بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
بررسی رگرسیون خطی چندگانه تبخیر و تعرق مرجع گیاهی با تشت تبخیر کلاس A با استفاده از حداقل دادههای هواشناسی
چکیده
این پژوهش با هدف بررسی ضرایب و روابط رگرسیون های خطی چندگانه پارامترهای هواشناسی با ET0 انجام شده است. تبخیر و تعرق مرجع با دو روش پنمن- مانتیث- فائو 56 به عنوان روش استاندارد و روش تشت تبخیر کلاس A، محاسبه شده است. جهت نشان دادن تاثیر هر یک از پارامترهای هواشناسی بر تبخیروتعرق مرجع، در یک اقلیم خشک، با توجه به موجود بودن داده های نسبتا کامل از داده های هواشناسی و تبخیر از تشت کلاس A، در تمامی ماه های سال در ایستگاه سینوپتیک بوشهر، از داده های این ایستگاه به عنوان منطقه ای خشک جهت انجام پژوهش استفاده شد. به این منظور، با به کارگیری داده هواشناسی 25 ساله ایستگاه سینوپتیک بوشهر، مقادیر ET0 روزانه با استفاده از نرم افزار REF-ET، و با دو روش پنمن-مانتیث- فائو 56 و تبخیر از تشت کلاس A محاسبه گردید. در ادامه با در نظر گرفتن پارامترهای هواشناسی و تبخیر از تشت به عنوان متغیرهای مستقل و تبخیروتعرق مرجع به عنوان متغیرهای وابسته، نمودارها و روابط رگرسیون خطی، با استفاده از نرم افزار SPSS19، بدست آمدند. تحلیلهای لازم با استفاده از ضرایب همبستگی بین پارامترهای مورد نظر و و تبخیروتعرق انجام گرفت. نتایج نشان دادند که تغییرات دمایی بیشترین تاثیر را بر تبخیروتعرق دارند. همچنین با توجه به اینکه درجه همبستگی فشار هوا با تبخیروتعرق زیاد و معکوس بدست آمد، مشخص میشود که با افزایش فشار هوا در منطقه، تبخیروتعرق روندی کاهشی خواهد داشت. مقدار تبخیروتعرق را با استفاده از مدلهای خطی بدست آمده پیشبینی کرده و با مقادیر محاسبه شده از دو روش استاندارد و تشت تبخیر، مورد تجزیه و تحلیل قرار دادیم که نتایج نشان داد که، مدل رگرسیون خطی چندگانه بدست آمده از روش تبخیر از تشت، تخمین بهتری را نسبت به مدل رگرسیون خطی چندگانه روش استاندارد ارائه میدهد.
واژههای کلیدی: تبخیر و تعرق مرجع، پنمن- مانتیث- فائو 56، تشت تبخیر کلاس A، پارامترهای هواشناسی، رگرسیون خطی.
-1 مقدمه:
ایران کشوری است خشک با نزولات جوی بسیارکم، بطوریکه بارندگی در ایـران کمتـر از یـک سـوم متوسـط بارنـدگی در سـطح دنیاست. بخش عمده مصرف آب یعنی بیش از 85 در صد در زمینه کشاورزی و 15 درصد بقیه در صنعت و مصـارف شـهری مـورد استفاده قرار میگیرد. در سال های اخیر به منظور جلوگیری از آلودگی هوا و ایجاد فضای سـبز و پـارک هـای کـویری و همچنـین تولید علوفه و احیای مراتع در مناطق بیابانی محل مصرف جدیدی برای مصرف آب بوجود آمده است. از ایـن رو تعیـین میـزان آب مورد نیاز گیاهان، از اولین و مهمترین اطلاعات مورد نیاز برای کشتوکار است. عمدهترین عامل مصرف منابع آبی در مناطق خشک نیمه خشک تبخیروتعرق است، لذا آگاهی از روند تغییرات و پیشبینی این فراسنج و سایر فراسنج های اقلیمی موثر بـر آن نقـش موثری را در برنامهریزی، توسعه و مدیریت منابع آب ایفا میکند. لذا یکی از راه های سازگاری با کم آبی اسـتفاده بهینـه از منـابع آب و افزایش بهرهوری آب است. در پروژه های بزرگ منابع آب خصوصا در اقلیم های خشک و نیمـه خشـک، تعیـین آب مصـرفی گیاهان از مسائل عمده و اساسی بشمار میرود. در این مناطق اقتصاد و مدیریت منابع آب ایجاب میکند از واحد حجم آب حداکثر بهرهبرداری شود. بدین منظور لازم است مشخص شود که گیاه در دوره رشد خود به چه حجمی آب نیـاز دارد تـا بـر اسـاس آن از پتانسیل زراعی موجود حداکثر استفاده را بنماییم. تعیین نیاز آبی گیاهان کمک میکند تا حداکثر بـازده محصـول را در ازاء واحـد حجم آب در اراضی تحت کشت داشته باشیم. تعیین نیاز آبی ساده نبوده و کوششهای زیادی در سراسر جهـان بـرای تعیـین نیـاز آبی به عمل آمده است. در این رابطه فرمولهای