برف یکی از مولفه های اصلی چرخه آب در بسیاری از حوضه های کوهستانی دنیاست. با توجه به اینکه جمع آوری داده های دقیق در این مورد نیازمند صرف وقت و هزینه بسیاری است و گاهی سخت و غیرممکن به نظر می رسد، استفاده از روش های زمین آماری، به منزله تکنیکی برای تبدیل داده های نقطه ای به منطقه ای، می تواند راهگشا باشد. در این تحقیق، با استفاده از داده های چهارده ایستگاه برف سنجی غرب استان اصفهان، پهنه بندی آب معادل برف در دوره آماری 1368 1389 با استفاده از چهار روش زمین آماری و قطعی کریجینگ، کوکریجینگ، تابع شعاع محور و عکس فاصله وزنی در محیط نرم افزاری ArcGIS 9.3 انجام شد. بدین منظور، نخست آزمون نرمال بودن کولموگراف- اسمیرنوف برای داده ها اجرا و سپس واریوگرام داده ها به منظور تعیین همگنی، ایستایی و روند داده ها ترسیم شد. پس از تشخیص تناسب داده ها و آماده سازی آن ها در محیط 9.3 ArcGIS، برای هر سال با مقایسه چهار روش ذکرشده و بر اساس کمترین میزان RMSE، بهترین روش درون یابی برای پهنه بندی انتخاب و نقشه های پهنه بندی ترسیم شد. نتایج نشان می دهد که در بیشتر سال های این دوره آماری در منطقه مورد نظر روش تابع شعاع محور نتایج بهتری ارائه می دهد. علاوه بر این، نتایج نشان می دهد که میزان آب معادل برف از سمت جنوب و غرب حوزه به سمت شمال و شرق کاهش می یابد.

در مناطق کوهستانی شمال غرب ایران، بویژه در فصول سرد سال، بارش برف به عنوان مهمترین عنصر اقلیمی شناخته می شود. آب ذوب معادل ناشی از پوشش برفی می تواند، با اعمال عکس العمل های متقابل و مرتبط به هم در یک حوضه آبریز، سایر پارامترهای هیدرولوژیکی نظیر: جریان آب های سطحی، نحوه تغذیه سفره های آب زیرزمینی، وقوع سیلاب و پوشش گیاهی را متاثر سازد.تحقیق در محدوده حوضه آبریز «آجی چای» که از دو کوهستان مهم سبلان و سهند سرچشمه گرفته و به دریاچه ارومیه ختم می گردد، صورت گرفته است. به منظور طراحی نقشه برف، تصاویر ماهواره ای سنجنده MODIS در محیط نرم افزارERDAS Imagine  بر اساس الگوریتم های مختلف به صورت مرحله ای پردازش شد. سپس، در محیط نرم افزار ArcGIS ضمن بهره گیری از داده های نقطه ای ثبت شده توسط ایستگاه های برف سنجی، سایر عملیات تحلیل مکانی نظیر: تبدیل نقشه های توپوگرافی آنالوگ به فرمت رقومی، ایجاد مدل ناهمواری منطقه، استخراج اتوماتیک محدوده حوضه آبریز و طراحی چند ضلعی های «تیسن» به ترتیب اجرا شد.با همپوشانی منطقی چند ضلعی های حاصله و نقشه سطح پوشش برف در محدوده تاثیر هر ایستگاه زمینی در محیطGIS ، میزان همبستگی بین مقادیر بارش برف ثبت شده، مساحت هر کدام از زیر حوضه ها و آب ذوب معادل مثبت ارزیابی شد و این مقدار برای سال آبی 84-1383 (2005 میلادی) در کل حوضه (با مساحت 363249 هکتار) حدود شصت و شش میلیون مترمکعب محاسبه گردید. نتایج نهایی نشان دهنده قابلیت پردازش تصاویر MODIS در روند مطالعه پوشش برفی می باشد، چرا که این سنجنده دارای تعداد باندهای بیشتر، میزان تفکیک مکانی قابل استناد و سری های زمانی متوالی است. بنابراین، با اجرای الگوریتم اتوماتیک برفی می توان تصاویر ماهواره ای را به صورت بهنگام پایش و خصوصیات هیدروکلیماتیک حوضه های آبریز در مقیاس منطقه ای را جهت کاربردهای متنوع پردازش نمود.

