دانشگاه ایلام مدیریت جامع حوزه های آبخیز 2783-4581 4 1 2024 03 20 Performance Evaluation of Two General Circulation Models for Downscaling Average Temperature in Birjand County بررسی عملکرد دو مدل گردش عمومی جو-اقیانوس در ریزمقیاس‌سازی دمای متوسط در شهرستان بیرجند 30 45 710030 10.22034/iwm.2024.2013786.1109 FA محمد فولادی نصرآباد گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران مهدی امیرآبادی زاده گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران مهدی دستورانی گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران 0000-0001-7718-9604 Journal Article 2023 10 17 Extended abstract Introduction: Climate change has a significant impact on water resources and the environment, which is reflected in agriculture, society, and economy. The use of General Circulation Models (GCMs) with downscaling models is a method for assessing climate change. Considering the placement of South Khorasan Province and the city of Birjand in the arid region of Iran, population growth, industrial and mining development, and the pursuit of sustainable agriculture, it is essential to assess the effects of climate change on essential meteorological parameters. The objective of this study is to compare the performance of historical models NCEP and ECMWF in downscaling temperature parameters for the Birjand County and investigate the changes in this parameter until 2030 using the top model and the SSP245 scenario with the CanESM5 model. Materials and Methods: In this research, to compare the performance of two GCMs, NCEP and ECMWF, in downscaling temperature parameters, daily temperature data from the Birjand synoptic station for the period from 1990 to 2021 were used as the baseline period. Additionally, to evaluate the performance of these two GCMs, the statistical downscaling model SDSM was utilized. To assess the performance of these two models, evaluation criteria such as NS, KGE, RMSE, and BR2 were employed. Results and Discussion: To investigate and compare the performance of two GCMs, NCEP and ECMWF, daily average temperature data from the Birjand synoptic station were used from the January 1990 to the September 2021. The data from 1990 to the January 2008 were considered for calibration, and data from the January 2008 to the September 2015 were used for validation. Both NCEP and ECMWF models had 26 parameters, and for downscaling, the parameters with the highest correlation with observed temperature were selected among these 26 parameters using the R software and the HydroGof package. Additionally, evaluation criteria such as NS, RMSE, KGE, and BR2 were used to assess the models' performance in calibration and validation sections. The closeness of variance and mean values of time series generated by the NCEP and ECMWF models to the variance and mean values of observed time series in the entire simulation period was examined using F and T tests. The results of the calibration section showed that the two models, NCEP and ECMWF, exhibited similar performance since the values of evaluation criteria NS, RMSE, KGE, and BR2 for the ECMWF model were calculated as 0.69, 4.86, 0.85, and 0.7, respectively, and for the NCEP model, they were 0.70, 4.79, 0.85, and 0.7, respectively. Since box plots, mean values, and standard