DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-56160-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38443699
تاريخ النشر: 2024-03-05
المؤلف: Mohammad Kazemi Garajeh وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقييم وإدارة مخاطر الفيضانات
نظرة عامة
تستخدم هذه الدراسة منهجية قائمة على البيانات باستخدام طبقات رسم خرائط المياه السطحية العالمية JRC-الإصدار 1.4 على منصة Google Earth Engine (GEE) لتقييم تأثير تغير المناخ على موارد المياه السطحية من عام 2000 إلى عام 2021. تم تحليل المتغيرات المناخية الرئيسية، بما في ذلك درجة حرارة الهواء (AT) والتبخر الفعلي (ETa) وإجمالي هطول الأمطار، باستخدام مؤشر درجة الحرارة والنبات (TVX) ومنتجات MODIS. تكشف النتائج عن وجود علاقة سلبية كبيرة بين AT وETa مع مساحة المياه السطحية في حوض البحيرة العليا (LUB)، مع معاملات ارتباط جزئية تبلغ -0.65 و-0.68، على التوالي. بالمقابل، أظهر هطول الأمطار علاقة إيجابية أضعف تبلغ +0.25. على مدار العقود الأربعة الماضية، ظلت حوالي 40% من المسطحات المائية في LUB دائمة، مما يشير إلى فقدان حوالي 30% من موارد المياه الدائمة، التي تحولت إلى مسطحات مائية موسمية، والتي تشكل ما يقرب من 13% من الإجمالي.
تخلص الدراسة إلى أن تقنيات الاستشعار عن بعد، وخاصة GEE، فعالة في تحليل مجموعات البيانات الكبيرة لمراقبة آثار تغير المناخ على ندرة المياه. وُجدت معاملات الارتباط بين مساحة المياه والمتغيرات المناخية لتكون -0.55 لدرجة حرارة الهواء، -0.59 للتبخر الفعلي، و0.39 لهطول الأمطار. من عام 1984 إلى عام 2021، شهدت LUB فقدانًا بنسبة 12.78% في مساحة المياه الدائمة، مع تحديد 2.74% كمصادر مياه موسمية. تبرز الأبحاث الطبيعة الديناميكية لموارد المياه، مع تقلبات في المسطحات المائية الموسمية، وتؤكد على أهمية الأساليب المعتمدة على الإنترنت لمراقبة آثار تغير المناخ، خاصة في المناطق شبه الجافة والجافة. هذه النتائج حاسمة لاستراتيجيات إدارة المياه وتساهم في تقدم علم نظم المعلومات الجغرافية من خلال تحديد تقنيات فعالة لرسم خرائط آثار تغير المناخ على موارد المياه.
الطرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون منصة Google Earth Engine (GEE) لتحليل وتتبع المتغيرات المناخية من عام 2000 إلى عام 2021، مع دمج مجموعة بيانات عالمية عالية الدقة للمياه السطحية تمتد من 16 مارس 1984 إلى 31 ديسمبر 2021. سهلت هذه الدمج تقييمًا شاملاً للعلاقة بين التغيرات المناخية وديناميات موارد المياه.
استخدمت المنهجية نهجًا متكاملًا يجمع بين تقنيات الاستشعار عن بعد وGEE لمراقبة تأثيرات تغير المناخ على موارد المياه في حوض البحيرة العليا (LUB) بشكل فعال. اختتمت الدراسة بحساب معاملات الارتباط لت quantifying العلاقة بين المتغيرات المناخية المحددة والتغيرات في موارد المياه، كما هو موضح في الشكل 4 من الورقة.
النتائج
تسلط نتائج هذه الدراسة الضوء على التغيرات الكبيرة في موارد المياه داخل حوض البحيرة العليا (LUB) في إيران، من عام 1984 إلى عام 2021، باستخدام مجموعات بيانات الاستشعار عن بعد ومنصة Google Earth Engine (GEE). يكشف التحليل أن وجود المياه في الأجزاء المركزية من LUB ظل مستقرًا نسبيًا، حيث يغطي حوالي 0.99% من المساحة، بينما شهدت المناطق المحيطة تقلبات كبيرة في حدوث المياه. على وجه التحديد، شهد حوالي 73.58% من منطقة الدراسة تغييرات مطلقة في وجود المياه، مع انخفاض ملحوظ في موارد المياه الموسمية وتحويل 28.99% من المياه الدائمة إلى مياه موسمية. تشير النتائج إلى أن شهري يناير وديسمبر يظهران أعلى توفر للمياه بسبب الثلوج الموسمية، بينما تظهر أشهر الربيع زيادة في مستويات المياه الناتجة عن هطول الأمطار.
