بخشی از مقاله
خلاصه
شدت و تواتر رویدادهای حدی بارش، از جمله مهمترین مشخصههای اقلیمی هر منطقه شهری میباشد که اطلاع از روندهای احتمالی تغییرات آتی آنها در اثر وقوع اثرات پدیده تغییر اقلیم، جهت رسیدن به اهداف مدیریت پایدار و ایمن شهری ضروریست. در این تحقیق جهت ارزیابی اثرات محتمل تغییر اقلیم به عنوان یک پدیده با مقیاس جهانی بر بارشهای حدی در حوضههای کوچک شهری به عنوان یک پدیده با مقیاس منطقهای از رویکرد استفاده از پدیدههای اقلیمی در مقیاس سینوپتیک به عنوان یک مقیاس حدواسط بهره بردهشده است.
به این منظور جهت شناسایی الگوهای سینوپتیکی موثر در رویدادهای حدی بارش از تکنیک نگاشتهای خودسازمانده - Self-Organizing Maps - استفاده شده است. با شناسایی الگوهای سینوپتیکی فشاری مساعد برای وقوع رویدادهای حدی بارش، تغییرات در فراوانی وقوع آنها در آینده نسبت به وضعیت فعلی با استفاده از خروجیهای مدلهای چرخه عمومی جو - GCM - مورد بررسی قرار گرفته است.
روش مورد نظر در خصوص بارشهای حدی در شمال شهر تهران به کار گرفته شده است و نتایج نشاندهنده اولاً نقطه ضعف مدل GCM مطالعه شده در بازتولید دقیق تواتر الگوهای سینوپتیکی فشاری بارشزا برای دوره صحتسنجی و در ثانی وجود روند کاهشی خفیفی در تواتر وقوع الگوهای سینوپتیکی فشاری بارشزا برای منطقه مورد بررسی است.
1. مقدمه
مدیریت و جمعآوری روانابهای شهری از ابعاد بسیار متنوعی در توسعه پایدار و مطلوب شهرها موثر است که یکی از مهمترین و شاید ابتداییترین اهداف آن جلوگیری از آبگرفتگی و وقوع سیلاب در شهرها باشد که به دلیل تمرکز بالای فعالیتهای انسانی و تجاری میتواند خسارات قابل توجهی به دنبال داشته باشد. شدت و تواتر رویدادهای حدی بارش، از جمله مهمترین مشخصههای اقلیمی هر منطقه شهری میباشد که در طراحی و مدیریت سامانههای زهکش رواناب سطحی شهرها،.به عنوان یکی از اطلاعات پایه در فرآیند طراحی مهندسی و ارزیابی ریسک سیلابهای شهری بسیار موثر هستند.
این همه در حالی است که به عقیده اکثریت اقلیمشناسان که در گزارشات هیئت بیندولتی درباره تغییر اقلیم - IPCC - منعکس شده است، آثار مرتبط با پدیده تغییر اقلیم دارای ابعاد مختلفی میباشند که شدت و ضعف و جهت این تغییرات در تمام نقاط زمین نیز مشابه هم نیست و یکی از آثار مهم مرتبط با تغییر اقلیم افزایش دامنه نوسانات متغیرهای اقلیمی عنوان میشود
رویدادهای حدی پارامترهای اقلیمی مثل بارش از جمله پارامترهای بسیار تعیین کننده در مدیریت و برنامهریزی و کنترل ریسک در حوضههای آبریز شهری هستند. لذا نگرانیهای منبعث از اثرات تغییر اقلیم در افزایش شدت و تواتر رگبارهای شدید در کنار توسعه شهری و افزایش حجم رواناب تولیدی در اثر کاهش سطوح نفوذپذیر، هرچه بیشتر بر میزان خطر و ریسک سیلابهای شهری افزوده است.
