بخشی از مقاله
چکیده
واکاوی و پیشبینی سامانههای پیچیده و تغییرات فراسنجهای آب و هوایی غیر خطی به ویژه بارش با استفاده از انگارههای آشوبی، برخالی و فازی راهکار مناسبی جهت شناخت سیر تعادلی و تحلیل-های دینامیکی در تغییرات فراسنجهای آب و هوایی است. بدین جهت در پژوهش حاضر، دینامیک نوسانات فراسنج آب و هوایی بارش به تفکیک ماههای همراه با بارش، در ایستگاه همدید شیراز در بازه زمانی بلند مدت 58 ساله - 2013-1956 - با رویکرد برخالی مورد واکاوی قرار گرفت.
جهت انجام این پژوهش پس از هم مرجع سازی ریاضی فراسنج بارش هر ماه با اعمال ساختار مثلثاتی برخالی بر روی دادههای بدست آمده به مقایسه نتایج حاصله با هندسه کلاسیک برخالی پرداخته شد. بر اساس یافتههای این پژوهش، روند ماهانه بارش در هفت ماه ماههای ژانویه، فوریه، مارس، آوریل، می، نوامبر و دسامبر از ساختار برخالی پیروی نمینماید؛ به بیان دیگر منطق حاکم بر ساختار فراسنج بارش در هفت ماه همراه با بارش از حالت تعادل به ناتعادلی است. جهت بررسی کامل دینامیک تغییرات این فراسنج در ماههای توام با بارش در تحقیقات آینده باید از منطق آشوبی و یا فازی نیز بهره گرفت.
مقدمه
در میان سیستمهای فراکاوشی، به تئوری آشوب به دلیل داشتن خاصیت دینامیکی غیرخطی و قطعی بودن، در شبیهسازی فرایندهای پیچید توجه خاصی شده است. تئوری آشوب را اولینبار در سال 1965 دانشمندی به نام ادوارد لورنز در هواشناسی به کار برد. انگاره اصلی تئوری آشوب این است که در هر بی نظمی، نظمی نهفته است؛ به این معنا که نباید نظم را تنها در یک مقیاس جست و جو کرد، پدیدهای که در مقیاس محی،ل کاماً تصادفی و پیشبینی ناپذیر به نظر می رسد چه بسا در مقیاس بزرگ تر،کاماً پایا و پیشبینی پذیر باشد .[1]
در این میان، بارش در بین عناصر اقلیمی از اهمیت بسیار زیادی بر خوردار است .[2] بارندگی یکی از پیچیدهترین و اتفاقی-ترین پدیدههای طبیعی میباشد. در واقع، تأثیر عوامل محسوس و غیر محسوس به قدری در ایجاد حادثه دخیل است که این روند را از صورت نظامی قانونمند به صورت ساختاری پیچیده سوق داده است .[3] تاثیر بارش بر شرایط محیطی و اقتصادی- اجتماعی و همچنین، نقش آن در برنامهریزی خرد و کلان، و اهمیت آن جهت اجرای طرحهای عمرانی و برنامه ریزیهای صحیح و قابل قبول، باعث توجه پژوهشگران در سالهای اخیر به این عنصر آب و هوایی بوده و پژوهشهای گستردهای بر روی این فراسنج اقلیمی انجام شده است .[4]
پژوهش در زمینه سامانههای دینامیک غیر خطی توسط پژوهشگران بساری مورد بحث قرار گرفته است، از جمله: جاوایاردنا1 و لای - 1994 - 2 آشوبناکی رفتار بارش و دبی روزانه را به ترتیب در سه و دو ایستگاه هیدرومتری در هنگکنگ بررسی کردند. در این پژوهش روشهای بُعد همبستگی، نمای لیاپانوف، آنتروپی کولموگروف و روش پیشبینی غیرخطی - ARMA - را به کار گرفتند. نتایج، وجود آشوب در دادههای بارش و دبی در هنگ کنگ نشان داد .[5] من3 و همکاران - 2004 - در پژوهشی، رفتار بارش ماهانه منطقه سیچوان در چینرا با استفاد از روش بُعد همبستگی و بازسازی فضای فاز و آنتروپی کولموگروف بررسی کردند.
