بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
بررسی تغییرات و تحلیل حساسیت تبخیر-تعرق مرجع در منطقه شمالغرب ایران
خلاصه
در این مطالعه تغییرات بلندمدت عوامل هواشناسی تأثیرگذار بر تبخیر- تعرق مرجع در سه ایستگاه تبریز، ارومیه و اردبیل واقع در منطقه شمالغرب ایران بررسی شد. برای محاسبه تبخیر- تعرق مرجع از مدل فائو پنمن مانتیث استفاده شد. پارامترهای هواشناسی شامل کمینه و بیشینه دما، سرعت باد، درصد رطوبت نسبی و ساعات آفتابی واقعی به صورت ماهانه در دوره آماری 25 ساله از سال 1986 تا 2010 میلادی به کار برده شدند. مقادیر تبخیر- تعرق مرجع با پارامتر-های هواشناسی فوق مقایسه گردید و بر اساس روند تغییرات، عوامل مؤثر بر پایه ضرایب همبستگی تعیین شدند. آنالیز حساسیت مدل تبخیر – تعرق با استفاده از ضریب بیبعد SC در دوره مورد مطالعه صورت گرفت. در ادامه با استفاده از ضریب اقلیمی دومارتن، تغییرات اقلیم در دوره آماری مد نظر استخراج گردید. نتایج به دست آمده از هر سه ایستگاه حاکی از شیب افزایشی تبخیر- تعرق مرجع در دوره مطالعاتی میباشد. در تبریز ساعات آفتابی، در ارومیه دمای بیشینه و ساعات آفتابی و در اردبیل ساعات آفتابی و دمای بیشینه بیشترین همبستگی را با مقادیر تبخیر-تعرق مرجع داشتهاند.
کلمات کلیدی: تبخیر-تعرق مرجع، شمالغرب، همبستگی، دومارتن، آنالیز حساسیت.
.1 مقدمه
مدیریت آب در تأمین نیاز آبی گیاهان زراعی، یکی از راههای کاهش بحران آب در کشاورزی است، چراکه دلیل اصلی این بحران پایین بودن راندمان آبیاری و استفاده بیش از حد از منابع موجود میباشد. در این زمینه تبخیر- تعرق، عامل تعیین کنندهای در فرایند رشد است که معادل آب مورد نیاز گیاهان زراعی قلمداد میشود. تبخیر -تعرق مرجع را میتوان یکی از مهمترین عواملی که در انتخاب شیوه آبیاری و نوع محصول مورد نظر برای کشت مؤثر است، نام برد. بررسی دقیق آن میزان آب مورد نیاز گیاه را در دورههای آبیاری متفاوت تعیین میکند و در نتیجه در صرفه جویی و استفاده بهینه از آب که به منظور آبیاری استفاده میشود کمک بسیاری خواهد نمود. البته مبنای برآورد نیاز آبی گیاهان، محاسبه مقادیر تبخیر- تعرق پتانسیل است که با استفاده از دادههای آب و هوایی دراز مدت به روشهای مختلف محاسبه میشود. پایه و اساس طراحی ظرفیت سیستمهای آبیاری، برنامهریزی آبیاری و مطالعات هیدرولوژیکی، تعیین دقیق و صحیح مقدار تبخیر تعرق میباشد. انتشار بیش از حد گازهای گلخانهای در دهههای اخیر و تغییرات اقلیمی به وقوع پیوسته در اثر آن، موجب تغییر در پارامترهای هواشناسی مؤثر در تبخیر-تعرق گردیده است. واژه تبخیر- تعرق ابتدا در سال 1948 میلادی توسط ترنث وایت و سپس پنمن به کار گرفته شد. برحسب تعریفی که روزنبرگ از تبخیر-تعرق پتانسیل ارائه داده است، تبخیر-تعرق پتانسیل به مقدار آبی گفته میشود که از یک سطح بسیار وسیع گیاهی کوتاه که بر تمام سطح زمین سایه انداخته باشد و با محدودیت آب نبوده و در برابر جریان آب از خود مقاومت نشان بدهد به صورت تبخیر خارج میشود .[1] از آنجایی که برای برنامهریزی آبیاری و مشخص کردن مقدار آبی که باید به هر زراعت داد اطلاع از تبخیر-تعرق پتانسیل گیاه الزامی است و عملا" اندازهگیری مستقیم تبخیر-تعرق پتانسیل و ارتباط دادن آن با تبخیر-تعرق واقعی گیاه کاری بسیار مشکل و وقتگیر است، تاکنون بیش از 50 روش تخمین تبخیر-تعرق گیاه مرجع در قالب روشهای ترکیبی، آیرودینامیک و تجربی ارائه شده است که اغلب با توجه به دادههای هواشناسی نتایج متفاوتی دارند .