3-5-2-2 انواع تابع عضویت. 32
3-5-2-3 عملیات ریاضی در مجموعه های فازی. 34
3-5-3 روابط فازی. 35
3-5-4 قواعد فازی IF THEN. 35
3-5-5 روشهای غیر فازی ساز . 36
3-5-5-1 روش های تبدیل یک کمیت فازی به کمیت کلاسیک. 36
3-6 سیستم استنتاج فازی. 38
3-6-1 روش استلزام ممدانی. 38
3-6-2 مراحل ساخت FIS. 39

فصل چهارم : مطالعه موردی. 40
4-1 مقدمه. 41
4-2 معرفی منطقه مورد مطالعه و اطلاعات مورد استفاده. 41
4-2-1 منطقه مورد مطالعه. 41
4-2-2 اطلاعات مورد استفاده . 47
4-3 انتخاب پارامترهای موثر هواشناسی در پیش بینی شاخص SPI 49
4-4 ساختار سیستم FIS و مدلهای ایجاد شده.. 58
4-4-1 تعریف ساختار کلی FIS. 59
4-4-2 مدلهای ساخته شده به تفکیک حوضه های آبریز. 60
4-5 نتایج پیش بینی خشکسالی هواشناسی در منطقه مورد مطالعه. 65
فصل پنجم : جمع بندی و پیشنهادات. 76
5-1 جمع بندی. 77
5-2 پیشنهادات. 78
منابع و مآخذ. 80
منابع فارسی:. 80
منابع لاتین:. 80
پیوست الف . 83
پیوست ب . 90
پیوست ج . 106

فهرست جداول
(جدول 3-1) : مقادیر SPI مختلف و احتمالات تجمعی مرتبط با آن.. 27
(جدول 3-2) : مقادیر SPI و وضعیت اقلیمی متناظر با آن . 27
(جدول 3-3) : (جدول 3-3) نمونه ای از یک سیستم قاعده – بنیاد فازی 36
(جدول 4-1) : تعداد سالهای قرار گیری حوضه های آبریز استان تهران در دسته بندی های SPI از سال
1355 تا 1385. 50
(جدول 4-2) : ارتباط آماری مقادیر SPI حوضه های آبریز با یکدیگر در فاصله زمانی سالهای 1355 تا 1385 به تفکیک سناریو بر اساس ضریب همبستگی 51
(جدول 4-3) : حدود جغرافیایی هر یک از زون های مورد استفاده در تحقیق 54
(جدول 4-4) : َشماره زون های جغرافیایی و ماه هایی که متغیرهای هواشناسی آنها ارتباط آماری قوی تری را با نمایه بارش استاندارد شده نشان داده اند 56
(حدول 4-5) انتخاب موثر ترین پارامتر ورودی و سناریو مربوطه به تفکیک حوضه آبریز…………………………………………… 58
(جدول4-6)- علایم اختصاری بکار رفته شده در خروجی مدلها. 61
(جدول 4-7) مشخصات مدلهای ساخته شده به تفکیک هر حوضه آبریز. 61
(جدول4-8) مشخصات قوانین فازی مورد استفاده در حوضه های مورد مطالعه 64
(جدول 4-9) خلاصه نتایج اماری مدل پیش بینی SPI به تفکیک حوضه آبریز 66
(حدول 4-5) انتخاب موثر ترین پارامتر ورودی و سناریو مربوطه حوضه آبریز کرج و لتیان……………………………………… 71
(جدول 4-11) نتایج مدل پیش بینی SPI در حوضه آبریز سد کرج بر اساس سه کلاس اقلیمی ……………………………………….. 67
(جدول 4-12)نتایج مدل پیش بینی SPI در حوضه آبریز سد طالقان بر اساس سه کلاس اقلیمی…………………………………….. 67
(جدول 4-13)نتایج مدل پیش بینی SPI در حوضه آبریز سد ماملو بر اساس سه کلاس اقلیمی………………………………………… 67
(جدول 4-14)نتایج مدل پیش بینی SPI در حوضه آبریز سد لتیان بر اساس سه کلاس اقلیمی………………………………………… 67
(جدول 4-15)نتایج مدل پیش بینی SPI در حوضه سد لار بر اساس سه کلاس اقلیمی……………………………………………… 67











