بخشی از مقاله
چکیده
برآورد نرخ تبخیر و تعرق در مطالعات بیلان آبی هر منطقه از اهمیت زیادی برخوردار است. تاکنون مدلهای متعددی برای برآورد نرخ تبخیر تعرق مرجع - ET0 - توسط دانشمندان معرفی و مورد استفاده قرار گرفته اند. بعنوان مثال، مدل پنمن- مونتیث- فائو - PMF56 - یکی از متداولترین مدلهای برآورد نرخ تبخیر و تعرق مرجع میباشد. پارامترهای اقلیمی مورد استفاده این مدل شامل سرعت باد، دما - نقطه شبنم ، حداقل، حداکثر و میانگین - و ... است. از جمله پارامترهای مهم ورودی این مدل، مقدار تابش طول موج کوتاه خورشیدی - Rs - میباشد. مقدار این پارامتر در بیشتر ایستگاههای هواشناسی کشور اندازه گیری نمیشود و اغلب با استفاده از مدلهای تجربی مانند آنگستروم- پریسکات و یا روشهای مبتنی بر دما - معادله هارگرویز - تخمین زده می شود ولی اعتبارسنجی این مدلها در بیشتر موارد نادیده گرفته می شود.
در تحقیق حاضر، برای تخمین مولفه تابش خورشیدی، مدل فیزیکی هیبرید - Hybrid - و مدلهای اصلاح شده دانشیار و صباغ در ایستگاه سینوپتیک تبریز مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که مدل هیبرید از دقت بسیار بالاتری نسبت به روشهای صباغ و دانشیار برای تخمین تابش خورشیدی در مقیاس ماهانه در ایستگاه سینوپتیک تبریز برخوردار است. به عبارتی دیگر، در مرحله اعتبارسنجی مدلهای مختلف تخمین تابش، مدل هیبرید بعنوان بهترین مدل انتخاب شد. بر اساس نتایج بدست آمده، مدل تابش هیبرید و PMF56 در محیط فرترن برنامه نویسی و ترکیب شده و مدل تلفیقی PMF56-Hybrid توسعه یافت. سپس نرخ تبخیر و تعرق ET0 در مقیاس ماهانه برای یک دوره آماری 10 ساله از 1999 تا 2008 برای ایستگاه تبریز برآورد شد . مدل تلفیقی مذکور، بعنوان یک مدل نوین برای تخمین مناسبتر مولفه تابش خورشیدی و نرخ تبخیر و تعرق مرجع به محققان و کارشناسان ایران معرفی می شود.
واژگان کلیدی: ایستگاه تبریز، مدل هیبرید، PMF56 ، تابش، تبخیر و تعرق مرجع
مقدمه
دسترسی به منابع آب سالم بعلت محدود بودن آن و استفاده نادرست و غیر اصولی در بسیاری از مناطق علی الخصوص در نواحی خشک با محدودیت های زیادی همراه است. این امر سبب شده است تا مدیران و برنامه ریزان منابع آب، بررسی چرخه هیدرولوژیکی آب را در اولویت قرار دهند. تبخیر و تعرق از عوامل مهم چرخه آب است. تخمین مقدار آبی که صرف تبخیر و تعرق می شود در برنامه ریزی برای رسیدن به مدیریت اصولی و پایدار منابع آب موثر است. بهمین دلیل تا کنون مدل های مختلفی بمنظور تخمین تبخیر و تعرق توسعه یافته است. احمدزاده و همکاران امکان تخمین تبخیر تعرق مرجع روزانه با استفاده از سیستم های هوشمند مصنوعی و مقایسه این سیستم ها را با هم مورد ارزیابی قرار دادند - احمد زاده و همکاران، . - 1388
نتایج آنها نشان داد که ANFIS تنها با سه پارامتر تابش خورشیدی، دمای حداکثر و سرعت باد نسبت به روشهای تجربی مقدار تبخیر تعرق را با دقت بالاتری برآورد می کند. سیفی و همکاران در سال 1389 تبخیر و تعرق مرجع را با استفاده از مدل های ترکیبی رگرسیونی چندگانه و تحلیل مولفه های اصلی برآورد کردند و اهمیت نسبی متغیرهای موثر بر تبخیر و تعرق مرجع را با استفاده از تحلیل عاملی ارزیابی کردند. نتایج آنها نشان داد که شدت تابش، ساعات آفتابی، رطوبت نسبی و دما در تخمین تبخیر تعرق مرجع دارای اهمیت بیشتری نسبت به سایر متغیر ها برخوردار میباشد - سیفی و همکاران،. - 1389 انصاری و مرادی پس از بررسی مدل های مختلف، مدل برآورد تبخیر و تعرق مرجع را تنها با استفاده از داده های تابش خورشیدی ارائه کردند. آنها از توانمندی های سیستم استنتاج فازی بهره گرفتند و نتایج حاصل را با مدل هایی از قبیل پنمن - مونتیث- فائو 56 مورد مقایسه قرار دادند.