در مناطق کوهستانی بخش قابل ملاحظه ای از ریزشهای جوی به صورت برف است و ارزیابی مقدار کمی این گونه ریزشها بر اساس چگالی و آب معادل برف می باشد. لذا بررسی روشهای نوین و تعیین الگوریتمهای مناسب برای پیش آگاهی و شبیه سازی مقادیر ذخیره برفی حوضه ها ضروری است. در این تحقیق، با به کارگیری شبکه عصبی مصنوعی دو متغیر چگالی و آب معادل برف در حوضه های آبخیز آذربایجان غربی برآورد گردیدند. در طراحی شبکه عصبی مصنوعی از سه متغیر مستقل طول جغرافیایی، عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریای نقاط برف سنجی به عنوان عناصر ورودی کمک گرفته شد. شبکه عصبی مصنوعی طراحی شده شامل سه نرون در لایه ورودی، دو نرون در لایه خروجی، 6 تا 18 نرون در لایه (های) میانی و یک یا چند لایه در بخش میانی بود. نتایج نشان دادند که آرایش 2-6-3 نسبت به دو آرایش 2-6-6-3 و 2-6-6-6-3 جواب های مناسب تری داشت، بطوری که در آرایش 2-6-3 پس از 270 تکرار محاسباتی شبکه طراحی شده به همگرایی رسید. با توجه به نتایج حاصل از اجرای آرایش 2-6-3 با تابع محرک لونبرگ مارکوات، شبکه موفق شد تا 92 درصد از تغییرات چگالی و آب معادل برف را بر اساس سه متغیر طول جغرافیایی، عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریا در سطح حوضه های آبخیز آذربایجان غربی براورد نماید. نتایج مطالعه حاضر در مقایسه با پژوهشهای مشابه موید عملکرد مناسب شبکه عصبی با در نظر گرفتن کمترین عناصر ورودی زودیافت، در برآورد همزمان دو متغیر آبشناسی بود.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.

سابقه و هدف: آب معادل برف، یکی از پارامترهای مهم در چرخه هیدرولوژیکی می باشد. در ایران اندازه گیری عمق برف و آب معادل آن در ایستگاه های برف سنجی به علت خودکار نبودن ایستگاه ها و مشکلات اندازه گیری آن بطور محدودی صورت می گیرد. با توجه به پژوهش های انجام شده در زمینه آب معادل برف، سرعت باد، درجه حرارت، بارش و ارتفاع منطقه از عوامل تاثیرگذار بر میزان آب معادل برف می باشند. از آنجایی که مقادیر پارامترهای سرعت باد، درجه حرارت و بارش می توانند در طولانی مدت بر آب معادل برف تاثیرگذار باشند، بنابراین هدف این مطالعه استفاده از پارامترهای هواشناسی و جغرافیایی برای تخمین آب معادل برف در ایستگاه های برف سنجی حوضه مورد مطالعه می باشد.مواد و روش ها: در این مطالعه با استفاده از داده های ایستگاه های هواشناسی و کاربرد روش های مختلف درون یابی، پس از انتخاب بهترین روش که به وسیله معیارهای ارزیابی صورت گرفت، مقادیر بارش، دما و سرعت باد به صورت میانگین های 10، 20، 30، 40 و 50 روزه در محل ایستگاه های برف سنجی در حوضه ساروق چای تخمین زده شد. بعد از تخمین پارامترهای ذکر شده، همبستگی تک تک هر یک از این پارامترها با آب معادل برف ایستگاه ها بررسی شد. پارامترهایی که بیشترین همبستگی را داشتند، انتخاب شدند. سپس در نرم افزار SPSS بین این پارامترها و ارتفاع ایستگاه ها، با آب معادل برف آنها یک رگرسیون چندمتغیره به دست آمد. رابطه به دست آمده با داده های اندازه گیری شده آب معادل برف در ایستگاه های برف سنجی صحت سنجی شد.یافته ها: بر اساس نتایج به دست آمده، میانگین های بارش، دمای 40 روزه و سرعت باد 300 روزه، به ترتیب بیشترین همبستگی را با آب معادل برف ایستگاه ها نشان دادند. بهترین رابطه رگرسیونی برای تخمین آب معادل برف با استفاده از این پارامترها به دست آمد. ارزیابی داده های واقعی و محاسباتی با توجه به معیار ناش ساتکلیف (0.83) و ضریب همبستگی (0.91) صورت گرفت. نتایج نشان داد که رابطه رگرسیونی به دست آمده از دقت خوبی برای تخمین آب معادل برف در ایستگاه های برف سنجی مورد مطالعه برخوردار است.نتیجه گیری: در این پژوهش، با توجه به کمبود ایستگاه های هواشناسی در مناطق کوهستانی شمال غربی کشور از روش های درون یابی برای تخمین مقادیر پارامترهایی سرعت باد بارش و دما، در محل ایستگاه های برف سنجی استفاده شد. نتایج نشان داد که از بین روش های درون یابی، توابع پایه شعاعی با مدل چند ربعی معکوس برای میانگین سرعت باد 10 الی 50 روزه، مدل نواری کاملا منظم برای تخمین میانگین دمای 10 الی 50 روزه و روش کریجینگ با مدل گوسین برای برآورد میانگین بارش 10 الی 50 روزه در ایستگاه های برف سنجی از دقت خوبی برخوردار هستند. با استفاده پارامترهایی که بیشترین همبستگی را با آب معادل برف داشتند، یک برای تخمین آب معادل برف به دست آمد. ارزیابی رابطه رگرسیونی نشان داد می توان از آن برای تخمین آب معادل برف در ایستگاه های مربوطه استفاده کرد.

