تحلیل دومتغیره ریسک خشکسالی در غرب و شمال غرب ایران با استفاده از الگوریتم PSO و توابع مفصل

خشک‌سالی به‌عنوان یک وضعیت کمبود آب طولانی‌مدت، موضوعی چالش‌برانگیز در مدیریت منابع آب است. این پدیده یکی از بلایای طبیعی پرهزینه و کمتر شناخته شده است. پایش و پیش‌بینی خشک‌سالی‌ها، به‌ویژه تعیین دقیق زمان شروع و تداوم آن و همچنین تحلیل ریسک خشک‌سالی، اهمیت ویژه‌ای در مدیریت منابع آبی، تعیین الگوی کشت مناسب و برنامه‌ریزی جهت کاهش اثرات مخرب خشک‌سالی دارد. هدف از این پژوهش، تحلیل دومتغیره شدت و مدت خشک‌سالی‌های هواشناسی هشت ایستگاه واقع در غرب و شمال غرب ایران با استفاده از توابع مفصل، شاخص ریسک خشک‌سالی و الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO) است. بدین منظور، برازش 10 تابع مختلف مفصل برای ایجاد توزیع توأم متغیرهای شدت و مدت خشک‌سالی مورد آزمون قرار گرفت. همچنین ریسک خشک‌سالی بر اساس شاخص-های برگشت‌پذیری، آسیب‌پذیری، اعتمادپذیری و شاخص ریسک خشک‌سالی مورد ارزیابی قرار گرفت. بکار بردن توابع مفصل متعدد، محاسبه ریسک خشکسالی بر اساس شاخص‌های آن، بکار بردن الگوریتم PSO جهت تعیین ضرایب بهینه شاخص‌ها و استفاده از شاخص SPImod برای استخراج مشخصه‌های خشک‌سالی از اهم نوآوری‌های این تحقیق است، که برای اولین بار صورت گرفته است. در این تحقیق، از توابع مفصل به‌منظور ایجاد توزیع توأم دومتغیره خشک‌سالی (شدت و مدت) در مناطق غرب و شمال غرب کشور استفاده شد. پس از محاسبه مقادیر شاخص بارش استاندارد شده اصلاحی (SPImod) در هر ایستگاه، متغیرهای شدت و مدت خشک‌سالی استخراج گردید. همچنین تابع مفصل برتر در هر ایستگاه پس از بررسی برازش 10 تابع مفصل مختلف بر اساس آماره‌های ارزیابی تعیین گردید. ریسک خشک‌سالی (DRI) بر اساس شاخص‌های برگشت‌پذیری، آسیب‌پذیری و اعتمادپذیری محاسبه شد. به‌منظور تعیین مقدار بهینه ریسک از الگوریتم PSO استفاده شد. در تحقیقات دیگری در سطح دنیا قبلا شاخص ریسک بر مبنای روش DRI و روش‌های دیگر ریسک محاسبه شده است، اما مبنای کار آنها الگوریتم PSO و شاخص SPImod نبوده است، همچنین در آن‌ها تعداد توابع مفصل کمتری بکار برده شده است. نتایج نشان داد در منطقه مورد مطالعه بین متغیرهای شدت و مدت خشک‌سالی هواشناسی همبستگی بالایی وجود دارد. سپس برازش چند خانواده از مفصل‌های دوبعدی به‌منظور ایجاد توزیع توأم مدت و شدت خشک‌سالی مورد آزمون قرار گرفت و مناسب‌ترین تابع مفصل بر اساس آماره‌های میانگین مربعات خطا و حداکثر لگاریتم درستنمائی (Maximum log-likelihood) برای هر ایستگاه انتخاب شد. پس از ایجاد توابع توزیع توأم مبتنی بر مفصل برتر در هر ایستگاه، برخی از خصوصیات احتمالاتی خشک‌سالی از قبیل احتمالات توأم، دوره‌های بازگشت دومتغیره، احتمالات شرطی و دوره‌های بازگشت شرطی محاسبه شد. همچنین مقادیر دوره بازگشت کندال محاسبه و با تعریف استاندارد دوره بازگشت توأم مقایسه شد. نتایج نشان داد که در یک سطح احتمال بحرانی معین، t، مقدار دوره بازگشت کندال بزرگ‌تر از دوره بازگشت استاندارد متناظر است و این تفاوت با افزایش مقدار t، افزایش می‌یابد. در ادامه جهت محاسبه مقدار ریسک خشک‌سالی، ابتدا مدت زمان خشک‌سالی برای هر ایستگاه با استفاده از شاخص SPImod استخراج گردید، سپس مقادیر شاخص‌های آسیب‌پذیری، اعتمادپذیری و برگشت‌پذیری محاسبه گردید و با استفاده از الگوریتم PSO مقادیر بهینه ضرایب w1، w2 و w3 برای ایستگاه‌های مورد مطالعه به ترتیب 08/0، 7/0 و 22/0 به دست آمد که به ازای ضرایب مذکور، شاخص ریسک هر ایستگاه کمینه می‌گردد. سپس مقدار بهینه شاخص ریسک خشکسالی که برای مقادیر وزن مذکور کمینه شده، برای هر ایستگاه محاسبه گردید. نتایج حاصل نشان داد که کمترین میزان ریسک مربوط به ایستگاه خرم‌آباد (برابر 565/0) و بیشترین آن مربوط به ایستگاه کرمانشاه (برابر با 617/)0 است.

Keywords:

تحلیل دومتغیره , خشکسالی هواشناسی , تابع مفصل , ریسک , الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO)