Ανάλυση και εκτίμηση θερμοκρασιών εδάφους

Abstract

Η θερμοκρασία εδάφους και οι διακυμάνσεις της επιδρούν στον καθορισμό των φυσικών διεργασιών του εδάφους ενώ ταυτόχρονα αποτελούν, σημαντική παράμετρο για την ύπαρξη και την διατήρηση των δασικών και γεωργικών οικοσυστημάτων, μέσω χημικών και βιολογικών διεργασιών όπως η βλάστηση των σπόρων, η ανάπτυξη των φυταρίων, η αύξηση και η μορφολογία των ριζών, η πρόσληψη θρεπτικών συστατικών και η μικροβιακή δραστηριότητα. Επίσης, στα πλαίσια των περιβαλλοντικών επεκτάσεων της Αγρομετεωρολογίας, η γνώση της θερμοκρασίας εδάφους αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για τη διερεύνηση διεργασιών που υφίστανται οι δραστικές ουσίες φυτοπροστατευτικών, καθώς και για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητα των διαφόρων τεχνικών απολύμανσης των παράσιτων και παθογόνων στα καλλιεργήσιμα εδάφη. Τέλος η θερμοκρασία του εδάφους αποτελεί επίσης, σημαντική παράμετρο για εφαρμογές βιοκλιματικού σχεδιασμού, όπως η παθητική θέρμανση και ψύξη κτιρίων και θερμοκηπιακών εγκαταστάσεων. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάλυση και η εκτίμηση των θερμοκρασιών εδάφους. Για την ανάλυση αξιοποιήθηκαν οι διαθέσιμες μετρήσεις της θερμοκρασίας του εδάφους του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, για την περίοδο 1991-2008, για την αξιολόγηση των ακόλουθων θερμικών χαρακτηριστικών του εδάφους: το πλάτος των εποχιακών διακυμάνσεων της θερμοκρασίας αυτού μέχρι το βάθος των 1.2 μέτρων, η χρονική επιβράδυνση του θερμοκρασιακού κύματος και η χρονική απόκλιση κατά την εμφάνιση των μεγίστων και ελαχίστων θερμοκρασιών στα διάφορα βάθη. Η εκτίμηση γίνεται με την χρήση ενός αριθμητικού μοντέλου. Το μοντέλο περιλαμβάνει την προσομοίωση της θερμοκρασίας επιφάνειας για την εκτίμηση του ανώτερου ορίου της, με χρήση της βασικής εξίσωσης του ενεργειακού ισοζυγίου στην διαχωριστική επιφάνεια ατμόσφαιρας-εδάφους και την προσομοίωση της θερμοκρασίας εντός της εδαφικής κατατομής έχοντας ως βάση την μονοδιάστατη μερική διαφορική εξίσωση θερμικής ροής στο έδαφος. Η προσομοίωση γίνεται με χρονικό βήμα 1 ημέρας. Για την εφαρμογή του μοντέλου χρησιμοποιούνται ημερήσια δεδομένα από τον αυτόματο σταθμό του Ε.Α.Α. στο Θησείο και τα οποία χρησιμοποιούνται ως είσοδοι του μοντέλου. Με σκοπό την εκτίμηση της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων του μοντέλου, εφαρμόστηκε ο συντελεστής προσδιορισμού R2. Λαμβάνοντας υπόψιν τα αποτελέσματα συμπεραίνεται ότι το μοντέλο προσομοιώνει επαρκώς την κατανομή των θερμοκρασιών εδάφους.

Soil temperature and variations affect the determination of natural processes of soil, while at the same time they are considered as an important factor in the existence and conservation of forest and agricultural ecosystems, through chemical and biological processes such as seed germination, seedling growth, roots development and morphology, uptake of nutrients and microbial activity. Concerning the environmental extensions of Agrometeorology, the knowledge of soil temperature is crucial in the investigation of processes undergoing in pesticides and the evaluation of the effectiveness of various temperature is an important parameter for bioclimatic design applications, such as passive heating and cooling of buildings as well as agriculture greenhouses. The aim of the present study is the analysis and the prediction of soil temperatures. For the purpose of analysis, the available ground temperature measurements of National Observatory of Athens (N.O.A.) for the period 1991 until 2008 were used for the evaluation of the following thermal soil characteristics: the amplitude of the seasonal changes in soil temperatures up to 1.2 m depth, the retardation in time of the temperature wave, and the time lags of the maximum and minimum temperatures for various depths. For the prediction a numerical model was used. The model simulates the surface temperature in order to estimate its upper boundary, by using the basic equation of energy balance at the atmosphere-soil interface, as well as the temperature in the soil profile, based on the one dimensional differential soil heat flow ground equation. The simulation occurs on a daily time step.The application of the model used daily data from the automatic station E.A.A. at Thissio (Athens Greece), in order to be used as input data to the model. In order to evaluate the reliability of the model’s results, the determination coefficient R2 was used. Considering the results, it is concluded that the model simulates the distribution of soil temperature adequately.