پژوهشهای تغییرات آب و هوایی

افزایش گرمایش جهانی به عنوان یکی از مسائل عمده جهانی در قرن حاضر مطرح است. به همین دلیل بررسی و ارزیابی روند آن برای انسان اهمیت دارد، از این رو شبیه سازی این متغیر اقلیمی برای درک آینده بشر می تواند راهگشا باشد. روش های مختلفی برای شبیه سازی و پیش بینی امواج گرمایی وجود دارد که معتبرترین آن ها استفاده از مدل گردش عمومی جو و GCM می باشد. از جمله پرکاربردترین مدل ها جهت ریز مقیاس کردن داده های GCM، مدل آماری LARS-WG می باشد. در تحقیق حاضر، میزان کارایی این مدل جهت ریز مقیاس نمایی امواج گرمایی در ایستگاه جلفا مورد ارزیابی قرار گرفت. برای نیل به این هدف از آماری روزانه ی میانگین دمای بیشینه ی بالای 35 سانتی گراد درجه در دوره آماری معین استفاده شده است. و همچنین برای پیش بینی امواج گرمایی در سال های آینده از داده های دمای بیشینه ی مدل های (CESM-CAM، CMCC-CMS، CAN-ESM، MPI-ESM) تحت سناریو RCP8.5 برای دوره آتی 2022 تا 2065 انجام گرفت. دلیل انتخاب RCP8.5 به علت مطالعه تغییرات امواج گرمایی در بیش ترین شرایط انتشار گازهای گلخانه ای و گرمایش ناشی از آن ها می باشد. نتایج نشان داد امواج گرمایی در دوره آتی (2011-2005) نسبت به دوره پایه دارای توزیع نرمال می باشد؛ بنابراین این نتایج عملکرد بسیار خوب مدل LARS-WG را در شبیه سازی امواج گرمایی نشان می دهد. امواج گرمایی ایستگاه جلفا در دوره های پایه (1990-2020)، دارای بی نظمی و تغییرپذیری شدید رخدادهای سالانه امواج گرمایی، حکایت از تغییرپذیری شدید میانگین دمای سالانه و تنوع عوامل تأثیرگذار بر دمای منطقه دارد. از طرفی دیگر بر اساس پیش بینی مدل های اقلیمی MPI-ESM،CESM-CAM و CMCC-CAM دمای امواج گرمای سالانه ی که در دوره گرم به سوی گرمای بیشتر پیش می روند.

تغییر اقلیم به دنبال گرمایش جهانی در دهه های اخیر تأثیر زیادی در مناطق مختلف به همراه داشته است. جهت پیش نگری دمای کمینه و بیشینه مناطق سردسیر ایران از داده های 28 ایستگاه همدید کشور و برونداد مدل CanESM2 از سری مدل های CMIP5 استفاده شد. مقیاس کاهی با مدل آماری SDSM طی دوره تاریخی (2005-1991) و پنج دوره آینده (2040-2026، 2055-2041، 2070-2056، 2085-2071، 2100-2086)، تحت سه سناریوی خوشبینانه (RCP2.6)، حدواسط (RCP4.5) و بدبینانه (RCP8.5) انجام شد. جهت درستی سنجی برونداد دمای کمینه و بیشینه مدل مقیاس کاهی شده از چهار سنجه آماری PCC، RMSE، MBE و PBIAS استفاده شد. نتایج درستی سنجی برونداد مدل SDSM نشان داد که این مدل در عرض های جغرافیایی بالا و مناطق سردسیر از کارایی نسبتاً مناسبی برخوردار است. با این وجود به دلیل در دسترس بودن تنها یک واسط کاربری GCM (مدل CanESM2)، در نظر نگرفتن روابط فیزیکی جو توسط مدل SDSM و همچنین تکیه صرف بر روابط آماری بین داده های مشاهداتی و GCM، نتایج دارای عدم قطعیت زیادی نسبت به برونداد مدل های دینامیکی و یا روش دینامیکی-آماری و مدل همادی می باشد. بی هنجاری دمای کمینه و دمای بیشینه در دوره های پیش نگری اول تا پنجم براساس سه سناریوی واداشت تابشی مثبت است. نتایج بی هنجاری دمای کمینه نشان داد که کمینه بی هنجاری مثبت در ایستگاه یاسوج و بیشینه آن در ایستگاه پیرانشهر مشاهده می شود. به همین ترتیب بی هنجاری دمای بیشینه در ایستگاه های تهران (ژئوفیزیک) و تهران (شمیران) مشاهده می شود. بطور کلی، دمای کمینه و بیشینه تحت سناریو های حد واسط (RCP4.5) و بدبینانه (RCP8.5) نسبت به سناریوی خوشبینانه (RCP2.6) افزایش بیش تری را به خصوص برای مناطق شمال غربی ایران نشان می دهند. این نتیجه از آن جهت مهم است که با افزایش دما ذوب سریعتر پوشش برف در مناطق سردسیر برای کشور خشک و نیمه خشکی همچون ایران به دلیل کاهش دسترسی به آب شیرین یک تهدید بالقوه محسوب می شود.

