مدل‌سازی تابش پراکنده خورشید و تأثیر زمین‌های پیچیده بر روی پاکستان با استفاده از RS/GIS

کلید واژه ها:

زمین ناهموار، تابش پراکنده، پاکستان، GIS، DEM

1. مقدمه

پاکستان سی و ^سومین کشور بزرگ (803940 کیلومتر مربع ⁾ با بیش از دو برابر اندازه ژاپن است که دارای زمین های ناهمگون از ارتفاع 0 متری در کمربندهای ساحلی تا ارتفاع 8000 متری در رشته های هیمالیا است [ 1 ]. در کل کشور تنها 5 ایستگاه هواشناسی اندازه گیری تابش خورشیدی دارد و هیچ یک از آنها اندازه گیری پرتوهای خورشیدی پراکنده ندارند. بنابراین، یافتن راه های دیگری برای تخمین تابش خورشیدی در چنین زمین های پیچیده ضروری است.

زمین عامل مهمی در توصیف توزیع شار انرژی است. تابش جهانی در یک شیب، مجموع اجزای مستقیم (پرتو)، پراکنده و منعکس شده از زمین است. پس از ورود تابش خورشید به جو زمین، تا حدی پراکنده و تا حدی جذب می شود. تابش پراکنده را تابش پراکنده می نامند. برآورد آن از روز به روز متغیر است. به نظر می رسد تابش ابر منتشر تنها بخش کوچکی از انرژی تشعشعی را از بالای طیف مرئی میانی به طیف مادون قرمز کمک می کند، اما می تواند تا 40 درصد از انرژی تابشی از طیف مرئی میانی تا طیف فرابنفش میانی کمک کند [ 2 ].

بدیهی است که نسبت نسبی تابش مستقیم به پراکنده به موقعیت جغرافیایی، فصل سال، ارتفاع از سطح متوسط ​​دریا و زمان روز بستگی دارد. در یک روز آسمان صاف، مولفه پراکنده تابش خورشیدی حدود 10 تا 20 درصد از کل تابش خواهد بود، اما در یک روز ابری ممکن است تا 100 درصد برسد. این امر عملاً به این معناست که در محاسبات تابش و انرژی خورشیدی، علاوه بر موارد نجومی، پیامدهای آب و هوایی، هواشناسی و شرایط اقلیمی نیز باید در نظر گرفته شود. تابش کل لحظه ای می تواند به طور قابل توجهی در طول روز بسته به پوشش ابر، غلظت گرد و غبار، رطوبت و غیره متفاوت باشد [ 3 ]. به همین دلیل است که مقادیر میانگین ماهانه اغلب در نظر گرفته می شود.

تابش پراکنده آسمان در شرایط بدون ابر ممکن است با فرض یک آسمان همسانگرد و محاسبه نسبت آسمان دیده شده از نقطه ای که از معادل عملیات دید در GIS استفاده می کند، تخمین زده شود [ 4 ]. در شرایط ابری یا نیمه ابری، تابش پراکنده ناهمسانگرد است و ممکن است به صراحت مدل شود. کاربردهای داده‌های مدل رقومی ارتفاع (DEM) وسیله جدیدی برای محاسبه تابش پراکنده خورشیدی (DSR) بر روی زمین پیچیده [ 4 ] – [ 6 ] ارائه می‌کند.

2. منطقه مطالعه

پاکستان بین 24 درجه تا 37 درجه عرض جغرافیایی شمالی و 62 درجه تا 75 درجه شرقی قرار دارد و مساحت کل زمین 796096 کیلومتر مربع را پوشش می دهد ⁽ وب سایت رسمی پاکستان). توپوگرافی پاکستان ترکیبی از مناظر متفاوت از دشت تا بیابان، جنگل ها، تپه ها و فلات ها از نواحی ساحلی دریای عرب در جنوب تا کوه های مرتفع از جمله رشته کوه های هندو کوش، قراقورم و هیمالیا در شمال است. پاکستان به سه منطقه جغرافیایی عمده تقسیم می شود: ارتفاعات شمالی، دشت رود سند و فلات بلوچستان. ارتفاعات شمالی پاکستان شامل رشته کوه های قراقورام، هندوکش و پامیر است که برخی از بلندترین قله های جهان از جمله K2 (8611 متر/28251 فوت) و نانگاپاربات (8126 متر/26660 فوت) را دارند [ 7 ].] . فلات بلوچستان در غرب و کویر ثار در شرق قرار دارد. دشت های آبرفتی وسیع در طول اعصار توسط رودخانه سند و شاخه های آن در پنجاب و سند ایجاد شده است. طول 1609 کیلومتر (1000 مایل). رودخانه سند و شاخه های آن از طریق کشور از منطقه کشمیر به دریای عرب می گذرد [ 8 ] [ 9 ] .

