شبیه‌سازی دمای اعماق مختلف خاک در مقیاس‌های ساعتی و روزانه با بکارگیری یک مدل SVAT

سابقه و هدف: دمای خاک یک متغیر مهم و مؤثر بر فرایندهای مختلف فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی خاک است. دمای خاک همچنین به طور مستقیم و غیر مستقیم روی فعالیت‌های گیاهی و بر نرخ تبادلات جرم و انرژی بین سطح خاک و آتمسفر اثر قابل توجهی دارد. با توجه به وجود داده‌های محدود و ناقص از دمای خاک، مدل‌سازی آن از اهمیت شایانی برخوردار است. مدل‌سازی دقیق تغییرات دمای خاک مستلزم در نظر گرفتن همزمان تمامی عوامل داخلی و بیرونی مؤثر بر آن است. در این راستا مدل‌های SVAT که مبتنی بر حل معادلات توأمان انتقال گرما و رطوبت در خاک هستند از اهمیت بالا و دقت قابل قبولی برخوردار هستند. مواد و روش‌ها: برای انجام این پژوهش، از یک مدل SVAT جهت شبیه‌سازی تغییرات ساعتی دمای اعماق خاک استفاده شد. یک ایستگاه سینوپتیک قدیمی ایران (ایستگاه سقز) برای انجام این مطالعه انتخاب شد و بر اساس داده‌های اندازه‌گیری‌شده ویژگی‌های فیزیکی خاک در اعماق مختلف و همچنین متغیرهای مختلف هواشناسی در یک بازه زمانی چند ساله، مقادیر ساعتی دمای اعماق مختلف خاک مورد شبیه-سازی قرار گرفتند. جهت واسنجی مدل از روش بیزین با در نظر گرفتن 10 پارامتر اصلی مدل و انجام 8000 مرتبه شبیه‌سازی بر اساس ترکیب‌های مختلف تولید شده از مقادیر پارامترها در دامنه عدم قطعیت آنها به روش تصادفی مونت کارلو در بازه زمانی 2009-1994 استفاده شد سپس این مدل واسنجی‌شده در دوره آماری 2014-2010 مورد اعتبارسنجی قرار گرفت. جهت سنجش عملکرد مدل نیز از سه شاخص میانگین قدر مطلق خطا، میانگین اریبی خطا و ضریب تعیین استفاده شد. یافته‌ها: نتایج حاصل از واسنجی مدل با بکارگیری روش بیزین نشان‌دهنده تغییر ملموس در مقادیر 10 پارامتر منتخب مدل در مقایسه با مقادیر پیش‌فرض آنها و همچنین مطلوب بودن فرایند واسنجی بود. در دوره واسنجی، در غالب موارد مقادیر هر سه شاخص‌ سنجش عملکرد مدل در حالت واسنجی در مقایسه با مقادیر پیش‌فرض پارامترها بطور نمایانی بهبود یافت. نتایج حاصل از اعتبارسنجی مدل نیز حاکی از عدم وجود تفاوت‌های چشمگیر بین شاخص‌های سنجش عملکرد مدل در دو حالت واسنجی و اعتبارسنجی و در نتیجه عملکرد قابل قبول مدل واسنجی‌شده جهت انجام پیش‌بینی مقادیر ساعتی دمای خاک در هر بازه زمانی دلخواه بود به گونه‌ای که برای تمامی زمان‌ها و کلیه اعماق خاک مورد مطالعه، ضریب تعیین بالاتر از 9/0 بدست آمد. با این وجود، عملکرد یکسانی از مدل برای فصول مختلف مشاهده نشد و بر اساس شاخص R2، پایین‌ترین عملکرد مدل در فصل زمستان و بر اساس شاخص MAE، بهترین عملکرد مدل در فصل زمستان و پایین‌ترین عملکرد آن در فصول بهار و تابستان رخ داد. نتایج همچنین نشان داد که تمایل کلی مدل برای شبیه‌سازی دمای خاک در فصول بهار و تابستان به سمت کم برآورد کردن و در فصول پاییز و زمستان به سمت بیش برآورد کردن است و نتایج حاصله در مقیاس سالانه نیز حاکی از تمایل کلی مدل به سمت کم برآورد کردن دمای خاک بود. نتایج حاصل از شبیه‌سازی میانگین‌ شبانه‌روزی دمای خاک نیز نشان-دهنده مقدار خطای کمتر مدل جهت برآورد میانگین شبانه‌روزی دمای خاک در مقایسه با مقادیر ساعتی دمای خاک بود. نتیجه‌گیری: جمع‌بندی نتایج کلی این تحقیق بیانگر آن است که اگر چه مدل SVAT مورد استفاده در این تحقیق قابلیت مناسبی جهت شبیه‌سازی مقادیر ساعتی و روزانه دمای اعماق مختلف خاک دارد اما با جمع‌آوری ودخالت دادن داده‌های بیشتر نظیر داده‌های رطوبت خاک در فرایند واسنجی، امکان دستیابی به نتایج دقیق‌تر از مدل نیز وجود دارد. همچنین با توجه به وجود فرایندهای خاص مؤثر بر دمای خاک در دو فصل تابستان و زمستان، پیشنهاد می‌شود که فرایند واسنجی پارامترهای مدل برای این دو فصل بصورت جداگانه انجام شود.