تحلیل فضایی-زمانی فرین های ترکیبی گرم-خشک در ایران با استفاده از شاخص استاندارد شده رخداد ترکیبی (SCEI)

مقدمه در عصر حاضر، تغییر اقلیم ناشی از فعالیت های انسانی به عنوان یکی از بزرگترین چالش های پیش روی جوامع بشری شناخته می شود. اگرچه به طور سنتی تمرکز مطالعات اقلیمی بر روی تحلیل متغیرهای منفرد نظیر دما یا بارش و رخدادهای فرین مرتبط با آن ها مانند امواج گرمایی یا خشکسالی های هواشناسی بوده است، اما شواهد فزاینده علمی نشان می دهد که ترکیب همزمان یا متوالی این مخاطرات می تواند پیامدهایی به مراتب ویرانگرتر از مجموع اثرات منفرد آن ها به شکل مستقل داشته باشد. این پدیده ها تحت عنوان فرین های ترکیبی شناخته می شوند که ناشی از برهمکنش پیچیده میان فرآیندهای فیزیکی جو و سطح زمین هستند. رخدادهای فرین ترکیبی گرم- خشک که حاصل هم رخدادی دمای بالا و بارش بسیار پایین هستند که معمولا با صدک ۸۰ و ۲۰ مشخص می شوند. رخدادهای فرین ترکیبی به دلیل سازوکارهای بازخوردی مثبت میان رطوبت خاک و دمای هوا، پتانسیل بالایی برای تشدید تنش های محیطی دارند. در شرایط کمبود رطوبت خاک ناشی از خشکسالی، کسر بزرگی از انرژی تابشی خورشید به جای صرف شدن در فرآیند تبخیر-تعرق، به گرمای محسوس تبدیل شده و موجب افزایش دمای سطحی و تقویت امواج گرمایی می گردد. مطالعات جهانی اخیر نشان داده اند که فراوانی، شدت و گستره مکانی این رخدادهای فرین ترکیبی در بسیاری از مناطق جهان، به ویژه در مناطق خشک و نیمه خشک، روندی افزایشی داشته است. با این حال، ارزیابی دقیق این پدیده ها نیازمند به کارگیری شاخص های ترکیبی است، یعنی شاخص هایی که صرفا یک متغیر را بررسی نکنند. شاخص های متداول پیشین که تنها بر یک جنبه از اقلیم تمرکز داشتند، قادر به بازتاب ماهیت توامان و هم افزایی این مخاطرات نیستند. ایران با قرارگیری در کمربند خشک و نیمه خشک جهانی و دارا بودن تنوع اقلیمی بالا، یکی از مناطق بسیار آسیب پذیر در برابر تغییر اقلیم محسوب می شود. نوسانات شدید بارش و روند افزایشی دما در دهه های اخیر، بستر مناسبی را برای شکل گیری رخدادهای فرین ترکیبی گرم- خشک فراهم کرده است. رخداد چنین پدیده هایی می تواند تهدیدی جدی برای امنیت غذایی، منابع آب، سلامت عمومی و تنوع زیستی کشور باشد. با وجود اهمیت حیاتی این موضوع، مطالعه ای در ایران که با رویکردی جامع و با استفاده از شاخص های ترکیبی استاندارد شده به واکاوی دقیق این پدیده ها پرداخته باشد، انجام نشده است. پژوهش حاضر با هدف پر کردن این خلاء علمی، به دنبال آن است تا با بهره گیری از داده های ایستگاه های هواشناسی همدید و شاخص رخداد ترکیبی استاندارد شده (SCEI)، الگوی مکانی و زمانی رخدادهای فرین ترکیبی گرم- خشک را در دوره آماری ۱۹۹۱ تا ۲۰۲۰ مورد ارزیابی قرار دهد. مواد و روش­ها به منظور دستیابی به اهداف پژوهش و واکاوی دقیق رخدادهای فرین ترکیبی در ایران، داده های اقلیمی شامل دما و بارش روزانه از ۹۵ ایستگاه هواشناسی سینوپتیک که دارای پراکنش مناسب مکانی در سطح کشور بودند، اخذ گردید. بازه زمانی مورد مطالعه، دوره ۳۰ ساله از سال ۱۹۹۱ تا ۲۰۲۰ میلادی انتخاب شد. پیش از انجام هرگونه تحلیل آماری، داده های خام تحت آزمون های کنترل کیفی قرار گرفتند تا از درستی و همگنی سری های زمانی اطمینان حاصل شود. در این پژوهش، به منظور آشکارسازی رخدادهای ترکیبی گرم- خشک صدک های ۲۰ و ۸۰ به عنوان آستانه در نظر گرفته شدند. در نهایت، زمانی که هر دو رخداد خشکی و گرما در یک