بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
برآورد تبخیر و تعرق توسط الگوریتم بیلان انرژی سطح زمین
چکیده
با توجه به محدود بودن منابع آب در کشور استفاده از راهکار مناسبی جهت تعیین نیاز آبی واقعـی گیاهـان ضـروری است. تبخیر و تعرق گیاهان جزئی از بیلان انرژی سطح زمین است کـه تصـاویر مـاهوارهای امکـان انـدازهگیری آن را در اختیار می گذارند. این تصاویر امکان برآورد تبخیر و تعرق به صورت بهنگام و با توجه به شرایط منطقه در هـر پیکسـل را در اختیار قرار می دهند. الگوریتمهای متعددی برای برآورد تبخیر وتعرق گیاهان در اختیار است از جمله الگوریتم بـیلان انرژی سطح زمین . (SEBAL) در این تحقیق الگوریتم سبال برای برآورد تبخیر و تعـرق گیاهـان زراعـی بـا اسـتفاده از تصویر ماهواره ای مودیس و داده های هواشناسی شهرستان کرمان اجرا شد و نتایج به دست آمده بـا مقـادیر لایسـیمتری اندازهگیری شده مقایسه گردید. مقدار RMSE 29/0 به دست آمد، متوسط خطای نسبی در مورد تبخیـر و تعـرق روزانـه %6/2 و در مورد تبخیر و تعرق ساعتی، % 4/2 می باشد.
واژه های کلیدی مودیس، سبال، تبخیر و تعرق، کرمان، اقلیم نیمه خشک
مقدمه
بیشتر روشهای برآورد تبخیر و تعرق، بر اساس تعیین تبخیر و تعرق((ET پتانسیل برای گیاه مرجع که کمبود رطوبت ندارد، استوارند. سپس با اعمال ضریب گیاهی مناسب((kc، تبخیر و تعرق واقعی گیاه((ETa، تعیین میگردد. دادههای مورد نیاز این روشها در ایستگاههای هواشناسی اندازه گیری می شود که با توجه به تغییرات مکانی پارامترهای جوی موثر در فرایند تبخیر و تعرق نتایج حاصله از مدلها فقط برای سطح محدودی که ایستگاههای هواشناسی در آن واقع شده کاربرد عملی دارد. علاوه بر این، توزیع تبخیر و تعرق در یک منطقهی بزرگ بستگی به تبخیر و تعرق واقعی دارد نه تبخیر و تعرق گیاه مرجع. تبخیر و تعرق به پارامترهای مختلفی از جمله خصوصیات فیزیکی سطح زمین از جمله نوع خاک و پوشش گیاهی وشرایط آب و هوایی بستگی دارد که حتی در مقیاس مزرعهای نیز تغییر میکند( Zhang et .(al,2005 حتی لزوما زیاد شدن تبخیر و تعرق پتانسیل به ازدیاد تبخیر و تعرق واقعی نمیانجامد(.(Bouchet,1963 هنگامی که خاک سطحی خشک می شود، با زیاد شدن تبخیر و تعرق پتانسیل، تبخیر و تعرق واقعی کاهش می یابد.
لایسیمتر وزنی یکی از بهترین وسایل اندازهگیری تبخیر و تعرق یک پوشش گیاهی است، با اینحال نصب لایسیمتر در نواحی مورد نظر از لحاظ اقتصادی و فنی امکانپذیر نیست و نگهداری از این وسیله در دورهی زمانی طولانی گران تمام شده و بیشتر برای واسنجی سایر روشها به کار میرود(.(Xu and Chen, 2005 دادههای سنجش از دور که توسط ماهوارهها برداشت میشود، این مزیت را دارند که از آنها میتوان اطلاعات همزمانی را در یک منطقهی وسیع به دست آورد. برخی از پارامترهای مورد نیاز مدلهای تبخیر و تعرق مثل دمای هوا، دمای سطح زمین و تابش خالص رسیده به زمین، امروزه بوسیله دادههای ماهوارهای تعیین می شود. با استفاده از تصاویر سنجندههای ماهوارههایی که در باندهای حرارتی، مرئی و مادون قرمز نزدیک تصویر برداری می کنند، میتوان دمای سطح زمین و شاخص پوشش گیاهی را تعیین کرد. به دلیل کمبود تکنیک و وسایل اندازهگیری شارهای سطحی، استفاده از تکنیکهای سنجش از دور، اجتنابناپذیر است. روشهای مختلفی برای برآورد تبخیر و تعرق واقعی توسط روشهای سنجش از دور ارائه شده است.
