بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
بررسی عملکرد روشهای دمایی در برآورد تابش خورشیدی ماهانه و تعیین تبخیر و تعرق مرجع
چکیده:
تابش خورشیدی رسیده به سطح زمین از پرکاربردترین پارامترهای مورد استفاده در پروژهها و مدلسازیهای هیدرولوژیکی، کشاورزی، هواشناسی و اقلیمی می باشد که تنها در تعداد محدودی از ایستگاههای هواشناسی در سرتاسر دنیا اندازهگیری میشود. روش رایج در نبود دادههای اندازه گیری شده تابش استفاده از ساعات آفتابی اندازهگیری شده میباشد که این اندازهگیریها نیز در بسیاری از نقاط مورد نیاز مثل محل اجرای پروژههای آبی و کشاورزی موجود نیستند؛ لذا تا کنون روشهای مختلفی جهت تخمین تابش خورشیدی از شدتهای دمای هوا که در دسترسترین داده هواشناسی محسوب میشود ارائه شده است. در این تحقیق عملکرد سه روش دمایی هارگریوز (1994)، اناندل و همکاران (2002) و سامانی ( 2000) روی چهار ایستگاه سینوپتیک استان زنجان، جهت برآورد تابش و تبخیر و تعرق مرجع ماهانه مورد بررسی قرار گرفتهاند. مقادیر تابش خورشیدی برآورد شده به وسیله این سه روش با مقادیر تابش حاصل از ساعات آفتابی به عنوان مبنا، به وسیله دو معیار ME و RMSE بی بعد شده، مقایسه گردید. همچنین برای درک تأثیر مقادیر تابش برآوردی بر تبخیر و تعرق گیاه مرجع، با جایگذاری این مقادیر در رابطه پنمن مانتیس فائو (نشریه (56 نتایج برای دو روش دمایی و ساعات آفتابی مقایسه شدند. بر اساس نتایج بدست آمده در سه ایستگاه زنجان، خرم دره و ماهنشان روش هارگریوز بهترین برآورد تابش را داشته ولی در خدابنده، مرتفعترین ایستگاه انتخابی، روش اناندل و همکاران که همان روش اصلاح شده هارگریوز میباشد، بیشترین دقت را داشته است. روش سامانی در ایستگاه زنجان نتایج مناسبی نداشته و در سه ایستگاه دیگر نیز در اولویت قرار نمیگیرد. همچنین معلوم گردید انتخاب روش برآورد تابش در تعیین تبخیر و تعرق مرجع تأثیر کمی دارد. به طور کلی برآورد تابش در محلهایی که دسترسی به دادههای ساعت آفتابی مقدور نیست، به ترتیب اولویت از طریق روشهای هارگریوز، اناندل و همکاران و سامانی پیشنهاد میگردد.
واژههای کلیدی: استان زنجان، رابطه پنمن مانتیس فائو، تابش خورشیدی، تبخیر و تعرق مرجع، روشهای دمایی
.1 مقدمه
تابش خورشیدی (Rs) ، منبع اصلی انرژی فرآیندهای بیولوژیکی و فیزیکی و ورودی مهم بسیاری از مطالعات شبیه سازی از جمله فرآیندهای مربوط به تغییر اقلیم، هیدرولوژی، اکولوژی و کشاورزی به شمار میآید .[12] برای مثال در هواشناسی کشاورزی، داشتن دادههای دقیق Rs برای رشد گیاهان و شبیه سازی مزرعه و برآورد تبخیر و تعرق بسیار ضروری است. متأسفانه Rs، یا به طور جایگزین، ساعات آفتابی که به وسیله آن Rs میتواند با دقت کافی برآورد گردد، در سراسر دنیا در تعداد بسیار محدودی از ایستگاه های هواشناسی اندازه گیری میشود. در ایالات متحده و انگلیس درصد ایستگاه هایی که Rs را اندازه گیری میکنند کمتر از %1 است 11] و .[14
در مقابل، دمای هواعموماًدر بیشتر ایستگاههای هواشناسی اندازه گیری میشود. روشهای مختلفی برای برآورد غیر مستقیم Rs از اختلاف بین شدتهای دمایی هوا توسعه یافته است. هارگریوز و سامانی روش سادهای را برای برآورد Rs از اختلاف دمای ماکزیمم و مینیمم هوا مطابق فرمول زیر پیشنهاد کردند :[9]
در این رابطه واحد تابش خورشیدی رسیده به زمین (Rs) مگا ژول بر مترمربع بر روز؛ Tmax و Tmin به ترتیب میانگین دمای حداکثر و حداقل روزانه بر حسب درجه سلسیوس؛ Ra تابش ماورائی خورشید بر حسب مگا ژول بر مترمربع بر روز است که تابعی از عرض جغرافیایی و روز سال میباشد [8]؛ و Kr ثابت تجربی بی بعدی است که هارگریوز مقدار آن را در نواحی ساحلی0/19و در نواحی درونی و دور از ساحل 0/16 توصیه کرد .[10] اناندل و همکاران ضریب Kr را برای تأثیر دادن کاهش ضخامت جو بر میزان تابش بر اساس رابطه زیر تصحیح نمودند :[5]
Kr’ همان تصحیح شده ضریب Kr و Z کد ارتفاعی بر حسب متر میباشد.
آلن نیز به وسیله رابطه زیر Kr را تابعی از ارتفاع پیشنهاد نمود تا تأثیر ارتفاع بر ظرفیت گرمایی حجمی اتمسفر به حساب آید
Kra ضریب تجربی با مقدار 0/17 برای نواحی داخلی و 0/20 برای نواحی ساحلی؛ و P متوسط فشار اتمسفر در ایستگاه بر حسب کیلو پاسکال که میتواند از کد ارتفاعی ایستگاه به شکل زیر برآورد گردد :[7]
در فرمول فوق P0 متوسط فشار اتمسفر در سطح دریا بر حسب کیلو پاسکال یعنی 101/3 کیلو پاسکال است. آلن چنین
گزارش کرد که معادله (3) برای ایستگاههای با ارتفاع بیشتر از 1500 متر بسیار ضعیف عمل میکند .[3]
سامانی یک رابطه تجربی را بین Kr و اختلاف دمای هوا (Tmax-Tmin) بر حسب درجه سلسیوس توسعه داد، صورت کلی
این رابطه به شکل زیر است :[13]
این رابطه میتواند در عرضهای جغرافیایی بین 7 تا 50 درجه شمالی به کار برود. در بسط این معادله از میانگین ماهانه 65 ایستگاه استفاده شده و ضریب تبیین (r2) و خطای استانداردی (S.E.) به ترتیب 0/7 و 0/0126 بودند. با اینکه این معادله در اصل برای ایالات متحده آمریکا توسعه یافته ولی برای مناطقی مثل ایران نیز که در محدوده عرض جغرافیایی معین شده واقع شده است میتواند به کار رود .[6]
در هر حال دقت هر یک از این برآوردها برای استفاده در محلهای مختلف نیاز به آزمون دارد. باندیوپادهیای و همکاران عملکرد شش روش دمایی را برای برآورد تابش رسیده به زمین در سطح کشور هند مورد بررسی قرار داده و آنها را به ترتیب اولویت هارگریوز 1994)، ضرایب ساده شده جهت برآورد تابش خورشیدی ماهانه در شمال آمریکا و اروپا)، اناندل و همکاران 2002)، نرم افزاری جهت تحلیل خطای داده گم شدهی تبخیر و تعرق مرجع پنمن-مانتیس)، سامانی 2000)، برآورد تابش خورشیدی و تبخیر و تعرق با استفاده از دادههای اقلیمی مینیمم)، آلن 1995)، ارزیابی روند برآورد میانگین تابش خورشیدی ماهانه از دمای هوا)، آلن 1997)، روش خود واسنج برای برآورد تابش خورشیدی از دمای هوا)، بریستو و کمبل 1984)، روی رابطه بین تابش خورشیدی ورودی و دمای ماکزیمم و مینیمم روزانه) معرفی نمودند .[6]
هدف اصلی این مقاله مقایسه برآوردهای Rs روشهای دمایی موجود در نوشتههای علمی از طریق مطالعه موردی ایستگاههای هواشناسی استان زنجان است. بعلاوه تأثیر این برآوردها در محاسبه تبخیر و تعرق مرجع (ET0) که یکی از مهمترین متغیرهای هیدرولوژیکی کشاورزی وابسته به دادههای Rs است، بررسی گردیده است.
.2 مواد و روش
در ابتدا دادههای هواشناسی ماهانه 6 سال (2000-2005) از سایت هواشناسی کشور، برای چهار ایستگاه سینوپتیک موجود در استان زنجان که داده گم شدهای نداشتند تهیه گردید. مختصات جغرافیایی و کد ارتفاعی هر ایستگاه در جدول 1 آورده شده است.
سپس برای هر یک از ایستگاهها به وسیله رابطه زیر از ساعات آفتابی اندازه گیری شده جهت برآورد Rs استفاده شد..
که n نشان دهندهی ساعات آفتابی و N حداکثر ساعات آفتابی ممکن میباشد. پارامترهای a و b ضرایب آنگستروم کالیبر شده محلی هستند و طبق توصیه فائو در محلهای فاقد مقادیر کالیبره شده به ترتیب برابر 0/25 و 0/5 در نظر گرفته میشوند. موسوی بایگی و همکاران نشان دادند که استفاده از این مقادیر برای ضرایب آنگستروم حتی نتایج بهتری را نسبت به زمانی که از مقادیر کالیبره شدهشان استفاده میشود، به همراه داشتهاند .[1] در مرحله بعدی برای هر یک از ایستگاهها مقادیر Rs محاسبه شده با سه روش هارگریوز، اناندل و همکاران و سامانی با مقادیر بدست آمده از رابطه (6) مقایسه گردید.
دو شاخص عملکرد به کار رفته در این مقایسهها ME کفایت مدل سازی و RMSE ریشه مربع خطای میانگین که به صورت درصدی از میانگین حسابی مقادیر مشاهداتی بیان شده است، میباشند. روابط مربوط به این دو شاخص بدین صورت هستند:
که n تعداد مشاهدات، xp,i متغیر برآورد شده، xo,i متغیر مشاهده شده، xo,ave میانگین متغیرهای مشاهداتی است. مقدار ME وقتی مقادیر برآوردی Rs با مقادیر حاصل از رابطه (6) یکی شوند میتواند برابر یک شود. مقادیر کوچکتر( نزدیک صفر) ME نشان میدهند روش برآورد ضعیفی به کار گرفته شده است و مقادیر منفی نشان میدهند مقادیر برآورد شده حتی بدتر از استفاده ساده از متوسط مشاهدات هستند. RMSE برای اینکه فاقد واحد باشد به صورت درصد بیان شد. روشهای مختلف میتوانند مستقیماً به وسیله RMSE مقایسه شوند و مقادیر کم آن نشان دهندهی عملکرد بهتر است.
در هواشناسی کشاورزی یکی از کاربردهای مهم دادههای تابش رسیده به زمین، محاسبه تبخیر و تعرق گیاه مرجع می-باشد. برای درک تأثیر برآوردهای دمایی تابش بر تبخیر و تعرق مرجع، از رابطه پنمن-مانتیس مجله 56 فائو [4] که اکنون به عنوان روش استاندارد بینالملل مورد توجه است، استفاده شده و با تبخیر و تعرق حاصل از تابشی که از ساعات آفتابی اندازه گیری شده بدست آمده است، مقایسه شد.
