ارزیابی رطوبت خاک سطحی پایگاه‌های جهانی با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری شده در اقلیم‌های مختلف ایران

Abstract

سابقه و هدف: رطوبت خاک یکی از مهم‌ترین متغیرهای موردنیاز از جنبه‌های مختلف تحقیقاتی مانند کشاورزی (محاسبه بیلان آب در خاک، تعیین برنامه آبیاری، شاخص خشکسالی کشاورزی) و هیدرولوژیکی (نفوذ، رواناب، تغذیه) است. داده‌های رطوبت خاک اندازه‌گیری شده با وجود اینکه دقیق‌ترین داده‌های در دسترس محققین است، دارای معایبی مانند طول دوره‌ی آماری کوتاه‌مدت، داده‌های ناقص زیاد در برخی از ایستگاه‌ها، نقطه‌ای بودن آنها و عدم قابلیت تعمیم آنها به یک سطح مانند حوضه آبریز می‌باشد. داده‌های رطوبت خاک در پایگاه‌های جهانی این معایب را نداشته، اما قبل از استفاده دقت آنها باید مورد ارزیابی قرار گیرد. بر این اساس در پژوهش حاضر به منظور بررسی امکان استفاده از داده‌های رطوبت خاک سطحی پایگاه‌های جهانی در کشور ایران، دقت داده‌ها در این پایگاه‌ها مورد ارزیابی قرار گرفته است. هدف از این تحقیق ارزیابی دقت داده‌های رطوبت خاک سطحی پایگاه‌های جهانی بر اساس داده‌های اندازه‌گیری شده از متغیر رطوبت خاک در اقلیم‌های مختلف ایران می‌باشد. مواد و روش‌ها: بدین منظور ابتدا داده‌های اندازه‌گیری شده‌ی رطوبت خاک در 43 ایستگاه هواشناسی کشاورزی کشور در 7 عمق مختلف (5، 10، 20، 30، 50، 70 و 100 سانتی‌متری از سطح خاک) با گام زمانی سه ساعته جمع‌آوری شد. پس از مرحله‌ی پیش‌پردازش روی داده‌های رطوبت خاک جمع‌آوری شده، تعداد 14 ایستگاه از اقلیم‌های مختلف ایران با طولانی‌ترین و کامل‌ترین داده‌های رطوبت خاک برای دو عمق 5 و 10 سانتی‌متری با گام زمانی ماهانه طی دوره‌ی 2021-2014 به منظور مقایسه با داده‌های پایگاه‌های جهانی انتخاب شدند. در مرحله‌ی بعد داده‌های رطوبت خاک در لایه‌های مختلف خاک از 5 پایگاه جهانی مختلف شامل GLEAM3.6a، ERA5، TERRA، MERRA2 و GLDAS2.1 با مقیاس زمانی ماهانه استخراج شد. رطوبت خاک سطحی در داده‌های اندازه‌گیری شده، میانگین رطوبت خاک در دو عمق 5 و 10 سانتی‌متری و در پایگاه‌های جهانی، لایه‌ی اول سطح خاک در نظر گرفته شد. ارزیابی دقت داده‌های رطوبت خاک سطحی پایگاه‌های مختلف به تفکیک 12 ماه سال و سری زمانی متوالی ماهانه با استفاده از سه معیار آماری شامل ضریب همبستگی پیرسون (R)، میانگین خطای اریبی (MBE) و خطای جذر میانگین مربعات نرمال‌شده (NRMSE) انجام شده است.یافته‌ها: در بین ایستگاه‌های مورد بررسی، بیشترین و کمترین مقادیر ضریب همبستگی مربوط به ایستگاه‌های کهریز و زهک به ترتیب برابر با 55/0 و 04/0 است. در بین فصول سال، بیشترین همبستگی در فصل بهار، ماه آوریل برابر 51/0، و کمترین همبستگی در فصل تابستان، ماه سپتامبر برابر 11/0، بدست آمده است. بالاترین همبستگی‌ها مربوط به پایگاه GLEAM به خصوص در ماه‌های می، ژوئن، نوامبر و دسامبر است. نتایج معیار MBE حاکی از کم‌برآورد رطوبت خاک اکثر پایگاه‌ها در ایستگاه‌های اقلیم مرطوب و نیمه‌مرطوب (ایستگاه‌های گرگان، قراخیل و آمل) دارد. پایگاه GLEAM با محدوده برابر با ]13/0+ ~ 03/0-[، کمترین تغییرات MBE را در بین پایگاه‌های مورد بررسی دارد. به طور میانگین، بیشترین دقت مربوط به پایگاه ERA5 به‌خصوص در اقلیم مرطوب با NRMSE برابر 29/0 می‌باشد. در کنار آن کمترین دقت در بین پایگاه‌های مورد بررسی مربوط به پایگاه GLDAS به‌ویژه در اقلیم خشک با NRMSE برابر با 16/2 است.نتیجه‌گیری: نتایج تحقیق حاضر نشان می‌دهد که دقت پایگاه داده‌های جهانی رطوبت خاک با توجه به زمان و مکان مورد بررسی متفاوت می‌باشد. تحقیق حاضر در راستای انتخاب پایگاه داده مناسب با بیشترین دقت و با توجه به تغییرات زمانی- مکانی متغیر رطوبت خاک، نتایج کاربردی را در اختیار محققین قرار می‌دهد.

Keywords

• اقلیم‌
• ایستگاه هواشناسی کشاورزی
• پایگاه داده جهانی
• تغییرات زمانی- مکانی
• رطوبت خاک سطحی