نتایج آنها نشان داد که تابش خورشیدی موثرترین پارامتر در تخمین تبخیر و تعرق مرجع است - انصاری و مرادی، . - 1389 شیر محمدی و همکاران در سال 1389 مقادیر تبخیر و تعرق گیاه مرجع - چمن - روشهای پنمن- مونتتیث ASCE و پنمن- مونتیث فائو 56 را مورد مقایسه قرار دادند - شیر محمدی و همکاران، . - 1389 نتایج نشان داد که در طول روز تبخیر و تعرق ساعتی پنمن- مونتتیث ASCE بیشتر از پنمن- مونتیث فائو 56 است و در شب حال عکس رخ می دهد. سبزی پرور و شادمانی در سال 1390 روند تغییرات زمانی پارامتر تبخیر و تعرق مرجع را در مناطق خشک کشور مورد بررسی قرار دادند و برای اینکار از داده های هواشناسی 11 ایستگاه هواشناسی با دوره آماری 41 ساله استفاده کردند. نتایج آنها نشان داد که تبخیر تعرق مرجع در برخی شهر ها دارای روند افزایشی و در برخی شهرها دارای روند کاهشی بوده است - سبزی پرور و شادمانی، . - 1390
طبری و همکاران در سال 2009 تبخیر از تشتک - EP - را با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی در مناطق نیمه خشک ایران برآورد کردند و نتایج آنرا با مدل رگرسیونی غیرخطی چند متغیره مقایسه کردند. ایشان با استفاده از داده های هواشناسی، پنج مدل چند متغیره را برای تخمین تبخیر و تعرق ارائه دادند. داده های مورد استفاده در در مدل های معرفی شده شامل دما، تابش خورشیدی، بارش، رطوبت نسبی و سرعت باد می باشد - طبری و همکاران، . - 2009 طبری و همکاران همچنین امکان برآورد تبخیر تعرق مرجع را استفاده از SVM، ANFIS، MLR و MNLR را در اراضی مرتفع نیمه خشک کشور مورد بررسی قرار دادند. آنها علاوه بر مدل های مذکور، هشت مدل مبتنی بر تابش و چهار مدل مبتنی بر دما را نیز ارزیابی کردند و نتایج حاصل را با پنمن مونتث فائو 56 مقایسه نمودند - طبری و همکاران، . - 2012
همانطور که ملاحظه می شود در اغلب مطالعاتی که تاکنون در زمینه تخمین تبخیر تعرق صورت گرفته است پارامتر تابش خورشیدی از مهمترین فاکتور های ورودی مدل های مبتنی بر تابش محسوب می شود. بطوریکه می توان گفت تابش خورشیدی عنصر کلیدی در بیشتر مطالعات مربوط به تبخیر و تعرق است. با اینحال اندازه گیری مقدار آن در نقاط بسیار اندکی در کشور انجام میشود و در همین نقاط محدود نیز اندازه گیری مقدار تابش، در برخی ایستگاهها با خطا همراه است. در سالهای اخیر مدلهای مختلفی برای برآورد مقدار تابش توسعه یافته است. علیزاده و خلیلی مدل آنگسترم- پرسکات را برای ایستگاه مشهد بکار بردند و ضرایب مدل مذکور را برای این ایستگاه به صورت a=0/23 و b=0/44 ارائه کردند - علیزاده و خلیلی، . - 1387 موسوی و همکاران مدلهای مختلف را در ایستگاه سینوپتیک مشهد مورد استفاده قرار داده و نتیجه گرفتند که مدل پیشنهادی علیزاده و خلیلی دقت بالاتری در برآورد مقدار تابش دارد - موسوی و همکاران، . - 1389
عرفانیان و بابایی در سال 1390 مدل هیبرید را در ایستگاه تبریز مورد ارزیابی قرار دادند و پس از واسنجی ضرایب مدل برای سال 2005، ضرایب بدست آمده را برای سالهای 2003 و 2006 اعتبارسنجی کردند. نتایج نشان داد که این مدل قادر است تابش روزانه خورشیدی را با دقت بسیار خوبی در این ایستگاه برآورد کند - عرفانیان و بابایی، . - 1390 سبزی پرور و شتایی در سال 2007 مدل تجربی تخمین تابش را که در سال 1978 توسط دانشیار ارایه شده بود با چندین مدل دیگر مقایسه کردند و کارایی این مدل را در تخمین میزان تابش در شرایط اقلیمی نیمه خشک غربی و شرقی کشور مورد بررسی قرار داد - سبزی پرور و شتایی، . - 2007
