اقلیم و بوم سازگان مناطق خشک و نیمه خشک

اقلیم و بوم سازگان مناطق خشک و نیمه خشک

مدل‌سازی معادلات ساختاری سهم نسبی محرکین اقلیمی بارش و دما در وقوع خشکسالی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
گروه محیط زیست دانشکده منابع طبیعی دانشگاه سمنان، سمنان
10.22075/ceasr.2025.39770.1062
چکیده
سابقه و هدف: خشکسالی و ترسالی پدیده پیچیده‌ای است که در وقوع آن عوامل اثرگذاری متفاوتی دارند. شاخص‌های معرفی شده خشکسالی تلاش نموده اند تاثیر این عوامل را در شدت خشکسالی به گوئه‌ای که شرایط واقعی را نشان دهند فرموله نمایند. بنابراین هر شاخص مزایا و معایبی دارد که بررسی منفرد شاخص نمی تواند اطلاعات جامع در این خصوص به دست دهد. از سوی دیگر ترکیب و استفاده توام چند شاخص با روش‌های آماری جندمتغیره اطلاعات مفیدی به دستمی‌دهد. لذا در این تحقیق از رویکرد مدل‌سازی معادلات ساختاری در ارزیابی سهم نسبی محرکین خشکسالی استفاده شد تا وزن بارش و دما در شدت خشکسالی ارزیابی شود.

مواد و روشها: برای تحلیل روابط بین بارش و دما با خشکسالی، از مدل‌سازی معادلات ساختاری (SEM) استفاده شد. دادههای مورد استفاده، بارش و دمای ۱۰ ایستگاه سینوپتیک مراکز استان‌های کشور (ایران) طی 60 سال بودند. برای هر ایستگاه ،مقادیر سالانه چهار شاخص خشکسالی SPI، SPEI، RDI و PDI محاسبه شد. مقادیرشاخص‌ها قبل از استفاده در مدل‌سازی معادلات ساختاری، پاکسازی و ناهماهنگی جهت شاخصها اصلاح شد (مقادیر PDI در 1-‎ ضرب شد تا با سایر شاخصها همجهت شود). در گام بعد، مدل معادلات ساختاری آن طراحی و اجرا شد. پارامترها با روش بیشینه درستنمایی (ML) برآورد گردید و برای ارزیابی برازش مدل از شاخصهایCFI، RMSEA و SRMR استفاده شد. برازش مناسب مدل زمانی پذیرفته شد که CFI>0.90، RMSEA<0.08 و SRMR<0.08 باشد.

یافته‌ها: نتایج مدل معادلات ساختاری نشان داد که مدل پیشنهادی از برازش مطلوبی برخوردار است. هر چهار شاخص SPI، SPEI، RDI و PDI دارای بار عاملی معنادار با سازه خشکسالی بودند. بیشترین بار عاملی به شاخص SPEI (λ = 0.86) و کمترین به SPI (λ = 0.59) تعلق داشت. مسیرهای بین متغیرهای برون زا و خشکسالی هر دو معنادار بودند.. بارش اثر منفی و قوی بر خشکسالی داشت (β = –0.71, p < 0.001)، در حالی که دما اثر مثبت و معنادار نشان داد .(β=0.48, p<0.01). هطور کلی، بر مبنای این چهار شاخص و سازه ایجاد شده، 64درصد از واریانس متغیر نهفته خشکسالی توسط بارش و دما تبیین گردید. سهم نسبی بارش و دما در خشکسالی بر اساس مجذور ضرایب استادترد مدل معادلات ساختاری به ترتیب 69 و 31 درصد محاسبه شد.

