دانلود رایگان ترجمه مقاله شبیه سازی اثرات جهتی مادون قرمز حرارتی (ساینس دایرکت – الزویر 2016)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

مدل RL پارامتریک
2.1. فرمول بندی تحلیلی
مدل RL با توجه به مدل انعکاسی پیشنهادی توسط روجین (2000) با جایگزین کردن انعکاس (رابطه 25 در مقاله روجین) با دمای سطحی به دست آمده است. جهت مطابقت تعریف نا همسانگردی ما در این تعریف (تفاوت بین دمای سمت القدم و خارج از سمت القدم) دمای سمت القدم (T_N) را که منجر به رابطه زیر می شود، معرفی کرده ایم (معادله 1 لاگوراده و اروین 2008):تفاوت اندازه های T(θ_s,θ_v.φ)- T_N نا همسانگردی برای یک زاویه مشاهداتی اوج مشخص (θ_v) و زاویه مشاهده ای آزیمومت (φ_v) ارائه شده است. تفاوت (T_HS-T_N ) (تحت عنوان ΔT_HS ) به صورت نا همسانگردی در هندسه نقطه داغ می باشد (اندیس HS نشان دهنده نقطه داغ است). θ_s زاویه اوج خورشید بوده و φزاویه آزیمومت نسبی بین خورشید (φ_s) و ناظر (φ_v) می باشد. بایستی توجه داشت که در این منظور از نقطه داغ بیشترین مقدار دمای روشنایی به دست آمده هنگام مشاهده انطباق جهت با جهت خورشید می باشد (خورشید در پشت فرض شده است): این موضوع ناشی از این حقیقت است که در جهت واقعی خورشید، هدف تنها المان های روشن شده از انعکاس نور خورشید می باشد که به عنوان گرم ترین نمونه ها نیز مطرح می باشند. هنگام مشاهده جهت صرف نظر از خورشید، می توان المان های بسیار زیادی را به وسیله حسگر مشاهده کرد که موجب کاهش دمای جهتی اندازه گیری شده می گردد. بنابراین هر دو نقطه داغ در ناحیه حرارتی و در ناحیه طیفی مادون قرمز (VNIR) قابل مشاهده مرتبط با یک پیکره بندی هندسی با مقداری تفاوت می باشند. در VNIR ناهمسانگردی جهتی اساسا به وسیله فرآیند های انتقال تابشی در سایبان حکم فرما می شود. در حوزه TIR انتقال انرژی به شرایط فیزیکی DA افزوده می شود. در حوزه TIR انتقال انرژی ترکیبی به شرایط فیزیکی DA افزوده می شوند. در واقع، این موضوع موجب حاکم شدن پروفیل قائم دمای سطحی در سایبان بر اساس شاخص های مشاهده شده آن توسط حسگر می گردد. این موضوع نشان دهنده وابستگی TIR DA با تمامی عوامل حاکم بر تبادل انرژی می باشد: سازه و ساختار سایبان (جهت تابش و همچنین نفوذ باد) شرایط هواشناسی، دسترسی آب جهت بخار آب و تعرق گیاه. علاوه براین، اثرات اینرسی حرارتی می توانند بر روی نا همسانگردی جهتی TIR تاثیر بگذارند. بر خلاف سایبان های شهری که در آنها یک انحراف کوچک در مورد موقعیت نقطه داغ نسبت به زوایای آفتار مشاهده می شود (لاگوراده و همکاران 2010)، هیچ گونه اثر قابل توجهی بر سایبان های گیاهی مشاهده نمی شود. همچنین بایستی توجه داشت که ما در این تحقیق تنها از یک سایبان گیاهی تیره استفاده می کنیم. در واقع این حالت برای سایبان شهری که طی آن معادله (1) به دست آمده است، صادق می باشد. همچنین، ما به ارزیابی کارایی آن برای گیاهان می پردازیم. حالت سایبان های ناقص مجزا مانند دشت ها (پینهیرو و همکاران 2006)، پوشش گیاهی گسترده (کابش و همکاران 2008؛ گالیویک و همکاران 2013) یا حتی محصولات خام (مانند مراکز تولید شراب لانگوراد و همکاران 2014) که در آن ناهمسانگردی جهتی TIR نشان دهنده الگو های متفاوت می باشند، در این تحقیق مورد بررسی قرار نخواهند گرفت.

