سه شنبه , اسفند ۱۰ ۱۳۹۵
خانه / کتاب / محاسبه مقدار تابش خورشیدی و تاثیر آن در حوضه خلیج فارس و دریای عمان ARCGIS

محاسبه مقدار تابش خورشیدی و تاثیر آن در حوضه خلیج فارس و دریای عمان ARCGIS

محاسبه مقدار تابش خورشیدی و تاثیر آن در حوضه خلیج فارس و دریای عمان ARCGIS

تابش بنياد اقليم است، سياره ما تابش­هاي خورشيدي را جذب و تابش­هاي فروسرخ گسل مي­کند، ميانگين سياره­اي اين دو تابش در بازه زماني چند ساله با هم برابر است، که اين حالت نوعي ترازمندي انرژي در کره زمين ايجاد مي­کند( هندرسون و مک گوفي،۱۳۷۹). انتقال گرما توسط تابش گرمايي به ماده نياز ندارد. تابش گرمايي فرايند بسيار مهمي است و از نظر فيزيکي جالب­ترين شيوه انتقال گرما به شمار مي­آيد. تابش گرمايي به نرخ صدور انرژي از ماده به واسطه دماي معين آن مربوط مي­شود. کليه اجسام اطراف ما از خود تابش گرمايي صادر مي­کنند. منشأ تابش، صدور انرژي توسط ماده است و انتقال آن احتياج به ماده ندارد. يکي از تئوري­هاي موجود، تابش را به صورت انتشار مجموعه­اي از ذرات به نام فوتون يا کوانتا تعبير مي­کند. تئوري ديگر، آن را به صورت انتشار امواج الکترومغنايس در نظر گرفته است. در هر دو حالت فوق، خواص استاندارد موجي به تابش نسبت داده مي­شود (اينکروپرا و دويت، ۱۳۸۲).

www.GIS-RS-GPS.ir

خورشيد را مي­توان جسم سياهي در نظر گرفت که پيوسته پرتوافکني مي­کند. مقدار کل انرژي تابشي جسم سياه بر اساس قانون استفان بولتزمان[۱] محاسبه مي­شود.  دماي سطح خارجي خورشيد را حدود ۶ هزار کلوين محاسبه کرده­اند و بر اين اساس، مقدار انرژي تابشي آن را محاسبه مي­نمايند. گسيل انرژي خورشيدي در سرتاسر طيف الکترومغناطيسي صورت مي­گيرد و نشر و انتقال اين انرژي به هر دو حالت موجي و ذره­اي (تشکيل شده از ذرات ريز انرژي به نام کوانتوم) انجام مي­شود. نظريه موجي تابش الکترومغناطيسي را ماکسول[۲] در اوايل قرن نوزدهم عرضه کرد. بر اساس اين نظريه، انرژي خورشيد به صورت امواج پيوسته و پي در پي منتشر مي­شود. امواج انرژي الکترومغناطيسي طول موج­هاي متفاوتي از خيلي کوچک تا خيلي بزرگ دارند که طيف الکترومغناطيسي را به وجود مي­آورند. سرعت انتشار اين امواج ثابت و برابر با ۳۰۰ هزار کيلومتر در ثانيه است. مقدار انرژي تابشي امواج کوتاه بيش از امواج بلند است. اگرچه تابش خورشيد در سرتاسر طيف الکترومغناطيسي صورت مي­گيرد، بيشتر انرژي اين تابش در محدوده خاصي از حدود ۲/۰ ميکرون تا ۴ميکرن قرار دارد. در مجموع ۹ درصد اين انرژي در باند ماوراي بنفش، ۴۵ درصد آن در باند مرئي و ۴۶ درصد ان در باند مادون قرمز توزيع مي­شود. طول موج حداکثر تابش خورشيدي از قانون جابه­جايي يا انحراف وين[۳] محاسبه مي­شود.

انرژي تابشي دريافت شده از خورشيد، گستره­اي از طول موجهاست که به نام طيف خورشيدي معروف است. در اين طيف وسيع، بلندترين امواج (امواج راديويي) حدود ۱۲۱ برابر امواج کوتاه (گاما) مي­باشند، ولي حداکثر انرژي و مقدار زيادي از کل انرژي تابشي در محدوده کم عرض قسمت مرئي واقع است (جعفرپور،۱۳۷۰).

۲- منطقه مورد مطالعه

منطقه مورد مطالعه با مساحت تقریبی ۴۱۷۶۱۶ کیلومتر مربع در عرض­های جغرافیایی ۲۵ تا ۳۶ درجه شمالی و طول جغرافیایی ۴۴ تا ۶۳ درجه شرقی واقع شده است. بیشترین ارتفاع این منطقه در ارتفاعات مرکزی رشته کوه های زاگرس با ۴۴۰۵ متر قرار دارد و کمترین ارتفاع این منطقه با صفر متر در جنوب شرقی واقع شده است.