آنها با توجه به محاسبهبُعد همبستگی و آنتروپی کولموگروف، به این نتیجه رسیدند که بارش ماهانه در این منطقه از رفتاری آشوبناک برخوردار است .[6] دهانیار 4 و کومار - 2010 - 5 در مطالعهای، رفتار آشوبناکی بارش روزانه را با بکارگیری مجموعههای غیرخطی مورد بررسی قرار دادند. در این به منظور بررسی آشوبناکی از روش بازسازی فضای فاز وبُعد همبستگی و نمای لیاپانوف استفاده نمودند. نتایج بیانگر آشوب کم بُعد در سری زمانی بارش در هر سه منطقه مورد مطالعه میباشد.[7]
در پژوهشی دیگر دهانیار و کومار - 2011 - ، با استفاده از داده-های روزانه بارش حوضه مالاپرابا و دیگر فراسنجهای آب و هوایی به پیشبینی غیر خطی تک و چند متغیره بارش روزانه پرداختند، یافته-های پژوهش نشان داد، عدم قطعیت در پیشبینی آشوبناک بارش با استفاده از روش غیر خطی چند متغیره نسبت به تک متغیره کاهش مییابد .[8] ذونعمت کرمانی6 و کیشی - 2015 - 7 در پژوهشی، ویژگیهای امواج دریایی را در دریاچه مازندران با بکارگیری نظریه آشوب مورد بررسی قرار دادند، نتایج پژهش رفتار آشوبی امواج باد را نشان میداد .[ 9]
در ایران برای نخستین بار مفهوم آشوب در تفسیرهای آب و هوایی و ژئومورفولوژیک توسط رامشت و توانگر - 1381 - ، رامشت - 1382 - و رامشت و همکاران - 1386 - در حیطه علوم جغرافیائی در کشور مطرح گردید [10] و [11] و .[12] در ادامه نیز کمانه و همکاران - 1390 - در پژوهشی وضعیت تعادلی و پایداری حوضه کر را با محاسبه تراز ورودی و خروجی ماده و انرژی از گذشته تا آینده را مورد ارزیابی قرار دادند، یافتههای پژوهش گواه وقوع پایداری حوضه در قالب سیستم سیبرنتیکی تعادل ترمودینامیکی است .[13]
در مطالعهای دیگر جعفرپور و همکاران - 1390 - به بررسی پیامد نوسان و تغییرات پالئوکلیماتیک کواترنر بر حوضه ژئومورفولوژیک فسا پرداختند، نتایج این پژوهش نشان داد حوضه مذکور از نظر ژئومورفولوژیکی در حال تعادل میباشد .[14] کمانه و همکاران - 1394 - در پژوهشی، به بررسی بازخوردهای آب و هوایی و ژئوموفولوژیک جهت توسعه فیزیکی شهر شیراز با استفاده از ضوابط برخالی و آشوبی پرداختند .[15]
توکلی و بابازاده - 1394 - به ارزیابی توانایی مدلهای سری زمانی و نظریه آشوب در برآورد تبخیر تعرق گیاه مرجع ایستگاه همدید تربت حیدریه پرداختند، نتایج این پژوهش نشان داد که مدل سری زمانی ARIMA و نظریه آشوب هر دو با دقتی نزدیک به یکدیگر تبخیر تعرق گیاه مرجع را برآورد میکنند .[16] ذونعمت کرمانی و امیر خانی - 1394 - به تعیین پارامترهای دینامیکی تندباد و موج شاخص با استفاده از نظریه آشوب در بندر عسلویه پرداختند. نتایج به دست آمده حاکی از میزان آشوبناکی موج شاخص با بعد همبستگی 6/7 و تصادفی بودن رفتار تندباد می باشد .[17] هدف از این پژوهش بررسی ساختار حاکم بر رفتار بارش به تفکیک ماههای همراه با بارش با رویکرد برخالی آشوبی در بازه زمانی بلند مدت 58 ساله - 2013-1956 - ایستگاه همدید شیراز است.
دادهها و روشکار
شهر شیراز مرکز استان فارس با طول جغرافیایی 52 درجه 33 دقیقه خاوری و عرض جغرافیایی 29 درجه و 36 دقیقه شمالی در حدود با و میانگین ارتفاع 1500 متر از سطح دریا، بر اساس طول دوره آماری سال 1951 الی 2014 با میانگین سالانه بارش 332/5 میلیمتر و میانگین سالانه دمایی 18 درجه سانتیگراد، بر اساس واپسین سر-شماری سال - 1390 - با جمعیتی بالغ بر 1549453 در جنوب باختری ایران واقع است. موقعیت جغرافیایی و طبقات ارتفاعی منطقه مورد مطالعه نیز در - شکل - 1 نشان داده شده است.
جهت انجام این پژوهش، نخست دادههای بارش روزانه، ماهانه و سالانه در بازه زمانی 58 ساله - 2013-1956 - از اداره کل هواشناسی استان فارس دریافت گردید. پس از بازسازی دادهها، با انجام پردازش بر روی آنها در محیط نرمافزارهای آماری SPSS و EXCEL محاسبات مربوطه انجام پذیرفت. روش شناسی ساختار آشوبی به تنهایی یکی از اصول حاکم بر فرآیند تغییرات و نوسانات آب و هوایی و زیر سیستمهای آن میباشد.
این تغییرات و نوسانات میتواند از ضوابط خطی یا غیر خطی پیروی نماید؛ به تجربه ثابت شده است بیشتر کارکرد سیستمهای طبیعی و به ویژه سیستم آب و هوایی از ساختار غیر خطی پیروی مینمایند. در این فرایند نخست دادههای بلند مدت بارش ماهانه ایستگاه همدید شیراز با ساختارهای خطی و غیر خطی بررسی گردید و بر حسب اینکه کدام ساختار از همبستگی همگنتری برخوردار باشد، آن ساختار در حقیقیت چارچوب حاکم بر تغییرات و نوسانات فراسنجهای آب و هوایی قرار گرفت.