3. داده ها و روش

3.1. داده های هواشناسی

داده های روزانه تابش خورشیدی جهانی از سال 1978 تا 2000 و داده های ماهانه پوشش ابر و مدت زمان آفتاب ماهانه از سال 1979 تا 2008 از اداره هواشناسی پاکستان (PMD) به دست آمده است. داده‌های مربوط به پوشش ابر و مدت زمان تابش آفتاب از 21 ایستگاه در دسترس است، در حالی که داده‌های مربوط به تابش خورشیدی از 6 رصدخانه هواشناسی پاکستان (فقط تابش خورشیدی جهانی) و 5 ایستگاه هواشناسی چین (گسترش و جهانی) به دست آمده است. کیفیت داده‌ها از پاکستان به دلیل کمبود بودجه و زیرساخت‌های مدرن با افراد آموزش‌دیده، نگرانی آشکاری است. تداوم داده های تابش خورشیدی را می توان به دو گروه دسته بندی کرد، یکی از سال های 1979 تا 2000 و دیگری از سال 2001 تا 2008. داده های گروه یک به دلیل سازگاری نسبتاً بیشتر از نظر در دسترس بودن، برای شبیه سازی استفاده می شوند.

3.2. داده های ماهواره و DEM

داده های DEM برای پاکستان از ماموریت توپوگرافی رادار شاتل (SRTM) (ftp://e0mss21u.ecs.nasa.gov/srtm/) به دست آمده است. در این تحقیق از داده های 3 Arc-Second تقریباً با اندازه سلول 900 متر استفاده شده است. داده‌های بخش ابری از محصول سطح 2 طیف‌سنج تصویربرداری با وضوح متوسط ​​(MODIS) برای تخمین پوشش ابری در پاکستان در حدود 1 کیلومتر بازیابی شد.

3.2.1. روش شناسی

از مدل های Hay (1979) [ 10 ]، Gueymard (1987) [ 11 ]، Skartveit و همکاران. (1985) [ 12 ] و پرز و همکاران. (1986) [ 13 ]، ما می توانیم تشعشعات جهانی و پراکنده را در سطح شیبدار (شیب) محاسبه کنیم. مدل Hay با ساختار ساده و تعداد کم مقادیر ورودی از سه مدل دیگر متمایز می شود.

ساختار مدل Hay به صورت زیر است

(1)

مقدار تابش پراکنده خورشید در زمین های ناهموار کجاست .

مقدار پراکنده تابش خورشیدی است که به سطح صاف (صفحه افقی) می رسد.

مقدار تابش خورشیدی جهانی در یک صفحه افقی است.

مقدار تابش مستقیم خورشید در یک صفحه افقی است.

مقدار تابش خورشیدی فرازمینی در سطح افقی است.

نسبت مقدار تابش خورشیدی فرازمینی در زمین ناهموار به مقدار افقی است

سطح ، به عنوان مثال ، که به عنوان ضریب تبدیل نیز شناخته می شود.

باز بودن توپوگرافی است.

اگر آسمان ابری باشد، از نظر تئوری تابش مستقیم صفر خواهد بود، بنابراین، . که منجر به تغییر مدل ناهمسانگرد به مدل همسانگرد و برای ، مدل ناهمسانگرد به مدل دور خورشیدی می شود. با در نظر گرفتن مدل باز بودن توپوگرافی (ضریب دید آسمان) و ضریب تبدیل ، معادله (1) یک مدل جهانی برای محاسبه کمیت تابش خورشیدی منتشر (DSR) در زمین های ناهموار است.

3.2.2. مدل تناسب تابش پراکنده خورشیدی سطح افقی

حتی در مناطق کوهستانی، ایستگاه های هواشناسی معمولاً در یک تخت باز قرار دارند و در شیب خاصی هیچ مانعی ندارند. بنابراین، مشاهدات ویژگی های سطح افقی را نشان می دهد. مدل برازش ما بر اساس مشاهدات ایستگاه است.

DSR یک جزء مهم از تابش خورشیدی جهانی دریافت شده از سطح است، به طوری که هر دو ارتباط نزدیکی دارند [ 14 ]. با مراجعه به تحقیقات مدل‌های تجزیه، تابع شبیه‌سازی را به شرح زیر ارائه می‌کنیم:

(2)

در آنجا، a، b و c ضرایب تجربی هستند، s درصد تابش خورشید و تابش خورشیدی جهانی بر روی یک سطح افقی و تابش پراکنده خورشید در صفحه افقی است.

