پیش‌نگری و تحلیل تغییرات امواج گرمایی خاورمیانه بر پایه شبیه‌سازی‌های چندمدلی CMIP6 در دوره 2026-2055

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشگاه هواشناسی و علوم جو

2 پژوهشگاه هواشناسی و علوم جو، تهران

3 عضو هیات علمی پژوهشکده هواشناسی

10.48308/esrj.2026.243522.1312

چکیده

مقدمه

افزایش غلظت گازهای گلخانه‌ای در دهه‌های اخیر با تشدید گرمایش جهانی، به افزایش فراوانی، شدت و تداوم رخدادهای حدی جوی، به‌ویژه امواج گرما، انجامیده است. افزایش میانگین دما و جابه‌جایی توزیع دما به سوی مقادیر بالاتر باعث شده است که در فصل گرم، عبور از آستانه‌های حرارتی زودتر رخ دهد و مدت زمان آن طولانی‌تر شود. در نتیجه، دوره‌های گرمای شدید نه‌تنها بیشتر رخ می‌دهند، بلکه طولانی‌تر شده و با دماهای اوج بالاتری همراه هستند و فشار بیشتری بر سلامت انسان و زیرساخت‌ها وارد می‌کنند. خاورمیانه به دلیل غالب‌بودن اقلیم‌های خشک و نیمه‌خشک، محدودیت منابع آب و حساسیت بالای سامانه‌های طبیعی، از آسیب‌پذیرترین مناطق در برابر تنش حرارتی به شمار می‌رود. همزمان، رشد جمعیت، شهرنشینی سریع و گسترش جزیره گرمایی شهری می‌تواند اثرات موج‌های گرما را در بسیاری از شهرهای منطقه تشدید کند. از این‌رو پایش و پیش‌نگری تغییرات امواج گرمایی، برای مدیریت ریسک، برنامه‌ریزی سازگاری و کاهش پیامدهای اجتماعی–اقتصادی در خاورمیانه ضروری است.

مواد و روش‌ها

در این پژوهش، خاورمیانه به‌عنوان منطقه مطالعه انتخاب و برای تحلیل ناهمگنی‌های مکانی، بر اساس ویژگی‌های جغرافیایی–اقلیمی به سه زیربخش شمالی، مرکزی و جنوبی تقسیم شد. برای بازنمایی اقلیم گذشته و شبیه‌سازی آینده، از دمای بیشینه روزانه ERA5 در دوره مرجع ۱۹۸۵–۲۰۱۴ و داده‌های کاهش‌مقیاس‌یافته NEX-GDDP (CMIP6) با تفکیک ۰٫۲۵ درجه استفاده شد. سه مدل منتخب CMIP6 برای دوره آینده ۲۰۲۶–۲۰۵۵ تحت سناریوهای SSP126، SSP245 و SSP585 به کار گرفته شدند تا طیفی از مسیرهای انتشار پوشش داده شود. پیش از محاسبه شاخص‌ها، داده‌ها از نظر کنترل کیفیت، مدیریت داده‌های مفقود و یکسان‌سازی تقویم (حذف روز کبیسه) پیش‌پردازش شدند. توان مدل‌ها در بازنمایی دوره مرجع با مقایسه خروجی‌ها و ERA5 و محاسبه شاخص‌های RMSE، Bias و ضریب همبستگی پیرسون ارزیابی شد. شدت موج گرما مطابق روش روسو و همکاران محاسبه گردید؛ به‌طوری‌که موج گرما رخدادی با حداقل ۳ روز متوالی دمای بیشینه بالاتر از آستانه روزانه صدک ۹۰ (بر پایه پنجره ۳۱روزه در دوره ۱۹۸۵–۲۰۱۴) تعریف شد و شاخص شدت سالانه به‌صورت بیشینه شدت رخدادهای همان سال استخراج شد.

