نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران

نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران

مقایسه زنجیره مارکف مرتبه‌های اول، دوم و سوم جهت برآورد احتمال وقوع روزهای یخبندان در ایستگاه سینوپتیک بافت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
نادیا شهرکی 1
صفر معروفی 2
1 گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه جیرفت، جیرفت، ایران.
2 گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران.
10.22125/iwe.2025.551274.1898
چکیده
از آنجا که به دلیل آسیب‌های ناشی از پدیده یخبندان پتانسیل تولید بسیاری از محصولات کشاورزی و باغی در مناطق آسیب-پذیر کشور کاهش می‌یابد، برآورد دوره‌های یخبندان بسیار اهمیت دارد. در این مطالعه به منظور مدلسازی یخبندان روزانه و توالی‌های مربوطه، از مدل زنجیره مارکف مرتبه های اول، دوم و سوم دو حالته استفاده گردید. بدین منظور از داده های حداقل دمای روزانه ایستگاه سینوپتیک بافت در ماه های سرد سال‌های 1373 تا 1403 استفاده شد. برای تعیین مناسب ترین مدل زنجیره مارکف از آزمون AIC استفاده شد. همچنین احتمال شرطی و تداوم روزهای یخبندان و بدون یخبندان، برای بازه زمانی 2 تا 5 روزه محاسبه گردید. نتایج بر اساس معیار AIC نشان داد که، مدل زنجیره مارکف مرتبه اول برای براورد وقوع یخبندان مناسب‌ترین مدل می‌باشد. همچنین نتایج به‌دست آمده از احتمال تداوم یخبندان 2 تا 5 روزه نشان داد که مقدار متوسط این تداوم به ترتیب با میزان 12/30، 92/22، 70/17 و78/13 درصد رخ داده است. احتمال تداوم پی‌در پی روز یخبندان 2 تا 5 روزه از روز 22 تا 100 جولیوسی (12 آذر تا 31 بهمن ماه) بیشتر از بقیه ایام سال می‌باشد.
کلیدواژه‌ها
ایستگاه سینوپتیک بافت
حداقل دمای روزانه
دوره بدون یخبندان
دوره یخبندان
زنجیره مارکف
موضوعات

عنوان مقاله English

Comparing First, Second and Third Order Markov Chain to Predict the Occurrence Probability of Frost Days at Baft Synoptic Station

نویسندگان English

Nadia Shahraki 1
Safar Marofi 2
1 Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agriculture, University of Jiroft, Jiroft, Iran.
2 Department of Water Science and Engineering Engineering, Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran.
چکیده English

Predicting frost periods is of great importance, as frost damage may reduce the yield potential of many horticultural and agricultural crops in the susceptible areas of the country. Two-state Markov chain models of first, second, and third orders (MC1, MC2, and MC3) were used in the current study for modeling daily frost occurrence and its sequences. The minimum daily temperature data from the Baft synoptic station during the cold months of 1994–2024 were used for the evaluation. To identify the optimum Markov chain model, the Akaike Information Criterion (AIC) was employed. In addition, the estimated conditional probabilities and probability of consecutive non-frost and frost days were given for 2 to 5 day sequences. Findings based on the AIC indicated that the first-order Markov chain model (MC1) was the best to estimate the occurrence of frost. The findings indicated that the consecutive probability average of frost days in 2- to 5-day sequences was, respectively, 30.12%, 22.92%, 17.70%, and 13.78%. Moreover, the chance of consecutive frost episodes of 2-5 days was higher during 3 December to 20 February than it was during the rest of the year.

کلیدواژه‌ها English

Baft synoptic station
Minimum daily temperature
Frost period
non-frost period
Markov Chain
پدرام، م.، ف. رحیم­زاده و ف.  صحرائیان. 1386. بررسی تغییرات طول دوره بدون یخبندان و تعداد روزهای یخبندان در استان­های آذربایجان غربی و شرقی. مجله پژوهشی علوم انسانی دانشگاه اصفهان، جلد 24، شماره 3، ص 88- 75.
رحیمی، ج.، ن. قهرمان و ع. رحیمی. 1390. تحلیل آماری دوره­های تر و خشک بارندگی هفتگی با استفاده از زنجیره مارکف به منظور برنامه­ریزی کشاورزی دشت ورامین. مجموعه مقالات نخستین کنفرانس ملی هواشناسی و مدیریت آب کشاورزی، 2-1 آذر ماه، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران، تهران، ص 10- 1.
رستمیان، م و ا. ح. حلبیان. 1397. واکاوی آماری تواتر و تداوم روزهای یخبندان در استان خراسان جنوبی با بهره­گیری از مدل زنجیرة مارکوف. فصلنامه علمی - پژوهشی برنامه­ریزی فضایی (جغرافیا(، سال هشتم ، شماره 2، ص 60- 39.
زینالی، ب.، م. فروتن و س. اخوت. 1401. بررسی همدید وسیع­ترین و مستمرترین یخبندان­های شمال غرب ایران. فصلنامه جغرافیا و مطالعات محیطی، سال نهم، شماره 44، ص161- 148.
شادمان، ح.، م. جلالی و ف. لطیفی. 1396. پیشنهاد یک روش آماری - احتمالی برای شناسایی یخبندانهای دیررس (مطالعة موردی: یخبندانهای دیررس در باختر ایران). مطالعات علوم محیط زیست، سال دوم ،شماره 1، ص 110-101.
شهرکی، ن.، و ص. معروفی. 1398. تحلیل وقوع روزهای عادی و یخبندان با روش زنجیره مارکف مرتبه اول (مطالعه موردی: ایستگاه­های همدید همدان و ملایر). نشریه دانش آب و خاک، سال بیست و نهم، شماره 2، ص 225- 213.
عساکره، ح. 1389. احتمال تواتر و تداوم یخبندان­های زودرس و دیررس در شهر زنجان. مجله جغرافیا و برنامه­ریزی محیطی، سال بیست و یکم، شماره 1، ص 16 -1.
فاطمی، م. 1400. تحلیل فضایی توزیع زمانی و مکانی آغاز و خاتمه وقوع یخبندان در استان یزد. نشریه جغرافیا و برنامه‌ریزی، سال بیست و پنجم، شماره 76، ص 214 -203.
 