شبیهسازی سامانه عمومی اقلیم کره زمین با استفاده از مدلهای چرخه عمومی - GCM - موثرترین ابزار جهت کمیسازی و ارزیابی پدیده تغییر اقلیم میباشد. یکی از محدودیتهای اصلی استفاده از دادههای اقلیمی مدلهای GCM در بررسی اثرات تغییر اقلیم، دقت نامتناسب تفکیکپذیری مکانی و زمانی آنها با پارامترهای اقلیمی منطقهای نظیر بارش است.
برای رفع این مشکل مدلهای کوچک مقیاسسازی - پویا و آماری - زیادی توسعه یافتهاند که با استفاده از آنها می توان خروجیهای GCM را به متغیرهای سطحی در مقیاس منطقه مورد مطالعه تبدیل نمود. با وجود توفیق نسبی بیشتر مدلها کوچک مقیاسسازی در شبیهسازی مقادیر متوسط ماهانه یا سالانه بارشهای روزانه، اما وجود به اصطلاح اریبی در نتایج اینگونه مدلها که سبب ضعف مدلها در شبیهسازی تمام خصوصیات آماری بارشهای روزانه مشاهداتی - مثل انحراف معیار، چولگی یا صدکهای آماری - خصوصاً برای رویدادهای حدی میشود، گزارش شده است. از این رو استفاده از تکنیکهای تکمیلی، جهت اصلاح اریبی نتایج اولیه خروجی مدلهای کوچک مقیاسسازی پیشنهاد شدهاند
در رویکردی دیگر، به جای استفاده مستقیم از نتایج خروجیهای مدلهای GCM در ارزیابی اثرات تغییر اقلیم بر یک پارامتر اقلیمی منطقهای، از مقیاس پدیدههای سینوپتیکی به عنوان یک مقیاس حد واسط بین حرکات چرخه عمومی جو در مقیاس جهانی و نوسانات در مقیاس منطقهای استفاده میشود. در اقلیمشناسی سینوپتیک، مقیاس مکانی پدیدهها در حدود 1000 کیلومتر در نظر گرفته میشود که با دقت تفکیکپذیری مکانی مدلهای GCM تناسب دارند. از طرفی برقراری رابطه بین پدیدهها در مقیاس سینوپتیکی و پدیدههای در مقیاس محلی با عدم قطعیت شناختی کمتری قابل انجام است.
در اقلیمشناسی سینوپتیک تمام تغییرات هوا یا اقلیم بر اساس حرکات اتمسفر به عنوان عامل مستقیم تبیین و توجیه میشوند. با این نگرش میتوان تمام تغییرات شرایط محیطی زیستی مانند سیلابها، رگبارها، آلودگیها و غیره را تبین نمود [5] در اقلیمشناسی سینوپتیک، واحد مطالعه یا ناحیه اقلیمی برابر با اندازه متعارف یک سیستم سینوپتیک است. سیستمهای متعارف سینوپتیکیمعمولاً اندازههای حدود هزار کیلومتر و عمری حدود هفت تا دو روز دارند
با تحلیل فراوانی گذشته عناصر اقلیمی، درصد احتمال وقوع هر عنصر در طول زمان مورد بررسی محاسبه شده و با تعمیم این احتمال به آینده، پیشبینی احتمال وقوع در آینده ممکن میشود . [6] به عنوان مثال میتوان با بررسی درصد روزهای بارانی در یک منطقه و تغییرات جریان هوا و تبیین رابطه بین این دو عنصر اقلیمی، مشخص نمود که با حاکم بودن یک جریان خاص هوایی در سطح منطقه، چند درصد از روزهای بارانی سالانه را میتوان شاهد بود.
روش کار در اقلیمشناسی سینوپتیک به شرح زیر است :
-1 گروهبندی عوارض مختلف سینوپتیک - مانند الگوهای فشار، جهت جریان هوا، انحنای منحنیهای همفشار، الگوهای توپوگرافی سطوح بالا، چرخندگی، واگرایی و همگرایی -
-2 ارتباط دهی ویژگیهای اقلیمی یا متغیر محلی در سطح زمین - بارش، سیلاب، دما و ... - با گروهها یا طبقات مشخص شده در قسمت اول. به عبارتی به جای اختصاص ویژگیهای اقلیمی سطح زمین به دورههای تقویمی، به الگوها یا سیستمهای فشاری و سینوپتیکی اختصاص مییابند.
