نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دکترای آب و هواشناسی دانشگاه یزد

2 استادیار گروه جغرافیا دانشگاه میبد

3 استادیار گروه جغرافیا طبیعی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد شیراز، ایران

10.22034/gp.2020.10856

چکیده

هدف از این پژوهش بررسی ساختار مقاطع مختلف زمانی بارش در ایستگاه همدید شیراز برای شناخت تغییرات و تعیین موقعیت فضایی ساختار بارش در بازه پایداری و ناپایداری، بوده است. در این راستا ساختار حاکم بر فراسنج آب و هوایی بارش در بازه زمانی 58 ساله (1956-2013) در مقاطع سه گانه زمانی مختلف (سه دوره 20 ساله) بارش روزانه با رویکرد فراکتالی مورد واکاوی و بررسی جداگانه قرار گرفت. برای انجام این پژوهش پس از هم مرجع سازی ریاضی فراسنج بارش با اعمال ساختار مثلثاتی فراکتالی بر روی داده­های بدست آمده به مقایسه نتایج حاصله با هندسه کلاسیک فراکتالی پرداخته شد. بر اساس یافته­های این پژوهش، در مقطع زمانی نخست از 1 ژانویه سال 1956 تا 7065 روز پس از آن با اعمال ساختارهای جبری فراکتالی، نشان داد که این مقطع زمانی از منطق فراکتالی پیروی نمی­نماید. همچنین در مقطع زمانی دوم نیز همانند بازه نخست ساختار بارش از منطق فراکتالی پیروی نمی­کند. به بیان دیگر منطق حاکم بر ساختار فراسنج بارش در مقاطع زمانی نخست و دوم از حالت تعادل به ناتعادلی است. اما برخلاف دو بازه زمانی گذشته، در بازه زمانی سوم، از منطق فراکتالی پیروی می­نماید، که این یافته بیانگر گذار دینامیک این مقطع زمانی از حالت ناتعادلی به عدم تعادل می­باشد؛ بنابراین با توجه به سه بازه زمانی دینامیک تعادلی ساختار بارش روزانه از آشوب به سمت فراکتال میل می­ کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Detection of Daily Precipitation Structure in Shiraz Synoptic Station

نویسندگان [English]

  • mahdi narangifard 1
  • mehran fatemi 2
  • abdolali kamaneh 3
  • mohammad sadegh talebi 2

1 yazduniversity

2 Assistant Professor, University of Maybod

3 Assistant Prof. Physical Geography, Islamic Azad University of Shiraz, Shiraz, Iran

چکیده [English]

Introduction
Recently, issues raised by changes in precipitation, especially problems brought about by floods and droughts, along with the environmental effects of diminished rainfall, have underscored the importance of precipitation studies at different temporal and spatial scales. Due to the pervasive impact of precipitation parameter in various urban, industrial and agricultural fields with respect to water supply, the identification of fluctuations, changes and precipitation structure is of particular importance, especially in arid and semi-arid regions. The similarity feature in climatic variables allows the use of fractal geometry and analysis of temporal and spatial changes. Accordingly, the use of fractal geometry in predicting the behavior of many natural processes, including precipitation in different regions, has a special place. The goal of this study is to investigate the structure of different time periods of precipitation in Shiraz synoptic stations to explore changes and determine the spatial position of precipitation in the stability and instability period.
 
