بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه ترکیب اطلاعات بارش بدست آمده از رادار و ماهواره دید صحیحی از میزان بارش در مناطق مختلف جهان ارائه می دهد. تخمین بارش ماهواره ممکن است تنها منبع اطلاعاتی در دسترس برای هیدرولوژی کاربردی و پیش بینی هیدرولیکی سیل به علت محدودیت مکانی تولیدات رادار و باران سنج های زمینی باشد. این تخمین بارش شامل خطاهای ذاتی است که می تواند باعث ایجاد مشکل در برداشت اطلاعات بارش شود. بنابراین ارزیابی روشهای تصحیح خطا برای افزایش دقت در اطلاعات بدست آمده بارش ضروری است.
در این مطالعه تخمینهای بارش IMERG ماهواره GPM و تخمین بارش TMPA-3B42V7 ماهواره TRMM با رادار امیرآباد واقع در منطقه گلستان و مازندران مورد بررسی قرار گرفتهاند. مقادیر بارش ماهوارهها توسط روش تابع توزیع تجمعی تصحیح شد و تاثیر این روش بر بهبود مقادیر بارش ماهوارهای توسط روش صحت سنجی بیقید مورد بررسی قرار گرفتهاست. نتایج این مطالعه نشان میدهد که با تاثیر این روش میزان دقت در برداشت اطلاعات بارش به طور میانگین %21 برای GPM و %50 برای TRMM افزایش یافته، اما میانگین قدرت تشخیص بارش %31 برای GPM و %26 برای TRMMکمتر می شود.
1. مقدمه
مدیریت تصمیمگیری در زمینه منابع آب به اندازهگیری های مطمئنی از متغیرهای آب و هوایی که برای مدلسازی چرخه هیدرولوژیکی مهم هستند، نیاز دارد. اصلیترین متغییر ورودی به مدلهای هیدرولوژیکی و هواشناسی بارش است که خود دارای تغییرات پیچیدهای در دو بعد زمان و مکان میباشد. برآوردهای بارش دارای عدم قطعیتهای قابل توجهی بوده که در پیشبینیهای سایر متغیرهای هیدرولوژیکی نیز انتشار خواهند یافت. به علت پیشرفت روزافزون سنجش از راه دور کاربرد این روشها در پیشبینیهای هواشناسی و هیدرولوژیکی در سالهای اخیر بسیار بیشتر شده است.
با توجه به توانایی بالای ماهوارهها برای پوشش سرتاسری مناطق جهان میتوان از این ابزار جهت برداشت اطلاعات بارش در مناطق مختلف استفاده کرد. با وجود اینکه ماهوارهها دارای پوششدهی مکانی و زمانی بالاتری نسبت به باقی روشهای برداشت اطلاعات بارش هستند، به دلایل مختلف این دادهها میتوانند دارای خطاهایی مانند عدم قطعیت در نمونهبرداری و خطای ذاتی ناشی از اندازهگیری غیرمستقیم و خطای بازیابی باشند. بنابراین از موضوعات مهم در بررسی این داده ها مقایسه اطلاعات ماهوارهای با ایستگاههای زمینی و یا رادارها میباشد.[1] به این صورت که پس از برداشت اطلاعات مختلف نیاز به انجام تصحیح خطا برای دادههای بدستآمده است تا عدمقطعیت برای نمونهبرداری کاهش دادهشود.
Aghakouchak در سال 2009 به همراهی همکاران با استفاده از ماهواره TRMM نسخه 3B42 یک مدل تصادفی برای تحلیل عدم قطعیت فیلد های بارش ماهوارهای توسط شبیهسازی مولفه خطا و اعمال کردن آن در اطلاعات بارش بدست آمده از ماهواره توسعه دادند. یک راه برای بیان این عدم قطعیتها این است که به صورت تصادفی فیلدهای خطا تولید شده و به اندازهگیریهای ناشی از رادار اعمال شود تا تخمینهای بارش رادار به صورت کلی بدست آید. آنها توانستند از چندگانه شبیهسازی شده با استفاده از بارش برای ارزیابی اثر عدم قطعیتهای برآوردهای ماهوارهای در پیشبینی هیدرولوژیکی استفاده کنند
Emad Habib و همکاران به بررسی تاثیر تصحیح خطای تخمینهای بارش ماهوارهای بر شبیهسازی روانآب در حوضه گیلگل در اتیوپی پرداختند. در این مطالعه خطاهای دادههای ماهواره CMORPH با استفاده از دادههای بارانسنجهای زمینی تصحیح شدند. برای انجام این کار از سه روش متفاوت با توجه به متغیرهای زمانی و مکانی استفاده شد و نتیجه گرفتند که تاثیر تصحیحات متغیر نسبت به زمان و مکان و یا تنها متغیر نسبت به زمان یا مکان باعث بهبود عملکرد تخمینهای ماهوارهای تا %81 میشود
McCollum و همکاران در سال 2002 به بررسی بارش رادار تنظیم شده و دو الگوریتم تخمین بارش ماهوارهای در منطقه ایالت متحده آمریکا در طی سالهای 1998 میلادی تا 2001 پرداختند. از دادههای بارانسنج برای ضریب مورد نیاز برای تصحیح در تخمینهای رادار و از بین بردن خطا در رادار استفاده شد. از مقایسه مقادیر تنظیم شده بارش راداری با مقادیر ماهواره ای، بهبود عملکرد مقادیر بارش ماهوارهای قابل مشاهده است
Gumidoga در مطالعهای به بررسی روشهای متفاوت تصحیح خطا بر تخمینهای بارش ماهواره CMORPH با استفاده از 54 ایستگاه بارانسنجی پرداخت. در این مطالعه عملکرد 5 برنامه تصحیح خطا بررسی شدند که شامل تصحیح خطای مکانی-زمانی، تصحیح خطای زون ارتفاعی، تبدیل قدرت، تبدیل توزیع و Quantile mapping بر اساس توزیع تجربی بودند. نتایج نشان میدهند که تخمین های بارش ماهوارهای با روش تبدیل توزیع بهتر تصحیح میشوند و همچنین روش تصحیح خطای مکانی-زمانی میزان خطا را تا %70 کاهش میدهد
در مطالعه حاضر دادههای بارش رادار تصحیح شده توسط دادههای بارانسنج با تخمینهای بارش ماهوارههای TRMM و GPM مورد مقایسه قرار میگیرد و تاثیر روش تصحیح خطا تابع توزیع تجمعی1 بر مقادیر بارش ماهوارهای در 84 واقعه بارشی بررسی میشود.
