اثرات تغییر اقلیم بر خشکسالی‌ هیدرولوژیکی تحت سناریوهای RCP با استفاده از شاخص SDI و مدلسازی سری‌های زمانی (مطالعه موردی: دریاچه ارومیه)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران.

2 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران.

3 گروه سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، دانشکده علوم اجتماعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.

4 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه لرستان، خرم آباد، ایران.

5 کارشناس مهندسی آب، شرکت آب منطقه‌ای کرمان، کرمان، ایران.

10.22034/nawee.2025.553994.1172
چکیده
امروزه تغییر اقلیم یک موضوع اصلی در مجامع علمی و نشریات مرتبط با علوم محیطی و جوی می‌باشد. هدف از تحقیق حاضر بررسی تأثیر پدیده تغییر اقلیم بر متغیرهای اقلیمی و خشکسالی هیدرولوژیک در حوضه دریاچه ارومیه می‌باشد. بدین منظور، با استفاده از شاخص SDI،مدل سری زمانی Ar(p) با تکنیک تولید داده‌های مصنوعی برای 1000 بار تولید گردید. سپس تغییرات احتمالی آن روی دما و بارش با استفاده از سناریوهای اقلیمی بررسی گردید.در این مطالعه، برای سه افق نزدیک، میانی و دور تحت سه سناریو RCP4.5، RCP6 و RCP8.5 با استفاده از داده‌های 30 ساله دما و بارندگی، مدل NORESM1-M برای دوره پایه (2010-1980) و افق‌های نزدیک (2040-2011)، میانی (2070-2040) و دور (2100-2070) در حوضه دریاچه ارومیه مورد مطالعه قرار گرفت. در مرحله بعد، با استفاده از مدل بارش رواناب بکار واسنجی شده با داده‌های تاریخی بارندگی و دبی، داده‌های دبی جریان با رویکرد تغییر اقلیم برای دو دوره (2059-2020) و (2100-2060) تولید و خشکسالی هیدرولوژیک در حوضه دریاچه ارومیه تحلیل گردید.نتایج حاصل نشان دادکه براساس مدل‌های سری زمانی و سناریوهای اقلیمی بررسی شده امکان رخدادن خشکسالی‌های شدیدتر از دوره‌های تاریخی وجود دارد. همچنین شدت خشکسالی‌ها در ایستگاه‌های شرق دریاچه ارومیه بیشتر از غرب آن می‌باشد، بطوریکه میزان افزایش تعداد دوره‌های خشک در افق‌های بررسی شده 17 تا 20 درصد بیشتر از شرایط کنونی خواهد بود.همچنین بر اساس ضرایب همبستگی بدست آمده برای سناریوهای مختلف، بهترین سناریو برای مطالعات بارش در این منطقه سناریوی RCP6 با ضریب همبستگی 763/0 و برای دما سناریوی RCP4.5 با ضریب همبستگی 994/0 شناخته شدند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Climate Change Impacts on Hydrological Droughts under RCP Scenarios Using SDI and Time Series Modeling (Case Study: Lake Urmia)

نویسندگان English

Zaihollah Khani Temeliyeh 1
Rasoul Mirabbasi Najafabadi 2
Shahab Shadmehr 3
Zahra Shamsi 4
Ali Mansour Bahmani 5
1 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran.
2 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Shahrekord University, Shahrekord, Iran.
3 Science in Remote Sensing and Geographic Information System, Mohaghegh Ardabili University, Faculty of Social Sciences, Ardabil, Iran.
4 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Lorestan University, Lorestan, Iran.
5 Water Engineering Expert, Kerman Regional Water Organization, Kerman, Iran.
چکیده English

Climate change is currently a major topic in scientific circles and in publications related to environmental and atmospheric sciences.The aim of this study is to investigate the impact of climate change on climatic variables and hydrological drought in the Urmia Lake basin, Iran.For this purpose, the SDI index was calculated, and the Ar(p) time series model was generated with the synthetic data generation technique 1,000 times. Possible changes in temperature and precipitation were then examined using climate scenarios.In this study, the NORESM1-M model was evaluated using 30-year temperature and precipitation data from the Urmia Lake basin for the base period(1980–2010) and for the near(2011–2040),middle(2040–2070), and far(2070–2100) future horizons under three scenarios: RCP4.5, RCP6, and RCP8.5. In the next step, a rainfall-runoff model calibrated with historical precipitation and discharge data was used to generate discharge data based on climate change scenarios for two periods(2020–2059) and(2060–2100), after which hydrological drought in the Urmia Lake basin was analyzed.The findings showed that, based on the time series models and climate scenarios studied, more severe droughts than those in historical periods are possible.The severity of droughts at stations east of Lake Urmia is greater than in the west, with the number of dry periods in the studied horizons projected to be 17 to 20 percent higher than current conditions.Additionally,based on the correlation coefficients obtained for different scenarios, the best scenario for precipitation studies in this region was identified as RCP6,with a correlation coefficient of 0.763, and for temperature, RCP4.5, with a correlation coefficient of 0.994

