بخشی از مقاله
چکیده
نرمالسازی دمای سطح زمین نسبت به عوامل محیطی از اهمیت باالیی در بسیاری از مطالعات علمی و تصمیمات مدیریتی همچون شناسایی منابع زمینگرمایی، پایش روند تغییرات فعالیت گسلها و آتشفشانها، بررسی روند تغییرات آنومالیهای حرارتی و مدیریت و برنامهریزی مصرف منابع انرژی در محیط شهری برخوردار است. هدف این پژوهش، توسعهی یک مدل فیزیکی جدید بر مبنای معادالت بیالن انرژی برای نرمالسازی دمای سطح بدست آمده از تصاویر ماهوارهای نسبت به پارامترهای محیطی میباشد. برای این منظور از مجموعهی دادههای ماهوارهای، هواشناسی و اقلیمی ثبتشده در ایستگاه-های سینوپتیک و دمای خاک اندازهگیریشده با 12 دستگاه زمینی استفاده گردید.
برای مدلسازی و نرمالسازی دمای سطح، مدلهای فیزیکی بیالن انرژی دوگانه با در نظر گرفتن دو کسر پوشش خاک و گیاه و بیالن انرژی سهگانه با در نظر گرفتن سه کسر پوشش خاک، گیاه و اراضی ساختهشده ارائه شده-اند. برای ارزیابی و مقایسه دقت نتایج مدلهای مختلف، از شاخصهای ضریب همبستگی و RMSE بین مقادیر دمای سطح مدلشده، بدست آمده از تصویر ماهوارهای و اندازهگیریشده زمینی و واریانس مقادیر دمای سطح نرمالشده استفاده گردید. نتایج بیانگر این است که ضریب همبستگی بین دمای سطح مدلشده و بدست آمده از تصویر ماهوارهای برای مدل بیالن انرژی دوگانه و سهگانه به ترتیب 0/67 و 0/77 میباشد.
RMSE بین دمای سطح مدلشده و بدست آمده از تصویر ماهوارهای و واریانس مقادیر دمای سطح نرمالشده با مدل بیالن انرژی سهگانه نسبت به مدل بیالن انرژی دوگانه به ترتیب 0/47 و 2/7 درجه سانتیگراد پایینتر میباشند. همچنین مقدار RMSE بین دمای سطح مدلشده و اندازه-گیریشده زمینی برای مدل دوگانه 3/22 درجه سانتیگراد و برای مدل سهگانه 2/16 درجه سانتیگراد میباشد. نتایج حاصل از پژوهش بیانگر کارایی باالتر مدل بیالن انرژی سهگانه ارائهشده نسبت به مدل بیالن انرژی دوگانه برای نرمالسازی دمای سطح بدست آمده از تصاویر ماهوارهای نسبت به پارامترهای محیطی میباشد.
واژههای کلیدی: نرمالسازی، دمای سطح زمین، بیالن انرژی، خاک، گیاه، اراضی ساختهشده.
-1 مقدمه
پدیدهها و عوارض گوناگون، با توجه به شرایط مختلف، از خود انرژی تابشی گسیل مینمایند. دمای سطح زمین - LST - بهدلیل نشان دادن میزان تشعشات ساطعشده از سطح و زیرسطح زمین و تبادل انرژی بین سطح زمین و اتمسفر، اهمیت بسیاری دارد. در سالهای گذشته، با استفاده از مقادیر تابش مادون قرمز حرارتی بدست آمده از تصاویر حرارتی سنجش از دور و مدلهای فیزیکی و کمی، امکان محاسبهی LST برای مناطق با وسعت زیاد فراهم شد. LST بدست آمده از سنجش از دور حرارتی، در مطالعات متعدد از جمله منابع زمینی و زیر زمینی ]2 ,1[، پایش پدیدههای محیطی ]3[، مطالعات بیالن انرژی ]4[، بررسی ساختار زمینشناسی ]5[، تغییرات اقلیم و پدیدههای شهری ]8-6[، وضعیت تبخیرو تعرق، رطوبت خاک و مدیریت منابع آب ]10 ,9 ,1[ و شناسایی پدیدههای مختلف ]12 ,11[ از اهمیت باالیی برخوردار است.
