بخشی از مقاله
چکیده
عدم توزیع مکانی مناسب ایستگاههای بارانسنجی یکی از دلایل اساسی در کاهش دقت کالیبراسیون مدلهای هیدرولوژیکی میباشد. پیشرفتهای اخیر در تکنیکهای سنجش از راه دور و الگوریتمهای ماهوارهای و شبکهای که دارای پوشش زمانی و مکانی مناسبی هستند، دستیابی به بارش مشاهداتی دقیقتر را برای مناطقی که اندازهگیری بارش در آنها محدود میباشد، امکانپذیر میسازد.
در این تحقیق، ابتدا شبیهسازی آبدهی ماهانه حوضه آبریز دز با استفاده از مدل هیدرولوژیکی IHACRES و بهرگیری از سه دسته داده شبکهای بارش صورت گرفت. دسته اول دادهای شبکهای PERSIANN-CDR که از تحلیل تصاویر ماهوارهای تولید میگردد، دسته دوم دادههای APHRODITE که دادههای شبکهای را بر اساس دادههای زمینی تولید میکند و دسته سوم ترکیب روشهای اشاره شده میباشد. در نهایت دقت شبیهسازی آبدهی صورت گرفته با هر یک از روشهای اشاره شده با شاخصهای آماری مناسب مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج گویای توانایی بالاتر دادههای APHRODITE در شبیهسازی رواناب میباشد.
.1 مقدمه
در کاربرد مدلهای هیدرولوژی، بارش یکی از مهمترین ورودیهای جوی است، در نتیجه اندازهگیری دقیق بارش برای پیشبینیهای هیدرولوژیکی قابل اطمینان، ضروری است .[1] بطور سنتی، بارش با استفاده از بارانسنجهایی که امکان اندازهگیری مداوم با فرکانس زمانی بالا را دارند، اندازهگیری میشود. با اینحال، بارانسنجها اغلب بصورت پراکنده، بخصوص در مناطق دور افتاده، و در مقیاس نقطهای اندازهگیری میشوند .[2] برای استفاده از مدلهای هیدرولوژیکی به دادههای شبکهبندی قابل اعتماد نیاز است و بارش بدست آمده از بارانسنجهای پراکنده نمیتواند معرف مناطق بزرگ باشد. از این رو، به منظور توسعه دادههای بارش شبکهای، در دهههای گذشته تلاشهای زیادی شده است.
در سالهای اخیر با توسعهی روشهای زمین آمار و سنجش از دور، بسیاری از موسسات تحقیقاتی در سراسر جهان برای محدودهی منطقهای و جهانی، تحت تفکیکپذیری مکانی و زمانی مختلف، دادههای بارش مشاهداتی شبکهبندی شده را توسعه دادهاند. برخی از آنها مانند PERSIANN-CDR - برآورد بارش از اطلاعات سنجش از راه دور با استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی - ثبت اطلاعات آبوهوایی - که به تازگی توسط مرکز ملی اطلاعات هواشناسی - NCDC - منتشر شده است، براساس دادههای ماهوارهای با فواصل زمانی روزانه و اندازههای شبکهای 0,25 تولید میشوند.
چند مجموعه از دادهها، مانند APHRODITE - دادههای مشاهداتی یکپارچه بارندگی آسیا با قدرت تفکیک بالا به منظور ارزیابی منابع آب - ، توسط موسسه تحقیقات هواشناسی کشور ژاپن توسعه یافته است که سری زمانی روزانه دادههای شبکهای بارش را از بسیاری از دادههای زمینی جمعآوری شده از منابع مختلف، تولید میکند. محصولات بارش ماهوارهای و شبکهای برای مطالعات هیدرولوژیکی منطقهای و جهانی، بخصوص برای مناطق دورافتاده و کشورهای در حال توسعه، اهمیت قابل توجهی دارد، زیرا آنها دارای پوششی در مقیاس بزرگ، وضوح بالای مکانی و زمانی، و بطور عموم برای هر کسی در دسترس هستند
مطالعات محدودی به منظور بررسی مناسب بودن بارشهای برآوردی ماهوارهای و شبکهای PERSIANN-CDR و APHRODITE در مدلهای هیدرولوژیکی و شبیهسازی جریان، برای مناطق مختلف در سرتاسر جهان انجام شده است. از میان این مطالعات میتوان به مطالعهی وو و همکاران [6] اشاره کرد. در این تحقیق، با استفاده از 5 مجموعه دادهی بارش شبکهای APHRODITE - ، TRMM، PERSIANN، GPCP و - GHCN2 رواناب را در یک حوضهی آبریز در ویتنام شبیهسازی کردهاند. سپس عملکرد آنها را در مقایسه با دادههای زمینی، با استفاده از معیارهای مناسب مورد ارزیابی قرار دادند.
نتایج نشان داد که دادههای APHRODITE بهترین عملکرد را از بین سایر مجموعه دادهها دارد. در مطالعهای دیگر لیو و همکاران [7] از دادههای بارش زمینی و دادههای بارش PERSIANN-CDR به عنوان ورودی یک مدل هیدرولوژیکی برای شبیهسازی جریان، در دو حوضهی آبریز بزرگ در فلات تبت، استفاده کردند. سپس نتایج شبیهسازی با جریان مشاهداتی مقایسه شد. نتایج آن نشان میدهد که جریان شبیهسازی شده با استفاده از بارش PERSIANN-CDR به جریان مشاهداتی نزدیکتر است.
