KO'P YILLIK VA KO'P JOYLIK EDDI KOVARIATSIYA MA'LUMOTLARINI BAHOLASHDA REL'EFNING AHAMIYATI

16 KO‘P YILLIK VA KO‘P JOYLIK EDDI KOVARIATSIYA MA’LUMOTLARINI BAHOLASHDA REL’EFNING AHAMIYATI Ravshan Eshonqulov Abdurazakovich Iqtisodiyot va pedagogika universiteti, Umummetodologik fanlar kafedrasi professori, t.f.d. (DSc), E-mail: [email protected] Dilnoza Mamatova Navro‘zovna Qarshi davlat texnika unievrsiteti, Ekologiya va atrof-muhit muhofazasi kafedrasi assistenti Uchqun Raximov Uktamovich Qarshi davlat texnika unievrsiteti, Ekologiya va atrof-muhit muhofazasi kafedrasi assistenti Nurbek G‘afforov Uyg‘un o‘g‘li Iqtisodiyot va pedagogika universiteti, Umummetodologik fanlar kafedrasi assistenti DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.17664972 Abstrakt. Eddy kovariatsiya (EC) usuli orqali olingan energiya balansi ko‘pincha to‘liq yopilmaydi. Bu holat EC asosidagi oqim ma’lumotlarini tahlil qilish va izohlashda eng muhim muammolardan biri bo‘lib qolmoqda. Energiya balansining yopilishi (EBY) esa mintaqaviy hamda global iqlim modellarini tasdiqlash va takomillashtirish uchun juda katta ahamiyatga ega. Agroekotizimlarda EBYdagi nomuvofiqliklarning tabiatini aniqlash maqsadida biz Germaniyaning janubi-g‘arbidagi iqlim sharoiti o‘zaro keskin farq qiluvchi ikki hudud – Kraichgau (KR) va Swabian Jura (SJ) mintaqalarida olib borilgan EC o‘lchovlarini tahlil qildik. Tadqiqotda 2010– 2017 yillar oralig‘ida to‘liq jihozlangan olti EC stansiyasidan olingan ma’lumotlar foydalanildi. Natijalar shuni ko‘rsatdiki, futprint maydoni kichiklashib, uning gomogenligi oshgani sari energiya balansi yopilishi yaxshilandi. Shuningdek, anemometrning orqa tomoni bo‘yicha kelayotgan oqimning buzilishi ma’lum shamol yo‘nalishlarida EBYni salbiy tomonga o‘zgartirgan. Kirish Yer yuzasidagi turbulent almashinuvni oʻrganish suvning tabiatda aylanishini, oʻsimliklarning oʻsishini va ekotizimlarning uglerod oqimlarini baholash va tuproqekin, iqlim va ob-havo modellarini yaxshilash uchun muhimdir. Hozirgi vaqtda ushbu oqimlarni aniqlashning eng yaxshi usuli bu eddi kovariatsiya (EC) usuli hisoblanadi. Soʻnggi oʻn yil ichida hissa qoʻshadigan manba maydonini aniqlash (futprinti) va qiziqish doirasi uchun EC oqimining ma’lumotlarining reprezentativligini baholash katta qiziqish uygʻotdi (Göckede va boshq., 2006; Kljun va boshq., 2004; Shmid, 2002). Futprint haqidagi bilimlar EC stantsiyasining mahalliy yoki mahalliy boʻlmagan energiya oqimlarini oʻlchashini aniqlash uchun muhimdir (Eugster va Merbold, 2015; Pirk va boshq., 2017). 17 Ushbu taqdim etilgan tadqiqotda qishloq xoʻjaligi ekin maydonlarida energiya balansi baholanishi taqdim etilgan. Ushbu tadqiqotning maqsadi joy rel’efining EBY o‘zgarishiga ta’sirini iborat. Materiallar and methodlar Tadqiqot joy tavsifi Kraichgau mintaqasidagi (KR) tajriba joylari asosan tekisliklar bilan ajralib turadigan “Katharinentalerhof” da joylashgan va Pforzheim shahridan taxminan 4 km shimolda joylashgan (48.92° N, 8.70° E). Uchta EC stantsiyalari (EC1, EC2 va EC3) tegishli maydonlari 14,9, 23,6 va 15,8 ga boʻlgan qoʻshni