زیادی عرضه شده و روشهای تجربی متعددی ارائه و پیشـرفتهـایی نیـز بدسـت آمده است. بدون اغراق میتوان اذعان نمود هنوز معادلهای که بتواند کلیه شرایط نیاز آبی گیاهان را بطور صحیح محاسبه و در هـر محیط و شرایط اقلیمی قابل اجرا باشد پیشنهاد نگردیده است. برای تعیین مقدار تبخیروتعرق باید پارامترهای وابسته برای محاسبه تبخیروتعرق اندازهگیری شده یا تخمین زده شوند. فرآیند تبخیروتعرق از عمدهترین اجزاء چرخه هیدرولوژیکی اسـت کـه تخمـین درست آن در طراحی و مدیریت سیستمهای آبیاری، مطالعات منابع آب و مـوارد مشـابه دیگـر از اهمیـت زیـادی برخـوردار اسـت. تبخیروتعرق به شدت متاثر از پارامترهای هواشناسی است. لذا با تغییر شرایط آبوهوایی در هر منطقـه احتمـالا روش هـای بهینـه برآورد تبخیروتعرق نیز تغییر خواهد یافت. انتخاب روش مناسب جهت برآورد تبخیرو تعرق در هر منطقه مسـتلزم مقایسـه روش-های مختلف برآورد تبخیروتعرق در آن منطقه میباشد.
در اغلب روشهایی که برای تعیین میزان تبخیروتعرق ارائه شدهاند، ابتدا مقدار تبخیروتعرق گیاه مرجع((ET0 تخمین زده میشود
و سپس از روی آن تبخیروتعرق گیاه مورد نظر محاسبه می شود. بر اساس استاندارد فائو، تبخیروتعرق گیاه مرجع عبارت است از میزان آبی که یک مزرعه پوشیده از گیاه مرجع (نظیرچمن)، در یک دوره زمانی مشخص مصرف نماید به طوری که گیاهان این مزرعه در طول دوره رشد با کمبود آب مواجه نشوند.
روشهای متعددی برای برآورد تبخیروتعرق گیاه مرجع وجود دارد که هر کدام با توجه به فرضیات و دادههای مختلـف هواشناسـی مورد استفاده در آنها، اغلب نتایج متفاوتی بدست می دهند. اغلب این روشها تحت واسنجی های محلی به دست آمده اند و معلـوم شده است که اعتبار جهانی محدود دارند. از بین روشهای تجربی متعدد ارائه شده برای محاسبه تبخیروتعرق گیاه مرجع، در سـال 1990 از سوی کمیسیون بین المللی آبیاریوزهکشی1 و سازمان خواروبارجهانی فائو، روش فائو پنمن- مانتیث به عنوان تنهـا روش استاندارد برای محاسبه تبخیروتعرق گیاه مرجع از روی دادههای اقلیمی و هم چنین برای ارزیابی سایر روش ها پیشنهاد شده است (هارگریوز2، 1994، .(1134 این روش نیازمند دادههای تابش، دما، رطوبت و سرعت باد بـوده و بـا درجـه اعتمـاد بـالایی در دامنـه وسیعی از مناطق و اقلیم ها برآورد صحیحی از تبخیروتعرق گیاه مرجع ارائه میکند (موسوی بایگی و همکاران، 1387، .(92
یکی دیگر از روشهای تعیین تبخیروتعرق گیاه مرجع (ET0) ، استفاده از تشت تبخیر کلاس A میباشد. تشت تبخیر سادهترین وسیلهای است که با آن میتوان مقدار تبخیر را از یک سطح نسبتا آزاد بدست آورد. در ایستگاه های هواشناسی معمولا از تشت استاندارد کلاس A که ظرفی است استوانهای از جنس آهن گالولنیزه با قطر 121 سانتی متر و ارتفاع 25/4 سانتی متر، استفاده می شود. در این روش از معادله زیر استفاده میشود:
در رابطه فوق Kp ضریب تشت تبخیر و Ep تبخیر از تشت می باشد. با استفاده از تشتهای تبخیر میتوان مقادیر تبخیر اندازه گیری شده را با به کار بردن ضرایب تشت محاسبه شده برای هر منطقه به تبخیروتعرق گیاه مرجع و سپس به تبخیروتعرق واقعی گیاه ربط داد (امین علیزاده، 1383، .(325
مقدار Kp به عوامل متعددی از جمله رطوبت نسبی هوا، سرعت باد و محیط اطراف تشت بستگی دارد. فائو با توجه به عوامل فوق، مقدار این ضریب را بین 0/35 تا 0/85 تعیین کرده است (سعید جهانبخش و همکاران، 1383، .(2
به طورکلی با توجه به کیفیت پایین برخی پارامترهای هواشناسی اندازه گیری شده در ایران از جمله تابش خورشیدی، استفاده از مدلهای تخمین تبخیروتعرق با ورودیهای کمتر ضروری به نظر می رسد ( موسوی بایگی و همکاران، 1389، .(90 بنابراین هدف از انجام این پژوهش، بررسی انواع مدلهای رگرسیون خطی چندگانه، جهت مشخص شدن مدلی با کمترین پارامترهای هواشناسی مورد نیاز در تخمین تبخیرتعرق در یک اقلیم خشک است.
