تحلیل طیفی خشکسالی‌های ایران

نوع مقاله: مقاله تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

دانشگاه سیستان و بلوچستان

چکیده

هدف اصلی این مطالعه آشکارسازی رفتار دوره‌ای خشکسالی‌های ماهانه ایران است. برای دستیابی به این هدف از آمار بارش ماهانه 41 ایستگاه همدیدی کشور برای یک دوره آماری 31 ساله (2013–1983) و برای شناسایی فراوانی درجات مختلف خشکسالی‌ها از شاخص خشکسالی مؤثر (EDI) استفاده شد. هدف اصلی این شاخص اختصاص یک ارزش عددی به هر رویداد بارندگی در مقیاس زمانی ماهانه می‌باشد. در تحلیل طیفی و شناسایی دوره‌های غالب موجود در سری‌های زمانی خشکسالی ایستگاه‌های مورد مطالعه از تبدیل فوریه سریع (FFT) تقسیمات بسامدی با مبنای دو استفاده شد. نتایج نشان داد که دوره‌های غالب موجود در سری‌های زمانی خشکسالی‌های ایران بسیار متنوع بوده و از دوره‌های 2 تا 30 ساله را شامل می‌شوند. به‌طور کلی برای دوره‌های بلندمدت، می‌توان در کل ایران دو دوره 10 ساله و 30 ساله را به‌عنوان دوره‌های غالب در نظر گرفت. در دوره‌های بلند‌مدت، فراوانی این دو دوره در مولفه اول بیشینه است و در دو مولفه دیگر کاهش می‌یابد. اما درخصوص دوره‌های کوتاه‌مدت، نمی‌توان برای کل ایران یک دوره غالب مشخص کرد. نکته حائز اهمیت در مورد دوره‌های کوتاه مدت عدم وجود دوره‌های درون‌سالی، به استثنای یک ایستگاه (ایستگاه بابلسر)، در کل ایستگاه‌های مورد مطالعه است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A spectral analysis of Iran's droughts

نویسندگان [English]

  • Hojatolah Daneshmand
  • Peyman Mahmoudi
University of Sistan and Baluchestan
چکیده [English]

Identification of periodic droughts can provide a scientific tool for predicting the occurrence of this environmental risk. One of the most important methods that can be used for detection of periodic droughts is the spectral analysis or frequency-domain analysis. The purpose of this study is to detect the periodic behavior of Iran’s monthly droughts. To this aim, use has been made of the monthly rainfall statistics of 41 synoptic stations for a period of 31 years (1983–2013) obtained from the IR of Iran Meteorological Organization (IRIMO). First, to identify considerable differences in droughts, the “effective drought index” (EDI) was employed.  Assigning a numerical value to each rainfall event on a monthly time scale is the main objective of the EDI in order to compare the areas with different climates based on it. Then the spectral analysis by Fourier transform was used to identify the dominant available periods in the stations’ drought time series. In this analysis, Radix-2 Fast Fourier Transform was used. Since Fourier transform leads to difficulties in the spectral analysis of non-stationary series, first the stationary condition of the EDI monthly time series was investigated for all of the 41 stations used in this study. In those stations with a non-stationary condition, the Box–Cox procedure was applied to make them stationary.
The results were classified into five areas. The results showed that the dominant periods in the time series of Iran’s droughts vary greatly from periods of 2 to 30 years. In addition to the dominant short-term periods, droughts in the northwest of Iran have two dominant long-term periods of 10 and 30 years. Droughts in the southern coast of the Caspian Sea have shorter periodicities. So with the exception of the two stations of Ramsar and Ardebil with the periodicities of 30 and 15 years, the other stations have periods of less than 10 years.  The dominant periods in most stations in the northern districts of central Iran are short-term ones, and the longest periodicity in this area is 15 years.  The southern districts of the central Iran have a more consistent spectral behavior. In this area, the dominant period with the highest power is the period of 30 years. All of the stations in this area with the exception of Mashhad station have a 30-year period in their first three components. The 10-year period, as the second dominant period, can also be seen in half of the stations in this area. The southeast area does not exhibit any specific behavior for the dominant periods. The longest periodicity in Chabahar station is a 10- year period. The two stations in Zabol and Iranshahr have shown the longest period of 30 years and the long-term period seen in Zahedan is a 15-year one.  In addition to these long-term periods, a period of 2.5 to 3 years can play the role of the dominant short-term period in this area. In general, for the long-term behavior, the two periods of 10 and 30 years can be considered as being the dominant periods across Iran. Among the long-term periods, the frequency of occurrence of these two periods is maximum in the first component and reduces in the other two components. In the third component, the minimum frequency of occurrence of these two periods is seen.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Drought
  • effective drought index
  • Spectral analysis
  • Cycle
  • Iran

بلیانی، ی.، فاضل نیا، غ.، و بیات، ع.، 1391، تحلیل و مدل­سازی دمای سالانه شهر شیراز با استفاده از مدل ARIMA: فصلنامه علمی-پژوهشی فضای جغرافیایی، 12(73)، 128-144.

تقوی، ف.، ناصری، م.، بیات، ب.، متولیان، س. س.، و آزادی فرد، د.، 1390، تعیین الگوهای رفتار اقلیم در مناطق مختلف ایران بر اساس تحلیل طیفی و خوشه‌بندی مقادیر حدی بارش و دما: پژوهش­های جغرافیای طبیعی، 43(77)، 109-124.

جلالی، م.، و کارگر، ح.، 1390، تحلیل و مدل­سازی آماری دمای ایستگاه بوشهر (2005-1951): فصلنامه علمی-پژوهشی فضای جغرافیایی، 11(33)، 149-173.

جلیلی، ش.، مرید، س.، بناکار، ا.، و نامدار قنبری، ر.، 1390، ارزیابی تاثیر شاخص­های اقلیمی NAO و SOI بر تغییرات تراز دریاچه ارومیه، کاربرد روش‌های آنالیز طیفی سری­های زمانی: نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، 25(1)، 140-149.

جلیلی، ش.، مرید، س.، بناکار، ا.، و نامدار قنبری، ر.، 1391، تحلیل طیفی رفتار دوره­ای سری زمانی تراز سطح آب دریاچه ارومیه: مجله پژوهش­های حفاظت آب و خاک، 19(14)، 25-46.

جهانبخش اصل، س.، و عدالت دوست، م.، 1387، تاثیر فعالیت­های خورشیدی بر تغییرات بارندگی­های سالانه ایران:  تحقیقات جغرافیایی، 23(1) ،3-24.

حبیبی، ف.، 1385، تحلیل همدیدی و دینامیکی سامانه‌های بندالی، روش تشخیص سامانه­های بندالی و تاثیر آن روی منطقه ایران: مجله فیزیک زمین و فضا، 32 (3)، 69-89.

حبیبی، ف.، 1386، نقش سامانه­های بندالی در چرخندزایی روی شرق دریای مدیترانه و بررسی نقش آن در سیل روی منطقه غرب ایران در مارس 2000: فصلنامه پژوهش­های جغرافیایی، 39(62)، 109-127.

خرمی، م.، و بزرگ­نیا، ا.، 1386، تجزیه و تحلیل سری‌های زمانی با نرم افزار MINITAB14: انتشارات سخن­گستر، چاپ اول.

 خزانه­داری ، ل.، زابل عباسی، ف.، قندهاری، ش.، کوهی، م.، و ملبوسی، ش.، 1388، دورنمایی از وضعیت خشکسالی ایران طی سی سال آینده: دو­فصلنامه جغرافیا و توسعه ناحیه­ای، شماره 12، 83-98.  

دانشمند، ح.، 1392، تحلیل آماری-همدیدی دماهای کمینه ماهانه در نیمه شرقی ایران: رساله دکتری اقلیم­شناسی، دانشکده جغرافیا و برنامه­ریزی محیطی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، 195 ص.

رمضانی پور، م.، روشنی، م.، و ستوده، ف.، 1390، تحلیلی بر تغییر، روند و چرخه­های بارش و دبی در غرب استان گیلان (مطالعه موردی: حوضه ناورود): مجله چشم­انداز جغرافیایی، 5 (13)، 60-79.

رورده، ه.، یوسفی، ی.، معصوم­پور سماکوش، ج.، و فیضی، و.، 1393، تغییرپذیری زمانی-مکانی بارش‌های حدی در ایران: جغرافیا و برنامه­ریزی محیطی، 25 (2)، 25-36.

زرین، آ.، و مفیدی، ع.، 1384، وردش­پذیری فعالیت خورشیدی و اثر آن بر  اقلیم زمین (مطالعه موردی: اقلیم خاورمیانه و ایران): فصلنامه جغرافیایی سرزمین، 2(42)، 83-104.

صالح­نیا، ن.، موسوی بایگی، م.، و انصاری، ح.،1392، پیش­بینی خشکسالی با استفاده از نمایه PDSI به
کمک مدل­های LARS-WG و HadCM3 (مطالعه موردی: حوضه نیشابور): مجله آبیاری و زهکشی ایران، 7(1)، 93-103. 

عساکره، ح.، 1388، تحلیل طیفی سری­های زمانی دمای سالانه تبریز: فصلنامه تحقیقات جغرافیایی، 24(3)، 33-50.

عساکره، ح.، 1389الف، تحلیل چرخه­های میانگین دمای سالانه شهر زنجان: فصلنامه جغرافیا و توسعه، 8، 11-24.

عساکره، ح.، 1389ب، تحلیل تغییرات بارش­های فرین شهر زنجان: نشریه پژوهش­های اقلیم­شناسی، 1(2-1)، 89-100.

عساکره، ح.، 1391الف،  تغییر توزیع فراوانی بارش­های فرین شهر زنجان: فصلنامه جغرافیا و برنامه­ریزی محیطی، 23(1)، 51-66.

عساکره، ح.، 1391ب، تحلیل تغییرات مؤلفه­های مبنای نمایه­های فرین شهر زنجان: فصلنامه تحقیقات جغرافیایی، 27(2)، 1-17.

عساکره، ح.، و رزمی، ر.، 1391، تحلیل تغییرات بارش سالانه شمال غرب ایران: فصلنامه جغرافیا و برنامه‌ریزی محیطی، 23(3)، 147-162.

عساکره، ح.، خوشرفتار، ر.، و ستوده، ف.، 1391، تحلیل چرخه­های سری زمانی دبی و بارش ایستگاه آب‌سنجی ماشین­خانه (حوضه آبریز گرگان­رود تالش): نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، 26(5)، 1128-1139.

کلیم، د. م.، پیشوایی، م. ر.، و محمودی، پ.، 1392، مطالعه امکان تاثیر لکه­های خورشیدی بر بارش در ایستگاه­های منتخب جنوب ایران: فضای جغرافیایی، 13(42)، 191-208.

محمدی، ح.، عزیزی، ق.، تقوی، ف.، و یوسفی، ی.، 1390، تغییرپذیری زمانی و مکانی بیشینه بارش ماهانه در بخش­های جنوبی دریای خزر: پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، 43(75)، 1-15.

مرید، س.، مقدسی، م.، پایمزد، ش.، و قائمی، ه.، 1384، طراحی سیستم پایش خشکسالی استان تهران: پروژه تحقیقاتی، پژوهشکده مهندسی آب دانشگاه تربیت مدرس، 253 ص.

معافی مدنی، س. ف.، موسوی بایگی، م.، و انصاری، ح.، 1391، پیش­بینی وضعیت خشکسالی استان خراسان رضوی طی دوره 2030-2011 با استفاده از ریزمقیاس­نمایی آماری خروجی مدلLARS-WG5: جغرافیا و مخاطرات محیطی، 1(3)، 21-37.

مقبل، م.، داودی، م.، نیستانی، ا.، و تقوی، ف.، 1390، شناسایی تغییرات رژیم بارشی ایران در دهه­های اخیر: مجله علمی و فنی نیوار، شماره 72 و 73، 55-65.

موحدی، س.، عساکره، ح.، سبزی­پرور، ع. ا.، مسعودیان، ا.، و مریانجی، ز.، 1390، بررسی تغییرپذیری رژیم بارش در ایران: نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، 25(6)، 1434-1447.

ناظم­السادات، س. م. ج.، و قاسمی، ا. ر.، 1382، بارندگی شش­ماهه سرد مناطق مرکزی جنوب غرب ایران و ارتباط آن با پدیده ال نینو- نوسانات جنوبی: مجله علوم آب و خاک-علوم و فنون کشاورزی ومنابع طبیعی، 7(3)، 1-12.

نوشیروانی، ن.، 1393، مطالعه تغییرات روزانه شدت خشکسالی در ایران: پایان­نامه کارشناسی ارشد علوم محیط زیست، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، 98 ص.

نیرومند، حسینعلی.، 1376، تحلیل سری­های زمانی (روش­های یک متغیری و چند متغیری): انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد، شماره 228.

Abbott, M. B., Nelson, D. B., and Finney, B. P., 2005, A 6000‐year record of drought in north‐central Washington from laminated lake sediments: Proceedings of the 2005 GSA Annual Meeting, 37, 120.

Akhtari, R., Morid, S., Mahdian, M. H., and Smakhtin, V., 2009, Assessment of areal interpolation methods for spatial analysis of SPI and EDI drought indices: Int. J. Climatol., 29, 135–145.

Atlas, R., Wolfson, N., and Terry, J., 1993, The effect of SST and soil moisture anomalies on GLA model simulations of the 1988 U. S. summer drought: J. Climate, 6, 2034–2048.

Bhalme, H. N., and Mooley, D. A., 1981, Cyclic fluctuations in the flood area and relationship with the double (hale) sunspot cycle: J. Appl. Meteorol., 20, 1041–1048.

Byun, H. R., and Wilhite, D. A., 1999, Objective quantification of drought severity and duration: J. Climate, 12, 2747–2756.

Byun, H. R., Kang, K. A., and Kim, K. H., 2001, Correlations between Nino‐3 anomalies and Asian drought, flood: J. Korean Meteor. Soc., 37, 453–464.

Chang, W. Y. B., and King, G., 1999, Centennial climate changes and their global associations in the Yangtze River (Chang Jiang) delta, China and subtropical Asia: Climate Res., 2, 95–103.

Chen, P., and Newman, M., 1998, Rossby wave propagation and the rapid development of upper‐level anomalous anticyclones during the 1988 U.S. drought: J. Climate, 11, 2491–2504.

Chiew, F. H. S., Piechota, T. C., Dracup, J. A., and McMahon, T. A., 1998, El Nino/Southern Oscillation and Australian rainfall, streamflow and drought: Links and potential for forecasting: J. Hydrol., 204, 138–149.

Cook, E. R., Meko, D. M., and Stockton, C. W., 1997, A new assessment of possible solar and lunar forcing of the bi‐decadal drought rhythm in the Western United States: J. Climate, 10, 1343–1356.

Currie, R. G., 1981, Evidence for 18.6 year MN signal in temperature and drought conditions in North America since A.D. 1800: J. Geophys. Res., 86, 11055–11064.

Currie, R. G., 1983: Detection of 18.6 year nodal induced drought in the Patagonian Andes: Geophys. Res. Lett., 10, 1089–1092.

Currie, R. G., 1984: Periodic (18.6‐year) and cyclic (11‐year) induced drought and flood in Western North America: J. Geophys. Res., 89, 7215–7230.

Currie, R. G., 2007: Luni‐solar 18.6‐ and solar cycle 10‐11‐year signals in Chinese dryness‐wetness indices: Int. J. Climatol., 15, 497–515.

Dai, A., and Trenberth, K. E., 1998, Global variations in droughts and wet spells: 1900–1995: Geophys. Res. Lett., 25, 3367–3370.

Dilley, M., and Heyman, B. N., 1999, ENSO and disaster: droughts, floods and El Nino/Southern Oscillation warm events: Disasters, 19, 181–193.

Girardin, M. P., Tardif, J., Flannigan, M. D., Wotton, B. M., and Bergeron, Y., 2004: Trends and periodicities in the Canadian Droughts Code and their relationship with atmospheric circulation for the southern Canadian boreal forest: Can. J. For. Res., 34, 103–119.

Hodell, D. A., Brenner, M., Curtis, J. H., and Guilderson, T., 2001, Solar forcing of drought frequency in the Maya lowlands: Science, 292, 1367–1370.

Jiang, T., Zhang, Q., Zhu, D. M., and Wu, Y. J., 2006, Yangtze floods and droughts (China) and teleconnections with ENSO activities (1470–2003): Quat. Int., 144, 29–37.

Juan, Z., and Yanben, H., 2005, Determination of precipitation cycle in Beijing area and comparison with solar activity cycle: Earth, Moon, and Planets, 97, 69–78.

Kalamaras, N., Michalopoulou, H., and Byun, H. R., 2010, Detection of drought events in Greece using daily precipitation: Hydrol. Res., 41, 126–133.