[2] چراکه هر کدام از روشها نسبت به پارامتر خاصی حساسیت بیشتری نشان میدهد. تبخیر - تعرق مرجع با استفاده از مدل CropWat که از معادله پنمن - مانتیث استفاده میکند با بهرهگیری از دادههای مربوط به بیشینه و کمینه دمای هوا، درصد رطوبت، سرعت باد و ساعات آفتابی برآورد میشود که نتایج استخراج شده از این مدل دارای ضریب مقبولیت بالایی بوده و میتوان از آنها در مقایسههای مورد نیاز استفاده نمود. CropWat توسط بخش توسعه آب و زمین سازمان خواربار و کشاورزی جهانی (فائو) طراحی شده است.[3]
روش مناسب تعیین تبخیر -تعرق مرجع یا ET0 در هر منطقه بستگی به شرایط اقلیمی، دادههای مورد نیاز و هزینه-های مربوط به آن دارد [4] که این امر مورد توجه پژوهشگران بسیاری قرار گرفته است. تبخیر -تعرق یک پوشش گیاهی متراکم روی یک خاک کاملاً غنی از آب، بستگی کامل به عوامل هواشناسی داشته و خیلی کم با جنس خاک و یا واریته گیاه تغییر میکند[5]، بدین جهت، تبخیر- تعرق گیاه مرجع نمودی از ترکیب و اثرات تعاملی 10 الی 20 متغیر هوا شناختی از قبیل تابش خالص خورشید، دمای هوا، سرعت باد، میزان رطوبت هوا و غیره است[6] که هرگونه تغییر در آن به طور مستقیم مبین تغییر در نیاز آبی گیاه و گویای تغییر در سایر متغیرهای هواشناختی است. لذا ترکیب و هم اثرگذاری مقدار تغییر آنها با همدیگر باعث رخداد تغییر بیشتری در تبخیر-تعرق گیاه مرجع که نمود آنهاست شده است. تحلیل حساسیت روشی مناسب برای درک اهمیت نسبی متغیرهای مختلف اقلیمی در تبخیر-تعرق مرجع هر ناحیه است. تا کنون مطالعات مختلفی روی آنالیز حساسیت ET0 به متغیرهای هواشناسی در نقاط مختلف دنیا انجام شده است. هووارد و لوید [7] حساسیت پارامترهای مؤثر در مدل تبخیر پنمن را در ناحیه لینکلن شایرچاک بررسی کردند. نتایج حاصل از مطالعه آنها نشان داد که میزان تبخیر محاسبه شده از رابطه پنمن حساسیت زیادی به ضریب انعکاس و در مرحله بعد تابش آفتاب و درجه حرارت دارد. سبزیپرور و همکاران [8] با استفاده از آمار 35 ساله هواشناسی حساسیت نسبی 7 مدل مختلف ET0 را نسبت به پارامترهای هواشناسی در ایستگاه همدان بررسی کردند. نتایج ایشان نشان داد که در شرایط اقلیمی همدان، اغلب مدلهای براورد ET0 بیشترین حساسیت را به ترتیب به تغییرات کوتاهمدت و درازمدت پارامترهای تابش و دما نشان میدهند. طالبی و همکاران [9] نیز حساسیت معادله فائو-پنمن-مانتیث را در ایستگاههای کویری یزد، طبس و مروست با استفاده از مدل کراپوات بررسی نمودند. نتایج آنها نشان داد که تغییرات دو پارامتر بیشینه دما و سرعت باد بیشترین تأثیر را در نوسانات تبخیر-تعرق در هر سه ایستگاه داشته است. ایشان همچنین بیان داشتند که اولویت بندی عوامل مؤثر در تبخیر-تعرق در فصول مختلف متفاوتاند. بنابراین تغییرات فصلی نیز مورد توجه بوده است. در مطالعهای دیگر ژانگ و همکاران [10] نشان دادند که ET0 حوضه رودخانه شیانگ در چین در تابستان به انرژی قابل دسترس حساسیت زیادی دارد حال آنکه در زمستان به سرعت باد بیشترین حساسیت را نشان داده است.
