بکارگیری تکنیک توابع متعامد تجربی (EOF) در تحلیل داده‎‎ های بارندگی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده فنی و مهندسی، واحد سنندج، دانشگاه آزاد اسلامی، سنندج، ایران.

چکیده

تغییرات اقلیمی در دهه­ گذشته تأثیرات جدی بر امنیت غذایی و معیشت در مناطق مختلف جهان گذاشته است. EOF یکی از روش­های مهم برای مطالعه الگوی­های بارندگی در یک منطقه است. اهداف مهم مقاله شامل تعییین بهترین ضرایب وزنی و توابع فراوانی، تعیین مناطق همگن، مدل‌سازی سری­های زمانی فصلی و یافتن منحنی­های خشکسالی هواشناسی بزرگی- مساحت- فراوانی (SAF) و تداوم- مساحت- فراوانی (DAF) در حوضه­های کارون، دز و کرخه می­باشد. برای نیل به اهداف فوق، سری­های زمانی بارندگی 69 ایستگاه هواشناسی وزارت نیرو در حوضه­های تحقیق انتخاب گردید پس از کنترل کیفی و آزمون و بازسازی داده­ها توابع فراوانی و چهار ضریب وزنی (EOF) حاصل و در ادامه با همگن‌سازی منطقه تغییرات بارندگی با ایجاد 291 سلول در محیط ArcGIS9.3 به روش میان­یابی کریجینگ معمولی بررسی شد. با انجام درون­یابی برای ضرایب وزنی (EOF) اول تا چهارم مشخص گردید مدل­های نیم‎تغییرنمای کروی با درجه روند پلی‎نومیال دوم و عدم ایزوتروپی، گوسی بدون روند و دارای ایزوتروپی، گوسی با درجه روند دو و عدم ایزوتروپی و کروی با درجه روند دوم و عدم ایزوتروپی به ترتیب دارای بهترین برازش بودند. از همگن‎سازی منطقه مشاهده گردید که مناطق جنوبی خوزستان و بخش­هایی از شرق چهار محال و بختیاری دارای حداقل میانگین بارش ماهانه (mm24.3-14.5) و مناطق شمال خوزستان و جنوب لرستان دارای حداکثر میانگین بارش ماهانه (mm80.4-65.3) می­باشند. در ادامه با استفاده از روش مدل­سازی استوکاستیک ARMA با برنامه SAMS برای هر سلول برای 4 سری زمانی توابع فراوانی (PC) 12000داده بارندگی تولید و سپس تحلیل خشکسالی­ها انجام شد. نتایج نشان داد که توزیع­های آماری Gamma و Log-Normal برای دوره بازگشت‌های 5، 10، 50، 100 و 200 سال به ترتیب برای سری­های حجم کمبود نسبی و تداوم خشکسالی دارای بهترین برازش هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Applying the Empirical Orthogonal Function (EOF) in Analyzing Precipitation Data

نویسنده [English]

  • Motalleb Byzedi
Assistant Professor, Department of Water Science and Engineering, Faculty of Engineering, Sanandaj Branch, Islamic Azad University, Sanandaj, Iran.
چکیده [English]

Climate change in the past decade had serious impacts on food security and livelihoods in different parts of the world. EOF is one of the important methods for studying rainfall patterns in an area. The main objectives of the paper were to determine the best weight coefficients and frequency functions, determine homogeneous regions, model seasonal time series, and find the Severity-Area- Frequency (SAF), Duration-Area-Frequency (DAF), and Meteorological Drought Curves in three basins of Karun, Dez and Karkheh. In order to achieve the above objectives, 69 (Ministry of Energy’s) weather stations were selected in the research basins. After qualitative control, test and reconstruction of data, frequency functions and four weight factors (EOF) were obtained. Then, with the homogenization of the rainfall zone, the 291 cells in the ArcGIS9.3 environments were examined by ordinary kriging interpolation method. The results of the interpolation for first to forth weight functions (EOF) showed that the spherical semi covariogram with second degree of polonomial trend and unisotropy, the Gaussian no-trend with isotropy, the Gaussian with second degree of trend, and the spherical with second degree of trend and no-isotropy have the best distribution respectively. The homogenization of the region showed that the minimum average monthly precipitation in southern parts of Khuzestan Province and some eastern parts of Charmahal-o-Bakhtiari Province was 14.5-24.3 mm and maximum average monthly precipitation in northern parts of Khuzestan Province and south of Lorestan Province was 65.3-80.4 mm. Using the ARMA Stochastic Modeling Method with the SAMS program for each cell for 4 time series of frequency functions (PC), 12.000 rainfall data were obtained and then analysis of droughts was conducted. The results showed that the Gamma and Log-Normal statistical distribution for the return periods of 5, 10, 50, 100 and 200 years were the best fit for the series of relative shortages and drought persistence, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Stochastic
  • Interpolation
  • SAMS
  • empirical orthogonal functions (EOF)
Demuth S, Stahl K (2002) Climate variability and drought. Wasser & Boden 54(10): 36-40
Farajnezhazadeh asl M (1988) Drought analysis and forecasting in Iran. Ph.D. Thsis, Tarbiat Modarres University (In Persian)
Gottschalk L, Tallaksen LM, Perzyna G (1997) Derivation of low flow distribution functions using recession curves. Journal Hydrology 194(1-4):239-262
Grimmer M (1963) The space-filtering of monthly surface anomaly data in terms of pattern using empirical orthogonal functions. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 89(381):395-408
Hannachi A (2004) A primer for EOF analysis of climate data. department of meteorology. University of Reading Reading RG6 6BB, U.K.
Hisdal H, Tallaksen LM (2003) Estimation of regional, meteorological and hydrological drought characteristics: A case study for Denmark. Journal of Hydrology 281:230–247
Hisdal H, Tveito OE (1993) Extension of runoff series using empirical orthogonal functions. Hydrology 38(1):33-49
Holmström I, Stokes J (1978) Statistical forecasting of sea level change in the Baltic. SMHI Rapporter, Nr RMK9, Norrköping, Sweden
Karamoz M, Aaraqinezhad Sh (2008) Advanced Hydrology. Amir Kabir University of Technology Publication, 464p (In Persian)
Krassovskaia I, Gottschalk L (1995) Analysis of regional drought characterestecs with empirical orthogonal functions. In: kundezewicz, Z.W. (ED). New University Concepts in Hydrology and Water Resource. International Hydrology Series, Cambridge University Press, Cambridge, 163-197
Libiseller C (2002) Performance of partial Mann-Kendall tests in the presence of covariate. Environ metrics 13(1):71-84
Obled Ch, Creutin JD (1986) Some developments in the use empirical orrgogonal functions for mapping meteorological fields. Journal of Applied meteorology 15(9):1189-1204
Sabtraftar H (2009) Study and analysis of the effects of drought on the quantity and quality of water resources in the country and provide practical solutions to deal with it. Second Water Resources Management Conference (In Persian)
Stidd CK (1967) The use of eigenvectors for climate estimates. Journal of Applied Meteorology and Climatology 6(2):255-264
Tallaksen LM, Hisdal H (1997) Regional analysis of extreme streamflow drought duration and deficit volume. IAHS Publication 246:141-150
Tallaksen LM, Van Lanen HJ (2004) Hydrological drought: Processes and estimation methods for streamflow and groundwater. Hydrology and Quantitative Water Management, WIMEK
Zaidman MD, Rrce HG, Yang AK (2001) Spatio-temporal development of stream flow droughts in north-west europe. Hydrology and Earth System Science 5(4):733-751