 Methodology
In this study, daily precipitation data was received over a period of 58 years (1956-2013) from the Meteorological Organization of Fars Province to investigate the structure governing precipitation parameter. Then, statistical deficiencies were corrected by restructuring using difference ratio and linear regression. The methodology and algebraic logic of calculations in this study are such that in the first step, research parameters are arranged from minimum to maximum in an ascending order. Then, based on the triangular threshold coordinates(2Π), the minimum and maximum were extracted based on linear structures of the desired criteria and algebraic mathematical reference was conducted using Relation (1).
Relation (1)  F (x) =   
Then, in order to apply the fractal structure by applying the criterion for mathematical reference using Relation (2), the real structure of the desired meteorological parameters was obtained.
Relation (2) Y = m2 × sin (1/m)                     
Finally, by overlapping the output charts of the actual structures and the classical structure of the fractal (Figure 2) in the algebraic ranges of -0.4 to +0.4, the algebraic process of each climatic parameter was evaluated separately.
 Results and discussion
In this study, based on the results, in addition to the daily analysis of the governing structure of precipitation over a 58-year period (1956-2012), which covered 21185 days, the governing structure along with the analysis of equilibrium dynamics of structures and its functions in three time periods (three 20-year periods) of different daily precipitation were also examined separately.
The first period began in January 1, 1956 and lasted for 7065 days. The relevant calculations were performed on the data derived from the first period, which based on the findings of this study, precipitation in Shiraz''s synoptic stations do not follow the fractal logic in the first period by applying fractal algebraic structures,
Also, in the second period, similar to the first one, the precipitation structure does not comply with a particular fractal logic. In other words, the logic governing precipitation parameter during the first and second periods changes from equilibrium to non-equilibrium. However, unlike the previous two periods, the fractal logic is followed in the third period.
 Conclusion
The self-similarity feature in climatic variables allows the use of fractal dimension and analysis of temporal and spatial changes. Accordingly, the use of fractal geometry in predicting the behavior of many natural processes, including precipitation in different regions, has a special place. The goal of this study was to investigate the structure of different periods of precipitation in Shiraz synoptic station to identify changes and determine the spatial position of precipitation structure in the period of stability and instability. The behavior of meteorological parameters in various parts of the world is a function that never follows uniform algebraic structure. Therefore, the analysis of complex systems and changes in nonlinear climate parameters using chaotic, fractal and fuzzy concepts offers a suitable way to understand the equilibrium state and dynamic analyses of climate fractal changes. The results indicate the dynamic transition of this time period from non-equilibrium to equilibrium. Therefore, according to the three time periods, the equilibrium dynamics of the daily precipitation structure approaches fractal structure.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Shiraz
  • Chaos theory
  • Balance
  • Precipitation
-احمدی، محمود و مهدی نارنگی­فرد (1394)، «آشکارسازی تغییرات کاربری و بررسی تاثیر آن بر دامنه­های دمایی در منطقه یک شهر شیراز»، علوم محیطی، دوره 13، شماره 2، صص111-120.
-احمدی، محمود؛ عاشورلو، داوود و مهدی نارنگی­فرد (1391)، «تغییرات زمانی- مکانی الگوهای حرارتی و کاربری شهر شیراز با استفاده از داده­های سنجنده ETM+ & TM»، سنجش از دور و GIS ایران، سال چهارم، شماره 4،  55-68.
-احمدی، محمود؛ نارنگی‌فرد، مهدی و مهدی محمودآبادی (1393)، «پایش تغییرات کاربری در شهر شیراز با استفاده از تصاویر ماهواره­ای، دوازدهمین کنگره جغرافیدانان ایران»، نجف­آباد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف­آباد.
-اعلمی، محمدتقی و لیلا ملکانی (1392)، «بازسازی فضای حالت و بعد فرکتالی جریان رودخانه با استفاده از زمان تأخیر و بعد محاط»، نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، سال 43، شماره 1، صص 15-21.
-امیدوار، کمال و معصومه نبوی زاده (1393). «پیش­بینی بارش روزانه استان کرمان با شبکه عصبی مصنوعی (مطالعه موردی: کرمان، بافت و میانده جیرفت)»،  جغرافیا و توسعه ناحیه­ای، سال 12 ،شماره 23، صص 214-197.
-انیس حسینی، مسعود و محمد ذاکرمشفق (1392)، «تحلیل و پیشبینی جریان رودخانه کشکان با استفاده از نظریه آشوب»، مجله هیدرولیک، دوره 8، شماره 3، صص 45-61.
