بررسی تاثیر تغییر اقلیم بر خشکسالی با شاخص‌های spi و spei(مطالعه موردی حوضه آبریز کارون سه)

مقدمهامروزه پدیده تغییر اقلیم از جمله معضلاتی است که همواره در جهان مورد توجه قرار گرفته است. یکی از دلایل وقوع پدیده تغییر اقلیم، افزایش گازهای گلخانه ای است که تاثیر به سزایی بر پدیده های حدی دارد. پیش بینی خشکسالی یکی از راهکارهای مدیریتی است که به برنامه ریزی صحیح برای استفاده از منابع محدود آب کمک شایانی می‌نماید. همچنین بررسی تغییرات خشکسالی بر اساس تغییرات اقلیمی از جنبه های گوناگون حائز اهمیت است؛ زیرا در بسیاری از برنامه های بلندمدت، لازم است که چشم اندازی از وضعیت آینده بارندگی و دوره‌های خشکسالی و ترسالی برای منطقه تدوین شود. شاخص  spei توانایی محاسبه خشکسالی در مقیاس های زمانی مختلف را دارد و همچنین می تواند اثرات تغییرات درجه حرارت را در ارزیابی خشکسالی لحاظ نماید و برای پایش تغییرات اقلیمی دوره های فعلی و آتی بر مبنای سناریوهای اقلیمی به کار رود. همچنین شاخص استاندارد بارش (spi) یکی از مهم ترین شاخص ها در تحلیل خشکسالی است. این شاخص به دلیل سادگی محاسبات، استفاده از داده های در دسترس بارندگی، قابلیت محاسبه برای هر مقیاس زمانی دلخواه به عنوان مناسب‌ترین شاخص برای تحلیل خشکسالی شناخته می شود. افزایش خشکسالی های اخیر در حوضه آبریز کارون سه باعث کمبود آب و خسارت های اقتصادی و اجتماعی شده است. از این رو بررسی اثر تغییر اقلیم و تحلیل فراوانی خشکسالی از اهمیت زیادی برخوردار است. در راستای این هدف، در این پژوهش ابتدا به شبیه سازی مقادیر بارش، دمای حداکثر و دمای حداقل هشت ایستگاه هواشناسی با استفاده از سه مدل اقلیمی ec-earth، cnrm-cm5 و gfdl-esm2m تحت دو سناریو انتشار rcp4.5 و rcp8.5  برای دوره (2030-2055) پرداخته شد.مواد و روش هادر این پژوهش ابتدا داده های دما (حداکثر و حداقل) و بارش خروجی مدل های اقلیمی ec-earth، cnrm-cm5 و gfdl-esm2m  تحت پروژه cordex برای سناریوهای انتشار rcp4.5 و rcp8.5  به کمک نرم‌افزار cmhyd ریزمقیاس شده و سری های زمانی دمای حداکثر، حداقل و بارش برای هشت ایستگاه هواشناسی در دوره آتی (2030-2055) تولید شد. سپس تغییرات دما و بارش در دوره آتی نسبت به دوره پایه (1995-2020) مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت بررسی خشکسالی (فراوانی و تداوم) در دوره آتی تحت دو سناریو انتشار rcp4.5 و rcp8.5 توسط شاخص های (spi) و (spei) در سه مقیاس زمانی سه، شش و 12 ماهه با استفاده از نرم‌افزار dip انجام گرفت. به منظور ارزیابی کارایی و دقت عملکرد سه مدل گردش عمومی ec-earth، cnrm-cm5 و gfdl-esm2m  شبیه‌سازی داده های اقلیمی، میانگین ماهانه متغیرهای اقلیمی در دوره (1990-2005) حاصل از خروجی مدل با مقادیر مشاهداتی متناظر مقایسه شد. بدین منظور از معیارهای عملکرد نش ساتکلیف (ns)، شاخص اریب (bias) و ضریب تعیین (r2) استفاده شد.