بخشی از مقاله
چکیده
تخمین صحیح دماي هوا با قدرت تفکیک مکانی مناسب به خصوص در مناطق با تعداد ایستگاههاي هواشناسی محدود، بسیار حائز اهمیت است. تغییرات زمانی دما میتواند داراي دامنه وسیعی باشد که این امر اهمیت تخمین دماي لحظهاي را به خصوص در مطالعات مربوط به برآورد تابش خالص روزانه را افزایش میدهد. در این پژوهش دقت تخمین دماي هوا به دو روش مقایسه گردیدهاند. الف - روشهاي سنجش از دور با استفاده از دادههاي دماي پوستهي زمین و پروفیل دما از سنجنده MODIS و ب - مدل عددي شبیهسازي .
WRF براي صحتسنجی دماي هواي تخمین زده شده، از دادههاي برداشت شده تعدادي ایستگاه هواشناسی خودکار واقع در استان فارس در زمان گذر ماهواره استفاده گردیدند. صحتسنجی نتایج نشان داد که دقت تخمین دما با استفاده از مدل عددي WRF بیشتر از هر دو روش سنجش از دور میباشد و استفاده از دادههاي دماي پوستهي زمین در تخمین دماي هوا در بیشتر موارد دقت بیشتري از پروفیل قائم دما دارد. در تخمین دماي هوا با دادههاي دماي پوسته زمین سه نوع دستهبندي بر روي ایستگاههاي خودکار مطالعاتی انجام گرفت. الف - دستهبندي ایستگاهها بر اساس ارتفاع، ب - دستهبندي بر اساس عرض جغرافیایی وج - بدون دستهبندي. بیشترین دقت در تخمین دما در دستهبندي ایستگاهها بر اساس ارتفاع مشاهده گردید با وبعد از آن دستهبندي بر اساس موقعیت جغرافیایی با . RMSE =2.6 °C بر اساس آنالیز آماري مدل عددي WRF با RMSE= 1.1 °C و R2= 0.9 بیشترین دقت را در مقایسه با دادههاي مشاهدهاي نشان داد.
مقدمه:
در مناطق بسیاري تعداد ایستگاههاي هواشناسی در واحد سطح براي پوشش پهنه وسیع و در نتیجه امکان استفاده از دادههاي اندازهگیري کم میباشد. دماي هوا در ارتفاع 2 متري - دماي هوا - در بسیاري از پژوهشهاي هواشناسی و کشاورزي همچون محاسبه تبخیر- تعرق - ونگ و دیکنسون, - 2012، بررسی تغییرات اقلیمی IPCC - ، - 2007 و محاسبه توازن انرژي در سطح کاربرد فراوان دارد. بیشتر پژوهشهاي اخیر در تخمین دماي هوا بر تخمین دماي هواي ماکزیمم، مینیمم، میانگین روزانه و یا میانگین ماهانه تاکید داشته و مطالعات اندکی در زمینه تخمین دماي لحظهاي انجام گرفته است. در صورتی که دماي لحظهاي پارامتري مهم در مطالعات هیدرولوژي همچون تبخیر- تعرق - آلن و همکاران، - 2007 و تابش خالص خورشیدي بخصوص در مناطق خشک و نیمه خشک میباشد. دماي هواي لحظهاي در محاسبات سیستم اطلاعات جغرافیایی در علوم زمین مربوط به تابش خالص در شرایطی که از دادههاي ماهوارهاي استفاده گردد بسیار حائز اهمیت است
دو روش اصلی تخمین دماي هوا در پژوهش حاضر بررسی و مقایسه شده است. - 1 روش مبتنی بر دادههاي سنجش از دور شامل دماي پوسته زمین - LST - و پروفیل قائم دما و - 2 استفاده از مدل عددي .WRF
سنجش از دور امکان دسترسی به دادههاي وابسته به دماي هوا با تفکیک مکانی مناسب را ممکن میسازد. روشهاي آماري با استفاده از LST و روشهاي بیرونیابی با استفاده از پروفیل دما. روشهاي آماري بیشتر بر پایه مدلهاي تجربی رگرسیونی هستند و میتوانند در اشکال خطی و یا اشکال پیچیدهتري همچون شبکه عصبی، الگوریتم ژنتیک و درخت تصمیمگیري باشد
داده وابسته به دماي هوا میتواند تنها محدود به داده دماي پوسته زمین شود و یا همراه با دادههایی همچون ارتفاع و پوشش گیاهی شود. روشهاي رگرسیونی مناسب مناطقی با چشم انداز پیچیده است فر و همکاران، . - 2013 تعداد اندك ایستگاههاي هواشناسی، فقدان دسترسی به اطلاعات متنوع و چشم انداز پیچیده منطقه مطالعاتی، انگیزه این پژوهش براي بهرهگیري از روشهاي آماري ساده با استفاده از LST به عنوان تنها ورودي مدل رگرسیون میباشد. قابل توجه است که LST از نظر تعریف فیزیکی و جهت شار و روش اندازهگیري با دماي هوا متفاوت است. LST در اندازهگیریهاي ماهوارهاي جهت تابش دمایی است که بر اساس ضریب پخش - emmissivity - بدست میآید، در حالی که دماي هوا دماي ترمودینامیکی هست که در پناهگاه ایستگاههاي هواشناسی در ارتفاع 2 متري اندازه گیی میشود
با وجود غیر وابسته بودن دماي هوا و LST، با این حال پژوهشهاي فراوان نشان میدهد که امکان تخمین دماي هوا با استفاده از LST ممکن میباشد. این امر به دلیل تاثیر دماي پوسته زمین بر جریانات همرفت در سطح و شار گرماي محسوس میباشد - بنالی، . - 2012 مزیت روش انتخابی در این پژوهش تعداد حداقل داده ورودي - LST - و ساده بودن آن میباشد.