نتیجه‌گیری: مدل‌سازی معادلات ساختاری نشان داد که ترکیباصلاحی شاخصهای SPI، SPEI، RDI و PDI بهخوبی میتواند مفهوم نهفتهی خشکسالی را بازنمایی کند. بر اساس این شاخص‌ها، بارش بیشترین اثر کاهنده بر شدت خشکسالی را داشت، در حالی که افزایش دما بهطور معناداری باعث تشدید خشکسالی شد. همچنین بارهای عاملی متفاوت شاخصها نشان دادند که SPI و RDI بیش از سایر شاخصها بازتاب تغییرات بارش هستند، در حالی که SPEI و PDI حساسیت بیشتری به نوسانات دما دارند. این تفکیک کارکرد شاخصها، ارزش استفاده از مدلهای معادلات ساختاری را در تحلیل پویایی خشکسالی برجسته میکند، زیرا امکان بررسی همزمان اثرات مستقیم و غیرمستقیم متغیرهای اقلیمی را فراهم میآورد.. بهطور کلی، این مطالعه تأیید میکند که مدلهای SEM ابزاری قدرتمند برای تبیین روابط چندمتغیره اقلیمی هستند و میتوانند در ارزیابی روندها و ریسک خشکسالی در مقیاس منطقهای بهکار گرفته شوند. این تحقیق توانست به بخشی از این مبانی در زمینه خشکسالی بپردازد. برای تکمیل این فرایند نیاز به تحقیقات گسترده در این زمینهمی‌باشد. با بکارگیری شاخص‌های دیگرمی‌توان ضمن حصول نتایج دقیق تر، مدل ترکیبی مناسب برای ارزیابی شدت خشکسالی ایجاد و همزمان به سهم متغیرها در وقوع پدیده پی برد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Structural Equation Modeling the Relative Contributions of Climatic Drivers (Precipitation and Temperature) to Drought Occurrence

نویسنده English

Jafar Dastorani
EnvironmentaDepartment of Environment, Faculty of Natural Resources, Semnan University, Semnan
چکیده English

Background and Objectives: Drought and wetness are complex phenomena in which many factors have different effects. The introduced drought indices have tried to formulate the effect of these factors on drought severity as if they reflect real conditions. Therefore, each index has advantages and disadvantages that a single examination of the index cannot provide comprehensive information in this regard. On the other hand, combining and using several indices with multivariate statistical methods provides useful information. Therefore, in this study, the structural equation modeling approach was used to evaluate the relative contribution of drought drivers to evaluate the weight of precipitation and temperature in drought severity.
Materials and Methods: Structural equation modeling (SEM) was used to analyze the relationship between precipitation and temperature with drought. The data used were precipitation and temperature from 10 synoptic stations in the provincial centers of Iran over a period of 60 years. For each station, annual values of four drought indices (SPI, SPEI, RDI and PDI) were calculated. Before using the indices in structural equation modeling, the values of the indices were cleaned and direction of the indices was corrected (PDI values were multiplied by -1 to align with other indices). In the next step, its structural equation model was designed and implemented. The parameters were estimated using maximum likelihood (ML) method and CFI, RMSEA and SRMR criteria were used to evaluate the model fit. The model fit was accepted when CFI>0.90, RMSEA<0.08 and SRMR<0.08.
Results: The structural equation model showed that the proposed model had a good fit. All four indices (SPI, SPEI, RDI and PDI) had significant factor loadings with drought. The highest loading factor belonged to the SPEI index (λ = 0.86) and the lowest to the SPI (λ = 0.59). The paths between exogenous variables and drought were both significant. Precipitation had a strong and negative effect on drought (β = –0.71, p < 0.001), while temperature showed a positive and significant effect (β = 0.48, p < 0.01). In general, based on these four indices and constructs, 64% of the variance of the latent variable of drought was explained by precipitation and temperature. The relative contribution of precipitation and temperature to drought was calculated as 69 and 31%, respectively, based on the squared coefficients of the structural equation model.
Conclusion: Structural equation modeling showed that the modified combination of SPI, SPEI, RDI, and PDI indices can well-represent the latent concept of drought. Based on these indices, precipitation had the greatest reducing effect on drought severity, while increasing temperature significantly intensified drought. Also, different factor loadings of the indices showed that SPI and RDI reflect precipitation changes more than other indices, while SPEI and PDI are more sensitive to temperature fluctuations. This separation of the indices' functions highlights the value of using structural equation models in analyzing drought dynamics, because it allows for the simultaneous examination of direct and indirect effects of climate variables. Overall, this study confirms that SEM models are a powerful tool for explaining multivariate climate relationships and can be used to assess drought trends and risk at a regional scale. This research was able to address some of these foundations in the field of drought. To complete this process, extensive researches are needed in this field. By using other indicators, it is possible to obtain more accurate results, create a suitable hybrid model for assessing the severity of drought, and simultaneously understand the contribution of variables to the occurrence of the phenomenon.

