BAITSSS - BAITSSS

BAITSSS
VývojářiRamesh Dhungel a skupina
NapsánoPython (programovací jazyk), shell skript, GDAL, numpy
Operační systémMicrosoft Windows
TypEvapotranspirace modelování, zavlažování simulace, povrchová teplota simulace, simulace půdní vlhkosti, Geografický informační systém

BAITSSS (Backter-Averaged Iterative Two-Source Surface Temperature and Energy Balance Solution) je biofyzikální Evapotranspirace (ET) počítačový model to určuje voda použití, zejména v zemědělství krajina, použitím dálkový průzkum Země -základní informace.[1] Byl vyvinut a vylepšen Rameshem Dhungelem a skupinou vodních zdrojů v University of Idaho Kimberly Research and Extension Center je od roku 2010. Používá se v různých oblastech EU Spojené státy počítaje v to Jižní Idaho, Severní Kalifornie, Severozápad Kansas, a Texas.

Historie vývoje

BAITSSS pochází z výzkumu Ramesha Dhungela, postgraduálního studenta na University of Idaho,[2] který se připojil k projektu s názvem „Produkce a integrace časové řady mřížkované evapotranspirace pro aplikace zavlažování, hydrologie a dálkového průzkumu Země“ pod vedením profesora Richarda G. Allena.[3]

V roce 2012 byla původní verze krajina model byl vyvinut pomocí Krajta LÍNÝ prostředí pomocí údajů o počasí NARR (~ 32 kilometrů).[1] Dhungel předložil disertační práci v roce 2014, kde se model nazýval BATANS (zpětně zprůměrované numerické řešení se dvěma zdroji).[1][2] Model byl poprvé publikován v Meteorologické aplikace časopis v roce 2016 pod názvem BAITSS jako rámec pro interpolaci ET mezi satelit nadjezd, když tepelná povrchová teplota není k dispozici.[1] Celková koncepce zpětného průměrování byla zavedena, aby se urychlil proces konvergence iteračně řešených složek energetické bilance povrchu, které mohou být časově náročné a často mohou trpět nekonvergencí, zejména při nízkých rychlost větru.[1]

V roce 2017 byl model krajiny BAITSSS skriptován v Pythonu skořápka, dohromady s GDAL a NumPy knihovny využívající údaje o počasí NLDAS (~ 12,5 kilometrů).[1] Podrobný nezávislý model byl vyhodnocen proti vážení lysimetr měřeno ET, infračervená teplota (IRT) a čistý radiometr z tolerantní k suchu kukuřice v Conservation and Production Research Laboratory in Bushland, Texas podle skupiny vědci z USDA-ARS a Kansaská státní univerzita mezi lety 2017 a 2019.[1] Některý pozdější vývoj BAITSSS zahrnuje fyzicky založené komponenty produktivity plodin, tj. biomasa a výnos plodiny výpočet.[1][4][5]

Odůvodnění

Hlavní součásti modelu BAITSSS ET

Většina dálkový průzkum Země založeno okamžitě ET modely používají odpařovací frakci (EF) nebo referenční ET zlomek (ETrF), podobně jako plodinové koeficienty, pro výpočet sezónních hodnot těmto modelům obecně chybí půda vodní bilance a Zavlažování komponenty v povrchové energetické bilanci.[1] Dalšími omezujícími faktory je závislost na tepelný -na základě radiometrické povrchová teplota, který není vždy k dispozici na vyžádání časové rozlišení a často zakryté faktory, jako je oblačnost.[1][6] K vyplnění těchto mezer byl vyvinut BAITSSS dálkový průzkum Země založené modely osvobozující používání tepelný -na základě radiometrické povrchová teplota a sloužit jako digitální sledovač plodin, který simuluje vysokou hladinu temporální (hodinové nebo dílčí hodiny) a prostorové rozlišení (30 Metr ) ET mapy.[1][7][8] BAITSSS využívá dálkový průzkum Země na základě baldachýn informace o formování, tj. odhad sezónních výkyvů vegetační indexy a stárnutí.[1]

Přístup a struktura modelu

Rovnováha povrchové energie je jedním z běžně používaných přístupů ke kvantifikaci ET (latentní teplo tok ve smyslu tok ), kde jsou proměnné počasí a vegetační indexy jsou hnací silou tohoto procesu. BAITSSS přijímá četné rovnice pro výpočet povrchové energetické bilance a odporů, kde primárně jsou z Javis, 1976,[9] Choudhury a Monteith, 1988,[10] a aerodynamický metody nebo rovnice vztahu gradientu toku[11][12] se stabilizačními funkcemi spojenými s Teorie podobnosti Monin – Obukhov.