deviations have a high capability in deciding the degree of dispersion and similarity between two time series, box plots, mean values, and standard deviations of the generated time series and observed time series in the calibration and validation periods were used to assess the similarity and closeness of the time series. The results of the evaluation criteria in the validation section showed that the ECMWF model outperformed the NCEP model, with values of evaluation criteria NS, RMSE, KGE, and BR2 for the ECMWF model being calculated as 0.69, 4.9, 0.85, and 0.73, respectively, and for the NCEP model, 0.67, 5.3, 0.83, and 0.7, respectively. Overall, the results indicated that the ECMWF model had a better performance and was selected as the superior model. Therefore, to simulate and predict the average temperature parameter, the parameters mslp, P500, P5-f, P5-u, P850, and P8-u from the ECMWF model were used. Consequently, it is predicted that the average temperature will increase by approximately 3 degrees Celsius compared to the statistical baseline period in the next 8 years. Conclusion: The results indicate that based on the evaluation criteria, the ECMWF model performs relatively better in estimating the average temperature of Birjand County compared to the NCEP model. Moreover, the analysis of box plots, mean values, and standard deviations of the generated time series in the calibration and validation sections showed that both models produced similar patterns of dispersion, minimum, maximum, and mean values compared to the observed time series. However, the ECMWF model exhibited relatively better performance in terms of mean and variance values of the generated data on a monthly basis in the calibration and validation periods. As a result, the ECMWF model was selected as the superior model for simulating and predicting the average temperature of Birjand County for the years 2022 to 2030 under the SSP245 emission scenario using the CanESM5 model. The predicted results indicate that the average temperature of Birjand County is expected to increase by approximately 3 degrees Celsius compared to the statistical baseline period. چکیده مبسوط مقدمه: تغییر اقلیم تأثیر بسزایی بر منابع آب و محیط‌زیست دارد که در کشاورزی، جامعه و اقتصاد منعکس می‌شود. استفاده از مدل گردش عمومی (GCM) با مدل‌های کاهش مقیاس آماری، روشی برای ارزیابی تغییرات اقلیمی است. با توجه به قرار گرفتن استان خراسان جنوبی و شهرستان بیرجند در منطقه خشک ایران، رشد جمعیت، توسعه صنعتی و معدنی و رسیدن به کشاورزی پایدار، ارزیابی اثرات تغییر اقلیم بر پارامترهای هواشناسی ضروری به نظر می‌رسید. هدف از این مطالعه مقایسه عملکرد مدل‌های تاریخی NCEP و ECMWF در ریزمقیاس نمایی پارامتر دما شهرستان بیرجند و بررسی تغییرات این پارامتر تا سال 2030 با استفاده از مدل برتر و سناریو SSP245 مدل CanESM5 است. موارد و روش‌ها: در این پژوهش به‌منظور مقایسه عملکرد دو مدل گردش عمومی NCEP و ECMWF در ریزمقیاس سازی پارامتر دما، از اطلاعات دمای روزانه ایستگاه سینوپتیک بیرجند در بازه زمانی سال‌های 1990 تا 2021 به‌عنوان دوره پایه استفاده شد. همچنین به‌منظور بررسی عملکرد این مدل‌ها از مدل ریزمقیاس نمایی آماری SDSM و به‌منظور ارزیابی عملکرد این دو مدل از معیارهای ارزیابی NS، KGE، RMSE و BR2 استفاده شد. نتایج و بحث: به‌منظور بررسی و مقایسه عملکرد دو مدل گردش عمومی NCEP و ECMWF از داده‌های