اندازه‌ گیری تبخیر و تعرق با سنجش از دور

تبخیر و تعرق (Evapotranspiration) یکی از مؤلفه‌های کلیدی چرخه هیدرولوژیکی است که بیانگر مجموع آب از دست‌رفته از سطح زمین به اتمسفر می‌باشد. این فرایند ترکیبی از دو پدیده‌ی اصلی است: تبخیر (Evaporation) از سطح خاک، منابع آب سطحی و پوشش گیاهی مرطوب، و تعرق (Transpiration) که از طریق روزنه‌های برگ گیاهان به جو منتقل می‌شود. در واقع، ET شاخصی از میزان مصرف آب توسط اکوسیستم‌ها و پوشش‌های گیاهی است و ارتباط مستقیمی با شرایط اقلیمی، نوع پوشش زمین و وضعیت رطوبتی خاک دارد. در مقاله اندازه‌ گیری تبخیر و تعرق با سنجش از دور هدف آشنایی شما با تبخیر و تعرق و شناسایی سنجنده های پرکاربرد در این زمینه است.
اهمیت تبخیر و تعرق در حوزه‌های مختلف به‌ویژه کشاورزی، مدیریت منابع آب و مطالعات تغییر اقلیم بسیار چشمگیر است. در کشاورزی، برآورد دقیق ET نقش تعیین‌کننده‌ای در زمان‌بندی و میزان آبیاری دارد و به بهینه‌سازی مصرف آب و افزایش بهره‌وری محصولات کمک می‌کند. در مدیریت منابع آب، آگاهی از میزان تبخیر و تعرق برای برآورد تراز آبی حوضه‌های آبریز، مدیریت سدها و مقابله با تنش آبی ضروری است. همچنین در مطالعات اقلیمی، ET به عنوان یک متغیر حساس به تغییرات دما، تابش خورشیدی و الگوهای بارش شناخته می‌شود و می‌تواند به تحلیل اثرات گرمایش جهانی و خشکسالی کمک کند.

با وجود اهمیت بالای این پارامتر، اندازه‌گیری مستقیم تبخیر و تعرق فرآیندی پیچیده، زمان‌بر و پرهزینه است. روش‌های میدانی مانند لایسیمترها (Lysimeters) یا سامانه‌های شار آشفته (Eddy Covariance) نیازمند تجهیزات تخصصی، نگهداری مداوم و هزینه‌های عملیاتی بالا هستند. علاوه بر این، این روش‌ها معمولاً داده‌ها را در مقیاس نقطه‌ای ثبت می‌کنند و تعمیم نتایج آن‌ها به مقیاس‌های بزرگ‌تر مکانی با عدم قطعیت همراه است. پراکندگی کم ایستگاه‌های هواشناسی در بسیاری از مناطق نیز یکی دیگر از چالش‌های اصلی در برآورد دقیق ET به روش‌های سنتی محسوب می‌شود.

در این میان، سنجش از دور به عنوان رویکردی نوین و کارآمد، تحولی اساسی در برآورد تبخیر و تعرق ایجاد کرده است. تصاویر ماهواره‌ای با پوشش وسیع مکانی و تکرار زمانی منظم، امکان پایش پیوسته پارامترهایی مانند دمای سطح زمین، شاخص‌های پوشش گیاهی، تابش و ویژگی‌های سطحی را فراهم می‌کنند. ترکیب این داده‌ها با مدل‌های فیزیکی و انرژی‌پایه، امکان برآورد تبخیر و تعرق را در مقیاس‌های محلی، منطقه‌ای و حتی جهانی فراهم ساخته است. به همین دلیل، امروزه استفاده از سنجش از دور به عنوان یکی از دقیق‌ترین و اقتصادی‌ترین روش‌های محاسبه ET در مطالعات منابع آب و کشاورزی شناخته می‌شود.

