پایان نامه تعیین دامنه خط برف با استفاده از داده های ایستگاه های هواشناسی و ماهواره ای در استان گیلان

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد(M.A)

رشته جغرافیا اقلیم شناسی در برنامه ریزی محیطی

چکیده

به دلیل نقش بسزای پوشش برفی در چرخه هیدرولوژیکی، بررسی خصوصیات پوشش برف (سطح پوشش برف) با تفکیک مکانی و زمانی بالا ضروری به نظر می رسد. اندازه گیری این پارامتر عموماً با استفاده از مشاهدات میدانی در ایستگاه های هواشناسی صورت می پذیرد. اما از آنجایی که ایستگاه های برف سنجی از توزیع مکانی مناسبی برخوردار نبوده و عموماً در ارتفاعات حوضه که تراکم برف و روزهای همراه با برف بیشتر است، تعداد این ایستگاه ها بسیار محدود است، بنابراین استفاده از روش های سنتی اندازه گیری زمینی از کارایی لازم برای پایش متناوب مشخصات فیزیکی برف برخوردار نمی باشند. از این رو، تعیین این پارامتر ها باید متکی بر روش هایی باشد که در تماس مستقیم با برف نبوده و به صورت غیر مستقیم تخمین قابل قبولی از این پارامتر ها را در اختیار ما قرار می دهند. نقشه های توپوگرافی، تصاویر ماهواره ای 8 روزه MODIS و داده های اقلیمی دما و بارش روزانه و ماهانه ایستگاه های هواشناسی، ابزارها و داده های مورد استفاده در این پژوهش هستند. همچنین از نرم افزارهای Arc GIS و ERDAS IMAGINE و سایر نرم افزارها برای تجزیه وتحلیل داده ها استفاده شده است. در این راستا، با استفاده از این اطلاعات در یک دوره آماری 13 ساله از سال آبی 80-1379 لغایت 92-1391 و در ماه های آبان تا فروردین، با استفاده از آمار بارش برف روزانه، دماهای ماهانه (حداکثر، حداقل و متوسط)، خط پیشروی و پسروی برف در ماه های مختلف سال و پتانسیل سطوح تحت ریزش آن مشخص شد و با مقایسه با تصاویر سطح پوشش برف، خط برف مرز در سطح استان تعیین و بررسی گردید. نتایج نشان از تطابق بالای این خط در تصاویر ماهواره ای پوشش برف در ماه های آذر، دی، بهمن و اسفند با ارتفاع دمای صفر درجه مربوط به متوسط دمای ماهانه که نشان دهنده متوسط خطوط ذوب و ریزش برف روی زمین است، در همین ماهها می باشد.   

واژگان کلیدی: خط برف مرز، نرم افزارهایArc GIS و ERDAS IMAGINE، تصاویر ماهواره ای MODIS.

 فصل اول

کلیات تحقیق

1-1. بیان مسأله و ضرورت انجام تحقیق

از آن جا که تعیین محدوده های اقلیمی در نواحی کوهستانی به صورت سطوح ارتفاعی مورد توجه است، بنابراین ، توجه پژوهشگران معطوف به دستیابی ارقام ارتفاعی است که گویای مرز مشخّص و تسلّط عوامل متفاوت فرسایشی است. به عبارت دیگر، تلاش در زمینه ی تعیین حدی است که فراتر از آن، آثار عوامل فرسایش به صورتی متفاوت در محیط ظاهر شده باشند.

کنترل و مهار منابع محدود آب شیرین، از اولویت های اصلی برنامه ریزی برای منابع آب کشور می باشد. یکی از این منابع، نزولات جوی در ارتفاعات است که سهم بیشتری از آن را برف تشکیل می دهد. برف منبع مهمی برای جریان رودخانه ها در طی کلیه  فصول سال در استان گیلان است.