کلیدواژه‌ها English

Climate change
scenario
hydrological drought
Lake Urmia
احمدزاده، ح.، فاخری فرد، ا.، قربانی، م.ع.، تجریشی، م (1400). تحلیل منطقه‌ای خشک­سالی هیدرولوژیکی در حوضه آبریز آجی‌چای با استفاده از شاخص RDI . علوم آب و خاک، ۲۵ (۳): ۱۳-۳۰.
امیرعطایی، ب.، منتصری، م.، یاسی، م (1392). مقایسه عملکرد ذاتی هفت شاخص خشک­سالی رایج در پایش خشک­سالی با استفاده از روش شبیه‏سازی مونت‏ کارلو.  نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، 43(70)، 39-25.
آوند، م.ت.، مرادی، ح.ر.، حزباوی، ز (1403). ارزیابی خشک­سالی هواشناسی و هیدرولوژیکی زمان حال و پیش‌نگری آن در آینده در حوزة آبخیز تجن. مدل سازی و مدیریت آب و خاک، 4(4)، 78-57.
بزرگ نیا، آب (1390)، تجزیه و تحلیل سری زمانی و پیش بینی. انتشارات آستان قدس رضوی،
جوان, خ (1399). بررسی روند خشک­سالی هیدرولوژیک در سطح حوضه آبریز دریاچه ارومیه. هیدروژئومورفولوژی، 7(25)، 138-119.
حاجی آبادی، ف.، حسن پور، ف.، یعقوب زاده، م.، حمامی،ح  (1404). ارزیابی اثر تغییر اقلیم بر خشکسالی کشاورزی به کمک شاخص SMDI  در رژیم‌های مختلف آبیاری. رویکردهای نوین در مهندسی آب و محیط‌زیست، 4(1)،84-72.
رزمخواه، ه.ف.، قهرمانی، ع.، فرارویی، ع.، رستمی راوری، ا (1401). ارزیابی خشک­سالی هواشناسی و هیدرولوژیک (مطالعه موردی: رودخانه زهره. مدیریت جامع حوزه‌های آبخیز، 2 (3)، 81-58.
شاهی نژاد، ب.، شمس، ز.، خانی تملیه، ذ.، ارشیا، آ (1401). تحلیل چند متغیره خشک­سالی های هیدرولوژیک در حوضه دریاچه ارومیه با استفاده از تکنیک تولید داده مصنوعی و توابع مفصل. مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 1(12)، 19-1.
فاتحی مرجع، ا.، برهانی داریان، ع.، مهدیان، م.ح (1385). پیش بینی بارش فصلی با استفاده از پیوند از دور: مطالعه موردی حوزه آبریز دریاچه ارومیه. نشریه علوم آب و خاک (علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی)، 10(3)، 45-57.
فرد مرادی نیا، س.، باقری، ا.، جانی، ر.، فلسفیان، آ (1403). تحلیل و بررسی شاخص‌های خشک­سالی هیدرولوژیکی (مطالعه موردی: روستای ماهنشان از توابع استان زنجان). مجله علوم ومهندسی آبخیزداری ایران،۱۴۰۳; ۱۸ (۶۵): ۷۴-۸۴.
کاویانی، م.ر (1380). بررسی اقلیمی شاخص های خشکی و خشک­سالی. تحقیقات جغرافیایی، 16(1 (پیاپی60))، 71-89..
مرادی، م.، مرادی، ح.ر.، وفاخواه، م (1402). بررسی تغییرات زمانی و مکانی خشک­سالی هواشناسی (SPI) درحوزه آبخیز کارون. رویکردهای نوین در مهندسی آب و محیط‌زیست، 2(1)، 128-113.
نوروزی، ا.، محمدی، ز (1395). بررسی خشکسالی هیدرولوژیک و آثار آن بر کشاورزی منطقه لنجان. برنامه ریزی فضایی، 6(2)، 116-97.
یاراحمدی، ج.، رستمی زاد، ق (1398). تحلیل خشک­سالی های هیدرولوژیک در شمال دریاچة ارومیه. هیدروژئومورفولوژی، 5(19)، 79-100.
Ahmadzadeh, H., Fakheri Fard., A, ghorbani, M., tajrishy, M., 2021. Regional Analysis of Hydrological Drought in Ajichai Basin Using RDI Index. JWSS, 25 (3): 13-30. (In Persian).
Alipour Modab, G., 2025. The effect of climate change on meteorological drought and hydrological drought assessment in Kohgilouye and Boyer Ahmad Province of Iran. Water Practice & Technology, 20(3), 746-764.
Amirataee, B., Montaseri, M., Yasi, M., 2013. Comparison of Inherent Performance of Seven Drought Indices in Drought Mitigation Using a Monte Carlo Simulation Approach. Journal of Civil and Environmental Engineering, 43(70), 25-39. (In Persian).
Anghel, C. G., Ilinca, C., 2023. Hydrological drought frequency analysis in water management using univariate distributions. Applied Sciences, 13(5), 3055.