بحث و نتایج

نتایج این پژوهش نشان می‌دهد عملکرد مدل‌های اقلیمی در بازتولید دمای بیشینه در خاورمیانه به‌طور معناداری وابسته به فصل است. در فصل تابستان، مدل‌ها کمترین خطای سیستماتیک و تصادفی را همزمان با بیشترین همبستگی با داده‌های باز تحلیل ثبت می‌کنند که بیانگر توان بالای آن‌ها در بازنمایی هم مقدار دما و هم تغییرپذیری آن در گرم‌ترین فصل سال است. در مقابل، زمستان ضعیف‌ترین کارایی را نشان می‌دهد؛ به‌گونه‌ای که افزایش اریبی و خطای کلی همراه با افت همبستگی، از محدودیت مدل‌ها در بازتولید نوسانات دمایی این فصل حکایت دارد. در بهار، عملکرد نسبت به زمستان بهبود می‌یابد اما همبستگی همچنان در حد متوسط باقی می‌ماند، در حالی‌که پاییز با همبستگی بسیار بالا و خطای کلی نسبتاً متوسط، اتکاپذیری مناسبی برای تحلیل‌های دمایی ارائه می‌دهد. این الگو به‌طور کلی تأیید می‌کند که قابلیت اعتماد به خروجی مدل‌ها برای کاربردهای مرتبط با دما در تابستان و پاییز بیشتر است و برای زمستان، به‌کارگیری تصحیح اریبی و کالیبراسیون فصلی اهمیت بالاتری دارد. ارزیابی فضایی سالانه نیز نشان می‌دهد مدل‌ها در بخش وسیعی از خاورمیانه عملکرد قابل قبول و نسبتاً پایدار دارند و خطاها عمدتاً در نواحی با توپوگرافی پیچیده و مناطق گذار خشکی–دریا افزایش می‌یابد؛ موضوعی که از نظر فیزیکی قابل انتظار است، زیرا شبیه‌سازی فرایندهای محلی و برهم‌کنش‌های سطح–جو در چنین پهنه‌هایی حساس‌تر و وابسته‌تر به کیفیت پارامترسازی‌هاست. الگوی اریبی، گرچه در سطح منطقه‌ای نسبتاً منسجم است، اما ماهیتی قابل اصلاح دارد؛ به‌طوری‌که در برخی بخش‌های شبه‌جزیره عربستان گرایش به کم‌برآوردی و در قسمت‌هایی از شمال‌غرب گرایش به بیش‌برآوردی مشاهده می‌شود. در مجموع، این یافته‌ها نشان می‌دهد که مدل‌های منتخب ظرفیت کافی برای تحلیل‌های منطقه‌ای و بررسی تغییرات آینده را دارند، هرچند توجه به سوگیری‌های مکانی و فصلی برای تفسیر نتایج ضروری است. در بخش برون‌یابی آینده، الگوی کلی نشان‌دهنده افزایش چشمگیر تنش حرارتی تابستانه در دوره آینده نسبت به دوره مرجع است. فراوانی موج‌های گرمایی و همچنین تعداد روزهای بسیار گرم در بخش عمده‌ای از منطقه افزایش می‌یابد و مناطق داخلی و بیابانی به‌ویژه در شبه‌جزیره عربستان، عراق و بخش‌های گسترده‌ای از ایران بیشترین تشدید را تجربه می‌کنند. این نتیجه مهم را برجسته می‌کند که حتی در مسیرهای انتشار خوش‌بینانه نیز، افزایش موج‌های گرما در تابستان تا حد زیادی اجتناب‌ناپذیر است و می‌تواند پیامدهای جدی برای سلامت، انرژی و منابع آب به همراه داشته باشد. در مسیر انتشار میانی، افزایش فراوانی و گستره مکانی رخدادهای موج گرما در بسیاری از عرض‌های میانی و شمالی پایدارتر می‌شود و تفاوت‌های مکانی به‌صورت واضح‌تر نمایان می‌گردد؛ به این معنا که پاسخ منطقه‌ای به گرمایش آینده یکنواخت نیست و شرایط اقلیمی محلی و موقعیت جغرافیایی نقش تعیین‌کننده دارند. یکی از یافته‌های کلیدی، مشاهده رفتار غیرخطی شاخص‌های موج گرما تحت سناریوی انتشار بالا است. در حالی که انتظار می‌رود با افزایش گرمایش، فراوانی موج‌های گرما نیز به‌طور یکنواخت افزایش یابد، نتایج نشان می‌دهد در برخی نواحی و در سال‌های پایانی دوره آینده، فراوانی می‌تواند نسبت به مسیر انتشار میانی کاهش نسبی نشان دهد، در حالی که سطح کلی تنش حرارتی همچنان بالاتر از دوره مرجع باقی می‌ماند. این الگو به این تفسیر منتهی می‌شود که در شرایط گرمایش شدید، سازوکار تغییر ممکن است از «افزایش تعداد رخدادها» به سمت ادغام رخدادها و طولانی‌تر شدن موج‌های گرما تغییر کند. به بیان دیگر، در سناریوی شدیدتر، به‌جای افزایش تعداد موج‌ها، موج‌های گرمایی پایدارتر و چند هفته‌ای محتمل‌تر می‌شوند و همین امر می‌تواند باعث کاهش شمار رخدادها در کنار افزایش مدت و شدت آن‌ها شود. تحلیل‌های زمانی–مکانی نیز نشان می‌دهد تغییرات موج‌های گرما هم از نظر عرضی و هم از نظر طولی، وابسته