 

دوره پیشنهادی:  محاسبه تبخیر و تعرق با الگوریتم سبال در گوگل ارث انجین 

 

 

تبخیر و تعرق چیست؟

تبخیر و تعرق (Evapotranspiration - ET) به مجموع آبی گفته می‌شود که از سطح زمین به اتمسفر منتقل می‌شود. این انتقال از طریق دو فرآیند اصلی انجام می‌شود: تبخیر از سطوح آزاد آب و خاک، و تعرق از طریق گیاهان. در واقع، ET نشان‌دهنده میزان مصرف و از دست رفتن آب در یک اکوسیستم است و یکی از پارامترهای کلیدی در مطالعات منابع آب، کشاورزی و اقلیم محسوب می‌شود.

شدت تبخیر و تعرق به عوامل متعددی وابسته است، از جمله دما، رطوبت نسبی هوا، سرعت باد، تابش خورشیدی، نوع پوشش گیاهی و رطوبت خاک. هرچه دما و تابش بیشتر باشد، پتانسیل تبخیر و تعرق افزایش می‌یابد، در حالی که رطوبت بالا می‌تواند این فرآیند را کاهش دهد. در ادامه اجزای اصلی این فرآیند را بررسی می‌کنیم.

 

تبخیر (Evaporation)

تبخیر فرآیندی فیزیکی است که طی آن آب از سطح خاک، منابع آب سطحی (دریاچه‌ها، رودخانه‌ها، مخازن) و حتی سطوح مرطوب گیاهان به بخار آب تبدیل شده و وارد جو می‌شود. این فرآیند عمدتاً تحت تأثیر انرژی خورشیدی قرار دارد و وابسته به دمای هوا، سرعت باد و میزان رطوبت محیط است.
در مناطق خشک و نیمه‌خشک، تبخیر سهم قابل توجهی از اتلاف آب را تشکیل می‌دهد. به همین دلیل، شناخت و برآورد دقیق آن برای مدیریت منابع آب اهمیت بالایی دارد.

تعرق (Transpiration)

تعرق فرآیندی زیستی است که طی آن گیاهان آب جذب‌شده از خاک را از طریق روزنه‌های برگ (Stomata) به صورت بخار به اتمسفر منتقل می‌کنند. این فرآیند بخشی از چرخه طبیعی فتوسنتز و تبادل گازها در گیاهان است.
شدت تعرق به نوع گیاه، مرحله رشد، تراکم پوشش گیاهی، شرایط اقلیمی و رطوبت خاک بستگی دارد. در بسیاری از اراضی کشاورزی، سهم تعرق از کل تبخیر و تعرق بیشتر از تبخیر مستقیم از خاک است، به ویژه زمانی که پوشش گیاهی کامل باشد.

.
تبخیر و تعرق مرجع (Reference Evapotranspiration - ET₀)

تبخیر و تعرق مرجع (ET₀) نشان‌دهنده میزان تبخیر و تعرق از یک سطح مرجع استاندارد (معمولاً چمن کوتاه با شرایط مشخص) تحت شرایط اقلیمی معین است. این پارامتر مستقل از نوع محصول بوده و تنها به شرایط جوی وابسته است. ET₀ معمولاً با استفاده از مدل‌هایی مانند معادله پنمن–مانتیث محاسبه می‌شود و به عنوان مبنایی برای تعیین نیاز آبی محصولات مختلف به کار می‌رود. با استفاده از ضریب گیاهی (Crop Coefficient - Kc)، می‌توان ET₀ را به تبخیر و تعرق محصول خاص تبدیل کرد.

تبخیر و تعرق واقعی (Actual Evapotranspiration - ETa)

تبخیر و تعرق واقعی (ETa) میزان واقعی آب از دست‌رفته از یک سطح مشخص در شرایط موجود است. برخلاف ET₀ که یک مقدار استاندارد و پتانسیلی است، ETa به محدودیت‌های رطوبتی خاک، تنش آبی گیاه و شرایط واقعی مزرعه وابسته است. در شرایط کمبود آب یا تنش خشکی، ETa معمولاً کمتر از ET₀ خواهد بود. در مطالعات سنجش از دور، هدف اصلی بسیاری از مدل‌های انرژی‌پایه مانند SEBAL و METRIC، برآورد ETa در مقیاس‌های وسیع مکانی است، زیرا این پارامتر برای مدیریت عملی منابع آب اهمیت بیشتری دارد.

