بخشی از مقاله
مقدمه
فعالیتها و سیستمهاي انسانی (مانند کشاورزي، صنایع و امثال آن) وابسته به اقلیم، بر مبناي ثبات و پایداري اقلیم طراحی شده و عمل مینمایند و از این رو مساله تغییر اقلیم میتواند ثبات و پایداري مذکور را به هم ریخته یا حتی مختل کند و بشر را با مشکلات بسیار جدي مواجه سازد. در طی سالهاي اخیر دانشمندان به منظور تجزیه و تحلیل الگوهاي اقلیمی توجه ویژهاي به سريهاي دمایی معطوف میدارند. دما از مهمترین عناصر اقلیمی بوده و در تعیین نقش و پراکنش دیگر عناصر اقلیمی نیز موثر است. نیز دما از عوامل اصلی و اساسی در پهنه بندي و طبقه بندي اقلیمی بوده و بر این اساس نوسانات و تغییرپذیري دما بسیار حایز اهمیت بوده و به این دلیل پیش بینی دماهاي آتی نیز داراي اهمیت فوقالعاده علمی- کاربردي است.
موضوع این تحقیق دماهاي فرین است. در اصطلاح آماري مقادیر فرین چنین تعریف شده است: »در مقایسه با میانگین به مقادیر حدي یا افراطی بالا (مقادیر بسیار بزرگ) و حدي یا افراطی پایین (مقادیر بسیار کوچک) مقادیر فرین گفته میشود« (ریسز و توماس، 2007، .(17 استمرار زمانی دماهاي فرین در بازه روزانه، هفتگی و حتی ماهانه حسب مورد موجب وقوع امواج سرمایی (دماهاي فرین پایین) و گرمایی (دماهاي فرین بالا) میشود.
مشکلاتی که هر ساله دماهاي فرین در مناطق مختلف جغرافیایی به وجود میآورند، باعث شده که موضوع مطالعه دماهاي فرین اهمیت علمی و کاربردي خاصی پیدا کرده و ابعاد و اثرات مختلف تغییرات دمایی بویژه افت آن که دماهاي فرین را به وجود میآورد، مورد بررسی قرار داده شده است.
روشهاي سري زمانی به منظور مطالعه اقلیم بویژه بررسی دما در نوشتههاي بی شماري مورد استفاده و استناد قرار گرفته است. محققان تغییر پذیري روند میانگین دماي سالانه را در ترکیه مورد مطالعه قرار دادهاند. نتایج بررسی آنها
مدلهاي زمانی تحلیل و پیشبینی دماهاي فرین پایین تهران 143
در مقیاس ناحیهاي روند افزایش دماي آناتولی شرقی و روند کاهش آن را در نواحی ساحلی ترکیه در دو دهه اخیر نشان میدهد (تورکش و همکاران، 1996، .(466 کاربرد مدلهاي اتورگرسیو در بررسی تغییرات دما در کشور پرتغال مورد بررسی قرار داده شده و نشان داده است که مقدار تغییر پذیري قابل توجهی در مقیاسهاي سالانه و دههاي دماي پرتقال وجود دارد (لیته و همکاران، 1996، .(1173
ترابی با استفاده از روش آریما دماي پنج ایستگاه معرف در پنج ناحیه اقلیمی ایران را در فاصله سالهاي 1951 تا سال 1995 مطالعه و نتیجه گرفته است که مقادیر حداقل و حداکثر دما غیر از مناطق نیمه خشک گرم ایران در سایر مناطق از جمله نواحی خزري و نواحی کوهستانی دچار تغییرات دمایی شدهاند (ترابی،1380، ص .(112 در این رابطه روند زمانی تغییرات دماي ایران مورد مطالعه قرار گرفته و با استفاده از مؤلفه روند سري زمانی و آماره هاي من- کندال و لیتن مایر میزان معنی داري روند دماي ایستگاههاي سینوپتیک کشور با دقت فراوان مشخص شده است (شیرغلامی و قهرمان، 1384، .(9
سابقه استفاده از روش هالت- وینتر در ایران به مطالعاتی چون: پیش بینی خشکسالیها و ترسالی هاي استان هرمزگان (عزیزي و روشن،1384، (48 ، پیش بینی خشکسالی حوضه آبریز دریاچه ارومیه (زاهدي و قویدل رحیمی، 1381، (19 و خصوصاً پیش بینی دماهاي کرانگین اصفهان با استفاده از روش هالت-وینتر (خورشیددوست و همکاران، 1388، (31 محدود میشود.
