بخشی از مقاله
چکیده
تغییرات میزان ذخایر منابع آبی در مناطق و محدوده هاي مختلف ایران، که طی سال هاي اخیر به عنوان امري مشهود و مخاطره آمیز تلقی گشته است، در مطالعاتی که مبتنی بر داده هاي عاید از ماموریت هاي متفاوت ماهواره اي بوده، مورد بررسی قرار گرفته اند. در مقاله ي حاضر، از مشاهدات تغییر فاصله ي بین زوج ماهواره ي GRACE که با دقتی معادل 0/1 میکرومتر بر ثانیه موجود می باشند، بهره جسته و سري زمانی مشاهدات ماهیانه ي تغییر فاصله، منتسب به حوضه ي آبریز اصلی ایران در فاصله ي بین سال هاي 2003 تا 2010 میلادي استخراج و روند تغییرات زمانی و فرکانسی آن ها با استفاده از ابزار آنالیز فوریه و ویولت مورد تحلیل قرار گرفته اند. نتایج به دست آمده، با آن چه که از تحلیل سري هاي زمانی بارش ماهیانه ي ثبت شده در ایستگاه هاي سینوپتیک موجود در حوضه هاي مذکور و تغییرات ذخیره ي کلی آب که از مدل هاي هیدرولوژي به دست آمده، سازگاري دارند.
-1 مقدمه
تغییرات آب و هوایی یکی از مهمترین موضوعات و مشکلات مبتلا به جوامع بشري در عصر حاضر می باشد. یکی از ثمرات این تغییرات که روز به روز ، به خصوص در کشور هایی با شرایط آب و هوایی ایران، احساس می شود کمبود روز افزون منابع آبی است. مسئله ي کم آبی باعث شده است که در بسیاري از کشور هاي دنیا، نگرش سنتی مدیریت منابع آب، مورد بازبینی قرار گرفته و شکلی فرابخشی و جامع به خود بگیرد .[1] از این رو لازم است که تغییرات زمانی و مکانی منابع آبی به صورت پیوسته رصد گردد تا امکان مدیریت بهینه بر این منابع فراهم شود. امروزه، اهمیت و لزوم مدیریت بر تغییراتی از این دست، که مستلزم پیش بینی، تشخیص و پایش روند تغییرات هیدرولوژیک و تبعات ناشی از آن می باشد، با بروز رخدادهایی مخاطره آمیز در کشور ایران، بیش از پیش جلوه می کند.
میدان ثقل زمین را می توان در یک دیدگاه و نگرش کلی به دو بخش ثابت1و متغیر در زمان2 تفکیک نمود. اگرچه بخش ثابت نیز به صورت مطلق لایتغیر نبوده و تغییراتی با دوره ي هزاران تا میلیون ها سال را تجربه می نماید ولیکن می توان از این تغییرات چشم پوشی نمود. جزر و مد3که در نتیجه ي تاثیرگرانش سایر اجرام سماوي رخ می دهد, یکی از عوامل تغییر در میدان ثقل زمین می باشد. مولفه ي غیر جزر ومدي تشکیل دهنده ي بخش متغیر میدان ثقل به طور عمده منبعی هیدرولوژیک4، اقیانوسی، انجمادي5و یا جوي داشته و ذاتا می توان این بخش از میدان ثقل زمین را در ارتباط با میزان جابجایی جرم6در زمین تلقی نمود. بنابراین تغییرات زمانی و مکانی منابع آبی، در بخش متغیر میدان ثقل و جابجایی جرم در زمین جلوه گر خواهد بود.[2]
در گذشته، مشاهده ي مستقیم جابجایی جرم در زمین مشکل و بلکه غیر ممکن می نمود؛ ولیکن با ظهور ماموریت هاي ماهواره اي که اختصاصا با هدف مدل سازي میدان ثقل زمین طراحی و از آغاز قرن حاضر عملیاتی گشته اند- همچونCHAMP7،GRACE 8 و -GOCE9 موضوع کاملا تغییر نموده است [3] ، [4]و .[5] در این میان، ماموریت ماهواره اي GRACE اولین ماموریت فضایی اختصاصی ثقل سنجی با ماهیت قابلیت ردیابی بین دو ماهواره ي با ارتفاع پایین10،بوده که اصولا به دلیل ثبت مشاهدات تغییرات فاصله ي بین دو ماهواره ي هم مدار و کم ارتفاع، با دقتی بسیار بالا، در کنار ثبت دقیق موقعیت هر ماهواره توسط گیرنده هايGPS11 و نیز شتاب هاي غیر جاذبی توسط شتاب سنج هاي نصب شده در مرکز جرم هر ماهواره، امکان ثبت و پردازش تغییرات میدان ثقل زمین، به ویژه، ناشی از تغییرات توزیع جرم در مقیاس هاي جهانی و منطقه اي را فراهم نموده است.