طی سال های اخیر تغییرات آب و هوایی بصورت کلان سبب شده تا ناهنجاری های شدید در سیستم جوی بوقوع بپیوندد. که حاصل بازخورد این ناهنجاری ها در بخش بارش سبب شده تا با تغییر الگوی جریانات جوی با کاهش دوره ای نسبت به بلندمدت خود همراه گردد. از طرفی درک سازوکار جوی و شناسایی مکانیسم آن سبب شده تا چگونگی و نحوه شکل گیری ناهنجاری های جوی مشخص گردد. در همین راستا و به منظور بررسی وضعیت سیستم های سینوپتیک جو در زمان رخداد ناهنجاری های شدید بارشی در شرق ایران، از آمار بارش 31 ایستگاه هواشناسی واقع در منطقه طی بازه آماری (از 1990 تا سال 2020 میلادی) استفاده شد. در همین راستا از شاخص ناهنجاری بارش (RAI) استفاده گردید تا دوره های مذکور شناسایی گردند. در ادامه برای تبیین ساختار جو در زمان رخداد این پدیده با مراجعه به تارنمای متعلق به مرکز ملی پیش بینی های محیطی/علوم جو (NCEP/NCAR) داده های شبکه بندی شده ارتفاع ژئوپتانسیل، فشار تراز دریا، مؤلفه سرعت قائم (امگا)، رطوبت نسبی، مؤلفه های مداری و نصف النهاری باد اخذ شد. بر اساس یافته های بدست آمده از داده ها و تحلیل آنها نشان داد که با تشکیل پشته قوی در تراز میانی جو بر روی شرق خاورمیانه همراه بوده که منطقه یادشده در قسمت همگرایی فوقانی پشته تراز 500 هکتوپاسکال قرارگرفته است. این امر سبب شده تا یک جریان واچرخندی، یا استمرار بالا بر روی منطقه حاکم گردد. از طرفی فرارفت هوای سرد و حاکمیت جریان شمالی به منطقه، شرایط صعود و ناپایداری به حداقل ممکن رسیده است. قرارگیری منطقه در زیر هسته همگرایی فوقانی رودباد نیز از دلایل عمده بر وقوع و استمرار ناهنجاری های شدید بارشی در منطقه است. به منظور بررسی ارتباط بین عمده مناطق چرخندزا برای بارش دو منطقه دریای سرخ و مدیترانه موردبررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از بررسی همبستگی بین شاخص های امگا و مؤلفه نصف النهاری باد بر روی کریدور دریای سرخ و مدیترانه با فشار سطح دریا بر روی منطقه نیز نشان داد که با کاهش مقادیر صعود در مناطق یادشده و افزایش فشار بر روی شرق ایران یک همبستگی مثبت برقرار است. که مشخص گردید طی دوره یاد شده روند کاهشی در تشکیل سامانه های کم فشار و باران زا در منطقه بوقوع پیوسته است.

