امکان‌سنجی برآورد دمای اعماق مختلف خاک و تبخیر از تشت با به‌کارگیری تصاویر ماهواره‌ای

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی آب- دانشگاه کردستان

2 گروه مهندسی عمران و محیط - دانشگاه واترلو -کانادا

چکیده

سابقه و هدف: دمای سطح خاک یکی از متغیرهای کلیدی در بیلان انرژی سطح است که تحت تأثیر تابش خالص، شار گرمای محسوس و نهان قرار دارد و خود نیز بر شار گرمای ورودی به خاک تأثیر می‌گذارد. دمای سطح زمین (LST) یکی از مهم‌ترین محصولاتی است که توسط سنجنده‌هایی که در محدوده طیفی مادون قرمز حرارتی دارای فعالیت هستند قابل استخراج است. سنجنده MODIS یکی از مهم‌ترین این سنجنده‌هاست که بر روی دو ماهواره Aqua و Terra نصب شده است و قادر است دمای سطح زمین را در 4 زمان مختلف شبانه‌روز به‌دست دهد. نظر به ارتباط نزدیک دمای سطح زمین با متغیرهای هیدروکلیمائی، در این پژوهش از دماهای سطح زمین حاصل از این سنجنده جهت برآورد دمای اعماق مختلف خاک و تبخیر از تشت استفاده گردید.
مواد و روش‌ها: برای انجام این پژوهش، ابتدا 6 ایستگاه هواشناسی سینوپتیک واقع در استان کردستان انتخاب شدند و برای این 6 ایستگاه، در کنار داده‌های دمای اعماق مختلف خاک و تبخیر از تشت، 4 دمای حاصل از سنجنده MODIS شامل LSTTerra-Night، LSTTerra-Day، LSTAqua-Night، LSTAqua-Day استخراج شدند. با میانگین‌گیری کردن از مقادیر دماهای سطح زمین شبانه و روزانه دو ماهواره Aqua و Terra، دو دمای میانگین شامل LSTTerra-Mean-Night&Day و LSTAqua-Mean-Night&Day نیز استخراج شدند. ابتدا سری‌های زمانی روزانه از کلیه متغیرهای فوق طی دوره آماری 2021-2002 استخراج شدند سپس با به‌کارگیری مدل رگرسیون چندگانه خطی به روش گام‌به‌گام، از دماهای شش‌گانه سطح زمین مذکور به‌عنوان متغیرهای پیش‌بینی‌کننده دمای اعماق مختلف خاک و تبخیر از تشت استفاده شد. فرایند کلی فوق در دو مقیاس ایستگاهی (برای هر کدام از 6 ایستگاه به‌صورت جداگانه) و منطقه‌ای (با در نظر گرفتن کل 6 ایستگاه به‌صورت یکپارچه) به انجام رسید. همچنین به جهت افزایش دقت مدل در اعماق پایین‌تر خاک، مقادیر دمای خاک در اعماق 50 و 100 سانتیمتری خاک با یک گام تأخیر زمانی روزانه بعنوان متغیرهای مستقل جدید به مدل اضافه شدند. فرایند اعتبارسنجی مدل‌های رگرسیونی در مقیاس ایستگاهی با در نظر گرفتن 75 درصد از کل داده‌های هر ایستگاه (دوره آماری 2016-2002) جهت واسنجی و 25 درصد باقیمانده داده‌ها (دوره آماری 2021-2017) جهت اعتبارسنجی به انجام رسید. در مقیاس منطقه‌ای نیز جهت اعتبارسنجی مدل‌های رگرسیونی از روش اعتبارسنجی متقابل تک‌نمونه‌ای (LOOCV) طی 6 مرحله مجزا (هر مرحله با حذف یک ایستگاه) استفاده شد. دو شاخص ضریب تعیین (R2) و میانگین قدر مطلق خطا (MAE) جهت سنجش عملکرد مدل‌ها بکار گرفته شدند و از شاخص میانگین اریبی خطا (MBE) نیز جهت ارزیابی بیش یا کم برآورد کردن مدل‌های رگرسیونی استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج حاصل از واسنجی مدل‌های رگرسیونی در هر دو مقیاس ایستگاهی و منطقه‌ای نشان داد که از بین شش دمای سطح زمین حاصل از سنجنده MODIS، مدل‌های رگرسیون خطی چندگانه‌ای که حاصل آمدند در اکثر موارد برای شبیه‌سازی دماهای اعماق مختلف خاک بر اساس چهار دمای سطح زمین و برای تبخیر از تشت بر اساس سه دمای سطح زمین حاصل آمدند. دو دمای میانگین شبانه‌روزی حاصل از دو ماهواره Aqua و Terra نقش چشمگیر و پررنگی در تمامی مدل‌های حاصله هم برای دماهای اعماق خاک و هم برای تبخیر از تشت داشتند. نتایج حاصل از اعتبارسنجی مدل‌های رگرسیونی جهت شبیه‌سازی دمای اعماق مختلف خاک نشان داد که هم در مقیاس ایستگاهی و هم در مقیاس منطقه‌ای بر اساس هر دو شاخص ضریب تعیین و میانگین قدر مطلق خطا، مدل‌های رگرسیونی در شبیه-سازی دمای خاک در لایه‌های سطحی‌تر (عمق‌های 5 تا 30 سانتیمتری از سطح خاک) دارای عملکردی بالا (R2 نزدیک به 95/0) و در عمق 50 سانتیمتری خاک با مقداری افت در عملکرد (R2 نزدیک به 9/0) مواجه شدند. در عمق 100 سانتیمتری از سطح خاک، میزان افت عملکرد مدل (R2 نزدیک به 75/0) در مقایسه با لایه‌های سطحی چشمگیر بود. این افت در عملکرد مدل به این مسأله نسبت داده شد که دمای اعماق خاک قویاً وابسته به مقدار انرژی خالص رسیده به سطح خاک است و به هنگام نفوذ گرما از سطح خاک به اعماق پایین‌تر، این انرژی و موج گرما به تدریج مستهلک شده و سبب وابستگی کمتر دمای خاک در اعماق پایین‌تر به دمای سطح زمین می‌گردد. نتایج همچنین نشان داد که اضافه کردن دماهای سطح خاک با یک روز تأخیر به مدل رگرسیونی سبب کاهش شاخص MAE و بهبود عملکرد مدل در اعماق پایین‌تر خاک می‌گردد. در خصوص تبخیر از تشت، نتایج اعتبارسنجی حاکی از عملکرد ضعیف‌تر مدل‌های رگرسیونی حاصله در شبیه‌سازی تبخیر از تشت در مقایسه با دمای اعماق خاک بود. نتایج همچنین نشان داد که مدل‌های رگرسیونی هم در شبیه-سازی دمای اعماق خاک و هم در شبیه‌سازی تبخیر از تشت، در مقیاس ایستگاهی تا حدودی عملکردی مناسب‌تر از مقیاس منطقه‌ای داشتند.
نتیجه‌گیری: نتایج کلی این تحقیق نشان داد که دماهای شش‌گانه سطح زمین حاصل از سنجنده MODIS که از طریق دو ماهواره Aqua و Terra قابل استحصال هستند پتانسیل بسیار بالایی جهت شبیه‌سازی دمای اعماق مختلف خاک به ویژه لایه‌های سطحی‌تر دارند به گونه‌ای که از این دماهای سطح زمین می‌توان به‌عنوان متغیر اصلی و بطور مستقیم جهت شبیه‌سازی دمای اعماق خاک در هر دو مقیاس ایستگاهی و منطقه‌ای استفاده کرد. علی‌رغم دقت مناسب مدل‌های رگرسیونی حاصله در برآورد دمای اعماق خاک، پیشنهاد می‌گردد به جهت ارتقای دقت سطح مدل در پژوهش‌های آتی، در کنار دماهای سطح زمین که در این پژوهش از آنها استفاده شد از سایر محصولات ماهواره‌ای که بر روی دمای خاک تأثیر دارند (به طور ویژه رطوبت سطح خاک) نیز بصورت توأمان و ترکیبی جهت شبیه‌سازی دمای اعماق خاک استفاده شود. در خصوص شبیه‌سازی تبخیر از تشت، نتایج حاصل از مدل‌های رگرسیونی نشان داد که امکان برآورد مستقیم تبخیر از تشت با دقت بالا صرفاً با به‌کارگیری دماهای سطح زمین وجود ندارد اما با توجه به نقش و درجه تأثیر مناسبی که دماهای سطح زمین بر روی تبخیر از تشت از خود نشان دادند این پتانسیل وجود دارد که از آنها به‌عنوان متغیرهای کمکی و مفید در کنار سایر متغیرهایی که بر روی تبخیر از تشت تأثیر دارند استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Feasibility of Estimating Soil Temperature at Different Depths and Pan Evaporation Using Satellite Images

نویسندگان [English]

  • Younes Khoshkhoo 1
  • Rezgar Arabzadeh 2
1 Water Science and Engineering Department, Faculty of Agriculture, University of Kurdistan, Iran
2 Department of Civil and Environmental Engineering, University of Waterloo
چکیده [English]

Background and Objective: Soil surface temperature is one of the key variables in the surface energy balance, which is influenced by net radiation, sensible heat flux, and latent heat flux, and in turn, it affects the flux of heat entering the soil. Land surface temperature (LST) is one of the most important products that can be extracted by sensors operating within the thermal infrared spectral range. Among these sensors, MODIS is one of the most significant, installed on both the Aqua and Terra satellites, capable of providing land surface temperature measurements at four different times throughout the day and night. Given the close relationship between land surface temperature and hydroclimatic variables, in this study, LST data derived from MODIS sensors were utilized to estimate soil temperatures at various depths and evaporation from pans.
Materials and Methods: For conducting this study, six synoptic meteorological stations located in Kurdistan Province, Iran, were initially selected. For these six stations, in addition to soil temperature data measured at different depths and pan evaporation observations, four land surface temperature variables derived from MODIS sensors were extracted. These included LSTTerra-Night, LSTTerra-Day, LSTAqua-Night, and LSTAqua-Day. By averaging the daytime and nighttime LST values from the Aqua and Terra satellites, two additional mean daily LST variables were calculated, namely LSTTerra-Mean-Night&Day and LSTAqua-Mean-Night&Day. Initially, daily time series of all the above variables were compiled for the statistical period from 2002 to 2021. Then, by employing a stepwise multiple linear regression model, the six MODIS-derived LST variables were used as predictor variables to estimate soil temperatures at various depths and evaporation from pans. This overall process was carried out at two scales: the station scale, where each of the six stations was modeled individually, and the regional scale, where all six stations were considered collectively to develop integrated models. In order to improve the accuracy of the models at deeper soil layers, daily lagged soil temperatures at depths of 50 and 100 centimeters were incorporated as additional independent variables. This approach accounted for the delayed response of deeper soil layers to surface thermal fluctuations. Model validation at the station scale was performed using 75 percent of the total data from each station (for the statistical period 2002–2016) for calibration, and the remaining 25 percent of the data (for the statistical period 2017–2021) for independent validation. At the regional scale, leave-one-out cross-validation (LOOCV) was applied in six separate iterations, with one station excluded in each iteration, to assess the robustness of the regression models under spatial variability. Model performance was evaluated using the coefficient of determination (R²) and mean absolute error (MAE). Additionally, the mean bias error (MBE) was used to assess systematic overestimation or underestimation by the regression models.
Results: The results obtained from the validation of the regression models at both the station and regional scales indicated that among the six MODIS-derived land surface temperature variables, the multiple linear regression models developed in most cases used four surface temperature variables to simulate soil temperatures at various depths, and three surface temperature variables were sufficient to predict pan evaporation. The two mean daily LST values derived from the Aqua and Terra satellites played a prominent and significant role in all resulting models, both for soil temperatures at different depths and for pan evaporation. Validation results for regression models simulating soil temperatures at various depths showed that, at both station and regional scales, based on both the coefficient of determination and the mean absolute error, the regression models performed very well in simulating soil temperatures in shallower layers (5 to 30 centimeters from the soil surface), with R² values close to 0.95. At a depth of 50 centimeters, a slight decrease in model performance was observed, with R² values close to 0.90. At a depth of 100 centimeters from the soil surface, the reduction in model performance was more pronounced, with R² values close to 0.75. This decline in model performance was attributed to the fact that soil temperatures at deeper layers are strongly dependent on the amount of net energy received at the soil surface. As heat penetrates from the soil surface to deeper layers, the energy and heat wave gradually dissipate, resulting in a weaker dependence of deep soil temperatures on surface temperature. The results also demonstrated that incorporating lagged daily surface temperatures into the regression models reduced the MAE and improved model performance at deeper soil layers. Regarding pan evaporation, the validation results indicated that the regression models performed less accurately in simulating pan evaporation compared to soil temperature predictions. Furthermore, results showed that regression models, for both soil temperature simulation and pan evaporation simulation, generally performed slightly better at the station scale than at the regional scale, highlighting the importance of localized calibration for improved model accuracy.
Conclusions: Overall, the results of this study showed that the six MODIS-derived land surface temperature variables obtained from the Aqua and Terra satellites possess very high potential for simulating soil temperatures at multiple depths, particularly in the shallower layers. These surface temperatures can be directly used as primary predictor variables to simulate soil temperatures at both the station and regional scales. Despite the satisfactory accuracy achieved by the regression models in estimating soil temperatures at various depths, it is recommended that, in order to enhance model accuracy in future studies, other satellite-derived products that influence soil temperature, particularly surface soil moisture, should also be used in combination with land surface temperatures for a more comprehensive simulation of soil temperature at different depths. Regarding pan evaporation simulation, the results of the regression models indicated that direct high-accuracy estimation of pan evaporation using surface temperature alone is not feasible. However, considering the significant role and degree of influence that land surface temperatures exhibited on pan evaporation, there is potential to use these surface temperatures as useful auxiliary variables in combination with other factors that influence pan evaporation. In summary, this study demonstrated the strong capability of MODIS-derived LST products for soil temperature modeling at multiple depths and highlighted their potential as reliable predictive variables for both station- and regional-scale environmental modeling applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • surface temperature
  • MODIS sensor
  • multiple linear regression
  • leave-one-out cross-validation
  • Kurdistan province