dalalarda oʻrnatildi (1rasm). Dominant shamol yoʻnalishi gʻarbga toʻgʻri keladi. Sobiq chiqindilar poligoni eksperimental maydonlardan taxminan 500 m janubda joylashgan boʻlib, uning maksimal balandligi atrofidan 41 m balandlikda joylashgan. KR - Germaniyaning eng iliq mintaqalaridan biri, 1981-2010 yillarda oʻrtacha harorati va yillik yogʻingarchilik darajasi 9,4 °C va 890 mm boʻlgan (Pforzheim-Ispringen meteorologik stantsiyasi, Germaniya ob-havo xizmati, tadqiqot joylaridan taxminan 3 km uzoqlikda joylashgan). Ushbu mintaqaning tuproqlari qobiq ohaktosh ustiga yotgan chuqur lyoss qatlamlaridan rivojlangan. Meteorologik va tuproq sharoitlari toʻgʻrisida batafsil ma’lumotni 1-jadvalda va Imukova va boshqalar (2016), Ingwersen va boshq. (2015) va Wizemann va boshq. (2014) taqqiqotlarida topish mumkin. 3.1-jadval Tadqiqot joylarining asosiy xarakteristikalari. Region Kraichgau Swabian Jura Stansiya nomi EC1 EC2 EC3 EC4 EC5 EC6 Kenglik (°) Uzunlik (°) 48.928496N 8.702782E 48.927743N 8.708901E 48.927199N 8.715950E 48.527214N 9.769950E 48.529780N 9.773474E 48.546632N 9.774280E Balandlik (m) 319 320 319 682 681 690 Tuproq turi, (WRB, 2014) Stagnic Luvisol Calcic Luvisol Anthrosol Rendzic Leptosol Svabiya Jura mintaqasi (SJ) balandligi tufayli KRga nisbatan sovuqroq va ogʻirroq iqlimi bilan ajralib turadi. Dominant shamol yoʻnalishi janubiy-gʻarbdan gʻarbga tomonga yoʻnaladi. 1981-2010 yillarda oʻrtacha harorat va yillik yogʻingarchilik 7,5 °C va 1042 mm ni tashkil etdi (Merklingen meteorologik 18 stansiyasi, Germaniya ob-havo xizmati, tadqiqot joylaridan taxminan 2 km uzoqlikda). EC4, EC5 va EC6 da uchta tadqiqot maydonlari mos ravishda 8.7, 16.7 va 13.4 ga. EC4 va EC5 qoʻshni maydonlar boʻlgan boʻlsa, EC6 shimoldan 1,5 km uzoqlikda joylashgan (1-rasm). 1-rasm. (a) Geografik sharh (a) va Kraichgau (b) va Shvabiyan Yurasidagi (c) tadqiqot joylari va EC stantsiyalarining joylashuvi (Google Earth; KR 31.03.2017 va SJ 26.08.2016). Koʻndalang qizil chiziqlar shamolning ustun yoʻnalishlari boʻyicha oʻtkazilgan mikro-topografik oʻlchovlarning holatini koʻrsatadi. Sariq chiziq eski poligon maydonining chegaralarini belgilaydi (b). SJ da almashlab ekish KRga qaraganda ancha xilma-xil boʻlib, eng koʻp oʻstiriladigan ekinlar - qishki bugʻdoy va silos uchun moʻljallangan makkajoʻxori (3.2-jadval). KRda joyida 50% yilllik qishki bugʻdoy etishtirildi; bu qiymat SJ da atigi 25% ni tashkil etdi. KR madaniy ekinlarning SJ ga nisbatan kamroq xilmaxilliknu koʻrsatib, uchtasi KRda, oltitasi SJda. Barcha joylarda dehqonlar qish va yozgi ekinlar orasida tez-tez qoplama (cover crop) ekinlarni yetishtirishadi. Bular asosan xantal, fatsiliya yoki koʻp turdagi navdagi aralashmali ekinlar hisoblanadi. 2009-yil bahorida har bir dala maydonchasi markazida bitta EC stantsiyasi oʻrnatildi (Ingwersen va boshq., 2011; Wizemann va boshq., 2014). Barcha stantsiyalar tezkor javob beradigan CO2/H2O infraqizil gaz analizatori va uch oʻqli ultratovushli anemometr bilan jihozlangan. Gaz analizatori va sonik anemometrning qayta ishlanmagan ma’lumotlari 10 Hz da qayd etildi va CR3000 ma’lumotlar qaydetuvchisida saqlandi. Toʻrt komponentli radiometr yordamida umumiy radiatsiya oʻlchandi. Havoning harorati va nisbiy namligi har bir EC stantsiyasida harorat va 19 nisbiy namlikni oʻlchagich yordamida 2 m balandlikda oʻlchandi. Tuproq harorati 0,02, 0,06, 0,15, 0,30 va 0,45 m chuqurliklarda oʻlchandi. 