در این پژوهش تغییرات بلندمدت تبخیر- تعرق مرجع و عوامل اقلیمی مؤثر بر آن با استفاده از آمار بلند مدت بررسی گردیده و تحلیل حساسیت مدل تبخیر – تعرق با توجه به میزان همبستگی آن با عوامل مختلف اقلیمی صورت گرفته است.
.2 مواد و روشها
هر سه ایسگاه مورد مطالعه در منطقه شمالغرب ایران قرار دارند. مشخصات جغرافیایی و اقلیمی این سه ایستگاه در جدول 1 نشان داده شده است. دادههای هواشناسی مورد استفاده در انجام پژوهش شامل حداکثر دمای متوسط ماهانه، حداقل دمای متوسط ماهانه، میانگین ماهانه سرعت باد، مجموع ساعات آفتابی ماهانه، میانگین رطوبت نسبی ماهانه، مجموع بارش ماهانه و میانگین ماهانه متوسط دمای روزانه برای ایستگاههای مورد نظر از سازمان هواشناسی کشور تهیه شده است. در این تحقیق برای محاسبه تبخیر – تعرق مرجع از روش پنمن- مانتیث- فائو که به عنوان یک روش استاندارد و معتبر برای محاسبه ET0 مطرح میباشد، استفاده شد. معادله پنمن- مانتیث-فائو به صورت زیر می باشد:[6]
که در آن ET0 تبخیر-تعرق گیاه مرجع (mm/day)؛ ∆ شیب منحنی فشار بخار (kPa °C-1)؛ Rn تابش خالص در سطح پوشش گیاهی (MJ m-2 d-1 )؛ G شار گرما به داخل خاک (MJ m-2 d-1)؛ γ ضریب رطوبتی (kPa °C-1)؛ T متوسط دمای هوا در ارتفاع 2 متری از سطح زمین؛ es – ea کمبود فشار بخار از حالت اشباع در ارتفاع 2 متری (kPa) و U2 سرعت باد در ارتفاع 2 متری از سطح زمین (ms-1) میباشد.
برای تعیین تغییرات اقلیمی نیز اقلیم هر ایستگاه در دوره آماری مد نظر با استفاده از ضریب اقلیمی دومارتن از طریق رابطه زیر محاسبه گردید:[11]
که در آن P متوسط بارندگی سالانه برحسب میلیمتر، T متوسط دمای سالانه بر حسب درجه سانتیگراد و I ضریب اقلیمی دومارتن میباشد. اگرچه در این رابطه اثر تبخیر حذف شده است، اما تبخیر نیز با دمای هوا رابطه مستقیم داشته و افزایش دما سبب افزایش تبخیر میگردد. ایرادی که بر این روش وارد است، عدم کارایی آن در مناطقی است که دمای متوسط هوا بسیار سرد باشد. در این صورت ضریب دومارتن به سمت بینهایت میل میکند که نشاندهنده یک منطقه بسیار مرطوب است؛ درحالیکه ممکن است چنین شرایطی حاکم نباشد؛ مانند مناطق قطبی که از نظر بارندگی خشک میباشند. لذا در مناطقی که دمای متوسط هوا زیر صفر باشد، استفاده از ضریب دومارتن توصیه نمیشود. لازم به توضیح است بر اساس ضریب دومارتن 6 نوع اقلیم وجود دارد که در جدول 2 ارائه شده است.