ماه واحد رخ دادند، به عنوان یک رخداد ترکیبی تعریف شد. تمرکز اصلی روش شناسی این پژوهش، محاسبه شاخص رخداد ترکیبی استاندارد شده (SCEI) است. این شاخص به گونه ای طراحی شده است که بتواند وضعیت مشترک بی هنجاری های بارش و دما را ترکیب نماید. شاخص SCEI بدست آمده، معیاری بدون بعد است که مقادیر منفی آن نشان دهنده شرایط فرین ترکیبی گرم- خشک شدیدتر از نرمال و مقادیر مثبت بیانگر شرایط عدم رخداد فرین ترکیبی است. طبقه بندی شدت رخدادها بر اساس آستانه های استاندارد آماری انجام شد. شاخص SCEI به پنج طبقه تقسیم می شود. این طبقات شاملCE۰ برای رخداد ترکیبی گرم- خشک غیر عادی، CE۱ رخداد فرین ترکیبی گرم- خشک متوسط، CE۲ رخداد فرین ترکیبی گرم- خشک شدید، CE۳ رخداد فرین ترکیبی گرم- خشک فرین، CE۴ رخداد فرین ترکیبی گرم- خشک استثنایی می باشند. علاوه بر محاسبه شاخص، تحلیل روند تغییرات زمانی با استفاده از آزمون ناپارامتریک من-کندال تصحیح شده و برآوردگر شیب سن انجام شد تا معناداری آماری تغییرات در طول سه دهه اخیر سنجیده شود. نتایج و بحث تحلیل همزمان نقشه های دما، بارش و شاخص فرین ترکیبی نشان می‎دهد که توزیع فضایی فرین های گرم- خشک در ایران تابعیت شدیدی از الگوی توپوگرافی دارد؛ به طوری که رشته کوه های البرز و زاگرس با جلوگیری از نفوذ توده های هوای مرطوب غربی و شمالی به فلات مرکزی، موجب شکل گیری اقلیم های خشک و نیمه خشک با نوسانات شدید دمایی در بخش های داخلی شده اند. بنابراین، روند افزایشی مخاطرات ترکیبی در نواحی مرکزی و جنوبی، نه تنها تابعی از تغییرات جهانی، بلکه حاصل برهم کنش ویژگی های جغرافیایی محلی با الگوهای بزرگ مقیاس جوی است. تحلیل سازوکارهای فیزیکی حاکم بر این روندها نشان می دهد که تغییرات مشاهده شده محصول برهم کنش پیچیده میان متغیرهای ترمودینامیکی و دینامیکی است. افزایش دماهای کمینه با سرعتی بیش از دماهای بیشینه، موجب کاهش رخداد یخبندان های شبانه و طولانی تر شدن فصل رشد شده که خود منجر به افزایش نیاز آبی گیاهان و تخلیه رطوبت خاک می گردد. نتایج حاصل از تحلیل های آماری نشان می دهد که فراوانی فرین های ترکیبی گرم- خشک در اکثر مناطق کشور روندی افزایشی و معنادار داشته است. پردازش های آماری بر روی داده های ۹۵ ایستگاه همدید، ناهمگونی قابل توجهی را در توزیع فراوانی رخدادهای فرین ترکیبی گرم- خشک آشکار می سازد. آزمون های آماری من-کندال تصحیح شده نشان می دهند که ۲۰/۸۰ درصد از ایستگاه ها دارای روند افزایشی هستند. که از این تعداد، ۲۶ درصد با سطح اطمینان ۵ درصد ( ) این تغییرات افزایشی را تجربه کرده اند. در نقطه مقابل، تنها ۵۸/۱۴ درصد از ایستگاه ها روند کاهشی از خود نشان داده که همگی فاقد روند آماری مشخص در سطوح ۵ و ۱ درصد بوده اند. این یافته همسو با نتایج مطالعات جهانی است که افزایش رخدادهای فرین ترکیبی را در عرض های جغرافیایی میانی و مناطق خشک گزارش کرده اند. بررسی های مکانی نشان دهنده ناهمگونی قابل توجهی در توزیع این رخدادها در سطح کشور است. مناطق واقع در فلات مرکزی، شرق و جنوب شرق ایران که ذاتا دارای اقلیم خشک و بیابانی هستند، بیشترین افزایش را در رخدادهای فرین های ترکیبی گرم- خشک تجربه کرده اند. در این مناطق، همبستگی منفی قوی میان دما و بارش (به معنای آنکه روزهای گرم معمولا با عدم بارش همراه اند) باعث شده است که شاخص SCEI با حساسیت بیشتری بی هنجاری ها را شناسایی کند. در مقابل، در نواحی کوهستانی زاگرس و البرز و همچنین سواحل شمالی