شکل 1 نشان دهنده توانایی رابطه تحلیلی (3) جهت بیان نا همسانگردی با مقادیر دلخواه K=0.1 و 2 و ΔT_HS=1 و 3 درجه و با موقعیت خورشید (φ_S=210، θ_s=25) متناظر با زمان ثبت در ابتدای بعد از می باشد. پارامتر های K و ΔT_HS در این قسمت تنها جهت ایجاد محدوده ای واقعی از مقادیر نا همسانگردی ارائه شده اند. شکل 1a نشان دهنده نا همسانگردی جهتی (رنگ خاکستری) شبیه سازی شده به وسیله RL (با K=2 و ΔT_HS=3) می باشد. در این قسمت نمایش نمودار در مختصات قطبی مورد استفاده قرار گرفته است (لاگوراد و همکاران 2010). این قسمت نشان دهنده جهت نمایش (نسبت به موقعیت ناظر) می باشد: شعاع بر اساس زاویه دید آزیموت φ_v جهت گیری شده اند و دوایر هم محور متناظر با زوایای دید اوج θ_v می باشند. روش ساده تصور این نمودار، فرض کردن وجود یک ناظر فرض کننده قرار گرفته در محور قائم عبوری از نمودار قطبی و توجه به سطح در جهات متناظر با جهات نمودار قطبی می باشد. به طور مثال در صورتی که ناظر به سمت جلو N-NE نگاه کند (φ_v=30، با زاویه نمای اوج θ_v=25، حداکثر ناهمسانگردی شکل می گیرد. این موضوع با حقیقت بیان می شود که المان های سایبان به صورت مستقیم نسبت به خورشید قرار گرفته اند. آنها نشان دهنده گرم ترین المان ها می باشند، زیرا آنها تنها متمرکز بر اثر تابش مستقیم برخورد به سطح می باشند. حداکثر اثر نا همسانگردی هنگامی به دست می آید که نمای سطح در جهت دقیق مطابق با خورشید باشد و خورشید در پشت المان قرار گیرد که این حالت تحت عنوان نقطه داغ شناخته می شود. موقعیت خورشید نیز در شکل 1a با رنگ سفید در موقعیت مخالف با نقطه داغ در دیاگرام قطبی نشان داده شده است.
ساختار جهتی نا همسانگردی نشان داده شده به وسیله معادله (3) تقریبا مطابق با نتایج آزمایشگاهی قبل (نمودار قطبی شکل 2 در این مقاله با توجه به تحقیق لاگوراده و همکاران 2010، 2000). می باشد.
شکل 1b نشان دهنده نا همسانگردی (ΔT(θ_v, θ_s,0 محاسبه شده با توجه به معادله 3 شبیه سازی شده با RL در صفحه اصلی خورشید برای چهار حالت می باشد (K=0.1 و ΔT_HS=1C؛ K=0.1 و ΔT_HS=3c، k=2 و ΔT_HS=1، k=2 و ΔT_HS=3C). مطابق انتظار، ΔT_HS موجب حکم فرما شدن نا همسانگردی در نقطه داغ می گردد در حالی که K شکل تغییرات نا همسانگرادی را با زوایای دید اوج تنظیم می کند. افزایش مقدار K نشان دهنده کاهش دامنه نا همسانگردی در محدوده تغییرات θ_v با شکل تیز تر نا همسانگردی در اطرف نقطه داغ می باشد. این رفتار مطابق انتظار می باشد، به طوری که مرتبط با ارائه تابع f بوده و همچنین در شکل 3 مقاله روجین (2000) نشان داده شده است.
مقادیر k و ΔT_HS تحت عنوان پارامتر های مدل RL دارای یک مقدار یکسان نمی باشند. بر اساس تحقیق روجین (2000)، k در محدوده اپتیکال دارای ارتباط نزدیکی به سازه سایبان در یک شاخص ناحیه صفحه ای مشخص LAI بوده و به وسیله LAI/4 برای یک شاخ و برگ تصادفی (مانند سایبان کروی) قابل جهت گیری می باشد. احتمال استفاده از این تقریب برای TIR به صورت دقیق تر در بخش 3.3 مورد ارزیابی قرار می گیرد. متغیر ΔT_HS که به تعیین پدیده نقطه داغ می پردازد، بستگی به فرآیند اعمال هواشناسی در سطح و بر روی وضعیت آب سطحی دارد. بنابراین ΔT_HS به عنوان اولویت و به عنوان یک متغیر که بیان آن دشوار می باشد، اشاره می شود.
