پژوهشهای تغییرات آب و هوایی

بارش یکی از فراسنج های جوی بسیار تغییرپذیر جوی است که چگونگی و زمان رخداد تغییرات آن توجه پژوهشگران را به خود جلب کرده است. در پژوهش حاضر به منظور شناسایی تغییرات رخ داده در بارش شمال غرب کشور بین سال های 1348-1397 (1970 تا 2019) و با درنظر گرفتن اثر دریای مدیترانه بر مقدار بارش ایران، به ویژه شمال غرب کشور، ارتباط نمایه ی پیوند از دور مدیترانه MOIac که در الجزایر و قاهره واقع است را با استفاده از روش همبستگی و رگرسیون حداقل مربعات خطا واکاوی شد. تمامی واکاوی ها بر روی فازهای مثبت و منفی نمایه نیز انجام گرفت. نتایج حاکی از آن است که به صورت کلی ارتباط ضعیف بین نمایه ی مورد مطالعه و بارش وجود داشت. این شرایط برای فازها نیز صادق است. با این وصف بیش ترین نواحی متأثر از نمایه ی مورد بررسی در شمال، شمال غربی و شمال شرقی ناحیه مورد مطالعه قرار دارند. از سوی دیگر در فاز مثبت نمایه بین 65/0 تا 1 درصد از پهنه مورد مطالعه عدم معنی داری آماری را نشان داد. در حالی که در فاز منفی بین 40 تا 56 درصد از پهنه با عدم معنی داری آماری مشخص شد. همچنین نتایج تحلیل موجک بیانگر وجود نوسانات غالب 9 تا 15 ماهه در شرایط خنثی، 5 تا 8 ماهه در فاز مثبت و 5 تا 9 ماهه در فاز منفی است.

خشکسالی یکی از پیچیده ترین و پرچالش ترین مخاطرات اقلیمی است که با تصاویر ماهواره ای نیز پایش می شود؛ اما تنوع پوشش گیاهی و تأثیرپذیری متفاوت آن ها از شرایط خشکسالی از چالش های آن می باشد. براین اساس در پژوهش حاضر، ارتباط بین دو شاخص خشکسالی SPI و SPEI با 3 شاخص ماهواره ای TCI، VCI و VHI در 3 پوشش گیاهی جنگلی، مرتع و زراعی بررسی شد تا ضمن شناسایی مناسب ترین شاخص خشکسالی هواشناسی، مناسب ترین شاخص ماهواره ای در پوشش های گیاهی مختلف نیز بررسی شود. شاخص های ماهواره ای از تصاویر سنجنده مودیس با کد نویسی در محیط GEE برای دوره 2000 تا 2023 (24 سال) استخراج و شاخص های SPI و SPEI نیز از داده های ایستگاه هاشم آبادِ گرگان در مقیاس سالانه محاسبه شدند. نتایج نشان داد تغییرات اقلیمی معنا داری در منطقه در اثر افزایش دما رخ داده است و این باعث شده تا SPEI که علاوه بر بارش، تبخیر و تعرق را نیز در برمی گیرد شرایط خشک تری را نسبت به SPI به تصویر بکشد و همچنین این شاخص روند کاهش معناداری را نیز نشان دهد. SPEI نسبت به SPI همبستگی بالاتری را با شاخص های ماهواره ای برقرار کرد و از بین شاخص های ماهواره ای نیز TCI از همبستگی بالاتری با شاخص های ماهواره ای برخوردار بودند و در این میان بین TCI با SPEI در پوشش مرتعی بالاترین همبستگی، برابر 77 درصد بدست آمد. بر این اساس می توان نتیجه گرفت که شاخص TCI ابزار مناسب تری برای پایش خشکسالی می باشد. روند افزایشی معنادار VCI در پوشش جنگلی بر خلاف روند خشکسالی در منطقه، ناشی از گرمایش جهانی بوده که باعث افزایش دوره سبزینگی جنگل می باشد. در نهایت می توان نتیجه گرفت که شاخص های ماهواره ای برای پایش خشکسالی رفتار متفاوتی را در پوشش های گیاهی مختلف نشان می دهند و در مقیاس سالانه باید با احتیاط بیشتری از این شاخص ها استفاده کرد.