در تحقیق کیو و همکاران [8]، کاربرد شش محصول بارش شبکه-ای با وضوح بالا TRMM3B42 - ، TRMM3B42RT، GLDAS، APHRODITE، PERSIAN و - GSMAP-MVK با استفاده از روشهای آماری و هیدرولوژیکی در شمال شرقی چین مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان میدهد که APHRODITE در مقایسه با سایر محصولات، در مقیاس ماهانه دقت بالایی دارد. همچنین در پژوهشی، عاشوری و همکاران [9] به بررسی عملکرد بارش ماهوارهای PERSIANN-CDR در یک نرمافزار مدلسازی بارش-رواناب در طول سه دهه گذشته، در سه حوضه از ایالت اوکلاهما، پرداختهاند. نتایج، قابلیت PERSIANN-CDR را در مدلسازی بارش-رواناب، بخصوص برای شبیهسازی آبدهی در طول سه دهه گذشته، نشان داد.
هدف از تحقیق حاضر، ارزیابی کیفیت دادههای شبکهبندی APHRODITE و PERSIANN-CDR، در آمادهسازی و واسنجی مدلهای هیدرولوژیک میباشد. در این مطالعه، ابتدا مدل هیدرولوژیکی IHACRES با استفاده از دادههای زمینی ماهانه برای بالادست حوضه آبریز سد دز واسنجی میشود. در ادامه برای ارزیابی عملکرد الگوریتمهای بارش شبکهای و ماهوارهای در شبیهسازی آبدهی، از گروه دادههای شبکهای ماهانهی PERSIANN-CDR، APHRODITE و ترکیب دو مجموعه دادهی گفته شده، به عنوان ورودی مدل IHACRES استفاده میشود و در نهایت دقت شبیهسازی آبدهی صورت گرفته با هر یک از دادههای بارش اشاره شده، با شاخصهای آماری مناسب مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت.
.2 مواد و روشها
-1-2منطقه مطالعاتی
حوضه آبریز رودخانه دز در ارتفاعات زاگرس میانی واقع شده و در محدودهای به مختصات جغرافیایی 10 و 48 تا 20 و 50 طول شرقی و 36 و 31 تا 08 و 34 عرض شمالی قرار گرفته است و یکی از حوضههای آبریز منتهی به خلیجفارس میباشد. رودخانه دز از دو شاخه اصلی بنام سزار و بختیاری تشکیل میشود. مساحت این حوضه بیش از 23252 کیلومتر مربع و متوسط ارتفاع آن حدود 1600 متر میباشد. محدوده مورد مطالعه در این تحقیق حوضهآبریز دز در بالادست سد دز میباشد که مساحت آن حدود 17365 کیلومتر مربع میباشد. در شکل 1 موقعیت حوضه آبریز دز و ایستگاههای هیدرومتری و هواشناسی در بالادست سد دز نشان داده شده است.
شکل.1 موقعیت حوضهآبریز و ایستگاههای هیدرومتری و هواشناسی در بالادست سد دز
-2-2دادهها
در این تحقیق، برای شبیهسازی جریان از دادههای بارش ایستگاهی و 3 گروه دادههای بارش شبکهای در فاصله سالهای 1983 تا 2002 میلادی به مدت 20 سال استفاده شد. آمار و اطلاعات بارشهای ایستگاهی و دبی ایستگاه هیدرومتری تلهزنگ که در خروجی حوضهی بالادست سد دز قرار گرفته، از سازمان آب و برق خوزستان تهیه شد. مشخصات ایستگاههای استفاده شده جهت بررسی بارش و دبی، در جدول 1 آمده است. به دلیل تعداد محدود ایستگاههای تبخیرسنجی و طول آماربرداری کوتاهمدت دما در ایستگاههای موجود در حوضه، دمای این منطقه با استفاده از مجموعه دادههای شبکهای CHCN-CAMS تهیه شد. این دادهها با استفاده از ترکیب دو مجموعه دادههای نسخه دوم شبکهی جهانی آبوهوای تاریخی و سیستم دیدهبانی آبوهوای آنامالی - GHCN + CAMS - که هر دو براساس دادههای ایستگاهی مشاهداتی جمعآوری شدهاند، با وضوح بالای 0,5 و با فواصل زمانی ماهانه تولید میشود
اولین گروه دادههای شبکهای بارش، مجموعه اطلاعات بارش PERSIANN-CDR میباشد که به تازگی توسعه یافتهاند. به عنوان یک محصول بارش گذشتهنگر چندماهوارهای با وضوح بالا، PERSIANN-CDR برای ثبت دادههای هواشناسی - CDR - مرکز ملی دادههای آبوهواشناسی - NCDC - در سازمان ملی اقیانوسی و جوی - NOAA - توسعه یافته است. PERSIANN-CDR، بارش روزانهی بیش از سه دهه گذشته - از 1 ژانویه 1983 تا حال حاضر - را در وضوح 0,25 و عرض جغرافیایی - 60 60، پوشش میدهد
این محصول با استفاده از نسخه 2,2 دادههای بارش ماهانه GPCP و دادههای ماهوارهای شبکهبندی شده ی مادون قرمز GridSat-B1 توسعه یافته است .[ 11] گروه دوم دادهها، APHRODITE "دادههای یکپارچه مشاهداتی بارندگی آسیا با قدرت تفکیک بالا به منظور ارزیابی منابع آب" میباشند که توسط کنسرسیومی بین پژوهشکدهی انسانی و طبیعی ژاپن - RIHN - و پژوهشکدهی هواشناسی متعلق به آژانس هواشناسی ژاپن - MRI/JMA - توسعه داده شده است. بازهی زمانی پوشش داده شده توسط این دادهها، بیش از 50 سال - 2007- 1951 - است که بصورت روزانه و با قدرت تفکیک مکانی 0,25 ارائه میشود .[12] و گروه سوم دادههای استفاده شده در این تحقیق، میانگین بارش دو دادههای شبکهای نام برده میباشد.