روزانه دمای متوسط، از روز اول ماه ژانویه سال 1990 تا پایان ماه سپتامبر سال 2021 ایستگاه سینوپتیک شهرستان بیرجند استفاده شد. به‌طوری‌که از داده‌های سال 1990 تا روز اول از ماه ژانویه سال 2008 به‌عنوان بخش واسنجی و از روز اول ماه ژانویه سال 2008 تا پایان ماه سپتامبر سال 2015 به‌عنوان بخش اعتبارسنجی در نظرگرفته شد. دو مدل NCEP و ECMWF دارای 26 پارامتر بوده که به‌منظور انجام ریزمقیاس سازی ابتدا میزان همبستگی هریک از پارامترها با پارامتر دمای مشاهداتی در محیط نرم‌افزار R و با استفاده از پکیج HydroGof کدنویسی و محاسبه و پارامترهایی که بیشترین همبستگی را با پارامتر دما داشته‌اند، از میان 26 پارامتر استخراج گردید. همچنین به‌منظور ارزیابی عملکرد مدل‌ها از معیارهای NS، RMSE، KGE و BR2 در بخش‌های واسنجی و اعتبارسنجی استفاده شد. برای بررسی نزدیکی مقدار واریانس و میانگین سری‌های زمانی تولیدشده توسط دو مدل و سری زمانی مشاهداتی درکل بازه شبیه‌سازی به ترتیب از آزمون‌های F و T استفاده و فرض صفر در این آزمون‌ها به ترتیب نزدیکی مقادیر واریانس و میانگین سری‌های زمانی تولیدشده توسط دو مدل NCEP و ECMWF به واریانس و میانگین سری زمانی مشاهداتی در نظر گرفته شد. نتایج بخش واسنجی نشان داد که هر دو مدل عملکرد مشابهی از خود نشان داده‌اند به چراکه مقادیر معیارهای ارزیابی NS، RMSE، KGE و BR2 در مدل ECMWF به ترتیب 69/0، 86/4، 85/0، 7/0 و در مدل NCEP به ترتیب 7/0، 79/4، 85/0 و 7/0 محاسبه شده است. ازآنجایی‌که نمودار جعبه‌ای، مقدار میانگین و انحراف معیار در تصمیم‌گیری در خصوص میزان نزدیکی و شباهت دو سری زمانی قابلیت بالایی دارند، به‌منظور بررسی شباهت و نزدیکی سری‌های زمانی تولیدشده توسط دو مدل‌ها با مقادیر مشاهداتی در دوره واسنجی و اعتبارسنجی از مقایسه نمودارهای جعبه‌ای، مقادیر میانگین و انحراف از معیار سری‌های زمانی تولیدشده و سری زمانی مشاهداتی استفاده شد. نتایج محاسبه معیارهای ارزیابی در بخش صحت سنجی نشان داد که مدل ECMWF عملکرد بهتری نسبت به مدل NCEP در بخش اعتبارسنجی داشته است، چراکه مقادیر معیارهای ارزیابی NS، RMSE، KGE و BR2 در مدل ECMWF به ترتیب 69/0، 9/4، 85/0، 73/0 و در مدل NCEP به ترتیب 67/0، 3/5، 83/0 و 7/0 محاسبه‌شده است. درمجموع با نتایج نشان داد که مدل ECMWF عملکرد بهتری داشته و به‌عنوان مدل برتر انتخاب می‌گردد. درنتیجه به‌منظور شبیه‌سازی و پیش‌بینی مقدار دمای متوسط از پارامترهای mslp، P500، P5-f، P5-u، P850 و P8-u مدل ECMWF استفاده گردید؛ بنابراین پیش‌بینی می‌شود میزان متوسط دما در بازه 8 سال آینده، افزایش حدوداً 3 درجه‌ای نسبت به متوسط دوره پایه آماری داشته باشد. نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد با توجه به معیارهای ارزیابی NS، RMSE، KGE و BR2، مدل ECMWF نسبت به مدل NCEP در برآورد مقدار دمای متوسط شهرستان بیرجند نسبتاً عملکرد بهتری دارد. همچنین بررسی نمودارهای جعبه‌ای، مقدار میانگین و انحراف از معیار سری‌های زمانی تولیدشده توسط دو مدل در بخش واسنجی و اعتبارسنجی نشان داد که هر دو مدل ازنظر میزان پراکندگی، مقدار کمینه و بیشینه و میانگین داده‌های تولیدی مقادیر مشابهی نسبت به سری زمانی مشاهداتی تولید کرده‌اند و ازنظر مقدار میانگین و واریانس داده‌های تولیدشده در هرماه در بازه واسنجی و اعتبارسنجی، مدل ECMWF عملکرد نسبتاً بهتری را از خود ارائه داد. بنابراین مدل ECMW به‌عنوان مدل برتر انتخاب و شبیه‌سازی دمای متوسط شهرستان بیرجند در بازه سال‌های 2022 تا 2030 با استفاده از این مدل و تحت سناریو انتشار SSP245 مدل CanEcm5 انجام شد. نتایج پیش‌بینی نشان داد که دمای متوسط شهرستان بیرجند افزایش حدوداً 3 درجه‌ای نسبت به متوسط دوره پایه آماری دارد.

https://iwm.ilam.ac.ir/article_710030_7cc70000786e8c6decef336e79be2298.pdf