مجموعه پارامترهای محیطی از جمله موقعیت زمانی شامل ساعت در شبانه روز و روز در سال، موقعیت جغرافیایی شامل طول و عرض جغرافیایی، شرایط توپوگرافی شامل ارتفاع، شیب، جهت شیب و سایه، ویژگیهای حرارتی ذاتی شامل اینرسی حرارتی و ضریب گسیلندگی، خصوصیات بیوفیزیکی شامل رطوبت، سبزینگی، روشنایی، آلبیدو و تبخیر و تعرق، پارامترهایی اقلیمی شامل باد، بخار آب موجود در جو و فشار هوا و شرایط زیرسطحی شامل مناطق زمینگرمایی، هیدروترمال، گسل و آتشفشان سبب تفاوت زمانی و مکانی LST میگردد. یکی از مهمترین چالشهای موثر در مطالعات علمی و تصمیمات مدیریتی دقیق همچون شناسایی منابع زمینگرمایی، پایش روند تغییرات فعالیت گسلها و آتشفشانها، بررسی روند تغییرات آنومالیهای حرارتی و ارتباط آن با زمینلرزه در محیط غیرشهری و مدیریت و برنامه-ریزی مصرف منابع انرژی در محیط شهری، تاثیر مجموعه پارامترهای محیطی بر توزیع مکانی LST میباشد .]16-13[
بنابراین، بررسی تاثیر پارامترهای محیطی بر LST و ارائه مدلهای مناسب برای نرمالسازی این اثرات از اهمیت باالیی در این مطالعات علمی و تصمیمات مدیریتی برخوردار است.در گذشته، به صورت مستقیم و غیرمستقیم در مطالعاتی به نرمالسازی LST نسبت به پارامترهای محیطی پرداخته شده است. کولبو و همکاران - 2007 - برای شناسایی آنومولیهای حرارتی، دمای سطح حاصل از تصاویر حرارتی را نسبت به اثرات توپوگرافی، آلبیدو، توان تشعشی و اینرسی حرارتی نرمال کردند. وجه تمایز این مطالعه، نسبت به مطالعات گذشته، نرمالسازی اثر اینرسی حرارتی با استفاده از تصاویر حرارتی روز و شب بوده است. در این پژوهش، برای نرمالسازی LST نسبت به پارامترهای مختلف، از معادله بیالن انرژی استفاده شد.
با فرض این که در مناطق خشک و بیابانی، تاثیر پارامترهای شار گرمایی محسوس و نهان بر LST بسیار ناچیز است، در مدل پیشنهادی، این دو پارامتر لحاظ نشدند .]15[ مالبتا و همکاران - 2017 - برای نرمالسازی دمای سطح نسبت به شرایط توپوگرافی، مدلهای بیالن انرژی بر اساس کسرهای پوشش خاک و گیاه، رگرسیون چندگانه و شیب لبه خشک را پیشنهاد دادند. نتایج پژوهش نشان داد که برای نرمالسازی LST نسبت به شرایط توپوگرافی، مدل بیالن انرژی به دلیل در نظر گرفتن شرایط دمای هوا، فشار هوا، ضریب زبری سطح و شار گرمای محسوس و نهان نسبت به مدلهای رگرسیون چندگانه و شیب لبه خشک، کارآمدتر است .]14[ کریمی و همکاران - 2018 - برای نرمالسازی LST نسبت به پارامترهای محیطی، مدل بیالن انرژی مبتنی بر کسرهای پوشش خاک و گیاه را با دو استراتژی بهینهسازی سراسری و محلی ارائه دادند.