معادله (2) مفهوم فیزیکی صریح دارد. برای آب و هوای کاملاً ابری (s = 0)، هیچ تشعشع خورشیدی ورودی مستقیمی وجود ندارد به طوری که تابش خورشیدی که به سطح افقی برخورد می کند کاملاً از تابش خورشیدی پراکنده تشکیل شده است، به عنوان مثال، . در یک روز خوب ، سطح افقی دریافتی تابش خورشیدی همه عمدتاً از تابش مستقیم تشکیل شده است، با مؤلفه DSR به حداقل می رسد [ 7 ].

ضرایب تجربی a، b و c معادله (2) با اندازه گیری ها تعیین می شوند [ 15 ]. برای بررسی ویژگی‌های وابسته به زمان ضرایب تجربی، از دو نوع مجموعه داده برای ایجاد جداگانه، یک مدل یکپارچه و ماهانه بهره می‌بریم.

مدل یکپارچه ( جدول 2 ) با تمام داده های ماهانه از تمام ایستگاه های مربوطه به عنوان یک نمونه فرموله شده است. مدل ماهانه ( جدول 1 ) بر اساس داده های همان ماه مربوطه از تمام ایستگاه ها ساخته شده است.

از جدول 2 ، با در نظر گرفتن ویژگی های تغییر ضرایب تجربی با زمان، مدل های ماهانه می توانند دقت شبیه سازی را به طور موثر بهبود بخشند. از این رو برای مکان هایی که داده های تابش جهانی افقی دارند ، از مدل ماهانه به همراه درصد مدت زمان تابش خورشید برای شبیه سازی استفاده می کنیم.

در اینجا n طول نمونه است.

در اینجا n طول نمونه است.

تابش پراکنده خورشیدی

همانطور که می دانیم، تعداد محدودی از رصدخانه های هواشناسی دارای داده های تشعشعات افقی جهانی هستند. ایستگاه‌های معمولی تنها درصد اندازه‌گیری‌های نور خورشید را نگه می‌دارند، در نتیجه، تابش جهانی افقی باید قبل از برازش DSR توسط معادله (2) بدست آید.

یک مدل بسته برای شبیه‌سازی تابش افقی خورشیدی با استفاده از رابطه (2) ترکیب شده با مدل شبیه‌سازی تابش مستقیم افقی [ 16 ] ساخته شده است. این تضمین می کند که مجموع تشعشعات مستقیم و پراکنده افقی نصب شده برابر با تابش جهانی برازش در سطح افقی است.

مطالعات مختلف نشان می دهد که تابش خورشیدی جهانی و درصد نور خورشید ارتباط نزدیکی دارند [ 17 ] [ 18 ]. به طور معمول، یک مدل خطی برای رابطه آنها استفاده می شود.

(3)

ضرایب تجربی [ 16 ] وجود دارد.

از طریق ترکیب معادله (2) با معادله (3)، نتیجه زیر را بدست می آوریم:

(4)

با استفاده از معادله (4) برای شبیه سازی تابش پراکنده خورشید تنها به داده های درصد آفتاب به عنوان ورودی نیاز داریم . درصد مدت زمان تابش خورشید از طریق ترکیب داده های دیجیتال ارتفاع به داده های احتمالی مدت زمان آفتاب محاسبه می شود [ 19 ]، به عنوان مثال

(5)

ضرایب تجربی وجود دارد که از طریق محصولات ابری MODIS که توسط داده‌های ابری مشاهده‌شده تصحیح شده‌اند، محاسبه می‌شوند. این فرآیند با استفاده از ArcGIS انجام می شود.

با در نظر گرفتن درصد ماهانه اندازه گیری آفتاب (1978 تا 2008) از 21 ایستگاه در سراسر پاکستان، محاسبات معادله (4) منجر به اتصالات ماهانه برای هر یک از ایستگاه ها از سال 1978 تا 2008 می شود. سپس با استفاده از وزن دهی معکوس فاصله ای روش درونیابی (IDW)، توزیع فضایی کمیت ماهانه با وضوح 1 کیلومتر در 1 کیلومتر برای پاکستان تولید شده است.

