بخشی از مقاله
چکیده
دماهای فرین از پدیدههای جوی است که آثار زیانباری را بر سلامت عمومی و محیط زیست انسان خواهد گذاشت. این پدیده جوی بصورت دورههای تناوبی در بسامدهای مختلف ظاهر میشود. هدف از این پژوهش تحلیل هارمونیک دماهای فرین و خوشه بندی فازی آنها با توجه به مقادیر درصد واریانس و بیشینه رخداد هارمونیکها است. در این پژوهش آمار روزانه بیشینه دمای 15 ایستگاه سینوپتیک مازندران با استفاده از توابع مثلثاتی در محیط اکسل تحلیل هارمونیک، و با استفاده برنامه نویسی و توابع ریاضی در محیط متلب خوشه بندی فازی انجام گرفت.
نتایج حاصل از تحلیل هارمونیک دمای فرین گرم و خوشه بندی فازی آن، حکایت از وجود سه خوشه از نظر دورههای تناوب درون سالانه است. ایستگاههای خوشه اول - نواحی کوهستانی استان مازندران - ، به ترتیب هارمونیک دوم، اول و سوم نقش اصلی را در تبیین مقادیر درصد واریانس دادهها دارند و بیشینه رخداد هارمونیک دوم آن ماههای تیر و مرداد میباشد. در ایستگاههای خوشه دوم - نواحی جلگهای دورتر از ساحل - و ایستگاههای خوشه سوم - نواحی ساحلی - ، هارمونیک اول نقش اصلی را در توضیح وتبیین واریانس دادهها دارد. بیشینه رخداد هارمونیک خوشه دوم، ماه بهمن و خوشه سوم، ماه اسفند است.
-1مقدمه
دما یکی ازعاملهای اصلی شکلگیری اقلیم است ونقشی اساسی در زندگی گیاهی وجانوری و فعالیتهای انسانی ایفا میکند. دمای فرین یکی از شاخصهای دمایی مورد بررسی درهواشناسی واقلیم شناسی است. هرگاه دما از حد معمول در زمان خودش بسیار بالاتر یا پایینتر رود دمای فرین نامیده میشود
رویدادهای آب و هوایی فرین از نظر فراوانی کمیاب و درجه شدت بالایی دارند. البته احتمال وقوع این رویدادها نیز به طور متوسط کمتر از 5 درصد تخمین زده شده است
از شایع ترین رویدادهای آب و هوایی حدی، میتوان به مواردی چون دماهای فرین، یخبندان، گردبادها، طوفانهای شدید گرد و غبار و شن، بارانهای سیل آسا اشاره کرد
امروزه یکی از مهمترین نگرانیها از مخاطرات محیطی، رخداد شرایط حدی طولانی مدت و پر تداوم با دوره های بارش کم و حداکثر درجه حرارت است که بطور گسترده بر جوامع انسانی تاثیرگذار است
از آنجائیکه دما از عناصر شکل گیری اقلیم است، تغیرات آن می تواند ساختار آب و هوایی هر محل را دگرگون سازد. از اثرات تغییر اقلیم افزایش تکرار رویدادهای فرین است. تغییرات در تکرار و شدت رویدادهای فرین، آثار شدیدتری بر فعالیت های انسانی و محیط زیست آن نسبت به تغییرات در متوسط اقلیمی در کوتاه مدت خواهد گذاشت
فرینهای اقلیمی از جدی ترین چالش های جوامع بشری طی سده اخیر بودهاند به طوری که بعضاً از آنها با عنوان چالشهای اجتماعی نیز یاد کرده و توسعه اقتصادی پایدار و شرایط حیاتی را به توانایی مدیریت مرتبط با فرین ها میدانند
ازاین رو مطالعه رویدادهای فرین وتحلیل هارمونیک آن جهت خوشه بندی فازی، ضمن فهم الگوی زمانی مکانی آنها میتواند ما را در مدیریت، محافظت در قبال آنها و کاهش اثراتشان یاری دهد. بدین ترتیب بالا بردن استانداردهای امنیتی در طراحی زیرساخت ها، تجهیزات و ساختما نها با عمر مفید افزونتر، امکان پذیرخواهد بود. رشد سریع و روزافزون مراکز جمعیتی طی دهههای اخیر موجب افزایش آسیب پذیری این مراکز و فزونی ضرورت این گونه مدیریت شده است.
در این خصوص، گام اول، شناسایی دماهای فرین گرم است. گام دوم، تحلیل هارمونیک دماهای فرین گرم است. گام سوم خوشه بندی فازی جهت درک مناطق هم رفتار اقلیمی از نظر دورههای تناوب دمای فرین و بیشینه رخداد در طول محور زمان است. ناحیه بندی اقلیمی محدوده مورد مطالعه بر اساس تحلیل هارمونیک و خوشه بندی فازی، می تواند به تصمیم گیرندگان و برنامه ریزان در امر تشخیص و پیش بینی حوادث کمک شایانی کند. در این راستا می توان برای مناطقی که از نظر رفتار اقلیمی در یک خوشه قرار دارند، سیاست مدیریتی آمادگی مشابهی اتخاذ کرد.