[۱] – Stefan Boltzmann

[۲] -Maxwell

[۳]-Wien-

براي محاسبات تابشي بر روي منطقه مطالعاتي با يک سيستم مورفيک نياز به شکل هندسي ناهمواري داشتيم. شکل هندسي فضايي ناهمواري مي تواند ميزان و جهت شيب همچنين ميزان ارتفاع به ما نشان دهد. در نتيجه از مدل مورفيک DEM  استفاده نموديم که نيازهاي ما را در اين زمينه بر طرف مي­نمايد. در اين راستا ما از چهار پارامتر تابشي (تابش مستقیم، تابش پراکنده، تابش کل، مدت زمان تابش) که مي تواند وضعيت تابشي منطقه را توصيف کند بهره گرفتيم و مبناي تحليلمان را بر آن قرار داديم.

مطالب مشابه  دانلود رایگان کتاب آموزش ArcGIS (مقدماتی)

 

 

 

تابش کل (Globaltot) از مجموع تابش مستقيم (Dirtot) و تابش افشانده (Diftot) به ترتيب از تمامي بخشهاي سانمپ و اسکاي­مپ محاسبه مي­گردد.

تابش کل به قرار زير محاسبه مي­گردد:

Globaltot = Dirtot + Diftot

­که :

Globaltot بيانگر تابش کل

Dirtot بيانگر تابش مستقيم

و Diftot بيانگر تابش افشانده است.

 

محاسبه تابش مستقيم

تابش مستقيم همان تابش موج کوتاه خورشيدي است که در روز به هنگامي که خورشيد در بالاي خط افق قرار گرفته بر سطح زمين انجام مي­گيرد و پرتوهاي خورشيدي به طور مستقيم بر سطح زمين مي­تابد. براي محاسبه ميزان تابش مستقيم در منطقه مطالعاتي مدت زماني را که خورشيد بر فراز آسمان مي­باشد (با دخالت عرض جغرافيايي منطقه) به قطعات نيم­ساعتي تقسيم نموده که هر يک از اين قطعات را Sun Sector مي­نامند و با توجه به قرار گيري خورشيد در هر يک از اين قطعات تابشي ميزان تابش مستقيم محاسبه گرديده است. همچنين با توجه به ارتفاع هر نقطه و وضعيت ضخامتي اتمسفر نرخ حذف طول موج تابش يا افت انرژي تابش[۱] محاسبه و اعمال  شد. همچنين ميزان انرژي ورودي را ثابت خورشيدي در نظر گرفته و آن را در محاسبات دخالت مي­دهيم.  اين عمليات براي تمام روزهاي سال از ابتدا تا انتها محاسبه شده و در نهايت نقشه تابش مستقيم سالانه منطقه محاسبه گرديده است.

ميزان تابش مستقيم (Dirtot) براي يک منطقه از مجموع تابش مستقيم (Dirθ,α) از تمامي بخش­هاي سانمپ محاسبه مي­گردد.

Dirtot = ΣDir θ,α

تابش مستقيم از بخش سانمپ (Dirθ,α) با زاويه اوج مرکزي (θ) و زاويه آزيموت (α) با فرمول زير محاسبه مي­گردد:

Dirθ,α= SConst × τm(θ) × SunDurθ,α × SunGapθ,α × cos(AngIn θ,α)

که در اين فرمول

SConst   شار خورشيدي در خارج از جو که در فاصله ميانگين زمين تا خورشيد است و به عنوان ثابت خورشيدي در نظر گرفته مي­شود.  ميزان ثابت خورشيدي ۱۳۶۷ W/m2 در نظر گرفته شده است.

β قابليت عبور از جو (ميانگين تمامي طول موج­ها) براي کوتاه­ترين مسير (در جهت اوج).

m(θ) نسبت طول راه نوري، که نسبت به طول مسير اوج اندازه­گيري مي­گردد. (ضريب عبور نور با توجه به فاصله سمت الراسي که با پرامترهاي فاصله از سمت الراس و ارتفاع از سطح دريا محاسبه مي­گردد).

SunDurθ,α مدت زماني که بخش­هايي از آسمان نمايش داده شده. براي اکثر بخشها، برابر با فاصله روز است (مثلاً: يک ماه) که در فاصله ساعتي ضرب شده (مثلاً نيم ساعت) براي بخش­هاي جزئي (نزديک به افق)، طول با استفاده از هندسه کروي محاسبه گرديده است.

