ارزیابی عملکرد مدل‌های CMIP6 در شبیه‌سازی و پیش‌بینی رطوبت خاک سطحی تحت سناریوهای تغییر اقلیم: مطالعه موردی استان قزوین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه اقلیم شناسی کاربردی، پژوهشکده اقلیم شناسی و تغییر اقلیم (پژوهشگاه هواشناسی و علوم جو)، مشهد، ایران.

2 گروه مخاطرات اقلیمی و تغییر اقلیم، پژوهشکده اقلیم شناسی و تغییر اقلیم (پژوهشگاه هواشناسی و علوم جو)، مشهد، ایران.

3 گروه اقلیم شناسی کاربردی، پژوهشکده اقلیم شناسی و تغییر اقلیم (پژوهشگاه هواشناسی و علوم جو)، مشهد، ایران

10.22034/nawee.2025.536321.1169
چکیده
هدف: رطوبت خاک یکی از متغیرهای کلیدی چرخه آب محسوب می‌شود که نقش مهمی در تولیدات کشاورزی و پویایی اقلیم ایفا می‌کند. برآورد دقیق و پیش‌نگری آن به‌ویژه در مناطق نیمه‌خشک مانند استان قزوین، که فاقد شبکه پایش میدانی گسترده است، اهمیت بالایی برای مدیریت منابع آب دارد. با توجه به تأثیر روزافزون تغییر اقلیم، هدف پژوهش حاضر، ارزیابی توانمندی دو مدل منتخب از مدل‌های اقلیمی CMIP6 شامل ACCESS-CM2 و MPI-ESM1-2-LR در شبیه‌سازی رطوبت سطحی خاک تحت دو سناریوی مشترک اقتصادی-اجتماعی (SSP5-8.5, SSP1-2.6) است. این مطالعه خلأ مهمی را در زمینه پیش‌نگری این متغیر در استان قزوین پوشش می‌دهد.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق از داده‌های ماهانه رطوبت خاک سطحی (عمق ۰ تا ۷ سانتی‌متر) بانک داده بازتحلیل ERA5-Land برای دوره پایه (19852014) استفاده شد. خروجی دو مدل اقلیمی CMIP6 منتخب انتخاب و اصلاح اریبی با روش نسبت‌گیری خطی (LS) انجام شد. برای ارزیابی عملکرد مدل‌ها از شاخص‌های آماریRMSE، MAEو ضریب همبستگی پیرسون استفاده گردید. همچنین پیش‌نگری‌های اقلیمی برای دوره آینده نزدیک (20402021) تحت دو سناریوی مذکور انجام و تحلیل مکانی-زمانی روی آن‌ها صورت گرفت.
نتایج و بحث: بررسی الگوی توزیع مکانی رطوبت خاک در استان قزوین بر اساس داده‌های ERA5-land نشان داد بیشترین مقدار رطوبت خاک در ماه‌های ژانویه تا آوریل و اکتبر تا دسامبر وجود دارد. کمترین مقادیر به مناطق مرکزی و جنوب شرقی استان مربوط بود. پس از اصلاح اریبی، خروجی هر دو مدل به واقعیت نزدیک‌تر شد. مدل ACCESS در نمایش الگوی مکانی، به‌ویژه در مناطق کوهستانی، عملکرد بهتری نسبت به مدل MPI داشت. نتایج پیش‌نگری نشان داد که در سناریوی خوشبینانه، مقدار رطوبت خاک در فصل زمستان افزایش خواهد یافت، اما در تابستان کاهش یا تغییر اندکی مشاهده شد. در سناریوی بدبینانه، کاهش شدیدتری در فصل تابستان و اوایل پاییز مشاهده شد (کاهش تا ۳۵٪). بیشترین کاهش در ماه اکتبر مشاهده گردید.
نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد که رطوبت خاک در ماه‌های گرم تحت تأثیر تغییر اقلیم کاهش خواهد یافت که این موضوع می‌تواند بر مدیریت آبیاری، پایش خشکسالی و عملکرد محصولات کشاورزی اثرگذار باشد. از جمله محدودیت‌های اصلی این پژوهش، نبود داده‌های میدانی در استان قزوین بود. استفاده از داده‌های ریزمقیاس‌شده در کنار منابع سنجش از دور و همچنین بهره‌گیری از روش‌های یادگیری ماشین می‌تواند دقت پیش‌نگری‌ها را افزایش دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Evaluating the Performance of CMIP6 Models in Simulating and Projecting Surface Soil Moisture Under Climate Change Scenarios: A Case Study of Qazvin Province

نویسندگان English

Mansoureh Kouhi 1
Ebrahim Asadi Oskouei 2
Fatemeh Abbasi 3
1 Applied Climatology Research Group , RIMAS, CRI, Mashhad-Iran
2 Climate Disaster and Climate Change Research Group, Faculty of Climate Research Institute, RIMAS, Mashhad, Iran.
3 Applied Climatological Research Group, Expert Research of Climate Research Institute, RIMAS, Mashhad, Iran.
چکیده English

Objective: Soil moisture plays a significant role in agricultural production and climate dynamics. Given the increasing impact of climate change, this study aims to evaluate the capability of two selected CMIP6 models—ACCESS-CM2 and MPI-ESM1-2-LR—in simulating surface soil moisture and project this variable under two SSP scenarios (SSP1-2.6 and SSP5-8.5). This research addresses an important gap in projecting this variable in Qazvin Province.

Methods: Monthly surface soil moisture data from the ERA5-Land reanalysis database were used for the baseline period. The outputs of the two models were bias-corrected using the Linear Scaling (LS) method. To evaluate model performance, statistical indices such as RMSE, MAE, and the Pearson correlation coefficient were applied. Climate projections for the near future (2021–2040) were conducted under two SSP scenarios.
Results: The highest soil moisture levels occurred from January to April and from October to December, while the lowest values were observed in the central and southeastern regions. The ACCESS model outperformed the MPI model in representing spatial patterns, particularly in mountainous areas. The results indicated that under the SSP1-2.6 scenario, surface soil moisture would increase in winter, whereas a decrease or slight change was observed in summer. Under the SSP5-8.5 scenario, a more severe decline (up to 35%) occurred in summer and early autumn.
Conclusion: The findings suggest that soil moisture will decrease during warmer months due to climate change, potentially affecting irrigation management, drought monitoring, and agricultural crop yields.

کلیدواژه‌ها English

Soil Moisture
CMIP6
Reanalysis
ERA5-land
هدف: رطوبت خاک یکی از متغیرهای کلیدی چرخه آب محسوب می‌شود که نقش مهمی در تولیدات کشاورزی و پویایی اقلیم ایفا می‌کند. برآورد دقیق و پیش‌نگری آن به‌ویژه در مناطق نیمه‌خشک مانند استان قزوین، که فاقد شبکه پایش میدانی گسترده است، اهمیت بالایی برای مدیریت منابع آب دارد. با توجه به تأثیر روزافزون تغییر اقلیم، هدف پژوهش حاضر، ارزیابی توانمندی دو مدل منتخب از مدل‌های اقلیمی CMIP6 شامل ACCESS-CM2 و MPI-ESM1-2-LR در شبیه‌سازی رطوبت سطحی خاک تحت دو سناریوی مشترک اقتصادی-اجتماعی (SSP5-8.5, SSP1-2.6) است. این مطالعه خلأ مهمی را در زمینه پیش‌نگری این متغیر در استان قزوین پوشش می‌دهد.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق از داده‌های ماهانه رطوبت خاک سطحی (عمق ۰ تا ۷ سانتی‌متر) بانک داده بازتحلیل ERA5-Land برای دوره پایه (19852014) استفاده شد. خروجی دو مدل اقلیمی CMIP6 منتخب انتخاب و اصلاح اریبی با روش نسبت‌گیری خطی (LS) انجام شد. برای ارزیابی عملکرد مدل‌ها از شاخص‌های آماریRMSE، MAEو ضریب همبستگی پیرسون استفاده گردید. همچنین پیش‌نگری‌های اقلیمی برای دوره آینده نزدیک (20402021) تحت دو سناریوی مذکور انجام و تحلیل مکانی-زمانی روی آن‌ها صورت گرفت.
نتایج و بحث: بررسی الگوی توزیع مکانی رطوبت خاک در استان قزوین بر اساس داده‌های ERA5-land نشان داد بیشترین مقدار رطوبت خاک در ماه‌های ژانویه تا آوریل و اکتبر تا دسامبر وجود دارد. کمترین مقادیر به مناطق مرکزی و جنوب شرقی استان مربوط بود. پس از اصلاح اریبی، خروجی هر دو مدل به واقعیت نزدیک‌تر شد. مدل ACCESS در نمایش الگوی مکانی، به‌ویژه در مناطق کوهستانی، عملکرد بهتری نسبت به مدل MPI داشت. نتایج پیش‌نگری نشان داد که در سناریوی خوشبینانه، مقدار رطوبت خاک در فصل زمستان افزایش خواهد یافت، اما در تابستان کاهش یا تغییر اندکی مشاهده شد. در سناریوی بدبینانه، کاهش شدیدتری در فصل تابستان و اوایل پاییز مشاهده شد (کاهش تا ۳۵٪). بیشترین کاهش در ماه اکتبر مشاهده گردید.
نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد که رطوبت خاک در ماه‌های گرم تحت تأثیر تغییر اقلیم کاهش خواهد یافت که این موضوع می‌تواند بر مدیریت آبیاری، پایش خشکسالی و عملکرد محصولات کشاورزی اثرگذار باشد. از جمله محدودیت‌های اصلی این پژوهش، نبود داده‌های میدانی در استان قزوین بود. استفاده از داده‌های ریزمقیاس‌شده در کنار منابع سنجش از دور و همچنین بهره‌گیری از روش‌های یادگیری ماشین می‌تواند دقت پیش‌نگری‌ها را افزایش دهد.