کاربرد مدل متریک برای برآورد تبخیر-تعرق واقعی ماهانه حوزه آبخیز ونک با استفاده از تصاویر سنجنده‌ مودیس

Abstract

پیشینه و هدف امروزه به‌منظور استفاده منطقی آب برای محصولات کشاورزی نیاز به درک و شناخت دقیق فرآیند تبخیر-تعرق وجود دارد. تبخیر-تعرق یکی از مهم‌ترین مؤلفه‌های بیلان آب است و ازاین‌رو یک متغیر کلیدی برای مدیریت بهینه منابع آب به شمار می‌آید. هدف از انجام پژوهش حاضر برآورد و تجزیه‌وتحلیل توزیع مکانی و زمانی تبخیر-تعرق واقعی در مقیاس زمانی ماهانه با استفاده از مدل متریک و مشاهدات ماهواره مودیس در حوزه آبخیز ونک و بررسی صحت نتایج متریک با الگوریتم بیلان انرژی سطحی برای زمین، سبال (SEBAL) است. مواد و روش­ ها روش­ های زیادی برای تخمین دقیق تبخیر-تعرق نقطه‌ای وجود دارد، ازجمله لایسیمترهای وزنی (Weighing lysimeter)، روش نسبت بوون (Bowen ratio technique) و روش ادی کوواریانس (Eddy covariance). نقطه‌ضعف روش‌های ذکرشده این است که، این روش‌ها فقط تبخیر-تعرق را برای یک مکان خاص برآورد می‌کنند و قادر به برآورد تبخیر-تعرق منطقه‌ای نیستند. مدل متریک توسط آلن و همکاران در سال 2007 بر اساس مدل شناخته‌شده سبال (باستیانسن، 1998)، ارائه گردیده است. مدل متریک، یک روش مبتنی بر سنجش‌ازدور است که تبخیر-تعرق واقعی را به‌عنوان باقیمانده معادله بیلان انرژی سطح برآورد می‌کند. در پژوهش حاضر، توزیع مکانی و زمانی تبخیر-تعرق واقعی حوضه ونک از آوریل تا نوامبر 2013 و 2014، با استفاده از مدل متریک برآورد شد و با استفاده از تصاویر سنجنده مودیس، امکان استفاده از متریک، موردبررسی قرار گرفت. حوزه آبخیز ونک در قسمت جنوب‌شرقی حوزه کارون شمالی قرارگرفته است و ازلحاظ جغرافیایی بین استان‌های چهارمحال و بختیاری و اصفهان قرارگرفته است. 60 تصویر سنجنده مودیس مربوط به شاخص سطح برگ (MOD15A2)، دمای سطح زمین (MOD11A2) و بازتاب سطحی (MOD09A1)، با فواصل زمانی هشت‌روزه استخراج گردید. تصاویر ذکرشده از وب‌سایت USGS دانلود گردید و سیستم مختصات تصاویر از حالت سینوسی به متریک (UTM) تبدیل شدند. فاکتور مقیاس مربوط به تصاویر LAI و LST و بازتاب سطحی به ترتیب 0.1، 0.02 و 0.0001 است. شروع تخمین تبخیر-تعرق در مدل متریک با معادله بیلان انرژی، است. مجموعه داده‌ها شامل مشاهدات مودیس و داده‌های هواشناسی ایستگاه‌های موجود در حوزه و اطراف آن به‌منظور محاسبه شارهای انرژی سطحی لحظه‌ای شامل؛ شار تابش خالص، شار گرمای خاک و شارگرمای محسوس در فن پردازش است. تبخیر-تعرق، در لحظه تصویر برای هر پیکسل، از تقسیم مقادیر شار گرمای نهان (LE) بر گرمای نهان تبخیر و چگالی آب، محاسبه شد. نتایج و بحث در طول این تحقیق، حد بالایی تبخیر-تعرق، افزایش تدریجی از آوریل تا جولای را در هر دو سال 2013 و 2014 نشان داد. با توجه به نتایج به‌دست‌آمده، حداکثر میزان تبخیر-تعرق واقعی در سال‌های 2013 و 2014 برای ماه جولای به ترتیب 244 و 263 میلی‌متر‌ در ماه به‌دست‌آمد. به‌طورکلی نتایج به‌دست‌آمده از این مقاله می‌تواند به شناخت