بدین منظور، در طول بیش از یک دهه از گردش این ماهواره ها، از محصولات منتشر شده ي این ماموریت در راستاي ترسیم تغییرات جهانی و منطقه اي توزیع جرم، به خصوص تغییرات و نقصان منابع آبی، به شیوه هاي مختلفی بهره گرفته شده است در ایران نیز از ماموریت هاي فضایی و ابزار سنجش از دور، به ویژه ماموریت GRACE در پایش و مطالعه ي تغییرات هیدرولوژیک منتسب به حوضه هاي آبریز منفرد استفاده شده است.
از جمله توریان و همکاران با بهره گیري از چندین منبع فرازمینی مشتمل بر تصویر برداري ، ارتفاع سنجی و نیز ثقل سنجی ماهواره اي مبتنی بر داده هاي سطح دوم GRACE به مطالعه ي روند تغییرات ذخایر آبی در حوضه ي دریاچه ي ارومیه پیرداخته اند .[11] همچنین جودکی و همکاران داده هاي ماموریت فضایی GRACE را به همراه مشاهدات زمینی محلی و نیز مدل هاي هیدرولوژیک به منظور استحصال میزان کاهش سطح آب هاي تحت الارضی در محدوده اي شامل بخش هایی از ایران به کار برده اند .
[12] مقاله ي حاضر، به عنوان استمرار فعالیت هاي پژوهشی در راستاي ثبت تغییرات هیدرولوژیک و منابع آبی در مقیاس هاي منطقه اي، که به عنوان نمونه در کشوري مانند ایران انجام می پذیرد، به دنبال آن است که با اتکاي به داده هاي سطح اول از محصولات منتشره ي این ماموریت، به ویژه مشاهدات تغییر زمانی فاصله ي بین دوماهواره، که با دقتی برابر با 0.1 میکرومتر بر ثانیه، اندازه گیري و به صورت روزانه و با نرخ 5 ثانیه انتشار یافته اند و انتساب آن ها به هر یک از حوضه هاي آبریز اصلی ایران، سري هایی زمانی که نشان دهنده ي تغییرات مشاهدات مزبور در طول مدت مورد مشاهده، در محدوده هاي فوق خواهند بود تولید و متعاقب آن اطلاعات زمانی و فرکانسی مرتبط با تغییرات هیدرولوژیک در هر یک از این محدوده ها و نیز مشابهت ها و وجوه افتراق آن ها را با استفاده از ابزار تحلیل طیفی1، به ویژه تبدیل ویولت2استخراج نماید. از این رو پس از مقدمه ي حاضر، مروري خواهیم داشت بر ابزار ریاضی مورد نیاز و پس از آن ضمن معرفی داده هاي مورد استفاده به منظور تولید سري هاي زمانی، به ارائه ي نتایج تحلیل طیفی سري هاي مزبور خواهیم پرداخت.
-2 روش تحلیل و داده هاي مورد استفاده
-2-1 مروري بر تبدیلات فوریه و ویولت
اگر بتوان تابعی مانند را به صورت ترکیب خطی نوشت که در آن ها ضرایبی حقیقی موسوم به ضرایب بسط و ها نیز توابعی حقیقی بنام توابع بسط هستند، آنگاه تحلیل، توصیف و پردازش سیگنال به طریقی ملموس تر و کارآمدتر قابل انجام بوده و این موضوع اساس آنالیز طیفی را تشکیل می دهد .[13] اگر مجموعه ضرایب بسط براي یک تابع، منحصر به فرد باشند توابع بسط را پایه اي براي فضاي شامل می نامیم و در صورتیکه این توابع پایه، متعامد یکه باشند می توان نوشت:
در تبدیل فوریه، توابع پایه متعامد یکه ي سیستم به صورت توابع نمایی یا سینوسی هایی با دامنه ي نامحدود در فضاي زمان و در تبدیل ویولت، توابعی متعامد و یا غیر متعامد موسوم به ویولت ها می باشند که امواجی متمرکز و با انرژي محدود در زمان هستند. بنابراین در تناظر با رابطه ي - 1 - می توان به ترتیب از روابط - 2 - و - 3 - براي انتقال از فضاي زمان به فرکانس در تبدیلات فوریه و ویولت بهره جست. در رابطه ي - 3 - ، مزدوج مختلط تابع ویولت مادر نرمال شده، مقیاس و انتقال یافته می باشد .[13] همانطور که در بسط یک تابع به کمک سري تیلر، اولین جمله از بسط، قسمت عمده تابع را در برگرفته و ترم هاي بعدي جزئیات آنرا بیان می کنند، در آنالیز ویولت نیز می توان با استفاده از دو دسته تابع موسوم به توابع مقیاس3و ویولت به چنین بیانی دست یافت.