تغییر نمایه های اقلیمی به خصوص بارش، شناخت مفیدی از روند تغییر شرایط اقلیمی به دست می دهد. منطقه زاگرس جنوبی، با ویژگی های کوهستانی_دشتی و وابستگی بالای فعالیت های کشاورزی و منابع آبی آن به بارش، به طور ویژه نیازمند درک رژیم بارشی و روند تغییرات آن است. این پژوهش با هدف درک روند تغییر بارش با استفاده از هشت نمایه بارش سالانه در 61 ایستگاه با دوره آماری 1978 تا 2020 انجام شد. روند تغییرات با بهره گیری از آزمون ناپارامتری من–کندال استخراج و جهت ارزیابی تغییرات بارش مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان داد، که در منطقه زاگرس جنوبی، روند تغییرات بارش به ویژه در نمایه تعداد روز بارشی و بدون بارش، اغلب به سمت کاهش بارش و افزایش خشکی است. چنانکه 89 درصد از ایستگاه ها، افزایش در تعداد روز بدون بارش، را نشان داده اند که از این میان 37 درصد از آن ها از نظر آماری معنادار بوده است. همچنین، در بیش از 90 درصد از ایستگاه ها، روند کاهشی در تعداد روزهای بارشی بیش از 0.1 میلی متر مشاهده شد که این روند نیز در 42 درصد از ایستگاه ها معناداری بوده است. بارش های سبک (0.1 تا 10 میلی متر) و متوسط (10 تا 20 میلی متر) در بیشتر نقاط روندی کاهشی دارند. در تعدادی از ایستگاه ها روند افزایشی غیر معنی دار بارش های سنگین و فوق سنگین مشاهده شد، که می تواند بیانگر افزایش رویداد بارشی کوتاه مدت و شدید باشد. درکل می توان گفت ، روند کلی بارش سالانه در بیشتر ایستگاه ها کاهشی بوده و کاهش در بیشینه بارش 24 ساعته نیز در 80 درصد ایستگاه ها مشاهده شد. این نتایج حاکی از تغییرات جدی در الگوی بارش منطقه و افزایش احتمال بروز خشکسالی و سیلاب ناگهانی است که مدیریت مؤثر منابع آبی به هدف کاهش خسارات محتمل در این منطقه را ضروری می سازد.

پژوهش حاضر با هدف شناسایی و تحلیل الگوهای همدیدی مؤثر بر شکل گیری امواج گرمایی در شهرهای منتخب استان اردبیل طی ماه های گرم سال در بازه زمانی ۱۹۸۰ تا ۲۰۲۰ انجام شد. بدین منظور داده های روزانه دمای حداکثر ایستگاه های سینوپتیک اردبیل، پارس آباد و مشکین شهر به کار گرفته شد. امواج گرمایی بر اساس شاخص صدک ۹۵ام دمای حداکثر و با شرط حداقل سه روز تداوم شناسایی گردیدند. برای بررسی شرایط جوی مؤثر، از داده های بازتحلیل فشار سطح دریا و ارتفاع ژئوپتانسیل تراز ۵۰۰ هکتوپاسکال پایگاه NCEP/NCAR استفاده و الگوهای غالب با روش خوشه بندی سلسله مراتبی Ward دسته بندی شدند. نتایج نشان داد که در دوره مورد مطالعه، بیشترین تعداد امواج گرمایی در ایستگاه پارس آباد (۴۱ موج) رخ داده است؛ در حالی که تعداد این امواج در اردبیل ۲۴ و در مشکین شهر ۲۳ موج بود. همچنین طول دوره تداوم امواج گرمایی در ایستگاه های اردبیل (۳ تا ۵ روز)، مشکین شهر (۳ تا ۶ روز) و پارس آباد (۳ تا ۷ روز) متغیر بوده و بدین ترتیب ایستگاه پارس آباد بیشترین فراوانی و طولانی ترین تداوم امواج گرمایی را تجربه کرده است. پس از انتخاب امواج با تداوم حداقل پنج روزه، تحلیل همدیدی برای دو نمونه شاخص انجام گرفت: الگوی نخست (۱ تا ۵ اوت ۲۰۱۵) که با استقرار پرفشار سطح زمین و پرارتفاع ۵۰۰ هکتوپاسکالی بر فراز منطقه همراه بود و الگوی دوم (۸ تا ۱۲ اکتبر ۲۰۰۲) که در آن اردبیل در غرب یک بلوکینگ اُمگایی در غرب روسیه واقع شده بود. وجه مشترک این الگوها، افزایش ضخامت جو، جریانات نزولی و گرمایش هوا در طول رخداد موج گرمایی بود. نتایج این پژوهش نشان می دهد که تحلیل الگوهای همدیدی می تواند در بهبود پیش بینی و صدور هشدارهای زودهنگام امواج گرمایی نقش مؤثری ایفا کند.