در این پژوهش، عملکرد مدل عددی WRF در شبیه سازی پارامترهای خردفیزیکیِ یک سامانه همرفتی میان مقیاس که در 13 آوریل 2016 در غرب و جنوب غرب ایران رخ داد، بررسی شد. از آن جایی که شبیه سازی مدل های میان مقیاس به انتخاب طرحواره های پارامترسازی فیزیکی مورد استفاده در آن حساس هستند، بنابراین با انجام آزمون هایی، حساسیت نتایج شبیه سازی های مدل با استفاده از دو طرحواره پارامترسازی خردفیزیک تامپسون و موریسون ارزیابی شد. در پیکربندی مدل از سه دامنه تو در تو استفاده شده و به جز طرحواره های خردفیزیک، سایر تنظیمات مدل در همه آزمون ها مشابه هستند. مقایسه پهنه بارش روزانه به دست آمده از شبیه سازی ها در دامنه دوم مدل با پهنه بارش حاصل از داده های ماهواره ایGPM  نشان داد که طرحواره موریسون در شبیه سازی بیشینه مقدار بارش و گستره مکانی بارش روزانه نسبت به طرحواره تامپسون عملکرد بهتری داشته است. همچنین مقایسه مقادیر بارش روزانه شبیه سازی شده در دامنه سوم مدل، با بارش روزانه اندازه گیری شده در 40 ایستگاه همدیدی واقع در منطقه مورد مطالعه نیز نشان داد که دو طرحواره در حدود نیمی از میزان بارش ها در منطقه را نزدیک به مقادیر مشاهداتی پیش بینی کرده اند. بررسی نمودارهایِ تغییرات زمانی مقادیر شبیه سازی شده و مشاهدات ایستگاهی دردسترس برای برخی پارامترهای هواشناسی برای روز 13 آوریل 2016 در ایستگاه اهواز نشان داد که طبق شاخصه های آماری محاسبه شده در ارزیابی عملکرد طرحواره های موریسون و تامپسون، نتایج دو طرحواره خیلی به هم نزدیک است. در بخش آخر به منظور درک بهتر ویژگی های سامانه همرفتی میان مقیاس شبیه سازی شده با دو طرحواره خردفیزیکِ تامپسون و موریسون، چند پارامتر خردفیزیکی در دو شبیه سازی بررسی شدند. در بررسی نیم رخ های قائمِ این پارامترهای خردفیزیکی از جمله غلظت ها و سرعت های سقوط، تفاوت اساسی و مشهودی از شبیه سازی با دو طرحواره مشاهده نشد. همچنین، میزان بارش حاصل از پیش بینی ها قابل مقایسه بوده و اختلاف اندکی دارند.

در سالهای اخیر، پدیده خشکسالی بسیاری از حوضه های آبخیز ایران را تحت تاثیر قرار داده و همه ساله باعث تغییرات زیادی در کاربری اراضی و مساحت دریاچه ها می شود. این پژوهش سعی دارد که با استفاده از شاخص های سنجش از دور خشکسالی در سال های 2000، 2010 و 2020، وضعیت خشکسالی و ارتباط آن با تغییرات کاربری اراضی در حوضه ابخیز دریاچه مهارلو در جنوب ایران را مورد بررسی قرار دهد. بدین صورت که ابتدا با استفاده از شاخص های EVI، NDVI، VCI وضعیت خشکسالی تعیین شد، سپس نقشه های کاربری اراضی برای سال های 2000 و 2020 با استفاده از تصاور ماهواره ای لندست ETM+8 تهیه شد. در ادامه با استفاده از روش رگرسیون مهمترین شاخص های خشکسالی موثر برای کاربری های اراضی تعیین گردید. همچنین با استفاده از زنحیره مارکوف و کومارکوف وضعیت شاخص های خشکسالی و کاربری اراضی برای سال 2040 پیش بینی شد. با توجه به نتایج شاخص ها مشخص شد که بخش های جنوبی بیشتر از دیگر بخش ها در خطر خشکسالی قرار