باران سنجی در ایران و تحول های نوین؛

بارش، اصلی‌ترین مولفه­‌ی چرخه­‌ی آبشناسی، منبع اصلی آب شیرین و حیاتی‌ترین ماده روی زمین است. بارش و رواناب حاصل از آن می‌تواند زندگی بخش یا مخرب باشد. اکثر رشته‌های علمی از جمله هواشناسی، هیدرولوژی، هیدروژئولوژی، مدل‌سازی محیط زیست، تغییرات آب و هوایی، پیش بینی و مدیریت سیل و خشکسالی و طراحی سازه‌های آبی به آمار دراز مدت بارش نیازمند است. معمول‌ترین راه اندازه‌گیری بارش، باران سنج‌ها می‌باشد که هرچند باران را بطور مستقیم اندازه‌گیری می‌کنند اما محدودیت‌های اساسی دارند، از جمله نقطه‌ای بودن اندازه‌گیری‌ها، تعداد محدود آنها، عدم پراکندگی مناسب، عدم وجود در مناطق کوهستانی، دریاها و اقیانوس‌ها و وجود گپ در دوره‌های آماربرداری آنها به دلیل عدم حضور مسئول ثبت، کمبود یا نبود بودجه و یا خراب شدن دستگاه. رادارها ابزار زمینی دیگری برای اندازه‌گیری بارش می‌باشد. اما به علت محدودیت‌های مانند نبود تکنولوژی فراگیر، هزینه‌های بالای نصب و نگهداری و محبوس شدن امواجشان در مناطق کوهستانی استفاده از آن‌ها در سطح جهان بسیار محدود است. از آنجایی که ماهواره‌ها به عنوان ابزاری غیر زمینی ، مناطق وسیع‌تری را پوشش می‌دهند توانسته‌اند به نحو احسنت محدودیت‌های موجود در باران سنج‌ها و رادارها را مرتفع نمایند. استفاده از سنجنده‌های مختلف در انواع ماهواره‌های موجود در مدارهای مختلف نه تنها باعث بهبود دقت مکانی و زمانی تخمین بارش توسط ماهواره‌ها شده است، بلکه باعث توسعه الگوریتم‌های متعددی برای تخمین بارش ماهواره محور شده است. از میان این الگوریتم‌ها سه عضو خانواده  PERSIANN که در این پژوهش استفاده شده و در سال‌های اخیر از اقبال خوبی برخوردار شده است به عنوان باران‌سنجی نوین معرفی و کارایی و دقت آنها در برآورد بارش ارزیابی شده است.

 ایران علی‌رغم واقع بودن در منطقه‌ای نیمه خشک و خشک کره زمین، از آب و هوای بسیار متنوعی برخوردار است. در نتیجه، میزان آب دسترس در مناطق مختلف کشور در هاله‌ای از ابهام است. برای رفع این ابهام، ابتدا با تجزیه و تحلیل 35 سال آمار بارش روزانه (1983-2019) در 461 ایستگاه باران‌سنجی، تنوع مکانی و زمانی بارش را در کشور بررسی و مناطق بارشی همگن در مقیاس کلان (Macro)، متوسط (Meso) و خرد (Micro) تعیین گردید. در این راستا از روش‌های آماری خوشه‌بندی سلسله مراتبی و غیر مراتبی (hierarchical and non-hierarchical clustering) خوشه‌بندی k-mean و آنالیز مولفه‌های اصلی (Principal component analysis) استفاده شده است.

  ابتدا کشور به شش منطقه کلان (Macro-region) بارشی تقسیم گردید. الگوی و توزیع بارش سالانه (12 ماه سال) در هر منطقه منحصر به فرد و متفاوت از هم  می‌باشد، که شکل‌گیری آنها توسط توده‌های رطوبتی می‌باشد که طی سال وارد کشور می‌شود. سپس، این شش منطقه به 10 زون با وضوح meso تفکیک شدند. شکل‌گیری چهار منطقه جدید ناشی از تلاقی توده هوای مدیترانه‌ای و سودانی تشخیص داده شد. سرانجام، هریک از 10 زون به 24 ریز-زون (micro-zone) تقسیم گردید و یک نقشه بارشی جامع برای کشور تهیه گردید. این نقشه و بارانگار هر زون، عمق و حجم بارش ماهانه و سالانه در هر ریز-زون را با دقت بالایی نشان می‌دهد و به عنوان ماخذی مورد اعتماد برای تشخیص خشکسالی و ترسالی و میزان بارش مورد انتظار در هر ماه از سال قابل استناد و استفاده می‌باشد. به کمک این نقشه حجم بارش سالانه ایران معادل 406 میلیارد متر مکعب محاسبه گردید.

 در بخش بعدی این مقاله، سه الگوریتم خانواده PERSIANN برای تعیین دقت و کارایی آنها در برآورد بارش در سه ریز-زون که استان فارس را پوشش می‌دهد بکار گرفته شد. نتایج نشان داد که هر سه الگوریتم بارش ماهانه، فصلی و سالانه را در طی دوره آماری 35 ساله کمتر از بارش اندازه‌گیری شده توسط باران‌سنج‌ها برآورد می‌کنند. اما الگوریتم PERSIANN-CDR از دقت بالاتری برخوردار است. نهایتا به کمک روش‌های آماری و شبکه‌های عصبی مصنوعی، مدل‌های ریاضی جهت تصحیح آمار بارش ماهواره‌ای PERSIANN-CDR طراحی شد. مدل‌های طراحی شده آمار بارش در مناطق فاقد آمار دراستان پیش‌بینی را پیش‌بینی می‌کند و گپ‌های آماری سری زمانی بارش در ایستگاه‌های باران‌سنجی را ترمیم می‌کند.  

*دکتر نوذر سامانی عضو وابسته شاخه زمین شناسی فرهنگستان علوم ایران و استاد دانشگاه شیراز