Spatio-Temporal Disaggregation of CMIP6 Rainfall Datasets and Generation of Intensity Duration Frequency (IDF) Curves for Hyderabad Metropolitan City, India

المدن ليست مجرد تجمعات من المباني؛ بل هي أنظمة معقدة ونابضة بالحياة، حيث يتصرف الطقس فيها بشكل مختلف عما هو عليه في الأرياف المفتوحة. فعندما تهطل أمطار غزيرة، لا تستطيع الأرض في المدينة امتصاصها كما تفعل أرض الغابة. بدلاً من ذلك، تندفع المياه فوق الخرسانة والأسفلت، لتملأ المصارف والشوارق بسرعة مرعبة. ولتصميم الأنابيب والقنوات التي تحافظ على سلامة المدينة، يعتمد المهندسون على نوع محدد من الخرائط يسمى منحنى "الشدة-المدة-التكرار". لا تعرض هذه الخريطة الجغرافيا، بل تعرض العلاقة الإحصائية بين شدة هطول الأمطار، ومدة العاصفة، ومدى تكرار مثل هذه العواصف. فهي تخبر المخططين، على سبيل المثال، كمية المياه التي يجب أن يستوعبها المصرف إذا أسقطت عاصفة كمية معينة من الأمطار خلال ساعة واحدة مقابل ست ساعات. ومع ذلك، أصبحت هذه الخرائط قديمة؛ فمع ارتفاع درجة حرارة المناخ العالمي، تتغير أنماط الأمطار، وتصبح أكثر اضطراباً وكثافة. والخرائط القديمة، التي رُسمت بناءً على عقود من الطقس الماضي، لم تعد تعكس واقع الغلاف الجوي المتغير.

يكمن التحدي الذي يواجه العلماء في أن الأدوات المستخدمة للتنبؤ بالطقو المستقبلي، والمعروفة باسم نماذج المناخ العالمية، خشنة للغاية بحيث لا يمكنها رؤية تفاصيل مدينة واحدة. فهذه النماذج تقسم العالم إلى شبكات كبيرة، يبلغ عرض كل منها مئات الأميال، وهو أمر أكبر من أن يستوعب نوبات الأمطار العنيفة والمحددة التي تسبب فيضانات في المناطق الحضرية. علاوة على ذلك، تتنبأ هذه النماذج عادةً بهطول الأمطار في كتل يومية، لكن أنظمة الصرف في المدن تحتاج إلى معرفة ما يحدث ساعة بساعة. ولجسر هذه الفجوة، يجب على الباحثين أخذ التنبؤات اليومية الواسعة من النماذج العالمية وتفكيكها إلى التفاصيل الساعية الدقيقة التي يحتاجها المهندسون. تتضمن هذه العملية خطوتين: أولاً، تصحيح النماذج لتتطابق مع سجلات الطقس المحلية، وثانياً، تقسيم الإجماليات اليومية إلى أنماط ساعية واقعية.

قام فريق من الباحثين بقيادة ناريس أادهي وزملائه في جامعة أساميا في الهند بمعالجة هذه المشكلة في حيدر أباد، وهي منطقة حضرية ضخمة تقع في هضبة الدكن. تواجه حيدر أباد مزيجاً مناخياً فريداً، حيث تقع عند تقاطع الظروف الاستوائية الرطبة والجفاف شبه القاحل. وتعتمد المدينة بشكل كبير على الرياح الموسمية الجنوبية الغربية للحصول على معظم أمطارها، ولكن شهدت السنوات الأخيرة اتجاهاً مقلقاً: أيام ممطرة أقل بشكل عام، لكن تلك التي تحدث تسكب المياه بكثافة خطيرة. في عام 2020، سجلت المدينة أكثر من 250 ملم من الأمطار في يوم واحد، مما تسبب في فيضانات شديدة. وللاستعداد لما سيأتي، كان على الفريق فهم كيف قد تتغير هذه العواصف القصيرة المدى شديدة الكثافة بحلول نهاية القرن. وقد لجأوا إلى الجيل الأحدث من نماذج المناخ العالمية، وتحديداً "مشروع المقارنة بين النماذج المزدوجة - المرحلة السادسة" (CMIP6)، والذي يقدم أكثر عمليات المحاكاة تقدماً لمناخ الأرض المستقبلي.

بدأ الباحثون باختيار ثمانية نماذج مناخ عالمية مختلفة لمعرفة أي منها يمكنه محاكاة تاريخ هطول الأمطار في حيدر أباد بأفضل شكل. واستخدموا 4 ร سجلات هطول الأمطار الفعلية لمدة 45 عاماً من محطة أرصاد جوية واحدة في المدينة، تمتد من عام 1969 إلى 2013، كمعيار مرجعي لهم. واختبروا النماذج مقابل أربع خصائص رئيسية للأمطار: الكمية المتوسطة، والتباين أو مدى تقلب الأمطار من يوم لآخر، ونمط الساعات الرطبة والجافة، وعلاقة الساعة الحالية بالساعة التالية في هطول الأمطار. كانت النتائج كاشفة؛ فلم يكن أي نموذج مثالياً في كل شيء. أحد النماذج، وهو CNRM-ESM2-1، كان الأفضل في ضبط متوسط هطول الأمطار بشكل صحيح. بينما كان النموذج BCC-CSM2-MR هو الأفضل في مطابقة التقلبات الطبيعية للأمطار. وعندما تعلق الأمر بتوقيت الفترات الرطبة والجافة، عانت النماذج، حيث تنبأت غالباً بساعات جافة أكثر من اللازم. وقد أكدت هذه النتيجة حقيقة صعبة في علوم المناخ: لا يوجد نموذج واحد "أفضل"؛ فالاختيار بين النماذج التي يمكن الوثوق بها يعتمد كلياً على الجانب المحدد من المطر الأكثر أهمية للمهمة المطلوبة.