وقوع خشکسالی های اخیر و کاهش شدید منابع آبی از یک سو و نقش و اهمیت نزولات برفی در تغذیه منابع آبهای زیر زمینی در مناطق کوهستانی ایحاب می کند که به طریق ممکن و با اعمال تمهیدات لازم و مناسب، از منابع موجود حداکثر بهره برداری را به عمل آورد. حفظ آبهای سطحی و تلاش در جهت بیشتر نفوذ دادن آبهای ناشی از ذوب برف به خاک می تواند در این ارتباط موثر و مفید واقع گردد. با عنایت به اینکه بخش اعظم بارندگی ها در مناطق کوهستانی به شکل برف نازل می شوند مدیریت بر منابع برفی در نواحی کوهستانی از اهمیت زیادی برخوردار است.

در مناطق سرد، کوهستانی و مرتفع بخش اعظم بارندگی ها به شکل برف نازل می شوند. منابع آبی موجود در این قبیل مناطق، متأثر از میزان بارش برف بوده و غالباٌ از طریق آبهای حاصل از ذوب برف تغذیه می شوند و وضعیت بیلان آبی و رژیم آبدهی منابع آب موجود در این قبیل مناطق به میزان و سرعت ذوب برف و یا ماندگاری آن بر روی زمین و سطوح آبگیر و تغذیه آنها بستگی دارد.

ماندگاری برف بر روی زمین ارتباط مستقیم با شدت ذوب برف داشته و شدت ذوب برف نیز به دمای محیط (دمای هوا، دمای سطح زمین) و تداوم گرما (طول مدت روز) بستگی دارد. از طرفی دمای محیط به جهت شیب و ارتفاع منطقه و دمای سطح زمین نیز به جنس و رنگ آن وابسته است. معمولا اجسام تیره و کدر مقدار بیشتری گرمای ناشی از تابش خورشید را جذب می نمایند و طبیعتا در شرایط مشابه گرمتر از سطوح روشن می گردند. تراکم و عمق انباشته برف نیز در این فرایند بی تأثیر نبوده و به دلیل پایین بودن سرعت انتقال گرما، برف های متراکم و انباشته سرعت ذوب کمتری خواهند داشت.

    ذخایر برفی و آب معادل آن حدود یک سوم از آب مورد نیاز برای فعالیت های کشاورزی و آبیاری در سراسر کره زمین را تامین می کند. در کشور ما نیز این ذخایر در ارتفاعات می تواند به عنوان یک منبع غنی آب شیرین مورد توجه قرار گیرد. برف منبع مهمی برای جریان رودخانه ها در طی فصول بهار و تابستان است. تا کنون شناسایی دقیق این منبع شیرین و مهم آبی بدلیل کمبود اطلاعات و آمار مکفی میسر نبوده است. کمبود ایستگاه های هواشناسی در مناطق ارتفاعی، صعب العبور بودن مناطق کوهستانی، عدم وجود تجهیزات و امکانات مناسب جهت آماربرداری در این مناطق خصوصاً در ماههای سرد و برفی، دقت کم اطلاعات برداشت شده از ایستگاههای موجود در نواحی کوهستانی و ... باعث عدم شناخت دقیق این منبع مهم آبی گردیده است.

استان گیلان با مساحتی معادل 14047 کیلومتر مربع، یکی از استان­های شمالی ایران است که در محدوده­ی جغرافیایی 11ً َ32 ˚48 تا  44ً  36َ ˚50 طول شرقی و 21ً َ33 ˚36 تا ً09 َ27˚38 عرض شمالی واقع گردیده و در بین دریای خزر و استان­های اردبیل، مازندران، زنجان و قزوین، محصور گردیده است.

ویژگی­های جغرافیایی استان گیلان و وجود سلسله جبال‌البرز و هم­جواری با دریای‌ خزر، باعث گردیده تا این استان، پرباران­ترین استان کشور محسوب گردد، به­طوری که بارندگی سالانه­ی آن در برخی از مناطق، از 2000 میلی­متر نیز تجاوز می­کند.