SunGapθ,α ميزان و نرخ شکست براي بخش­هاي تابشي  در آسمان مي­باشد.

AngIn θ,α زاويه تابش خورشيد نسبت به سطح زمين.

طول نور نسبي m(θ) با زاويه اوج خورشيد و ارتفاع از سطح دريا محاسبه مي­گردد. براي زواياي کمتر از ۸۰ درجه، مي­توان از فرمول زير استفاده نمود:

m(θ) = EXP(-0.000118 * Elev – 1.638*10-9 * Elev2) / cos(θ)

که در اين فرمول:

θ زاويه اوج خورشيد.

Elev ارتفاع از سطح دراي به متر است.

اثر جهت سطح با ضرب کسينوس زاويه برخورد محاسبه مي­گردد. زاويه برخورد (AngInSkyθ,α) بين سطح توقف و بخش آسمان با زاويه اوج مرکزي و زاويه آزيموت با فرمول زير محاسبه مي­گردد.

AngIn θ,α = acos[Cos(θ)×Cos(Gz)+Sin(θ)×Sin(Gz)×Cos(α-Ga)]

که در اين فرمول:

Gz زاويه اوج سطح. (براي زواياي بيشتر از ۸۰ درجه، ميزان انکسار بسيار مهم است).

Ga زاويه آزيموت سطح است.

 

محاسبه تابش افشانده

براي تحليل انرژي در منطقه ميزان انرژي تابشي افشانده نيز مورد نياز مي­باشد. همان گونه که مي­دانيم در صورتي که از لحاظ فيزيک تئوري اگر تابش افشانده در محيط نداشته باشيم و اين ميزان به صفر برسد اختلاف انرژي و سپس دما بين سايه و آفتاب بسيار بالا رفته و سيستم­هاي حياتي را دچار اختلال مي­سازد با توجه به اين مقدمه تاثير بالاي تابش پراکنده را بر سيستم­ها و اکوسيستم­هاي طبيعي و غير طبيعي بهتر درک خواهيم نمود. براي محاسبه انرژي تابشي پراکنده ما از مدل ([۲]UCO ) استفاده نموديم.

مطالب مشابه  دانلود کتاب Advances_in_Environmental_Remote sensing

براي هر بخش از آسمان، ميزان تابش افشانده در مرکز (Dif) يکپارچه شده براي بازه زماني، و اصلاح شده با فاصله شکستگي و زاويه برخورد با فرمول زير محاسبه مي­گردد.

Difθ,α = Rglb * Pdif * Dur * SkyGapθ,α * Weightθ,α * cos(AngInθ,α)

که در اين فرمول:

Rglb   تابش نرمال کلي

براي محاسبه تابش نرمال کلي از فرمول زير استفاده مي­گردد.

Rglb = (SConst Σ (τm(θ) ) )/ (۱ – Pdif)

Pdif  درجه افشاندگي تابش که اين نرخ را معمولاً بين ۲/۰ براي درجه ابرناکي بسيار کم و ۷/۰ براي درجه ابرناکي بسيار بالا در نظر مي­گيرند.

Dur  بازه زماني

SkyGapθ,α  درجه شکست براي هر بخش تابشي مي­باشد(بخشي از آسمان که قابل مشاهده است).

Weight θ,α  نسبت تابش افشانده ناشي از يک بخش تابشي آسمان به کل بخش­هاي تابشي.

براي محاسبه ميزان  Weight θ,α از فرمول زير استفاده نموديم:

Weight θ,α= (cosθ۲ – cosθ۱) / Divazi

در فرمول فوق

θ۱  و θ۲  محدوده زاويه اوج در بخش هاي آسمان

Divaziتعداد تقسيم بندي آزيموتي آسمان مي­باشد

AngIn θ,α=  زاويه تابش ما بين مرکز قطاع تابشي و سطح تماس تابش.

براي استاندارد آسمان پوشيده از ابر، ميزان Weightθ,α از فرمول زير محاسبه مي­گردد.

Weightθ,α = (۲cosθ۲ + cos2θ۲ – ۲cosθ۱ – cos2θ۱) / ۴ * Divazi

در نهايت ميزان انرژي تابشي افشانده با توجه به فرمول زير از مجموع انرژي تابشي افشانده براي هر قطاع تابشي به دست مي­آيد.

Diftot = ΣDif θ,α

پس از تهیه نقشه های تابش مستقیم، تابش کل، تابش پراکنده و مدت زمان تابش، تعداد ۱۶ ایستگاه (شکل شماره ۲) به صورت نمونه انتخاب گردید تا برخی خصوصیات آنها بررسی گردد (جدول شماره ۲).

