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

پیشینه و هدف امروزه به منظور استفاده منطقی آب برای محصولات کشاورزی نیاز به درک و شناخت دقیق فرآیند تبخیر-تعرق وجود دارد. تبخیر-تعرق یکی از مهم ترین مولفه های بیلان آب است و ازاین رو یک متغیر کلیدی برای مدیریت بهینه منابع آب به شمار می آید. هدف از انجام پژوهش حاضر برآورد و تجزیه وتحلیل توزیع زمانی و مکانی 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 نقطه ای وجود دارد، ازجمله لایسیمترهای وزنی (Weighing lysimeter)، روش نسبت بوون (Bowen ratio technique) و روش ادی کوواریانس (Eddy covariance). نقطه ضعف روش های ذکرشده این است که، این روش ها فقط تبخیر-تعرق را برای یک مکان خاص برآورد می کنند و قادر به برآورد تبخیر-تعرق منطقه ای نیستند. مدل متریک توسط آلن و همکاران در سال 2007 بر اساس مدل شناخته شده سبال (باستیانسن، 1998)، ارائه گردیده است. مدل متریک، یک روش مبتنی بر سنجش ازدور است که تبخیر-تعرق واقعی را به عنوان باقیمانده معادله بیلان انرژی سطح برآورد می کند. 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 جنوب شرقی حوزه کارون شمالی قرارگرفته است و ازلحاظ جغرافیایی بین استان های 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 هشت روزه استخراج گردید. تصاویر ذکرشده از وب سایت 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 داده ها شامل مشاهدات مودیس و داده های هواشناسی ایستگاه های موجود در حوزه و اطراف آن به منظور محاسبه شارهای انرژی سطحی لحظه ای 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 نوامبر را در هر دو سال 2013 و 2014 نشان داد. با توجه به نتایج به دست آمده، حداکثر میزان تبخیر-تعرق واقعی در سال های 2013 و 2014 برای ماه جولای به ترتیب 244 و 263 میلی متر در ماه به دست آمده آمد. به طورکلی نتایج به دست آمده از این مقاله می تواند به شناخت بهتر تغییرات تبخیر-تعرق منطقه ای کمک کند. مقایسه توزیع های مکانیAET، LAIوLST ، در منطقه مطالعاتی نتایج نشان داد که توزیع مکانیAET تحت تاثیر دو عاملLAI وLST ، قرارگرفته است که از آزمون همبستگی پیرسون جهت آزمون رابطه دو متغیرLAI وLST  با تبخیر-تعرق واقعی استفاده شد. بر اساس نتایج به دست آمده، 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 اندازه گیری های زمینی برای مقایسه آن ها با مقادیر تبخیر-تعرق مدل، یک محدودیت بالقوه از پژوهش حاضر است. بااین حال، رویکرد پیشنهادی، ارزیابی برآوردهای تبخیر-تعرق به دست آمده از مدل متریک با برآوردهای تبخیر-تعرق حاصل از مدل سبال، (به عنوان روش استاندارد) است، که رویکردی است که به طور گسترده برای مقابله با چنین محدودیت هایی استفاده می شود. در گام دوم تجزیه وتحلیل، 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 به عنوان مرجعی برای مقایسه نتایج به دست آمده از مدل متریک مورداستفاده قرار گرفت. بررسی آماری به منظور تعیین اختلاف بین تبخیر-تعرق ماهانه استخراج شده از متریک در مقابل تبخیر-تعرق ماهانه استخراج شده 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 ماه ها با مدل سبال، ارتباط نزدیکی دارد. مقادیر تبخیر-تعرق ماهانه برآورد شده توسط مدل متریک در مقابل مقادیر تبخیر-تعرق ماهانه تخمین زده شده 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 قابل قبول است. در سال 2014، توافق خوبی بین مدل های 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 به دست آمده، 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 بررسی شده بود، مطابقت داشت.

Keywords:

تبخیر-تعرق واقعی , تغییرات زمانی-مکانی , سنجش ازدور , بیلان انرژی , حوزه آبخیز ونک