Arena, C., Cannarozzo, M., Mazzola, M. R., 2006. Multi-year drought frequency analysis at multiple sites by operational hydrology–A comparison of methods. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 31(18), 1146-1163.
Arnell, N., W, N., S, Reynard., 1996. The effects of climate change due to global warming on river flows in Great Britain. Journal of Hydrology, 183.3 (1996), 397-424.
Avand, M., Moradi, H. R., Hazbavi, Z., 2024. Evaluation of present meteorological and hydrological drought and its future forecast in the Tajan Watershed. Water and Soil Management and Modelling, 4(4), 57-78. (In Persian).
Bozzorgnia, A., 2011.Time Series Analysis and forecasting, Publications Astan Quds Razvi. (In Persian).
Deger, I. H., Yuce, M. I., Esit, M., 2025. Spatio-Temporal Variability of Hydrological Drought and Trends: Implementation of Classical and Innovative Approaches. Water Resources Management, 1-32.  
EskandariPour, M., Soltaninia, S., 2022. Analyzing the duration frequency and severity of drought using copula function in the Yazd city. Journal of Water and Climate Change, 13(1), 67-82.
 Fard Moradinia, S., Bagheri, E., Jani, R., Falsafian, A., 2024. Analysis and Investigation of Hydrological Drought Indicators in Mahenshan of Zanjan Province. JWMSEIR; 18 (65), 74-83, (In Persian).
Fatehi Marj, A., Borhani Darian, M. H., Mahdian, Forecasting Seasonal Rainfall Using Teleconnection Pattern Case Study: Orumiyeh Lake Basin. jwss 2006; 10 (3) ,45-58. (In Persian).
 Glantz, M.H., Wigley, T.M.L., 1987. Climatic variations and their effects on water resources. (eds. McLaren, D.J. and skinner, B.J.) Resources and world development, Wiley, pp 625-641.
Habibi, B., Meddi, M., Abdelkader, M., 2024. The frequency distribution and stochastic analysis of the hydrological drought in Northern Algeria. Italian Journal of Agrometeorology, (1), 73-94.
Hajiabadi, F., Hassanpour, F., Yaghoobzadeh, M., Hammami, H., 2025. Assessing the effect of climate change on agricultural drought by using of SMDI index in different Irrigation levels. Journal of New Approaches in Water Engineering and Environment, 4(1), 72-84. (In Persian)
Hashimoto, T., Stedinger, J.R., Loucks, D.P., 1982. Reliability, resiliency and vulnerability criteria for water resource system performance evaluation. Water Resour. Res., 18, 14–20.
Hisdal, Hege., Lena, M., Tallaksen., 2003. Estimation of regional meteorological and hydrological drought characteristics: a case study for Denmark. Journal of Hydrology, 281(3), 230-247.
Intergovernmental Panel on Climate Change, (IPCC)., 2013. Climate Change 2013 The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge Univ. Press, Cambridge.
Javan, K., 2021. Identification of hydrological drought trends in the Lake Urmia Basin. (In Persian). Journal of Hydrogeomorphology, 7(25), 138-119
Kaviani, M.R., 2001. Climatic Investigation on aridity and drought indices. Geograohical Research, 16(1), 71-89.
Kuzniar, A., Twardy, S., Kowalczyk, A., Kostuch, M., 2011. An assessment of the water requirements of a mountain pasture sward in the Polish Western Carpathians. Journal of Water and Land Development, 15, 193.
Li, C., Qu, Y., Jiang, T., Jiang, F., Wang, Q., Zhang, X., Xu, X., 2024. Attribution analysis of hydrological drought after the impoundment of the Danjiangkou reservoir in the Hanjiang River Basin. Journal of Hydrology: Regional Studies, 56, 102038.
