تأثیر شکست سری زمانی داده‌های بارش بر تغییرات مشخصه‌های خشکسالی (مطالعه موردی شهرهای تبریز و اراک)

آب و خاک

مقاله 8، دوره 35، شماره 3 - شماره پیاپی 77، مرداد و شهریور 1400، صفحه 409-425   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.2021.14899.0

نویسندگان

منصوره غزنوی¹؛ ابوالفضل مساعدی^{* 2}؛ محمد قبائی سوق³

¹دانش آموخته کارشناسی ارشد آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و محیط‌زیست، دانشگاه فردوسی مشهد

²استاد گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد

³دکتری علوم و مهندسی آب، شرکت مدیریت منابع آب ایران، تهران

چکیده

خشکسالی یک مخاطره اقلیمی است که در همه‌ی مناطق آب و هوائی رخ می‌دهد. متغیرهای مختلف هواشناسی از جمله بارندگی، دما و رطوبت‌نسبی نقش مهمی در وقوع، شدت و تداوم خشکسالی دارند. تغییر اقلیم و گرمایش جهانی می‌تواند سبب بروز ناهمگنی و ایجاد شکست در داده‌های سری زمانی متغیرهای هواشناسی شود. این ناهمگنی می‌تواند سبب تغییراتی در مشخصه‌های خشکسالی شود. هدف اصلی این پژوهش بررسی همگنی سری زمانی بارش به‌عنوان مهم‌ترین متغیر موثر بر خشکسالی هواشناسی، در تعدادی ایستگاه سینوپتیک در طول دوره آماری 1957 الی 2016 در مناطق مختلف کشور و بررسی تغییرات مشخصه‌های خشکسالی در دوره‌های قبل و بعد از نقطه شکست می‌باشد. پس از بررسی سری‌های زمانی مقادیر بارش سالانه مشخص گردید که فقط ایستگاه‌های تبریز و اراک دارای نقطه شکست می‌باشند. از این‌رو در ادامه، وضعیت خشکسالی بر اساس شاخص‌ها‌ی SPI، SPEI، RDI و eRDI در ایستگاه‌های مذکور در دو دوره‌ی قبل و بعد از نقطه شکست پایش و مشخصه‌های خشکسالی بر مبنای مدل زنجیره مارکف و ماتریس احتمال انتقال و هم‌چنین ویژگی‌های دوره‌های خشکسالی بر مبنای تئوری ران تعیین گردید. نتایج حاکی از کمتر شدن اطمینان‌پذیری و بیشتر شدن آسیب‌پذیری نسبت به خشکسالی در دوره دوم در مقایسه با دوره اول است. ضمن آن‌که، متوسط و حداکثر تداوم دوره‌های خشکسالی نیز در همه‌ی موارد در دوره دوم نسبت به دوره اول بیشتر شده است. به‌طور خلاصه تمامی مشخصه‌های خشکسالی در دوره دوم نسبت به دوره اول دارای شدت، مدت و فراوانی بالاتری هستند. به‌طور کلی نتایج تغییرات مشخصه‌های خشکسالی در دوره بعد از شکست نسبت به دوره قبل از آن می‌تواند ناشی از گرمایش جهانی و در نتیجه افزایش تبخیر-تعرق و ایجاد و یا تشدید اثرات خشکسالی باشد. ضمن آن­که بر اساس نتایج حاصل از شاخص eRDI در هر دو ایستگاه و در هر دو مقیاس زمانی، شرایط رطوبتی نسبت به سایر شاخص‌ها کمی خشک‌تر شده است. به عبارت دیگر می‌توان بیان نمود که تا حدودی بارش موثر در سال‌های اخیر نسبت به سال‌های اولیه دوره مورد بررسی کاهش یافته است. پیشنهاد می‌شود مشابه با این پژوهش در مورد همه ایستگاه‌های سینوپتیک کشور که دارای دوره آماری طولانی می‌باشند، انجام شده تا اثر گرمایش جهانی و در نتیجه تغییرات بارش و دما بر وقوع خشکسالی نمایان‌تر شود.

کلیدواژه‌ها

تئوری ران؛ شاخص eRDI؛ ماتریس احتمال انتقال؛ ماندگاری؛ نقطه شکست

مراجع

1-       Adnan S., Ullah K., Shuanglin L., Gao S., Hayat Khan A., and Mahmood R. 2018. Comparison of various drought indices to monitor drought status in Pakistan. Journal of Climate Dynamics 51(5-6): 1885-1899.

2-       Alijani B., Ghohroudi M., and Arabi N. 2008. Developing a climate model for Iran using GIS. Theoretical and Applied Climatology 92(1-2): 103–112.

3-       Allen R.G., Pereira L.S., Rees D. and Smith M. 1998. Crop Evapotranspiration- Guidelines for Computing Crop Water Requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper No. 56. Food and Agriculture Organization of the United Nations. ISBN 92-5-104219-5.

4-       Bahlake M., Fathabadi A., Rouhani H., and Seyedian S.M. 2018. The effect of climate change on wet and dry period’s characteristics (Case study: Arazkuse and Tamar stations in Golestan Province). Scientific Journal of Agricultural Meteorology 5(2):11-23. (In Persian with English abstract)

5-       Bazgeer S., Abbasi F., Asadi Oskoue E., Haghighat M., and Rezazadeh P. 2019.  Assessing the Homogeneity of Temperature and Precipitation Data in Iran with Climatic Approach. Journal of Spatial Analysis Environmental Hazards 6(1): 51-70. (In Persian with English abstract)

6-       Bazrafshan O., Mahmudzadeh F., and Bazrafshan J. 2016. Evaluation of temporal trends of the drought indices SPI and SPEI in the Southern Coast of Iran. Journal of Desert Management 4(7-8): 54-69. (In Persian with English abstract)

7-       Byakatonda J., Parida B.P., Moalafhi D.B., and Kenabatho P. 2018. Analysis of long term drought severity characteristics and trends across semiarid Botswana using two drought indices. Atmospheric Research 213(2018): 492-508

8-       Duan J., Zhao L., Wang Q., and Li P. 2019. Detecting breakpoints in global temperature, Earth System Dynamics 10: 1-12

9-       Eghtedar Nezhad M., Bazrafshan O., and Bazrafshan J. 2017. Spatio-temporal variations of meteorological drought using Standardized Precipitation Evapotranspiration Index in Iran. Scientific Journal of Agricultural Meteorology 5(2): 35-46. (In Persian with English abstract)

10-   Ghabaei Sough M., Zare Abyaneh H., Mosaedi A., and Samadi, S.Z. 2016. Assessment of humidity conditions and trends based on Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SEPI) over different climatic regions of Iran. Journal of Water and Soil (Agricultural Science and Technology) 30(5): 1700-1717. (In Persian with English abstract)

11-   Ghabaei Sough M., and Mosaedi A. 2018. Analysis of trends and breakpoints in precipitation values in some Watersheds of Iran. 7^th National Conference of Water Resources Management of Iran, 24-25 October. 2018. Yazd University. (In Persian)

12-   Ghorbani Kh., Valizadeh E., and Bararkhanpoor S. 2018. Investigation of spatiotemporal trend of the bivariate meteorological drought index, SPEI, in Iran. Journal of Desert Management 6(11): 25-38. (In Persian with English abstract)

13-   Ghorbani Kh., Bararkhan Poor S., Valizadeh E., and Molaarazi A.J. 2020. Regional analysis of trend and change point in seasonal series of SPEI drought index in Iran. Journal of Water and Soil Conservation 27(4): 185-200. (In Persian with English abstract)

14-   Guo H., Bao A., Liu T., Jiapaer G., Ndayisaba F., Jiang L., Kurban A., and De Maeyer P. 2018. Spatial and temporal characteristics of droughts in Central Asia during 1966-2015. Journal of Science of the Total Environment 624: 1523-1538.

15-   Isaacson DL., and Madsen R. 1976. Markov Chains: Theory and Applications. John Wiley, New York.

16-   Kwarteng F., Shwetha G., and Patil R. 2016. Reconnaissance Drought Index as potential drought monitoring tool in A Deccan Plateau, hot semi-arid climatic zone. International Journal of Agriculture Sciences 51(8): 2183-2186.

17-   Liu Z., Wang Y., Shao M., Jia X., and Li X. 2016. Spatiotemporal analysis of multiscalar drought characteristics across the Loess Plateau of China. Journal of Hydrology 534: 281-299.

18-   Lin H., Wang J., Li F., Xie Y., Jiang C., and Sun L. 2020. Drought trends and the extreme drought frequency and characteristics under climate change based on SPI and HI in the upper and middle reaches of the Huai river basin, China. Water 12(4): 1100.    

