امروزه استفاده از ماهواره ها به ویژه در مطالعات علوم طبیعی از جمله هواشناسی، اقلیم شناسی و هیدرولوژی امری اجتناب ناپذیر شده است. مطالعات برف به دلیل گستره زیادی که در کره زمین دارد با استفاده از این فناوری لازم و ضروری است.
گستره و تغییرپذیری پوشش فصلی برف پارامترهای مهمی در سیستمهای هیدرولوژیکی و اقلیمی بزرگ مقیاس هستند. سنجش از دور ماهوارهای فرصتی را برای پایش و ارزیابی پارامترهای متنوع برف و ارزیابی آنها در مقیاسهای منطقهای تا جهانی ایجاد میکند (هال و مارتینس، ۱۹۸۵؛ هال و همکاران، ۲۰۰۵).
دادههای ماهوارهای طیف مرئی
پوشش برف در اغلب موارد در تصاویر ماهوارهای طیف مرئی به آسانی قابل شناسایی است زیرا اصولاً دارای آلبیدویی است که از آلبیدوی انواع سطوح مقدارش بیشتر است. برف ممکن است به طور دستی از طریق شدت انعکاس بالای آن شناسایی گردیده و یا به طور خودکار از طریق بکارگیری الگوریتمی که طیف انعکاسی برف را شناسایی میکند مشخص شود. قابلیت انعکاس طیفی برف بستگی به یک سری از پارامترها مثل اندازه و شکل دانه برف، درصد ناخالصیها، محتوی آب مایع نزدیک سطح برف، زبری سطح و ارتفاع خورشید دارد. آلبیدوی برف در طیف مرئی به طور زیادی به درصد ناخالصی موجود در برف حساسیت نشان میدهد (وارن و ویسکامب، ۱۹۸۱). در ناحیه مادونِ قرمزِ نزدیک، شدت انعکاس برف با افزایش طول موج کاهش مییابد که عمدتاً بستگی به اندازه دانههای برف دارد (گرنفل و پروویچ، ۱۹۸۱؛ ویسکامب و وارن، ۱۹۸۱). در این طیف وجود آب مایع در حالت ذوب اثر خیلی کمی بر روی آلبیدو دارد. همچنین، دانههای بزرگتر که از تغییر ناشی از ذوب به وجود میآیند باعث میشوند که قابلیت انعکاس برف در طیف مادون قرمز نزدیک کاهش یابد. در طول موجهای بزرگتر از ۴/۱ میکرومتر مقادیر آلبیدوی برف حدود چند درصد است ولی قابلیت انعکاس ابرها در این طول موجها بالا باقی میماند و همین امر باعث میشود ما بتوانیم به راحتی بین ابر و برف تفاوت را تشخیص دهیم.
بعضی از اولین کاربردهای سنجش از دور ماهوارهای تلاش کردند که گستره پوشش برف را به صورت نقشه درآورده و پایش نمایند. در واقع، گستره پوشش برف طولانیترین فرآورده محیطی قابل دسترس است که به وسیله سنجش از دور ماهوارهای مهیا شده است. در سال ۱۹۶۶، اداره ملی جوی و اقیانوسی ایالات متحده (NOAA) عملیاتی را برای تصویربرداری گستره پوشش برف نیمکره شمالی با استفاده از دادههای ماهوارهای باند مرئی آغاز نمود (ماتسون و ویسنت، ۱۹۸۱؛ ماتسون و همکاران، ۱۹۸۶؛ رابینسون و همکاران، ۱۹۹۳). در طی ۱۰ سال بعدی، محققان شروع به ارائه نتایجی نمودند که اثبات میکرد سنجش از دوره ماهوارهای در هیدرولوژی برف تواناییهای عملیاتی خوبی دارد (رانگو، ۱۹۷۵؛ اشنایدر و همکاران، ۱۹۷۶). در طی ۴ دهه گذشته اطلاعات خیلی ارزشمندی از مقیاس قارهای تا نیمکرهای پوشش برف به وسیله سنجش از دور ماهوارهای در باندهای مرئی مهیا شده است. از سال ۱۹۶۶ تا ۱۹۹۹ NOAA-NESDIS به طور هفتگی چارتهای گستره برف سطوح زمینی نیمکره شمالی را با استفاده از تصاویر ماهوارهای باند مرئی تولید نمود (رابینسون و همکاران، ۱۹۹۳؛ فری و رابینسون، ۱۹۹۹). چارتهای NOAA از تفسیرهای دستی رادیومتر پیشرفته با تفکیک خیلی بالا (AVHRR)، ماهواره محیطی عملیاتی زمینگرد (GOES)، ماهواره اروپا (METEOSAT)، ماهوارههای هواشناسی زمینگرد ژاپن، و دیگر دادههای ماهوارهای مرئی که به وسیله هواشناسان آموزش داده میشود به دست آمده است. سپس چارتها به طور هفتگی با استفاده از سیستم نقشهبرداری قطبی در شبکه مربعی ۸۹ در ۸۹ با تفکیک اسمی ۱۹۰٫۵ کیلومتر رقومی شدند. مقادیر دادهها به صورت باینری (دودویی) و سلولهای شبکهای اگر سلول بیشتر یا کمتر از ۵۰ درصد پوشش برف باشد به صورت پوشیده با برف و عاری از برف طبقهبندی شدهاند (دوی و هین، ۱۹۸۲).
دادههای چند طیفی با تفکیک بالا
سنسورهای چند ماهواره قطب گرد باندهای چند طیفی در طیف مرئی (۰٫۷ – ۰٫۴ میکرومتر)، مادون قرمز نزدیک (۰٫۷-۱٫۱میکرومتر) و مادون قرمز موج کوتاه (۳-۱٫۱میکرومتر) و همچنین طیف مادون قرمز حرارتی (۱۰۰-۳ میکرومتر) دارند. این سنسورها تفکیک مکانی بسیار بالا در مقایسه با نقشههای تولید شده واقعی برف مشتق شده از سنسورهایی همچون AVHRR دارند. برای تحلیل یک زیر پیکسل از نواحی پوشیده با برف افزایش تعداد باندها برای تفکیک ویژگیهای برف ارزش بالایی دارد و قادر است نواحی بدون پوشش برف را به راحتی تشخیص دهد (مثلاً نولین و همکاران، ۱۹۹۳؛ روزنتال و دوزیر، ۱۹۹۶؛ دوزیر و پاینتر، ۲۰۰۴). به هر حال ، یکی از معایب آن فرصت کم برای مشاهده سطح برف در موقعی که تفکیک مکانی کم است که روزی ۱۸ بار تکرار میشود و در عین حال با مشکلات ناشی از پوشش ابر نیز این وضع بدتر میگردد. این محدودیتها به اضافه هزینههای خیلی بالای این مجموعه دادههای با تفکیک مکانی بالا، استفاده از آنها را در آزمایشات کاربردی کوتاه مدت و محلی محدود میکند.