فهرست شکل ها
(شکل3-1): توزیع گاما با مقادیر پارامتری 2= و 1=….. 22
(شکل 3-2): مقایسه احتمال تجمعی و شاخص SPI در فورت کالینز کلورادو 23
(شکل 3-3): توزیع نرمال SPI با میانگین صفر و واریانس صفر.. 25
(شکل 3-4): سری زمانی مقادیر SPI براساس مجموع بارش سه ماهه (اکتبر، نوامبر و دسامبر) از سال 1922 تا 1998……………………. 26
(شکل 3-5): سری زمانی مقادیر SPI براساس مجموع بارش دوازده ماهه از سال 1922 تا 1998…………………………………… 26
(شکل 3-6 ) مقایسه دقت و معنا در دنیا واقعی………….. 30
(شکل 3-7 ) الف- مجموعه کلاسیک ، ب- مجموعه فازی ……… 31
(شکل 3-8) (a) تابع عضویت مثلثی ، (b) تابع عضویت ذوزنقه ای 32
(شکل 3-9) (a) تابع گوسی ساده ، (b) تابع عضویت گوسی ترکیبی 32
(شکل 3-10 ) تابع عضویت زنگوله ای…………………. 33
(شکل 3-11) (a) تابع عضویت نامتقارن ، (b) تابع عضویت تفاضل دو تابع حلقوی، © تابع عضویت ضرب دو تابع حلقوی ………………….. 33
(شکل 3-12) (a) تابع عضویتZ، (b) تابع عضویت Pi، © تابع عضویت S 34
(شکل 3-13) توابع عضویت اجتماع، اشتراک و متمم فازی…… 35
(شکل 3-14 ) نمایش گرافیکی استلزام ممدانی برای ورودی غیر فازی 39
(شکل 4-1)، موقعیت سدهای استان تهران (سایت اینترنتی شرکت سها می‌آب منطقه ای تهران)……………………………………… 43
(شکل 4-2): منابع رطوبت بارندگی‌های ایران در فصل پاییز (اقتباس از علیجانی،1381) ………………………………… 45
(شکل 4-3): منابع رطوبت بارندگی‌های ایران در فصل زمستان (اقتباس از علیجانی،1381)…………………………………… 46
  (شکل4-4): منابع رطوبت بارندگی‌های ایران در فصل بهار (اقتباس از علیجانی،1381)…………………………………… 46
(شکل 4-5): منابع رطوبت بارندگی‌های ایران در فصل تابستان (اقتباس از علیجانی،1381)…………………………………… 47
(شکل 4-6): موقعیت ایستگاه های باران سنجی مورد استفاده نسبت به چهار حوضه مورد بررسی…………………………………….. 48
(شکل 4-7): برازش تابع توزیع گاما بر روی داده ای بارش فصل بهار حوضه آبریز کرج…………………………………………… 49
(شکل 4-8): برازش تابع توزیع گاما بر روی داده ای بارش فصل بهار حوضه آبریز لتیان…………………………………………. 49
شکل (4-9): گستره محدوده 45 گانه جغرافیایی که اطلاعات جوی در 34 زون آن در تحلیلهای آماری استفاده شده است……………………. 55
(شکل 4-10) مقادیر بیشینه MI پارامتر ارتفاع معادل فشار در سطح 300 میلی بار و SPI حوضه آبریز لتیان برای سناریو زمستان به تفکیک هر زون 56
(شکل4-11) – مقادیر بیشینه MI پارامتر ارتفاع معادل فشار در سطح 300 میلی بار و SPI حوضه آبریز ماملو برای سناریو زمستان به تفکیک هر زون 56
(شکل 4-12) – مقادیر بیشینه MI پارامتر ارتفاع معادل فشار در سطح 300 میلی بار و SPI حوضه آبریز لار برای سناریو زمستان به تفکیک هر زون 57
(شکل 4-13) – مقادیر بیشینه MI پارامتر ارتفاع معادل فشار در سطح 850 میلی بار و SPI حوضه آبریزکرج برای سناریو زمستان+بهار به تفکیک هر زون……………………………………………… 57
(شکل 4-14) – مقادیر بیشینه MI پارامتر ارتفاع معادل فشار در سطح 850 میلی بار و SPI حوضه آبریز طالقان برای سناریو زمستان+بهار به تفکیک هر زون…………………………………………… 57
(شکل4-15)، نمودار گردشی فرآیند استنتاج فازی مورد استفاده 62
(شکل 4-16) توابع عضویت الف) ورودی و ب) خروجی مدل استنتاج فازی حوضه آبریز سد لار ………………………………………… 63
(شکل 4-17) توابع عضویت الف) ورودی و ب) خروجی مدل استنتاج فازی حوضه آبریز سد لتیان………………………………….. 63
(شکل 4-18) توابع عضویت الف) ورودی و ب) خروجی مدل استنتاج فازی حوضه آبریز سد ماملو………………………………….. 63
(شکل 4-19) توابع عضویت الف) ورودی و ب) خروجی مدل استنتاج فازی حوضه آبریز سد طالقان ………………………………… 64
(شکل 4-20) توابع عضویت الف) ورودی و ب) خروجی مدل استنتاج فازی حوضه آبریز سد کرج……………………………………. 64
(شکل 4-21) سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی SPI دسته اطلاعات آموزش ی برای حوضه آبریز لار برای21 سال………………….. 66
(شکل 4-22) سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی SPI دردسته اطلاعات صحت سنجی برای حوضه آبریز لار برای10 سال……………….. 66
(شکل 4-23) سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی SPI دسته اطلاعات آموزش ی برای حوضه آبریز کرج برای21 سال…………………. 67
(شکل 4-24) سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی SPI دردسته اطلاعات صحت سنجی برای حوضه آبریز کرج برای10 سال………………. 67
(شکل 4-25) سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی SPI دسته اطلاعات آموزش ی برای حوضه آبریز طالقان برای21 سال………………. 67
(شکل 4-26) سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی SPI دردسته اطلاعات صحت سنجی برای حوضه آبریز طالقان برای10 سال……………. 68
(شکل 4-27) سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی SPI دسته اطلاعات آموزش ی برای حوضه آبریز ماملو برای21 سال……………….. 68
(شکل 4-28) سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی SPI دردسته اطلاعات صحت سنجی برای حوضه آبریز ماملو برای10 سال…………….. 68
(شکل 4-29) سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی SPI دسته اطلاعات آموزش ی برای حوضه آبریز لتیان برای21 سال……………….. 69
(شکل 4-30) سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی SPI دردسته اطلاعات صحت سنجی برای حوضه آبریز لتیان برای10 سال…………….. 69
(شکل 4-31) نتایج آماری مدل پیش بینی SPI حوضه آبریزسد کرج، الف- مرحله آموزش ، ب- مرحله صحت سنجی……………………….. 69
(شکل 4-32) نتایج آماری مدل پیش بینی SPI حوضه آبریزسد طالقان، الف- مرحله آموزش ، ب- مرحله صحت سنجی……………………….. 70
(شکل 4-33) نتایج آماری مدل پیش بینی SPI حوضه آبریزسد ماملو، الف- مرحله آموزش ، ب- مرحله صحت سنجی……………………….. 70
(شکل 4-34) نتایج آماری مدل پیش بینی SPI حوضه آبریزسد لتیان، الف- مرحله آموزش ، ب- مرحله صحت سنجی……………………….. 70
(شکل 4-35) نتایج آماری مدل پیش بینی SPI حوضه آبریزسد لار، الف- مرحله آموزش ، ب- مرحله صحت سنجی……………………….. 71
(شکل 4-36) نتایج آماری مدل پیش بینی SPI حوضه آبریزسد لتیان با MI کمتر الف- مرحله آموزش ، ب- مرحله صحت سنجی……………… 71
(شکل 4-37) نتایج آماری مدل پیش بینی SPI حوضه آبریزسد کرج با MI کمتر الف- مرحله آموزش ، ب- مرحله صحت سنجی……………… 71
(شکل 4-38)، سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی دو دسته اطلاعات آموزش و صحت سنجی بر اساس کلاس SPI در فاصله سالهای 1355 تا 1385، برای حوضه آبریز لار (مقدار 1 معرف ترسالی، 0 معرف میانه و -1 معرف خشکسالی) 73
(شکل 4-39)، سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی دو دسته اطلاعات آموزش و صحت سنجی بر اساس کلاس SPI در فاصله سالهای 1355 تا 1385، برای حوضه آبریز لتیان (مقدار 1 معرف ترسالی، 0 معرف میانه و -1 معرف خشکسالی) 73
(شکل 4-40)، سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی دو دسته اطلاعات آموزش و صحت سنجی بر اساس کلاس SPI در فاصله سالهای 1355 تا 1385، برای حوضه آبریز ماملو (مقدار 1 معرف ترسالی، 0 معرف میانه و -1 معرف خشکسالی) 73
(شکل 4-41)، سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی دو دسته اطلاعات آموزش و صحت سنجی بر اساس کلاس SPI در فاصله سالهای 1355 تا 1385، برای حوضه آبریز طالقان (مقدار 1 معرف ترسالی، 0 معرف میانه و -1 معرف خشکسالی) 73
(شکل 4-42)، سری زمانی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی دو دسته اطلاعات آموزش و صحت سنجی بر اساس کلاس SPI در فاصله سالهای 1355 تا 1385، برای حوضه آبریز کرج (مقدار 1 معرف ترسالی، 0 معرف میانه و -1 معرف خشکسالی) 74