3.3. مدل باز بودن توپوگرافی

هر مکان خاص روی زمین پیچیده ممکن است توسط توپوگرافی مسدود شود، که ممکن است تابش پراکنده را از جهت های آسمان مربوطه کاهش دهد. این انسداد می تواند از سایه خود توسط خود شیب (سایه) یا از زمین مجاور (سایه) باشد. مدل باز بودن توپوگرافی برای فاکتور نمای آسمان می تواند محاسبه شود تا نسبت تابش آسمان پراکنده را در یک نقطه به سطح افقی بدون مانع نشان دهد [ 4 ].

در زمین های ناهموار، تابش پراکنده خورشیدی دریافتی از ذرات در آسمان با محافظت از زمین اطراف همراه است. در مطالعات قبلی، به طور معمول، باز بودن توپوگرافی برای یک شیب به شرح زیر است

(6)

درجه شیب کجاست

مدل (معادله (6)) فقط خود محافظ یک شیب منفرد با طول نامتناهی از خود را نشان می دهد. با این حال، باز بودن توپوگرافی نیز به سپر میانی زمین‌های اطراف بستگی دارد. بنابراین، اثر محافظ نیاز به ادغام عددی در آزیموت دارد. مدل باز بودن توپوگرافی برای یک نقطه روی سطح ناهموار در زیر آورده شده است.

1) با (درجه) به عنوان طول گام ازیموت، محیط را به آزیموت تقسیم می کنیم.

(7)

کجا تابعی است که قسمت صحیح مقدار را می گیرد.

2) با جنوب به عنوان جهت شروع، به عنوان مثال ، و به عنوان طول پله آزیموت، در جهت عقربه های ساعت، آزیموت ها را می توان با

(8)

3) محاسبه باز بودن در جهت ، فو (1983) [ 20 ] ثابت کرد که باز بودن نقطه در جهت است.

(9)

جایی که نشان دهنده بزرگترین زاویه ارتفاع در جهت ، یعنی بزرگترین زاویه محافظ ناشی از زمین در جهت .

با شروع از و رسم یک خط مستقیم در جهت ، می‌توانیم زوایای ارتفاع را در نقاط امتداد مقایسه کنیم تا حداکثر را پیدا کنیم. در محاسبه، ارتفاعات زمین از DEM که از شبکه هایی با طول و عرض ثابت تشکیل شده است، به دست می آید. در مدل پیشنهادی ما، از طول گام فاصله در تعیین زوایای ارتفاع در امتداد استفاده شده است. از حداقل طول و عرض شبکه استفاده می شود که به صورت زیر نشان داده می شود:

(10)

که در آن وضوح DEM در , در حالی که وضوح DEM در . به عنوان طول گام فاصله، ارتفاع نقطه است

(11)

که در آن و افزایش طول گام های فضایی در جهت، به ترتیب، با

. بنابراین، برای نقطه ، زاویه محافظ نقطه برابر است

به شرح زیر است

(12)

برای نقطه ، بیشترین زاویه محافظ ناشی از زمین ها در جهت است

(13)

طول از اساسا بی نهایت نیست، اما گرفتن یک شعاع محافظ مشخص برای رفع نیازهای محاسبه کافی است و در معادله (11) و معادله (13) مخفف تعداد محاسبات بسته به شعاع غربالگری و طول گام است.

از آنجایی که تابع مماسی به طور یکنواخت در کران افزایش می یابد ، از عبارات زیر برای افزایش کارایی محاسبه استفاده می شود.

(14)

(15)

سپس از رابطه (9) برای محاسبه باز بودن نقطه در جهت .

عدم امکان اطمینان در اعداد صحیح منجر به این واقعیت می شود که

باید با روش نمونه گیری مجدد به دست آید. روش درونیابی دوخطی [ 21 ] استفاده می شود

در محاسبه

4) محاسبه باز بودن توپوگرافی نقطه : میانگین باز بودن را در امتداد محیط می گیریم، در نتیجه باز بودن توپوگرافی ، یعنی

(16)

3.4. نتایج و بحث

3.4.1. تابش پراکنده خورشیدی که بر روی توپوگرافی نامنظم توزیع شده است

با قرار دادن مقادیر در معادله (1)، الگوی توزیع فضایی تابش پراکنده خورشید بر روی توپوگرافی ناهموار را داریم. شکل 1توزیع فضایی تابش خورشیدی پراکنده سالانه را نشان می دهد. مقدار DSR به طور تصادفی از شمال شرقی به جنوب غربی کاهش می‌یابد و به تدریج به سمت جنوب کاهش می‌یابد که کمترین مقدار آن در کویر خران (بلوچستان) قرار دارد. همین تمایل در صحراهای ثار (سند)، چولستان و ثال (پنجاب) نیز مشاهده شده است و بیشترین مقادیر در امتداد ضلع شرقی حوضه ایندوس به دلیل حداکثر پوشش ابری مرتبط با سیستم هواشناسی موسمی هند در منطقه مشاهده شده است. به دلیل شیب های متفاوت از نظر جهت و ارتفاع، یعنی نسبت های ابعادی و اثرات توپوگرافی پیچیده بر آب و هوا، در کوه های گیلگیت بالتستان و کشمیر در شمال پاکستان تنوع ناهمواری وجود دارد.