2010 yildan 2017 yilgacha boʻlgan yuqori chastotali qayta ishlangan ma’lumotlar TK3.1 (Mauder va boshq., 2013) dasturiy ta’minot toʻplamidan foydalangan holda oʻrtacha 30 daqiqa oraligʻida qayta ishlandi. Ideal holatda, yer yuzasi energiya balansi quyidagi tenglamaga boʻysunadi: Rn− G = LE + H, (1) bu yerda Rn - kiruvchi umumiy radiatsiya, LE - yashirin issiqlik oqimi, H - seziluvchan issiqlik oqimi (ikkalasi ham yuqoriga qarab) va G - yer osti issiqlik oqimi (musbat pastga qarab). Barcha komponentlar W/m2 bilan ifodalanadi. Shunga e’tibor berish lozimki, (3.1) tenglamada oqimning kichik muddatlari, masalan, energiyani oʻsimlik qoplamaida saqlanishi yoki fotosintez yordamida energiyani oʻzgarishi kiritilmagan. 1-tenglama boʻyicha toʻrt muddatlar barcha mavjud yarim soatlik oqim ma’lumotlari EBYni hisoblash uchun ishlatildi. EBYni baholash uchun uchta oʻlchov ishlatilgan. Birinchidan, biz turbulent oqimlarning (H+LE) oddiy chiziqli regressiyasidan (OLR) mavjud energiyaga (Rn-G) qarshi qiyalik va kesishish nuqtalari aniqlandi. Ideal holatda toʻliq yopiq energiya balansi chiziqli regressiyaning qiyaligi va kesishish nuqtalarini mos ravishda 1 va nolga teng (Ping va boshq., 2011; Wilson va boshq., 2002). Ushbu ishda Franssen va boshqalarning (2010) taklifiga binoan EBYni baholashda OLR ning kesishish nuqtasini (W/m2) koʻrib chiqildi. Ikkinchidan, energiya balansi nisbati (EBR) boʻyicha quyidagicha hisoblanadi: , (2) Uchinchidan, energiya balansining qoldigʻini taqqoslash orqali (Res; W/m2): , (3) Turbulent kinetik energiyani ishlab chiqarish yoki sarf qilishda siljish va koʻtarilishning roli uchun ishonchli belgi sifatida biz ishqalanish tezligi, u∗ (m/s) va kinematik virtual harorat oqimidan mos ravishda foydalanildi. Ikkinchisi shamolning vertikal tezligi (w) va virtual harorat (Tv) oʻrtasidagi kovaryatsiya (w′T′v). Virtual haroratni sonik haroratga (Ts) almashtirish mumkin, chunki unchalik katta boʻlmagan aniqlik yoʻqoladi (Kaimal va Gaynor, 1991), bunda w va Ts orasidagi kovaryatsiyadan (w′T′s) virtual harorat oqimini hisoblandi. Atmosfera barqarorligi va EBY oʻrtasidagi bogʻliqlik Stull (1988) tomonidan aniqlangan oʻlchovsiz atmosfera barqarorligi parametri ζ yordamida oʻrganildi: ζ=zm/L, (4) 20 bu yerda zm (m) - sonik anemometrning oʻlchov balandligi va L (m) - Obuxov uzunligi. Barqarorlik parametri siljish va koʻtarilishning nisbiy rollarini ifodalaydi. ζ yordamida atmosfera barqarorligini uchta sinfga boʻlish mumkin (Franssen va boshq., 2010): barqaror (ζ≥0.1), neytral (−0.1<ζ<0.1) va beqaror (ζ≤−0.1). Turbulent oqimlarning hissa qoʻshuvchi manbai va EBY oʻrtasidagi munosabatni aniqlash uchun biz futprintni tahlil qildik. Oddiy ikki oʻlchovli parametrlashning oqim futprintini bashorat qilishning onlayn vositasidan