چکیده
تشخیص الگوی وقوع خشکسالی و پایش آن در تعیین رویکرد بهینه به‌ مدیریت منابع آب بویژه در خصوص منابع تامین کننده آب کلان شهرهایی که از منظر اقلیمی در معرض وقوع حوادث خشکسالی واقعند، اهمیت دارد. در این میان، شهر تهران با بهره‌گیری از پنج حوضه آبریز و سدهای مربوطه (امیرکبیر، لار، لتیان، طالقان و ماملو) در معرض خشکسالی و لطمات آن واقع است. در این مقاله با استفاده از اطلاعات جوی در محدوده جغرافیایی [˚0، ˚60] شمالی و [˚0، ˚90] شرقی (با دقت 10×10 درجه) و شامل اطلاعات ماهانه دما و ارتفاع معادل فشار از سال 1948 تا 2008 میلادی در سطوح 1000، 850، 700، 500 و 300 میلی بار به پیش‌بینی میان مدت خشکسالی هواشناسی (با زمان پیش‌دید 5/2 و 5/4 ماه) با استفاده از نمایه بارش استاندارد شده (SPI) در بارش فصول زمستان، بهار، پاییز و مجموع فصول زمستان و بهار، پاییز و زمستان، پاییزو زمستان و بهار پرداخته شده است. در این تحقیق پس از شناسایی نقطه-پارامترهای جوی موثر بر الگوی بارش در مناطق مورد نظر و با استفاده از معیار آماری مناسب، به توسعه یک سیستم استنتاج فازی به منظور پیش‌بینی شاخص (SPI) پرداخته شده است. پارامترهای منتخب در این تحقیق، ارتفاع معادل فشار ثبت شده جو در دو سطح 850 و 300 میلی بار است. نتایج گویای کارایی مناسب این تخمینگر در پیش‌بینی خشکسالی هواشناسی با دقت مناسب مکانی بوده و در نهایت با استفاده از شاخص‌های آماری مناسب کارایی این رویکرد کمی شده است.