دارد. نتایج حاصل از بررسی تغییرات کاربری اراضی نشان داد که در سال 2020 نسبت به سال 2000 اراضی بیشتری در کلاس های شور و بایر قرار گرفته اند. نتایج نشان داد که بر اساس روش رگرسیون مهمترین شاخص ها در ارتباط با کاربری اراضی شاخص NDVI می باشد. نتایج حاصل از زنجیره مارکوف و کومارکوف برای پیش بینی شاخص ها نشان داد که این روش دارای دقت قابل قبولی می باشد. بطوریکه ضریب کاپا برای شاخص VCI 0.98 می باشد که حاکی از دقت بالای مدل در پیش بینی خشکسالی می باشد. همچنین نقشه های پیش بینی شده توسط این روش نشان داد که در سال 2040 مقادیر این شاخص کاهش می یابد که نشان دهنده خشکسالی بیشتر در منطقه خواهد بود. با مقایسه ای که بین طبقات این شاخص ها و مقادیر این شاخص ها در سال 2020 و 2000 انجام شد مشخص شد که در سال 2040 احتمال کاهش مقادیر این شاخص و در نتیجه افزایش بیشتر خشکسالی در منطقه وجود دارد. این تغییرات بر روی وضعیت کاربری ها تاثیر زیادی خواهد داشت. بطوریکه پیش بینی می شود که مقادیر آب ها در این دریاچه با توجه به کاهش مقادیر شاخص خشکسالی NDVI کاهش یابد.

تغییرات آب و هوایی یکی از بزرگ ترین چالش های پیش روی بشریت است که علوم مرتبط با طبیعت و محیط زیست را تحت تأثیر قرار می دهد. تغییرات در پارامترهای تأثیرگذار در تغییرات اقلیمی سبب شده است تا پاسخ های هیدرولوژیک حوضه های آبخیز تحت تأثیر قرارگرفته و این پدیده بر روی کمیت و کیفیت منابع آب سطحی همچون دریاچه ها، آبگیرها و مخازن سدها تأثیر می گذارد. امروزه توسعه و پیشرفت فناوری های رایانه ای و محاسباتی تأثیر بسزایی در مدل سازی های هیدرولوژیکی داشته است. در سال های اخیر مدل های مفهومی و فیزیکی بر اساس خصوصیات حوضه های آبریز برای سیستم های هیدرولوژیکی موردتوجه محققان قرارگرفته است. با توجه به وجود آمدن این گونه پیشرفت ها، پیچیدگی هایی درروند مدل سازی های هیدرولوژیکی به وجود خواهد آمده است. پیش بینی های صحیح مدیریتی در زمینه منابع آب با توجه به کمبود ذخایر آبی، از مباحث موردتوجه در نهادهای متولی مدیریت منابع آب است که باید از مدل های شبیه ساز با دقت بالا به منظور برآوردها و برنامه ریزی های بلندمدت استفاده کرد. با توجه به بحران و کمبود ذخایر آبی در ایران، زیر حوضه آبریز بالادست سد زاینده رود به عنوان مطالعه موردی در این تحقیق انتخاب شده و فرآیندهای هیدرولوژیکی در زیر حوضه های بالادست سد زاینده رود شبیه سازی شده و جریان ورودی به مخزن سد زاینده رود برآورد گردید. بدین منظور از مدل ارزیابی آب وخاک SWAT به منظور شبیه سازی فرایند بارش-رواناب و درنهایتبرآورد جریان ورودی به مخزن مورداستفاده قرارگرفته است. بر اساس رواناب خروجی از سه زیر حوضه بوئین-دامنه، قلعه شاهرخ-چلگرد و چادگان-چشمه شبیه سازی شده نتایج قابل قبولی برای شبیه سازی در سه زیر حوضه مذکور توسط مدل نشان داده شد و از جمع جبری سه رواناب جریان ورودی برآورد شد که ضرایب خطای یادشده برابر 86/0 به دست آمده است. این نتیجه نمایانگر دقت بالای مدل ها در شبیه سازی است.