بررسی تغییرات سطحی پوشش برف در ارتباط با دمای سطح زمین، تبخیر و تعرق و پوشش گیاهی در حوضه آبخیز ارس

مقدمه و هدف: پدیده تغییر اقلیم و اثرات و پیامدهای ناشی از آن به موضوعی چالش‌برانگیز برای مدیران و برنامه‌ریزان به‌ویژه در ارتباط با منابع آب تبدیل شده ­اند. در حال حاضر، تغییر اقلیم به ‎علت اثرگذاری در جوامع بشری، مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است. برف نقش مهمی در حفاظت تنوع زیستی دارد و تغییرات میزان پوشش برف، حیات جانوری و گیاهی و نیز ساختار اکوسیستم‌ها را متاثر می‌سازد. پوشش برف در مناطق کوهستانی دارای اهمیت زیادی است. ازآنجایی‌که برف آب جامد محسوب می‌شود، منبع مهمی برای تامین آب آشامیدنی است. چون پوشش برف مقدار زیادی هوا را در خود دارد، هادی ضعیفی برای گرما است لذا پوشش برف قادر است محصولات کشاورزی و درختان را در مقابل سرماهای شدید محافظت کند. هدف پژوهش حاضر، بررسی تغییرات پوشش سطحی برف در ارتباط با مولفه‌های دمای سطح زمین، تبخیر و تعرق و پوشش گیاهی در حوضه آبخیز ارس با استفاده از محصولات داده‌های سنجنده مودیس به‌صورت بازه‌های زمانی سالانه، فصلی و ماهانه است.مواد و روش‌ها: محدوده موردمطالعه حوضه ارس است که بخشی از زیرحوزه آبخیز غرب دریاچه‌ی خزر تلقی می‌شود و مرز سیاسی بین کشورهای آذربایجان، ایران، ترکیه و ارمنستان را تشکیل می‌دهد. در این پژوهش، برای محاسبه پوشش برف، دمای سطح زمین، پوشش گیاهی و تبخیر و تعرق، از تصاویر ماهواره terra استفاده شد، به این صورت که برای هرکدام از متغیرهای مذکور، میانگین سالانه، میانگین ماهانه و میانگین فصلی بر اساس تاریخ شمسی محاسبه شد. از پروداکت های روزانه برف، پوشش گیاهی، دمای سطح زمین و پروداکت 8 روزه تبخیر و تعرق ماهواره terra استفاده شد. در نهایت، تصاویر برای محاسبه به محیط arcmap10.8 انتقال داده شدند. برای محاسبه میانگین‌های متغیرهای مورد مطالعه در دوره 1379-1401، با استفاده از کدنویسی در گوگل ارث انجین، برای پوشش برف، دمای سطح زمین، پوشش گیاهی و تبخیر و تعرق به ‎ترتیب از 8644، 8642، 8325 و 1058 تصویر مورد پردازش قرار گرفت.یافته‌ها: نتایج نشان داد که بین سال‌های 1401-1379، گرم‌ترین و بیشترین دما به ‎ترتیب مربوط به سال‌های 1379، 1380 و 1393 با میانگین بیشینه دمایی به ‎ترتیب 42، 40 و 40 درجه سلسیوس بوده است. سال 1387 با میانگین بیشینه دمایی 35 درجه سلسیوس و کمینه دمایی 1 درجه سلسیوس، گرم‎ترین سال دوره آماری مورد مطالعه بود. بیش‌ترین میزان میانگین سبزینگی مربوط به سال‌های 1398 و 1400 با مقدار 44/0 و کم‌ترین میزان میانگین سبزینگی مربوط به سال‌های مربوط به 1386 و 1382 با مقدار 0/34 بود. در سال‌های مورد مطالعه، سال 1388 کم‌ترین میانگین سالانه تبخیر و تعرق و سال 1401 بیش‌ترین میانگین سالانه تبخیر و تعرق را داشتند. تبخیر و تعرق در سال 1388 در بالاترین حالت، 20/96 و در کم‌ترین حالت، 3/57 کیلوگرم در مترمکعب بود. تبخیر و تعرق در سال 1401 در بیش‌ترین حالت، 37/42 و در کم‌ترین حالت، 2/60 کیلوگرم در مترمکعب بود. در همه سال‌های مورد مطالعه، بخش‌های جنوب شرقی و شمال حوضه مورد مطالعه بیشترین میانگین تبخیر و تعرق را داشتند. در سال 1388، بیشینه میانگین دمای سطحی زمین برابر با 37/12 و کمینه آن برابر با 0/14 درجه سلسیوس بود. در سال 1401، بیشینه دمای سطح زمین، 39/80 و کمینه آن 5/66 درجه سلسیوس بود. همان ‌طور که مشاهده می‌شود، در این سال‌ها بین دما و تبخیر و تعرق رابطه مستقیمی وجود داشت. طی سال‌های 1401-1379، میانگین ndsi در سال 1379 کم‌ترین مقدار (17/31) و در سال 1396 بیش‌ترین مقدار (26/23) را دارا بود. در همه سال‌های مورد مطالعه، بیش‌ترین مناطق برف‌گیر مناطق ارتفاعی بلند واقع در قسمت‌های جنوبی و جنوب شرقی و جنوب غربی حوضه آبخیز ارس بود.نتیجه‎ گیری: نتایج بررسی نقشه‌های دمای سطح زمین نشان دادند که سال‌های 1379 و 1380 با میانگین بیشینه دمایی 42/37 و 40/20 درجه سلسیوس شروع شدند و با کاهش میانگین بیشینه دمایی ادامه پیدا کردند. در سال‎های 1399 و 1400، بیشینه دمایی به 39 درجه سانتی گراد رسید که به ‎دنبال آن، تبخیر و تعرق نیز با توجه به دمای سطح زمین تغییر پیدا کرد. روند تغییرات پوشش گیاهی حوضه آبخیز ارس در حالت کلی نشان­ دهنده افزایش پوشش گیاهی در طول دوره 22 ساله است اما روند تغییرات پوشش برفی روند کاهشی ملایمی داشته است. دماهای بالاتر در قسمت‌های پست و هموار شمال شرق و شمال غرب حوضه آبخیز ارس و دماهای پایین‌تر در مناطق مرتفع جنوب شرقی و غرب حوضه دیده می‌شوند. تبخیر و تعرق اغلب در بخش‌های شمالی و جنوب شرقی حوضه آبخیز ارس که سطح پوشش برفی بیش‌تری دارند، مشاهده می‌شود. این قسمت‌ها با اینکه ارتفاع بیشتری دارند و دمای کم‌تری نسبت به بقیه مناطق داشتند ولی دارای تبخیر و تعرق بیشتری بودند. زمستان و پاییز فصول برف‌گیر منطقه مورد مطالعه هستند. بیش‌ترین میزان سطح پوشش برف در بهمن‌ماه با مساحت 37234/32 کیلومترمربع و کم‌ترین آن در مردادماه با 4/71 مترمربع بوده‎اند. مناطق مرتفع دارای پوشش برفی (جنوب شرق، غرب و شمال حوضه) حتی در سال‌هایی که میانگین سطحی پوشش برف در کم‌ترین حالت خود قرار داشته است، دارای پوشش برف بودند. 

