Trend analysis of precipitation in Iran based on MERRA2

Document Type : Research Article

Authors

1 Department of Geographical Sciences, Faculty of Humanities, University of Hormozgan, Bandar Abbas, Iran.

2 Department of Marine and Atmospheric Science (Non-Biologic), Faculty of Marine Science and Technology, University of Hormozgan, Bandarabbas, Iran.

Abstract

Different parts of the climate system as well as precipitation are subject to the global warming and climate change. The aim of present study is monitoring different aspects of changes and trends in precipitation over Iran, using MERRA2 reanalysis data from 1990 to 2020 based on 7 indices including Maximum 1-day precipitation (Rx1day), Simple precipitation intensity index (SDII), Maximum length of dry spell (CDD), Maximum length of wet spell (CWD), Annual count of days when PRCP ≥ 10mm (Rx10mm), Annual count of days when PRCP ≥ 1 mm (Rx1mm), and Annual total precipitation on wet days (PRCPTOT). MERRA2 is the second generation of Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications (MERRA) by NASA’s GMAO (National Aeronautics and Space Administration, Global Modeling and Assimilation Office), with spatial resolution of 0.5o (approximately 50 kilometers) and temporal resolution up to hourly data. Correlation analysis between MERRA2 and observation data of 48 weather stations indicates acceptable results all over the country especially for the North, the North West and the Western parts. The highest values of R2 was 0.94 calculated for the wet regions of the North and Northwest, the least values were 0.63 for the arid regions of the South and the Central parts of Iran. Mann-Kendall non-parametric test was used for trend analysis and detection. Mann-Kendall test uses time series data for consistently increasing or decreasing trends in a variable and can works with all statistical distributions. The results show a decreasing trend on 0.95 significance level in 3 indices including PRCPTOT, Rx1day, Rx10mm, in the West and Northwest of Iran. Previous researches confirmed and reported the similar results. In the North East part of the country (parts of the Khorasan-e-Razavi, Semnan and Golestan provinces) positive increasing trends was detected. Considering this distinct regional discrepancy in calculated trends (trends in indices), it is necessary to focus on the effects of possible changes in pressure and synoptic systems on the precipitation changes over Iran. For RX10mm increasing trends was detected for the South and South East of the country. Due to the high absolute humidity in these regions, if condition is suitable for convection and air ascending, Sudan low pressure and Indian monsoon make possible high amount of intense convective rainfall origin from Indian ocean. Overall, MERRA2 shows an underestimate for the region of highest rainfall (North of the country) and an overestimate for arid regions. As a conclusion, based on the results of this study it is necessary to have a distinct precise plane not only for managing the decreasing trends in precipitation and water deficits, but also for mitigating impacts of intense rainfall and flash floods. Further studies needed to determine simultaneous (combined) effects of precipitation and temperature changes in other to manag water resources.

Keywords

Main Subjects

References

اکبری، م. و نودهی، و. (1394). بررسی و تحلیل روند بارش سالانه و تابستانه استان گلستان. مجله آمایش جغرافیایی فضا. 5(17)، 150-141.
امیررضائیه، ع.؛ پرهمت، ج. و احمدی، ف. (1395). بررسی روند تغییرات بارش و دمای شمال‌غرب کشور در نیم قرن اخیر. نشریه آبیاری و زهکشی ایران، 10(6)، 797- 809.
امینی‌نیا، ک.؛ لشکری، ح. و علیجانی، ب. (1389). بررسی و تحلیل نوسانات بارش برف سنگین در شمال‌غرب ایران. مجله فضای جغرافیایی، 10(29)، 135-163.
ایران‌نژاد، پ.؛ کتیرایی بروجردی، پ. و حجام، س. (1386). سهم تغییرات فراوانی و شدت بارش روزانه در روند بارش در ایران طی دوره 1960 تا 2001. مجله فیزیک زمین و فضا، 33(1)، 67-83.
بابایی فینی، ا. و فرج‌زاده اصل، م. (1381). الگوهای تغییرات مکانی و زمانی بارش در ایران. مجله مدرس علوم انسانی، 6(4)، 51-70.
باقرپور، م.؛ سیدیان، س.؛ فتح‌آبادی، ا. و محمدی، ا. (1396). بررسی کارایی آزمون من کندال در شناسایی روند سری‌‌های دارای خودهمبستگی. مجله علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، 11(36)، 11-21.
برنا، ر. و جهان، آ. (1394). مطالعه روند تغییرات شاخص‌‌های حدی اقلیمی دما و بارش در جنوب‌غرب ایران (مطالعه موردی: استان بوشهر). مجله جغرافیای طبیعی، 8(28)، 43-63.
پیرنیا، ع.؛ حبیب‌نژاد روشن م. و سلیمانی ک. (۱۳۹۴). بررسی تغییرات دما و بارندگی در سواحل جنوبی دریای‌خزر و مقایسه آن با تغییرات درمقیاس جهانی و نیمکره شمالی. پ‍‍ژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز. ۶(۱۱)، ۱۰۰-۹۰.
حجازی زاده، ز.؛ حلبیان، ا.؛ کربلائی درئی، ع. و طولابی‌نژاد، م. (1399). واکاوی تغییرات مقادیر حدی بارش در گستره ی ایران زمین. مجله مخاطرات محیط طبیعی، 9(23)، 135-150.
حلبیان، ا. و کیخسروی کیانی، م. ص. (1399). ارزیابی تغییرات نمایه‌های فرین بارش در ایران. مجله برنامه‌ریزی فضایی، 10(4)، 24-45.
خوش‌اخلاق، ف.؛ عزیزی، ق.؛ لشکری، ح. و ماهوتچی، م. (1398). واکاوی الگوهای همدید- پویشی بارش‌های اَبَرسنگین فراگیر تابستانۀ جنوب‌شرق ایران. مجله آمایش جغرافیایی فضا، 9(33)، 202-185
درگاهیان، ف.؛ دوستکامیان، م. و صادقی، م. (1400). بررسی تغییرات زمانی و مکانی بارش‌های حدی ایران طی دوره‌های مختلف و ارتباط آن با گرمایش جهانی. فصلنامه علمی - پژوهشی مهندسی منابع آب، 14(49)، 47-30.
رسولی، ع.؛ روشنی، ر. و قاسمی ا. ر. (1392). تحلیل تغییرات زمانی و مکانی بارش های سالانه ایران. فصلنامه تحقیقات جغرافیایی، ۲۸(۱)، ۲۰۵-۲۲۴.
سلمانی، ح.؛ بردی شیخ، و.؛ سلمان ماهینی، ع.؛ اونق، م. و و فتح‌آبادی، ا. (1398). تحلیل روند بلندمدت سری‌‌های اقلیمی و هیدرولوژیکی در شرق حوزه آبخیز گرگانرود استان گلستان با استفاده از روش‌‌های آماری حذف خودهمبستگی. پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز، 10(19 )، 58-72.
طاووسی، ت. (1397). بررسی روند تغییرات بارندگی و شاخص خشکی یونپ در پهنه‌‌های آب‌وهوایی غرب و شمال‌غرب ایران. فصلنامه اطلاعات جغرافیایی (سپهر)، 27(105)، 85-96.
عساکره، ح. (1386). تغییرات زمانی- مکانی بارش ایران زمین طی دهه‌های اخیر. نشریه جغرافیا و توسعه، 5(10)، 145-164.
عساکره، ح. و رزمی، ر. (1391). تحلیل تغییرات بارش سالانه شمال‌غرب ایران. جغرافیا و برنامه‌ریزی محیطی (مجله پژوهشی علوم انسانی دانشگاه اصفهان)، 23(3)، 147-162.
عسگری، ا.؛ رحیم‌زاده، ف.؛ محمدیان، ن. و فتاحی، ا. (1386). تحلیل روند نمایه‌های بارش‌های حدی در ایران. مجله تحقیقات منابع آب ایران، 3(3) 55-42.
علیپور، ح. و ملکیان، آ. (1398). تحلیل همگنی و روند بارش‌‌های آستانه با رویکرد آماری ناپارامتری در شمال‌غرب ایران. مجله مهندسی و مدیریت آبخیز، 11(4)، 917-928.
علیجانی، ب. (1379). آب‌وهوای ایران. پیام نور.
علیجانی، ب.؛ محمودی، پ. و چوگان ع. (1391). بررسی روند تغییرات بارش‌های سالانه و فصلی ایران با استفاده از روش ناپارامتریک «برآورد کننده شیب سنس». نشریه پژوهش‌های اقلیم شناسی، 3(9)، 23-42.
علیزاده چوبری، ا. و نجفی، م. ا. (1396). روند تغییرات دمای هوا و بارش در مناطق مختلف ایران. مجله فیزیک زمین و فضا، 43(3)، 584-569.
قویدل رحیمی، ی. (1384). اثر الگوی بزرگ مقیاس گردش جوی ـ اقیانوسی «انسو» بر تغییرپذیری فصلی اقلیم در ایران: آثار «ال‌نینو» و «لانینا» بر تغییرپذیری بارش‌های بهاری در آذربایجان شرقی. مجله برنامه‌ریزی و آمایش فضا، 9(4)، 71-88.
لشکری، ح. (1381). مسیریابی سامانه‌های کمفشار سودانی ورودی به ایران. فصلنامه دانشکده علوم انسانی دانشگاه تربیت مدرس، 6(2)، 25.
لشکری، ح. (1382). مکانیسم تکوین – تقویت و توسعه مرکز کم فشار سودان و نقش آن بر روی بارش‌‌های جنوب و جنوب‌غرب ایران. پژوهش‌‌های جغرافیایی (منتشر نمی‏شود). 35(3)، 1-18.
مدرسی، ف.؛ عراقی‌نژاد، ش.؛ ابراهیمی، ک. و خیاط خلقی، م. (1389). بررسی منطقه‌ای پدیده تغییراقلیم با استفاده از آزمون‌‌های آماری مطالعه موردی: حوضه آبریز گرگانرود-قره سو. آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، 24(3)، 476-489.
مزیدی، ا.؛ سلامتی هرمزی، و.؛ امیدوار، ک. و مظفری، غ. (1401). آشکار‌سازی تغییرات زمانی-مکانی بارش‌های جنوب‌شرق ایران. مجله کاوش‌‌های جغرافیایی مناطق بیابانی، 10(1)، 65-47.
میرعباسی نجف آبادی، ر. و دین‌پژوه، ی. (1391). تحلیل روند تغییرات بارش‌‌های شمال‌غرب ایران در نیم قرن گذشته. علوم مهندسی و آبیاری (مجله علمی کشاورزی)، 35(4)، 59-73.
میرموسوی، س. (1387). مطالعه نوسانات دما و بارش سالانه در منطقه شمال‌غرب ایران. مجله پژوهش‌های جغرافیای، 40(66)، 87-99.
نساجی زواره، م. و قرمزچشمه، ب. (1401). بررسی تغییرات زمانی-مکانی مقادیر حدی بارش روزانه (ناحیه شمال و غرب ایران). سامانه‌های سطوح آبگیر باران ۱۴۰۱؛ ۱۰(۱)،۴۰-۲۷.
Ali, N., Ahmad, I., Chaudhry, A. G., & Raza, M. A. (2015). Trend analysis of precipitation data in Pakistan. Sci Int, 27, 803-808.
Alijani, B., O’Brien, J., & Yarnal, B. (2008). Spatial analysis of precipitation intensity and concentration in Iran. Theor Appl Climatol 94, 107–124. https://doi.org/10.1007/s00704-007-0344-y
Bloom, S. C., Takacs, L. L., da Silva, A. M., & Ledvina, D. (1996). Data Assimilation Using Incremental Analysis Updates. Mon. Wea. Rev., 124, 1256–1271.
Cuo, L., & Zhang, Y. (2017). Spatial patterns of wet season precipitation vertical gradients on the Tibetan Plateau and the surroundings. Scientific reports, 7(1), 1-10.
Hamal, K., Sharma, S., Khadka, N., Baniya, B., Ali, M., Shrestha, M. S., Xu, T., Shrestha, D., & Dawadi, B. (2020). Evaluation of MERRA-2 precipitation products using gauge observation in Nepal. Hydrology, 7(3), 40.
Harman, B. I., Koseoglu, H., & Yigit, C. O. (2016). Performance evaluation of IDW, Kriging and multiquadric interpolation methods in producing noise mapping: A case study at the city of Isparta, Turkey. Applied Acoustics, 112, 147-157.