البته این روشها کاملا مستقل از دادههای هواشناسی نبوده و به صورت توامان استفاده میشوند. یکی از روشهایی که برای برآورد تبخیر و تعرق با استفاده از تصاویر ماهوارهای پیشنهاد شده است، الگوریتم بیلان انرژی در سطح زمین یا سبال است که توسط((Bastiaanssen et al,1998 ارائه شده است. الگوریتم سبال از تصاویر سنجدههایی استفاده میکند که دارای باندهای مرئی و مادون قرمز حرارتی هستند و تبخیر و تعرق به صورت پیکسل به پیکسل برای زمان گذر ماهواره محاسبه میشود. فرآیند سبال بر اساس محاسبه بیلان انرژی برای هر پیکسل میباشد( Bastiaanssen et .(al,1998 بطور خلاصه برآورد تبخیر و تعرق توسط مدلهای مرسوم و نیز لایسیمتر برای سطح محدودی صادق است
که دادههای هواشناسی از آن استخراج شده است و مربوط به گذشته است. حال آنکه سنجندههای ماهواره امکان جمع آوری همزمانی را در یک منطقه وسیعی فراهم میکنند.
از مزایای الگوریتم سبال عدم نیاز به نقشه کاربری اراضی است. در این صورت سبال با استفاده از شاخص گیاهی تعدیل اثر خاک2 و برآورد شاخص سطح برگ3 شار گرمای محسوس را برآورد نموده و تبخیر و تعرق را محاسبه مینماید. در این تحقیق مقادیر حاصل از برآورد تبخیر و تعرق توسط سبال با مقادیر اندازهگیری شده توسط لایسیمتر وزنی مورد مقایسه قرار گرفته است.
مواد و روشها
این مطالعه توسط تصاویر سنجنده مودیس انجام شد. این تصاویر دارای باندهای مرئی و مادون قرمز نزدیک و مادن قرمز حرارتی میباشند. از این دادهها دمای سطح زمین، شاخصهای گیاهی شاخص گیاهی نرمال4 و شاخص سطح برگ آلبیدوی سطح و گسیلمندی محاسبه میگردد. دادههای مودیس هر روز در اختیار است و در باندهای مرئی دارای قدرت تفکیک مکانی 250 متر و در باندهای مادون قرمز نزدیک دارای قدرت تفکیک مکانی 500 متر و در باندهای مادون قرمز حرارتی دارای قدرت تفکیک مکانی 1km است. در این مطالعه از 5 تصویر مودیس جهت برآورد و مقایسهسبال با مقادیر لایسیمتری استفاده شده است. پیشپردازش تصاویر با کمک نرمافزار ENVI صورت گرفت.
اطلاعات هواشناسی مورد نیاز برای این تحقیق، دمای نقطهی شبنم جهت محاسبه میزان بخار آب موجود در جو، سرعت باد و به صورت ساعتی از ایستگاه سینوپتیک کرمان(فرودگاه) واقع در 5 کیلومتری محل لایسیمتر از طریق سازمان هواشناسی کشوری و سایت این سازمان جمعآوری شد. در این تحقیق داده های لایسیمتری مربوط به لایسیمتر وزنی جهاد دانشگاهی دانشگاه شهید باهنر کرمان مورد استفاد قرار گرفت. مشخصات جغرافیایی این لایسیمتر، 30 درجه و 14 دقیقه و 23/3 ثانیهی شمالی و 57 درجه و 7 دقیقه و 39/8 درجهی شرقی میباشد.
منطقه مورد مطالعه
استان کرمان با مساحتی حدود 18 میلیون هکتار(%11مساحت کل کشور) در بخش وسیعی از در بخش وسیعی از مناطق کویری جنوب شرق فلات ایران واقع شده است (آمارنامه استان کرمان،.(1379 در استان کرمان حدود 760 هزار هکتار باغ و زراعت وجود دارد که در صورت تأمین منابع آبی تا میزان 400 هزار هکتار دیگر نیز قابل گسترش خواهد بود 99/7 درصد از سطح زیر کشت استان آبی میباشد کدوری و عقدایی(.(1386 عمده محصول زراعی این استان، گندم میباشد که با وسعت حدود 64545 هکتار بیشترین سطح کشت را به خود اختصاص داده است(آمارنامهی زراعی سال زراعی (85-84 که سهم شهرستان کرمان نیز در حدود 6000هکتار میباشد(گزارش تحلیلی مزارع گندم (مرحله کاشت) استان کرمان،.(1387
معرفی الگوریتم سبال
الگوریتم سبال توسط Bastiaanssen et al. (1998) ارائه شده است. در این روش تبخیر و تعرق به عنوان باقیماندهی بیلان انرژی زمین محاسبه میشود.