شرایط اقلیمی مناسب، خاک­های حاصل­خیز آبرفتی، رودخانه­های فراوان و پرآب، جنگل­های انبوه و وسیع و مراتع طبیعی این استان، زمینه­ی­ مساعدی را برای فعالیت­های کشاورزی و صنایع تبدیلی فراهم نموده است، به طوری که برخی از تولیدات و محصولات این ناحیه، نظیر برنج، توتون، چای، پیله­­ی ابریشم، بادام زمینی، زیتون، مرکبات، فندق، دانه­های روغنی، گل و گیاه زینتی و ...، نه تنها در سطح کشور، بلکه در سطح دنیا نیز از شهرت خاصی برخوردار است.

نگاهی اجمالی به وضعیت آبی استان گیلان، حکایت از شرایط مطلوب پتانسیل آبی منطقه دارد، به طوری که میزان بارش و رواناب این استان، حدود شش برابر متوسط کشور و تقریباً دو برابر متوسط جهانی است. اما با این وجود، به دلیل اینکه اکثر بارش­های منطقه در دو فصل پاییز و زمستان رخ می دهد و با توجه به کمبود زیرساخت­های آبی، در حال حاضر نمی­توان حتی از ۵۰ درصد پتانسیل آبی استان نیز استفاده نمود. به همین جهت، همه­ساله دغدغه­ی کم­آبی در فصل آبیاریِ محصولات کشاورزی، خصوصاً محصول استراتژیک برنج، که بیشتر آب مورد نیاز آن از باران تأمین می­گردد، کم و بیش وجود دارد.

استان گیلان دارای اقلیمی مرطوب و معتدل در مناطق دشت و اقلیمی سرد و نیمه خشک در مناطق کوهستانی است[1] و همواره در ماههای سرد سال ارتفاعات آن پوشیده از برف می باشد. این ریزش­ها عموماً از ابتدای آبان آغاز و تا اواخر فروردین ماه ادامه می یابد و تأثیر بسیار مهمی در تغذیه دبی های پایه رودخانه ها در فصول بهار و تابستان دارد.   

در این تحقیق کوشش می گردد با استفاده تلفیقی از داده های موجود ایستگاههای هواشناسی در سطح استان و داده های تصاویر ماهواره ای پوشش سطح برف سنجنده MODIS از ماهواره TERRA  برآورد نسبتاً دقیقی از مرز برف را در نواحی مرتفع استان در ماههای مختلف و برف گیر سال بدست آورد. تعیین سطوح پوشش برف در این نواحی می تواند کمک زیادی به برنامه ریزان منابع آبی جهت استفاده مطلوب از این منبع مهم آبی در سطح استان و خصوصاً مناطق مرتفع که در ماههای گرم سال با کم آبی مواجه می باشند، گردد.

1-2. سوال تحقیق

آیا استفاده تلفیقی از داده های ایستگاههای هواشناسی در کنار داده های تصاویر ماهواره ای سطح پوشش برف سنجنده MODIS برای تعیین خط برف مرز در نواحی کوهستانی استان باعث افزایش دقت نتایج می گردد؟

1-3. اهداف تحقیق

- استفاده از داده های ایستگاههای هواشناسی در کنار تصاویر ماهواره ای سطح پوشش برف سنجنده MODIS جهت افزایش دقت برآوردها در تعیین خط مرز برف در مناطق کوهستانی

- شناخت توانایی های نرم افزارهای Arc GIS و ERDAS IMAGINE در تعیین خط برف مرز

- استفاده از آمار بارش برف روزانه، دماهای ماهانه (حداکثر، حداقل و متوسط) برای مشخص کردن خط پیشروی و پسروی برف در ماه های سرد سال(آبان تا فروردین) و تعیین پتانسیل سطوح تحت ریزش آن.

1-4. فرضیه های تحقیق

با توجه به اهداف و سئوال اصلی تحقیق فرضیات زیر مورد بحث است و در این تحقیق تلاش براین است تا فرضیات مورد بحث و تبادل نظر قرار گیرد.

داده های تصاویر ماهواره ای پوشش برف 8 روزه سنجنده MODIS باعث افزایش دقت در تعیین خط برف مرز نواحی کوهستانی استان می گردد. 

