شبیه‌سازی دو متغیره و تحلیل توام تبخیرتعرق گیاه مرجع با استفاده از توابع مفصل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد گروه علوم و مهندسی آب ، دانشگاه بیرجند

2 دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بیرجند، بیرجند

3 گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بیرجند.

چکیده

هدف از مطالعه حاضر، تحلیل همبستگی و شبیه‌‌سازی مقادیر تبخیرتعرق گیاه مرجع ایستگاه‌های هواشناسی موجود در کویر لوت (بم، بیرجند و طبس) در دوره آماری 1984 تا 2019 با استفاده از مفصل‌‌های رایج و سرعت باد متناظر در مقیاس ماهانه می‌باشد. با بررسی همبستگی جفت متغیر سرعت باد و تبخیرتعرق گیاه مرجع در ایستگاه‌های بم، بیرجند و طبس، به ترتیب همبستگی 7/0، 76/0 و 80/0 حاصل شد. با بررسی ساختار مفصل‌های دو بعدی و چگالی شرطی آن‌ها بر اساس معیارهای مختلف، مفصل گالامبوس به عنوان مفصل مناسب‌‌تر برای تمامی ایستگاه‌های مورد بررسی انتخاب گردید. با انتخاب توزیع حاشیه‌ای و مفصل برتر، تحلیل فراوانی، دوره بازگشت توام و شبیه‌سازی مبتنی بر مفصل ارائه گردید. با ارائه نمودارهای هم احتمال، احتمالات توأم سرعت باد و تبخیرتعرق در هر ایستگاه به صورت هم‌زمان به صورت نمودارهای تیپ ارائه شد که می‌‌تواند اطلاعات بسیار مفیدی را در ارتباط با رفتار احتمالاتی داده‌های مورد بررسی ارائه دهد. در نهایت شبیه‌‌سازی تبخیرتعرق گیاه مرجع با استفاده از مدل مبتنی بر مفصل و مقادیر سرعت باد صورت گرفت. نتایج شبیه‌‌سازی مقادیر یاد شده نشان از مناسب بودن میزان همبستگی جفت متغیرها بود. دقت، کارایی و میزان خطای ناشی از شبیه‌‌سازی مقادیر تبخیرتعرق گیاه مرجع با استفاده از آزمون‌‌های آماری مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت. شبیه‌‌سازی موفقیت آمیز پارامتر یاد شده در واقع دلیلی بر انتخاب دقیق ساختار مفصل می‌‌باشد. که نتیجه آن میزان خطای حداکثر 10/0 میلی‌‌متر در روز و کارایی 98 درصد برای تمامی ایستگاه‌ها بود. با اجرای این الگوریتم در شبیه‌‌سازی مقادیر تبخیرتعرق گیاه مرجع و ارائه رابطه تخمین آن در منطقه مور مطالعه می‌‌توان به راحتی مقدار تبخیر گیاه مرجع را با داده‌‌های هواشناسی موجود و فارغ از پیچیدگی‌‌های محاسباتی فراوان، شبیه‌‌سازی کرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Bivariate simulation and joint analysis of reference evapotranspiration using copula functions

نویسندگان [English]

  • abbas khashei 1
  • Ali Shahidi 2
  • Mohammad Nazeri-Tahroudi 3
  • Yousef Ramezani 2
1 Professor, Department of Water Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran
2 Associate professor, University of Birjand, Birjand, Iran
3 Department of Water Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran
چکیده [English]