foydalanganildi (Kljun va boshq., 2015, http://geography.swansea.ac.uk/nkljun/ffp/www/). Futprintni parametrlash Lagranj stoxastik zarrachalar dispersiyasi modelini ishlatadi (Kljun va boshq., 2002). Modelga kiritish parametrlari sifatida siljish balandligi, zd (m), shamolning oʻrtacha tezligi (m/s), Obuxov uzunligi (m), gorizontal shamol tezligining standart ogʻishi (m/s), ishqalanish tezligi, u∗ (m/s), shamol yoʻnalishi (∘) va yer usti ustidagi oʻlchash balandligi, zm (m) ishlatilib, quyidagi tenglama orqali hisoblandi: , (5) bu yerda zreceptor - sonik anemometr va gaz analizatorining balandligi va zd quyidagidan hisoblanadi (6) bu yerda zcan (m) – oʻsimlikning oʻsishi sababli vaqt oʻzgaruvchan oʻsimlik qoplamining balandligi. Bu ikki haftada bir marta oʻtkazilgan oʻlchovlar bilan hisoblangan va tegishli 2 haftalik davrlar uchun TK3.1da e’tiborga olingan. Futprintni tahlil qilish uchun ma’lumotlar u *> 0,1 m/ va ζ≥ -15,5 bilan cheklandi. Bundan tashqari, EC maydonlarining mikro-topografiyasi shamol yoʻnalishi kesimi boʻylab aniqlandi (1-rasm). Taxminan har ikki metrda dalalarning dengiz sathidan oʻrtacha balandligi differentsial global joylashishni aniqlash tizimi (DGPS) bilan oʻlchandi. Natijalar SJ da faqat EC4 nisbatan tekis (2-rasm). Uning topografiyasi KRdagi EC1 topografiyasi bilan taqqoslanadi. EC5 da transekt bo‘ylab balandlik asta-sekin oshib boradi, janubi-sharqdan shimoli-g‘arbga o‘rtacha qiyalik 0,6% ni tashkil qiladi. EC5 stansiyasining o‘zi mahalliy mikro-chuqurlikda joylashgan. EC6 stansiyasining topografiyasi boshqa konlarnikidan sezilarli darajada farq qiladi. Stansiya tizma tepasida joylashgan. Shimoli-g‘arbiy yo‘nalishda relyef o‘rtacha 100 m uchun 3,7 m tezlikda pasaysa, janubi-sharq yo‘nalishda relyef deyarli tekis (D qiyalik 0:3%). 21 2-rasm. Shamol yo‘nalishlari bo‘yicha EC hududlaridagi balandliklar (1rasmga qarang). Strelkalar EC stansiyalarining joylashuvini ko‘rsatadi. Bundan tashqari, murakkab topografiya advektiv oqimlarni keltirib chiqarishi mumkin (Feigenwinter va boshqalar, 2008; Rebmann va boshqalar, 2010). KRdagi dalalardan taxminan 500 m janubda joylashgan sobiq poligon (1-rasm) advektiv oqimlar uchun javobgar bo‘lgan bo‘lishi mumkin, chunki uning balandligi tadqiqot joylaridan taxminan 41 m balandroq. Bundan tashqari, topografiya EBCga ham ta’sir qilishi mumkin. Balandlik transektlari EC3, EC5 va EC6 stansiyalarini o‘rab turgan bevosita relyef butunlay tekis emasligini ko‘rsatadi (2-rasm). Bu mikrometeorologik dala o‘lchovlari uchun yaxshi ma’lum bo‘lgan muammo (Wilczak va boshqalar, 2001). Biroq, EC1, EC2 va EC4 da relyef tekis deb hisoblanishi mumkin. 3-rasmda 2015-yilda EC3 va EC5 uchastkalari uchun namunaviy footprintlar keltirilgan boʻlib, ular turli oylar davomida aniqlangan oqim manbalarining maydonlarining sezilarli darajada farqlanishini aks ettiradi. Ikkala dalada ham makkajoʻxori oʻstirildi. EC3 da EBY doimiy ravishda iyun oyida 68% dan iyulda 79% gacha va avgustda 90% gacha oshdi. Ushbu davrda, makkajoʻxori oʻsimliklari balandlashib borgan sari, futprint doimiy ravishda kichrayib bordi. EC5 da futprint maydoni va EBY oʻrtasidagi oʻxshashlik kuzatildi: futprint qanchalik katta boʻlsa, EBY pastroq boʻladi. 