تؤكد الدراسة أيضًا على وجود علاقة بين مساحة سطح المياه والعوامل المناخية، حيث تكشف عن علاقة سلبية ذات دلالة إحصائية تبلغ -0.656 مع درجة حرارة الهواء (AT) وعلاقة إيجابية أضعف تبلغ +0.25 مع هطول الأمطار. يشير التحليل إلى أن ارتفاع درجات الحرارة وزيادة التبخر (ETa) تسهم في انخفاض مساحة سطح المياه، التي انخفضت بمعدل 2.0% في العقد. بالإضافة إلى ذلك، أدت العوامل البشرية، مثل التوسع الزراعي وسوء إدارة المياه، إلى تفاقم انخفاض موارد المياه، مما طغى على تأثيرات تغير المناخ. تؤكد هذه النتائج على الحاجة الملحة لاستراتيجيات فعالة لإدارة موارد المياه في المناطق شبه الجافة للتخفيف من الآثار السلبية لتقلب المناخ والأنشطة البشرية على توفر المياه.
المناقشة
تركز الدراسة على حوض بحيرة أورمية (LUB) في شمال شرق إيران، الذي شهد تغييرات كبيرة في موارد المياه من عام 1984 إلى عام 2021 بسبب تغير المناخ. باستخدام نهج متكامل يجمع بين الاستشعار عن بعد ومنصة Google Earth Engine (GEE)، تكشف الأبحاث عن انخفاض ذي دلالة إحصائية في مساحة سطح المياه، حيث فقد حوالي 12.78% من المياه الدائمة خلال هذه الفترة. يشير التحليل إلى وجود علاقة سلبية بين درجة حرارة الهواء (AT) والتبخر (ETa) مع مساحة سطح المياه، مما يشير إلى أن ارتفاع درجات الحرارة يسهم في زيادة التبخر وتقليل توفر المياه. بالمقابل، توجد علاقة إيجابية بين هطول الأمطار ومساحة سطح المياه، مما يبرز الدور الحاسم للأمطار في دعم موارد المياه.
تؤكد النتائج على اتجاه مقلق يتمثل في انخفاض هطول الأمطار السنوي، حيث انخفضت المعدلات من 0.094 مم في عام 2000 إلى 0.070 مم في عام 2021. هذا الانخفاض، إلى جانب ارتفاع AT وETa، يزيد من ندرة المياه في المنطقة، مما يؤدي إلى مشاكل بيئية مثل زيادة الملوحة وانخفاض التنوع البيولوجي، مما يؤثر بشكل ملحوظ على أنواع مثل الأرتيميا والطيور الوردية. تؤكد الدراسة على أهمية طرق المراقبة الدقيقة، مثل طبقات رسم خرائط المياه السطحية العالمية JRC، التي توفر دقة مكانية محسنة لتقييم التغيرات في المسطحات المائية. بشكل عام، تساهم الأبحاث في تقديم رؤى قيمة لإدارة المياه وتبرز التحديات الاجتماعية والاقتصادية التي تفرضها ندرة المياه الناتجة عن تغير المناخ في LUB.
القيود
تتعلق القيود الرئيسية لهذه الدراسة بالتغير الزمني لمنتج طبقات رسم خرائط المياه السطحية العالمية JRC، الإصدار 1.4. إن غياب البيانات السنوية عن تخزين المياه السطحية يحد من تحليل أنماط المياه على مر الزمن. على وجه التحديد، تعتبر المعلومات التفصيلية السنوية التي تشمل الديناميات الموسمية والزمنية والشهرية والدائمة للخزانات ضرورية لمراقبة التغيرات في موارد المياه بشكل فعال.
يجب أن تهدف الأبحاث المستقبلية إلى تطوير مجموعات بيانات توفر رؤى سنوية شاملة حول خصائص سطح المياه. ستعزز هذه التطورات من فهم التغيرات الهيدرولوجية وتسهيل استراتيجيات إدارة موارد المياه بشكل أكثر فعالية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-56160-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38443699
Publication Date: 2024-03-05
Author(s): Mohammad Kazemi Garajeh et al.
Primary Topic: Flood Risk Assessment and Management
Overview
This study employs a data-driven methodology utilizing the JRC-Global surface water mapping layers V1.4 on Google Earth Engine (GEE) to assess the impact of climate change on surface water resources from 2000 to 2021. Key climatic variables, including air temperature (AT), actual evapotranspiration (ETa), and total precipitation, were analyzed using temperature-vegetation index (TVX) and MODIS products. The findings reveal a significant negative correlation between AT and ETa with water surface area in the LUB, with partial correlation coefficients of -0.65 and -0.68, respectively. In contrast, precipitation showed a weaker positive correlation of +0.25. Over the past four decades, approximately 40% of water bodies in the LUB have remained permanent, indicating a loss of around 30% of permanent water resources, which have shifted to seasonal water bodies, comprising nearly 13% of the total.