طوفان های گرد و غبار به عنوان یکی از مهم ترین مخاطرات اقلیمی در مناطق خشک و نیمه خشک ایران به ویژه استان سیستان و بلوچستان، پیامدهای گسترده ای در ابعاد اجتماعی، اقتصادی و زیست محیطی ایجاد می کنند. یکی از چالش های اصلی در مدل سازی و پیش بینی این پدیده، عدم قطعیت در داده های ورودی و محدودیت ایستگاه های سینوپتیکی است. این پژوهش با هدف بهبود عملکرد مدل های پیش بینی، به ارزیابی نقش الگوریتم های فراابتکاری در بهینه سازی داده های ورودی پرداخته است. در این راستا، یک مدل هیبریدی مبتنی بر رگرسیون فازی خوشه بندی شده و میانگین متحرک FCMR-MA توسعه داده شد و برای بهینه سازی داده های ورودی، دو الگوریتم فراابتکاری چرخه آب و بهینه سازی علف های هرز مهاجم به کار گرفته شدند. یکی از عوامل کلیدی در تشدید و تداوم این پدیده، وقوع خشکسالی های متوالی و کاهش رطوبت خاک است که بستر تولید و انتقال گردوغبار را تقویت می کند. به منظور تحلیل پیوند بین شرایط خشکسالی و وقوع طوفان های گردوغبار، شاخص های خشکسالی SPI و SPEI نیز به عنوان متغیرهای اقلیمی در ساختار مدل لحاظ شدند. داده های مورد استفاده شامل فراوانی روزهای همراه با طوفان گردوغبار در پنج ایستگاه سینوپتیکی استان سیستان و بلوچستان طی دوره 40 ساله بود. عملکرد مدل ها با استفاده از چهار معیار ارزیابی R, RMSE, MAE, NS سنجیده شد. یافته ها نشان داد که به کارگیری الگوریتم های فراابتکاری موجب بهبود معنادار در دقت مدل نسبت به حالت بدون بهینه سازی شد. در این میان، الگوریتم علف های هرز مهاجم با دستیابی به بالاترین ضریب همبستگی (R=0.94) و کم ترین میزان خطا، عملکرد برتری نسبت به الگوریتم چرخه آب و مدل پایه ارائه کرد. به طور کلی، نتایج این مطالعه بیانگر اهمیت استفاده از الگوریتم های فراابتکاری در بهینه سازی داده های ورودی برای ارتقاء دقت مدل های پیش بینی طوفان های گردوغبار در مناطق خشک و نیمه خشک است.

این مطالعه با هدف برآورد مکانی بارش در منطقه زاگرس میانی بر اساس روابط بین بارش و عوامل جغرافیایی، استفاده از مدل های داده محور و همچنین اهمیت پس پردازش آماری در برونداد مدل ها انجام شده است. برای مدل سازی بارش از روش شبکه های عصبی مصنوعی استفاده شد. مناسب ترین ساختار شبکه (آرایش دو لایه پنهان ۱-۸-۸) با قانون آموزش مارکوات-لونبرگ تعیین شد و میزان تبیین واریانس بارش توسط مدل ارائه شده برای برآورد مکانی بارش در زاگرس میانی 50 درصد (R2=0.5) است. به منظور افزایش دقت مدل، از روش های مختلف تصحیح خطا جهت پس پردازش خروجی های مدل استفاده شد. این مرحله باعث بهینه سازی شبیه سازی ها به میزان ۵ تا ۱۰ درصد شد. در این میان، روش نگاشت چندک (QM) با ارتقاء همبستگی نهایی شبیه سازی های مدل با مقادیر مشاهداتی از 71/0 به 81/0، بهترین عملکرد را در بین روش های مورد بررسی داشت. این بهینه سازی، ضرورت پس پردازش را در تصحیح خطای سیستماتیک مدل های داده محور برای رسیدن به دقت مورد نیاز در تخمین بارش و مدیریت منابع آب در مناطق کوهستانی پیچیده را تأیید می کند. نتایج این مطالعه نشان داد که ارتفاع، مهم ترین عامل کنترل کننده بارش در منطقه زاگرس میانی است و یک رابطه قوی و مثبت بین بارش و ارتفاع وجود دارد. با این حال، تحلیل نیمرخ های ارتفاعی آشکار کرد که حداکثر بارش در ارتفاعی حدود ۲۵۰۰ متر تا خط الرأس رخ می دهد و عیناً منطبق با حداکثر ارتفاع در خط الرأس نیست؛ این امر فرضیه تکمیل فرآیند تخلیه رطوبت توده های هوا قبل از رسیدن به خط الرأس اصلی را تأیید می کند.