بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
برآورد تبخیر و تعرق واقعی در مقیاس منطقه ای با استفاده از تکنیک سنجش از دور و مدل SEBAL
چکیده:
برآورد تبخیر و تعرق در مواردی از قبیل برنامه ریزی آبیاری، توازن هیدرولوژیکی، طراحی و مدیریت سیستم های آبیـاری و پیش بینی میزان عملکرد محصول ضروری است. بنابراین محققین بسیاری تلاش کرده اند تا مقادیر تبخیر و تعـرق را در مقیـاس های مختلف زمانی و مکانی به دست آورند. سنجش از دور از جمله تکنیک های جدیدی است که می تواند بدین منظور اسـتفاده شود. از این رو در این تحقیق سعی شده است تا توزیع مکانی تبخیر و تعرف روزانـه در منطقـه کرمانشـاه بـا اسـتفاده از تصـاویر سنجنده AVHRR ماهواره NOAA و به کارگیری الگوریتم توازن انرژی سطح خشکی (SEBAL1) بدست آید. پس از برآورد پارامترهای دمای سطح زمین، آلبیدو و شاخص های پوشش گیاهی، مقادیر شاخص سطح برگ، گسیلندگی سطح و تابش خـالص محاسبه و نقشه توزیع مکانی تبخیر و تعرق روزانه در سطح منطقه بدست آمد. بر اساس نتایج بدسـت آمـده، نـواحی بـا پوشـش گیاهی متراکم و دمای پایین دارای مقادیر بالای تبخیر و تعرق بوده و مناطق دارای دمای بالا و پوشش گیـاهی پراکنـده و کـم از مقدار تبخیر و تعرق کمی برخوردارند.
واژههای کلیدی: تبخیر و تعرق، SEBAL، سنجش از دور، تصاویر NOAA ، کرمانشاه
.1 مقدمه
تبخیر و تعرق (Evapotranspiration) یکی از عوامل مهم در چرخه هیدرولوژی و از جمله عوامل تعیـین کننـده معادلات انرژی در سطح زمین و توازن آب می باشد و برآورد آن در زمینه های مختلـف علـومی همچـون هیـدرولوژی، کشاورزی، مدیریت جنگل و مرتع و مدیریت منابع آب مورد نیاز است. اغلب روش هایی که تاکنون ارائه شـده اسـت از اندازه گیری های نقطه ای برای تخمین ET استفاده می کنند، لذا فقط مناسب مناطق محلی بوده و به خاطر طبیعـت پویا و تغییرات منطقه ای ET قابل تعمیم به حوضه های بزرگ نمی باشند. سنجش از دور این قابلیت را دارد تا مقـدار ET را تخمین زده و حتی توزیع مکانی آن را مورد بررسی قرار دهد، زیرا تنها روشی است که می توانـد پـارامتر هـای معروفی نظیر دمای سطحی، ضریب آلبیدو و شاخص پوشش گیاهی را به صورت منطبق یا سـازگار بـا محـیط فـراهم کرده و همچنین از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه باشد. الگوریتم سبال یکی از مهم ترین و پرکاربرد ترین روش هـای باقیمانده انرژی برای براورد تبخیر و تعرق با استفاده از داده های سنجش از دور می باشد. سبال روشی است که بر پایه روابط تجربی و فیزیکی، میزان تبخیر و تعرق را با حداقل داده های زمینی برآورد می نمایـد. تـاکنون مطالعـات زیـادی انجام شده که همه نشان دهنده ی کارایی روش سبال در برآورد تبخیر و تعرق واقعی در مقیـاس منطقـه ای و حوضـه های بزرگ می باشد. سنجنده مورد استفاده در این بررسی، سنجنده AVHRR می باشد کـه بـه دلیـل رایگـان بـودن تصاویر سنجنده مذکور و البته دوره تکرار روزانه آن سبب گردیده استفاده از تصاویر آن در مقیـاس منطقـه ای مفیـد و مقرون به صرفه باشد.
.2 مواد و روش .1-2 منطقه مورد مطالعه و دادههای مورد استفاده:
منطقه کرمانشاه، محدوده مورد مطالعه تحقیق حاضر با 24434 کیلومترمربع وسعت در میانه ضـلع غربـی کشـور، بین 33 درجه و 36 دقیقه تا 35 درجه و 15 دقیقه عرض شمالی و 45 درجه و 24 دقیقـه تـا 48 درجـه و 30 دقیقـه طول شرقی از نصف النهار گرینویچ قرار گرفته است. داده های زمینی مورد استفاده در الگوریتم سبال، از مجموعه داده های ایستگاه هواشناسی کرمانشاه واقع در 34 درجه 21 دقیقه شمالی و 47 درجه و 9 دقیقه شرقی استفاده شده است. در این تحقیق از تصاویر سنجنده AVHRR مستقر بر روی ماهواره NOAA استفاده شد. تصویر مذکور مربوط بـه روز 23 خرداد ( ساعت 45 :7 صبح ) سال 1386 بوده که از سایت مربوطه تهیه گردیده است.
