بررسي عملكرد دو مدل گردش عمومي جو - اقيانوس در ريزمقياس ‌سازي دماي متوسط در شهرستان بيرجند

مقدمه: تغيير اقليم تأثير بسزايي بر منابع آب و محيط‌ زيست دارد كه در كشاورزي، جامعه و اقتصاد منعكس مي‌شود. استفاده از مدل گردش عمومي (GCM) با مدل‌هاي كاهش مقياس آماري، روشي براي ارزيابي تغييرات اقليمي است. با توجه به قرار گرفتن استان خراسان جنوبي و شهرستان بيرجند در منطقه خشك ايران، رشد جمعيت، توسعه صنعتي و معدني و رسيدن به كشاورزي پايدار، ارزيابي اثرات تغيير اقليم بر پارامترهاي هواشناسي ضروري به نظر مي‌رسيد. هدف از اين مطالعه مقايسه عملكرد مدل‌هاي تاريخي NCEP و ECMWF در ريزمقياس نمايي پارامتر دما شهرستان بيرجند و بررسي تغييرات اين پارامتر تا سال 2030 با استفاده از مدل برتر و سناريو SSP245 مدل CanESM5 است.موارد و روش‌ها: در اين پژوهش به‌منظور مقايسه عملكرد دو مدل گردش عمومي NCEP و ECMWF در ريزمقياس سازي پارامتر دما، از اطلاعات دماي روزانه ايستگاه سينوپتيك بيرجند در بازه زماني سال‌هاي 1990 تا 2021 به‌عنوان دوره پايه استفاده شد. همچنين به‌منظور بررسي عملكرد اين مدل‌ها از مدل ريزمقياس نمايي آماري SDSM و به‌منظور ارزيابي عملكرد اين دو مدل از معيارهاي ارزيابي NS، KGE، RMSE و BR^2 استفاده شد.نتايج و بحث: به‌منظور بررسي و مقايسه عملكرد دو مدل گردش عمومي NCEP و ECMWF از داده‌هاي روزانه دماي متوسط، از روز اول ماه ژانويه سال 1990 تا پايان ماه سپتامبر سال 2021 ايستگاه سينوپتيك شهرستان بيرجند استفاده شد. به‌طوري‌كه از داده‌هاي سال 1990 تا روز اول از ماه ژانويه سال 2008 به‌عنوان بخش واسنجي و از روز اول ماه ژانويه سال 2008 تا پايان ماه سپتامبر سال 2015 به‌عنوان بخش اعتبارسنجي در نظرگرفته شد. دو مدل NCEP و ECMWF داراي 26 پارامتر بوده كه به‌منظور انجام ريزمقياس سازي ابتدا ميزان همبستگي هريك از پارامترها با پارامتر دماي مشاهداتي در محيط نرم‌افزار R و با استفاده از پكيج HydroGof كدنويسي و محاسبه و پارامترهايي كه بيشترين همبستگي را با پارامتر دما داشته‌اند، از ميان 26 پارامتر استخراج گرديد. همچنين به‌منظور ارزيابي عملكرد مدل‌ها از معيارهاي NS، RMSE، KGE و BR^2 در بخش‌هاي واسنجي و اعتبارسنجي استفاده شد. براي بررسي نزديكي مقدار واريانس و ميانگين سري‌هاي زماني توليدشده توسط دو مدل و سري زماني مشاهداتي دركل بازه شبيه‌سازي به ترتيب از آزمون‌هاي F و T استفاده و فرض صفر در اين آزمون‌ها به ترتيب نزديكي مقادير واريانس و ميانگين سري‌هاي زماني توليدشده توسط دو مدل NCEP و ECMWF به واريانس و ميانگين سري زماني مشاهداتي در نظر گرفته شد. نتايج بخش واسنجي نشان داد كه هر دو مدل عملكرد مشابهي از خود نشان داده‌اند به چراكه مقادير معيارهاي ارزيابي NS، RMSE، KGE و BR2 در مدل ECMWF به ترتيب 0.69، 4.86، 0.85، 0.7 و در مدل NCEP به ترتيب 0.7، 4.79، 0.85 و 0.7 محاسبه شده است. ازآنجايي‌كه نمودار جعبه‌اي، مقدار ميانگين و انحراف معيار در تصميم‌گيري در خصوص ميزان نزديكي و شباهت دو سري زماني قابليت بالايي دارند، به‌منظور بررسي شباهت و نزديكي سري‌هاي زماني توليدشده توسط دو مدل‌ها با مقادير مشاهداتي در دوره واسنجي و اعتبارسنجي از مقايسه نمودارهاي جعبه‌اي، مقادير ميانگين و انحراف از معيار سري‌هاي زماني توليدشده و سري زماني مشاهداتي استفاده شد. نتايج محاسبه معيارهاي ارزيابي در بخش صحت سنجي نشان داد كه مدل ECMWF عملكرد بهتري نسبت به مدل NCEP در بخش اعتبارسنجي داشته است، چراكه مقادير معيارهاي ارزيابي NS، RMSE، KGE و BR2 در مدل ECMWF به ترتيب 0.69، 4.9، 0.85، 0.73 و در مدل NCEP به ترتيب 0.67، 5.3، 0.83 و 0.7 محاسبه‌شده است. درمجموع با نتايج نشان داد كه مدل ECMWF عملكرد بهتري داشته و به‌عنوان مدل برتر انتخاب مي‌گردد. درنتيجه به‌منظور شبيه‌سازي و پيش‌بيني مقدار دماي متوسط از پارامترهاي mslp، P500، P5-f، P5-u، P850 و P8-u مدل ECMWF استفاده گرديد؛ بنابراين پيش‌بيني مي‌شود ميزان متوسط دما در بازه 8 سال آينده، افزايش حدوداً 3 درجه‌اي نسبت به متوسط دوره پايه آماري داشته باشد.نتيجه‌گيري: نتايج نشان داد با توجه به معيارهاي ارزيابي NS، RMSE، KGE و BR2، مدل ECMWF نسبت به مدل NCEP در برآورد مقدار دماي متوسط شهرستان بيرجند نسبتاً عملكرد بهتري دارد. همچنين بررسي نمودارهاي جعبه‌اي، مقدار ميانگين و انحراف از معيار سري‌هاي زماني توليدشده توسط دو مدل در بخش واسنجي و اعتبارسنجي نشان داد كه هر دو مدل ازنظر ميزان پراكندگي، مقدار كمينه و بيشينه و ميانگين داده‌هاي توليدي مقادير مشابهي نسبت به سري زماني مشاهداتي توليد كرده‌اند و ازنظر مقدار ميانگين و واريانس داده‌هاي توليدشده در هرماه در بازه واسنجي و اعتبارسنجي، مدل ECMWF عملكرد نسبتاً بهتري را از خود ارائه داد. بنابراين مدل ECMW به‌عنوان مدل برتر انتخاب و شبيه‌سازي دماي متوسط شهرستان بيرجند در بازه سال‌هاي 2022 تا 2030 با استفاده از اين مدل و تحت سناريو انتشار SSP245 مدل CanEcm5 انجام شد. نتايج پيش‌بيني نشان داد كه دماي متوسط شهرستان بيرجند افزايش حدوداً 3 درجه‌اي نسبت به متوسط دوره پايه آماري دارد.