد.
.2 مواد و روش ها
.1 .2 مجموعه داده ها و منطقه مورد مطالعه
محدوده مورد مطالعه شامل اراضی کشاورزی اطراف ایستگاه های هواشناسی سینوپتیک مشهد، گلمکان و قوچان بوده که به ترتیب واقع در36˚ 16 عرض شمالی، 59˚ 38 طول شرقی، 36˚ 29 عرض شمالی، 59˚17 طول شرقی و 37˚11 عرض شمالی، 58˚54 طول شرقی می باشند. در این تحقیق از تصاویر سنجنده استر مستقر بر روی ماهواره ترا استفاده شد. تصویر مربوط به اراضی کشاورزی در محدوده ایستگاه هواشناسی مشهد مربوط به تاریخ 1380/4/2 (ساعت 10:57 صبح)، تصویر مربوط به اراضی کشاورزی در محدوده ایستگاه هواشناسی گلمکان مربوط به تاریخ 1380/5/12 (ساعت 10:57 صبح)، و تصویر مربوط به اراضی کشاورزی در محدوده ایستگاه هواشناسی قوچان مربوط به تاریخ 1380/8/16 (ساعت 10:40 صبح) می باشد.
2.-2 الگوریتم توازن انرژی متریک
اساس نظری و محاسباتی مدل متریک توسط ریچارد آلن و همکاران در سال2007 شرح داده شده است. به طور کلی در مدل متریک ET از تصاویر ماهواره ای با بکارگیری یک بیلان انرژی در سطح تعیین می شود. جایی که انرژی مصرف شده توسط جریان ET به عنوان یک باقی مانده از معادله انرژی سطحی محاسبه می شود:
در معادله فوق، شار گرمای نهان، شار تابش خالص (مجموع تمام تابش موج کوتاه و بلند ورودی و خروجی در سطح زمین)، شار گرمای خاک و شار گرمای محسوس می باشد. پارامترها در معادله (1) برحسب وات بر متر مربع بیان می شوند.
شار تابش خالص واقعی در سطح معرف انرژی تابشی در سطحی است که به H، G و LE جزء بندی می شود. با استفاده از موازنه شارهای تابشی خروجی و ورودی محاسبه می شود:
که تابش طول موج کوتاه ورودی (Wm-2)، آلبیدوی سطحی (بدون بعد)، تابش طول موج بلند خروجی (Wm-2) ، تابش طول موج بلند ورودی (Wm-2) و گسیلمندی حرارتی سطحی باند پهن (بدون بعد) است. عبارت معرف کسری از تابش طول موج بلند ورودی است که از سطح منعکس می شود.
شار گرمای خاک، میزان ذخیره گرما در خاک و پوشش گیاهی به علت رسانش است. اندازه گیری مقدار گرمای خاک به طور مستقیم با استفاده از تکنیک سنجش از دور امکان پذیر نیست اما مطالعات بسیاری نشان داده اند که بین نسبت شار گرمای خاک و تابش خالص (G/Rn) و پارامترهایی چون NDVI، دمای سطح زمین Ts و آلبیدو رابطه وجود دارد. در این مقاله از معادله ی تجربی ( 3و(4 جهت برآورد مقدار شار گرمای خاک استفاده شده است.
در روش متریک جهت برآورد شار گرمای محسوس، ابتدا دو پیکسل آستانه انتخاب می شوند یکی از این پیکسل ها که پیکسل سرد نامیده می شود مربوط به منطقه ای است که به طور کامل پوشیده از پوشش گیاهی آبیاری شده است و دمای سطح زمین در این پیکسل نزدیک به دمای هواست و تبخیر و تعرقی معادل تبخیر و تعرق مرجع دارد. پیکسل دوم که پیکسل گرم نام دارد زمین کشاورزی بدون پوشش گیاهی و خشک می باشد. بنابراین مقدار شار گرمای نهان تبخیر در این پیکسل صفر فرض می شود. در روش متریک طبق معادله ی (1) و بر اساس مقادیر شار گرمای نهان تبخیر دو پیکسل مذکور، شار نهان تبخیر سایر پیکسل ها تخمین زده می شود. مقدار شار گرمای محسوس به صورت ذیل برآورد می شود.
که در آن، ρ چگالی هوا ( kg/m2 ) ، Cp گرمای ویژه هوا (1004 J/kg/K) ، dT اختلاف دمای هوای نزدیک سطح (K) و rah مقاومت آئرودینامیک برای انتقال گرماست .(s/m)
بر طبق معادله فوقu* سرعت اصطکاکی (m/s)، k ثابت ون کارمن و g ثابت گرانش (m/s2) می باشد. چنانچه L<0 باشد شرایط جوی ناپایدار و H مثبت بوده و گرما از سطح زمین به هوا منتقل می شود، اگر L>0 باشد شرایط جوی
ناپایدار و مقدار H منفی بوده و گرما از هوا به سطح زمین منتقل می شود و در شرایط خنثی مقدار L برابر با صفر است و انتقال گرما صورت نمی گیرد. پس از آنکه مقدار شار گرمای محسوس بر اساس شرایط جوی تصحیح گردید مقدار شار گرمای نهان تبخیر لحظه ای مطابق با فرمول (1) برای هر پیکسل محاسبه می گردد و سپس با استفاده از معادله ی (7) مقدار تبخیر و تعرق واقعی لحظه ای (ETinst) برآورد می شود.
کسر تبخیر و تعرق مرجع ( ( ETr F به صورت نسبت تبخیر و تعرق لحظه ای ( ( ETinst محاسبه شده از هر پیکسل به تبخیر و تعرق مرجع ( ( ETr محاسبه شده از اطلاعات هواشناسی مقدار ETr بر اساس داده های ایستگاه هواشناسی
