امکان سنجی برآورد دمای اعماق مختلف خاک و تبخیر از تشت با به کارگیری تصاویر ماهواره ای

سابقه و هدف: دمای سطح خاک یکی از متغیرهای کلیدی در بیلان انرژی سطح است که تحت تاثیر تابش خالص، شار گرمای محسوس و نهان قرار دارد و خود نیز بر شار گرمای ورودی به خاک تاثیر می گذارد. دمای سطح زمین (LST) یکی از مهم ترین محصولاتی است که توسط سنجنده هایی که در محدوده طیفی مادون قرمز حرارتی دارای فعالیت هستند قابل استخراج است. سنجنده MODIS یکی از مهم ترین این سنجنده هاست که بر روی دو ماهواره Aqua و Terra نصب شده است و قادر است دمای سطح زمین را در ۴ زمان مختلف شبانه روز به دست دهد. نظر به ارتباط نزدیک دمای سطح زمین با متغیرهای هیدروکلیمائی، در این پژوهش از دماهای سطح زمین حاصل از این سنجنده جهت برآورد دمای اعماق مختلف خاک و تبخیر از تشت استفاده گردید.مواد و روش ها: برای انجام این پژوهش، ابتدا ۶ ایستگاه هواشناسی سینوپتیک واقع در استان کردستان انتخاب شدند و برای این ۶ ایستگاه، در کنار داده های دمای اعماق مختلف خاک و تبخیر از تشت، ۴ دمای حاصل از سنجنده MODIS شامل LSTTerra-Night، LSTTerra-Day، LSTAqua-Night، LSTAqua-Day استخراج شدند. با میانگین گیری کردن از مقادیر دماهای سطح زمین شبانه و روزانه دو ماهواره Aqua و Terra، دو دمای میانگین شامل LSTTerra-Mean-Night&Day و LSTAqua-Mean-Night&Day نیز استخراج شدند. ابتدا سری های زمانی روزانه از کلیه متغیرهای فوق طی دوره آماری ۲۰۲۱-۲۰۰۲ استخراج شدند سپس با به کارگیری مدل رگرسیون چندگانه خطی به روش گام به گام، از دماهای شش گانه سطح زمین مذکور به عنوان متغیرهای پیش بینی کننده دمای اعماق مختلف خاک و تبخیر از تشت استفاده شد. فرایند کلی فوق در دو مقیاس ایستگاهی (برای هر کدام از ۶ ایستگاه به صورت جداگانه) و منطقه ای (با در نظر گرفتن کل ۶ ایستگاه به صورت یکپارچه) به انجام رسید. همچنین به جهت افزایش دقت مدل در اعماق پایین تر خاک، مقادیر دمای خاک در اعماق ۵۰ و ۱۰۰ سانتیمتری خاک با یک گام تاخیر زمانی روزانه بعنوان متغیرهای مستقل جدید به مدل اضافه شدند. فرایند اعتبارسنجی مدل های رگرسیونی در مقیاس ایستگاهی با در نظر گرفتن ۷۵ درصد از کل داده های هر ایستگاه (دوره آماری ۲۰۱۶-۲۰۰۲) جهت واسنجی و ۲۵ درصد باقیمانده داده ها (دوره آماری ۲۰۲۱-۲۰۱۷) جهت اعتبارسنجی به انجام رسید. در مقیاس منطقه ای نیز جهت اعتبارسنجی مدل های رگرسیونی از روش اعتبارسنجی متقابل تک نمونه ای (LOOCV) طی ۶ مرحله مجزا (هر مرحله با حذف یک ایستگاه) استفاده شد. دو شاخص ضریب تعیین (R۲) و میانگین قدر مطلق خطا (MAE) جهت سنجش عملکرد مدل ها بکار گرفته شدند و از شاخص میانگین اریبی خطا (MBE) نیز جهت ارزیابی بیش یا کم برآورد کردن مدل های رگرسیونی استفاده شد.