بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اینکه ایران در کمربند خشک کره زمین واقع شده و کمتر از متوسط بارندگی کره زمین را دریافت میکند استفاده از سیستمهاي سطوح آبگیر جهت استحصال و مدیریت بارندگیها در کشوري که حدود %80 از نزولات آسمانی در آناز دسترس خارج میشود بسیار حائز اهمیت است، بطوريکه با بهرهگیري از روشهاي مختلف استحصال آب باران و بهینهسازي آبهاي استحصالی میتوان تا حد قابل قبولی کمبود آب در مناطق خشک و نیمه خشک را جبران نمود.
نقش و اهمیت این موضوع، یکی از اساسیترین نکات به ویژه با هدف صرفهجویی در وقت و هزینه مشخص کردن نقاط مناسب براي احداث سامانههاي سطوح آبگیر است که امروزه امکان آن با استفاده از ابزارها و تکنیکهاي سامانههاي اطلاعات جغرافیایی میسر میباشد. امروزه روشهاي مختلفی براي برآورد بارش متوسط سالانه وجود دارد که یکی از آنها روشهاي درونیابی است.
عدم وجود یک سیستم دیدهبانی قابل اعتماد و گسترده یکی از چالشهاي مهم در تجزیه و تحلیل بارش، پیشبینی هیدرولوژیکی و مدیریت منابع آب در ایران است. همچنین عدم وجود یا وجود دادههاي بارش با کیفیت پائین در برخی از مناطق کشور ضرورت استفاده از محصولات بارش ماهوارهاي، که میتواند به عنوان منبع جایگزین براي حوضههایی با دادههاي پراکنده یا فاقد آمار باشد را در کشورهاي در حال توسعه مانند ایران بیشتر میکند. لذا هدف از این پژوهش ارزیابی، مقایسه و پهنهبندي میزان دقت بارش ماهانه به دست آمده از محصولات بارش ماهوارهي TRMM 3B43 v7 با بارش ایستگاهها است.
محصول بارش TRMM بهصورت شبکهاي و با تفکیک 0/25 × 0/25 درجه در مقیاس ماهانه براي سالهاي 1998 تا 2017 استخراج و 5 ایستگاه سینوپتیک براي ارزیابی و مقایسه بارش در شمالغرب کشور انتخاب شد. شاخصهاي آماري RMSE و ضریب همبستگی پیرسون براي ارزیابی دقت بارش برآوردي ماهانه استفاده شد.
نتایج معیارهاي ارزیابی دقت نشان داد که بارش برآوردي ماهواره نتایج قابل قبولی دارد. مقادیر معیارهاي خطاي ارزیابی دقت هم نشان میدهد که ماهواره در ایستگاه اردبیل با میانگین مربعات خطاي 41/58 و همبستگی پیرسون 0/64 و ایستگاه زنجان با 9/69 و 0/90 در بین ایستگاههاي مورد مطالعه بهعنوان ضعیفترین و بهترین برآورد بارش توسط ماهواره TRMM در طی دوره 2017-2014 داشته است. نتایج این تحقیق حاکی از آن است که دادههاي بارش ماهواره TRMM در مقیاس ماهانه در اکثر نقاط کشور از دقت قابل قبولی برخوردار هستند.
