TRMM

دستیابی به پراکنش فضایی دقیق بارش ماهانه و ارزیابی شبیه سازی مدل های منطقه ای برای علوم محیطی به ویژه اقلیم شناسی اهمیت فراوان دارد. با توجه به تغییرپذیری زمانی و فضایی زیاد بارش و تراکم محدود ایستگاه های اندازه گیری، پیشرفت ها در زمینه تخمین بارش با استفاده از تصاویر ماهواره ای بسیار بااهمیت جلوه می کند. در این زمینه چندین پروژه در سطح بین المللی در دست انجام است و تولیدات آنها در دسترس پژوهشگران قرار دارد. داده های بارش ماهانه 43B3 (محصول TRMM) نمونه ای از آن است که در این مطالعه مورد ارزیابی قرار گرفته است. در مطالعه حاضر دقت مجموع بارش ماهانه و سالانه 43B3 (در طول سال های 2001 تا 2003) با استفاده از داده های ایستگاه های سینوپتیک و کلیماتولوژی سازمان هواشناسی بررسی شده اند. نتایج به طور متوسط بیش برآوردی برای بارش های اندک، و کم برآوردی برای بارش های زیاد را نشان می دهد. میزان دقت این داده ها برای مقادیر بارش کمتر از میانگین چندان نیست. با این حال، ارتباطی بین میزان دقت با ویژگی حرارتی و رطوبتی ماه ها مشاهده نمی شود. همچنین میزان دقت این داده ها، در سطح ایران متفاوت است، به طوری که در جنوب رشته کوه البرز و نواحی مرکزی و تا اندازه ای در نواحی شرقی ایران، دقت مناسبی ندارند. اما در نواحی غربی و جنوب کشور، دقت آنها را می توان مناسب برشمرد. از آنجا که داده های 43B3 در قیاس با برآوردهای حاصل از تکنیک درون یابی کریجینگ دقت کمتری دارد، کاربرد آنها برای مقاصد عملی در ایران پیشنهاد نمی شود.

این پژوهش با هدف تهیه نقشه خطر خشکسالی استان فارس با ترکیب روش شاخص خشکسالی هواشناسی SPI و روش آنومالی NDVI انجام گرفته است. ابتدا به کمک داده های ماهانه بارندگی از 44 ایستگاه استان فارس طی دوره آماری 2008-2000، شاخص خشکسالی SPI فصل رشد گیاهان محاسبه شد. سپس نقشه های SPI را با استفاده از روش کریجینگ معمولی تهیه شده و در پنج کلاس از نظر شدت خشکسالی (در هر سال) قرار گرفتند. پس از اعتبارسنجی داده های ماهواره TRMM، نقشه SPI فصل رشد گیاهان در هر سال به دست آمد. نتایج پژوهش بیانگر انطباق قابل قبول نقشه های SPI داده های زمینی و SPI مبتنی بر داده های TRMM است. در مرحله بعد، نقشه های آنومالی شاخص NDVI فصل رشد گیاهان با استفاده از لایه های NDVI سنجنده MODIS در دوره نُه ساله تهیه شد و در پنج کلاس شدت خشکسالی (در هرسال) طبقه بندی شدند. نقشه فراوانی خشکسالی از روی نقشه های باینری سالانه (بودن یا نبودن خشکسالی) استخراج شده است. از ترکیب وزنی خطی نقشه های احتمال وقوع خشکسالی دو روش شاخص SPI و آنومالی NDVI، نقشه ریسک خشکسالی به دست آمد. براساس این نقشه، تقریباً بیشتر استان فارس مستعد خشکسالی بوده و خشکسالی با شدت های مختلف را در دوره آماری مذکور تجربه کرده است.