Základní fundamentální rovnice

Tok latentního tepla (LE)

The aerodynamický nebo rovnice gradientu toku tok latentního tepla v BAITSSS jsou zobrazeny níže. je sytost tlak páry na baldachýn a je pro půdu, je okolní tlak páry, rac je hromadný mezní vrstva odpor vegetativních prvků ve vrchlíku, rah je aerodynamický odpor mezi posunem nulové roviny (d) + délka drsnosti hybnosti (zom) a výška měření (z) z rychlost větru, rtak jako je aerodynamický odpor mezi výškou podkladu a vrchlíku (d + zom) a rss je odpor povrchu půdy.[1]

Schéma BAITSSS tok latentního tepla (LE) a citelný tepelný tok (H) jako elektrická analogie vykazující různé odpory (odpor povrchu půdy: rss a odolnost vrchlíku: rsc) a povrchové teploty (teplota vrchlíku: TC a teplota povrchu půdy: Ts).

Citelný tepelný tok (Ruka povrchová teplota výpočet[1]

Rovnice gradientu toku citelný tepelný tok a povrchová teplota v BAITSSS jsou uvedeny níže.

Odpor vrchlíku (rsc)

Typická rovnice Jarvisova typu rsc přijatý v BAITSSS je uveden níže, Rc-min je minimální hodnota rsc, LAI je index listové oblasti, fC je zlomek baldachýn kryt, váhové funkce představující reakci závodu na solární radiace (F1), teplota vzduchu (F2), deficit tlaku par (F3), a vlhkost půdy (F4) každý se pohybuje mezi 0 a 1.[1]

Data

Vstup

Hodinová průměrovaná iterativně vyřešená povrchová teplota z BAITSSS (kompozitní povrch) ve srovnání s naměřenou infračervenou teplotou (IRT) a teplotou vzduchu kukuřice mezi 22. květnem a 28. červnem 2016 poblíž Bushlandu v Texasu.

ET modely obecně potřebují informace o vegetace (fyzikální vlastnosti a vegetační indexy ) a stav prostředí (údaje o počasí) pro výpočet spotřeby vody. Požadavky na primární údaje o počasí v BAITSSS jsou sluneční záření (R.s ↓), rychlost větru (uz), teplota vzduchu (TA), relativní vlhkost (RH) nebo specifická vlhkost (qA), a srážky (P). Vegetační indexy požadavky v BAITSSS jsou index listové oblasti (LAI) a zlomkové baldachýn kryt (fC), obecně odhadovaný z normalizovaný diferenční vegetační index (NDVI). Automatizovaný BAITSSS [1] umí počítat ET po celou dobu Spojené státy použitím Národní úřad pro oceán a atmosféru (NOAA) údaje o počasí (tj. Hodinové NLDAS: severoamerický systém datové asimilace dat v 1/8 stupeň; ~ 12,5 km), Vegetační indexy ty, které získal Landsat a informace o půdě z SSURGO.

Výstup

BAITSSS generuje velké množství proměnných (toky, odpory a vlhkost) v mřížkové formě v každém časovém kroku. Nejčastěji používané výstupy jsou evapotranspirace, vypařování, transpirace vlhkost půdy, zavlažování částku a povrchová teplota mapy a časové řady analýza.