مقدمه
بارش مهمترین متغیر هیدرولوژیکی است که اتمسفر را به فرآیندهاي سطح زمین ارتباط میدهد و نقش اساسی در آب و هوا و اقلیم ایفا میکند
در مدلهاي هیدرولوژیکی، بارش بهعنوان یکی از مهمترین وروديهاي جوي مدل بوده و اندازهگیري دقیق بارش براي پیشبینیهاي هیدرولوژیکی بسیار ضروري است
ارزیابی توزیع فضایی دقیق بارش ماهانه و مقایسه شبیهسازي مدلهاي منطقهاي در علوم محیطی بهویژه اقلیمشناسی اهمیت فراوان دارد. با توجه به تغییرپذیري زمانی و مکانی زیاد بارش و تراکم ایستگاههاي بارانسنجی، پیشرفتها در زمینه تخمین بارش با استفاده از تصاویر ماهوارهاي بسیار با اهمیت جلوه میکند
امروزه بیشتر دادههاي بارش از ایستگاههاي زمینی بارانسنجی و هواشناسی جمعآوري میشود. این در حالی است که شبکه ایستگاههاي اندازهگیري بارش در بیشتر مناطق بهویژه در کشورهاي در حال توسعه از توزیع مکانی خوبی برخوردار نمیباشد. بنابراین کیفیت و فراهم بودن دادههاي مناسب بارش در مناطق مختلف جهت استفاده در زمینههاي علمی و عملی اهمیت زیادي دارد
در دهههاي اخیر روشهاي مختلفی جهت توسعه تخمین بارش از روي تصاویر ماهواره اي در مناطق بدون ایستگاه صورت گرفته است. با ورود ماهوارههاي هواشناسی در دهه 1970، تخمین و ارزیابی بارش از طریق تصاویر ماهوارهاي امکانپذیر شد . - levizzani et al ., 2002 - در این زمینه مدلهایی با توان تفکیک مکانی و زمانی بالا ارائه شده است که از آن جمله میتوان به مدلهاي PERSIANN1، CMORPH2، TMPA3، NOAA4 اشاره کرد
ارزیابی و تخمین بارش با استفاده از تصاویر ماهواره اي با پرتاب ماهواره TRMM5 در اواخر نوامبر سال 1997 پشرفت قابل توجهی کرده است
غضنفري مقدم و همکاران - 1390 - در مطالعه خود با عنوان مقایسه مدلPERSIANN با روشهاي درونیابی بهمنظور کاربرد در تخمین مقادیر بارندگی روزانه، دادههاي بهدست آمده از روشهاي مختلف درونیابی با استفاده از دادههاي ایستگاههاي استان خراسان شمالی براي ایستگاه بجنورد را با دادههاي دیدهبانی شده در ایستگاه و دادههاي بارش روزانه PERSIANN مقایسه کردند. نتایج نشان داد، که ضریب همبستگی دادههاي PERSIANN با دادههاي دیدبانی بیشتر از ضریب همبستگی بین دادههاي دیدبانی با دادههاي حاصل از میانیابی است.
مسعودیان و همکاران - 1393 - در مطالعهاي به معرفی و مقایسه پایگاههاي دادهاي بارشی TRMM و اسفزاري پرداختند. نتایج حاکی از همبستگی بالا بین بارش ماهانه اسفزاري و TRMM 3B43 بود که نشاندهنده نزدیکی زیاد این دو پایگاه داده است. اختلاف این دو پایگاه داده نیز نشان داد که پایگاه دادهاي TRMM در زاگرس مرکزي داراي کم برآوردي و در بخشهایی از رشته کوههاي البرز و زاگرس داراي بیش برآوردي است. بطور کلی در بارشهایی از نوع کوهستانی خطاي ماهواره TRMM افزایش مییابد.
جیان فانگ و همکاران - 2013 - در مطالعه اي با عنوان ریزمقیاسنمایی دادههاي بارش ماهواره TRMM تحت تأثیر توپوگرافی و هواشناسی در مناطق کوهستانی که در حوزه آبخیز رودخانه خیائو6 انجام شد، با استفاده از دادههاي بارش ماهواره TRMM بر اساس روابط بارش، توپوگرافی و پوشش گیاهی ریزمقیاسنمایی انجام دادند. رگرسیون حاصل از تصاویر ماهوارهاي و دادههاي زمینی افزایش یافت، سپس از یک معادله رگرسیونی مربوط به شاخص بارش با متغیر توپوگرافی، با استفاده از روش کرجینگ، نقشههاي بارندگی در مناطق کوهستانی اسکاتلند ترسیم نمودند.
پارکاش و همکاران - 2015 - در مطالعهاي با عنوان بررسی خطاي ماهواره TMPA در هند در فصول مختلف سال پرداختند. نتایج نشان داد که دادههاي TMPA براي مناطق و فصلهاي مناسب قبل از اینکه در کارهاي هیدرولوژیکی مورد استفاده قرار گیرد با استفاده از خطاي BIAS مورد ارزیابی قرار گیرد.
