تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی

تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی

واکاوی تغییرات زمانی و مکانی دمای بیشینه ایران با استفاده از داده‌های ERA5

نویسندگان
دانشگاه اصفهان
چکیده
گرمایش جهانی یکی از چالش‌برانگیزترین پدیده‌های اقلیمی عصر حاضر است که با افزایش میانگین دمای آب‌ها و خشکی‌های زمین طی چند دهه‌ گذشته همراه بوده است در این پژوهش، به تحلیل جامع تغییرات زمانی و مکانی دمای بیشینه ایران طی چهار دهه گذشته با بهره‌گیری از داده‌های بازکاوی ERA5 پرداخته شده است. در این پژوهش، داده‌های دمای بیشینه روزانه از فرآورده‌های ERA5 در قالب فایل‌های HDF5 استخراج و با استفاده از زبان پایتون پردازش شدند. برای تحلیل داده‌ها، از روش تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA) به‌منظور کاهش ابعاد و از روش خوشه‌بندی وارد برای تعیین نواحی همگن اقلیمی بر اساس شباهت عناصر آب‌وهوایی استفاده شد.میانگین بلندمدت دمای بیشینه کشور در این بازه زمانی 2/24 درجه سلسیوس برآورد شد و دامنه تغییرات آن از 4/0-تا 7/53 درجه سلسیوس نوسان داشته است. نتایج حاصل از هموارسازی سری زمانی داده‌ها، وقوع یک جهش دمایی معنادار در حدود سال ۱۳۷۷ را نشان داد که منجر به افزایش میانگین دمای بیشینه از ۲۳ به ۲۵ درجه سلسیوس شد. در بعد مکانی، دمای بیشینه به‌طور مستقیم تحت تأثیر ناهمواری، ارتفاع و عرض جغرافیایی قرار داشته و مناطق جنوبی و جنوب‌شرقی گرم‌ترین، و نواحی مرتفع غرب، شمال و شمال‌شرق کشور خنک‌ترین نقاط شناسایی شدند. نتایج تحلیل مؤلفه‌های اصلی نشان داد که دو مؤلفه نخست در ابعاد مکانی و زمانی، به ترتیب بیش از ۷۸٪ و ۹۳٪ از واریانس داده‌ها را تبیین می‌کنند و بر وجود الگوهای منسجم و قابل تفسیر اقلیمی دلالت دارند. همچنین، در تحلیل خوشه‌بندی وارد داده‌ها درپنج خوشه مجزا، تنوع رفتار زمانی دمای بیشینه را در سطح کشور بازتاب داد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Analysis of Temporal and Spatial Variations of Maximum Temperature in Iran Using ERA5 Data

نویسندگان English

farahnaz khoramabadi
Seyyed Abolfazl Masoudian
Mohammad Sadeq Keykhosravi Kiani
University of Isfahan
چکیده English

Global warming is one of the most challenging climatic phenomena of the current era, accompanied by a rise in the average temperature of the Earth's oceans and land over the past few decades. This study provides a comprehensive analysis of the temporal and spatial changes in Iran's maximum temperature over the last four decades, using ERA5 reanalysis data.

Daily maximum temperature data was extracted from ERA5 products in HDF5 file format and processed using the Python programming language. For data analysis, Principal Component Analysis (PCA) was used for dimensionality reduction, and Ward's clustering method was employed to determine homogeneous climatic regions based on the similarity of weather elements. The long-term mean maximum temperature for the country during this period was estimated at 24.2∘C, with a range of variation from −0.4∘C to 53.7∘C. The results from smoothing the data's time series showed a significant temperature jump around the year 1998, which led to an increase in the mean maximum temperature from 23∘C to 25∘C. In the spatial dimension, the maximum temperature was directly influenced by topography, altitude, and latitude. The southern and southeastern regions were identified as the warmest, while the high-altitude areas of the west, north, and northeast were the coolest. The results of the PCA showed that the first two components explained more than 78% of the spatial variance and 93% of the temporal variance, respectively. This indicates the existence of consistent and interpretable climatic patterns. Additionally, the Ward's clustering analysis, which divided the data into five distinct clusters, reflected the diversity of temporal behavior of the maximum temperature across the country.

