بررسی عملکرد دو مدل گردش عمومی جو- اقیانوس در ریز مقیاس سازی دمای متوسط در شهرستان بیرجند

تغییر اقلیم تاثیر بسزایی بر منابع آب و محیط زیست دارد که در کشاورزی، جامعه و اقتصاد منعکس می شود. استفاده از مدل گردش عمومی (GCM) با مدل های کاهش مقیاس آماری، روشی برای ارزیابی تغییرات اقلیمی است. با توجه به قرار گرفتن استان خراسان جنوبی و شهرستان بیرجند در منطقه خشک ایران، رشد جمعیت، توسعه صنعتی و معدنی و رسیدن به کشاورزی پایدار، ارزیابی اثرات تغییر اقلیم بر پارامترهای هواشناسی ضروری به نظر می رسید. هدف از این مطالعه مقایسه عملکرد مدل های تاریخی NCEP و ECMWF در ریزمقیاس نمایی پارامتر دما شهرستان بیرجند و بررسی تغییرات این پارامتر تا سال 2030 با استفاده از مدل برتر و سناریو SSP245 مدل CanESM5 است.

در این پژوهش به منظور مقایسه عملکرد دو مدل گردش عمومی NCEP و ECMWF در ریزمقیاس سازی پارامتر دما، از اطلاعات دمای روزانه ایستگاه سینوپتیک بیرجند در بازه زمانی سال های 1990 تا 2021 به عنوان دوره پایه استفاده شد. همچنین به منظور بررسی عملکرد این مدل ها از مدل ریزمقیاس نمایی آماری SDSM و به منظور ارزیابی عملکرد این دو مدل از معیارهای ارزیابی NS، KGE، RMSE و BR2 استفاده شد.

نتایج و بحث:

 به منظور بررسی و مقایسه عملکرد دو مدل گردش عمومی NCEP و ECMWF از داده های روزانه دمای متوسط، از روز اول ماه ژانویه سال 1990 تا پایان ماه سپتامبر سال 2021 ایستگاه سینوپتیک شهرستان بیرجند استفاده شد. به طوری که از داده های سال 1990 تا روز اول از ماه ژانویه سال 2008 به عنوان بخش واسنجی و از روز اول ماه ژانویه سال 2008 تا پایان ماه سپتامبر سال 2015 به عنوان بخش اعتبارسنجی در نظرگرفته شد. دو مدل NCEP و ECMWF دارای 26 پارامتر بوده که به منظور انجام ریزمقیاس سازی ابتدا میزان همبستگی هریک از پارامترها با پارامتر دمای مشاهداتی در محیط نرم افزار R و با استفاده از پکیج HydroGof کدنویسی و محاسبه و پارامترهایی که بیشترین همبستگی را با پارامتر دما داشته اند، از میان 26 پارامتر استخراج گردید. همچنین به منظور ارزیابی عملکرد مدل ها از معیارهای NS، RMSE، KGE و BR2 در بخش های واسنجی و اعتبارسنجی استفاده شد. برای بررسی نزدیکی مقدار واریانس و میانگین سری های زمانی تولیدشده توسط دو مدل و سری زمانی مشاهداتی درکل بازه شبیه سازی به ترتیب از آزمون های F و T استفاده و فرض صفر در این آزمون ها به ترتیب نزدیکی مقادیر واریانس و میانگین سری های زمانی تولیدشده توسط دو مدل NCEP و ECMWF به واریانس و میانگین سری زمانی مشاهداتی در نظر گرفته شد. نتایج بخش واسنجی نشان داد که هر دو مدل عملکرد مشابهی از خود نشان داده اند به چراکه مقادیر معیارهای ارزیابی NS، RMSE، KGE و BR2 در مدل ECMWF به ترتیب 69/0، 86/4، 85/0، 7/0 و در مدل NCEP به ترتیب 7/0، 79/4، 85/0 و 7/0 محاسبه شده است. ازآنجایی که نمودار جعبه ای، مقدار میانگین و انحراف معیار در تصمیم گیری در خصوص میزان نزدیکی و شباهت دو سری زمانی قابلیت بالایی دارند، به منظور بررسی شباهت و نزدیکی سری های زمانی تولیدشده توسط دو مدل ها با مقادیر مشاهداتی در دوره واسنجی و اعتبارسنجی از مقایسه نمودارهای جعبه ای، مقادیر میانگین و انحراف از معیار سری های زمانی تولیدشده و سری زمانی مشاهداتی استفاده شد. نتایج محاسبه معیارهای ارزیابی در بخش صحت سنجی نشان داد که مدل ECMWF عملکرد بهتری نسبت به مدل NCEP در بخش اعتبارسنجی داشته است، چراکه مقادیر معیارهای ارزیابی NS، RMSE، KGE و BR2 در مدل ECMWF به ترتیب 69/0، 9/4، 85/0، 73/0 و در مدل NCEP به ترتیب 67/0، 3/5، 83/0 و 7/0 محاسبه شده است. درمجموع با نتایج نشان داد که مدل ECMWF عملکرد بهتری داشته و به عنوان مدل برتر انتخاب می گردد. درنتیجه به منظور شبیه سازی و پیش بینی مقدار دمای متوسط از پارامترهای mslp، P500، P5-f، P5-u، P850 و P8-u مدل ECMWF استفاده گردید؛ بنابراین پیش بینی می شود میزان متوسط دما در بازه 8 سال آینده، افزایش حدودا 3 درجه ای نسبت به متوسط دوره پایه آماری داشته باشد.

نتایج نشان داد با توجه به معیارهای ارزیابی NS، RMSE، KGE و BR2، مدل ECMWF نسبت به مدل NCEP در برآورد مقدار دمای متوسط شهرستان بیرجند نسبتا عملکرد بهتری دارد. همچنین بررسی نمودارهای جعبه ای، مقدار میانگین و انحراف از معیار سری های زمانی تولیدشده توسط دو مدل در بخش واسنجی و اعتبارسنجی نشان داد که هر دو مدل ازنظر میزان پراکندگی، مقدار کمینه و بیشینه و میانگین داده های تولیدی مقادیر مشابهی نسبت به سری زمانی مشاهداتی تولید کرده اند و ازنظر مقدار میانگین و واریانس داده های تولیدشده در هرماه در بازه واسنجی و اعتبارسنجی، مدل ECMWF عملکرد نسبتا بهتری را از خود ارائه داد. بنابراین مدل ECMW به عنوان مدل برتر انتخاب و شبیه سازی دمای متوسط شهرستان بیرجند در بازه سال های 2022 تا 2030 با استفاده از این مدل و تحت سناریو انتشار SSP245 مدل CanEcm5 انجام شد. نتایج پیش بینی نشان داد که دمای متوسط شهرستان بیرجند افزایش حدودا 3 درجه ای نسبت به متوسط دوره پایه آماری دارد.