investigating surface changes in snow cover concerning land surface temperature, evapotranspiration, and vegetation cover in the aras basin

background: the climate change phenomenon and its effects and consequences have become a challenging issue for managers and planners, especially for water resources. currently, climate change has attracted the attention of scientists due to its effects on human societies. snow plays an important role in the protection of biodiversity, and changes in the amount of snow cover affect animal and plant life as well as the structure of ecosystems. snow cover is very important in mountainous areas. since snow is considered solid water, it is an important source for providing drinking water. because snow cover contains a lot of air, it is a weak conductor of heat, thus the snow cover can protect agricultural products and trees from extreme cold. the current research aims to investigate changes in snow cover concerning land surface temperature, evapotranspiration, and vegetation cover components in the aras basin using modis sensor data products in annual, seasonal, and monthly periods.methods: the studied area is the aras basin, which is considered a part of the western caspian lake sub-basin and forms the political border between azerbaijan, iran, turkey, and armenia countries. in this research, terra satellite images were used to calculate snow cover, land surface temperature, vegetation cover, and evapotranspiration. in this way, the annual average, monthly average, and seasonal average were calculated for each of the mentioned variables based on the solar date. daily products of snow, vegetation, surface temperature, and 8-day evapotranspiration product of the terra satellite were used here. finally, the images were transferred to the arcmap 10.8 environment for calculation. to calculate the averages of the studied variables in the period of 2011-2018, 8644, 8642, 8325, and 1058 images were processed for snow cover, land surface temperature, vegetation cover, and evapotranspiration, respectively, using coding in google earth engine.results: the results showed that the hottest and highest temperatures were in 2000, 2001, and 2014, respectively, during 2000-2022, with the average maximum temperatures of 42, 40, and 40 °c. the coldest year of the studied statistical period was 2017, with average maximum and minimum temperatures of 35 and 1 °c, respectively. the highest average amount of greenness belonged to the years 2019 and 2021 with a value of 0.44, and the lowest average amount of greenness was recorded for the years 2007 and 2003 with a value of 0.34. in the studied years, 2019 and 2022 had the lowest and the highest annual averages of evapotranspiration, respectively. the evapotranspiration in 2018 was at the highest (20.96) and the lowest (3.57 kg/m3), levels, respectively. in 2022, evapotranspiration was 37.42 in the highest state and 2.60 kg/m3 in the lowest state. in all the studied years, the southeastern and northern parts of the studied basin had the highest average evapotranspiration. in 2018, the maximum and the minimum average land surface temperatures were equal to 37.12 and 0.14 °c, respectively. in 2022, the maximum temperature of the land surface temperature was 39.80 and its minimum was 5.66 °c. as can be seen, there is a direct relationship between temperature and evapotranspiration in these years. during the years 2000-2022, the lowest and the highest averages of ndsi were observed in 2000 (17.31) and 2017 (26.23). in all the studied years, the most snow-bearing areas were the high-altitude areas located in the southern, southeastern, and southwestern parts of the aras basin. conclusion: the results of the survey of the surface temperature maps showed that the years 2000 and 2001 started with average maximum temperatures of 42.37 and 40.20 °c, respectively, and continued with a decrease in the average maximum temperature. in 2020 and 2021, the maximum temperature reached 39 °c, after which evapotranspiration also changed according to the land surface temperature. the trend of changes in the vegetation cover of the aras basin generally shows an increase in vegetation cover during the 22 years, but the trend of changes in the snow cover has been a slight decrease. higher temperatures are seen in the low and flat parts of the northeast and northwest of the aras basin, and lower temperatures occur in the high areas of the southeast and west of the basin. evapotranspiration is often observed in the northern and southeastern parts of the aras basin, which has more snow cover. although these parts have higher altitudes and lower temperatures than the other regions, they have more evapotranspiration. winter and autumn are the snowy seasons of the study area. the highest amount of snow cover was in february with an area of 37234.32 km2 and the lowest was in august with 4.71 m2. the high areas with snow cover (southeast, west, and north of the basin) had snow cover even in the years when the surface average snow cover was at its lowest.