The study concludes that remote sensing technologies, particularly GEE, are effective for analyzing large datasets to monitor climate change impacts on water scarcity. The correlation coefficients between water area and climatic variables were found to be -0.55 for AT, -0.59 for ETa, and 0.39 for precipitation. From 1984 to 2021, the LUB experienced a loss of 12.78% in permanent water area, with 2.74% identified as seasonal water resources. The research highlights the dynamic nature of water resources, with fluctuations in seasonal water bodies, and emphasizes the importance of online-based approaches for monitoring climate change effects, particularly in semi-arid and arid regions. These findings are crucial for water management strategies and contribute to advancements in GIS science by identifying effective techniques for mapping climate change impacts on water resources.
Methods
In this study, the authors utilized the Google Earth Engine (GEE) platform to analyze and track climatic variables from 2000 to 2021, integrating a high-resolution global surface water dataset spanning from March 16, 1984, to December 31, 2021. This integration facilitated a comprehensive assessment of the relationship between climatic changes and water resource dynamics.
The methodology employed an integrated approach that combined remote sensing techniques with GEE to effectively monitor the impacts of climate change on water resources in the LUB (Lake Upper Basin). The study culminated in the calculation of correlation coefficients to quantify the relationship between the identified climatic variables and alterations in water resources, as illustrated in Figure 4 of the paper.
Results
The results of this study highlight significant changes in water resources within the LUB, Iran, from 1984 to 2021, utilizing remote sensing datasets and Google Earth Engine (GEE). The analysis reveals that water presence in the central parts of the LUB has remained relatively stable, covering approximately 0.99% of the area, while surrounding regions have experienced substantial fluctuations in water occurrence. Specifically, about 73.58% of the study area underwent absolute changes in water presence, with a notable decline in seasonal water resources and a conversion of 28.99% of permanent water to seasonal water. The findings indicate that January and December exhibit the highest water availability due to seasonal snow, while spring months show increased water levels from precipitation.
The study further establishes a correlation between water surface area and climatic factors, revealing a statistically significant negative correlation of -0.656 with air temperature (AT) and a weaker positive correlation of +0.25 with precipitation. The analysis indicates that rising temperatures and increased evaporation (ETa) are contributing to a decline in water surface area, which has decreased at a rate of 2.0% per decade. Additionally, anthropogenic factors, such as agricultural expansion and poor water management, have exacerbated the reduction in water resources, overshadowing the impacts of climate change. These findings underscore the critical need for effective water resource management strategies in semi-arid regions to mitigate the adverse effects of climate variability and human activities on water availability.
Discussion
The study focuses on the Lake Urmia Basin (LUB) in northeastern Iran, which has experienced significant changes in water resources from 1984 to 2021 due to climate change. Utilizing an integrated approach combining remote sensing and Google Earth Engine (GEE), the research reveals a statistically significant reduction in water surface area, with approximately 12.78% of permanent water lost during this period. The analysis indicates a negative correlation between air temperature (AT) and evapotranspiration (ETa) with water surface area, suggesting that rising temperatures contribute to increased evaporation and reduced water availability. Conversely, a positive correlation exists between precipitation and water surface area, highlighting the critical role of rainfall in sustaining water resources.
The findings underscore a concerning trend of declining annual precipitation, with rates decreasing from 0.094 mm in 2000 to 0.070 mm in 2021. This reduction, coupled with rising AT and ETa, exacerbates water scarcity in the region, leading to ecological issues such as increased salinity and a decline in biodiversity, notably affecting species like Artemia and flamingos. The study emphasizes the importance of accurate monitoring methods, such as the JRC Global Surface Water Mapping Layers, which provide enhanced spatial resolution for assessing water body changes. Overall, the research contributes valuable insights for water management and highlights the socio-economic challenges posed by climate-induced water scarcity in the LUB.
Limitations
The primary limitation of this study pertains to the temporal variability of the JRC Global Surface Water Mapping Layers, v1.4 product. The absence of annual data on water surface storage restricts the analysis of water patterns over time. Specifically, detailed yearly information encompassing seasonal, temporal, monthly, and permanent reservoir dynamics is crucial for effectively monitoring changes in water resources.
Future research should aim to develop datasets that provide comprehensive annual insights into water surface characteristics. Such advancements would enhance the understanding of hydrological changes and facilitate more effective water resource management strategies.