مجله ژئوفیزیک ایران

مجله ژئوفیزیک ایران

یک چارچوب چندمعیاره (Entropy–TOPSIS) برای انتخاب ترکیب‌های بهینه مدل–روشِ CMIP6 جهت مقیاس‌کاهی بارش و دما در شمال شرق ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی‌

نویسندگان
1 گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد
2 پژوهشگاه هواشناسی و علوم جو، پژوهشکده اقلیم شناسی،
3 گروه اگروتکنولوژی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد
4 مهندسی منابع آب، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد
چکیده
تغییر اقلیم و افزایش اثراتش، نیاز به بازتولید دقیق بارش و دما در مقیاس ایستگاهی را تشدید کرده است؛ اما خروجی CMIP6 به‌علت تفکیک مکانی پایین و خطاهای سامانمند، نیازمند مقیاس‌کاهی آماری و انتخاب مدل–روش است. این پژوهش برای رفع خلأ ارزیابی‌های پراکنده و تک‌متغیره در شرق ایران، چارچوبی ایستگاه‌محور و چندمعیاره برای رتبه‌بندی ترکیب‌های «مدل–روش» در بازتولید بارش، دمای حداقل و حداکثرِ سه استان خراسان ارائه می‌کند (۱۹ ایستگاه، 1989–2014). در این چارچوب، خروجی‌های ۸ مدل از CMIP6 با ۸ روش تصحیح اریبی/مقیاس‌کاهی نرم‌افزار CMHyd (۵ روش بارش، ۴ روش دما) مقایسه شدند. سنجه‌ها: NRMSE، MAE، r و KGE؛ و به‌صورت متغیرمحور PBIAS برای بارش و MBE برای دما می‌باشد. معیارها پس از نرمال‌سازی با آنتروپی شانون (وزن ثابت در منطقه) وزن‌دهی و رتبه‌بندی ایستگاهی با TOPSIS انجام شد؛ سپس نتایج با میانه رتبه‌ها، IQR و تعداد ایستگاهِ برنده تجمیع و با آزمون‌های فریدمن و نمنـی اعتبارسنجی شد. اختلاف عملکرد گزینه‌ها برای هر سه متغیر معنادار بود (Tmin: χ²≈538, p≈10⁻⁹⁴؛ Tmax: χ²≈458, p≈10⁻⁷⁷؛Pr: χ²≈286, p≈10⁻⁴⁴). MPI|VarianceScaling (میانگین رتبه≈1/3) برای Tmin و MPI|DistributionMapping (میانگین رتبه≈2/3) برای Tmax بهترین گزینه‌های منطقه‌ای بودند؛ بااین‌حال، آزمون نمنـی نشان داد ۱۲ ترکیب (Tmin) و ۱۱ ترکیب (Tmax) از نظر آماری با گزینه برتر قابل تفکیک نیستند و «گروه ممتاز» با شاخص‌های همگرا و پایدار می‌سازند. برای بارش، HadGEM|DistributionMapping (میانگین رتبه≈1) برتر بود و نسبت به سایر اعضای گروه ممتاز شاخص‌های دقیق‌تری ارائه داد. در مقابل، بسیاری از ترکیب‌های مبتنی بر INM، CMCC و GFDL و برخی روش‌های DeltaChange/LinearScaling و LocalIntensity/PowerTransformation فاصله معناداری با گروه ممتاز داشتند و در رتبه‌های انتهایی قرار گرفتند. بنابراین در خراسان، مدل MPI همراه Distribution Mapping و Variance Scaling و HadGEM همراه Distribution Mapping به‌ترتیب پایدارترین گزینه‌ها برای بازتولید دما و بارش‌ هستند. این چارچوب مبنایی برای کاهش عدم‌قطعیت و انتخاب مدل–روش در پیش‌نگری اقلیم و مدیریت مخاطره منطقه‌ای است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

A multi criteria framework (Entropy–TOPSIS) for selecting optimal CMIP6 model–method combinations for precipitation and temperature downscaling in northeastern Iran

نویسندگان English

Arash Razban 1
Seyyed Mohammad Mosavi Baygi 1
Iman Babaeian 2
Behnam Kamkar 3
Nasrin Sarrafzadeh 4
1 Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad
2 Meteorological Research Institute and Atmospheric Science, Climatology Research Department, Mashhad, Iran.
3 Department of Agronomy, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad
4 Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad
چکیده English

Climate change and the growing intensity of its impacts have increased the need for accurately reproducing precipitation and temperature at the station scale, where local climatic characteristics are most relevant for hydrological assessments and regional risk management. Because CMIP6 climate model outputs have coarse spatial resolution and contain systematic biases, they cannot be directly used for local‑scale studies without applying statistical downscaling and bias‑correction techniques. Selecting an appropriate combination of climate model and correction method is therefore an essential prerequisite for reliable climate projection, especially in regions with complex climatic variability such as eastern Iran.

To address the lack of integrated and multi‑variable evaluations in this region, the present study introduces a station‑based, multi‑criteria framework for the simultaneous ranking of model–method combinations in reproducing precipitation, minimum temperature (Tmin), and maximum temperature (Tmax) across the three provinces of Khorasan. The analysis covers 19 synoptic stations over the period 1989–2014. Within this framework, outputs from eight CMIP6 models—five Earth System Models (ESMs) and three General Circulation Models (GCMs)—were evaluated using eight bias‑correction and downscaling techniques implemented in the CMHyd software. These methods include five approaches for precipitation and four for temperature, representing widely applied techniques in statistical downscaling.



Model–method performance was assessed using several complementary statistical metrics: normalized root mean square error (NRMSE), mean absolute error (MAE), Pearson correlation coefficient ®, and the Kling–Gupta efficiency (KGE). In addition, variable‑specific measures were used: percent bias (PBIAS) for precipitation and mean bias error (MBE) for temperature. After normalizing all criteria, weights were assigned using the Shannon entropy method, ensuring objective and regionally consistent weighting. Station‑level rankings were then produced using the TOPSIS decision‑making technique, and the aggregated results were summarized using median ranks, interquartile ranges (IQR), and the number of stations where each alternative performed best. Statistical significance of performance differences was tested using the Friedman and Nemenyi tests.

The results showed significant differences among alternatives for all three variables, with MPI|VarianceScaling emerging as the best overall option for Tmin and MPI|DistributionMapping for Tmax. However, according to the Nemenyi test, several additional combinations fell within the same statistical group as the top performer, forming an “excellent group” with similarly strong and stable performance indices. For precipitation, HadGEM|DistributionMapping achieved the best overall results, outperforming other members of the excellent group in most stations.

In contrast, combinations based on INM, CMCC, and GFDL models, as well as several correction techniques such as DeltaChange, LinearScaling, LocalIntensity, and PowerTransformation, consistently ranked lower and showed significant divergence from the excellent group.

Overall, the findings highlight that MPI combined with Distribution Mapping or Variance Scaling, and HadGEM combined with Distribution Mapping, provide the most reliable performance for reproducing temperature and precipitation in Khorasan. The proposed framework offers a structured basis for reducing uncertainty in climate model selection and for improving regional climate‑hazard assessment and future projection efforts.

کلیدواژه‌ها English

CMIP6
Entropy-TOPSIS
Khorasan
Precipitation and Temperature
Statistical Downscaling

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 31 تیر 1405

  • تاریخ دریافت 31 فروردین 1405
  • تاریخ بازنگری 22 تیر 1405
  • تاریخ پذیرش 31 تیر 1405
  • تاریخ اولین انتشار 31 تیر 1405
  • تاریخ انتشار 31 تیر 1405