.2 داده ها و منطقه مورد مطالعه
در این مطالعه منطقه گلستان و مازندران که تحت پوشش رادار بندر امیر آباد در مختصات جغرافیایی به طول 36,86 شرقی و عرض 53,38 شمالی هستند برای بررسی و ارزیابی تخمین های بارش بدست آمده از ماهواره با استفاده از رادار مورد استفاده قرارگرفته است. در شکل 1 منطقه مورد مطالعه و محل قرارگیری بارانسنجهای زمینی و رادار امیرآباد مشاهده میشود.
شکل -1 محل قرارگیری رادار امیرآباد در منطقه مورد مطالعه
دادههای بارش رادار در دقت زمانی 6 ساعته و دقت مکانی0/1×0/1 درجه برای بررسی داده های بارش ماهواره GPM و با دقت مکانی 0/25×0/25 درجه برای بررسی دادههای بارش ماهواره TRMM بدستآمد.[6] در جدول 1 تاریخهای مورد نظر برای بررسی تخمینهای بارش ماهواره و رادار نشان داده شده است.
جدول-1 تاریخهای انتخاب شده برای مقایسه رادار بندر امیرآباد و ماهواره در طی دو سال 2014 و 2015
در این تحقیق دو ماهواره TRMM و GPM برای بررسی روش تصحیح CDF در نظر گرفته شده است. این ماهواره اولین ماهوارهای است که برای اندازهگیری باران استوایی و نیمهاستوایی - مناطق گرمسیری - به فضا پرتاب شد. این ماهواره پروژه مشترک اداره ملی هوانوردی و فضایی1آمریکا و آژانس ملی توسعه فضایی2 ژاپن می باشد که در سال 1997 به فضا پرتاب شد و ماموریت خود را تا سال 2015 ادامه داد.
ماهواره TMPA ورژن 7 و کالیبره شده ماهواره TRMM می باشد. بنابراین برای برداشت اطلاعات بارش مناطق استوایی و نیمهاستوایی مورد استفاده قرار میگیرد. این ماهواره دارای وضوح مکانی 0/25×0/25 درجه و وضوح زمانی 3 ساعته میباشد. ماهواره TMPA که حد فاصلی بین ماهواره TRMM و GPM است کار خود را تا سال 2017 ادامه میدهد. در این مطالعه از TMPA ورژن 7 استفاده شد و دادههای بارش با دقت زمانی 6 ساعته از جمع دادههای سه ساعته این ماهواره بدست آمده است.
GPM که بوسیله ناسا و آژانس اکتشافات هوافضای ژاپن به عنوان جانشین جهانی TRMM آغاز شد، از کنسرسیومی از آژانسهای فضایی بینالمللی مانند سازمان اروپایی با استفاده از ماهوارههای هواشناسی، نووآ، سازمان فضایی هند و غیره تشکیل شدهاست. ماهواره اصلی GPM در 27 فوریه سال 2014 از مرکز فضایی تانگاشیما ژاپن پرتاب شد.
این ماهواره در فاصله 407 کیلومتری سطح زمین و بر روی مدار غیر خورشید آهنگ حرکت میکند و با بکارگیری یک ماهواره اصلی و مرکزی که یک سیستم رادیومتر و رادار پیشرفته را حمل میکند، به اندازهگیری بارندگی از فضا میپردازد. ورژن IMERG ماهواره GPM برای مطالعه و بررسی انتخاب شد. این ماهواره تخمینهای بارش ماهانه و نیمساعته را در شبکههای 0/1 درجه طولی و عرضی برای محدوده 60 درجه شمالی و جنوبی تولید میکند.
3. ارائه و تفسیر نتایج
داده های رادار با وضوح مکانی 10 کیلومتر و وضوح زمانی 6 ساعته و دادههای بارش ماهواره GPM با وضوح مکانی 0/1 درجه و پیکسلهای با ابعاد 10 کیلومتر و حداقل وضوح زمانی نیم ساعته بدست آمده است. دادههای رادار پیش از استفاده توسط داده بارانسنجهای زمینی کالیبره شدهاند. در شکل 2 مشاهده میشود که دادههای رادار تا محدوده مشخصی نسبت به مرکز آن قابل برداشت هستند که این موضوع از عوامل خطا در استفاده از دادههای رادار است. همچنین دادههای رادار در محدوده نزدیک به مرکز نیز دارای خطا میباشند و رادار مقادیر اشتباهی از بارش را گزارش میکند. بنابراین برای از بین بردن این خطاها در این مطالعه محدوده 50 تا 150 کیلومتری مرکز رادار مورد بررسی قرار گرفته است. در شکل 2 و 3 دو نمونه از دادههای بارشی رادار و ماهواره GPM وTRMM نشان داده شده است.
