ارزیابی شبیه‌سازی مولفه‌های بیلان آب سطحی توسط مدل اقلیمی منطقه‌ای regcm4 (مطالعه موردی: حوضه‌ی تویسرکان، استان همدان)

سابقه و هدف: مدل سازی اقلیم منطقه‌ای برای ریزمقیاس نمایی به داده‎های شرایط مرزی از یک مدل گردش کلی نیازمند است. مدل سازی اقلیمی منطقه‌ای نیز در واقع یک روش زیر مقیاس نمایی دینامیکی است. هدف از این پژوهش بررسی عملکرد طرحواره‌ی سطح clm4.5 جفت شده در مدل اقلیمی منطقه‌ای regcm4 در برآورد مولفه‌های بودجه‌ی انرژی و آبی با استفاده از سناریوی جدید rcp (rcp4.5) در محدوده‌ی دشت تویسرکان است. بدین منظور مدل اقلیمی منطقه‌ای regcm4 جفت ‌شده با طرحواره‌ی سطح clm4.5 با استفاده از خروجی‌های مدل گردش کلی hadgem2 در محدوده‌ی دشت تویسرکان برای دو دوره‌ی پایه (1999-2005) و چشم انداز (2015-2025) اجرا می‌شود. سپس عملکرد مدل در دوره‌ی پایه ارزیابی شده و مولفه‌های بیلان آب و توازن آب سطحی در دوره‌ی چشم انداز، با توجه به اهمیت منابع آب در منطقه‌ی مورد مطالعه، بررسی می‌شوند. مواد و روش‌ها: در دوره‌ی پایه بارندگی، دما و رواناب شبیه‌سازی شده توسط مدل با مقادیر اندازه‌گیری شده در ایستگاه‌های موجود در منطقه در مقیاس زمانی روزانه مقایسه شدند. هم‌چنین عملکرد مدل توسط شاخص‌های ضریب ‌کارایی ‌مدل، ضریب‌ همبستگی، اریبی، میانگین ‌قدر مطلق ‌خطا و مجذور میانگین‌ مربعات ‌خطا بررسی شد. بارندگی شبیه سازی شده با مشاهدات 6 ایستگاه موجود در منطقه مقایسه شد، همچنین دمای اندازه گیری شده در ایستگاه سینوپتیک همدان فرودگاه به منظور ارزیابی دما مورد استفاده قرار گرفت. برای صحت سنجی رواناب نیز تنها ایستگاه آب‌سنجی موجود در خروجی حوضه مورد بررسی قرار گرفت. پیش‌بینی‌ها با استفاده از سناریوی rcp4.5 از گزارش پنجم هیات بین الدول تغییر اقلیم انجام گرفتند. در دوره‌ی چشم انداز تغییرات زمانی و مکانی مولفه‌های بیلان آب سطحی شامل بارندگی، تبخیرتعرق و رواناب بررسی شدند و سپس معادله‌ی توازن آب سطحی در حوضه مورد ارزیابی قرار گرفت. یافته‌ها: نتایج ارزیابی عملکرد مدل در دوره‌ی پایه نشان می‌دهد که مدل دارای بهترین عملکرد در برآورد بارندگی (برای 5 ایستگاه نخست) و دما به دلیل ضرایب کارایی مناسب و خطاهای کوچک است. در رابطه با رواناب، ضریب کارایی مثبت اما به نسبت کوچک است، ضریب همبستگی نیز دارای مقدار قابل قبولی است که نشان از عملکرد نسبتاً مناسب مدل در برآورد رواناب دارد. در نخستین سال دوره‌ی چشم انداز (2015) بیشترین مقادیر بارندگی در بخش‌های شرقی و مرکزی (نواحی مرتفع) و کمترین مقادیر در جنوب غرب دشت اتفاق می‌افتد. پیش‌بینی بارندگی در 10 سال آینده (2016-2025) نشان از کاهش بارندگی در بیشتر بخش‌ها، به جز بخش کوچکی در شرق و جنوب، دارد که بیشترین مقادیر کاهش (حدود 12%)، در شمال شرق و مرکز دشت است. از آنجا که بارندگی تعیین کننده‌ی میزان رطوبت در دسترس است بالتبع توزیع مکانی و تغییرات تبخیرتعرق، مشابه بارندگی است. بیشترین مقادیر رواناب در شرق و شمال شرق (بخش مرتفع) دشت اتفاق افتاده و در دوره‌ی 10 ساله‌ی 2016-2025 یک افزایش 30 تا 50 درصدی در بخش شرقی و یک کاهش 10 تا 20 درصدی در بخش مرکزی اتفاق خواهد افتاد. ارزیابی بیلان آب سالانه نشان می‌دهد که در 7 سال توازن آبی برقرار بوده اما در 3 سال باقی‌مانده (2017، 2023 و 2024) اختلاف‌ها میان طرفین معادله‌ی بیلان آب محسوس هستند. نتیجه گیری: با توجه به مساحت کوچک حوضه و دوره‌ی زمانی کوتاه چشم انداز که در آن آثار تغییر اقلیم قابل تشخیص نیست حصول مقدار متوسط 1.3 میلی‌متر اختلاف در معادله‌ی بیلان برای این دوره‌ی 10 ساله می‌تواند حاکی از عملکرد مطلوب مدل در برقراری توازن آبی حوضه باشد. به ‌طور کلی می‌توان نتیجه گرفت علی‌رغم بهبود توازن آب، عملکرد طرحواره‌ی سطح هنوز در پارامتره‌سازی بودجه‌ی آبی، به‌ ویژه رواناب مطلوب نیست، در حالی‌که در برآورد بودجه‌ی انرژی، با توجه به برآورد خوب در شبیه‌سازی میانگین دما، عملکرد مناسبی دارد.