The aim of the present study was to analyze the correlation and simulation of the values of reference evapotranspiration of meteorological stations in the Lut Desert (Bam, Birjand, and Tabas) in the period 1984-2019 using common copulas and corresponding wind speed on a monthly scale. By examining the correlation between the pair-variables of wind speed and reference evapotranspiration in Bam, Birjand, and Tabas stations, the correlation was evaluated about 0.7, 0.76, and 0.80, respectively. By examining the structure of two-dimensional copulas and their conditional density based on different criteria, the Galambos copula was selected as the best copula for all stations. By selecting the best marginal distribution and the best copula, the frequency analysis, joint return period and copula-based simulation were presented. By presenting the joint probability curves, the probabilities of both wind speed and reference evapotranspiration at each station were presented simultaneously in the form of typical curves, which can provide very useful information about the probabilistic behavior of the studied data. Finally, the reference evapotranspiration values were simulated using a copula-based model and wind speed values. The simulation results of the mentioned values showed that the correlation of the pair-variables was appropriate. The accuracy, efficiency and error rate of simulating the values of reference evapotranspiration values were evaluated using various statistical tests. Successful simulation of this parameter is in fact a reason for accurate selection of the copula structure, which indicated a maximum error rate (RMSE) of 0.1 mm per day and 98% efficiency for all stations. By application of this algorithm in simulating the values of reference evapotranspiration and presenting its estimated relationship in the region, the amount of reference evapotranspiration can be easily simulated with available meteorological data and without much computational complexity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Conditional density
  • Copula function
  • Galambos
  • Marginal distribution

مراجع

ناظری تهرودی، م.، رمضانی، ی.، دی میکله، ک. و میرعباسی، ر. 1400. تعیین توابع مفصل دو بعدی بهینه در تحلیل تغییرات سطح آب زیرزمینی با استفاده از الگوریتم های فرا ابتکاری. علوم و مهندسی آبیاری. 44(1): 109-93.
ناظری تهرودی، م.، رمضانی، ی.، دی میکله، ک. و میرعباسی، ر. 1399. برآورد فراوانی توأم بیشینه دبی لحظه‌ای–بار معلق رسوب حوضه آبریز زرینه‌رود با استفاده از تحلیل دوبعدی. آب و خاک. 34(2): 347-333. 10.22067/jsw.v34i2.81812
Abdi, A. Hassanzadeh, Y. Talatahari, S. Fakheri-Fard, A. and Mirabbasi, R. 2016). Regional bivariate modeling of droughts using L-comoments and copulas. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, DOI: 10.1007/s00477-016-1222-x.
Ayantobo, O. O., Li, Y., and Song, S. 2019. Multivariate drought frequency analysis using four-variate symmetric and asymmetric Archimedean copula functions. Water Resources Management, 33(1), 103-127.
Czado, C. (2010). Pair-copula constructions of multivariate copulas. In Copula theory and its applications (pp. 93-109). Springer, Berlin, Heidelberg.
De Michele, C. and Salvadori, G. 2003. A generalized Pareto intensity‐duration model of storm rainfall exploiting 2‐copulas. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 108(D2).
Dixit, S. and Jayakumar, K. V. 2021. A study on copula-based bivariate and trivariate drought assessment in Godavari River basin and the teleconnection of drought with large-scale climate indices. Theoretical and Applied Climatology, 146(3), 1335-1353.
Joe, H. (1997). Multivariate models and multivariate dependence concepts. London: Chapman & Hall, 399 pp.
Kavianpour, M., Seyedabadi, M., and Moazami, S. 2018. Spatial and temporal analysis of drought based on a combined index using copula. Environmental Earth Sciences, 77(22), 769.
Khashei‐Siuki, A., Shahidi, A., Ramezani, Y., and Nazeri Tahroudi, M. 2021. Simulation of potential evapotranspiration values based on vine copula. Meteorological Applications, 28(5), e2027.
Khozeymehnezhad, H., and Nazeri-Tahroudi, M. 2020. Analyzing the frequency of non-stationary hydrological series based on a modified reservoir index. Arabian Journal of Geosciences, 13(5), 1-13.
Mirabbasi, R., Anagnostou, E. N., Fakheri-Fard, A., Dinpashoh, Y., and Eslamian, S. 2013. Analysis of meteorological drought in northwest Iran using the Joint Deficit Index. Journal of Hydrology, 492, 35-48.
Mirabbasi, R., Fakheri-Fard, A., and Dinpashoh, Y. 2012. Bivariate drought frequency analysis using the copula method. Theoretical and Applied Climatology, 108(1-2), 191-206.
Muhammad, M.K.I., Shahid, S., Ismail, T., Harun, S., Kisi, O. and Yaseen, Z.M. 2021. The development of evolutionary computing model for simulating reference evapotranspiration over Peninsular Malaysia. Theoretical and Applied Climatology, 144(3), 1419-1434.
Nash, J. E., and Sutcliffe, J. V. 1970. River flow forecasting through conceptual models part I—A discussion of principles. Journal of hydrology, 10(3), 282-290.
Nazeri Tahroudi, M. Pourreza-Bilondi, M. and Ramezani, Y. 2019. Toward Coupling Hydrological and Meteorological Drought Characteristics in Lake Urmia Basin, Iran. Journal of Theoretical and Applied Climatology, DOI: 10.1007/s00704-019-02919-4.
Nazeri Tahroudi, M., Ramezani, Y., De Michele, C., and Mirabbasi, R. 2021a. Flood routing via a copula-based approach. Hydrology Research, 52(6), 1294-1308.
Nazeri Tahroudi, M., Ramezani, Y., De Michele, C., and Mirabbasi, R. 2021b. Multivariate analysis of rainfall and its deficiency signatures using vine copulas. International Journal of Climatology, 41(2):2002-2018.
Nazeri-Tahroudi, M. Ramezani, Y. De Michele, C. and Mirabbasi, R. 2022. Bivariate Simulation of Potential Evapotranspiration Using Copula-GARCH Model. Water Resources Management, 1-18.
Nelsen. R. B. 2006. An introduction to copulas. Springer, New York, 269p.
Nguyen-Huy, T., Deo, R. C., Mushtaq, S., Kath, J., and Khan, S. 2019. Copula statistical models for analyzing stochastic dependencies of systemic drought risk and potential adaptation strategies. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 1-21.
Ramezani, Y., Nazeri Tahroudi, M., and Ahmadi, F. 2019. Analyzing the droughts in Iran and its eastern neighboring countries using copula functions. IDŐJÁRÁS/QUARTERLY JOURNAL OF THE HUNGARIAN METEOROLOGICAL SERVICE, 123(4), 435-453.
Rashid Niaghi, A., Hassanijalilian, O. and Shiri, J. 2021. Estimation of reference evapotranspiration using spatial and temporal machine learning approaches. Hydrology, 8(1), 25.
Salvadori, G. and De Michele, C. 2007. On the use of copulas in hydrology: theory and practice. Journal of Hydrologic Engineering, 12(4), 369-380.
Salvadori, G., and De Michele, C. 2004. Frequency analysis via copulas: Theoretical aspects and applications to hydrological events. Water resources research, 40(12).
Sanikhani, H. Mirabbasi Najaf Abadi, R. and Dinpashoh, Y. 2014. Modeling of temperature and rainfall of tabriz using copulas. Journal of Irrigation and Water Engineering, 5(17), 123-134.
Shiau, J. T. (2006). Fitting drought duration and severity with two-dimensional copulas. Water resources management, 20(5), 795-815.          
Sklar, A. 1959. Fonctions de Repartition and Dimensions et LeursMarges. Publications de L’Institute de Statistique, Universite’ de Paris, Paris, 8: 229–231.
Tahroudi, M. N., Ramezani, Y., De Michele, C., and Mirabbasi, R. 2020a. A new method for joint frequency analysis of modified precipitation anomaly percentage and streamflow drought index based on the conditional density of copula functions. Water Resources Management, 34(13), 4217-4231.
Tahroudi, M. N., Ramezani, Y., De Michele, C., and Mirabbasi, R. 2020b. Analyzing the conditional behavior of rainfall deficiency and groundwater level deficiency signatures by using copula functions. Hydrology Research, 51(6), 1332-1348.
Tahroudi, M. N., Ramezani, Y., De Michele, C., and Mirabbasi, R. 2022. Bivariate Simulation of Potential Evapotranspiration Using Copula-GARCH Model. Water Resources Management, https://doi.org/10.1007/s11269-022-03065-9.
Yue, S. and Rasmussen, P. 2002. Bivariate frequency analysis: discussion of some useful concepts in hydrological application. Hydrological Processes, 16(14), 2881-2898.
Yue, S. Ouarda, T. B. M. J. and Bobée, B. 2001. A review of bivariate gamma distributions for hydrological application. Journal of Hydrology, 246(1), 1-18.
نشریه آبیاری و زهکشی ایران
دوره 16، شماره 3 - شماره پیاپی 93
مرداد و شهریور 1401
صفحه 639-656

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار