مقاله بررسی تغییرات تبخیر و تعرق و پوشش گیاهی به کمک الگوریتم سبال

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بررسی تغییرات تبخیر و تعرق و پوشش گیاهی به کمک الگوریتم سبال
چکیده:
در این تحقیق روند تغییرات تبخیر و تعرق واقعی دشت نیشابور با الگوریتم بیلان انرژي براي زمین در طی دوره 1379تا 1392 به کمک تصاویر سنجنده مودیس و داده هاي هواشناسی مورد بررسی قرار گرفت. وجود ضرایب خطا پایین بین مدل پنمن مانتیث و سبال، دقت زیاد الگوریتم سبال را در تخمین تبخیر و تعرق و پارامترهاي آن نشان می دهد. نتایج حاصل از مقایسه تبخیر وتعرق و شاخص پوشش گیاهیNDVI نیز مشخص کرد پوشش گیاهی و تبخیر و تعرق با داشتن ضریب تببین (R2= 0/908) همبستگی خوبی با هم دارند.
واژههاي کلیدي:الگوریتم سبال، تصاویر مودیس، شاخص NDVI، دماي سطحی زمین

مقدمه:

تبخیرو تعرق زمینهاي آبیاري یک ابزار مفید براي ارزیابی کفایت مقدار آب آبیاري مورد استفاده می باشد. روش مرسوم محاسبه تبخیر و تعرق براساس داده هاي هواشناسی است ولی این طریق محاسبه بر اساس مشاهدات نقطه اي و داده هاي هواشناسی به دلیل تغییرات زمانی و مکانی آن مشکل می باشد. تخمین منطقی و بهتر تبخیر و تعرق در مناطق بزرگ می تواند به کمک تصاویر ماهواره اي و سنجش از دور به دست آید. این روش می تواند ابزار مفیدي براي محاسبه تبخیرو تعرق واقعی از یک پیکسل منحصر به فرد تا کل تصویر فراهم نماید(.(Sari, et al, 2013 الگوریتم سبال در اکثر نقاط دنیا با اقلیم هاي مختلف، به منظور برآورد تبخیر و تعرق و سایر شارهاي گرمایی در سطح مورد استفاده قرارگرفته و نتایج نسبتاً رضایتبخشی را ارائه کرده است.
Steele و همکاران (2014) براي کم کردن اثرات سیل رودخانه دویس در شمال شرقی ایالت داکوتاي شرقی آمریکا از الگوریتم سنجش از دور سبال و داده هاي کابري اراضی و پیمایش زمینی استفاده کردند. اختلاف 17 و 41 میلی متر تبخیر وتعرق محاسبه شده پنبه گندم با سبال و داده هاي اندازه گیري شده در طول فصل کشت نشان می دهد که می توان براي کاهش اثرات سیل و مدیریت منابع آب نیز از الگوریتم سبال استفاده نمود. در ایران، اکبري و همکاران((1390 به کمک سنجش از دور، تبخیر وتعرق پتانسیل و واقعی را در شرایط اقلیمی مختلف برآورد کردند و نتیجه گرفتند که میزان تبخیروتعرق در سال کم بارش به بیشترین میزان رسیده است. با مقایسه نتایج تبخیر تعرق به دست آمده از روش سنجش از دور با دو روش برآورد تبخیر- تعرق( هارگریوز و پنمن مانتیث) در هر سال مشاهده شد که نتایج به دست آمده از روش سنجش از دور با ریشه میانگین مربعات خطاها 0/67 و میانگین خطاي مطلق 0/4، مطابقت خوبی با برآوردهاي حاصل از روشهاي محاسباتی دارد که نشان دهنده امکان استفاده از تکنیک سنجش از دور براي تخمین تبخیر و تعرق مکانی در سطوح مختلف مزرعه و شبکههاي آبیاري می باشد. در این مطالعه سعی شد به ارزیابی تغییرات مکانی و زمانی تبخیر و تعرق واقعی و نیازآبی گیاهان بر اساس مدل سنجش از دور SEBAL در دشت نیشابور پرداخته شود. براي بازیابی و محاسبه پارامترهاي بیلان انرژي از تصاویر سنجنده مودیس ماهواره ترا استفاده شد. همچنین دراین تحقیق، رابطه تبخیر وتعرق با شاخص پوشش گیاهی NDVI و دماي سطحی زمین در موقعیت هاي مکانی و زمانی مختلف دشت مشخص و با هم مقایسه گردید.

مواد و روشها:
-1منطقه مورد مطالعه:
منطقه مطالعاتی در این تحقیق دشت نیشابور می باشد، این دشت با وسعت 7293 کیلومترمربع، جزیی از حوضه آبریز کویر مرکزي بوده که 4100 کیلومتر مربع آن را دشت 56) درصد) و بقیه را ارتفاعات تشکیل میدهد. از نظر موقعیت جغرافیایی حوضه مذکور در حدفاصل 13 58 تا 59 30 طول شرقی و 35 40 تا 36 39 عرض شمالی قرار دارد(شکل .(1

-2روش تحقیق:
در این تحقیق از تصاویر سنجنده مودیس ماهواره ترا براي سال هاي 1379 تا 1392 استفاده شده است. 14تصویر ماهواره اي که مربوط به روز ژولیوسی 9)190ژولاي میلادي یا 18تیر شمسی) می باشد براي تعیین تبخیرو تعرق واقعی با الگوریتم سبال در نظر گرفته شده است. این تصاویر قدرت تفکیک 1کیلومتر دارند و بنابراین هرپیکسل از این تصاویر مساحتی در حدود 100هکتار زمین را شامل می شود. براي ارزیابی مدل سبال، تبخیروتعرق به کمک روش هاي پنمن مانتیث و هارگریوز سامانی و با درنظرگرفتن ضریب رشدگیاهی محاسبه شده و با تبخیروتعرقی که از الگوریتم سبال بدست آمده، مورد مقایسه و بررسی قرار گرفتند. همچنین نرم افزارهاي ERDAS9.1، ENVI 5 و ARC GIS10.2 براي پردازش تصاویر ماهواره اي و تهیه نقشه هاي خروجی بکاربرده شده اند.
الگوریتم بیلان انرژي براي زمین(سبال)یکی از الگوریتم هاي سنجش از دور است که تبخیر و تعرق گیاه را براساس تعادل لحظه اي انرژي در سطح هر پیکسل از تصویر ماهواره اي محاسبه می نماید(.(Bastiaanssen, 1998, 2000 and 2005 بنابراین روش ها و الگوریتم هایی مانند سبال نیازمند حل معادله بیلان انرژي هستند که در آن تبخیر و تعرق واقعی((λET بعنوان جزء باقیمانده اختلافات بین تشعشع خالص ورودي به سطح زمین((Rn و شار گرماي محسوس خارج شده از سطح (H) و نیز شار گرماي ورودي به زمین((G قابل محاسبه می باشد:

در این رابطه، مقدار Rn تفاضل بین شارهاي تشعشعی ورودي((↓ و خروجی((↑ است که بصورت طول موجهاي بلند (L) و کوتاه((S به محدوده مجاور سطح زمین وارد وخارج شده و تابعی از مقدار آلبیدوي سطحی α و ضریب گسیلندگی سطحی است و بر اساس معادله زیر به دست می آید:

در این رابطه، α آلبیدوي سطحی، تابش موج کوتاه ورودي )0.3 تا 3 میکرومتر) بر حسب وات بر متر مربع، تابش موج بلند ورودي( 3 تا 100 میکرومتر) بر حسب وات بر متر مربع، تابش موج بلند خروجی بر حسب وات بر متر مربع، گسیلندگی سطحی عریض باند میباشد. بنابراین تابش خالص عبارت از اختلاف بین جریان تابش ورودي و خروجی بوده و معیاري از مقدار انرژي موجود در سطح زمین به شمار میرود. مقدار G یا همان شار حرارتی خاك از رابطه تجربی باستیانسن بر اساس معادله زیر به دست می آید:

در این رابطه، Tsدماي سطحی بر حسب درجه سانتیگرادو α آلبیدوي سطحی میباشد.
یکی دیگر از اجزاي معادله بیلان انرژي شارگرماي محسوس((H است. روابط آیرو دینامیکی موجود بیانگر ارتباط شارگرماي محسوس (H) با اختلاف دماي بین سطح زمین و هواي مجاور چسبیده به سطح است که بصورت زیر قابل تخمین است:

در این رابطه، :چگالی هوا (کیلو گرم بر مترمکعب)، :Cairگرماي ویژه هوا (ژول بر کیلوگرم بر کلوین)، dT :اختلاف دماي بین دو ارتفاع z1 و z2 (کلوین) و :rah مقاومت آیرودینامیکی براي انتقال گرما (ثانیه بر متر) میباشد. شار گرماي محسوس((H توسط یک سري روابط رفت و برگشتی و تا زمان ثابت شدن یک عامل به نام طول مونین-ابوخوف (L) تعیین می گردد.
مقدار لحظهاي تبخیر و تعرق براي زمان گذر ماهواره به کمک شار گرماي محسوس، شار گرماي نهان، میزان تلفات گرما از سطح به علت تبخیر- تعرق براي هر پیکسل با توجه به رابطه زیر قابل محاسبه میباشد.

در این رابطه، :ETinst تبخیر- تعرق لحظهاي (mm/hr) و :گرماي نهان بخار آب می باشد.

در روابط بالا، ETr-inst تبخیر و تعرق مرجع در مقیاس ساعتی، ETr-24 تبخیر و تعرق در مقیاس روزانه، ETrF نسبت تبخیر و تعرق واقعی ساعتی به تبخیر وتعرق مرجع ساعتی که محققان نشان دادند که ETrF شبیه به ضریب رشد گیاهی (KC) بوده و مقدار آن در طول روز یا دوره زمانی مورد نظرثابت می باشد(.(Allen et al. 2002 در این تحقیق، جهت برآورد تبخیر- تعرق روزانه از تبخیر- تعرق لحظهاي، از مفهوم تبخیر- تعرق گیاه مرجع استفاده شده است. به این منظور، تبخیر- تعرق گیاه مرجع در مقیاس ساعتی در لحظه گذر ماهواره و همچنین میزان آن در مقیاس روزانه (ETr-24) براي ایستگاه هواشناسی معرف منطقه محاسبه میگردد. سپس نسبت تبخیر-تعرق لحظهاي محاسبه شده از مدل سبال به تبخیر- تعرق گیاه مرجع در مقیاس ساعتی در لحظه گذر ماهواره تعیین و حاصلضرب این نسبت در تبخیر- تعرق روزانه گیاه مرجع، میزان تبخیر- تعرق واقعی روزانه (ETact-24) میباشد. مقدار تبخیر- تعرق گیاه مرجع در مقیاس ساعتی در لحظه گذر ماهواره (ETr-inst) و همچنین میزان آن درمقیاس روزانه (ETr-24) به کمک داده هاي ایستگاه هواشناسی سینوپتیک نیشابور و نرم افزار Ref-ET بوسیله دو روش پنمن مانتیث و هارگریوز سامانی محاسبه شده است.
روش پنمن مانتیث به عنوان روش استاندارد براي محاسبه تبخیر تعرق مرجع با استفاده از داده هاي هواشناسی بیان می شود. همچنین روش پنمن مانتیث، تنها روش برآورد است که براي اکثر کشورهاي با اقلیم خشک و نیمه خشک از جمله ایران پیشنهاد شده است و معادله آن بصورت زیر می باشد(علیزاده، .(1385

در این رابطه، : T میانگین دماي روزانه هوا برحسب درجه سانتیگراد، :es فشار بخار اشباع برحسب کیلوژول، :ea فشار بخار واقعی برحسب کیلوژول، :es-ea کمبود فشار بخار اشباع، : شیب منحنی فشار بخار برحسب کیلوپاسکال بر درجه