-2 مواد و روشها
در این تحقیق، از آمار و اطلاعات موجود از ایستگاه سینوپتیک بوشهر در سازمان هواشناسی کشور، اسـتفاده گردیـده اسـت. محـل این ایستگاه در مختصات جغرافیایی 28 درجه و 58 دقیقه عرض شمالی و 50 درجه و 49 دقیقه طول شرقی، با میانگین ارتفـاع 9 متر از سطح دریا میباشد. نوع اقلیم حاکم بر منطقه (طبقهبندی یونسکو) خشک معتدل می باشـد. دوره آمـاری مـورد بررسـی 25 ساله در فاصله سالهای 1984 الی 2008 و پارامترهای هواشناسی مورد استفاده شامل سرعت باد در ارتفاع دو متری (U)، دمـای خشک (Tdry)، دمای مرطوب (Twet)، دمای مینیمم (Tmin)، دمای ماکزیمم (Tmax)، دمای روزانه (Tdaily)، دمای نقطـه شـبنم (TDEW)، رطوبت نسبی (RH)، میزان بارندگی (R)، فشار هوا (QF) و فشار بخار آب (VP) و داده های تبخیر از تشـت (Pan) که در مقیاس روزانه و برای دوره آماری مورد نظر استفاده گردید. البته به علت موجود نبودن دادههای کامل تشت تبخیر در مـدت 25 سال آماری ذکر شده از دادههای موجود سالهای 1993 الی 2008 این پارامتر استفاده شده است. بعد از مرتـب کـردن داده - های مورد نیاز در نرم افزار Excel، جهت اطمینان از همگنی و صحت دادههای مورد بررسی با انتقال دادههای مرتب شده بـه نـرم افزار SPSS، بر روی داده ها آزمون همگنی داده ها (Run-Test) در این برنامه آماری انجام گرفت. بعـد از اطمینـان از همگنـی دادههای موجود، میانگین، کمینه و بیشینه دادههای مورد نظر محاسبه شد که در جدول 1 ارائه گردیده است.
تبخیر و تعرق مرجع روزانه به دو روش استاندارد (پنمن- مانتیث- فائو( 56 و روش تبخیر از تشت کلاس A ، و با استفاده از برنامه Ref-ET محاسبه گردید. سپس با در نظر گرفتن پارامترهای هواشناسی و تشت تبخیر به عنوان متغیرهای مستقل و تبخیروتعرق مرجع محاسبه شده در هر دو روش به عنوان متغیرهای وابسته، روابط رگرسیونی خطی چندگانه جهت پیش بینی تبخیر و تعرق و با استفاده از برنامه SPSS، بدست آمد. در ادامه با استفاده از روابط و ضرایب رگرسیونی موجود در هر دو روش استاندارد و تشت تبخیر کلاس A، مقادیر محاسبه شده و پیشبینی شده تبخیروتعرق را مورد مقایسه قرار گرفت. جهت بدست آوردن درصد خطای نسبی و میانگین مجذور مربعات خطا، از روابط زیر، استفاده شد.