Vlastnosti modelu

Časové řady BAITSSS simulované denní kumulativní grafy kukuřice A) transpirace (T), b) vypařování (Ess), c) střední vlhkost půdy v kořenové zóně (θvykořenit), d) střední vlhkost půdy na povrchu (θsur), e) evapotranspirace (ET), f) mřížkovaný srážky (P) a simulované zavlažování (Járr; sloupcový graf) vzorkovaného pixelu na Sheridan 6 (SD-6) LEMA (100 ° 38 ′ 22 ″ W, 39 ° 21 ′ 38 ″ N) mezi 10. květnem a 15. zářím, Kansas, Spojené státy. Stín představuje maximum a minimum 5 let a černá čára představuje střední hodnotu.
VlastnostiPopis
Energetická bilance se dvěma zdrojiBAITSSS je model energetické bilance se dvěma zdroji (samostatná část půdy a vrchlíku), který je integrován zlomkem vegetačního krytu (fC) na základě vegetačních indexů.
Dvouvrstvá bilance vodní půdyBAITSSS simuluje vlhkost povrchu půdy (θsur) a vlhkost kořenové zóny (θvykořenit) vrstvy souvisejí s dynamikou odpařování (napřss) a transpirativní (T) tok. Kapilární vzestup (CR) z vrstvy pod kořenovou zónou do vrstvy kořenové zóny je zanedbáván. Půdní vlhkost v obou vrstvách je omezena na kapacitu pole (θfc).
Teplota povrchuBAITSSS iterativně řeší povrchová teplota invertování rovnic gradientu toku H na půda povrch (dolní indexy) (Ts) a baldachýn úroveň (dolní index c) (TC) pro každý časový krok pomocí nepřetržitých proměnných počasí a drsnost povrchu definován vegetační indexy.
Přízemní tepelný tok půdyBAITSSS odhaduje tepelný tok země (G) na povrchu půdy na základě citelného tepelného toku (Hs) nebo čisté záření (R.n_s) povrchu půdy a zanedbává G na vegetovaném povrchu.
TranspiraceVariabilní vodivost vrchlíku ve smyslu baldachýn odpor (rsc), založený na algoritmu typu Jarvis se používá k výpočtu transpirace.
VypařováníVypařování (Ess) v BAITSSS se počítá na základě půda odpor (rss) a půda obsah vody v půda povrchová vrstva (horních 100 milimetrů) půda vodní bilance ).
ZavlažováníBAITSSS simuluje zavlažování (Irr ) v zemědělský krajiny[13][14] napodobováním a výklopný kbelík přiblížení (aplikováno na povrch jako sprinkler nebo podpovrchová vrstva jako odkapávat ), pomocí správy povoleného vyčerpání (MAD) a režimů obsahu vody v půdě v hloubce zakořenění (nižší 100-2000 milimetrů vrstvy půdy).
Biomasa a výnosBAITSSS počítá nad biomasu z transpirace účinnost normalizovaná o deficit tlaku par a frakce zrn empirickou funkcí biomasa.

Aplikace a uznání zemědělského systému

Program BAITSSS byl implementován k výpočtu ET na jihu Idaho pro rok 2008 a v severní Kalifornii pro rok 2010.[1] Byl použit k výpočtu kukuřice a čirok ET v Bushland, Texas pro rok 2016 a více plodin na severozápadě Kansas pro období 2013–2017.[1][15][16][4] BAITSSS byl široce diskutován mezi vrstevníci po celém světě, včetně Bhattarai a kol. v roce 2017 a Jones a kol. v roce 2019.[17] Výbor pro zemědělství, výživu a lesnictví Senátu Spojených států uvedena BAITSSS v jeho klimatická změna zpráva.[18] BAITSSS byl také zahrnut v článcích v Vláda s otevřeným přístupem,[6][19] Landsat vědecký tým,[20] Časopis Grass & Grain,[21] Národní systém pro správu a podporu informací (NIMSS), [22] pozemské ekologické modely, [23] a klíčový příspěvek výzkumu související s odhadem citlivého tepelného toku v ET modelech založených na dálkovém průzkumu. [24]

V září 2019 severozápad Kansas Oblast pro správu podzemních vod 4 (GMD 4) spolu s BAITSSS získala národní uznání od Americká asociace pro rozvoj vědy (AAAS). [25][26][15][27][28][29] AAAS zdůraznilo 18 komunit v USA, které reagují klimatická změna[30][31][32] počítaje v to Sheridan County, Kansas prodloužit životnost Ogallala Aquifer minimalizací spotřeby vody tam, kde je to možné vodonosná vrstva se rychle vyčerpává kvůli rozsáhlým zemědělským postupům. AAAS diskutovali o vývoji a použití složitých ET model BAITSSS a Dhungel's a další vědci úsilí podporující účinné využívání vody v Sheridan County, Kansas.[15]

Simulovaná kumulativní sezónní evapotranspirace (mm při 30 m prostorovém rozlišení) z hodinových údajů o počasí z NLDAS a Vegetační indexy z Landsat používání automatizovaných BAITSSS za předpokladu 0,5 MAD mezi 10. květnem a 15. zářím 2013 pro regulovaný okres pro správu podzemních vod; SD-6 LEMA, Kansas, Spojené státy (černé kruhy, práva na vodu tvary).