نتایج و بحثنتایج نشان داد بیشترین افزایش دمای حداکثر مربوط به ایستگاه شوشتر بوده است. در این ایستگاه دمای حداکثر در سناریوی انتشار rcp8.5، 46/1 درجه سانتی‌گراد و در سناریوی انتشار rcp4.5، یک درجه سانتی‌گراد به نسبت دوره پایه افزایش خواهد یافت. ایستگاه مسجد سلیمان بیشترین افزایش دمای حداقل را دارد. در این ایستگاه افزایش دمای حداقل تحت سناریو انتشار rcp8.5، 41/2 درجه سانتی‌گراد و در سناریو rcp4.5، 92/1 درجه سانتی‌گراد بوده است. همچنین بارش در کل محدوده در دوره آتی روند نزولی داشته است. مقدار کاهش بارندگی در کوهرنگ در سناریو rcp8.5،  3/146 میلی‌متر و در سناریوی rcp4.5، 6/53 بوده است که به ترتیب حدود  7/11 و 3/4 درصد است. ازنظر فراوانی خشکسالی در دوره آماری (2030-2055) در مقیاس سه‌ماهه، در سناریوی rcp4.5  ایستگاه ایذه دارای بیشترین فراوانی با 14 بار تجربه خشکسالی، در مقیاس شش‌ماهه، در سناریوی rcp4.5،  حداکثر دفعات خشکسالی در شهرکرد با 16 بار و در مقیاس دوازده‌ماهه، در سناریوی rcp4.5 ایستگاه کوهرنگ با 15 بار، بیشترین فراوانی را نشان می‌دهد. در سناریوی rcp8.5 ایستگاه ایذه دارای بیشترین فراوانی با 20 بار تجربه خشکسالی بوده است. همچنین در دوره آتی تحت سناریو انتشار rcp4.5 در مقیاس سه، شش و دوازده به ترتیب ایستگاه شهرکرد، یاسوج و لردگان با هشت، 11 و 27 ماه و در سناریو rcp8.5 نیز به ترتیب مسجد سلیمان و شوشتر و لردگان بیشترین تداوم خشکسالی را خواهند داشت.نتیجه گیرینتایج نشان داد میانگین دراز مدت سالانه دمای حداکثر و حداقل در دوره آتی به نسبت دوره پایه در هر هشت ایستگاه روند صعودی داشته است. همچنین نتایج نشان داد دمای حداکثر تحت سناریو 8.5rcp افزایش بیشتری به نسبت سناریو انتشار 4.5rcp دارد. همچنین نتایج نشان داد ایستگاه کوهرنگ متاثر از تغییر اقلیم بیشترین کاهش بارش را در محدوده مطالعاتی طی دوره آتی خواهد داشت. همچنین نتایج نشان داد در هر سه مقیاس زمانی سه، شش و 12 ماهه در دوره آتی به نسبت دوره پایه در سری زمانی شاخص های خشکسالی spi و spei نوسانات زیادی وجود دارد. همچنین حالت های حدی خشکسالی در دوره آتی افزایش یافته است. پیش‌بینی می شود در دوره آتی تعداد ماه های خشک نسبت به تعداد ماه های با وضعیت نرمال و مرطوب کمتر بوده است. همچنین در بررسی وضعیت خشکسالی با استفاده از شاخص spei مشاهده می شود که همانند شاخص spi الگوی تغییرات دوره خشکسالی در ایستگاه ها قابل تشخیص است. قابل ذکر است شدت خشکسالی های محاسبه شده با استفاده از شاخص spei به ندرت از مقدار عددی دو بالاتر است. با مقایسه تداوم و فراوانی خشکسالی در ایستگاه های مورد بررسی و در مقایس های زمانی مختلف، مشخص شد که شاخص spi به نسبت شاخص spei تداوم و فراوانی خشکسالی را در اغلب موارد بیشتر نشان می دهد.