مطالعات جدید در محدوده سواحل دریاي خزر نشان دهنده روند افزایشی دماهاي حداقل ایستگاههاي ایران در سواحل خزر هستند (مرادي و همکاران، 2011، .(1
مطالعات پیشرفته اخیر مرکز ملی تحقیقات جوي-اقیانوسی (از مؤسسات وابسته بـه ناسـا) نشـان داده کـه گرمـایش زمین در سـال 2010 در مقایسـه بـا دو دوره پایـه 30 سـاله (یکـی از 1960-1990 و دیگـري از (1970-2000 در سردترین ماه هاي سال یعنی ژانویه یا دي (شکل 1 الف و ج) و فوریه یا بهمن (شکل 1 ب و د) تشدید شده اسـت. همانگونه که از ناهنجاريهاي دماي ماه هاي سرد ژانویه و فوریه در سال 2010 نسبت به دو دوره بلند مدت مشاهده میشود، دماي سردترین ماههاي ایران (و تهران) افزایشی بین 2 تا 5 درجه سانتیگراد داشته است.
441 فصلنامهي علمی- پژوهشی فضاي جغرافیایی، سال دوازدهم، شمارهي 37، بهار 1391
شکل -1 تغییرات دماي سال 2010 میلادي نسبت به میانگین بلند مدت براي ماههاي الف: ژانویه در دوره 1971-2000، ب: ژانویه در دوره 1960 - 1990، ج: جولاي در دوره 1971-2000، د: جولاي در دوره 1960 -1990
شکل 1 گواهی بر افزایش شدید دماي فرین پایین ماههاي سرد در سال 2010 نسبت بـه دورههـاي بلنـد مـدتی کـه دماهاي فرین در آن اتفاق میافتند، نشان میدهد. سؤالات اساسی که در اینجا میتوان مطرح نمود، عبارتند از: رونـد بلند دماهاي فرین پایین چگونه است؟ آیا روند دماهاي فرین پـایین معنـی دار اسـت یـا صـرفاً نوسـانات موقـت و دوره اي است؟ روند نوسانات دماهاي فرین در دهههاي مختلف چگونه بوده است؟ با این روند صعودي (بر اسـاس شکل (1 که دماهاي فرین پایین در حال افزایش هستند، دماي ماههاي سرد 10 سال آینده چگونه خواهد بود؟
تهران به عنوان پایتخت ایران شهري بسیار بزرگ و پر جمعیت است که نوسـانات و تغییـرات احتمـالی آب و هـوا خصوصاً دماهاي فرین آن جمعیت زیاد ساکن در این کلان شهر را مستقیماً تحت تأثیر قرار میدهد. با توجه به اینکه در خصوص تغییرات بلند مدت و بویژه نوسانات دههاي دماهاي فرین پـایین تهـران پژوهشـی انجـام نگرفتـه، ایـن
مدلهاي زمانی تحلیل و پیشبینی دماهاي فرین پایین تهران 145
پژوهش با هدف واکاوي تغییرات و تحلیل روند بلند مدت و دههاي دماهاي فرین پایین و پیش بینی دماهاي مذکور براي 10 سال آتی تا سال 2020 براي ایستگاه نمونه مهرآباد تهران انجام گرفته است.
مواد و روشها
داده هاي مربوط به دماهاي حداقل روزانه اتفاق افتاده در هر یک از ماههاي سـال کـه مقـادیر فـرین حـداقل سـالانه ایستگاه مهر آباد محسوب شده اند، براي مطالعه انتخاب گردید. بر این اساس براي هر یک از سالهاي مورد مطالعـه که از سال 1951 میلادي شروع و تا 2010 به طول دوره 60 سال ادامه یافته، 60 رکورد یا مشاهده در نظر گرفته شد. داده ها مربوط به ایستگاه مهرآباد که در مختصات 35 درجه و 41 دقیقه عرض شمالی و 51 درجه و 19 درجه طـول شرقی واقع شده و ارتفاع آن 1190/8 متر است، هستند. دادههاي یاد شده از سازمان هواشناسی کشور اخذ گردید.
پس از کنترل کیفی و اطلاع از صحت داده ها مراحل مختلف تحلیل آماري انجام گرفته است کـه بـه ترتیـب شـامل ترسیم و تحلیل روند بلند مدت و دهه اي و اعمال آزمون ناپارامتري من- کندال براي دورههاي بلند مدت و دهـهاي بوده و پس از آن با استفاده از روش سري زمانی هالت_وینتر مقادیر 10 سال بعدي دماهـاي فـرین پـایین ایسـتگاه تهران تا سال 2020 مورد پیش بینی قرار گرفته است.
به منظور تحلیل نوسانات دهه اي دماي فرین پایین تهران دوره 60 ساله آماري به 6 دوره تقسیم شد کـه دوره اول از 1951 تا 1959، دوره دوم از 1960 تـا 1969، دوره سـوم از 1970 تـا 1979، دوره چهـارم از 1980 تـا 1989، دوره پنجم از 1990 تا 1990 و دوره ششم از سال 2000 تا انتهاي سري (2010) را شامل مـیشـوند. همچنـین نوسـانات روند -1کل سري، -2 آغاز سري (1951) تا سال 1990، 1970 -3 تـا انتهـاي سـري در سـال 2010 و -4 از سـال 1990 تا سال 2010 که جمعاً شامل 10 سري میشوند، مورد تحلیل قرار گرفته است.