2015 yildagi barcha ma’lumotlardagi EBY va 90% footprint maydonlari oʻrtasidagi chiziqli regressiya bu munosabatni tasdiqladi (rasm koʻrsatilmagan). R2 atigi 0,21 boʻlsa-da, qiyalik gektariga -1,25%/ga (0,50%/ga; standart xatolik) noldan sezilarli darajada farq qildi. Regressiyaning kesishishi 79% ni tashkil etdi. 22 3-rasm. 2015 yilning tanlangan oylarida EC3 va EC5 fottprint maydoni va tegishlicha energiya balansining yopilishi (EBY). Qora nuqtalar EC stantsiyalarining joylashgan oʻrnilarini aks ettiradi. Sariq chiziqlar umumiy oqimga nisbatan nisbiy ulushlarni 10% bosqichda koʻrsatadi, bu yerda eng yuqori sariq chiziq oʻlchov oqimlarining 90% kelib chiqqan maydonni koʻrsatadi. Sun’iy yoʻldosh surati Google EarthPro onlayn dasturidan olingan (EC3 va EC5 uchun mos ravishda 2017 yil 31 mart va 2014 yil 30 martdagi rasmlar). Muhokama Energiya balansi tarkibiy qismlarining aniq oʻlchovlari yaxshi EBYga erishish uchun muhimdir. Shu nuqtai nazardan, asosiy talablardan biri EC stantsiyasining qiziqish doirasidagi oqimlarni ifodalaydigan qiziqish doirasida joylashgan boʻlishi lozim (Burba va Anderson, 2010). Ushbu mualliflarning fikriga koʻra, relyef gorizontal va bir xil boʻlishi kerak. Futprintni tahlil qilishda uchta parametr kerak: oʻlchov balandligi, gomogen yuza va atmosfera barqarorligi. Turbulent oqimlar gorizontal va bir hil yuzadan kelib chiqqanda, futprint faqat oʻlchov nuqtasi va emissiya elementi joylashuvi orasidagi masofaga bogʻliq. Biz futprint qanchalik kichik boʻlsa, EBY shunchalik katta boʻlishining aniq tendensiya topildi. Biz bunga ikkita tushuntirish beramiz. Birinchidan, footprint qanchalik kichik boʻlsa, gomogen manba maydonining taxminini bajarish ehtimoli shunchalik yuqori boʻladi. Ikkinchidan, futprint qanchalik kichik boʻlsa, mavjud energiya va turbulent oqimlarni oʻlchash oʻrtasidagi miqyosi shunchalik yaxshi boʻladi. Alfieri va Blanken (2012) energiya oqimlarining yuzdan onʻlab metrlardagi oʻzgarishlari 30-40 Vt/m2 oraligʻida boʻlishini bir nuqtada joylashgan (harakatsiz) va harakatlanuvchi EC minoralari 23 yordamida (Kolorado, AQSh) aniqlashdi. Ular bitta nuqtali EC minorasi barcha tegishli energiya oqimlarini qamrab ololmaydi, degan xulosaga kelishdi, chunki ular fazoviy farq qiladi. Bizning natijalarimiz buni tasdiqlaydi, ya’ni agar futprint kichik boʻlsa, EC oʻlchovlarining EBY yaxshiroq, bu yuza energiyasi oqimlarining oʻzgarishini kamaytirish deb talqin qilinishi mumkin. Koʻpgina tadqiqotlar, yuza geterogenligi bu energiya nomuvozanatligi uchun potentsial sababdir deb koʻrsatishadi (Stoy va boshq., 2013; Xu va boshq., 2017). Oxirgi mualliflarning taʻkidlashicha, yuza geterogenligini ortishi bilan EBY kamaygan. Geterogenlik darajasi yuqori aniqlikdagi masofadan zondlash tasvirlari va yer yuzasi haroratidan kelib chiqib ajratib olingan. Ushbu ta’sirni boshqarish uchun ba’zi mualliflar geterogenlik darajasini koʻrsatadigan yoʻnalishga xos koeffitsientlardan foydalanishni maslahat