Table [2]

Station Radiation  (wh/m2) Elevation

(m)

Temperature

(Degree)

Aspect

(Degree)

Brujen ۹۸۹۷۲۹ ۲۲۵۷ ۱۰٫۷ ۳۳۰
Kuhrang ۲۵۹۳۶۸۳ ۲۸۴۱ ۹٫۳ ۲۱۹
Piranshahr ۱۶۸۶۸۳۱ ۱۴۹۶ ۱۲ ۶۱
Ilam ۲۳۰۸۵۵۷ ۱۴۴۶ ۱۶٫۹ ۲۸۹
Ahvaz ۱۴۱۲۱۷۴ ۲۲ ۲۵٫۳ ۲۶
Mahshahr ۲۶۱۲۰۰۲ ۳ ۲۵٫۵ ۱۱
Chabahar ۲۰۴۸۴ ۸ ۲۶٫۲ ۱۸۶
Fasa ۲۵۰۱۹۰۲ ۱۴۱۴ ۱۹٫۳ ۱۸۰
Lar ۲۵۹۹۱۷۰ ۹۷۸ ۲۳٫۵ ۱۶۶
Baneh ۲۶۵۷۰۴۵ ۱۵۲۸ ۱۳٫۷ ۲۵۷
Kurdistan ۱۴۴۰۳۹۳ ۱۳۰۶ ۱۲٫۸ ۳۳۰
Sararud ۲۵۸۰۵۱۳ ۱۳۵۳ ۱۳٫۸ ۱۵۰
Yasuj ۹۶۳۴۲۲ ۲۸۲۹ ۱۵٫۲ ۲۰۹
Aligudarz ۲۶۲۴۸۰۰ ۱۹۹۲ ۱۲٫۳ ۲۳۹
Minab ۱۳۹۱۳۸۱ ۳۳ ۲۷٫۳ ۲۷۹
Qeshm ۱۶۱۲۳۴۶ ۱ ۲۷ ۳۱۵

[۱]– Atmospheric Attenuation

[۲] – Uniform Overcast Sky

با توجه به شکل شماره ۳ مشخص می گردد که در ۱۶ ایستگاه نماینده انتخابی در محدوده مورد مطالعه به جز ایستگاه های ماه شهر و قشم (ایستگاه هایی که در فاصله نزدیکی نسبت به دریا قرار دارند و در ارتفاع صفر واقع شده اند و در پشت به ارتفاعات هستند) رابطه نزدیکی بین ارتفاع ایستگاه ها ومیزان دریافت انرژی تابشی وجود دارد. به گونه ای که هر جا ارتفاعات ایستگاه افزایش داشته میزان دریافت انرژی نیز افزایش را نشان می دهد که این خود بیانگر تاثیر مستقیم مقدار ارتفاع در میزان انرژی تابشی است.

با توجه به شکل شماره ۴ مشخص می گردد که در ۱۶ ایستگاه نماینده انتخابی در محدوده مورد مطالعه به جز ایستگاه های کوهرنگ و پیرانشهر و اهواز و چابهار و فسا، میناب و قشم (ایستگاه هایی که در عرض جغرافیایی پائین قرار دارند و ایستگاه هایی که بارش برف سنگین دارند) رابطه نزدیکی بین دمای ایستگاه ها ومیزان دریافت انرژی تابشی وجود دارد. به گونه ای که هر جا دمای ایستگاه افزایش داشته میزان دریافت انرژی نیز افزایش را نشان می دهد که این خود بیانگر تاثیر مستقیم مقدار تابش در میزان دمای هر ایستگاه است.

با توجه به شکل شماره ۵ مشخص می گردد که در ۱۶ ایستگاه نماینده انتخابی در محدوده مورد مطالعه به جز ایستگاه های بروجن ، ماهشهر، چابهار، کردستان و سرارود و میناب(ایستگاه هایی که دقیقاً در خلاف جهت تابش خورشید هستند) رابطه نزدیکی بین میزان ایستگاه ها و جهت و زاویه منطقه برای دریافت تابش وجود دارد. به گونه ای که مناطقی که در پشت به جهت تابش خورشید هستند از میزان تابش کمتری برخوردار بودند.