گوفنگ و همکاران - - 2016 در مطالعهاي در جنوب غربی منطقه موسمی چین به بررسی صحت دادههاي بارش TRMM پرداختند.
نتایج نشان داد که دادههاي بارش ماهواره TRMM باید براي برنامههاي هیدرولوژیکی و مدیریت منابع آب در ایستگاههاي هواشناسی که داراي توزیع ناهمگن و مناطقی که فاقد ایستگاه هستند میتواند بهطور گستردهاي مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به مطالعات صورت گرفته در کشورهاي دیگر و یافتههاي تحقیقات داخلی مطالعه مذکور با هدف ارزیابی و پهنهبندي خطاي دادههاي بارش ماهواره TRMM در شمالغرب کشور جهت ارزیابی بارش در سامانه سطوح آبگیر باران و طرحهاي استحصال آب در آبخیزهاي کشور صورت گرفته است.
مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه
محدوده مطالعاتی تحقیق حاضر در شمال غرب جمهوري اسلامی ایران و شامل استانهاي آذربایجان غربی، آذربایجان شرقی، اردبیل و استان زنجان است. در هر استان، ایستگاه سینوپتیک مرکز استان به عنوان ایستگاه مطالعاتی انتخاب و با دادههاي بارش ماهواره مورد مقایسه قرار گرفت. شکل 1 موقعیت ایستگاههاي منتخب و محدوده منطقه مطالعاتی را در ایران نشان میدهد.
شکل -1 موقعیت ایستگاهها و محدوده مطالعاتی در ایران
دادههاي بارش ماهواره TRMM
اندازهگیري بارش در سطح جهانی بهویژه براي کاربردهاي نزدیک در حال حاضر به توانایی سامانههاي ماهوارهاي در تولید داده و فاصله زمانی دیدهبانی در مقیاس جهانی بستگی دارد. ماهواره TRMM در سال 1996 با همکاري ایالات متحده و ژاپن به فضا پرتاب شد. طرح اندازه گیري بارش استوا - TRMM - با هدف اندازهگیري دقیق بارش در مناطق استوایی و جنبحاره در سال 1997 شروع بهکار کرد. این ماهواره با استفاده از 5 ابزار سنجش موجود بر روي خود و به کممک الگوریتمهاي متفاوت، محصولات مختلفی را در رابطه با بارش ارائه میدهند، این محصصولات ششامل ببارش 3 ساعته، روزانه، ماهانه و تفکیکهاي مختلف از 5 × 5 درجه تا 0/25×0/25 درجه میباشد
دادههاي بارش شبکهايTRMM 3B43 از 1998 تا به امروز با تأخیري دو ماهه و تفکیک مکانی 0/25˚ × 0/25˚ درجه طول و عرض جغرافیایی در دسترس است. پوشش مکانی این دادهها ار 50 درجه جنوبی تا 50 در شمالی و از 180 درجه غربی تا 180 درجه شرقی است. به جهت اینکه دادههاي ماهوارهاي از سال 1998 تولید و عرضه شدهاند بنابراین شروع دوره تحقیق از سال 1998 تا سال 2014 در نظر گرفته شد.
در این تحقیق از دادههاي بارش ماهانه 3B43 ماهواره TRMM نسخه 7 با قدرت تفکیک مکانی 0/25˚ × 0/25˚ براي سالهاي 1998 تا 2017 با فرمت NetCDF استخراج شد. جهت تحلیل دادههاي بارش زمینی، دادههاي بارش ماهانه 5 ایستگاه سینوپتیک براي سالهاي 1998 تا 2017 در سطح شمالغرب کشور از سازمان هواشناسی کشور تهیه شد. پس از دانلود تصاویر بارش ماهانه ماهواره TRMM با استفاده از نرم افزار ArcGIS 10.3 تصاویر به لایه رستري با فرمت TIF تبدیل شده سپس مقادیر بارش مربوطه به هریک از ایستگاهها از روي تصاویر براي هر یک از ماههاي سال استخراج شد.