آب معادل برف، یکی از پارامترهای مهم در مطالعات اقلیمی و هیدرولوژیکی می باشد و آگاهی از میزان آن، در ذخیره سازی و کنترل سیلاب های فصلی و همچنین تامین آب مورد نیاز مصارف بشری امری ضروری است. در این پژوهش، ابتدا همبستگی آب معادل برف با ارتفاع نظیر آن، به کمک روابط مختلف رگرسیونی تعیین، و سپس بهترین رابطه بر اساس ضریب همبستگی (r) انتخاب شد. در مرحله بعد با استفاده از رابطه یاد شده و به کارگیری GIS، توزیع مکانی آب معادل برف در حوضه مورد مطالعه برآورد و نقشه پهنه بندی آن تهیه گردید. در نهایت نتایج به دست آمده با استفاده از نقشه حاصله از داده های دقیق برف سنجی که توسط مدل زمین آماری کریجینگ درون یابی شده بود، مورد ارزیابی قرار گرفت. براساس این نتایج، بهترین روابط همبستگی بین آب معادل برف و ارتفاع، به ترتیب رابطه غیرخطی چندجمله ای، غیرخطی لگاریتمی و خطی بوده که در سطح 5 درصد معنی دار می باشند. همچنین نتایج این پژوهش بیانگر آن است که نقشه پهنه بندی آب معادل برف که از طریق ارتفاع و به کارگیری رابطه غیرخطی چندجمله ای به دست آمده، انطباق بسیار مطلوبی با نقشه به دست آمده از درونی یابی داشته است. در ضمن با کاهش ارتفاع از جانب غرب به سوی شرق منطقه مطالعاتی، مقدار آب معادل برف به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

برآورد مقدار آب معادل برف همواره از بزرگترین چالش های موجود در تعیین رژیم هیدرولوژیکی حوضه های آبخیز کوهستانی تلقی می گردد. صعب العبور بودن، عدم دسترسی و دشواری شرایط نمونه برداری صحرایی سبب گردیده تا از دیرباز محققین به استفاده از راهکارهای غیر مستقیم بیاندیشند. در تحقیق حاضر از مدل درجه - روز که از جمله ساده ترین مدل های برآورد ذوب برف می باشد و تصاویر سنجنده مودیس جهت برآورد آب معادل برف در لحظه اوج انباشت برف استفاده گردید. روش کار بدین ترتیب بود که پس از تعیین اوج انباشت برف مقدار درجه - روزهای لازم تا ذوب کامل تعیین شده و با معکوس کردن معادله درجه - روز مقدار آب معادل برف در هر نقطه برآورد گردید. سپس ارقام برآورد شده با مقادیر مشاهداتی حاصل از اندازه گیری صحرایی مورد مقایسه قرار گرفت. اختلاف 13 درصدی داده های برآورد شده با داده های مشاهداتی نشان داد که مدل درجه - روز و تصاویر مودیس توانسته است با دقت قابل قبولی توزیع مکانی آب معادل برف را در مناطقی که امکان نمونه برداری در آنها وجود ندارد برآورد نموده و این روش می تواند کمک شایانی به پایش رژیم هیدرولوژیکی حوضه های آبخیز کوهستانی نماید.