berishadi. Masalan, Panin va boshq. (1998) yuzaning notekisligi, radiatsiya va ichki chegara qatlamining issiqlik namligi kabi yuza parametrlarini oʻz ichiga olgan geterogenlik omilini taqdim etdi. Ushbu omil ma’lumotlarning talqini uchun ishlatilishi mumkin. Xulosalar Ushbu tadqiqotda Germaniyaning janubi-gʻarbiy qismidagi ekologik muhiti qarama-qarshi boʻlgan ikki mintaqadagi olti xil ekin maydonlarida uzoq muddatli EC oʻlchovlari baholandi. Futprint hududi kamayganligi sababli EBYga ijobiy ta’sir koʻrsatdi, ehtimol bu manba maydonining geterogenligini kamaytiradi va mavjud boʻlgan oʻrtacha energiya bilan izlangan holda mahalliy darajada oʻlchangan mavjud energiyaning mosligini yaxshilaydi. Shuningdek, tadqiqot maydonidagi rel’efning tekisligi EBY kichrashiga hissa qo‘shgan. Foydalanilgan adabiyotlar: 1. Alfieri, Joseph G, William P Kustas, John H Prueger, Lawrence E Hipps, José L Chávez, Joseph G ; Alfieri, William P ; Kustas, et al. 2011. “Intercomparison of Nine Micrometeorological Stations during the BEAREX08Field Campaign.” American Meteorological Society. doi:10.1175/2011JTECH1514.1 2. Eugster, Werner, Antje M. Moffat, Eric Ceschia, Marc Aubinet, Christof Ammann, Phillip A. Davis, Cor Jacobs, et al. 2010. “Management Effects on European Cropland Respiration.” Agriculture, Ecosystems & Environment 139(3): 346–62. doi:10.1016/J.AGEE.2010.09.001. 3. Feigenwinter, C., Bernhofer, C., Eichelmann, U., Heinesch, B., Hertel, M., Janous, D., Kolle, O., Lagergren, F., Lindroth, A., Minerbi, S., Moderow, U., Montagnani, L., Queck, R., Rebmann, C., Vestin, P., Yernaux, M., Zeri, M., Ziegler, W., Aubinet, M., 2008. Comparison of horizontal and vertical advective CO2 fluxes at three forest sites. Agric. For. Meteorol. 148, 12–24. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2007.08.013 4. IUSS Working Group WRB, 2014. World reference base for soil resources 2014. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps, World Soil Resources Reports No. 106. FAO, Rome, Italy. https://doi.org/10.1017/S0014479706394902 5. Rebmann, C., Zeri, M., Lasslop, G., Mund, M., Kolle, O., Schulze, E., Feigenwinter, C., 2010. 24 Treatment and assessment of the CO 2 -exchange at a complex forest site inThuringia, Germany. Agric. For. Meteorol. 150, 684–691. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2009.11.001 6. Wilczak, J.M., Oncley, S.P., Stage, S.A., 2001. Sonic anemometer tilt correction algorithms. Boundary-Layer Meteorol. 99, 127–150. https://doi.org/10.1023/A:1018966204465 7. Panin, G. N., G. Tetzlaff, and A. Raabe. 1998. “Inhomogeneity of the Land Surface and Problems in the Parameterization of Surface Fluxes in Natural Conditions.” Theoretical and Applied Climatology 60(1–4): 163–78. doi:10.1007/s007040050041. 8. Stoy, Paul C., Matthias Mauder, Thomas Foken, Barbara Marcolla, Eva Boegh, Andreas Ibrom, M. Altaf Arain, et al. 2013. “A Data-Driven Analysis of Energy Balance Closure across FLUXNET Research Sites: The Role of Landscape Scale Heterogeneity.” Agricultural and Forest Meteorology 171–172: 137–52. doi:10.1016/j.agrformet.2012.11.004.