 

اندازه‌ گیری تبخیر و تعرق با سنجش از دور

برآورد تبخیر و تعرق با استفاده از سنجش از دور، وابسته به داده‌های ماهواره‌ای با کیفیت و مناسب است. انتخاب سنجنده مناسب به نوع مدل مورد استفاده (مدل‌های هواشناسی، انرژی‌پایه یا شاخص‌محور)، مقیاس مکانی و زمانی مطالعه و دسترسی به داده‌ها بستگی دارد. به طور کلی، سنجنده‌های مورد استفاده در برآورد ET را می‌توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد: ماهواره‌های اپتیکی و سنجنده‌های حرارتی.

 

ماهواره‌های اپتیکی

ماهواره‌های اپتیکی عمدتاً برای استخراج شاخص‌های پوشش گیاهی مانند NDVI، LAI و سایر پارامترهای سطحی استفاده می‌شوند که نقش مهمی در مدل‌سازی تبخیر و تعرق دارند.

Sentinel-2

سنتینل-2 یکی از ماهواره‌های برنامه کوپرنیکوس اتحادیه اروپا است که تصاویر چندطیفی با قدرت تفکیک مکانی بالا (۱۰ تا ۲۰ متر) ارائه می‌دهد. این ماهواره دارای باندهای مرئی، مادون قرمز نزدیک (NIR) و مادون قرمز کوتاه‌موج (SWIR) است که برای محاسبه شاخص‌های پوشش گیاهی بسیار مناسب‌اند. اگرچه Sentinel-2 باند حرارتی ندارد، اما در بسیاری از مدل‌های ترکیبی برای استخراج پارامترهایی مانند NDVI و ضرایب گیاهی (Kc) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

Landsat 8 و Landsat 9

سری ماهواره‌های لندست از پرکاربردترین داده‌های سنجش از دور در مطالعات منابع آب هستند. Landsat 8 و 9 علاوه بر باندهای اپتیکی، دارای باند حرارتی نیز هستند که آن‌ها را برای مدل‌های انرژی‌پایه بسیار ارزشمند می‌کند. قدرت تفکیک مکانی ۳۰ متر این ماهواره‌ها، آن‌ها را برای مطالعات حوضه‌ای و کشاورزی بسیار مناسب ساخته است. همچنین آرشیو بلندمدت لندست امکان تحلیل‌های زمانی و بررسی تغییرات ET در بازه‌های چند دهه‌ای را فراهم می‌کند.

 

MODIS

سنجنده MODIS که بر روی ماهواره‌های Terra و Aqua نصب شده است، دارای پوشش روزانه و قدرت تفکیک زمانی بالا است. اگرچه قدرت تفکیک مکانی آن نسبت به لندست پایین‌تر است (۲۵۰ تا ۱۰۰۰ متر)، اما به دلیل پوشش جهانی و داده‌های مداوم، در مطالعات منطقه‌ای و جهانی تبخیر و تعرق بسیار کاربرد دارد. MODIS محصولات آماده‌ای مانند شاخص پوشش گیاهی (NDVI) و دمای سطح زمین (LST) ارائه می‌دهد که در بسیاری از مدل‌های ET استفاده می‌شوند.

سنجنده‌های حرارتی (کلیدی در مدل‌های انرژی‌پایه)

مدل‌های انرژی‌پایه مانند SEBAL و METRIC برای برآورد تبخیر و تعرق نیازمند دمای سطح زمین (Land Surface Temperature - LST) هستند. این پارامتر از باندهای حرارتی استخراج می‌شود و نقش اساسی در محاسبه شار گرمای نهان دارد.