نرم افزارهای Arc GIS و ERDAS IMAGINE می توانند در تعیین دقیق تر نتایج کمک های زیادی در طی مراحل تحقیق نمایند.

 نتایج بدست آمده از این تحقیق می تواند به شناسایی بهتر منبع آبی برف در مناطق کوهستانی کمک نماید.

1-5. محدودیت­ها و موانع تحقیق

همواره پژوهشگران در تحقیقات خود با محدودیت­هایی مواجه هستند. محدودیت­ها به عنوان یک واقعیت باعث کندی رسیدن به هر هدفی می­گردند، تحقیق حاضر نیز از این قاعده مستثنی نمی­باشد. لذا محدودیت­های اصلی این تحقیق عبارتند از:

1 - مشکلات ناشی از کمبود داده های هواشناسی خصوصا دما و بارش در مناطق ارتفاعی و صعب العبور بدلیل کمبود یا عدم وجود ایستگاههای هواشناسی در این مناطق

2 – عدم امکان استفاده از تصاویر سطح پوشش برف با دقت بالاتر از تصاویر بکار گرفته شده در این تحقیق بدلیل قیمت بالای آنها.

3 – داشتن توانایی و مهارت کافی جهت کار با نرم افزارهای سنجش از دور بدلیل پیچیدگی این نرم افزارها..

ادبیات تحقیق1. مقدمه:

برای تعیین خط برف در حوضه های آبخیزی که ایستگاه برف سنجی ندارد از عنصر دما استفاده می شود. از آنجا که رخداد پدیده برف در دمای صفر و کمتر از صفر اتفاق می افتد معمولا ارتفاع متناظر دمای صفر درجه سانتیگراد برای ماه های مختلف سال معادل خط برف در نظر گرفته می شود.  برای اینکار اطلاعات مربوط به دمای متوسط ماهانه برای ایستگاههای مورد مطالعه جمع آوری می شود. با استفاده از داده های میانگین دمای ماهانه و سالانه، گرادیان دما در حوضه مورد مطالعه تعیین می شود.  با فرض اینکه نزولات جوی در دمای صفر درجه سانتیگراد و پایین تر بصورت برف نازل می شوند، خط همتراز دمای صفر درجه در حوضه مشخص و ارتفاع مربوطه تعیین می شود. با تعیین خط صفر درجه و ترسیم آن بر روی نقشه حوضه بوسیله سیستم GIS می توان مساحت زیر پوشش برف و آب معادل برف را نیز محاسبه کرد. از این نظر برای هر ماه سه خط برف قابل محاسبه است.

1- ارتفاع دمای صفر درجه مربوط به متوسط حداقل ها، نشان دهنده حداقل ارتفاع خط ماندگاری برف بر روی زمین است.

 2- ارتفاع دمای صفر درجه مربوط به متوسط حداکثرها، نشان دهنده حداکثر ارتفاعی است که در صورت وجود پوشش برفی در حوضه، در بالای آن ذوبی صورت نمی گیرد.

 3- ارتفاع منحنی دمای صفر درجه مربوط به متوسط ماهانه­ها، به عنوان متوسط خط ذوب و ریزش برف به کار می رود.

در حوضه هایی نیز که دارای ایستگاههای برف سنجی می باشند از اطلاعات موجود و برداشت شده در عملیات میدانی اندازه گیری برف استفاده می شود. این اطلاعات شامل داده های مختصاتی خط برف مرز، عمق و چگالی برف، برآورد سطح پوشش برف و دمای برف می باشد. این برآوردها عمدتاً با خطای بسیار زیاد صورت می گیرد عمده دلایل آن را می توان به موارد زیر اشاره نمود:

دسترسی محدود به نقاطی از مناطق برفگیر که قابل دسترس باشند

نقطه ای بودن ایستگاههای برف سنجی و تعمیم نتایج آن به یک محدوده وسیع

محدود بودن دامنه دید اندازه گیر که باعث می گردد دامنه هایی از مناطق برف گیر که در دامنه دید قرار ندارند، برآورد مناسبی از پوشش برف صورت نگیرد.