دادههای میکروویو ماهوارهای غیرفعّال
به دلیل قابلیت نفوذ امواج در ابرها، امکان جمع آوری دادهها در طی تاریکی ممکن است و پتانسیل مهیا نمودن یک شاخص عمق برف یا آب معادل برف، سنجش از دور ماهوارهای موج غیرفعّال میتواند اندازهگیریهای برف مبتنی بر دادههای مرئی را بهبود بخشد. دادههای ماهوارهای میکروویو (ریز موج) غیر فعّال جهانی، چند کانالی و قابل اطمینان با ابزار NASA SMMR ( رادیومتر میکروویو اسکن کننده چند کاناله) در طی دوره ۱۹۸۷-۱۹۷۸ قابل دسترس گردید (گلوئرسن و همکاران، ۱۹۸۴؛ هال و مارتینس، ۱۹۸۵) و در ادامه به وسیلهDMSP ( برنامه ماهواره هواشناسی دفاعی) SSM/I (سنسور مخصوص تصویرگر/میکروویو) از ۱۹۸۷ تا ۲۰۰۸ و به بعد نیز قابل دسترس گردید (هولینگر و همکاران، ۱۹۹۰). تجهیزات SMMR و SSM/I دامنهای ترکیبی از فرکانسها از ۶ تا ۸۹ گیگاهرتز هم در پولاریزاسیون عمودی و هم افقی را مهیا کردند. تکنیکهای مورد استفاده برای استخراج پارامترهای برف از دادههای میکروویو غیرفعّال با تکیه بر کانالهای ۱۸ تا ۱۹، ۳۷ و ۸۵ گیگاهرتز انجام میشود. موقعی که برف زمین را میپوشاند، انرژی انتشار یافته توسط خاک زیرین به وسیله دانههای برف پخش میگردد. بنابراین، وقتی از زمینهای عاری از برف به سطوح پوشیده از برف حرکت صورت گیرد، کاهش شدیدی در قابلیت انتشار امواج مایکروویو ایجاد شده و دماهای روشنایی ( درخشایی) مربوطه نشانهای از وجود برف خشک را مشخص میکنند (ماتزلر، ۱۹۹۴). اضافه بر این، برف یک گرادیان طیفی منفی را نشان میدهد به این معنی که وقتی فرکانس میکروویو افزایش یابد (برای مثال از ۱۹ به ۳۷ گیگا هرتز) قابلیت انعکاس و دماهای روشنایی مرتبط نیز کاهش مییابد. دمای روشنایی حاصل گسیلندگی سطح در یک فرکانس میکروویو مشخص و دمای فیزیکی هدف است (استائلین و همکاران، ۱۹۷۷). بر خلاف برف دیگر سطوح تقریباً یک گرادیان طیفی مثبت را نشان میدهند. مطالعات تجربی و نظری اثبات نموده که قدرت پخش امواج مایکروویو یا کاهش در دمای روشنایی را میتوان با ضخامت یا چگالی پوشش برف و طول موج مرتبط کرد. بر اساس این روابط، الگوریتمهایی توسعه یافتند که وجود برف را مشخص میکنند (گرودی و باسیست، ۱۹۹۶؛ هیتبِرونر، ۱۹۹۶) و هر کدام آب معادل برف یا عمق برف را با چگالی مفروض مورد محاسبه قرار میدهند (چانگ و همکاران، ۱۹۸۷؛ گودیسون، ۱۹۸۹؛ ناگلر، ۱۹۹۱؛ تایت، ۱۹۹۸؛ پولیاینین و هالیکاینن، ۲۰۰۱).
سامانههای میکروویو فعّال ماهوارهای
سامانههای میکروویو نوع فعّال (رادار) تفکیک مکانی بهتری (چند ده متری) نسبت به سامانههای غیرفعّال مهیا میکنند، اما دارای محدودیتهایی هستند که در پایین ذکر خواهد شد. ابزار و آلات میکروویو فعّال در طول موجهای میلیمتر تا چند ده متری کار میکنند. سنسورهای مورد استفاده در تحقیقات برف عموماً در دامنه حدودی از۵٫۵ تا ۱٫۵ سانتیمتر (فرکانسهای ۴ تا ۱۸ گیگاهرتز) کار میکنند. پایش مقیاس جهانی پوشش برف با میکروویو فعّال یا سامانههای راداری در دهههای اخیر با ظهور و ماهوارههای راداری دیافراگم ترکیبی (SAR) امکان پذیر گردیده است. اولین دادههای موفقیت آمیز SAR برای مطالعات برف زمین مسطح ۸۵۰-SAR در ۱۹۸۱ جمعآوری گردید (ماتزلر و شاندا، ۱۹۸۴؛ روت و ماتزلر، ۱۹۸۷). نسلهای اخیر سنسورهای ماهواره میکروویو فعّال تفکیک مکانی و زمانی بالایی دارند که وجود پوشش ابر یا تاریکی در طی فصل زمستان محدودیتی برای آنها ایجاد نمیکند.
منبع: سبزی پرور، علی اکبر؛ هلالی، جلیل؛ پناهی، مهدی؛ ۱۳۹۳؛ برف و اقلیم، فرآیندهای فیزیکی، تبادل انرژی سطحی و مدلسازی، انتشارات دانشگاه بوعلی سینا