-جانی، رسول؛ قربانی، محمدعلی و ابوالفضل شمسایی (1394)، «تحلیل بارش ماهانه بندرانزلی با استفاده از نظریه آشوب در شرایط تغییر اقلیم»، پژوهش آب ایران، دوره ۹، شماره 1، صص 29-39.
-خوش روی، مجتبی؛ میرناصری، محمد؛ پسرکلو، مهسا (1396). «آشکار سازی روند تغییرات بارش شمال کشور با استفاده از آزمون غیرپارامتری من-کندال»، پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز، سال هشتم، شماره 16، ص 223-231.
-روستا، زهرا؛ منوری، مسعود؛ درویشی، مهدی و فاطمه فلاحتی (1391)، «کاربرد داده­های -سنجش از دور RS و سیستم اطلاعات جغرافیایی GIS در استخراج نقشه­های کاربری اراضی شهر شیراز»، آمایش سرزمین، سال چهارم، شماره 6، صص 149-164.
-روستا، زهرا؛ منوری، مسعود؛ درویشی، مهدی؛ فلاحتی، فاطمه و مریم مروتی (1392)، «ارزیابی روند توسعه فیزیکی شهر شیراز و تأثیر شرایط فیزیوگرافیک بر روی روند تغییرات کاربری اراضی»، جغرافیا و برنامه­ریزی محیطی، سال بیست و چهارم، شماره 49، صص 183-200.
-سپهر، عادل؛ خسروی، عذرا و زهرا عبدالله‌زاده (1395)، «رفتار فرکتالی و ارتباط آن با خصوصیات هیدرومورفومتری حوضه‌های آبریز دامنه‌ی شمالی بینالود»، هیدروژئومورفولوژی، دوره 3، شماره 9، صص 1-20.
-فرزین، سعید؛ شیخ الاسلامی، سیدرضی و یوسف حسن­زاده (1390)، «تحلیل آشوب پذیری سری زمانی با استفاده از ترسیم فضای فاز و روش بعد همبستگی مطالعه موردی بارش ماهانه در دریاچه ارومیه»، چهارمین کنفرانس مدیریت منابع آب ایران، تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر.
-قهرودی تالی، منیژه و خه­بات درفشی (1394)، «بررسی آشفتگی در الگوی خطر سیلاب در تهران»، تحلیل فضایی مخاطرات محیطی، سال ۲ ، شماره ۲، صص ۱-۱۶.
-عساکره، حسین؛ موحدی، سعید؛ سبزی پرور، علی اکبر؛ مسعودیان، ابوالفضل و زهره مریانجی (1393).  «اقلیم شناسی بارش ایران با استفاده از تحلیل هم سازها»، تحقیقات جغرافیایی، سال 29، شماره 4، صص 26-15.
-محمدی، بختیار؛ قلی زاده، محمدحسین، شریفه زارعی (1393). «شناخت الگوهای همدید بارش­های یکروزه در استان کردستان»، تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، سال چهاردهم، شماره 35، صص 27-7.
-مزیدی احمد و مهدی نارنگی­فرد (1395)، «ارزیابی پیامد تغییرات کیفیت پوشش گیاهی بر دامنه‌های دمایی در منطقه یک شهر شیراز»، فضای جغرافیایی، سال 16، شماره 54، صص 201-220.
-مزیدی احمد، کمانه؛ عبدالعلی، نارنگی­فرد، مهدی و رضا ابراهیمی (1395)، «واکاوی ساختار تعادلی آینده فراسنج دما در حوضه آبخیز دریاچه­های طشک، بختگان و مهارلو با استفاده از مدل EH5OM»، فصلنامه علمی پژوهشی اکوبیولوژی تالاب، سال هشتم، شماره 30، صص 62-45.
 -مسعودیان، ابوالفضل (1388). «نواحی بارشی ایران»، جغرافیا و توسعه، شماره 13،  صص 91-79.
-نارنگی­فرد، مهدی (1391)، «تحلیلفضاییدمایشهرشیرازبراساستصاویرماهواره­ایدر دورهگرموسردسالومقایسهباکاربری­های شهریطیدورهآماری (1997-2007)»، پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشکده علوم زمین دانشگاه شهید بهشتی تهران، استاد راهنما: محمود احمدی، استاد مشاور: داود عاشورلو، صفحه 150.
-نوری قیداری، محمدحسین (1391)، «برآورد رگبار طرح با استفاده از تئوری مالتی فرکتال در ایستگاه سد گتوند»، دانش آب و خاک، دوره 22، شماره 1، صص 145-154.
-Damle, C., & Yalcin, A. (2007). “Flood prediction using time series data mining”. Journal of Hydrology, 333(2), 305-316.
-Dehghan, S., Kamaneh, S. A. A., Eslamian, S., Gandomkar, A., Marani-Barzani, M., Amoushahi-Khouzani, M., & Ostad-Ali-Askari, K. (2017). “Changes in Temperature and Precipitation with the Analysis of Geomorphic Basin Chaos in Shiraz”, Iran. International Journal of Constructive Research in Civil Engineering (IJCRCE), 3(2), 50-57.
-Dhanya, C. T., & Kumar, D. N. (2010). “Nonlinear ensemble prediction of chaotic daily rainfall”. Advances in Water resources, 33(3), 327-347.
-Jayawardena, A. W., & Lai, F. (1994). “Analysis and prediction of chaos in rainfall and stream flow time series”. Journal of Hydrology, 153(1), 23-52.
-Jothiprakash, V., & Fathima, T. A. (2013). “Chaotic analysis of daily rainfall series in Koyna reservoir catchment area”, India. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 27(6), 1371-1381.
-Khatibi, R., Sivakumar, B., Ghorbani, M. A., Kisi, O., Koçak, K., & Zadeh, D. F. (2012). “Investigating chaos in river stage and discharge time series”. Journal of Hydrology, 414, 108-117.
-Kocak K., Saylan L. & Sen O., )2000). “Nonlinear time series prediction of O3 concentration in Istanbul”. Atmospheric Environment, 34, 1267-1271.
-Sivakumar B., (2000). “Chaos theory in hydrology: Important issues and interpretations”. Journal of Hydrology, 227, 1-20
-Sivakumar, B., & Jayawardena, A. W. (2002). “An investigation of the presence of low-dimensional chaotic behavior in the sediment transport phenomenon”. Hydrological Sciences Journal, 47(3), 405-416.
-Wu, J., Lu, J., & Wang, J. (2009). “Application of chaos and fractal models to water quality time series prediction”. Environmental Modelling & Software, 24(5), 632-636.
-Zounemat-Kermani, M., & Kisi, O. (2015). “Time series analysis on marine wind-wave characteristics using chaos theory”. Ocean Engineering, 100, 46-53.