Ma, J., Cui, B., Hao, X., He, P., Liu, L., Song, Z., 2022. Analysis of hydrologic drought frequency using multivariate copulas in Shaying River Basin. Water, 14(8), 1306.
McMahon, T.A., Mein, R.G. 1986. River and reservoir yield" Water Resource Publications, Littleton, Colorado.
Monforte, P., Ragusa, M. A., Imposa, S., 2024. Drought Estimation in a Mediterranean Region: Case Study of Sicily from 1921 to 2023. Available at SSRN 4770437.
Moradi, M., Moradi, H.R., Vafakhah, M., 2023. Investigating temporal and spatial changes of meteorological drought (SPI) in Karun watershed.  Journal of New Approaches in Water Engineering and Environment, 2(1), 113-128. (In Persian).
Mutreja, K. N., 1976. Reservoir capacity for periodic-stochastic input and periodic output (Doctoral dissertation, Colorado State University. Libraries).
Nalbantis, I., 2008. Evaluation of a Hydrological Drought Index. European Water 23/24, 67-77.
Nawaz, N. R., Adeloye, A. J., Montaseri, M., 1999. The Impact of Climate Change on Storage-Yield Curves for Multi-Reservoir Systems. Nordic Hydrology, 30.2 (1999), 129-146.
Norouzi, A., Mohammadi, Z., 2016. Survey of Hydrological Drought and its Effects on Lenjan Agricultural Region. Spatial Planning6(2), 97-116. (In Persian)
Rahimi Kakehjub, S., Rezaie, H., Khalili, K., Nazeri Tahroudi, M., 2023. Hydrological Drought and Time Series Analysis: A Case Study of the Zarrinehrood Basin. Water Harvesting Research, 6(2), 183-194. (In Persian).
Razmkhah, H., Ghahremani, E., Fararouie, A., Rostami Ravari, A., 2022. Assessment of meteorological and hydrological drought (Case study: Zohreh river). Integrated Watershed Management, 2(3), 58-81. (In Persian).
Sabzevari, Y., Eslamian, S., Okhravi, S., 2025. Application and Evaluation of SPI and SPEI Indices in Drought Analysis. Journal of New Approaches in Water Engineering and Environment, 4(2), 79-90. (In Persian).
Shahinejad, B., Shams, Z., Khani Temeliyeh, Z., Arshia, A., 2022. Multivariate Analysis of Hydrological Droughts in Urmia Lake basin Using Artificial Data Generation Technique and Copula Functions,1(12),1-19. (In Persian).
Thompson, S. A., 1990. A Markov and Runs Analysis of Drought in the Central United States. Physical Geography, 11 (3), 191-205.
Wang, Y., Peng, T., He, Y., Singh, V. P., Lin, Q., Dong, X., Wang, G., 2023. Attribution analysis of non-stationary hydrological drought using the GAMLSS framework and an improved SWAT model. Journal of Hydrology, 627, 130420.
Wigley, T.M.L., Jonnes, P.D., 1985. Influences of precipitation changes and direct Co2 effect on stream flow, Nature, 314(6007), 31-50.
Wilhite, D., A, M., H, Glantz., 1985. Understanding the drought phenomenon: the role of definitions. Water International, 10, 11-112.
Wilks, D. S., 1995. Statistical Methods in the Atmospheric Sciences, Academic Press, San Diego, California, USA.
Xu, C-Y., Singh, V.P., 1998. A review on water monthly balance model for water resources investigations, Wat. Resour. Managt, 12, 31-50.
Yarahmadi, J., Rostamizad, G., 2019. The Analysis of the Hydrological Droughts in the Northern Part of Lake Urmia. Journal of Hydrogeomorphology, 6(19), 79-100. (In Persian).