محدود بودن ایستگاههای اندازه گیر برف نسبت به کل منطقه پوشیده از برف

خطای ادوات و دستگاههای اندازه گیری بدلیل عدم واسنجی و استهلاک آنها با مرور زمان  

استفاده از تصاویر ماهواره ای سطح پوشش برف نیز یکی دیگر از تکنیک های مورد استفاده برای تعیین خط برف مرز می باشند که در این تحقیق مورد استفاده قرار می گیرد. این تصاویر در یک دوره 13 ساله از سال 1379 تا سال 1391 در ماههای سرد و برفی آبان، آذر، دی، بهمن، اسفند و فروردین برداشت و با استفاده از نرم افزارهای تخصصی مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد.

2-2. مبانی نظری تحقیق:

   2-2-1- روشهای متداول در تهیه نقشه های خط برف مرز

روشهای موجود برای تهیه نقشه های برف مرز را می توان به سه گروه عمده به شرح زیر تقسیم بندی نمود:

استفاده از داده های ایستگاههای هواشناسی

استفاده از سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی

استفاده تلفیقی از داده های هواشناسی و سنجش از دور

2-2-1-1. استفاده از داده های ایستگاههای هواشناسی

این روش را به عبارتی می توان روشی معمول اطلاق نمود که در اکثر کارهای تحقیقاتی با این مضمون مورد استفاده قرار می گیرد. داده هایی که در این گونه از تحقیق ها  به کار برده می شود شامل بارش روزانه ایستگاه های باران سنجی، دمای متوسط ماهانه و میانگین های حداکثر، حداقل و متوسط دماهای ماهانه طی یک دوره آماری چندین ساله از ایستگاههای هواشناسی منتخب می باشد که با استفاده از این داده ها گرادیان بارش، دما و ضریب برفی برای ارتفاعات حوضه به صورت ماهانه محاسبه می شود. به کمک این معادلات می توان مقدار ریزش و ذخیره برف و باران ماهانه را در هر ارتفاع دلخواه از حوضه پیش بینی نمود و برنامه ریزی های دقیق تری در جهت استفاده بهینه از این منابع انجام داد. لازم به ذکر است که چون آمار مربوط به ایستگاه های تبخیر سنجی حوضه ها محدود است، از آمار ایستگاه های مجاور آن نیز برای محاسبه گرادیان های بارش و دما استفاده می شود.

Determine the extent of the snow line using data from weather stations and satellites in the province of Gilan

Abstract

The greatest role in the hydrological cycle due to snow cover, snow cover characteristics (snow cover) with high temporal and spatial resolution required to appear.  This parameter is commonly measured using field observations at meteorological stations are done. However, since the spatial distribution of snow stations poorly and generally high in the basin, Days with snow and snow density is higher, the number of stations is limited,  The number of stations is limited,  Thus, traditional methods for monitoring the performance of ground-based measurement of physical properties of snow did not receive intermittent. The determination of these parameters should rely on methods that are not in direct contact with the snow And indirect estimates of these parameters provide us with an acceptable offer. Topographic maps, satellite images and climate data on temperature and precipitation MODIS 8-day and monthly weather stations, tools, and data are used in this study. The Arc GIS and ERDAS IMAGINE software and other software is used for data analysis. In this regard, the use of this information by a 13-year period until 2000-2001 and 2012-2013 water year in the months November to April, Snow statistics daily, monthly temperature (maximum, minimum and average), the progressive and regressive snow falling in different months of the year and it was determined by the surface potential,  And compared with images of snow cover, the snow line boundary was determined at the provincial level. The results show the adaptation of these lines in satellite images of snow cover in the months of December, January, February and March with average monthly temperature is above zero degrees of melting lines represent the average of snowfall on the ground, is In the same months.

Keywords: Snow line Boundaries, the Software Arc GIS and ERDAS IMAGINE, Satellite Images of MODIS.