که در آن:
λET شار گرمای نهان، Rn شار گرمای خالص، G شار گرمای خاک و H شارگرمای محسوس، RS↓ تابش موج کوتاه ورودی، RL↓ تابش موج بلند ورودی، RL↑ تابش موج بلند خروجی (وات بر متر مربع)، α آلبیدوی سطحی، ε0گسیلمندی سطحی عریض باند (بدون بعد) میباشد.
شار گرمای محسوس که عبارتست از میزان هدر رفت گرما به هوا به وسیله جریان همرفتی و هدایت مولکولی به علت اختلاف دما، با استفاده از معادله زیر برای انتقال گرما محاسبه میشود :
که در آن ρ چگالی هوا (kg/m3)، Cp گرمای ویژه هوا (1004J/kg/K)، dT اختلاف دمای بین دو ارتفاع(Z1 و(Z2 بر حسب درجهی کلوین و rah مقاومت آیرودینامیکی برای انتقال گرما (s/m) میباشد. Z1 ارتفاع دقیقا بالای جابجایی سطح صفر برای سطح یا پوشش گیاهی، Z2 مقدار کمی بالای سطح جابجایی صفر میباشد. در سبال مقادیر 0/1 برای Z1و 2 متر برای Z2 در نظر گرفته میشود.
برای محاسبه ی شارگرمای محسوس به صورت زیر محاسبه میکنیم:
ابتدا مقاومت آیرودینامیک برای انتقال گرما از رابطه ی زیر به دست میآید.
در این رابطه u* سرعت اصطکاکی بر حسب متر در ثانیه، k ثابت ونکارمن((0/41است. سرعت اصطکاکی نوسانات تلاطمی سرعت را در هوا کمی میکند.u* از رابطهی زیر به دست میآید.
ux سرعت باد در ارتفاع zx بر حسب متر در ثانیه، zom طول زبری مومنتم(متر) است. طول زبری مومنتم مقدار مقاومت پوسته برای لایهای از هواست که با نزدیکی زمین در تماس است.
طول زبری مومنتم در اطراف ایستگاه توسط رابطهی تجربی زیر محاسبه میشود.
در این رابطه h ارتفاع پوشش گیاهی در اطراف ایستگاه بر حسب متر می باشد.
.2سرعت باد در ارتفاعی در بالای ایستگاه هواشناسی که اثر زبری سطح در آن تاثیر ندارد محاسبه میشود. این ارتفاع به نام" ارتفاع اختلاط" نامیده میشود و 200 متر فرض میشود. U200 از رابطهی زیر محاسبه میشود.
در این رابطه u* سرعت اصطکاکی در ایستگاه هواشناسی است.
.3سرعت اصطکاکی در هر پیکسل از رابطهی زیر محاسبه میشود. فرض میشود u200 برای همه ی پیکسلها ثابتباشد زیرا این سرعت، سرعت در ارتفاع اختلاط است که تحت تاثیر شکل سطح قرار نمیگیرد.
طول زبری مومنتم نیز برای هر پیکسل از رابطهی زیر محاسبه میشود.
شاخص سطح برگ نسبت کل مساحت برگها در یک گیاه به مساحت زمینی است که به گیاه اختصاص یافته است و از رابطهی زیر محاسبه میشود.
شاخص گیاهی تعدیل اثر خاک شاخصی است که اثرات خاک را روی شاخص گیاهی نرمال کم میکند. این شاخص اثرات رطوبت خاک را در شاخص گیاهی نرمال تعدیل میکند شاخص گیاهی تعدیل اثر خاک از رابطهی زیر به دست میآید.
در این رابطه ρNIR و ρR به ترتیب بازتابش باندهای مادون قرمز نزدیک و قرمز میباشند. L ضریب تعدیل خاک میباشد در پژوهشها مقدار 0/5 برای ضریب تعدیل خاک پیشنهاد شده است. مقادیر ضریب تعدیل خاک از 0 در مناطق مرطوب تا 1 در مناطق خشک متغیر است(Basstiansen et al. (2002) .(Liang,2004 مقدار L را در منطقه ی آیداهو را 0/1 توصیه نمودند.
.4 برای محاسبهی شار گرمای محسوس، از معادلهی 3 نیاز به اختلاف دمای نزدیک سطح داریم که با استفاده از dT=Tz1-Tz2 تعیین میشود. دمای هوا در هر پیکسل مشخص نیست و بنابراین در مدل سبال با فرض یک رابطه خطی بین dT و دمای سطح زمین مقادیر dT را برای هر پیکسل محاسبه مینماید.
که در آن aوb ضرایب همبستگی میباشند.