-3 گروهبندی تمام عناصر هوایی سطح زمین به طور همزمان و در نهایت دورهبندی اقلیمی یا ناحیهبندی اقلیمی بر این مبنا، روشها و رویکردهای مورد استفاده در تحلیلهای سینوپتیکی را میتوان به طور مستقیم در مباحث ریزمقیاسنمایی مورد استفاده قرار داد با این تفاوت که در برقراری ارتباطات بین متغیرهای بزرگمقیاس چرخه عمومی جو - مثلا ارتفاع ژئوپتانسل در سطح 500 هکتوپاسکال - و متغیر محلی - مثلاً بارش - ، متغیرهای بزرگمقیاس به شکل الگوهای سینوپتیکی تبیین میگردند.
نقاط قوت این رویکرد در زیرمقیاسنمایی متغیرهای بزرگمقیاس چرخه عمومی جو در چند جنبه نهفته است که عبارتند از:
-1 ماهیت رابطه بین متغیرهای بزرگمقیاس و متغیر محلی از لحاظ نظری و با استفاده از قوانین بنیادین فیزیکی قابل تبیین است. به عبارتی بر خلاف رویکردهایصرفاً آماری، - در روشهای معمول ریزمقیاسنمایی آماری در مباحث هیدرولوژیکی مانند روش SDSM و غیره [8, 7] - ، میتواند با استناد به قوانین بنیادین فیزیکی - قوانین بنیادین مکانیک و دینامیک سیالات و اصول موازنه ماده و انرژی و ... - دلایل نظری روابط بین الگوهای سینوپتیکی و شدت و ضعف متغیر محلی را تبیین نمود. چنین امکان تبیینی تا حد بسیار زیادی از سطح عدم قطعیتهای موجود در تبیینهایصرفاً آماری پدیدها و ارتباطات خواهد کاست.
-2 با استناد به ثبوت قوانین فیزیکی حاکم بر پدیدهها میتوان با اطمینان بیشتر و عدم قطعیت کمتری جهت تعمیم روابط حاکم بین متغیرهای بزرگمقیاس چرخه عمومی جو و متغیرهای محلی برای آینده اقدام کرد.
-3 از سوی دیگر، رویکرد استفاده از تحلیلهای سینوپتیکی در ریزمقیاسنمایی، بر خلاف روشهای ریزمقیاسنمایی دینامیک که مبتنی بر حل دستگاه معادلات جرم، اندازهحرکت و انرژی به همراه معادلات تجربی در قالب پارامتریزهکردن برخی پدیدههای جوی - مثل تشکیل ابرها و وقوع بارش - و استفاده از مقادیر متغیرهای بزرگمقیاس چرخه عمومی به عنوان مقادیر اولیه و شرایط مرزی میباشند، به طور گستردهای شامل استفاده از روشهای آماری جهت تبیین شدت و ضعف رابطه بین متغیرهای بزرگمقیاس چرخه عمومی جو و متغیرهای محلی است. از این رو ضمن اینکه تلاش محاسباتی به مراتب کمتری را نسبت به روشهای ریزمقیاسنمایی دینامیک میطلبند، از عدم قطعیتهای ناشی از اثر پروانهای یا عدم قطعیتهای نهفته در معادلات تجربی مورد استفاده در مدلهای ریزمقیاسنمایی دینامیک - کهموماًع سبب اریبی نتایج مدلهای زیرمقیاسنمایی دینامیک میگردد، [2] به نحوی که جهت اصلاح این اریبی، خروجی مدلهای ریزمقیاسنمایی دینامیک با استفاده از یک مدل آماری نااریب میشوند - نیز احتراز میگردد.