investigating the impact of climate change on drought with spi and spei indices (case study of karun 3 watershed)

introductiontoday, the phenomenon of climate change is one of the problems that has always received attention in the world. one of the reasons for climate change is the increase of greenhouse gases, which have a significant effect on extreme phenomena. drought forecasting is one of the management strategies that helps to plan properly for using limited water resources. it is also important to examine drought changes based on climate changes from various aspects; in many long-term plans, it is necessary to develop a vision of the future state of rainfall and drought periods for the region. the spei index can calculate drought in different time scales and can also include the effects of temperature changes in drought assessment and be used to monitor current and future climate changes based on climate scenarios. also, the standard precipitation index (spi) is one of the most important indicators in drought analysis. this index is known as the most appropriate index for drought analysis due to the simplicity of calculations, the use of available rainfall data, and the ability to calculate for any desired time scale. the recent increase in droughts in the karun 3 watershed has caused water shortages and economic and social damages. therefore, investigating the effect of climate change and analyzing the frequency of drought is very important. in line with this goal, in this research, firstly, simulation of rainfall, maximum temperature, and minimum temperature of eight meteorological stations using three climate models ec-earth, cnrm-cm5, and gfdl-esm2m under two release scenarios rcp4.5 and rcp8 5. it was forecated for the period (2055-2030).materials and methodsin this research, firstly, the temperature data (maximum and minimum) and precipitation output of ec-earth, cnrm-cm5 and gfdl-esm2m climate models under the cordex project for rcp4.5 and rcp8.5 emission scenarios with the help of cmhyd raz software scaled and time series of maximum, minimum and precipitation temperatures for eight meteorological stations in the future period (2055-2030) were produced. then, the temperature and precipitation changes in the future period compared to the base period (1995-2020) were investigated. finally, the investigation of drought (frequency and continuity) in the future period under two release scenarios of rcp4.5 and rcp8.5 by (spi) and (spei) indicators in three-time scales of three, six, and twelve months using dip software was performed. to evaluate the efficiency and accuracy of three ec-earth, cnrm-cm5, and gfdl-esm2m general circulation models for simulating climate data, the monthly average of climate variables in the period (1990-2005) obtained from the output of the model was compared with the corresponding observational values. for this purpose, nash sutcliffe (ns), bias index and coefficient of determination (r^2) were used.results and discussionthe results showed that the maximum temperature increase is related to shushtar station. in this station, the maximum temperature will increase by 1.46 degrees celsius in the rcp8.5 emission scenario and one degree celsius in the rcp4.5 emission scenario compared to the base period. masjid sulaiman station has the highest increase in minimum temperature. at this station, the minimum temperature increase under the rcp8.5 release scenario is 2.41 degrees celsius and under the rcp4.5 scenario, it is 1.92 degrees celsius. also, the rainfall in the whole range has been decreasing in the coming period. the decrease of rainfall in kohrang in the rcp8.5 scenario is 146.3 mm and in the rcp4.5 scenario, it is 53.6 mm, which is about 11.7 and 4.3 percent, respectively. in terms of the frequency of drought in the statistical period (2055-2030) on a three-month scale, in the rcp4.5 scenario, izeh station has the highest frequency with 14 droughts, on a six-month scale, in the rcp4.5 scenario, the maximum number of droughts in shahrekord with 16 times and on a twelve-month scale, in the rcp4.5 scenario, kohrang station shows the highest frequency with 15 times. in the rcp8.5 scenario, izeh station has the highest frequency with 20 drought experiences. also, in the upcoming period, under the rcp4.5 release scenario, on the scale of three, six, and twelve, respectively, shahrekord, yasouj, and lordegan stations will have eight, 11, and 27 months, and in the rcp8.5 scenario, the drought will continue the most at masjid sulaiman, shushtar, and lordegan, respectively. conclusionthe results showed that the annual long-term average of the maximum and minimum temperature in the future period compared to the base period in all eight stations had an upward trend. also, the results showed that the maximum temperature under the 8.5rcp scenario increases more than the 4.5rcp release scenario. also, the results showed that the kohrang station affected by climate change will have the largest decrease in rainfall in the study area during the coming period. also, the results showed that in all three-time scales of three, six, and 12 months in the future period, compared to the base period, there are many fluctuations in the time series of spi and spei drought indices. also, extreme drought conditions will increase in the coming period. it is expected that in the coming period, the number of dry months will be less than the number of months with normal and wet conditions. also, when examining the drought situation using the spei index, it can be seen that, like the spi index, the pattern of changes in the drought period can be recognized in the stations. it should be mentioned that the intensity of droughts calculated using the spei index is rarely higher than the numerical value of two. by comparing the duration and frequency of drought in the studied stations and in different time comparisons, it was found that the spi index shows the continuity and frequency of drought in most cases compared to the spei index.