Evaluation of RegCM4 Regional Climate Model simulations for the land surface water budget components (A case study in Toyserkan plain, Hamedan province)

Background and objectives: In regional and local climate studies usually coarseresolution outputs of global climate models are downscaled to produce necessary fine scale data. Regional climate modeling is a dynamical downscaling method. In this study HadGEM2 general circulation model outputs have been downscaled by RegCM4 Regional Climate Model coupled CLM4.5 land surface scheme. The model was run over Toyserkan plain for a reference period (19992005) for model evaluation and a projection period (20152025). In the projection period, regarding to the importance of water resources in the study area, water budget components and surface water balance equation have been evaluated. Materials and methods: For the reference period, daily modeled precipitation, temperature and runoff were compared with observed values at available meteorological stations in the region. Modeling efficiency, correlation coefficient, bias, mean absolute error and root mean squared error statistical indices were used to evaluate model’s simulations. Modeled precipitation was compared with observations of 6 available stations in the region, Observed temperatures of the station of Hamedan Airport were also used for modeled temperature verification; For runoff verification, the only river station at the outlet of the catchment was used. Projections are based on RCP4.5 scenario of the Fifth Assessment Report of Intergovernmental panel on climate change. For the projection period spatiotemporal variations of surface water budget components including precipitation, evapotranspiration and runoff have been studied and water balance equation in the catchment has been evaluated. Results: Model evaluation results showed that the model has its worst performance for runoff, because of low modeling efficiency and relatively large errors while has its best performance in simulating precipitation (especially for the first five stations) and temperature. Finally, the model shows its best performance for temperature and precipitation respectively, regarding to more positive efficiency, higher correlation and smaller errors. For the first year of projection period (2015) the highest values of precipitation occur in eastern and central parts while the lowest values occur in southwestern part of the catchment. Through the next 10 years (20162025), precipitation decreases in most parts except small parts in east and south of the catchment. The highest values of precipitation decrease (about %12) also occur in northeastern and central parts. Since the amount of precipitation determines available moisture, spatial distribution and variation of evapotranspiration are same as those for precipitation. The highest values of runoff occur in eastern and northeastern (high elevation) parts and during 20162025 a %3050 increase in eastern part and a %1020 decrease in central part will occur. Annual water budget evaluation shows that for 7 years there is a water balance, but for the remaining 3 years (2017, 2023 and 2024) differences between two sides of the water balance equation are large. Conclusion: Considering small area of the catchment and short time of projection period that does not allow to detect impacts of climate change, small amount of mean 10year difference between two sides of the equation (1.3 mm) shows that the model performance in estimating water balance for the catchment is acceptable. Generally, although the water balance estimation has been improved, the land surface scheme has shortcomings in water budget parametrization especially for runoff. But regarding to improvement of mean temperature simulation, model has an appropriate performance in simulating the energy budget.