به منظور تعیین نقش پارامترهای هواشناسی در تغییرات تبخیر-تعرق مرجع، نمودار تغییرات پارامترها در برابر تبخیر-تعرق مرجع ترسیم و با استفاده از برازش خطی، همبستگی بین آنها تعیین شد. برای آنالیز حساسیت تبخیر-تعرق نسبت به پارامترهای هواشناسی روشهای مختلفی وجود دارد. در این مطالعه آنالیز حساسیت برای مؤثرترین پارامترهای هواشناسی هر ایستگاه صورت گرفت. در واقع آنالیز حساسیت بر مبنای تغییرات صورت پذیرفته در دوره 25 ساله مورد بررسی انجام شد. به دلیل سادگی کار از روش ارائه شده توسط ژانگ و همکاران [10] استفاده شده است. در این روش مقدار ضریب حساسیت از رابطه 3 محاسبه میشود:
که در آن ضریب حساسیت، ∆V میزان تغییر در یک پارامتر هواشناسی مشخص و ∆ET0 میزان تغییر در ET0 ناشی از تغییر در پارامتر هواشناسی مورد نظر میباشد. ایرادی که این روش دارد، وابستگی ضریب به نوع کمیتهای
هواشناسی است. لذا برای حل این مشکل از شاخص بیبعد SC استفاده شده است:
که در آن ET0 مقدار متوسط تبخیر-تعرق مرجع و V مقدار متوسط پارامتر هواشناسی مورد نظر در دوره آماری مورد مطالعه میباشد. در این پژوهش مقادیر ∆ET0 و ∆V برابر با تغییرات حاصل شده در متغیرهای مورد نظر در دوره آماری 25 ساله بین سالهای 1986 تا 2010 در نظر گرفته شده است. به این مفهوم که پس از تعیین ضرایب همبستگی و شناسایی متغیرهای هواشناسی که بیشترین همبستگی را با ET0 دارند، آن متغیرها با اعمال تغییر به صورت تکتک و با ثابت در نظر گرفتن سایر پارامترها وارد مدل شده و مقادیر ∆V و ∆ET0 از تفاضل مقدار متوسط پس از اعمال تغییر و مقدار متوسط اولیه محاسبه میگردند.
.3 نتایج و بحث
در این تحقیق با استفاده از دادههای هواشناسی، مقادیر ET0 برحسب متوسط ماهانه برای تمامی سالهای مورد مطالعه محاسبه گردید. در گام نخست نمودار تغییرات ET0 بر حسب مقادیر متوسط سالانه در هر سه ایستگاه در شکل 1 نشان داده شده است. با توجه به شکل 1 شیب صعودی خطوط نشانگر افزایش مقادیر متوسط سالانه تبخیر-تعرق مرجع در هر سه ایستگاه در بازه زمانی مورد مطالعه میباشد. روند صعودی در ایستگاه اردبیل بیشتر از بقیه می باشد.
همانطوری کهقبلاً ذکر شد، ضریب دومارتن تابع دو عامل متوسط درجه حرارت و متوسط بارندگی سالانه میباشد. از طرفی دیگر ET0 محاسبه شده نیز در اصل تابع پنج متغیر هواشناسی میباشد. در شکل 2 به منظور بررسی نقش تغییرات اقلیم در تبخیر-تعرق مرجع نمودار تغییرات اقلیم بر حسب ضریب اقلیمی دومارتن در برابر تغییرات تبخیر-تعرق مرجع برای هر سه ایستگاه به طور جداگانه ارائه شده است. با توجه به شکل 2 تغییرات ET0 نسبت به ضریب دومارتن دارای روند ثابت و یکنواختی نمیباشد. در دوره هایی که تغییرات این دو پارامتر در جهت عکس هم میباشد میتوان نتیجه گرفت که در این بازه های زمانی تأثیر پارامتر دمای هوا که به صورت دمای کمینه و بیشینه در مدل اعمال میشود قابل توجه بوده است. به عبارت دیگر میتوان اذعان داشت در دوره هایی که تغییرات ET0 و I در یک جهت بوده اند نقش رطوبت نسبی، سرعت باد و ساعات آفتابی انکار ناپذیر است. لازم به ذکر است با توجه به متوسط ضریب دومارتن در طی 25 سال مورد مطالعه، اقلیم هر سه ایستگاه نیمه خشک محسوب می شود. البته در مورد ایستگاه تبریز با توجه به نزدیکی ضریب دومارتن به محدوده اقلیم خشک و نیز شیب افزایشی دما در کنار کاهش میزان بارندگی پیشبینی می شود در آینده ای نزدیک ایستگاه تبریز در طبقه بندی دومارتن وارد محدوده اقلیم خشک شود.