تحقیق حاضر با هدف ارزیابی میزان صحت داده های باران ماهوارة TRMM در 87 ایستگاه سینوپتیکی ایران در مقیاس های روزانه و ماهانه انجام شده است. بدین منظور، ابتدا داده های روزانة TRMM-3B42 و ماهانة TRMM-3B43 دانلود شد. مقایسة بین داده های ماهواره ای و مشاهده ای در ایستگاه های انتخابی واقع در شش زون اقلیمی ایران (بیابانی، نیمه بیابانی، کوهستانی، نیمه کوهستانی، بیابان ساحلی و مرطوب ساحلی) در دورة آماری 1998-2009 انجام شد. برای ارزیابی داده های ماهواره ای از معیارهای آماری خطا و شاخص های مطابقت استفاده شد. نتایج تحقیق نشان داد که ماهوارة TRMM مقادیر بارندگی روزانه و ماهانه را در 68% از ایستگاه ها بیش از مقادیر مشاهده ای برآورد می کند. به دلیل وجود خطای قابل توجه داده های ماهواره ای، مقادیر تخمینی TRMM در دو مقیاس زمانی به تفکیک زون های اقلیمی و ایران واسنجی شد و ضرایب تصحیح بر اساس روش رگرسیون خطی ارائه شد. بیشترین مقدار ضریب همبستگی در سطح معناداری 01/0 در دو مقیاس روزانه و ماهانه در زون نیمه کوهستانی به ترتیب برابر 86/0 و 99/0 و کمترین مقدار آن ها 49/0 و 78/0 در زون مرطوب ساحلی به دست آمد. داده های واسنجی شدة TRMM در بیشتر زون ها و ایستگاه ها، مشابه یا نزدیک به مقادیر مشاهده ای است و در زون اقلیمی مرطوب شمال ایران، خطای داده های ماهواره ای کاهش نیافت.

در مواجه با خطر سیل و یا خسارات ناشی از خشکسالی، برآورد میزان بارش و الگوی تغییرات مکانی آن در یک منطقه گسترده، یکی از چالش های مهم در علوم هواشناسی، کشاورزی و هیدرولوژی است. اندازه گیری محلی بارندگی در مناطق دور افتاده به دلیل هزینه زیاد و محدودیت های عملیاتی دشوار است. بدین علت در تحقیق حاضر به منظور تعیین الگوی مکانی-زمانی بارش و امکان تلفیق داده ها، سه نوع مختلف از تولیدات بارندگی شامل داده های ماهواره ای (TRMM۳B۴۲)، داده های حاصل از مدل پیش بینی عددی جوّی (MM۵) و اندازه گیری های زمینی (نقشه های حاصل از روش زمین آمار (KED))، مورد مطالعه قرار گرفتند. این مطالعه در بازه زمانی سال های ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۰ میلادی و برای منطقه شمال شرق ایران به صورت ماهانه، فصلی و سالانه انجام شد. داده ها با استفاده از شاخص اعتبارسنجی RMSE و الگوریتم تشابه با یکدیگر مقایسه شدند. نتایج نشان دادند که یکی از ضعف های روش زمین آمار نبودن اطلاعات کافی در ارتفاعات بالای (۱۵۰۰) متر منطقه است. همچنین دقت تصاویر ماهواره ای در فصل های گرم بیشتر بود؛ بطوریکه در ماه آگوست مقدار ۷/۱ RMSE = به دست آمد. در فصل زمستان (ماه ژانویه) بیشترین مقدار ۰۲/۱۴ RMSE = حاصل شد که این امر عملکرد ضعیف تولیدات ماهواره ای TRMM در مناطق پوشیده از یخ را نشان می دهد. در اعتبارسنجی مدل MM۵ بیشترین و کمترین مقدار RMSE به ترتیب ۶۴/۶ و ۰۵/۱ به دست آمد. علاوه بر این مدل MM۵ تا حدود زیادی در شبیه سازی مقادیر بارندگی سالانه بیش برآورد داشت. نتایج تحلیل های مکانی- زمانی الگوریتم تشابه نیز نشان دادند که عملکرد مدل MM۵ در مقیاس ماهانه و فصلی و تعیین مناطق بارندگی بهتر از تصاویر ماهواره ای TRMM بود. همچنین هر سه محصول الگوی مکانی بارندگی در مقیاس فصلی و سالانه را به خوبی نشان دادند.

بارندگی مهم ترین عاملی است که در چرخة هیدرولوژی، دخالت مستقیم دارد. به دست آوردن اطلاعات دقیق بارش، برای تحلیل پدیده های گوناگون هیدرولوژیکی و تغییرات اقلیمی، امری ضروری است. هدف از این تحقیق بررسی میزان دقت داده های بارش دو ماهوارة GPM با محصول IMERG وTRMM با محصول 3B42، در چهار ایستگاه سینوپتیک شهر تهران در مقیاس روزانه، ماهیانه و فصلی است. در مقایسة تطبیقی بین داده های ماهواره ای و داده های مشاهده ای بارش ضریب همبستگی (R)، میزان انحراف نسبی (Bias)، خطای قدر مطلق میانگین (MAE)، میانگین مربعات خطا (RMSE) به منظور ارزیابی و واسنجی داده ها، و مقادیر احتمال تشخیص (POD) و نسبت هشدار اشتباه (FAR) و شاخص موفقیت (CSI) با هدف راستی آزمایی داده ها، بررسی شد. مقادیر Bias، MAE و RMSE تأیید کرد که هر دو محصول 3B42 و IMERG، در ایستگاه شمیران، کمترین میزان خطا را با داده های مشاهده ای دارند. همچنین، در ارزیابی محصول IMERG با مقادیر بارش ایستگاه شمیران، میزان همبستگی در این ایستگاه در مقیاس روزانه، ماهیانه و فصلی، به ترتیب 57%، 83% و 87% مشخص شد. به طورکلی می توان گفت، با توجه به تکنولوژی برتر IMERG دقت بالایی دارد و ابزار خوبی برای پیش بینی های هیدرولوژیکی است.