کلمات کلیدی:
پیش‌بینی خشکسالی، نمایه استاندارد شده بارش، سیستم استنتاج فازی، خشکسالی هواشناسی

فصل اول:
کلیات تحقیق

1-1 مقدمه
تغییر در الگوی بارش و تغییرات زمانی وتوزیع فصلی بارش تاثیرات اقتصادی واجتماعی زیادی بر کشور ما که عمدتا دارای اقلیم خشک ونیمه خشک است, دارد. مطالعه و بررسی تغییرات آب و هوایی و شناخت رفتار متغیرهای مختلف هواشناسی مثل بارش، دمای هوا و فشار بخصوص در مناطقی که با تنوع آب و هوایی گوناگون و وقوع دوره های خشک و تر شدید مواجه هستند، اهمیت زیادی دارد. بحث پیش بینی متغیرهای مختلف هواشناسی بویژه در کشورهایی که تاحدی با خشکسالی مواجه هستند و یا در آستانه خشکسالی قرار دارند بسیار مهم و حائز اهمیت است. از طرف دیگر در مناطقی که دارای ترسالی های متعدد و شرایط سیلابی نیز هستند این پیش بینی ها مفید و دارای ارزش خاصی خواهد بود. یکی از مهمترین اطلاعات مورد نیاز برای برنامه ریزی و مدیریت منابع آبی، شناخت رفتار متغیرهای آب و هوایی جهت پیش بینی کوتاه مدت یا دراز مدت متغیرهای هیدرولوژیکی می باشد. در برخی موارد این
پیش بینی ها در باز ه های زمانی کوتاه مدت صورت می گیرد که به نوبه خود برای تصمیم گیری های کوتاه مدت مورد استفاده قرار می گیرند. اما گاهی این پیش بینی ها در بازه های زمانی دراز مدت مانند ماهانه و یا فصلی صورت می گیرند که اهمیت زیادی برای برنامه ریزی های فصلی و سالانه مدیریت منابع آب در بسیاری از حوزه های آبریز کشور که متکی به منابع آب سطحی هستند، دارد.
1-2 بیان مسأله اساسی تحقیق :
یکی از جدی‌ترین چالش‌های پیشرو در دهه اخیر در دسترس بودن منابع آب و تأثیرات اقلیمی بر روند بارش و خشکسالی است. از عمده موانع در تخصیص و اولویت بندی منابع آبی، عدم اطلاع و پیش‌بینی معتبر در زمان مناسب می‌باشد. یکی از پارامترهای معتبر در خصوص تعیین رژیم بارش اندیس استاندارد شده (SPI[1]) بارندگی می‌باشد. مک‌کی[2] و همکاران (1995و 1993) این پارامتر را به منظور تعریف و پایش هواشناختی بارش ارائه دادند.. امروزه مرکز اقلیم کلرادو، مرکز اقلیم منطقه ای غرب ایالات متحده و مرکز ملی مبارزه با خشکسالی ایالات متحده از این اندکس برای پایش شرایط فعلی خشکسالی در ایالات متحده سود می‌برند. این اندکس به تحلیلگر امکان مشخص کردن بی سابقه بودن یک خشکسالی یا یک تر سالی را در مقیاس زمانی مشخص برای هر منطقه ای از زمین که دارای سابقه آمار تاریخی باشد را میدهد. در این تحقیق با استفاده از سیستم های استنتاج فازی، مدل پیش بینی SPI توسعه داده خواهد شد
.
1-3 اهمیت و ضرورت انجام تحقیق
در زمینه پیش بینی شاخص SPI با استفاده از روشهای مختلف آماری و هوش مصنوعی، تحقیقاتی بسیار کمی در سطح بین المللی انجام شده است. در این زمینه، تاکنون تحقیقی برای استفاده از سیستم استنتاج فازی )FIS[3]( صورت نگرفته است و انتظار می رود نتایج این تحقیق به توسعه مدلی منجر شود که با استفاده از اطلاعات هواشناسی ماهواره ای پیش بینی دوره های کم بارش و پربارش را با استفاده از سیستم استنتاج فازی فراهم نماید.

1-4 سوال تحقیق
آیا امکان استفاده از اطلاعات هواشناسی در محدوده های موثر بر سیستم های باران زای محدوده مورد مطالعه به منظور پیش بینی دوره های کم بارش و پربارش در مقیاس فصلی وجود دارد؟

1- 5 اهداف تحقیق:
یکی از مهم ترین چالش‌هایی که سیستم مدیریت منابع آب کشور در دهه اخیر با آن مواجه بوده است، تعدد و شدت قابل ملاحظه خشکسالی های بوقوع پیوسته بوده است. عدم وجود یک سامانه پیش بینی و هشداررسانی دوره های پربارش و کم بارش، مشکلات مواجهه با این شرایط حدی هیدرولوژیکی را دوچندان نموده است.
افزایش فراوانی و شدت خشکسالی‌ها ناشی از تغییر الگوی بارش وتبخیر وتعرق می‌تواند یکی از پیامد های تغییر آب وهوا بر چرخه سالانه هیدرولوژیکی باشد بطوریکه افزایش دما در زمستان باعث جلو افتادن پدیده ذوب برف و در نتیجه تغییر زمان وقوع رواناب بیشینه در فصل بهار و کاهش رواناب در تابستان شود. بر اساس تحقیقات انجام