.2-2 الگوریتم توازن انرژی سطح برای خشکی (SEBAL)
مدل سبال، مقدار تبخیر و تعرق واقعی را با استفاده از تصاویر ماهواره ای و حداقل داده های زمینی مورد نیاز و بر اساس معادله توازن انرژی محاسبه می نماید. از آنجا که تصاویر ماهواره ای تنها مـی تواننـد اطلاعـاتی در زمـان گـذر ماهواره ارائه دهند لذا سبال می تواند مقدار شار تبخیر و تعرق لحظه ای را در زمان تصویر، برآورد نماید. شار تبخیر و تعرق برای هر پیکسل تصویر، به صورت باقیمانده معادله توازن انرژی سطح محاسبه می شـود کـه بـا توجـه بـه اینکـه بیشتر گیاهان کمتر از یک درصد تشعشع خورشیدی رسیده به آنها را در طول دوره زندگی خود برای فتوسنتز استفاده می کنند، ذخیره حرارت در گیاهان در طول روز قابل اغماض است و بنابراین می تـوان از دو جـزء فتوسـنتز و ذخیـره گرما در گیاه در معادله بیلان صرفنظر کرد. همچنین به علت عدم وجود راه ساده ای برای ارزیابی جزء افقـی گرمـا کـه نشان دهنده میزان خالص انرژی است که گیاه در راستای افقی تبادل می کند، معمولا حذف می شود و بدین ترتیب بـا حذف این سه جزء از معادله بیلان انرژی، باستینسن و همکاران (1998) یک الگـوریتم انـرژی سـطح چنـد مرحلـه ای مبتنی بر فیزیک به نام سبال (SEBAL) با استفاده از معادله ساده شده نخست توسعه دادند. این مـدل بـا اسـتفاده از دمای سطحی، بازتابندگی سطحی و شاخص NDVI و روابط درونی آنها شارهای سطحی را برای انواع پوشش ها سـطح زمین برآورد مینماید.
در معادله فوق Rn تابش خالص، G شار گرمای خاک، H شار گرمای محسوس و شار گرمای نهان بـوده و تمامی واحدها بر حسب w/m2 میباشند.
.1-2-2 تابش خالص
مقدار تابش خالص از توازن چهار شار تابشی در سطح زمین به دست می آید که عبارتند از تابش طول موج کوتـاه ورودی که بخشی از این انرژی تابشی توسط سطوح مختلف منعکس می شود ، تابش طول موج بلند ورودی از اتمسفر و تابش طول موج بلند گسیل شده از سطح بنابراین تابش خالص لحظه ای در واحد سطح به صورت ذیل به دست می آید:
که در آن آلبیدوی سطحی، تابش موج کوتاه 0/3) تا 3 میکرومتـر) ورودی (W/m2)، تـابش مـوج بلند 3) تا 100 میکرومتر) ورودی (w/m2)، تابش موج بلند خروجی (w/m2)، گسیلمندی سطحی عـریض باند می باشد. بنابراین تابش خالص عبارت از اختلاف بین جریان تابش ورودی و خروجی بوده و معیاری از مقدار انـرژی موجود در سطح زمین به شمار میرود.
تابش موج کوتاه ورودی در واقع، شار تابش خورشیدی است که به صورت تابش مستقیم و پراکنده به سطح زمـین میرسد و مقدار آن برای زمان تصویر و شرایط آسمان صاف و بدون ابر، به صورت زیل محاسبه می شود:
که Gsc ثابت خورشیدی (1367 w/m2)، زاویه ورودی خورشید، dr معکوس مربع فاصله نسبی زمـین تا خورشید و شفافیت جوی می باشد. مقادیر بین 200 تا 1000 وات بر متر مربع بسـته بـه محـل و زمـان تصویر برداری فرق می کند. تابش موج بلند خروجی، شار تابش حرارتی گسیل شده از سطح زمین به اتمسفر می باشـد که فرمول آن به صورت ذیل است.
در معادله فوق گسیلمندی سطحی عریض باند، ثابت استفان- بـولتزمن (5.67 10-8 w/m2/K4) و Ts دمای سطحی (K) است. مقادیر بسته به محل و زمان تصویر برداری از 200 تا 700 وات بر متر مربع مـی باشـد. تابش طول موج بلند ورودیف شار تابش حرارتی از اتمسفر به زمین می باشد که با استفاده از رابطـه اسـتفان- بـولتزمن قابل محاسبه است.
در معادله فوق نیز گسیلمندی جو، ثابت استفان- بولتزمن (5.67 10-8 w/m2/K4) و Ta دمای هـوای نزدیک سطح (K) است. مقادیر بسته به محل و زمان تصویر بـرداری از 200 تـا 500 وات بـر متـر مربـع تغییـر می کند. در شکل زیر نیز، روندی از محاسبه اجزای معادله بیلان تابش سطح نشان داده شده است. که در ادامه هر یـک از اجزای این روند نما برای منطقه مورد بررسی قرار گرفت.
.2-2-2 شار گرمای خاک (G)
در روش سبال ابتدا نسبت G/Rn در نیمه روز، با استفاده از معادله تجربی ارائه شده توسـط باستیانسـن (2000) به صورت زیر محاسبه شد:
در معادله فوق، Ts دمای سطحی ( C ) و آلبیدوی سـطحی و NDVI شـاخص تفاضـل نرمـال شـده پوشـش گیاهی که در ادامه نحوه محاسبه بیان شده است. و نهایتا مقدار G با ضرب کردن نسبت فوق در Rn به دست می آید.
.3-2-2 شار گرمای محسوس (H)