هدف پژوهش حاضر، ارزیابی داده های ماهواره ای یا سنجش از دور در پایش خشکسالی حوضه آبریز دریاچه ارومیه است. بدین منظور نخست داده های NDVI و LST سنجنده MODIS و داده های بارندگی ماهواره TRMM در مقیاس ماهیانه از سال 2000 تا 2014 دانلود شد. پس از پردازش تصاویر، شاخص های خشکسالی VCI، TCI و PCI و شاخص های ترکیبی VHI، CI1، CI2 و CI3 برای ماه های مارس تا سپتامبر (فصل رشد) محاسبه شدند. برای اعتبارسنجی این شاخص ها، شاخص SPI در مقیاس های زمانی 3، 6 و 9 ماهه به کار رفت. نتایج به طور میانگین نشان داد شاخص ماهواره ای مطلوب برای پایش خشکسالی کشاورزی حوضه آبریز دریاچه ارومیه طی فصل رشد، VCI است. شاخص های SPI3، SPI6 و SPI9 بیشترین همبستگی را در ماه مارس به ترتیب با VCI و VHI، در ماه آوریل با PCI و CI1، در ماه می با TCI، CI3 و CI1، در ماه ژوئن و جولای با VCI و در ماه های آگوست و سپتامبر با TCI و VCI دارند. در ماه های می و آوریل شاخص های ترکیبی نتایج بهتری نسبت به شاخص های VCI و TCI ارائه کردند؛ درنتیجه شاخص های ترکیبی طی ماه های مرطوب (می و آوریل) نتایج بهتری را ارائه می کنند. همچنین نتایج طبقه بندی شدت خشکسالی حوضه آبریز دریاچه ارومیه براساس شاخص VCI طی فصل رشد (مارس تا سپتامبر) نشان داد در سال های 2000، 2008 و 2001 به ترتیب با 85/93، 93/91 و 72 درصد، بیشترین و در سال های 2010، 2007 و 2004 به ترتیب با 21/1، 06/2 و 33/5 درصد، کمترین خشکسالی (ضعیف تا بسیار شدید) در سطح حوضه روی داده است. با استفاده از شاخص های ماهواره ای مطلوب ارائه شده در پژوهش حاضر، امکان پیش بینی و برآورد منطقه ای پدیده خشکسالی حوضه آبریز دریاچه ارومیه در ماه های مختلف فصل رشد یا طی فصل رشد و دستیابی به نتیجه بهتر وجود دارد.

در این پژوهش با استفاده از محصولات ماهواره متئوست و TRMM نقش هر یک از خصوصیات فیزیکی ابر در میزان بارش مورد ارزیابی قرار گرفت. برای بررسی از سه مدل GPR ، TDوMLPBR استفاده شد. محصولات مورد استفاده در این پژوهش از ماهواره متئوست(MSG) عبارتند از : فشار قله ابر ، دمای قله ابر ، عمق نوری ابر ، فاز ترمودینامیکی ابر ، میزان حجم آب موجود در ابر ، شعاع مؤثر قطرات ابر و نوع ابر. ابتدا محصولات در محیط نرم افزار متلب استخراج گردید و در مرحله بعد محاسبات با محصول بارش ماهواره TRMM انجام گرفت و ضریب خطا و ضریب تعیین بدست آمد. سرانجام میزان اثر بخشی هریک از مؤلفه های خصوصیات فیزیکی ابر در میزان بارش در غرب ایران از طریق روش آنالیز حساسیت محاسبه و مشخص شد. نتایج نشان می دهد که در بین مؤلفه های خصوصیات فیزیکی ابر نوع ابر بیشترین اثر بخشی را داشته و سپس شعاع مؤثر قطرات ابر و عمق نوری ابر به ترتیب در جایگاه دوم و سوم قرار دارند. در بین خصوصیات فیزیکی مورد بررسی کمترین اثر مربوط به فاز ابر می باشد.