کشور، اگرچه روند کلی افزایشی بوده است، اما الگوهای رخداد فرین ترکیبی پیچیدگی بیشتری دارند. تحلیل توزیع فراوانی شاخص SCEI در طبقات پنج گانه، بیانگر یک رابطه معکوس معنادار میان شدت رخداد و گستردگی آن است. درصد فراوانی طبقات شاخص SCEI در دوره ۳۰ ساله مورد مطالعه نشان می دهد طبقه متوسط با ۴/۱۰ درصد و طبقه غیرعادی با ۷۳/۶ درصد از کل مشاهدات، در مجموع بیش از ۱۷ درصد از فرین های ترکیبی گرم- خشک را دوره آماری به خود اختصاص داده اند. این یافته بیانگر آن است که نزدیک به یک پنجم از سال های مورد مطالعه، اقلیم ایران پتانسیل بالایی برای هم زمانی بی هنجاری مثبت دمایی و بی هنجاری منفی بارش داشته است. در سوی دیگر طیف آماری، طبقه شدید تنها ۱/۳ درصد، طبقه فرین ۵۲/۲ درصد و طبقه استثنایی ۲۴/۱ درصد از رخدادها را تشکیل می دهند. اگرچه مجموع فراوانی این سه طبقه کمتر از ۷ درصد است، اما نادر بودن این رخدادها نباید به معنای کم اهمیت بودن آن ها تفسیر شود. نتیجه­گیری پژوهش حاضر با بکارگیری شاخص چندمتغیره SCEI بر روی داده های ۳۰ ساله ایستگاه های هواشناسی همدید نشان داد که ایران در حال تجربه گذار به اقلیمی است که در آن رخدادهای فرین نه به صورت منفرد، بلکه به صورت ترکیبی و با شدتی فزاینده رخ می دهند. روند افزایشی معنادار این رخدادها، هشداری جدی برای سیاست گذاران و مدیران منابع طبیعی است. شاخص SCEI با لحاظ کردن برهمکنش میان دما و بارش، ابزاری قدرتمند برای شناسایی زودهنگام و دقیق تر تنش های محیطی فراهم می آورد. قلمرو فرین های ترکیبی به عرض های جغرافیایی بالاتر و نواحی کوهستانی شمال غرب در حال گسترش است. روند افزایشی معنی دار در ۲۰/۸۰ درصد از ایستگاه های کشور نشان دهنده تغییر در الگوهای اقلیمی کشور است. نتایج نشان داد که رخدادهای فرین ترکیبی به عنوان نوسانات تصادفی و گذرا نیستند، بلکه به ویژگی ساختاری و تکرارپذیر اقلیم ایران تبدیل شده اند. به طوری که رخدادهای شدید تا استثنایی فرین ترکیبی گرم- خشک حدود ۷ درصد از کل رخدادهای کشور را در بر می گیرند و یک هشداری جدی برای مدیریت منابع آب و کشاورزی است. این وضعیت بیانگر آن است که استراتژی های مدیریت بحران فعلی که بر اساس احتمال وقوع رخدادهای تک متغیره تدوین شده اند، ممکن است در برابر شدت و تداوم رخدادهای ترکیبی کارایی لازم را نداشته باشند. به ویژه در مناطقی که شاخص SCEI مقادیر منفی قابل توجهی (طبقات CE۳ و CE۴) را ثبت کرده است، تاب آوری سیستم های اکولوژیک و انسانی در برابر فرین های ترکیبی به شدت کاهش یافته است. در نهایت، تحلیل روند آماری نشان داد که تنها نزدیک به ۱۵ درصد ایستگاه ها روند کاهشی داشته اند که هیچ یک از آن ها از نظر آماری معنی دار نبوده اند، در حالی که ۲۶ درصد از ایستگاه ها افزایش معنی داری را در رخدادهای فرین ترکیبی تجربه کرده اند. پیشنهاد می شود پژوهش های آتی بر مدل سازی دینامیکی برهم کنش الگوهای گردش جوی با توپوگرافی پیچیده ایران و همچنین ارزیابی تاثیرات تغییر اقلیم بر شدت و فراوانی این پدیده ها در افق های زمانی آینده متمرکز گردند تا بتوان راهکارهای سازگاری دقیق تری را برای مناطق آسیب پذیر تدوین نمود. به طور کلی نتایج این مطالعه بینش های ضروری را جهت تدوین راهبردهای سازگاری و تعدیل پیامدهای مخرب ناشی از تنش های آبی و گرمایی در اختیار سیاست گذاران و ذی نفعان قرار می دهد.

کلیدواژه ها:

ایران ، رخدادهای فرین ترکیبی ، شاخص رخداد ترکیبی استاندارد شده (SCEI) ، گرم- خشک