بمجرد تصحيح النماذج لتتطابق مع الماضي، تعين على الفريق حل الجزء الثاني من اللغز: تحويل إجماليات هطول الأمطار اليومية إلى بيانات ساعية. وقد اختبروا ثلاثة نهج رياضية مختلفة للقيام بذلك. النهج الأول، المعروف باسم نموذج "بارتليت-لويس"، يعامل المطر كسلسلة من النبضات التي تتجمع معاً. والنهج الثاني، "المسلسل الميكروكانوني" (Microcanonical Cascade)، يفكك اليوم مثل شجرة متفرعة، حيث يقسم إجمالي المطر إلى قطع أصغر فأصغر مع ضمان بقاء الإجمالي كما هو. أما الطريقة الثالثة، "الجيران الأقرب" (K-Nearest Neighbor)، فتعمل من خلال النظر في الأيام الماضية ذات الأنماط الجوية المتشابهة واستعارة تقسيماتها الساعية لإنشاء سيناريوهات جديدة وواقعية. ومن خلال تشغيل هذه الطرق الثلاث على النماذج المناخية العالمية المصححة، أنتج الفريق آلاف المتواليات الساعية الممكنة لهطول الأمطار في المستقبل.

ومع حصولهم على هذه المتواليات عالية الدقة، قام الباحثون بإنشاء منحنيات "الشدة-المدة-التكرار" الجديدة لحيدر أباد. ونظروا في عالمين مستقبليين مختلفين: أحدهما حيث يتم استقرار انبعاثات غازات الاحتباس الحراري عند مستوى متوسط، والآخر حيث تستمر في الارتفاع بمعدل عالٍ. وفحصوا إطارين زمنيين: المستقبل القريب، من 2015 إلى 2056، والمستقبل البعيد، من 2057 إلى 2100. ورسمت النتائج صورة واضحة ومقلقة للبنية التحتية للمدينة. أشارت عمليات المحاكاة إلى أن خطر العواصف القصيرة وشديدة الكثافة في تزايد مستمر. ففي ظل سيناريو الانبعاثات المتوسطة، توقعت النماذج أن العواصف التي تستغرق ساعة واحدة قد تصل شدتها إلى حوالي 250 ملم في الساعة في المستقبل القريب. وهذا مقدار هائل من المياه يسقط في مثل هذا الوقت القصير. كما كانت العواصف التي تستغرق ثلاث ساعات شديدة أيضاً، حيث توقعت أن تصل إلى حوالي 85 ملم في الساعة.

ومن المثير للاهتمام أن شدة هذه النبضات القصيرة لم تزد بالضرورة مع تقدم القرن؛ إذ ظلت شدة العواصف التي تستغرق ساعة واحدة وثلاث ساعات في المستقبل البعيد (2057-2100) مشابهة بشكل عام لتوقعات المستقبل القريب، مما يشير إلى أن المدينة تواجه خطراً متزايداً من هذه الأنواع المحددة من الأحداث المتطرفة طوال بقية القرن، بغض النظر عما إذا كانت الانبعاثات عالية أو متوسطة. ومع ذلك، كانت القصة مختلفة بالنسبة للعواصف الأطول مدة؛ فشدة الأمطار التي تستغرق ست ساعات واثنتي عشرة ساعة، وهي الأكثر شيوعاً في موسم الرياح الموسمية، ظلت ضمن النطاقات التي شهدتها المدينة تاريخياً. وهذا يشير إلى أن التهديد الرئيسي لحيدر أباد ليس تغيراً في طول موسم الأمطار، بل في عنف أقصر الهطولات وأكثرها مفاجأة.

كما سلطت الدراسة الضوء على الأدوات التي حققت أفضل النتائج لهذه المهمة تحديداً. وجد الباحثون أن طريقة "الجيران الأقرب" وطريقة "المسلسل الميكروكانوني" كانتا فعالتين بشكل خاص في إعادة إنتاج أنماط أكثر العواصف شدة، خاصة عند اقترانهما بنموذج المناخ العالمي MIROC6. وبينما كانت النماذج الأخرى تميل إلى المبالغة في تقدير ذروة شدة العواصف ذات الساعة الواحدة، فقد تتبع نموذج MIROC6 الاتجاهات التاريخية المرصودة بدقة. وهذا يمنح المهندسين مزيجاً محدداً وموثوقاً من الأدوات لاستخدامه عند تصميم أنظمة الصرف المستقبلية. وتعد هذه النتائج بمثابة تحذير صارخ: القواعد القديمة لبناء البنية التحتية للمدن لم تعد كافية. فمع تغير المناخ، يجب على مدينة حيدر أباد، والعديد من المراكز الحضرية الأخرى، الاستعداد لمستقبل تسقط فيه الأمطار الأكثر خطورة في أقصر الفترات الزمنية، مما يتطلب إعادة تفكير جذرية في كيفية إدارة المياه في الغابة الخرسانية.