Dále Regionální poradní výbor Horního republikána v Kansas (Červen 2019)[16] a GMD 4[33] diskutovali o možných přínosech a využití BAITSSS pro správu využívání vody, vzdělávací účel a sdílení nákladů. Krátký příběh o úsilí Ogallala Aquifer Conservation od Kansas State University a GMD4 pomocí ET modelu byl publikován v Zprávy o Matce Zemi (Duben / květen 2020). [34]

Příklad aplikace

Dhungel et al., 2020,[1] v kombinaci s vědci z polních plodin, systémovými analytiky a okresy vodohospodáři, aplikoval BAITSSS v okrese vodní hospodářství úroveň se zaměřením na sezónní ET a roční podzemní voda sazby za výběr na Sheridan 6 (SD-6) Local Enhanced Management Plan (LEMA) for five years period (2013-2017) in northwest, Kansas, Spojené státy. BAITSSS simulované zavlažování byla porovnána s hlášenou zavlažování stejně jako odvodit deficit zavlažování v rámci voda správně řídící jednotky (WRMU). v Kansas, podzemní voda čerpací záznamy jsou právní dokumenty a spravuje je Kansas Division of Water Resources. Sezónní dodávka vody byla porovnána se simulovaným BAITSSS ET jako dobře napojená oříznutí voda stav.

Výzvy a omezení

Simulace hodinových ET při 30 m prostorovém rozlišení pro sezónní časová stupnice je výpočetně náročná a datově náročné.[1][35] Nízká rychlost větru komplikuje také konvergenci složek povrchové energetické bilance.[1] Rovesnická skupina Pan et al. v roce 2017 [14] a Dhungel a kol., 2019 [1] poukázal na možnou obtížnost parametrizace a validace těchto druhů modelů založených na rezistenci. Simulované zavlažování se může lišit od skutečně aplikovaného v poli.[1]

Viz také

  • METRICKÝ, další model vyvinutý University of Idaho, který využívá satelitní data Landsat k výpočtu a mapování evapotranspirace
  • SEBAL, používá k odhadu aspektů energetické bilance povrchu hydrologický cyklus. SEBAL mapuje evapotranspiraci, růst biomasy, nedostatek vody a vlhkost půdy