ایشان پس از تصحیح ضرایب این مدل به این نتیجه رسیدند که مدل اصلاح شده دانشیار کارآیی بالاتری نسبت به مدل های صباغ، پالتریج، اصلاح شده صباغ و اصلاح شده پالتریج دارد. سبزی پرور همچنین با مطالعه ای که در نواحی ساحلی شمالی و جنوبی ایران انجام داد مدل اصلاح شده دانشیار را بعنوان مناسبترین مدل در برآورد تابش خورشیدی برای این مناطق پیشنهاد کرد - سبزی پرور، . - 2007 بکارگیری مدل های دانشیار، صباغ، پالتریج، اصلاح شده دانشیار، اصلاح شده صباغ و اصلاح شده پالتریج، توسط سبزی پرور در سال 2008 در بیابانهای خشک مرکزی کشور، نشان داد که مدل اصلاح شده صباغ نتایج بهتری را در این شرایط اقلیمی ارائه می کند - سبزی پرور، . - 2008
یانگ و همکاران با مقایسه ای که میان مدل هیبرید و آنگسترم- پرسکات در 14 ایستگاه در ژاپن انجام دادند نتیجه گرفتند که مدل هیبرید کارایی بهتری نسبت به مدل واسنجی شده آنگسترم- پرسکات دارد - یانگ و همکاران، . - 2001 بعلاوه، آنها با مطالعه ای که در تعدادی از ایستگاههای آمریکا، ژاپن وعربستان انجام دادند نتیجه گرفتند مدل هیبرید قادر است تابش خورشیدی را در مقیاس های روزانه و ساعتی با دقت قابل ملاحظه ای نسبت به مدل های فائو، آنگسترم- پرسکات با ضرایب جهانی و آنگسترم-پرسکات با ضرایب منطقه ای برآورد نماید - یانگ و همکاران، . - 2005 آنها کارایی بالای مدل هیبرید را به در نظر گرفتن عوامل مهمی از جمله اثر جذب و پخش اتمسفر نسبت دادند. در مدل هیبرید سعی شده است تا در عین حفظ سادگی مدل آنگسترم، فرآیندهای فیزیکی موثر بر تابش خورشیدی عبور یافته از اتمسفر در فرآیند تخمین تابش لحاظ شوند.
تانگ و همکاران در سال 2010 کنترل کیفیت داده های اندازه گیری شده تابش در 97 ایستگاه هواشناسی موجود در چین را انجام دادند و مدل هیبرید را با استفاده از داده های کنترل شده تابش ارزیابی کردند - تانگ و همکاران، . - 2010 نتایج آنها نشان داد که مدل هیبرید قادر است میانگین ماهانه مقدار تابش روزانه را با دقت قابل قبولی برآورد کند. همانطور که ذکر شد مدل هیبرید بعلت ماهیت فیزیکی آن و در نظر گرفتن اثر اتمسفر در فرآیند عبور تابش خورشیدی قادر است مقدار آنرا با دقت بالاتری نسبت به مدل های تجربی برآورد نماید. در این مقاله، کارایی مدل های هیبرید، اصلاح شده دانشیار و اصلاح شده صباغ در تخمین تابش ورودی برای ایستگاه تبریز مورد ارزیابی قرار گرفت تا پس از انتخاب بهترین و مناسبترین مدل، از نتایج آن در تخمین تبخیر و تعرق مرجع در مقیاس ماهانه استفاده شود.
مواد و روشها .1 منطقه مورد مطالعه و داده ها
در این تحقیق از آمار ایستگاه سینوپتیک تبریز استفاده شده است. از نظر موقعیت جغرافیایی این ایستگاه در عرض 38/08 درجه شمالی و طول 46/28 درجه شرقی واقع بوده و ارتفاع آن از سطح آبهای آزاد حدود 1361 متر می باشد. مطابق طبقه بندی کوپن ایستگاه مذکور در منطقه استپی نیمه خشک قرار دارد. اطلاعات هواشناسی مورد استفاده شامل دمای حداقل و حداکثر و نقطه شبنم، درصد رطوبت نسبی، سرعت باد، فشار هوا و ساعات آفتابی می باشد که از سازمان هواشناسی تبریز در یک دوره آماری 10 ساله 1999 - تا - 2008 تهیه شده است. از سایر اطلاعاتی که در این مدل استفاده شده است ارتفاع و مختصات جغرافیایی ایستگاه را می توان نام برد.
.2 روش کار
در تحقیق حاضر مدل فیریکی هیبرید و دو مدل تجربی اصلاح شده دانشیار و صباغ مورد مقایسه قرار گرفتند. محاسبات مدل هیبرید در دو مرحله صورت گرفت. محاسبات مرحله اول بمنظور واسنجی ضرایب مدل در ایستگاه تبریز و محاسبات مرحله دوم جهت اعتبارسنجی مدل واسنجی شده می باشد. از داده های سال های 1993، 1998، 2001، 2006 و 2008 برای واسنجی مدل و داده های 1994، 1999 و 2005 برای اعتبارسنجی آن استفاده شد. پس از انتخاب بهترین مدل، از نتایج آن در پر کردن خلاء آماری ایستگاه تبریز استفاده شد و با استفاده از مدل ترکیبی و توسعه یافته PMF56-Hybrid تبخیر تعرق مرجع در مقیاس ماهانه برآورد شد.
.1 .2 مدل های تخمین تابش
.1 .1 .2 مدل هیبرید
این مدل در سال 2001 توسط یانگ و همکاران بصورت رابطه 1 ارائه شده است:
