فیزیک زمین و فضا

فیزیک زمین و فضا

تحلیل خطاهای سیستماتیک مدل‌های NEX-GDDP و بهبود کارایی آنها با مدل همادی وزنی نمایی (Exp-Ensemble) برای بازتولید بارش در ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
گروه جغرافیا، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.
چکیده
این مطالعه کارایی ۲۸ مدل از پروژه NEX-GDDP-CMIP6 و مدل همادی وزنی-نمایی (Exp-Ensemble) تولید شده را در بازتولید بارش ایران طی دوره تاریخی (1980-2014) ارزیابی می‌کند. به‌منظور رفع خطای عدم تطابق مقیاس ایستگاهی به نقطه شبکه و اجتناب از عدم‌قطعیت‌های سیستماتیک ناشی از درون‌یابی شبکه پراکنده ایستگاهی کشور، از مجموعه داده مرکز اقلیم‌شناسی بارش جهانی (GPCC) با تفکیک 25/0 درجه قوسی به‌عنوان مشاهدات مرجع استفاده شد. ارزیابی‌ها نشان می‌دهد مدل‌های NEX-GDDP-CMIP6 الگوی مکانی بارش را به‌خوبی بازتولید کرده‌اند و بهترین کارایی در متوسط پهنه‌ای کشور برای مدل MPI-ESM1-2-LR با همبستگی 73/0 محاسبه شده است. با این‌حال، مدل‌های منفرد دارای یک اریبی خشک فراگیر (۲۵- تا ۵۰- میلی‌متر) و خطای بین ۱۲۷ تا ۱۵۵ میلی‌متر در سطح کشور هستند. ضعف مدل‌های دارای شبکه پایه درشت‌مقیاس در حل دینامیکی واداشت‌های کوهساری، اریبی خشک را در آنها تا ۳۰۰- میلی‌متر تشدید کرده است. توسعه چند‌مدلی همادی وزن‌دار نمایی، اریبی را به ۲۳- میلی‌متر و ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) را به ۱۰۸ میلی‌متر کاهش داد. با این وجود، الگوریتم تصحیح اریبی و مقیاس‌کاهی مکانی (BCSD) در بازتولید فرایندهای فیزیکی زیرشبکه‌ای دارای محدودیت‌های ساختاری است و هسته‌های بارشی فراتر از ۱۰۰۰ میلی‌متری سواحل جنوبی دریای‌خزر را با خطایی بیش از ۵۰ درصد (حداکثر ۶۰۰ میلی‌متر) برآورد می‌کند. استفاده از چند مدلی همادی با وزن‌دهی نمایی، خطاهای سیستماتیک در مدل‌های گردش کلی (GCM) را به‌شکل قابل‌توجهی کاهش داده و رویکردی قابل‌اتکا جهت مدل‌سازی‌های هیدرولوژیک و ارزیابی اثرات تغییر اقلیم در مناطقی با توپوگرافی پیچیده فراهم آورده است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Analysis of Systematic Errors of NEX-GDDP Models and Improving Precipitation Estimation in Iran via an Exponentially Weighted Ensemble (Exp-Ensemble)

نویسنده English

Abbas Ali Dadashi-Roudbari
Department of Geography, Faculty of Letters and Humanities, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran.
چکیده English

Anthropogenic climate change, driven by the escalating concentration of greenhouse gases, has posed fundamental and unprecedented challenges to both natural and human systems in recent decades (IPCC, 2021). Among the most pronounced consequences of global warming are shifts in the frequency, intensity, spatial distribution, and timing of extreme hydro-meteorological events, particularly precipitation. As the moisture-holding capacity of the atmosphere increases by approximately 7% per 1°C of warming—governed by the Clausius-Clapeyron relationship—numerous studies warn that spatial and seasonal fluctuations in precipitation regimes will inevitably intensify. Addressing this critical challenge, the present study investigates precipitation dynamics across Iran during the historical period of 1980–2014. The primary methodological innovation lies in first evaluating the performance of individual downscaled NEX-GDDP-CMIP6 models, followed by the development of a non-linear, exponentially weighted multi-model ensemble. Fundamentally, this research demonstrates how formulating a non-linear ensemble framework—one that accounts for the spatial variance in modeling errors by assigning geographically dependent weights—can substantially enhance the accuracy of precipitation simulations. We also examine how individual models perform against this proposed framework. Rigorous assessment of the capacity of NEX-GDDP-CMIP6 datasets alongside the proposed exponential ensemble (Exp-Ensemble) reveals substantial limitations in the individual models' ability to reliably capture precipitation patterns, particularly over complex mountainous terrain and coastal margins. When evaluated against GPCC observations, these individual models exhibit a pervasive dry bias of -25 to -50 mm yr⁻¹, coupled with Root Mean Square Error (RMSE) values of 127 to 155 mm yr⁻¹. Notably, GFDL and EC-Earth3 display anomalous deviations in precipitation variance; consequently, their spatial outputs across Iran's diverse topography exhibit high spatial uncertainty. Implementing the exponentially weighted multi-model ensemble strategy yielded a statistically significant reduction in these systematic errors. By calibrating grid-cell weights based on each model's historical skill across distinct climate zones, the overall RMSE was reduced to 108 mm yr⁻¹, while the dry bias decreased to -23 mm yr⁻¹. Despite these improvements, standard Bias-Correction Spatial Disaggregation (BCSD) algorithms continue to exhibit limitations. They fail to fully compensate for the unresolved sub-grid-scale processes in model outputs along the southern coastlines of the Caspian Sea. Intense precipitation maxima exceeding 1000 mm yr⁻¹ within this narrow coastal strip are systematically underestimated, with a peak of only 600 mm yr⁻¹ even within the integrated ensemble framework. This pronounced discrepancy highlights a simulated deficit exceeding 50% for this specific geographic sub-region. Ultimately, the arid and semi-arid expanse of Iran represents a formidable challenge for parameterizing precipitation schemes within the sixth phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). While it cannot eliminate the underlying dry bias ubiquitous across this latest generation of models, the weighted ensemble proposed herein successfully minimizes error variance. Integrating this methodology into broader climate impact evaluations and macro-level water resource policymaking effectively mitigates structural uncertainties, thereby establishing a rigorous baseline for future hydrological projections in Iran and geographically analogous regions worldwide.

کلیدواژه‌ها English

Precipitation
Exponentially Weighted Ensemble (Exp-Ensemble)
NEX-GDDP
Dry Bias
Bias Correction
آزاد، ن. و احمدی، آ. (1402). پیش نگری متغیرهای دما و بارش حوضه آبریز خزر با ارزیابی تأثیر روش‌های تصحیح اریبی و به‌کارگیری همادی مدلهای اقلیمی CMIP6. تحقیقات منابع آب ایران، 19(4)، 172-198.
خان سالاری، س. و محمدی، س. ع. (1402). پیش‌نگری بارش‌های فرین در ایران بر اساس رویکرد همادی مدل‌های CMIP6 در آینده نزدیک (2050-2026) با وزن‌دهی مبتنی‌بر رتبه. مجله فیزیک زمین و فضا، 49(3)، 727-746.
شاهی، ع.؛ صلاحی، ب. و نجفی، م. س. (1404). پیش‌نگری رخدادهای بارش سنگین شمال‌غرب ایران با به‌کارگیری مقیاس‌کاهی آماری برونداد مدل‌های منتخب CMIP6 با نرم‌افزار CMHyd. مجله فیزیک زمین و فضا، 51(2)، 453-476.
عالمزاده، ش.؛ احمدی گیوی، ف.؛ محب الحجه، ع. ر. و یازجی، د. (1396). ساختار هندسی جت آفریقا-آسیا در وردسپهر زبرین و پاسخ آن به گرمایش زمین در مدل‌های CMIP5. مجله ژئوفیزیک ایران، 11(3)، 1-21.
عسگری، ا.؛ باعقیده، م.؛ انتظاری، ع. ر.؛ حسینی، م. و کامیار، ا. (1401). تحلیل تغییرات حجم مخزن و جریان ورودی به سد دز تحت شرایط تغییر اقلیم. پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، 54(3)، 365-384.
Abiodun, B. J., Mogebisa, T. O., Petja, B., Abatan, A. A., & Roland, T. R. (2020). Potential impacts of specific global warming levels on extreme rainfall events over southern Africa in CORDEX and NEX-GDDP ensembles. International Journal of Climatology, 40(6), 3118–3141.
Christensen, J. H., & Christensen, O. B. (2007). A summary of the PRUDENCE model projections of changes in European climate by the end of this century. Climatic Change, 81(1), 7–30.
Giorgi, F., & Mearns, L. O. (2002). Calculation of average, uncertainty range, and reliability of regional climate changes from AOGCM simulations via the “Reliability Ensemble Averaging” (REA) method. Journal of Climate, 15(10), 1141-1158.
Hill, T., Lewicki, P., & Lewicki, P. (2006). Statistics: methods and applications: a comprehensive reference for science, industry, and data mining. StatSoft, Inc.
Hodson, T.O. (2022). Root-mean-square error (RMSE) or mean absolute error (MAE): when to use them or not, Geoscientific Model Development, 15, 5481-5487.
Houze Jr, R. A. (2012). Orographic effects on precipitating clouds. Reviews of Geophysics, 50(1).
Huang, J., Yu, H., Guan, X., Wang, G., & Guo, R. (2017). Dryland climate change: Recent progress and challenges. Reviews of Geophysics, 55(3), 719–778.
IPCC. (2013). Climate change 2013: the physical science basis. In T. F. Stocker et al. (Eds.), Contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. Cambridge University Press.
Jain, S., Salunke, P., Mishra, S. K., Sahany, S., & Choudhary, N. (2019). Advantage of NEX-GDDP over CMIP5 and CORDEX Data: Indian Summer Monsoon. Atmospheric Research, 228, 152–160.
Karl, T. R., Melillo, J. M., Peterson, T. C., & Hassol, S. J. (Eds.). (2009). Global Climate Change Impacts in the United States. Cambridge University Press.
Knutti, R., & Sedláček, J. (2013). Robustness and uncertainties in the new CMIP5 climate model projections. Nature Climate Change, 3, 369–373.
Kreft, S., Eckstein, D., & Melchior, I. (2016). Global Climate Risk Index 2017: Who Suffers Most from Extreme Weather Events? Weather-Related Loss Events in 2015 and 1996 to 2015. Germanwatch Nord-Süd Initiative eV.
Kumar, P., Kumar, S., Barat, A., Sarthi, P. P., & Sinha, A. K. (2020). Evaluation of NASA’s NEX-GDDP-simulated summer monsoon rainfall over homogeneous monsoon regions of India. Theoretical and Applied Climatology, 141, 1–16.
Maraun, D., Wetterhall, F., Ireson, A.M., Chandler, R.E., Kendon, E.J., Widmann, M., Brienen, S., Rust, H.W., Sauter, T., Themeßl, M., & Venema, V.K. (2010). Precipitation downscaling under climate change: recent developments to bridge the gap between dynamical models and the end user. Reviews of Geophysics, 48(3), 1-34.
Min, S., & Hense, A. (2006). A Bayesian approach to climate model evaluation and multi-model averaging with an application to global mean surface temperatures from IPCC AR4 coupled climate models. Geophysical Research Letters, 33, L08708.
Pepler, A. S., Alexander, L. V., Evans, J. P., & Sherwood, S. C. (2016). Zonal winds and southeast Australian rainfall in global and regional climate models. Climate Dynamics, 46(1-2), 123–133.
Pfahl, S., O’Gorman, P. A., & Fischer, E. M. (2017). Understanding the regional pattern of projected future changes in extreme precipitation. Nature Climate Change, 7(6), 423–427.
Rao, K. K., Al Mandous, A., Al Ebri, M., Al Hameli, N., Rakib, M., & Al Kaabi, S. (2024). Future changes in the precipitation regime over the Arabian Peninsula with special emphasis on UAE: insights from NEX-GDDP CMIP6 model simulations. Scientific Reports, 14(1), 151.
Rao, K. K., Kulkarni, A., Patwardhan, S., Kumar, B. V., & Kumar, T. V. L. (2020). Future changes in precipitation extremes during northeast monsoon over south peninsular India. Theoretical and Applied Climatology, 141, 1–15.
Sharma, T., Vittal, H., Chhabra, S., Salvi, K., Ghosh, S., & Karmakar, S. (2018). Understanding the cascade of GCM and downscaling uncertainties in hydro-climatic projections over India. International Journal of Climatology, 38, e178–e190.
Sheffield, J., Goteti, G., & Wood, E. F. (2006). Development of a 50-yr high-resolution global dataset of meteorological forcings for land surface modeling. Journal of Climate, 19(13), 3088–3111.
Storelvmo, T., Leirvik, T., Lohmann, U., Phillips, P. C., & Wild, M. (2016). Disentangling greenhouse warming and aerosol cooling to reveal Earth’s climate sensitivity. Nature Geoscience, 9(4), 286.
Supharatid, S., Aribarg, T., & Nafung, J. (2021). Bias-corrected CMIP6 climate model projection over Southeast Asia. Theoretical and Applied Climatology, 147, 1–21.
Taylor, K. E., Stouffer, R. J., & Meehl, G. A. (2012). An overview of CMIP5 and the experiment design. Bulletin of the American Meteorological Society, 93, 485–498.
Thrasher, B., Maurer, E. P., McKellar, C., & Duffy, P. B. (2012). Technical Note: Bias correcting climate model simulated daily temperature extremes with quantile mapping. Hydrology and Earth System Sciences, 16(9), 3309–3314.
Thrasher, B., Wang, W., Michaelis, A., Melton, F., Lee, T., & Nemani, R. (2022). NASA Global Daily Downscaled Projections, CMIP6. Scientific Data, 9, Article 262.
Warnatzsch, E. A., & Reay, D. S. (2019). Temperature and precipitation change in Malawi: evaluation of CORDEX-Africa climate simulations for climate change impact assessments and adaptation planning. Science of the Total Environment, 654, 378–392.
Zhao, C., Gong, J., Wang, H., Wei, S., Song, Q., & Zhou, Y. (2020a). Changes of temperature and precipitation extremes in a typical arid and semiarid zone: Observations and multi-model ensemble projections. International Journal of Climatology, 40(1), 1–26.
Zhao, Y., Li, Z., Cai, S., & Wang, H. (2020b). Characteristics of extreme precipitation and runoff in the Xijiang River Basin at global warming of 1.5 °C and 2 °C. Natural Hazards, 101(3), 1–20.
Ziese, M., Rauthe-Schöch, A., Becker, A., Finger, P., Rustemeier, E., & Schneider, U. (2021). GPCC Full Data Daily Version 2020 at 1.0°: Daily Land-Surface Precipitation from Rain-Gauges Built on GTS-Based and Historic Data. Global Precipitation Climatology Centre at Deutscher Wetterdienst: Offenbach, Germany.
دوره 52، شماره 2
تاریخ انتشار الکترونیکی: 14 شهریور 1405
تابستان 1405
صفحه 397-418