بهتر تغییرات تبخیر-تعرق منطقه‌ای کمک ‌کند. مقایسه توزیع‌های مکانیAET، LAIوLST ، در منطقه مطالعاتی نتایج نشان داد که توزیع مکانیAET تحت تأثیر دو عاملLAI وLST ، قرارگرفته است که از آزمون همبستگی پیرسون برای بررسی رابطه دو متغیرLAI وLST با تبخیر-تعرق واقعی استفاده شد. نتایج به‌دست‌آمده، نواحی با پوشش گیاهی متراکم و دمای سطح زمین پایین دارای مقادیر بالای تبخیر-تعرق بوده و مناطق دارای دمای سطح بالا و پوشش گیاهی پراکنده و کم از مقدار تبخیر-تعرق کمیبرخوردارند.نتایج نشان داد که روند تغییرات میانگین دمای ماهانه، همسو با تبخیر-تعرق واقعی است، در مورد میانگین آلبیدو و شار تابش خالص نیز روند مشابهی دیده شد. لازم به ذکر است که عدم وجود اندازه‌گیری‌های زمینی برای مقایسه آن‌ها با مقادیر تبخیر-تعرق مدل، یک محدودیت بالقوه از پژوهش حاضر است. بااین‌حال، رویکرد پیشنهادی، ارزیابی برآوردهای تبخیر-تعرق به‌دست‌آمده از مدل متریک با برآوردهای تبخیر-تعرق حاصل از مدل سبال، (به‌عنوان روش استاندارد) است، که رویکردی است که به‌طور گسترده برای مقابله با چنین محدودیت‌هایی استفاده می‌شود. در گام دوم تجزیه‌وتحلیل، در پژوهش حاضر، مقادیر برآوردی تبخیر-تعرق ماهانه با استفاده از معادلات متریک در مقابل سبال برای حوزه ونک در سال 2014، مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج مدل سبال به‌عنوان مرجعی برای مقایسه نتایج به‌دست‌آمده از مدل متریک مورداستفاده قرار گرفت. بررسی آماری به‌منظور تعیین اختلاف بین تبخیر-تعرق ماهانه استخراج‌شده از متریک در مقابل تبخیر-تعرق ماهانه استخراج‌شده از سبال صورت گرفت. از معیارهای ارزیابی ضریب نش-ساتکلیف (NS; Nash-Sutcliffe coefficient)، ضریب تبیینCoefficient of Determination و میانگین خطای مطلق (MAE; Mean Absolute Error)، استفاده شد. مقادیر بالای ضرایب R2 و نش-ساتکلیف و مقادیر پایین MAE نشان داد که مدل متریک در بیشتر ماه‌ها با مدل سبال، ارتباط نزدیکی دارد. مقادیر تبخیر-تعرق ماهانه برآورد شده توسط مدل متریک در مقابل مقادیر تبخیر-تعرق ماهانه تخمین زده‌شده از مدل سبال، از آوریل تا نوامبر 2014 برای حوزه ونک ارزیابی و مقایسه گردید. بر اساس نتایج کلی نشان می­دهد که پراکندگی برآوردها در یک حد قابل‌قبول است. در سال 2014، توافق خوبی بین مدل‌های متریک و سبال وجود داشت (R2 =0.96-0.99، NSE=0.93-0.99و MAE=1.3-7.53). در سال 2014، نتایج دیگر نشان داد که در هر دو مدل، حد بالایی تبخیر-تعرق، افزایش تدریجی از آوریل تا جولای را نشان داد. نتیجه­ گیری با توجه به نتایج به‌دست‌آمده، نواحی دارای شاخص پوشش گیاهی بالا (LAI) و دمای سطح زمین پایین نسبت به سایر نواحی که دارای شاخص پوشش گیاهی پایین و دمای سطح زمین بالا هستند از میزان تبخیر-تعرق بیشتری برخوردارند. روند تغییرات سری زمانی شاخص LAI و تبخیر-تعرق در این پژوهش، با روند تغییرات پارامترهای مذکور در تحقیقی که توسط ریزگونزانلس و همکاران (2019) با استفاده از مدل متریک در داکوتا بررسی‌شده بود، مطابقت داشت.