کلیدواژه‌ها English

Precipitation
Temperature
Drought Drivers
Structural Equation Modeling
Reflection Model
1. Ding, Y., Zhang, L., He, Y., Cao, S., Wei, X., Guo, Y., Ran, L., & Filonchyk, M., (2024). Spatiotemporal evolution of agricultural drought and its attribution under different climate zones and vegetation types in the Yellow River Basin of China. Science of The Total Environment, 914, 169687. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.169687
2. Eyring, V., Collins, W. D., Gentine, P., Barnes, E. A., Barreiro, M., Beucler, T., Bocquet, M., Bretherton, C.S., Christensen, H.M., Dagon, K., Gagne, D.J., Hall, D., Hammerling, D., Hoyer, S., Iglesias-Suarez, F., Lopez-Gomez, I., McGraw, M.C., Meehl, G.A., Molina, M.J., Monteleoni, C., Mueller, J., Pritchard, M.S.,
3.  Fu R., Wang C., Ma D., Gu H., Xie Q., Liu G., & Yin G., (2023). Attribution of air temperature and precipitation to the future global drought events. Environmental Research Communication, 5, 061005. DOI.10.1088/2515-7620/acde37
4.  Grundstein, A. (2009). Evaluation of climate change over the continental United States using a moisture index. Climatic Change, 93(1), 103-115. https://doi.org/10.1007/s10584-008-9480-3
5.  Hastie, T. (2009). The elements of statistical learning: Data Mining, Inference, and Prediction. Springer, New York.
6.  Hein, A., Condon, L., & Maxwell, R. (2019). Evaluating the relative importance of precipitation, temperature and land-cover change in the hydrologic response to extreme meteorological drought conditions over the North American High Plains. Hydrology and Earth System Sciences, 23(4), 1931-1950. https://doi.org/10.5194/hess-23-1931
7.  Keshavarz, M., & Karami, E., (2008). Factors influencing drought management and impacts: A structural equation modeling approach. Journal of Water and Soil Science, 12(43) :267-283[in Persian].
8.  Lotfi, N. A. S., Gohardoust, A., & Dargahian, F. (2024). Intuition on climate change in Zagros vegetative regions: Case study of oak tree decline sites in Ilam province. Water and Soil Management and Modelling, 4(2), 149-188. doi: 10.22098/mmws.2023.12438.1242 [In Persian]
9.  McKee, T. B., Doesken, N. J., & Kleist, J. (1993). The relationship of drought frequency and duration to time scales. In Proceedings of the 8th Conference on Applied Climatology 17(22), 179-183.
10.  Pedj, D. A. (1975). On the indicators of drought and moisture surplus. Proceedings of HMC of USSR, 156, 19–38.
11. Rosseel, Y. (2012). lavaan: An R package for structural equation modeling. Journal of Statistical Software, 48(2), 1–36. https://doi.org/10.18637/jss.v048.i02
12.  Thornthwaite, C. W. (1948). An approach toward a rational classification of climate. Geographical Review, 38(1), 55-94.
13.  Tsakiris, G., & Vangelis, H. J. E. W. (2005). Establishing a drought index incorporating evapotranspiration. European Water, 9(10), 3-11.
14.   Vangelis, H., Spiliotis, M., & Tsakiris, G. (2011). Drought severity assessment based on bivariate probability analysis. Water Resources Management, 25(1), 357-371.
15.  Zscheischler, J., Martius, O., Westra, S., Bevacqua, E., Raymond, C., Horton, R. M., ... & Vignotto, E. (2020). A typology of compound weather and climate events. Nature Reviews Earth & Environment, 1(7), 333-347. https://doi.org/10.1038/s43017-020-0060-z
16.  Wang, Q., Shao, W., Guan, Q., Sun, Y., Du, Q., Zhang, E., Yan, Y., & Yang, X. (2024). The structural equation modeling constructed for runoff change attribution analysis outperforms traditional methods. Hydrology, 636, 131317. doi.org/10.1016/
دوره 3، شماره 1
شهریور 1405
صفحه 1-12

  • تاریخ دریافت 28 آبان 1404
  • تاریخ بازنگری 30 آذر 1404
  • تاریخ پذیرش 01 اسفند 1403