بخشی از مقاله
چکیده
پیش بینی و پایش خشکسالی در برنامه ریزی های کشاورزی، منابع آب و اطلاع رسانی برای پیش آگاهی مبارزه با خشکسالی و غیره حائز اهمیت است و تا حد قابل ملاحظه ای منجر به کاهش خسارات ناشی از این پدیده می شود. در امر پیش بینی خشکسالی و براورد شاخص های خشکسالی همچون شاخص خشکسالی SPI ، بررسی بر روی پارامترهای اقلیمی به صورت سری زمانی با روند غیر خطی مطرح می شود. این پژوهش به مقایسه عملکرد سیستم های هوشمند پیش بینی مبتنی بر روش های غیر خطی، نظریه اشوب و شبکه عصبی در براورد شاخص خشکسالی SPI در اقلیم مرطوب رشت می پردازد.
نتایج تست -0 1 در تحلیل رفتار داده بارش با نویز و بدون نویز، قابلیت ارزیابی وضعیت اشوبناکی سیستم اقلیمی مرطوب را توسط این تست با داده های خام تایید می کند . ارزیابی پیش بینی شبکه عصبی و روش پیش بینی موضعی مبتنی بر نظریه اشوب نشان می دهدکه نتایج پیش بینی نظریه اشوب از دقت قابل قبول و صحت بسیار بالایی برخوردار است و در مقایسه با شبکه عصبی در اقلیم مرطوب رشت نتایج بهتری را ارائه نموده است. استفاده از این نظریه در پیش بینی پارامتر های اقلیمی با توجه به حساسیت پیش بینی های اب و هواشناسی بسیار کارامد و مفید می باشد.
واژههای کلیدی: شاخص خشکسالی، نظریه اشوب، شبکه عصبی، anfis، تست 1-0، توان لیاپانوف
-1 مقدمه
-1-1 شاخص خشکسالی SPI
یکی از جدی ترین چالش هایی که سیستم مدیریت منابع آب کشور در دهه اخیر با آن مواجه بوده است، تعدد و شدت قابل ملاحظه خشکسالی های به وقوع پیوسته بوده است. تاثیر تدریجی خشکسالی طی یک دوره نسبتا طولانی، بطئی بودن شروع و خاتمه آن به دلیل ماهیت خشکسالی و وسعت جغرافیایی این پدیده، تشخیص و ارزیابی آن را پیچیده تر نموده است - پیری، - - 1391پرتامچای و همکاران ،. - 2001 خشکسالی پدیده ای است که از کاهش غیر منتظره ی بارش در مدت معین در منطقه ایی که لزوما خشک نیست، سرچشمه می گیرد. میزان این کاهش آنقدر است که روند عادی رشد را در منطقه مختل می سازد و اثرات بی درنگ و مضر بر کشاورزی و اثرات بلند مدت بر عرضه منابع آب به جا می گذارد. بنابراین خشکسالی ویژگی دائمی یک منطقه نیست و در هر رژیم آب و هوایی می تواند اتفاق بیافتد - علیجانی و کاویانی، - 1371 - محمدیاریان، - 1392 خشکسالی ها در حالت کلی سه نوع هستند:
خشکسالی هواشناسی، خشکسالی هیدرولوژیکی و خشکسالی کشاورزی. خشکسالی هواشناسی ناشی از کمبود بارندگی می باشد که در صورت تداوم به خشکسالی هیدرولوژیکی و بعد از ان به خشکسالی کشاورزی منجر می گردد. - پیری ، - 1391 نظر به این که از بین انواع خشکسالی ها؛ خشکسالی هواشناسی اولین نوع آن است که پدیدار می شود؛ با تحلیل داده های حاصل از آن می توان انواع خشکسالی را پیش بینی کرد - علوی نیا،. - 1390 از جمله مهم ترین مراحل پایش خشکسالی تعیین سنجه هایی به منظور تحلیل شدت، تداوم و فراوانی خشکسالی است. هدف کلی شاخص ها ی خشکسالی، بیان کمی این پدیده و نیز گنجاندن ترکیب اثرات عوامل مختلف در وقوع خشکسالی در قالب رابطه های کمی و ساده تر است . یکی از این سنجه ها شاخص بارش استاندارد شده - SPI - است.