براي محاسبه ناهنجاريهاي دماي حداقل ایستگاه مهرآباد از معادله 1 (نمرات استاندارد شده) استفاده شده است:
(1)
Ae (Ci C i ) / SD
در معادله فوق: Ae ناهنجاري دماي حداقل، Ci هر یک از مشاهدات دماي حداقل به ثبت رسیده در هر سـال در بـازه
زمانی 60 ساله، SD انحراف معیار و C میانگین بلند مدت 60) ساله) دماي حداقل ایستگاه هستند.
چون روش من- کندال در آب و هواشناسی روشی معمول است از ذکر معـادلات طـولانی آن صـرف نظـر شـده و کلیات آن شرح داده میشود. از آماره ناپارامتري من- کندال جهت آزمون معنی داري روند و آشکارسازي جهش در
Yt M T C S I e
641 فصلنامهي علمی- پژوهشی فضاي جغرافیایی، سال دوازدهم، شمارهي 37، بهار 1391
سريهاي زمانی استفاده میشود. این آزمون عمدتاً در علوم محیطی به کار رفته، زیرا آزمونی ساده و محکـم بـوده و میتواند مقادیر پایین تر از حد (فرین) مشخص را کنترل کنـد. در ایـن روش دو عامـل Ui و U'i محاسـبه و بـراي بررسی روند در کنار همدیگر ترسیم شده و موقعیت آنها نسبت به هم معنی داري یا بی معنی بودن روند را مشخص میکند. اگر مقادیر آنها از دو آستانه 1/96 تجاوز کند، روند معنی دار خواهد بود. اگر دو خط Ui و U'i همدیگر را در یک نقطه قطع کنند، آن نقطه، نقطه جهش است. در صورتی که دو خـط در داخـل حـریم و محـدوده باشـند، جهش معنی دار نبوده، اما چنانچه از حریم تجاوز کرده یا محدوده را کلاٌ یا موقتاً ترك کرده باشند، جهش معنـی دار خواهد بود. همچنین اگر دو دنباله Ui و U'i بر اساس i به صورت نموداري ترسیم شوند، در صـورت معنـی داري روند، دو نمودار در نقطه آغارین همدیگر را قطع خواهند کرد، در حالی که در صورت عدم وجـود رونـد دو دنبالـه Ui و U'i تقریباً به صورت موازي حرکت خواهند کرد و یا با چند بار برخورد به طوري که بـه تغییـر جهـت آنهـا منجر نشود، عمل میکنند. محل تلاقی Ui و U'i در محدوده اطمینان 95 درصدي، بیانگر تغییرات معنـی دار سـري زمانی اقلیمی بوده و رفتار Ui بعد از محل تلاقی وضعیت نزولی یا صـعودي سـري اقلیمـی را مشـخص مـیکنـد. نمودارهایی که در آنها دو خط Ui و U'i به هم برخورد نکرده اند یا فاقد محل تلاقـی دو خـط Ui و U'i هسـتند، معرف سريهاي اقلیمی فاقد روند هستند (خوشحال دستجردي و قویدل رحیمی، .(1387
هر سري زمانی علاوه بر میانگین شامل چندین مؤلفه به اسامی: روند، سیکل یا مؤلفه چرخهاي، مؤلفه فصلی و نوسانات نامنظم است. پیش بینی سريهاي زمانی به یکی از حالات جمعی یا ضربی که براي دما اغلب جمعی است و به شکل معادله زیر نشان داده میشود، صورت میگیرد:
(2)
در معادلات فوق: Yt سري زمانی پیش بینی شده، M میانگین سري، T مؤلفه روند، C مؤلفه چرخهاي، S مؤلفه فصلی، I نوسانات نامنظم در طول سري و e خطاهاي مشاهداتی هستند. پیش بینی مدل هالت- وینترز بر مبناي میانگین توزینی مقادیر جاري و قبلی دادههاي ثبت شده سري زمانی است. در میانگین توزینی مورد بحث بیشترین میزان وزن به جدیدترین مشاهده سري زمانی داده شده و به ترتیب که به دادههاي قبلیتر سري زمانی بر میگردیم، وزنها نیز کمتر میشوند.
Fts
مدلهاي زمانی تحلیل و پیشبینی دماهاي فرین پایین تهران... 147
براي پیشبینی در این مدل لازم است مؤلفههاي ___ ، T و F که به ترتیب عبارتند از مؤلفههاي سطح (یا
t t X t
میانگین)، روند و فصلی برآورد شوند. حالت جمعی مدل پیش بینی هالت- وینترز که در این مطالعه مورد استفاده قرار گرفته است، به شرح زیر نشان داده میشود:
