بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش برای 16 ایستگاه بارانسنجی و سینوپتیک استان مازندران، انتقال مابین کلاسهای شدت خشکسالی با بکارگیری مدل خطی-لگاریتمی، براساس شاخص بارش استاندارد شده با سری زمانی -12ماهه - SPI 12 - ، مورد بررسی قرار گرفته است. مدلهای خطی-لگاریتمی به جدولهای احتمالی -3بعدی، برای تمام ایستگاههای مورد بررسی، در سطح اطمینان 95 درصد برای پیشبینی کوتاه مدتِ انتقال کلاسهای خشکسالی، برازش داده شدهاندمطابق. با نتایج، کمترین تعدادِ وقوع برای انتقالهای مستقیم خشکسالی با کلاس معین به خشکسالی به 2 یا 3 کلاس شدیدتر یا کمتر شدید، مشاهده شده است.
بعلاوه، احتمالهای وقوع کلاس خشکسالی با معلوم بودن کلاسهای خشکسالی دو دوره قبل، و بکارگیری مدل خطی-لگاریتمی تعیین شدهاند. نتایج ارزیابی مدلهای خطی-لگاریتمی ارائه شده برای دادههای SPI 12 مربوط به سال 2001 میلادی نشان داد که مدل از قدرت مناسبی برای پیشبینی کلاس شدت خشکسالی در دو ماه آینده با معلوم بودن کلاسهای شدت خشکسالی در دو ماه قبلی - به ویژه برای دورههایی که خشکسالی شروع یا خاتمه مییابد - ، برخودار میباشد. از نتایج این پژوهش بر میآید که، پیشبینی کلاسهای خشکسالی توسط مدلهای خطی-لگاریتمی میتواند به عنوان ابزار مناسبی جهت اعلام هشدار اولیه به کشاورزان و برنامهریزان آبی در اوایل فصل پاییز، مورد استفاده قرار گیرد.
واژههای کلیدی: پیشبینی، شاخص SPI، کلاس خشکسالی، مدل خطی-لگاریتمی، هشدار اولیه.
مقدمه
برنامهریزی و مدیریت موفق آبی منوط به شناخت واقعه خشکسالی و علتهای آن میباشد. خشکسالی یک پدیده نرمال از اقلیم میباشد که به طور مکرر رخ میدهد. این پدیدهی بسیار پیچیده، نسبت به سایر بلایای طبیعی کمتر شناخته شده است که به عنوان یک فاجعه با خسارت های جانی و مالی در اکثر مناطق جهان مسئله ساز میباشد و بر جامعه بشری بیش از دیگر بلایای طبیعی اثرگذار است. خشکسالی بر اساس هدفهای مورد بررسی دارای تعاریف مختلفی است که یکی از آنها خشکسالی هواشناسی است که در اثر کمبود بارندگی به وجود میآید. خشکسالیهای هواشناسی میتواند باعث زیانهای اقتصادی قابل ملاحظهای گردد.
جلوگیری از خشکسالیهای هواشناسی امکانپذیر نمیباشد ولی میتوان با بازبینی خشکسالیهای رخ داده شده در گذشته و با احتمالهای وقوع مختلف به پیشبینی آنها پرداخت و اثرات سوء آنها را کاهش داد. برای این منظور باید تعریف درستی از خشکسالی ارائه گردد و مشخصههای آن - شروع، پایان، توزیع مکانی و شدت خشکسالی - به درستی تعیین گردند. جهت پایش خشکسالی، هواشناسها و هیدرولوژیستها شاخصهای متعددی را بر اساس پارامترهای هیدرو-هواشناسی ارائه دادهاند تا بتوانند رخداد فاجعه خشکسالی را با احتمالهای وقوع، بیان نمایند - وگت و سوما، . - 2000 شاخصهای خشکسالی معمولاً براساس یک یا چندین پارامتر برای شناسایی و پایش خشکسالیها در بازههای زمانی مختلف بیان میشوند.
یکی از این شاخصها، شاخص خشکسالی هواشناسی بارش استاندارد شده - SPI - 1 می-باشد که توسط مککی و همکاران 1993 - ، - 1995 بیان شد و دارای کاربرد وسیعی میباشد. شاخص SPI به عنوان شاخص مرجع توسط سازمان جهانی هواشناسی - WMO - مور قبول قرار گرفته است - پوتاپ و همکاران، . - - 2012 - همزمان با توسعه شاخصهای خشکسالی، تحقیقات بر روی قابلیت پیشبینی مشخصات خشکسالی و راهکارهایی برای بیان وقوع خشکسالی با احتمالهای وقوع معین مورد توجه واقع شده است - ویلهایت و همکاران، . - 2000 توسعه ابزارهای پیشبینی و اعلام هشدار اولیه یک فاکتور اساسی برای مقابله با خشکسالی به ویژه در بخش کشاورزی میباشد.