هدف از این تحقیق ارزیابی اثرات محتمل تغییر اقلیم به عنوان یک پدیده با مقیاس جهانی بر بارشهای حدی در حوضههای کوچک شهری به عنوان یک پدیده با مقیاس منطقهای با استفاده از خوشهبندی سیستمهای سینوپتیکی حاکم بر منطقه و شناسایی الگوهای سینوپتیکی موثر در رویدادهای حدی بارش است. به منظور خوشهبندی الگوهای سینوپتیکی فشار از تکنیک نگاشتهای خودسازمانده استفاده شده است. با شناسایی الگوهای سینوپتیکی فشاری مساعد برای وقوع رویدادهای حدی بارش، تغییرات در فراوانی وقوع آنها در آینده نسبت به وضعیت فعلی با استفاده از خروجیهای مدلهای چرخه عمومی جو - GCM - مورد بررسی قرار میگیرد. روش مورد نظر در خصوص بارشهای حدی در شمال شهر تهران به کار گرفته شده است.
2. نگاشتهای خودسازمانده - SOM1 -
نگاشتهای خودسازمانده، اول بار در دههی 80 میلادی توسط کوهونن ابداع گردید.[9] این روش، از جمله روشهای یادگیری مبتنی بر رقابت میباشند که منبعث از ساختار فضایی شبکهی عصبی بیولوژیکی - ساختار شبکههای عصبی در کرتکس مغز - بوده و به عنوان وسیلهای برای تحلیل آماری و بصریسازی اطلاعات، مخصوصا اطلاعات حجیم و نامتجانس بکار میرود. . نگاشتهای خودسازمانده هم روشی برای مصورسازی اطلاعات است که فضای اطلاعات با ابعاد زیاد را به فضایی با بعد کمتر نگاشت میکند و هم روشی برای خوشهبندی است که نمونههای مشابه اطلاعات را در نرونهای نزدیک هم نگاشت میکند. گونههای مختلفی از SOM وجود دارد که مثلا در قانون یادگیری، اندازهی فاصله و یا ارتباطات داخلی ساختمان نقشههای آنها متفاوت هستند.
در نگاشتهای خودسازمانده، روابط غیرخطی و پیچیدهی آماری اطلاعات با ابعاد بالا به رابطهی سادهی هندسی با ابعاد کم تبدیل میشود. با وجود اینکه در این روش، عمل فشردهسازی یا کاهش ابعاد اطلاعات انجام میشود، ولکن روابط مهم توپولوژیک بین اطلاعات حفظ میشود. دو خصیصهی مهم بصریسازی و کاهش ابعاد اطلاعات، در حل مسائل پیچیدهای چون خوشهبندی دادهها اقلیمی بسیار پر کاربرد است.
نگاشتهای خودسازمانده، از الگوریتم شبکههای عصبی برای تعیین و نمایش تابع توزیع یک مجموعهای از دادههای چندبعدی، بهره میگیرد. در نگاشتهای خودسازمانده، مجموعهای از نرونها در قالب یک شبکهیدر ابعاد کم - معمولاً یک یا دو بعدی - قرار داده میشوند. هر نورن توسط یک بردار dبعدی اوزان - بردار m=[m1'…Pd] - Prototype در نظر گرفته میشود که d برابر طول بردارهای دادههای ورودی است. هر نرون به نرونهای مجاور خود توسط یک رابطه همسایهگی - Lattice - به گونهای مرتبط میشود که در نهایت توپوگرافی یا ساختار نگاشت یا نقشه - map - shape را مشخص میکنند. نرونها در یک فرآیند یادگیری رقابتی نسبت به ساختار الگوهای ورودی منظم میشوند. با فرآیند آموزش نرونها، محل نرونها در شبکه به گونهای نظم مییابد که برای ویژگیهای دادههای ورودی، یک دستگاه مختصات معنیدار روی شبکه ایجاد شود. لذا یک نقشهی خود سازمانده، یک نقشهی توپوگرافیک از الگوهای ورودی را تشکیل میدهد که در آن، محل قرار گرفتن نرونها، متناظر ویژگیهای ذاتی الگوهای ورودی خواهد بود.