Kendall, M. G. (1970). Rank Correlation Methods 2nd edn (New York: Hafner).
Koudahe, K., Kayode, A. J., Samson, A. O., Adebola, A. A., & Djaman, K. (2017). Trend analysis in standardized precipitation index and standardized anomaly index in the context of climate change in Southern Togo. Atmospheric and Climate Sciences, 7(04), 401.
Lorenzo, M. N., & Alvarez, I. (2020). Climate change patterns in precipitation over Spain using CORDEX projections for 2021–2050. Science of The Total Environment, 2020 Jun; 723, 138024.
Mann, H. B. (1945). Nonparametric tests against trend. Econometrica: Journal of the econometric society, 13(3), 245-259.
Molod, A., Takacs, L., Suarez, M., Bacmeister, J., Song, I.S., & Eichmann, A. (2012). The GEOS-5 atmospheric general circulation model: mean climate and development from MERRA to fortuna; NASA technical report series on global modeling and data assimilation. Greenbelt. 117, 28-45.
Nyikadzino, B., Chitakira, M., & Muchuru, S. (2020). Rainfall and runoff trend analysis in the Limpopo river basin using the Mann Kendall statistic. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 117, 102870.
Olofintoye, O. O., & Sule, B. F. (2010). Impact of global warming on the rainfall and temperature in the Niger Delta of Nigeria. Journal of Research Information in Civil Engineering, 7(2), 33-43.
Rahimi, M., & Sadat fatemi, S. (2019). Mean versus Extreme Precipitation Trends in Iran over the Period 1960–2017. Pure Appl. Geophys.
Rahmani, V., Hutchinson, S. L., Harrington Jr, J. A., & Hutchinson, J. S. (2016). Analysis of frequency and magnitude of extreme rainfall events with potential impacts on flooding: A case study from the central United States. International Journal of Climatology, 36(10), 3578-3587.
Saddique, N., Khaliq, A., & Bernhofer, C. (2020). Trends in temperature and precipitation extremes in historical (1961–1990) and projected (2061–2090) periods in a data scarce mountain basin, northern Pakistan. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 34(10), 1441-1455.
Wei, L., Jiang, S., Ren, L., Wang, M., Zhang, L., Liu, Y., & Yang, X. (2021). Evaluation of seventeen satellite, reanalysis, and gauge-based precipitation products for drought monitoring across mainland China. Atmospheric Research, 105813.
Xu, X., Frey, S. K., & Ma, D. (2022). Hydrological performance of ERA5 and MERRA-2 precipitation products over the Great Lakes Basin. Journal of Hydrology: Regional Studies, 39, 100982.
Yao, J., Chen, Y., Yu, X., Zhao, Y., Guan, X., & Yang, L. (2020). Evaluation of multiple gridded precipitation datasets for the arid region of northwestern China. Atmospheric Research, 236, 104818.
Yue, S., Pilon, P., & Cavadias, G. (2002). Power of the Mann–Kendall and Spearman's rho tests for detecting monotonic trends in hydrological series. Journal of hydrology, 259(1-4), 254-271.
Journal of the Earth and Space Physics
Volume 49, Issue 3
online publication date: 15 Nov 2023
November 2023
Pages 669-683

Files

Share

How to cite

Statistics