در میان این پژوهشها، خصوصیات احتمالی سری زمانی SPI برای بیان انتقال بین کلاسهای مختلف خشکسالی، توسط مدلبندی زنجیره مارکف - پائولو و همکاران، - 2005 - ، پائولو و پریرا - 2007 - ، خلیلی و همکاران - - 2011، بنیمهد و خلیلی - - b1390 - و مدلهای خطی-لگاریتمی - پائولو و همکاران، - 2003 - ، مریرا و همکاران - - 2008 - مورد بررسی قرار گرفتند. خلیلی و همکاران - 2007 - با بکارگیری زنجیره مارکف همگن نشان دادند که وابستگی خشکسالی با استفاده از شاخصهای SPI و RDI در10 ایستگاه منتخب کشور ایران از مرتبه اول میباشد بدین معنی که شرایط کلاس خشکسالی در دوره بعدی تنها به شرایط کلاس خشکسالی در دوره فعلی بستگی دارد.
بنیمهد و خلیلی - b1390 - نشان دادند که وابستگی کلاسهای مختلف خشکسالی در 16 ایستگاه منتخب استان مازندران با بکارگیری زنجیره مارکف همگن و براساس شاخص SPI از مرتبه اول بود. پائولو و همکاران - 2005 - بیان کردند که پیشبینی احتمالهای وقوع رخداد کلاسهای متفاوت خشکسالی با بکارگیری مدل زنجیره مارکف غیرهمگن بهتر امکانپذیر میباشد. مریرا و همکاران - 2008 - مدلهای خطی-لگاریتمی را برای بیان پیشبینیهای کوتاه مدت انتقال مابین کلاسهای مختلف خشکسالی در منطقه آلتنجوی جنوب پرتقال به کار بردند. هدف از پژوهش حاضر، ارائه مدلی مناسب برای پیشبینی کوتاه مدت 2 - ماهه - انتقال مابین کلاسهای مختلف خشکسالی با معلوم بودن کلاسهای خشکسالی در دوره فعلی، میباشد.
مواد و روشها
مدل خطی-لگاریتمی -3بعدی
در پژوهش حاضر ابتدا جدول احتمالی -3 بعدی حاصل از شمارش تعداد انتقالهای مابین کلاسهای خشکسالی بدست آمد. سپس مدل خطی-لگاریتمی سه بعدی - آگرستی، - 2002 به دادههایِتعدادِ انتقال مابین کلاسهای مختلف خشکسالی مشاهده شده - Oijk - برازش داده شد و مقادیر متناظر آن - Eijk - پیشبینی شدند. جدولهایاحتمالی که اساسِهدفِ این پژوهش را تشکیل میدهند شامل سه گروه A - ، B و - C با سطوح i، j و k که i=j=k=1' '4، میباشند. گروههای A، B و C به ترتیب مربوط به دورههای - ماههای - t-2، t-1 و t و سطوح 1، 2، 3 و 4 مربوط به کلاسهای خشکسالی 1 ، 2، 3 و 4 - ارائه شده در جدول - - 1 - میباشند.
بنابراین با تعریف ارائه شده در این پژوهش و استفاده از مدل خطی-لگاریتمی، پیشبینی کلاس خشکسالی با دو گام زمانی - ماه - ، از کلاس i به کلاس - j از ماه t-2 به ماه - t-1 و از کلاس j به کلاس k - از ماه t-1 به ماه - t امکانپذیر میباشد. میان مدلهای خطی-لگاریتمی ارائه شده، مدل quasi-association یکی از مدلهایی است که برازش مناسبی با مقادیر مشاهده شده گروهبندی شده دارد و به شرح زیر میباشد - پائولو و همکاران، - 2005 - ، مریرا و همکاران - 2006 - ، : - - 2008 - که در آن مقدار ثابت مدل، iA نشان دهنده سطح iام گروه A، jB بیانگر سطح jام گروه B، kC نشان دهنده سطح kام گروه C، ui، uj و uk به ترتیب عبارتند از رتبههای مربوط به سطح iام گروه A، سطح jام گروه B و سطح kام گروه ui=i - C، uj=j و - uk=k، β1، β2 و β3 پارامترهای خطی مدل، 1i ، 2i و 3i پارامترهای مربوط به سطح iام جزء اریب گروه A، 3 j پارامتر مربوط به سطح jام جزء اریب گروه B میباشند. تابع شرطی I به صورت زیر تعریف میشود:
آزمون نکویی برازش مدلهای خطی-لگاریتمی با بکارگیری روش حذف پسرو2، با در نظر گرفتن توزیع پوآسون برای خطاها، توزیع مربع کای برای انحراف باقیماندهها و درجه آزادی برابر با درجه آزادی انحراف باقیماندههای مدل خطی-لگاریتمی، انجام میگیرد. مدلهای خطی-لگاریتمی با انحراف خطاهای کمتر یا برابر مقادیر بحرانی مربع کای در سطح اطمینان 95 درصد بعنوان مدلهای خوب برازش داده شده، معرفی میگردند.