همچنین نتایج مربوط به مدل نرمالسازی ارائهشده برای تصاویر لندست و ASTER با قدرت تفکیک مکانی متفاوت مقایسه شد. نتایج پژوهش نشان داد که در هر دو روش بهینهسازی سراسری و محلی برای نرمالسازی LST، کارایی تصویر لندست 7 باالتر از تصویر ASTER است. همچنین، استفاده از روش بهینهسازی محلی نسبت به بهینهسازی سراسری برای برآورد مقادیر بهینه پارامترهای مجهول، سبب افزایش دقت نتایج نرمالسازی LST نسبت به پارامترهای محیطی میشود.هدف از پژوهش حاضر، توسعهی یک مدل فیزیکی جدید بر مبنای معادالت بیالن انرژی برای نرمالسازی LST بدست آمده از تصاویر ماهوارهای نسبت به پارامترهای محیطی میباشد. تمایز بارز مطالعهی حاضر نسبت به مطالعات گذشته، ارائه مدل فیزیکی بر مبنای معادالت بیالن انرژی سه کسر پوشش خاک، گیاه و اراضی ساختهشده برای نرمالسازی دمای سطح نسبت به پارامترهای محیطی میباشد.
-2 منطقهی مورد مطالعه
برای پیادهسازی و ارزیابی مدلهای ارائهشده در این پژوهش، منطقهای کوهستانی با مساحت 11/09 کیلومترمربع انتخاب شده است. این منطقه در طول 539875 تا 543013 متر شرقی و عرض 3962685 تا 3967485 متر شمالی ناحیه N39 سیستم تصویر UTM در امتداد رشتهکوه البرز، در شمال شهر تهران واقع شده است. منطقهی مورد مطالعه بهدلیل موقعیت جغرافیایی، دارای شرایط توپوگرافی ناهمگن میباشد، بهطوریکه با وجود وسعت پایین منطقه، مقادیر ارتفاع از 1586 تا 3014 متر، شیب از 0 تا 54/2 درجه و جهت شیب از 0 تا 359/7 درجه متغیر است. توزیع ناهمگن مقادیر پارامترهای محیطی سبب توزیع ناهمگن LST در منطقه شده است. این منطقه هر سه کسر پوشش خاک، گیاه و اراضی ساختهشده را شامل میشود. موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه، ایستگاه هواشناسی و دستگاههای ثبت دمای خاک به صورت شکل - 1 - نشان داده شده است.
-3 مواد و روش
-1-3 دادهها
در پژوهش حاضر، برای پیادهسازی مدلهای مختلف از مجموعه دادههای ماهوارهای، اقلیمی و زمینی استفاده شده است. در این مطالعه، از باندهای انعکاسی و حرارتی تصویر لندست - Path: 165, Row: 035 - 8، مربوط به منطقهی مورد مطالعه برای تاریخ 2017/08/01 استفاده شده است. برای برآورد مقدار بخار آب موجود در جو از محصول MOD07 سنجنده MODIS استفاده گردید. همچنین برای مدلسازی پارامترهای محیطی از جمله تابش رسیده به سطح و اثر ELR از مدل رقومی ارتفاع - GDEM - منطقه مورد مطالعه استفاده شده است. دادههای هواشناسی و اقلیمی از جمله دما، فشار و رطوبت نسبی هوا، سرعت باد و تابش خورشیدی رسیده به سطح اندازهگیری شده در ایستگاه تهران شمال، برای پژوهش حاضر استفاده گردید. در این پژوهش، برای ارزیابی و مقایسه دقت دمای سطح مدلشده و نرمالشده حاصل از مدلهای مختلف از مجموعه دادههای دمای خاک ثبتشده توسط دستگاههای زمینی در لحظه گذر ماهواره، استفاده شده است. موقعیت جغرافیایی هر یک از دستگاههای ثبت دمای خاک در منطقه مورد مطالعه به صورت شکل - 1 - نشان داده شده است. موقعیت دستگاهها طوری انتخاب شدهاند تا شرایط مختلف پوشش سطح را شامل شوند. 12 عدد از این دستگاهها در عمق 1 سانتیمتری خاک منطقه مورد مطالعه قرار گرفته و به صورت پیوسته دمای خاک را برای 20 روز ثبت کردهاند.