در پژوهش حاضر، امکان تولید نقشه های ابرآزاد روزانه و هشت روزه سطح برف (SC) و عمق آب معادل برف (SWE) با تفکیک مکانی 500 متر از طریق یک الگوریتم ادغام-ریزمقیاس سازی که مبتنی بر ترکیب مزیت تفکیک مکانی مطلوب تصاویر حاصل از سنجنده های نوری MODIS نصب شده بر روی ماهواره های Terra و Aqua (به ترتیب، MODIS Terra و MODIS Aqua) با مزیت پشت نمایی پوشش ابر سنجنده میکروویو AMSR E می باشد، مورد بررسی قرار گرفت. این الگوریتم برای حوضه کارون، سال آبی 1383-1382، به کار گرفته شد. ادغام نقشه های SC حاصل از سنجنده های MODIS Terra و MODIS Aqua (TAC) موجب شد میانگین سهم پیکسل های ابری در نقشه TAC طی دوره مطالعاتی در مقایسه با نقشه های MODIS Terra و MODIS Aqua به ترتیب، به میزان 29/17 و 43/14 درصد کاهش یابد. متوسط دقت کلی نقشه های SC در شرایط آسمان صاف (مقایسه به ازای پیکسل های غیرابری) برای تصاویر حاصل از سنجنده های MODIS Terra و MODIS Aqua به ترتیب، برابر با 20/97 و 86/95 درصد بود. متوسط دقت کلی نقشه های SC در شرایط جوی عام (مقایسه به ازای پیکسل های ابری و غیرابری)، شامل نقشه های MODIS Terra، MODIS Aqua، TAC و MAC SC (حاصل از ترکیب نقشه TAC و AMSR E) به ترتیب، برابر با 38/49، 47/51، 48/65 و 15/90 درصد بود.

اگرچه بخش کوچکی از سطح کره زمین را مناطق کوهستانی در بر می گیرد، اما همین مقدار اندک در چشم انداز هیدرولوژیکی حوزه های آبخیز تاثیر شگرفی دارد. با توجه به این که در مناطق خشک و نیمه خشک ایران، بحران آب مقوله ای جدی است، پایش مقادیر برف باریده شده در بخش های کوهستانی این مناطق بسیار حائز اهمیت است. معمولا دست یابی به توزیع مکانی آب معادل برف از راه اطلاعات مشاهده ای و در مقیاسی محدود، صورت می گیرد، این در حالی است که به دلیل محدودیت های میدانی و صعب العبور بودن مناطق کوهستانی، جمع آوری اطلاعات به ویژه در حوزه های بزرگ، دشوار و گاهی غیر ممکن است. بدین ترتیب، توسعه روش هایی که بتواند آب معادل برف را در نقاط فاقد اندازه گیری برآورد نماید و نیز بررسی دامنه کاربرد آن ها، امری ضروری است. در این پژوهش محدوده ای به مساحت 16 هکتار در منطقه سخوید یزد انتخاب و با استفاده از نمونه بردار مدل مونت- رز در 216 نقطه، داده آب معادل برف اندازه گیری شد. سپس به کمک 31 پارامتر ژئومورفومتری حوزه، به ارزیابی کارآیی روش شبکه عصبی مصنوعی در برآورد توزیع مکانی آب معادل برف پرداخته شد و بدین ترتیب، نقشهرقومی آب معادل برف تهیه گردید. نتایج حاصله نشان داد که شبکه عصبی مصنوعی با ضریب تعیین 0.83 و مجذور میانگین مربعات خطا برابر با 3.55 قادر به پیش بینی آب معادل برف است. همچنین نتایج آنالیز حساسیت شبکه عصبی مصنوعی نشان داد که از بین پارامترهای به کار رفته در پیش بینی آب معادل برف، پارامترهای مقطع طولی انحناء، مقطع عرضی انحناء، انحناء، اثرباد، شیب، شاخص همواری قله، شیب حوزه و شاخص همواری دره، جزء موثرترین عوامل در پیش بینی آب معادل برف هستند.