کلیدواژه‌ها English

Iran's maximum temperature
ERA5
PCA
Ward's clustering
13. Rosli, M. A. M., & Ash’aari, Z. H. (2023, May). Analysis of trends in extreme temperature indices over selected areas in Peninsular Malaysia from 1991-2020. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 1167, No. 1, p. 012008). IOP Publishing
14. Gubler, S., Fukutome, S., & Scherrer, S. C. (2023). On the statistical distribution of temperature and the classification of extreme events considering season and climate change—an application in Switzerland. Theoretical and Applied Climatology, 1-19.‌
15. . Hasan, H., Radi, N. A., & Kassim, S. (2012, July). Modeling of extreme temperature using generalized extreme value (GEV) distribution: A case study of Penang. In Proceedings of the world congress on engineering (Vol. 1, pp. 181-186).
16. Sheridan, S. C., & Allen, M. J. (2015). Changes in the frequency and intensity of extreme temperature events and human health concerns. Curr Clim Change Rep 1: 155–162.‌
17. Guirguis, K., Gershunov, A., Cayan, D. R., & Pierce, D. W. (2018). Heat wave probability in the changing climate of the Southwest US. Climate Dynamics, 50, 3853-3864.‌
18. Easterling, D. R., Horton, B., Jones, P. D., Peterson, T. C., Karl, T. R., Parker, D. E., ... & Folland, C. K. (1997). Maximum and minimum temperature trends for the globe. Science, 277(5324), 364-367.
19. Asadnabizadeh, M. (2020). Status of Impacts of Extreme Climate Events. The International Journal of Climate Change: Impacts and Responses, 13(1), 1.‌
20. Rosli, M. A. M., & Ash’aari, Z. H. (2023, May). Analysis of trends in extreme temperature indices over selected areas in Peninsular Malaysia from 1991-2020. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 1167, No. 1, p. 012008). IOP Publishing.‌
21. Al-Ataby, I. K., & Al-Tmimi, A. I. (2020). Estimate the probability density function of maximum temperature for the Middle East. Przegląd Naukowy. Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 29(4 [90]).‌
22. Diba, I., Diedhiou, A., Famien, A. M., Camara, M., & Fotso-Nguemo, T. C. (2022). Changes in compound extremes of rainfall and temperature over West Africa using CMIP5 simulations. Environmental Research Communications, 4(10), 105003.‌
23. González‐Hidalgo, J. C., Beguería, S., Peña‐Angulo, D., & Sandonis, L. (2022). Variability of maximum and minimum monthly mean air temperatures over mainland Spain and their relationship with low‐variability atmospheric patterns for period 1916–2015. International Journal of Climatology, 42(3), 1723-1741
24. Md. Rejaur Rahman, M. R. R., & Habibah Lateh, H. L. (2017). Climate change in Bangladesh: a spatio-temporal analysis and simulation of recent temperature and rainfall data using GIS and time series analysis model
25. Kadkhoda, E., Omidvar, K., Zarrin, A., & Mazidi, A. (2023). Seasonal analysis and trend of heat stress in Iran using ERA5 data. Journal of the Earth and Space Physics, Articles in Press, Accepted (in Persian).‌
26. Zhao, P., He, Z., Ma, D., & Wang, W. (2023). Evaluation of ERA5-Land reanalysis datasets for extreme temperatures in the Qilian Mountains of China. Frontiers in Ecology and Evolution, 11, 1135895
27. Avila-Vera, M., Rangel-Blanco, L., & Picazzo-Palencia, E. (2020). Application of principal component analysis as a technique to obtain a social vulnerability index for the design of public policies in Mexico. Open Journal of Social Sciences, 8(9), 130-145.‌
28. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Ca
29. mbridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 1513–1766, doi:10.1017/9781009157896.013