منطق جبری محاسبات بدین ترتیب است که در گام نخست بارش ماهانه به صورت - کمینه به بیشینه - در طول دوره آماری مرتب گردید، پس از آن ماتریس فراوانی رخداد و مقادیر مطلق بارش به ابعاد 269 × 269 تشکیل شد، در گام بعد جهت اعمال ساختار هندسی کمیت بارش و فراوانی آن هم مرجع گردید؛ در ادامه ساختار برداری دادهها به صورت یک چرخه مثلثاتی تعریف و ضابطه حاکم بر آن محاسبه گردید. همچنین نمودارهای خروجی در محیط نرم افزار Surfer 10 ترسیم شده است. جهت تعیین تابع مورد نظر با اعمال ضوابط خطی بر روی دادههای بلند مدت بارش دامنه دروندادها و برد بروندادها محاسبه گردید.
در این راستا به دلیل اینکهاصولاً پدیدههای طبیعی اکثراً از رابطه خطی پیروی نمیکنند و در صورت پیروی از همبستگی حداکثری برخوردار نخواهند بود، بنابراین سیمپلکسیون دادههای آب و هوایی مذکور در ساختاری غیر خطی از همبستگی بیشتری برخوردار میباشند، بر همین اساس نخست به ضابطهیابی برخالی8 اقدام میگردد، این ساختار با رعایت دوره گردش 2N در ضابطه پولی نومیال مثلثاتی با درجه دو در حالت کلاسیک خود نسبت به بردارهای x & y با همبستگی حداقل 95 درصدی کاملا معنیدار خواهد بود، که از اعمال ساختار نپرین بر روی دامنه و بردهای دادههای هم مرجع شده بارش ماهانه محاسبه گردیدند، نتیجه گرافیکی کلاسیک و بالفعل عملکرد نوسانی فراسنج ماهانه بارش روی نمودار - شکل - 2 مشخص میباشد.
نتایج
با توجه به ویژگیهای آماری بارش ماهانه بالاترین میزان بارش ماهانه ثبت شده مربوط به ماه ژانویه در سال 1965 با 324/5 میلیمتر و پس از آن در ماه دسامبر سال 2004 با 305/2 میلیمتر میباشد. در این حال ماه ژانویه با میانگین بارشی 85/59 میلیمتر پربارشترین و سپس ماه دسامبر با 71/94 میلیمتر دومین ماه پربارش در این ایستگاه است. به منظور شناخت ساختار و تحلیل دینامیک تغییرات بارش به تفکیک ماههای همراه با بارش در ایستگاه همدید شیراز در گام نخست جهت انتخاب منطق حاکم بر روند نوسانات فراسنج آب و هوایی بارش ماههای مورد نظر با یک منطق شروع و صورت نیاز به منطقهای دیگر مراجعه میشود.
در همین راستا در تحلیل منطق حاکم بر بارش ایستگاه شیراز از روند جبری فراوانی رخداد هر یک از مقادیر واقعی بارش ماهانه در یک ماتریس وتری استفاده و نتایج محاسبه شده به صورت فراوانیهای رخداد تجمعی صعودی مرتب گردید، سپس نتایج حاصل در یک ساختار جبری مخروطی هم مرجع شدند. سپس حد آستانههای بیشینه و کمینه با اعمال ساختار نپرین بر روی دامنه و بردهای دادههای هم مرجع شده بارش ماهانه با در نظر داشت ضابطه - جدول - 1 ساختار حاکم بر فراسنج بارش در تابع برخالی محاسبه گردید.
از میان دوازده ماه سال، هفت ماه که با بارش همراه میباشد - ماههای ژانویه، فوریه، مارس، آوریل، می، نوامبر و دسامبر - به تفکیک هر ماه محاسبات مربوطه، بر روی فراسنج بارش ماهانه انجام گرفت. فراسنج هم مرجع شده بارش ماه ژانویه ایستگاه همدید شیراز با ساختار کلاسیک برخال با استناد به ضابطه - جدول - 1 محاسبه گردید که نتایج این محاسبات و ساختار حاکم بر بارش در ماه ژانویه در - شکل - 4 نشان داده شده است.
با اعمال ساختارهای جبری برخالی بر روی این فراسنج و مقایسه آن با ساختار کلاسیک برخال - شکل - 5 نشان داد، ساختار بارش ماهانه در ماه ژانویه با استناد به ضابطه - y = - x * 0.002488336 - + 0.4074650084 از ساختار برخالی پیروی نمی- نمایند. در - شکل - 5 ساختار واقعی با رنگ آبی بر روی ساختار کلاسیک با رنگ قرمز ترانما 9 شده است. همچنین مقادیر بارش به صورت نمونه در - شکل - 6 و همه مقادیر در - شکل - 7 بر روی منحنی مشخص و نمایش داده شده است.