Akaike, H. 1974. A new look at the statistical model identification. IEEE Transactions on Automatic Control, 19: 716–723.
Boer, R., L.C. Campbell, and D.J. Fletcher. 1993. Characteristics of Frost in a Major Wheat– growing Region of Australia. Australian journal of agricultural research, 44(8): 1731-1743.
Chervenkov, H., and K. Slavov. 2022. Inter-annual variability and trends of the frost-free season characteristics over Central and Southeast Europe in 1950-2019. Journal of Central European Agriculture, 23(1), 154-164.
Continas, J. V. 2000. A Climatology of Freezing Rain in Great Lake region of North America. Monthly Weather Review, 128: 3574- 3588.
Daniel, S. 1985. Statistical Methods in the Atmospheric Sciences. Dep of soil, Crop and Atmospheric Sciences. ITHACA, Cornell Univ, New Yourk.
Drepper, B., A. Gobin, and J. Van Orshoven. 2022. Spatio-temporal assessment of frost risks during the flowering of pear trees in Belgium for 1971–2068. Agricultural and Forest Meteorology, 315, 108822.
Katz, R.W. 1981. On some criteria for estimating the order of a Markov chain. Technometrics, 23(3): 243–249.
Khalili, A. 1997. Integrated water plan of Iran. Meteorological studies, Ministry of power. Iran.
Kim, J.A. and H.R. Byun. 2016. Spatiotemporal variability of the latest frosts in Korean Peninsula and causes of atmospheric circulation. Meteorology and Atmospheric Physics, 128 (5): 663-675.
Madelin, M and G. Beltrando. 2005. Spatial Interpolation– Based Mapping of the Spring Frost Hazard in the Champagne Vineyards. Meteorological Applications, 12: 51-56.
Mandal, K.G., J. Padhi, A. Kumar, S. Ghosh, D.K. Panda, R.K. Mohanty and M. Raychaudhuri. 2015. Analyses of rainfall using probability distribution and Markov chain models for crop planning in Daspalla region in Odisha, India. Theoretical applied and climatology, 121: 517-528.
Moon, S.E., S.B. Ryoo and J.G. Kwon. 1994. A Markov Chain Model for Daily Precipitation Occurrence in South Korea. International Journal of Climatology, 14: 1009-1016.
Muller, G.V., M.N. Nunez and M.E. Seluchi. 2000. Relationship between ENSO Cycles and Frost Events within the Pampa Humeda Region. International journal of climatology, 20(13): 1619-1637.
Raj, S. 2025. Frost Forecasting through Machine Learning Algorithms. Earth Science Informatics, 18: 103–117.
Schwarz, G. 1978. Estimating the dimension of a model. The annals of statistics, 6(2): 461–464.
Shammi, S., F. Sohel, D. Diepeveen, S. Zander, and M. G. Jones 2023. A survey of image-based computational learning techniques for frost detection in plants. Information Processing in Agriculture, 10(2): 164-191.
Tait, A and X. Zheng. 2003. Mapping Frost Occurrence Using Satellite Data. Journal of applied meteorology, 42(2): 193- 203.
Talsma, C. J., K. C. Solander, M. K. Mudunuru, B. Crawford and M. R. Powell. 2023. Frost Prediction using Machine Learning and Deep Neural Network Models. Frontiers in Artificial Intelligence, 5: 1-16.
Tong, H. 1975. Determination of the order of a Markov chain by Akaike’s information criterion. Journal of Applied Probability, 12(3): 488–497.
Vitasse, Y., L. Schneider, C. Rixen, D. Christen and M.Rebetez. 2018. Increase in the risk of exposure of forest and fruit trees to spring frosts at higher elevations in Switzerland over the last four decades. Agricultural and Forest Meteorology, 248: 60-69.
Watkins, S.C. 1991. The Annual Period of Freezing Temperatures in Central England: 1850-1989. International Journal of Climatology, 11 (8): 889-896.