منطقه مورد مطالعه، موجودیت دادهها
استان مازندران در شمال کشور ایران مابین عرضهای جغرافیایی 37 درجه و 47 دقیقه تا 38 درجه و 5 دقیقه عرض شمالی و مابین طولهای جغرافیایی 50 درجه و 34 دقیقه تا 56 درجه و 14 دقیقه طول شرقی از نصف النهار گرینویچ واقع شده است. در این تحقیق از اطلاعات مربوط به 30سال آبیِ شانزده ایستگاههای بارانسنجی و سینوپتیک واقع در استان مازندران با نامهای بابل، بلده، پل ذغال، تلارم، تنکابن، تیرتاش، داراب کلا، ریگچشمه، سفیدچاه، عالم کلا، عرب خیل، کردخیل، گانگستر، گلوگاه، محمودآباد و هراتبر استفاده شده است. پراکندگی ایستگاهها به گونهای است که تقریباً تمامی استان مازندران را شامل میگردد. در این پژوهش از مقادیر شاخص SPI برای پایش خشکسالیهای هواشناسی، ارائه شده توسط بنیمهد و خلیلی - a1390 - استفاده شده است.
نتایج و بحث
در تمام ایستگاههای مورد بررسی، مقادیر شاخص SPI مطابق با جدول - 1 - کلاسبندی شدند و تعداد انتقال بین کلاس-های مختلف خشکسالی برای تشکیل جدول احتمالی -3بعدی شمارش شد. مدلهای خطی-لگاریتمی به دادههای جدول احتمالی -3بعدی با استفاده از نرمافزار SAS 9.1 و PROC GENMOD و بکارگیری روش حذف پسرو، برازش داده شد. روش حذف پسرو بر روی مدلهای کاملِ quasi-association به کار گرفته شد و پارامترهایی از مدل که در سطح اطمینان 95 درصد، معنیدار بودند حذف گردیدند و زیر-مدلهای quasi-association ارائه شدند . نتایج مربوط به برازش مدلها برای ایستگاههای مورد بررسی در جدول - 2 - آورده شده است.
همانطور که از این جدول مشخص است مقادیر p-value از سطح بحرانی معنیداری - 0/05 - ، بزرگتر میباشند که دلیلی بر نکویی برازش مدلها میباشد. با بکارگیری مدلهای برازش داده شده،تعدادِ انتقالهای بین کلاسهای مختلف خشکسالی پیشبینی شدند.در جدول - 3 - تعدادِ انتقالهای پیشبینی شده بین کلاسهای مختلف خشکسالی در دو ماه متوالی با بکارگیری مدل خطی-لگاریتمی برازش داده شده، برای ایستگاههای بابل، تیرتاش و گلوگاه آورده شده است - نتایج مشابهای برای سایر ایستگاهها به دست آمده است که نشان داده نشده است - .
از جدول 3 - مشخص - است که بیشترین تعدادِ وقوع مربوط به حالت-هایی است که خشکسالیهای متوالی در یک کلاس معین باقی میمانند یعنی انتقالها بین کلاسهای 1 به 1 به 1، 2 به 2 به 2، 3 به 3 به 3 و 4 به 4 به 4 - اعداد درشت شده در جدول - . همچنین از جدول - - 3نیز مشخص است که کمترین تعدادِ وقوع مربوط به انتقالهای مستقیم خشکسالی با کلاس معین، به خشکسالی به 2 یا 3 کلاس شدیدتر یا کمتر شدید میباشد علت این امر را میتوان اینگونه بیان نمود که خشکسالیها بطور ناگهانی شروع یا خاتمه نمییابند. به عنوان نمونه برای ایستگاه بابل