Reference

  1. ^ A b C d E F G h i j k l m n Ó str q r s t u proti w Recenzované příspěvky od Dhungel a dalších:
  2. ^ A b Dhungel, Ramesh (květen 2014). „Časová integrace evapotranspirace pomocí modelu povrchové energetické bilance se dvěma zdroji pomocí údajů o počasí Narr Reanalysis a metrických dat založených na satelitu“. Citováno 2019-10-19 - přes University of Idaho digitální knihovna.
  3. ^ „Univ of Idaho submission to: Producing and Integrating Time Series of Gridded Evapotranspiration for Irrigation Management, Hydrology and Remote Sensing Applications“. Informační systém pro výzkum, vzdělávání a ekonomiku (REEIS). Ministerstvo zemědělství USA. Citováno 2019-11-02.
  4. ^ A b „Efektivní zemědělská vodohospodářská strategie s biofyzikálním algoritmem evapotranspirace (BAITSSS)“.
  5. ^ „Zemědělská ekonomika, zaměstnanci, programy a publikace - Kansas State University“ (PDF).
  6. ^ A b Eccleston, Sally (2018-11-30). „Voda pro růst rostlin: základ globálního zásobování potravinami a ekosystémových služeb“. Vláda s otevřeným přístupem. Citováno 2019-11-13.
  7. ^ "'Je to všechno o vodě, setkání globálních potravinových systémů “. www.k-state.edu. Citováno 2019-10-21.
  8. ^ „Nástroje nové generace pro evapotranspiraci krajiny: je to možné?“. ASA, CSSA a SSSA - Mezinárodní výroční zasedání ASA, CSSA a CSA. Citováno 2019-05-11.
  9. ^ Jarvis, P.G. (1976). Interpretace variací potenciálu listové vody a vodivosti ve stomatu zjištěná v přístřešcích v terénu. OCLC  709369248.
  10. ^ CHOUDHURY, BJ; MONTEITH, JL (15.01.1988). "Čtyřvrstvý model pro rozpočet tepla na homogenních povrchech půdy". Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 114 (480): 373–398. doi:10,1256 / smsqj.48005. ISSN  1477-870X.
  11. ^ Hatfield, J.L .; Baker, J.M .; Prueger, John H .; Kustas, William P. (2005), „Aerodynamické metody pro odhad turbulentních toků“, Mikrometeorologie v zemědělských systémechAmerická zemědělská společnost, Americká zemědělská společnost a Soil Science Society of America, doi:10.2134 / agronmonogr47.c18, ISBN  978-0-89118-268-9
  12. ^ Pagán, Brianna; Maes, Wouter; Gentine, Pierre; Martens, Brecht; Miralles, Diego (2019-02-18). „Zkoumání potenciálu satelitní solární indukované fluorescence k omezení odhadů globální transpirace“. Dálkový průzkum Země. 11 (4): 413. Bibcode:2019POZNÁMKY ... 11..413P. doi:10,3390 / rs11040413. ISSN  2072-4292.
  13. ^ On, Ruyan; Jin, Yufang; Kandelous, Maziar; Zaccaria, Daniele; Sanden, Blake; Snyder, Richard; Jiang, Jinbao; Hopmans, leden (05.05.2017). „Odhad evapotranspirace nad mandlovým sadem pomocí družicových pozorování Landsat“. Dálkový průzkum Země. 9 (5): 436. Bibcode:2017REMS .... 9..436H. doi:10,3390 / rs9050436. ISSN  2072-4292.
  14. ^ A b Pan, Xin; Liu, Yuanbo; Gan, Guojing; Ventilátor, Xingwang; Yang, Yingbao (2017). „Odhad evapotranspirace pomocí neparametrického přístupu za všech okolností: vyhodnocení přesnosti a analýza chyb“. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 10 (6): 2528–2539. Bibcode:2017IJSTA..10.2528P. doi:10.1109 / JSTARS.2017.2707586. ISSN  1939-1404. S2CID  43662524.
  15. ^ A b C „Farmáři v Kansasu minimalizují spotřebu vody, protože jižní nížiny jsou stále suchější“. Jak reagujeme. Citováno 2019-09-20.
  16. ^ A b „Regionální poradní výbor pro horní republikány“ (PDF). kwo.ks.gov. Citováno 2019-09-21.
  17. ^ Diskuse mezi vrstevníky:
  18. ^ „Peer-reviewed Research on Climate Change by Climate Change by Autoři USDA leden 2017 - srpen 2019“ (PDF).
  19. ^ "Novinky | Ogallala Aquifer Program". ogallala.tamu.edu. Citováno 2019-11-13.
  20. ^ „Publikace vědeckého týmu Landsat“.
  21. ^ „Sheridan 6 LEMA příběh o úspěchu v ochraně a správě vod“.
  22. ^ „Fyzika půdy, vody a životního prostředí k udržení zemědělství a přírodních zdrojů“.
  23. ^ Li, Sinan; Zhang, Li; Ma, Rui; Yan, Min; Tian, ​​Xiangjun (01.01.2020). „Vylepšená asimilace ET začleněním pozorování vlhkosti půdy SMAP pomocí modelu sdruženého procesu: Studie suchých a polosuchých oblastí USA“. Journal of Hydrology. 590: 125402. doi:10.1016 / j.jhydrol.2020.125402. ISSN  0022-1694.
  24. ^ Mohan, M. M. Prakash; Kanchirapuzha, Rajitha; Varma, Murari R. R. (2020-10-15). „Přehled přístupů k odhadu citelného tepelného toku v evapotranspiračních modelech založených na dálkovém průzkumu Země“. Journal of Applied Remote Sensing. 14 (4). doi:10.1117 / 1.JRS.14.041501. ISSN  1931-3195.
  25. ^ Jak reagujeme - komunity a vědci podnikající kroky v oblasti změny klimatu, vyvoláno 2019-11-14
  26. ^ „Jak reagujeme: Příběhy reakce komunity na změnu klimatu“. Jak reagujeme. Citováno 2019-09-18.
  27. ^ „GMD 4“. www.gmd4.org. Citováno 2019-11-11.
  28. ^ „Kansas Rural Water Association> ONLINE ZDROJE> Novinky“. krwa.net. Citováno 2019-11-12.
  29. ^ „Report reflektory Sheridan County úsilí o změnu klimatu“. Pokrok na farmě. 2019-09-20. Citováno 2019-11-12.
  30. ^ "'Jak reagujeme na reflektory toho, jak americké komunity řeší dopady změny klimatu “. EurekAlert!. Citováno 2019-11-18.
  31. ^ „Science Magazine“ (PDF).
  32. ^ „Jak se americké komunity připravují na dopady změny klimatu • Earth.com“. Earth.com. Citováno 2019-11-18.
  33. ^ Kansas GMD 4 zápisy ze schůzky:
  34. ^ „Města směřují k obnovitelné energii pro tranzit“.
  35. ^ „Point to Landscape-Scale: Traits in Agroecology“. Oblast věd o Zemi a životním prostředí. Citováno 2020-06-12.

externí odkazy