Kim, D. W., and Byun, H. R., 2009, Future pattern of Asian drought under global warming scenario: Theor. Appl. Climatol., 98, 137–150.

Knapp, P. A., Soule, P. T., and Grissino‐Mayer, H. D., 2004, Occurrence of sustained droughts in the Interior Pacific Northwest (A.D. 1733–1980) inferred from tree‐ring data: J. Climate, 17, 140–150.

Lau, K. M., and Weng, H., 2002, Recurrent tele‐connection patterns linking summertime precipitation variability over East Asia and North America: J. Meteor. Soc. Japan, 80, 1309–1324.

Lyon, B., and Dole, R. M., 1995, A diagnostic comparison of the 1980 and 1988 U.S. summer heat wave-droughts: J. Climate, 8, 1658–1675.

Mertins, A., 1999, Signal analysis: wavelets, filter banks, time-frequency transformation and applications: John Wiley & Sons Ltd., New York, USA.

Meshcherskaya, A. V., and Blazhevich, V. G., 1997, The drought and excessive moisture indices in a historical perspective in the principal grain‐producing regions of the former Soviet Union: J. Climate, 10, 2670–2682.

Min, S. K., Kwon, W. T. E., Park, E. H., and Choi, Y. G., 2003, Spatial and temporal comparisons of droughts over Korea with East Asia: Int. J. Climatol., 23, 223–233.

Mitchell Jr., J. M., Stockton, C. W., and Meko, D. M., 1979, Evidence of a 22‐year rhythm of drought in the western United States related to the Hale solar cycle since the 17th century: Solar–Terrestrial Influences on Weather and Climate, McCormac, B. M., and Seliga, T. A., Eds., D. Reidel, 125–144.

Montroy, D. L., 1997, Linear relation of central and eastern North American precipitation to Tropical Pacific sea surface temperature anomalies: J. Climate, 10, 541–558.

Morid, S., Smakhtin, V., and Moghaddasi, M., 2006, Comparison of seven meteorological indices for drought monitoring in Iran: Int. J. Climatol., 26, 971–985.

Morid, S., Smakhtin. V., Bagherzadeh, K., 2007, Drought forecasting using artificial neural networks and time series of drought indices: Int. J. Climatol., 27 2103–2111.

O’Brien, D. P., and Currie, R. G., 1993, Observations of the 18.6‐year cycle of air pressure and a theoretical model to explain certain aspects of this signal: Climate Dyn., 8, 287–298.

Pandey, R. P., and Ramasastri, K. S., 2001, Relationship between the common climatic parameters and average drought frequency: Hydrol. Processes, 15, 1019–1032.

Pandey, R. P., Dash, B. B., Mishra, S. K., Singh, R., 2008, Study of indices for drought characterization in KBK districts in Orissa (India): Hydrol. Processes, 12, 1895–1907.

Piccarreta, M., Capolongo, D., and Boenzi, F., 2004, Trend analysis of precipitation and drought in Basilicata: Int. J. Climatol., 24, 907–922.

Stockton, C. W., and Meko, D. M., 1975, A long‐term history of drought occurrence in western United States as inferred from tree rings: Weatherwise, 28, 244–249.

Stockton, C. W., Mitchell Jr., J. M., and Meko, D. M., 1983, A reappraisal of the 22‐year drought cycle: In: Solar–Terrestrial Influences on Weather and Climate, McCormac, B. M., Ed., Colorado Associated University Press, 507–515.

Ting, M., and Wang, H., 1997, Summertime U. S. precipitation variability and its relation to Pacific sea surface temperature: J. Climate, 10, 1853–1873.

Xu, Z. X., Takeuchi, K., and Ishidaira, H., 2004, Correlation between El Nino–Southern Oscillation (ENSO) and precipitation in South‐east Asia and the Pacific region: Hydrol. Processes, 18, 107–123.

Zhang, Q., Liu, C., Xu, C. Y., Xu, Y., and Jiang, T., 2006, Observed trends of annual maximum water level and streamflow during past 130 years in the Yangtze River basin: China J. Hydrol., 324, 255–265.

Zhang, Q., Xu, C. Y., Jiang, T., and Wu, Y. J., 2007, Possible influence of ENSO on annual maximum streamflow of the Yangtze River: China J. Hydrol., 333, 265–274.