یافته ها: نتایج حاصل از واسنجی مدل های رگرسیونی در هر دو مقیاس ایستگاهی و منطقه ای نشان داد که از بین شش دمای سطح زمین حاصل از سنجنده MODIS، مدل های رگرسیون خطی چندگانه ای که حاصل آمدند در اکثر موارد برای شبیه سازی دماهای اعماق مختلف خاک بر اساس چهار دمای سطح زمین و برای تبخیر از تشت بر اساس سه دمای سطح زمین حاصل آمدند. دو دمای میانگین شبانه روزی حاصل از دو ماهواره Aqua و Terra نقش چشمگیر و پررنگی در تمامی مدل های حاصله هم برای دماهای اعماق خاک و هم برای تبخیر از تشت داشتند. نتایج حاصل از اعتبارسنجی مدل های رگرسیونی جهت شبیه سازی دمای اعماق مختلف خاک نشان داد که هم در مقیاس ایستگاهی و هم در مقیاس منطقه ای بر اساس هر دو شاخص ضریب تعیین و میانگین قدر مطلق خطا، مدل های رگرسیونی در شبیه-سازی دمای خاک در لایه های سطحی تر (عمق های ۵ تا ۳۰ سانتیمتری از سطح خاک) دارای عملکردی بالا (R۲ نزدیک به ۹۵/۰) و در عمق ۵۰ سانتیمتری خاک با مقداری افت در عملکرد (R۲ نزدیک به ۹/۰) مواجه شدند. در عمق ۱۰۰ سانتیمتری از سطح خاک، میزان افت عملکرد مدل (R۲ نزدیک به ۷۵/۰) در مقایسه با لایه های سطحی چشمگیر بود. این افت در عملکرد مدل به این مساله نسبت داده شد که دمای اعماق خاک قویا وابسته به مقدار انرژی خالص رسیده به سطح خاک است و به هنگام نفوذ گرما از سطح خاک به اعماق پایین تر، این انرژی و موج گرما به تدریج مستهلک شده و سبب وابستگی کمتر دمای خاک در اعماق پایین تر به دمای سطح زمین می گردد. نتایج همچنین نشان داد که اضافه کردن دماهای سطح خاک با یک روز تاخیر به مدل رگرسیونی سبب کاهش شاخص MAE و بهبود عملکرد مدل در اعماق پایین تر خاک می گردد. در خصوص تبخیر از تشت، نتایج اعتبارسنجی حاکی از عملکرد ضعیف تر مدل های رگرسیونی حاصله در شبیه سازی تبخیر از تشت در مقایسه با دمای اعماق خاک بود. نتایج همچنین نشان داد که مدل های رگرسیونی هم در شبیه-سازی دمای اعماق خاک و هم در شبیه سازی تبخیر از تشت، در مقیاس ایستگاهی تا حدودی عملکردی مناسب تر از مقیاس منطقه ای داشتند.نتیجه گیری: نتایج کلی این تحقیق نشان داد که دماهای شش گانه سطح زمین حاصل از سنجنده MODIS که از طریق دو ماهواره Aqua و Terra قابل استحصال هستند پتانسیل بسیار بالایی جهت شبیه سازی دمای اعماق مختلف خاک به ویژه لایه های سطحی تر دارند به گونه ای که از این دماهای سطح زمین می توان به عنوان متغیر اصلی و بطور مستقیم جهت شبیه سازی دمای اعماق خاک در هر دو مقیاس ایستگاهی و منطقه ای استفاده کرد. علی رغم دقت مناسب مدل های رگرسیونی حاصله در برآورد دمای اعماق خاک، پیشنهاد می گردد به جهت ارتقای دقت سطح مدل در پژوهش های آتی، در کنار دماهای سطح زمین که در این پژوهش از آنها استفاده شد از سایر محصولات ماهواره ای که بر روی دمای خاک تاثیر دارند (به طور ویژه رطوبت سطح خاک) نیز بصورت توامان و ترکیبی جهت شبیه سازی دمای اعماق خاک استفاده شود. در خصوص شبیه سازی تبخیر از تشت، نتایج حاصل از مدل های رگرسیونی نشان داد که امکان برآورد مستقیم تبخیر از تشت با دقت بالا صرفا با به کارگیری دماهای سطح زمین وجود ندارد اما با توجه به نقش و درجه تاثیر مناسبی که دماهای سطح زمین بر روی تبخیر از تشت از خود نشان دادند این پتانسیل وجود دارد که از آنها به عنوان متغیرهای کمکی و مفید در کنار سایر متغیرهایی که بر روی تبخیر از تشت تاثیر دارند استفاده کرد.

کلیدواژه ها:

دمای سطح زمین ، سنجنده MODIS ، رگرسیون خطی چندگانه ، اعتبارسنجی متقابل تک نمونه ای ، استان کردستان