آرهی و ایم - 2014 - روش تخمین دماي هوا با بیرون یابی بین پروفیل دما در سطح 1000 میلی باري و ارتفاع 2 متري از سطح زمین را پیشنهاد داند. آنها تفاوت فشار بین سطح 1000 میلی بار و 620 میلی بار را با درنظر گرفتن شرایط عمودي اتمسفر در نظر گرفتند و دماي هواي 2 متري را از دماي هواي سطح 1000 میلی باري تخمین زدند. آنها به نتایج R2 = 0 .84 وRMSE = 1.54 °C براي منطقه کم ارتفاع مطالعاتیشان دست یافتند. بیشت و همکاران - 2011 - با در نظر گرفتن معادله هیدرواستاتیکی جو به برون یابی دماي هوا با استفاده پروفیل قائم دما در سطح 1000 میلی بار پرداختند. در این روش نیز برون یابی خطی دما در سطح 1000 میلی باري با فرض معادله هیدرواستاتیکی جو انجام شد.
مدل WRF یک مدل عددي میان مقیاس است که در مطالعات اتمسفري و پیشبینیهاي هواشناسی کاربرد دارد.
کاربرد مدل WRF در زمینههاي گوناگونی گزارش گردیده است شامل پیشبینی طوفان، مدلسازي کیفیت هوا، اقلیم شناسی محلی و پیشبینیهاي هواشناسی در ابعاد چند متري تا چند هزار کیلومتري - هونگ و همکاران، . - 2009 مدل عددي WRF به عنوان روشی دیگر در پژوهش حاضر براي تخمین دماي هوا در پهنه استان فارس اجرا گردید و با نتایج دو روش قبلی مقایسه گردید.
پهنهي مطالعاتی پژوهش حاضر استان فارس میباشد که یکی از وسیعترین استانهاي کشور با اقلیم نیمهخشک بوده و قطب کشاورزي کشور به حساب میآید. هدف اصلی این مقاله تخمین دماي هوا در این پهنه به روشی ساده با بهرهگیري از حداقل داده ماهوارهاي ورودي میباشد. همچنین مقایسه نتایج روش سنجش از دور با نتایج مدل عددي WRF در تخمین دماي هوا .
روش پژوهش:
در استان فارس 16 ایستگاه خودکار هواشناسی با توجه به سال مورد بررسی مستقر است - شکل. - 1 این ایستگاهها دماي هوا و سایر پارامترهاي هواشناسی را هر 10 دقیقه یکبار برداشت میکنند. دادههاي دماي هوا در زمان گذر ماهواره براي روزهاي منتخب استخراج و در صحت سنجی نتایج روشهاي پیشنهادي استفاده گردیدند. سال برگزیدهي پژوهش حاضر سال 2009 میلادي میباشد و روزهاي منتخب شامل روزهاي با آسمان صاف - ابرناکی کمتر از - %25 است.
سنجنده مودیس مستقر بر دو ماهواره Terra و Aqua به عنوان منبع داده ماهوارهاي دماي پوسته زمین از MOD11 وMYD11 و داده پروفیل قائم دما از MOD07 وMYD07 است. هر دو محصول با تفکیک مکانی 1 کیلومتر میباشد و از پایگاه اینترنتی https://ladsweb.nascom.nasa.gov/ دریافت گردیده است. مدل عددي WRF نیز به عنوان مدل شبیه سازي براي تخمین دماي هوا در تفکیک مکانی 1 کیلومتر هماهنگ با زمانهاي گذر ماهواره در شبانه روز اجرا گردید.
شکل -1 موقعیت جغرافیایی ایستگاههاي خودکار استان فارس
الف- روش مبتنی بر سنجش از دور
این بخش شامل دو بخش استفاده از دادههاي LST و پروفیل قائم دما از سنجنده MODIS میشود.
تخمین دماي هوا بر اساس دادههاي LST
با در نظر گرفتن اصل نزدیکترین همسایه، نزدیکترین پیکسل به ایستگاههاي مطالعاتی انتخاب و داده ماهوارهاي براي روزهاي منتخب استخراج گردید. ابتدا همبستگی میان دماي هوا و دماي پوسته زمین براي تمامی 16 ایستگاه خودکار محاسبه گردید. نمایش دماي پوسته زمین در مقابل دماي هوا مناسب بودن رگرسیون خطی تائید کرد