تحلیل هارمونیک یا طیفی روش مناسبی برای بررسی داده های اقلیمی در بُعد بسامد است. کاربرد اصلی تحلیل طیفی، شناسایی تغییرات و حالت های تناوبی سری های زمانی پیچیده و ممکن ساختن پیش بینی میباشد. در این روش سری زمانی شامل تعاد زیادی مولفه های تناوبی است و تکنیکی قدرتمند در تجزیه سری زمانی به مجموعه ای از مولفه با واریانس کوچکتر است
سیگنال دما یک سیکنال گسسته در زمان است. از تبدیل های مهم ریاضی که سیکنال را از حوزه زمان به حوزه فرکنس انتقال می دهد تبدیل فوریه می باشد که با این تبدیل، طیف سیگنال در حوزه فرکانس بدست می آید.
از آنجائیکه داده های اقلیمی از عدم قطعیت برخوردارند. یکی از تکنیک های مهم در شناخت پدیده ها و پیش بینی آنها خوشه بندی فازی - - fcmٌ و منطق فازی است
خوشه بندی فازی نسخه توسعه داده شده خوشه بندی k-means است که در آن برای هر ورودی برای همه خوشه ها عضویت در نظر گرفته می شود. این ایده اولین بار توسط بزدک معرفی شد. عضویت الگوها در خوشه ها، اطلاعاتی بر اساس میزان مشابهت الگوی مربوط به یک خوشه نسبت به همه خوشه در نظر گرفته می شود -
با توجه به اینکه در تحقیق پیش رو، تحلیل هارمونیک و خوشه بندی فازی بر اساس نتایج تحلیل هارمونیک انجام میگیرد، در ادامه مروری بر تحقیقات انجام شده در روشهای ذکر شده خواهیم داشت. - عساکره، - 1389 به بررسی چرخههای نهان در میانگین دمای شهر زنجان در یک دوره آماری 50 ساله پرداخت.
دوره های تناوب دمای هوا و دامنه آنها را در 150 ایستگاه سینوپتیک مورد بررسی قرار دادند. - livda et al; 2008 - به بررسی توزیع زمانی و فضایی بارش پرداختند و با استفاده از تحلیل هارمونیک تغییرات درون سالانه بسامد بارش را مشخص کردند.
- رحیمی و همکاران، - 91 :1390 با تاکید بر دما و با استفاده از تکنیک همسبتگی و قوانین استناج فازی استان چهارمحال بختیاری را پهنه بندی اقلیمی نمودند.
- جهانبخش و همکاران، - 1393 با استفاده از خوشه بندی فازی توفان گرد و غبار ایران را مورد ارزیابی قرار دادند. - تقوی و همکاران، - 91 :1390 بر اساس تحلیل طیفی مقادیر حدی بارش و دما را خوشه بندی فازی نمودند. - fatima et al; 2008 - از خوشه بندی فازی در شناسایی مناطق یخچالی در حال ذوب و تاثیر آن در بالا آمدن آب دریاها استفاده نمودند.
-1-1 فرضیه تحقیق به نظر می رسد دوره تناوبٌ دمای فرین گرم ایستگاههای محدوده مورد مطالعه از الگوی یکسانی برخوردار نیست.
-2 منطقه مورد مطالعه
استان مازندران در شمال ایران و جنوب دریای خزر با عرض جغرافیایی 35 درجه و 47 دقیقه تا 36 درجه و 35 دقیقه شمالی و طول جغرافیایی 50 درجه و 34 دقیقه تا 54 درجه و 10 دقیقه شرقی واقع شده است. از لحاظ طبیعی دارای تنوع ناهمواریها و به سه قسمت اصلی کوهستانی در جنوب، کوهپایه ای در بخش میانه و جلگهای در شمال تقسیم میشود.
از نظر اقلیمی دارای سه نوع آب و هوای معتدل خزری با رطوبت نسبی بالا و تعداد زیاد روزهای پوشیده از ابر، دمای معتدل، دامنه دمایی محدود، تابستانهای گرم و مرطوب و زمستانهای معتدل و آب و هوای معتدل کوهستانی همراه با کاهش دما، میزان بارندگی سالیانه و رطوبت نسبی و افزایش دامنه دمایی و آب و هوای سرد کوهستانی با ریزش ها غالبا بصورت برف، میزان بارندگی و رطوبت نسبی کمتر و نوسان دما روزانه و فصلی آن زیاد تر است. این شرایط اقلیمی موجب ایجاد جوامع مختلف گیاهی، تیپ بندی خاک و توان اکولوژیک متنوع شده است