شاخص بارندگی استاندارد SPI در سال 1993 توسط مک گی و همکاران ارائه شده است. - گاتمن،1 - 1998 نشان داد که شاخص SPI بر خلاف دیگر شاخص ها از منطقه ای به منطقه دیگر تغییر نمی کند. هس 2و همکاران - 1999 - به بررسی خشکسالی ایالت کلرادو آمریکا پرداختند و اثبات کردند که شاخص SPI قادر به تشخیص زمان شروع خشکسالی و پیشرفت آن می باشد - عیوضی،. - 1388 - دبپنی ژرو، 3 - 1999 از بین شاخص های بررسی و تحلیل خشکسالی، شاخص SPI را برای مطالعه در مقیاس مکانی کوچک - در حد استان و شهر - به عنوان بهترین روش معرفی کرد. هس و سنتر4 در سال 2002 نشان دادند که شاخص SPI خشکسالی مناطق را ، یک ماه زودتر از دیگر شاخص ها نشان می دهد و این شاخص را یک شاخص مناسب برای هشدار سریع خشکسالی معرفی نمود فرزین و همکاران . - 1378 -
سرانو5 و مورنو - 2005 - 6 عکس العمل های هیدرولوژیک در مقیاس های زمانی مختلف خشکسالی اقلیمی را با استفاده از شاخص بارش استاندارد - SPI - در دشت رودخانه آراگون بررسی کردند، نتایج نشان داد که شاخص SPI قادر به بر آورد تخمین وضعیت خشکسالی در مقیاس های مختلف زمانی و نیز پایش تیپ های خشکسالی بوده و مقیاس های طولانی مدت SPI مربوط به خشکسالی هیدرولوژیک می باشد - حسن زاده و همکاران، . - 1391 یزدانپناه و طباطبایی - - 2005 در ارزیابی خشکسالی با استفاده از شاخص SPI در آذربایجان طی دوره ی آماری 10 ساله عنوان نمودند که دوره و شدت خشکسالی در مناطق غربی بیشتر از مناطق شرقی و مرکزی استان است.
همانطور که بیان شد در شاخص خشکسالی - SPI - بررسی بر روی بارش در ناحیه مورد نظر در دوره های زمانی مختلف صورت می گیرد و تغییرات به صورت سری زمانی مطرح می شود. با توجه به این که بعضی پارامترهای مورد بررسی در هواشناسی هم چون بارش، تغییراتی با روند غیر خطی را دارا هستند. در کنار روش های سنتی آماری پیش بینی و تحلیل سری های زمانی، ورود نظریه هایی همچون نظریه آشوب7 و شبکه عصبی و تحلیل بر مبنای این نظریه زوایای بیش تری از تحلیل سری های زمانی را روشن می کند.
-2-1 نظریه اشوب
نظریه آشوب به مطالعه سیستم هایی می پردازد که در نگاه اول به نظر می رسند رفتار تصادفی دارند اما در همین سیستم قوانین مشخصی وجود دارد. به عبارتی در هر بی نظمی، نظمی نهفته است. این سیستم به شرایط اولیه بسیار حساس است و داده هایی با دقت متفاوت، با اختلاف ناچیز تاثیر فراوانی را در سیستم نشان خواهد داد ، که این حساسیت بالای سیستم تحت عنوان اثر پروانه ایی8 در دنیای علم مورد بحث قرار گرفته است - آیا بالزدن پروانهای در برزیل میتواند باعث ایجاد تندباد در تکزاس شود؟، ادوارد لورنس9 - 1963 تغییر جزئی در شرایط اولیه می تواند به نتایج وسیع و پیش بینی نشده ای منجر شود. به چنین سیستمی سیستم آشوبناک گفته می شود. ناپایداری، رفتار غیر پریودیک، سیستم های قطعی، غیر خطی بودن همراه با هم مشخصات یک سیستم