3.4.2. تغییرات فصلی

تغییرات فصلی (زمستان و تابستان) در شکل 2 نشان داده شده است . افزایش رنگ ها تفاوت واضحی را بین زمستان و تابستان نشان می دهد. مقادیر DSR در طول موسمی تابستان بیشتر از فصل زمستان است. در طول تابستان، DSR از غرب به شرق روند افزایشی دارد، در حالی که در زمستان تغییر قابل توجهی در دشت های پاکستان وجود ندارد.

3.4.3. تاثیر توپوگرافی بر تابش پراکنده خورشیدی

برای تجزیه و تحلیل اثر توپوگرافی بر تابش پراکنده خورشید در منطقه پاکستان، ما تفاوت بین تابش های خورشیدی پراکنده در زمین های ناهموار و تابش خورشیدی منتشر در زمین های مسطح را همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است محاسبه می کنیم . نتیجه تفاوت برجسته ای را در نواحی شمالی از جمله گلگیت بالتستان، پوتوار و فلات بلوچستان (رنگ بنفش) نشان می دهد. برعکس، در دشت‌ها، به‌ویژه در نواحی بیابانی، تفاوت کمتری وجود دارد

3.4.4. نتیجه گیری و محدودیت ها

تأثیر قابل توجهی توپوگرافی بر توزیع تابش پراکنده خورشید در زمین های ناهموار، به ویژه در گلگیت بالتستان، فلات پوتوار و فلات بلوچستان وجود دارد (مراجعه: شکل 1). شکل 4 مجموع سالانه تابش خورشیدی پراکنده در پاکستان را نشان می دهد. بخش مرکزی و جنوب شرقی پاکستان به دلیل جهت گیری و جنبه های توموگرافی دارای توزیع همگن تابش پراکنده خورشیدی در مقایسه با قسمت شمالی و شمال غربی است.

از آنجایی که هیچ داده مشاهده ای برای تابش پراکنده خورشید در منطقه مورد مطالعه وجود ندارد، بنابراین، به طور کلی

ایده در مورد توزیع دما و بارندگی (همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است) می تواند به ما کمک کند تا درک بهتری داشته باشیم و دلایلی برای الگوی تابش پراکنده و اعتبار توزیع فضایی آن داشته باشیم. از توزیع دما مشهود است که از الگوهای زمین پیروی می کند و تغییرات عرضی را نشان می دهد. شایان ذکر است که دما در سمت غربی رود سند در مقایسه با

ضلع شرقی [ 22 ] . دمای نسبتاً بالا باعث تشکیل ابرهای همرفتی بیشتر می شود و ممکن است به ویژه در فصل باران های موسمی از رطوبت دریای عرب و خلیج بنگال تغذیه شود. علاوه بر این، قسمت شمالی پاکستان به دلیل موقعیت جغرافیایی، ویژگی توپوگرافی و باد سرد از سمت غرب و ارتفاعات سیبری نسبتا خنک‌تر است. به طور مشابه، این منطقه به دلیل رطوبتی که در امتداد دامنه‌های هیمالیا از خلیج بنگال و دریای عرب تغذیه می‌شود، حداکثر بارندگی را دریافت می‌کند که می‌تواند برای تراکم خنک‌کننده یا از سیبری مرتفع یا به اصطلاح آشفتگی غربی دریافت کند [ 23 ] [ 24 ].] . حال اگر توزیع تابش پراکنده خورشید را در ارتباط با الگوهای دما و بارش توصیف کنیم، می‌توان نتیجه گرفت که در طول فصل موسمی، تابش پراکنده به دلیل پراکندگی از سمت غربی رود سند به سمت شرقی رود سند روند افزایشی داشته است. پوشش ابر و یا الگوهای گرافیکی. حداکثر مقادیر تابش پراکنده در خیبر پختونخوا فوقانی و حداقل مقادیر در فلات بلوچستان قرار دارد.

منابع