 

Landsat TIRS

سنجنده TIRS (Thermal Infrared Sensor) بر روی Landsat 8 و 9 نصب شده و امکان استخراج دمای سطح زمین را فراهم می‌کند. این داده‌ها در مدل‌های تراز انرژی برای محاسبه مؤلفه‌های مختلف شار انرژی سطحی استفاده می‌شوند. وجود باند حرارتی در کنار باندهای اپتیکی، لندست را به یکی از مهم‌ترین منابع داده برای برآورد ET واقعی (ETa) تبدیل کرده است.

 

محصول MODIS LST

MODIS علاوه بر داده‌های بازتابی، محصولات آماده دمای سطح زمین (LST) را نیز ارائه می‌دهد. این محصولات در مقیاس منطقه‌ای و جهانی برای مدل‌های ساده‌تر مانند SSEBop بسیار کاربردی هستند.

 

ECOSTRESS

ECOSTRESS یک سنجنده حرارتی نصب‌شده بر روی ایستگاه فضایی بین‌المللی است که با قدرت تفکیک مکانی بالا، دمای سطح زمین را اندازه‌گیری می‌کند. این سنجنده به طور ویژه برای پایش تنش آبی گیاهان و بررسی تبخیر و تعرق در مقیاس مزرعه‌ای طراحی شده است.

 

 

 

مدل‌های برآورد تبخیر و تعرق

برای برآورد تبخیر و تعرق (ET) مدل‌های متعددی توسعه یافته‌اند که می‌توان آن‌ها را به طور کلی به دو دسته تقسیم کرد:

• مدل‌های اقلیم‌محور (نیازمند داده‌های هواشناسی)
• مدل‌های انرژی‌پایه مبتنی بر سنجش از دور

مدل پنمن–مانتیث (Penman–Monteith)

مدل پنمن–مانتیث یکی از معتبرترین و پرکاربردترین مدل‌های فیزیکی برای محاسبه تبخیر و تعرق مرجع (ET₀) است. این مدل ترکیبی از معادلات بیلان انرژی و انتقال جرم بوده و اثر پارامترهای اقلیمی را به صورت همزمان در نظر می‌گیرد. نسخه استاندارد این مدل توسط سازمان خواربار و کشاورزی ملل متحد در قالب دستورالعمل FAO-56 معرفی شده است و امروزه به عنوان مرجع جهانی محاسبه ET₀ شناخته می‌شود.

ویژگی‌های اصلی:

• مدل فیزیکی–اقلیم‌محور
• نیازمند داده‌های هواشناسی شامل:
o دمای هوا
o رطوبت نسبی
o سرعت باد
o تابش خورشیدی

• مناسب برای محاسبه تبخیر و تعرق مرجع (ET₀)

مزایا:
• دقت بالا در صورت وجود داده‌های کامل
• استاندارد بین‌المللی و قابل استناد در مقالات علمی
محدودیت:
• وابستگی شدید به ایستگاه‌های هواشناسی
• دشواری استفاده در مناطق فاقد داده زمینی

 

 

دوره آموزشی پیشنهادی: اندازه گیری تبخیر و تعرق با پنمن مانتیث

 

 

مدل SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land)

مدل SEBAL یکی از مهم‌ترین مدل‌های انرژی‌پایه برای برآورد تبخیر و تعرق واقعی (ETa) با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای است. این مدل بر پایه معادله تراز انرژی سطح زمین توسعه یافته است.

معادله اصلی تراز انرژی به صورت زیر بیان می‌شود:
Rn = G + H + LE
که در آن:
• Rn = تابش خالص
• G = شار گرمای خاک
• H = شار گرمای محسوس
• LE = شار گرمای نهان (مرتبط با تبخیر و تعرق)

در این مدل، با استفاده از داده‌های بازتابی و به‌ویژه باند حرارتی ماهواره، مؤلفه‌های مختلف انرژی محاسبه شده و در نهایت ET استخراج می‌شود.