خشکسالی یک رویداد پیچیده است که در اثر به هم خوردن تعادل آب ایجاد شده و همواره بر بخش های کشاورزی، اکولوژیکی و اجتماعی-اقتصادی تأثیر گذار می باشد. اگرچه تا کنون، شاخص های خشکسالی به دست آمده از داده های سنجش از دور برای پایش خشکسالی کشاورزی یا هواشناسی مورد استفاده قرار گرفته اند، ولی شاخصی که بتواند به طور مناسبی بازتاب کننده اطلاعات جامع از خشکسالی از جنبه هواشناسی تا کشاورزی باشد، کمتر مورد استفاده قرار گرفته است. در تحقیق حاضر، به منظور پایش جامع خشکسالی حوضه آبریز دریاچه ارومیه از شاخص خشکسالی تلفیقی (SDI) به عنوان شاخص سنتز شده از شاخص وضعیت پوشش گیاهی (VCI)، شاخص وضعیت دمایی (TCI) و شاخص وضعیت بارش (PCI) بر اساس روش آنالیز مؤلفه اصلی (PCA) استفاده شده است. بدین منظور، ابتدا سری داده های ماهواره ای MOD13A3، MOD11A2 و TRMM3B43 طی دوره ی آماری 2001 تا 2012 دانلود شد. پس از پردازش اولیه، شاخص های خشکسالی با استفاده از داده های LST، NDVI و TRMM محاسبه و نقشه های شدت خشکسالی ماهانه تهیه شدند. به منظور اعتبارسنجی شاخص SDI، رابطه همبستگی این شاخص با شاخص SPI در بازه زمانی 3 ماهه طی فصل رشد بدست آمد. همچنین روابط همبستگی SDI با میزان عملکرد دیم دو گیاه گندم و جو بررسی شد. نتایج حاکی از وقوع خشکسالی در سال های 2008 و 2001 در حوضه آبریز دریاچه ارومیه می باشد. نتایج بررسی اعتبارسنجی بیانگر وجود همبستگی 80% میان دو شاخص SDI و SPI می باشد. همچنین نتایج این تحقیق نشان داد که شاخص SDI، به عنوان شاخص جامع پایش خشکسالی، بازتاب کننده اثرات خشکسالی بر کشاورزی می باشد.

در جهت اجرای این تحقیق از داده های پارامتر بارش و سرعت و جهت باد روزانه و سه ساعته برای دوره زمانی 13 ساله (2009-2021) برای 11 ایستگاه سینوپتیکی اردبیل استفاده گشت. بر حسب صدک 95% روز های فرین برای هر ایستگاه به دست آمد. برای تحلیل آماری و همدیدی شرط انتخاب روز نماینده برای هر ایستگاه وقوع همزمانی بارش و باد حدی ملاک قرار گرفت و به علت رعایت اختصار به تحلیل یک واقعه در ایستگاه مشکین شهر پرداخته شد. با استفاده از داده NETCDF ماهواره TRMM تراکم بارش در نرم افزار GIS نمایش داده شد و با نرم افزار گلباد جهت باد نشان داده شد هم چنین با استفاده از داده های NCEP نقشه های سینوپتیکی ترسیم گردید نتایج آماری برای ایستگاه مشکین شهر نشان داد بیشینه فراوانی باد با 56% در فصل زمستان و اسفند ماه رخ داده که اغلب از سمت جنوب وارد شهر شده است اما بیش تر بارش در فصل بهار با (41%) و ماه اردیبهشت پر بارش ترین ماه بوده است. نتایج تحلیل همدیدی نشان داد سیستم حاکم بر روی منطقه مورد مطالعه کم فشار روی دریاچه آرال بوده و شرایط چرخندی صعود هوا را در پی داشته است. در شرق دریای مدیترانه و شمال دریای سیاه سامانه های پر فشاری تشکیل یافته و با حرکت برونگرد خود باعث هدایت جریانات غربی به سمت منطقه شده است. هم چنین منطقه مورد مطالعه در جلوی محور فرود غرب ایران قرار گرفته و چرخندگی مثبت هوا منجر به تقویت واگرایی در وورد سپهر شده است. سرعت حرکت افقی هوا به سرعت رود باد رسیده و با در بر داشتن رطوبت دریای مدیترانه مقدار 2/1 گرم در کیلو گرم رطوبت را بر آتمسفر منطقه تزریق نموده است. پیامد آن تشکیل هسته هایی از آب قابل بارش به میزان 8 کیلو گرم در یک متر مربع و هسته ای از همگرایی رطوبت در شمال غرب ایران بوده و وزش شرق سوی باد های غربی باعث شار آن به سمت منطقه مطالعاتی شده است.