 

Conclusions

شدت تابندگي بيشتر در دامنه­هاي رو به جنوب و غرب در توده­هاي کوهستاني منطقه مطالعاتي در بيلان دمايي منطقه تاثير گذاشته و با تبديل انرژي تابشي به انرژي حرارتي و نفوذ در سيستم­هاي زميني سرآغاز چرخه تغييرات گشته و با توجه به اين نکته که افزايش حرارت افزايش تبخير و تعرق و کاهش رطوبت نسبي را به دنبال دارد نتيجه اين حالت مي­تواند عامل کنترل کننده رشد گياهي در منطقه باشد. اين حالت کاملاً در منطقه بروز کرده و دامنه­هاي پر انرژي تراکم گياهي بسيار محدودتر و کمتري از دامنه­هاي پر انرژي دارد. وجود پوشش گياهي غني تر، خاک متکامل و غني و حاصل­خيز، وجود منابع آبي سطحي و زير سطحي غني تر مجموعاً فعاليت ميکرو ارگانيسم و ماکرو ارگانيسم را در دامنه­هايي که انرژي کمتر دريافت کرده گسترش داده و رونق مي­بخشد.

از طرفي خاک را اگر تابعي از شرايط حرارتي و رطوبتي بدانيم تاثير تابش بر تکامل خاک و سرعت و چگونگي مراحل مختلف خاکزايي را بهتر درک خواهيم کرد. در واقع تابش با مقدار انرژي که به هر سطح مي­رساند در تغييرات دماي آن اثر داشته و تغيير دما در تغييرات رطوبت و تبخير موثر افتاده که نتيجه همه اين حالات را مي­توان تغييرات انرژي وارده به سيستم پدولوژيک در نظر گرفت. تغييرات انرژي وارده به هر سيستم مي­تواند در تحولات ماده و انرژي آن سيستم موثر باشد و تحولات کاسکيد سيستم خاک را تحت تاثير قرار داده و با حلقه اي از تاثيرات و تغييرات مورفولوژيک سيستم خاک را نيز تحت تاثير قرار مي­دهد.

بيلان تابشي در منطقه باعت اختلافات دمايي  و در ادامه اختلاف تبخير و نهايتاً تاثير بر نفوذپذيري خاک و حجم رواناب سطحي شده که نتيجه اين عوامل را کاهش رواناب سطحي و جريان­هاي پايدار آبي در منطقه را به دنبال خواهد داشت. ضريب پايايي[۱] جريانات آبي در دو جهت دامنه اختلاف زيادي را نشان مي­دهد که نمودي از اين واقعيت است.

نتيجه همه تاثيراتي تابشي مي­تواند بر ايجاد مدنيت و هسته­هاي سکونتي و فعاليت­هاي انساني موثر باشد.

[۱] – stable Rate

Resources

  • Fu, P. 2000. A Geometric Solar Radiation Model with Applications in Landscape Ecology. Ph.D. Thesis, Department of Geography, University of Kansas, Lawrence, Kansas, USA.
  • Fu, P., and P. M. Rich. 2000. The Solar Analyst 1.0 Manual. Helios Environmental Modeling Institute (HEMI), USA.
  • Fu, P., and P. M. Rich. 2002. “A Geometric Solar Radiation Model with Applications in Agriculture and Forestry.” Computers and Electronics in Agriculture 37:25–۳۵٫
  • Rich, P. M., R. Dubayah, W. A. Hetrick, and S. C. Saving. 1994. “Using Viewshed Models to Calculate Inte
  • rcepted Solar Radiation: Applications in Ecology. American Society for Photogrammetry and Remote Sensing Technical Papers, 524–۵۲۹٫
  • Rich, P. M., and P. Fu. 2000. “Topoclimatic Habitat Models.” Proceedings of the Fourth International Conference on Integrating GIS and Environmental Modeling.
  • Gates, D.M. 1980. Biophysical Ecology. Springer-Verlang. New York.
  • Kendal McGuffie, Ann Henderson-Sellers. 2005. A Climate Modelling Primer. John Wiley & Sons.
  • رستمي و شيرازي، (۱۳۸۲)، مقدمه­اي بر انتقال گرما جلد دوم، چاپ اول، انتشارات دانشگاه صنعتي اصفهان.
  • جعفرپور، ابراهيم (۱۳۷۰)، اقليم شناسي، انتشارات پيام نور.
  • موحدی سعید، محمود سلطانیان، (۱۳۹۰) نمایش و پردازش داده های جوی و هیدرولوژیکی در محیط ArcGIS، انتشارات کنکاش.

 

 

درباره‌ی mahmoodsoltanian

شاید این مطلبم به دردت بخوره

python

دانلود کتاب Learning Geospatial Analysis with Python, 2nd Edition

تعداد صفحات: ۳۹۴ حجم فایل: ۱۳ مگwww.GIS-RS-GPS.ir سال انتشار: ۲۰۱۵ مطالب مشابه  کتاب بازاریابی مکانی GeoMarketing

پاسخ دهید