 

ویژگی‌های اصلی:
• مبتنی بر تراز انرژی
• نیازمند دمای سطح زمین (LST)
• استفاده از تصاویر ماهواره‌ای مانند Landsat
مزایا:
• برآورد ET واقعی در مقیاس مکانی گسترده
• عدم وابستگی کامل به داده‌های هواشناسی
محدودیت:
• پیچیدگی محاسبات
• نیاز به تعیین پیکسل‌های سرد و گرم (Hot & Cold Pixels)

 

مدل METRIC (Mapping Evapotranspiration at high Resolution with Internalized Calibration)

 

مدل METRIC نسخه توسعه‌یافته SEBAL است که با هدف افزایش دقت و کاهش عدم قطعیت طراحی شده است. تفاوت اصلی METRIC با SEBAL در کالیبراسیون داخلی آن با استفاده از داده‌های زمینی است. در METRIC از ET مرجع (محاسبه‌شده با پنمن–مانتیث) برای تنظیم مدل انرژی استفاده می‌شود، که باعث افزایش دقت نتایج می‌شود.

ویژگی‌های اصلی:
• توسعه‌یافته از SEBAL
• کالیبراسیون داخلی با داده‌های هواشناسی
• مناسب برای مطالعات کشاورزی دقیق
مزایا:
• دقت بالاتر نسبت به SEBAL
• کاربرد گسترده در مدیریت آبیاری
محدودیت:
• نیاز به داده‌های زمینی برای کالیبراسیون

مدل SSEBop (Operational Simplified Surface Energy Balance)

 

مدل SSEBop نسخه ساده‌شده مدل‌های انرژی‌پایه است که برای کاربردهای عملیاتی و مقیاس‌های بزرگ طراحی شده است. این مدل با استفاده از اختلاف دمای سطح زمین و شرایط مرجع، ET را تخمین می‌زند. در مقایسه با SEBAL و METRIC، این مدل ساده‌تر بوده و نیاز به پارامترهای پیچیده انرژی ندارد.

ویژگی‌های اصلی:
• مدل ساده‌شده انرژی‌پایه
• مناسب برای مقیاس منطقه‌ای و ملی
• کاربردی در سامانه‌های پایش خشکسالی
مزایا:
• سادگی اجرا
• مناسب برای تحلیل‌های گسترده مکانی
محدودیت:
• دقت کمتر نسبت به مدل‌های کامل انرژی‌پایه
مقایسه مدل‌های زمینی و ماهواره‌ای در برآورد تبخیر و تعرق
مدل‌های برآورد تبخیر و تعرق را می‌توان به دو رویکرد اصلی تقسیم کرد: مدل‌های هواشناسی (زمینی) و مدل‌های مبتنی بر سنجش از دور (انرژی‌پایه). هر یک از این روش‌ها دارای مزایا و محدودیت‌های خاص خود هستند و انتخاب آن‌ها به هدف مطالعه، مقیاس مکانی و دسترسی به داده‌ها بستگی دارد.

مدل‌های هواشناسی (مانند پنمن–مانتیث)

مدل‌های هواشناسی بر پایه داده‌های ثبت‌شده در ایستگاه‌های زمینی عمل می‌کنند. این مدل‌ها معمولاً تبخیر و تعرق مرجع (ET₀) را با استفاده از پارامترهای اقلیمی مانند دما، رطوبت نسبی، سرعت باد و تابش خورشیدی محاسبه می‌کنند.
مزایا:
• دقت بالا در مقیاس نقطه‌ای
• استاندارد و پذیرفته‌شده در مطالعات علمی
• مناسب برای محاسبه نیاز آبی محصولات
محدودیت‌ها:
• وابستگی شدید به داده‌های کامل هواشناسی
• پراکندگی کم ایستگاه‌ها در بسیاری از مناطق
• دشواری تعمیم نتایج به مقیاس‌های بزرگ مکانی
• عدم نمایش ناهمگنی فضایی در سطح زمین

این مدل‌ها بیشتر برای تحلیل‌های محلی و مزرعه‌ای مناسب هستند، اما در مقیاس حوضه‌ای یا منطقه‌ای با محدودیت مواجه می‌شوند.