در معادلات فوق:
:ET0 تبخیروتعرق محاسبه شده به روش پنمن- مانتیث- فائو56 یا روش تبخیر از تشت کلاس A
:ET0REG تبخیروتعرق مرجع پیش بینی شده از معادلات رگرسیونی خطی چندگانه
: RE درصد خطای نسبی
: n تعداد روزهای آماری
:RMSE مقدار ریشه میانگین مربعات خطا
مقادیر درصد خطای نسبی مثبت نشانه برآورد بیشتر و مقادیر منفی نشانه برآورد کمتر تبخیر و تعرق مرجع از روابط رگرسیونی میباشد، و در صورتی که مقادیر تبخیر و تعرق پیش بینی شده از روابط رگرسیونی و تبخیر و تعرق محاسبه شده یکی باشند (حالت ایده آل)، مقدار ریشه میاتگین مربعات خطا برابر صفر می شود.
-3 نتایج و بحث
جهت بررسی میزان تاثیر هریک از پارامترهای هواشناسی در برآورد تبخیروتعرق با استفاده از مدل رگرسیون خطی چندگانه، مقدار همبستگی بین هر پارامتر و با تبخیروتعرق در هر دو روش بدست آمد. ضریب همبستگی (r)، جهت، نوع و درجه رابطه متغیرهـای مستقل و متغیرهای وابسته را بیان می کند. ضرایب همبستگی در جدول شماره 2 ارائه شده است.
با توجه به ضرایب ارائه شده در جدول شماره 2 تمامی متغیرهای مستقل با تبخیر و تعرق مرجع دارای همبستگی میباشند، شدت رابطه پارامترهای ( دمای خشک، دمای مرطوب، دمای ماکزیمم و مینیمم، دمای روزانه، دمای نقطه شبنم و فشار بخارآب) با تبخیروتعرق مرجع در هر دو روش زیاد و مستقیم میباشد، و بیانگر تاثیرگذاری این فراسنج ها بر تبخیروتعرق میباشد. فشار هوا و رطوبت نسبی همبستگی زیاد و البته معکوسی با تبخیروتعرق مرجع نشان میدهند، بیانگر این موضوع است که با افزایش رطوبت نسبی محیط به علت اشباع شدن هوا، روند تبخیر و تعرق کم می شود. تاثیر فراسنج رطوبت نسبی با تبخیروتعرق مرجع محاسبه شده به روش استاندارد (پنمن- مانتیث-فائو(56 بیشتر می باشد. این موضوع که اگر هوایی که توسط باد از مرز سطح مرطوب و هوا به خارج رانده میشود با هوایی که به همان نسبت از بخار اشباع است جایگزین شود باد نقشی نخواهد داشت، زیرا در این صورت هوا قدرت جذب بخار آب جدید را ندارد در ضرایب همبستگی سرعت باد و تبخیر و تعرق مشهود می باشد. سرعت باد در هر دو روش کمترین همبستگی و البته مستقیم با تبخیروتعرق مرجع نشان می دهد. در روش تبخیر از تشت، ضریب همبستگی بین مقدار تبخیر از تشت و تبخیروتعرق درجه تاثیر این پارامتر را بر تبخیروتعرق تشت نشان میدهد.
جهت مشخص شدن این موضوع که که آیا همبستگیهای بدست آمده بین دو متغیر تصادفی است یا واقعا نشان میدهد بین دو متغیر همبستگی وجود دارد، معنی داری در همبستگیها را بررسی می کنیم که بسیار حائز اهمیت در تجزیه و تحلیلهای بعدی می باشد. با بدست آوردن سطح معنی داری تمامی متغیرهای مستقل با متغیرهای وابسته، سطح معنی داری صفر بدست آمد و با توجه به اینکه سطح معنیداری ها کمتر از 0/05 میباشند، همبستگیهای بدست آمده تصادفی نبوده و معنیدار میباشند.
با در نظر گرفتن پارامترهای هواشناسی به عنوان متغیرهای مستقل و تبخیروتعرق محاسبه شده در هر دو روش به عنوان متغیرهای وابسته، معادلات رگرسیون خطی چندگانه بوسیله نرم افزار SPSS، بدست آمد که در جدول زیر مشاهده میشود.
ضرایب هریک از پارامترها در این روابط تاثیر آن پارامتر را در رابطه نشان میدهد. اختلاف بین تبخیروتعرق مرجع پیشبینی شده با استفاده از مدلهای رگرسیون خطی چندگانه، نسبت به تبخیروتعرق محاسبه شده به دو روش پنمن- مانتیث- فائو 56 و تبخیر از تشت کلاس A، در شکلهای شماره 1 و 2 نشان داده شده است.