در این مقاله، ما تنها توانایی مدل RL را جهت نشان دادن نا همسانگردی جهتی مورد بررسی قرار می دهیم. این موضوع به عنوان یک عامل ضروری پیش از انجام صحت سنجی به شمار می آید که بایستی در قسمت دوم انجام شود. در واقع، این فرآیند در ابتدا به کالیبراسیون مدل نیاز دارد به نحوی که بایستی بتوان پارامتر های K و ΔT_HS را نسبت به شرایط موجود برآورد کرد. این موضوع در انتهای مقاله مورد اشاره قرار می گیرد. بنابراین پروتوکل مورد نظر ما جهت دستیابی به بهترین توجیه از پارامتر های مدل RL در یک وضعیت آماری بر روی مجموعه داده ها تشکیل شده است که به صورت اندازه گیری یا شبیه سازی می باشد. این موضوع موجب ارائه برآوردی از مقادیر ΔT_HS و k حاصل از روش معکوس سازی جهت ارزیابی نهایی خطا و ارزیابی دقت می گردد.

2.1. ارزیابی آزمایشگاهی RL
2.1.1. داده های آزمایشگاهی
این بخش در تلاش است تا سازگاری مدل RL را به وسیله یک مقایسه نسبت به پایگاه های داده آزمایشگاهی موجود نشان دهد. اندازه گیری ها در طی 2 آزمایش میدانی انجام شده در شهر (لاگوراده و اروین 2008) و یک سایبان جنگلی (لاگوراده و همکاران 2000) به دست آمده اند. پروتوکل اندازه گیری مبتنی بر استفاده از دوربین های هوایی TIR مستقر بر روی یک هواپیمای کوچک می باشد. دوربین ها مجهز به لنز های زاویه گسترده بوده و در بالای هواپیما با یک زاویه انحراف جهت افزایش محدوده زوایای اوج مشاهده ای مورد بررسی مستقر شده اند. چندین خطر پرواز کوتاه که در جهت مخخالف در حال پرواز بوده اند، همگی در مرکز ناحیه مورد نظر به یکدیگر رسیده اند (ناحیه شهری یا جنگل). خط اول در صفحه خورشیدی اصلی به پرواز در آمده و خط دوم در صفحه عمود پرواز کرده است. سپس خطوط اضافی در جهت هایی با زاویه ±45 درجه از صفحه اصلی نشان داده شده اند. ترکیب هشت قطعه پروازی موجب به دست آوردن اندازه گیری های جهتی TIR برای زوایای اوج θ_v تا مقدار 60 درجه با پوشش کلی همه جهت های مشاهداه ای آزیموت می گردد. اساس این روش مبتنی بر این حقیقت است که این روش به میانگین گیری نا همگنی های مکانی ناحیه مورد مطالعه (خیابان ها، حیات ها، میدان ها، نواحی کوچک و غیره) و تغییرات زمانی (ناشی از فشار جریان اتسمفری، لاگوراده و همکاران 2015) می پردازد. می توان جزئیات دقیق پروتوکل را در دو مقاله مرجع فوق از لاگوراده و همکاران (2000) و لاگوراده و اروین (2008) مشاهده کرد.
ناحیه شهری مرکز شهر تولوز بوده و در چارچوب آزمایش CAPITOUL (میسون و همکاران 2008) مورد مطالعه قرار گرفته است. مرکز شهر تولوز ناحیه ای حدود 2x3km می باشد. این قسمت به صورت متراکم با حیات های کوچک یا باغ ها درون واحد های ساحتمانی ساخته شده است و دارای پوشش گیاهی بسیار کم (حدود %8) در چند خیابان یا در پارک ها می باشد. بیشتر ساختمان ها قدیمی بوده و مصالح استفاده شده شامل آجر برای دیوار و کاشی برای بام می باشد. میانگین ارتفاع دیوار ها حدود 15 متر است. خیابان ها در تمامی جهات جهت گیری شده و دارای عرض های مختلفی می باشند. یک مطالعه یکنواخت به صورت دلخواه با تفسیر تصاویر هوایی انجام شده است؛ این ناحیه به اندازه کافی جهت در نظر گرفتن المان های مشخصه مرکز شهر و جهت استخراج نا همسانگردی TIR نمایشی بزرگ می باشد.