 

مدل‌های انرژی‌ پایه (مانند SEBAL و METRIC)

مدل‌های انرژی‌پایه با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای و معادله تراز انرژی سطح زمین، تبخیر و تعرق واقعی (ETa) را در مقیاس‌های گسترده محاسبه می‌کنند. این مدل‌ها از پارامترهایی مانند دمای سطح زمین (LST)، شاخص‌های پوشش گیاهی و تابش خالص استفاده می‌کنند.
مزایا:
• پوشش کامل مکانی (نقشه پیوسته ET)
• امکان تحلیل در مقیاس منطقه‌ای و ملی
• کاهش وابستگی به داده‌های زمینی
• قابلیت پایش تغییرات زمانی
محدودیت‌ها:
• پیچیدگی محاسبات
• حساسیت به کیفیت تصاویر ماهواره‌ای
• نیاز به پردازش تخصصی داده‌ها
• وابستگی به شرایط بدون ابر

مدل‌های انرژی‌پایه برای مدیریت منابع آب در مقیاس حوضه‌ای، پایش خشکسالی و کشاورزی دقیق بسیار کاربردی هستند.

 

مزایای استفاده از سنجش از دور در برآورد تبخیر و تعرق

با پیشرفت فناوری ماهواره‌ای، سنجش از دور به یکی از مؤثرترین ابزارها برای محاسبه تبخیر و تعرق تبدیل شده است. مهم‌ترین مزایای این رویکرد عبارت‌اند از:

پوشش وسیع مکانی
برخلاف روش‌های زمینی که داده‌ها را به صورت نقطه‌ای ثبت می‌کنند، تصاویر ماهواره‌ای امکان تولید نقشه‌های پیوسته تبخیر و تعرق را در مقیاس‌های محلی تا جهانی فراهم می‌کنند.
کاهش هزینه
راه‌اندازی و نگهداری ایستگاه‌های زمینی و تجهیزات اندازه‌گیری مستقیم بسیار پرهزینه است. در مقابل، بسیاری از داده‌های ماهواره‌ای به صورت رایگان در دسترس هستند و هزینه مطالعات را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهند.
امکان دسترسی به داده های گذشته
آرشیو چند دهه‌ای تصاویر ماهواره‌ای (مانند سری لندست) امکان بررسی روندهای بلندمدت تبخیر و تعرق، تحلیل خشکسالی‌های گذشته و مطالعه تغییرات اقلیمی را فراهم می‌کند.
کاربرد در مناطق فاقد ایستگاه هواشناسی
در بسیاری از مناطق جهان، به‌ویژه در کشورهای در حال توسعه یا مناطق کوهستانی و دورافتاده، داده‌های هواشناسی کافی وجود ندارد. سنجش از دور این محدودیت را برطرف کرده و امکان برآورد ET را بدون وابستگی کامل به داده‌های زمینی فراهم می‌کند.

جمع‌بندی
برآورد تبخیر و تعرق یکی از ارکان اساسی مدیریت منابع آب، کشاورزی پایدار و مطالعات اقلیمی است. مدل‌های هواشناسی مانند پنمن–مانتیث با وجود دقت بالا، به داده‌های زمینی وابسته‌اند و معمولاً در مقیاس نقطه‌ای کاربرد دارند. در مقابل، مدل‌های انرژی‌پایه مبتنی بر سنجش از دور مانند SEBAL، METRIC و SSEBop امکان محاسبه تبخیر و تعرق واقعی را در مقیاس‌های گسترده مکانی فراهم می‌کنند.
امروزه ترکیب داده‌های هواشناسی و تصاویر ماهواره‌ای به عنوان رویکردی جامع و کارآمد شناخته می‌شود که می‌تواند محدودیت‌های هر دو روش را کاهش دهد. با توجه به بحران جهانی آب و افزایش نیاز به مدیریت هوشمند منابع آبی، استفاده از سنجش از دور در برآورد تبخیر و تعرق نه تنها یک انتخاب علمی، بلکه یک ضرورت مدیریتی محسوب می‌شود.