19-   Mahmoudi P., Rigi A., and Miri Kamak M. 2019. A comparative study of precipitation-based drought indices with the aim of selecting the best index for drought monitoring in Iran. Journal of Theoretical and Applied Climatology 137(3-4): 3123–3138.

20-   Majidi A., Radfar M., Mirabbasi Najafabadi R., and Marofi S. 2018. Analysis of trend Properties of meteorological droughts in Hamedan province. Journal of Watershed Management Research 9(17): 295-305. (In Persian with English abstract)

21-   McKee T.B., Doesken N.J., and Kleist J. 1993. The relationship of drought frequency and duration to time scales. Proceeding, 8th Conference on Applied Climatology. January 17-22. JanuaryAnaheim, California.

22-   Moghimi M.M., Kouhi E., and Zarei A.R. 2018. Drought Monitoring and Forecasting, using RDI Index and Markov Chain Mathematical Model. Journal of Irrigation and Water Engineering 8(3): 153-165. (In Persian with English abstract)

23-   Mosaedi M., Mohammadi Moghaddam S., and Kavakebi Gh. 2017. Drought characteristics based on Reconnaissance Drought Index and its variations in different time periods and regions of Iran. Journal of Water and Soil Conservation 23(6): 27-52. (In Persian with English abstract)

24-   Mousavi Baigi M., and Ashraf B. 2018. Weather and Climate in Agriculture. Ferdowsi University of Mashhad Press. (In Persian)

25-   Nouri M., Homaee M., and Bannayan M. 2018. Analyzing the trends of precipitation and drought in some semi-arid to humid regions of Iran. Journal of Water and Soil Science 22(1): 45-60. (In Persian with English abstract)

26-   Parsamehr A.H., Mobin M.H., and Khosravani Z. 2018. Using Run theory to analysis of drought severity – duration – return period (case study: Fars province). Iranian Journal of Ecohydrology 5(2): 471-481. (In Persian with English abstract)

27-   Pei Z., Fang S., Wang L., and Yang W. 2020. Comparative analysis of drought indicated by the SPI and SPEI at various timescales in Inner Mongolia, China. Water 12(7): 1925.

28-   Pirnia A., Golshan M., Bigonah S., and Solaimani K. 2018. Investigating the drought characteristics of Tamar basin (upstream of Golestan Dam) using SPI and SPEI indices under current and future climate conditions. Iranian Journal of Ecohydrology 5(1): 215-228. (In Persian with English abstract)

29-   Salehpour Jam A., Tabatabaei M., Sarreshtehdari A., and Mosaffaie J. 2018. Investigation of drought characteristics in northwest of Iran using deciles index. Journal of Watershed Engineering and Management 10(4): 552-563. (In Persian with English abstract)

30-   Steinman A. 2003. Drought Indicators and Triggers: A stochastic approach to evaluation. Journal of the American Water Resources Association 39(5): 1217-1233.

31-   Thomas T., Jaiswal R.K., Galkate R.V., and Nayak T.R. 2016. Reconnaissance drought index based evaluation of meteorological drought characteristics in Bundelkhand. Journal of Procedia Technology 24: 23-30.

32-   Tigkas D., Vangelis H., and Tsakiris G. 2017. An enhanced effective Reconnaissance Drought Index for the characterisation of agricultural drought. Environmental Process 4(1): 137–148.

33-   Tsakiris G., and Vangelis H. 2004. Towards a drought watch system based on spatial SPI. Water ResourcesManagement 18:1-12.

34-   Vicente-Serrano S.M., Beguería S., and López-Moreno J.I. 2010. A multi-scalar drought index sensitive to global warming: the standardized precipitation evapotranspiration index. Journal of Climate 23(7): 1696-1718.

35-   Vicente-Serrano S.M., L´opez-Moreno J.I., Gimeno L., Nieto R., Mor´an –Tejeda E., Lorenzo-Lacruz J., Beguer´ıa S., and Azorin-Molina C. 2011. A multiscalar global evaluation of the impact of ENSO on droughts. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 116: 1-9.

36-   Yan-Jun I., Xiao-dong Z., Fan L., and Jing MA. 2012. Analysis of drought evolvement characteristics based on standardized precipitation index in the Huaihe river basin. Journal of Procedia Engineering 28: 434-437.

37-   Zarei A.R., Moghimi M.M., and Bahrami M. 2019. Comparison of reconnaissance drought index (RDI) and effective reconnaissance drought index (eRDI) to evaluate drought severity. Sustainable Water Resources Management 5(3): 1345-1356.