آزمایش دوم در یک باغ درختان کاج در لی بری (44.44 شمالی و 0.46 غربی)، به عنوان محل آزمایشگاهی INRA واقع در نزدیکی بوردو انجام شده است. این ناحیه دارای یک باغ 350x500m با قدمت 26 ساله با میانگین ارتفاع 17.6 متر برای درختان (در سال 1996) می باشد. تراکم این ناحیه به میزان 518 اصله درخت در هر هکتار می باشد. میانگین فاصله بین درختان 4.7 متر است. LAI حدود 3.1 است. زمین به صورت کامل توسط سایبان پوشانده نشده است و سطح پوشش آن به میزان حدود %70 برآورد می شود. علاوه براین، باغ به صورت ردیفی (با زاویه حدود 35 درجه آزیموت از شمال) کاشته شده است، اما فاصله بین ردیف ها و درختان (4 و 4.7 متر) تقریبا مشابه بوده و باغ به صورت یکدست و یکنواخت می باشد.
برای قسمت های 2 سطحی، اندازه گیری ها در میانه روز انتخاب شده اند. جدول 1 نشان دهنده موقعیت خورشید در شروع و انتهای هر مرحله می باشد.
برای هر توالی اندازه گیری (برای هر نمودار قطبی آزمایشگاهی)، برازش مدل RL و بازیابی ΔT_HS و K در بازه [0,50] زوایای اوج با گام 1 درجه و در بازه [0,360] با گام 1 درجه برای جهت های آزیموت انجام شده است. بدین منظور، ما از روش بهینه سازی خودکار fminsearch پیشنهادی در جعبه ابزار بهینه سازی متلب استفاده کرده ایم.

2.2.2. ارزیابی RL نسبت به یک سایبان شهری
آزمایش اول مدل RL نسبت به داده های آزمایشگاهی برای مرکز تولوز در دو تاریخ سال های 2004 و 2005 پیشنهاد شده است (4 اکتبر حدود ساعت 11 و 25 فوریه ساعت 14:10). بایستی توجه داشت که با توجه به موقعیت محل نزدیک به طول جغرافیایی 0، می توان زمان ها را به صورت مشابه بر حسب UTC یا LTC در این مقاله بیان کرد. از UTC در این مقاله استفاده می شود. تاریخ های پاییز و زمستان موجب شده است تا نقطه داغ متناظر با زوایای خورشیدی اوج بزرگ حدود 50 و 60 درجه باشد و مدل نسبت به نا همسانگردی اندازه گیری شده نسبت به صفحه اصلی برازش شده است (با جمع تمامی اندازه گیری ها در صفحات تشکیل شده بین صفحه خورشیدی اصلی). تناظر بین اندازه گیری ها و شبیه سازی های RL به عنوان نتیجه ای از بهترین برازش به صورت نسبتا مناسب با ضریب همبستگی 0.96 و 0.93 و خطای جذر میانگین ریشه (RMSE) 0.5 درجه و 1 درجه برای 4 اکتبر و 25 اکتبر می باشند (شکل 11 مقاله لاگوراده و اروین 2008).
نتایج ارائه شده نسبت به شهری مشابه در طی آزمایش CAPITOUL مشابه در شرایط تابستانی (15 ژولای 2004) با برازش مدل RL بر کل پایگاه داده آزمایشگاهی برای تمامی جهات آزیموت و برای زوایای دید اوج 0≤θ_v≤50 به دست آمده اند. نتایج در شکل 2a و b برای ساعت 11:30 UTC و در شکل 2d و e برای ساعت 14:00 UTC نشان داده شده اند.
تناظر کلی برای هر دو حالت برقرار می باشد. تغییرات موقعیت نقطه داغ با زمان روز نیز نشان داده شده است. با این حال توزیع مقادیر نا همسانگردی در اطراف نقطه داغ در داده های آزمایشگاهی برای جهت های دید آزیموت نسبت به شمال، غرب و شرق قابل مشاهده می باشند. این موضوع برای زمان موجود، غیر قابل توصیف می باشد، اما می توان آن را مرتبط با جهت های خیابان در شهر (دو بلوار عمود NW-SE جهت گیری شده و NE-SW در تصاویر هوایی شهر (شکل 1 تحقیق لاگوراده و همکاران 2010)) دانست. نمودار های توزیع در شکل های 2c و f نشان دهنده درجه اطمینان مدل RL می باشند. می توان تمایل RL به برآورد دست پایین اندازه گیری ها برای زوایای اوج بزرگتر از 40 درجه را مشاهده کرد. انحراف گروهی از نقاط از خط 1:1 در شکل 2c مرتبط با توزیع اندازه گیری های آزمایشگاهی در اطراف نقطه داغ مطابق توضیحات فوق می باشد. علی رغم این موضوع، علائم جهتی به خوبی با ضریب همبستگی بزرگتر 0.8 و RMSE کمتر از 1 درجه به تصویر کشیده شده اند.