به زمان و سناریو است و یک گرادیان ثابت و یکنواخت در کل منطقه شکل نمی‌گیرد. در مسیر خوش‌بینانه، نوسانات بین‌سالی و افزایش‌های مقطعی دیده می‌شود اما روند افزایشی یکدست و پایدار در تمام پهنه‌ها غالب نیست. در مسیر میانی، افزایش‌ها منسجم‌تر و پایدارتر می‌شود و بخش‌های بزرگ‌تری از منطقه به‌ویژه در عرض‌های میانی و شمالی برای دوره‌های طولانی‌تری در سطح بالای فراوانی موج گرما قرار می‌گیرند. در مسیر شدید، الگو ناپایدارتر و غیرخطی‌تر است؛ به‌طوری که دوره‌هایی از افزایش شدید با دوره‌هایی از افت نسبی یا نوسانات بزرگ همراه می‌شود و کانون‌های تنش حرارتی می‌توانند در طول‌های مختلف و در زمان‌های متفاوت فعال شوند. این رفتار، اهمیت توجه به تغییرپذیری بین‌سالی و نقش فرایندهای ناحیه‌ای را در تحلیل ریسک موج گرما برجسته می‌کند. در مقیاس دهه‌ای، شاخص شدت موج گرما به‌طور کلی در همه سناریوها روند افزایشی دارد، اما شکاف سناریویی از دهه‌های میانی به بعد آشکارتر می‌شود. در برخی موارد، مسیر انتشار میانی می‌تواند افزایش چشمگیرتری در میانه و دامنه توزیع شدت نشان دهد و مسیر انتشار بالا رفتار غیرخطی بروز دهد؛ با این حال، شاخص مدت موج گرما در مسیر انتشار بالا بیشترین تشدید را تجربه می‌کند و در دهه‌های پایانی می‌تواند به افزایش‌های شتاب‌دار منجر شود. این نتیجه از منظر مدیریت ریسک بسیار تعیین‌کننده است، زیرا موج‌های گرمای طولانی، حتی اگر تعداد رخدادهایشان کمتر باشد، می‌توانند فشار تجمعی بیشتری بر سلامت عمومی، بهره‌وری نیروی کار، تقاضای برق و پایداری منابع آب ایجاد کنند. در تفکیک ناحیه‌ای، تفاوت‌های شمال، مرکز و جنوب آشکار است. مناطق شمالی و مرکزی از نظر شدت افزایش حساس‌تر به گرمایش آینده هستند و در مسیرهای انتشار بالاتر، رشد شدت در آن‌ها برجسته‌تر می‌شود. در مقابل، ناحیه جنوبی اگرچه از نظر مطلق گرم‌تر است، اما افزایش نسبی شدت در آن کمتر مشاهده می‌شود که می‌تواند ناشی از نزدیک بودن شرایط فعلی به آستانه‌های بالای دمایی و محدودیت‌های فیزیکی-آماری در رشد نسبی شاخص‌ها باشد. از نظر مدت یا تعداد روزهای موج گرما، افزایش‌ها در هر سه ناحیه قابل توجه است، اما ناحیه مرکزی بیشترین جهش را نشان می‌دهد؛ به‌گونه‌ای که در مسیر انتشار بالا، موج‌های گرما می‌توانند از رخدادهای چندروزه به پدیده‌های چند هفته‌ای تبدیل شوند. همگرایی سناریوها در ابتدای دوره و واگرایی آن‌ها در نیمه دوم دوره نیز بیانگر آن است که اثر انتخاب مسیر انتشار با گذر زمان برجسته‌تر می‌شود و تصمیمات کاهش انتشار و سازگاری می‌تواند نقش تعیین‌کننده‌ای در مهار ریسک‌های آتی داشته باشد. در مجموع، یافته‌ها نشان می‌دهد خاورمیانه در دوره ۲۰۲۶ تا ۲۰۵۵ با افزایش معنادار تنش حرارتی تابستانه مواجه خواهد شد؛ افزایش‌هایی که صرفاً به بیشتر شدن تعداد رخدادها محدود نمی‌شود، بلکه در سناریوهای گرم‌تر می‌تواند به تغییر ماهیت موج‌های گرما به رخدادهای طولانی‌تر و شدیدتر منجر شود. از این رو، برنامه‌ریزی سازگاری باید همزمان بر سه مؤلفه «فراوانی، مدت و شدت» تمرکز کند و به تفاوت‌های مکانی بین زیربخش‌ها توجه ویژه داشته باشد. همچنین با توجه به عملکرد ضعیف‌تر مدل‌ها در زمستان و حساسیت نواحی پیچیده توپوگرافی و مرزهای خشکی–دریا، استفاده از راهبردهای تصحیح اریبی فصلی و ارزیابی عدم‌قطعیت باید به‌عنوان جزء جدایی‌ناپذیر تحلیل‌ها و کاربردهای سیاستی در نظر گرفته شود.

نتیجه گیری

این پژوهش نشان داد عملکرد مدل‌های CMIP6 در برآورد دما فصلی است؛ تابستان و پاییز قابل‌اعتمادترند، اما زمستان بیشترین اریبی و RMSE را دارد و تصحیح اریبی/کالیبراسیون فصلی به‌ویژه برای زمستان ضروری است. از نظر مکانی، خطاها عمدتاً در مناطق کوهستانی و گذار خشکی–دریا متمرکز بوده و در نواحی داخلی عملکرد مدل‌ها پایدارتر است. همچنین گرمایش آینده فقط به افزایش بیشینه‌ها محدود نیست و افزایش دماهای کمینه (شب‌ها) سیگنال مهمی در منطقه محسوب می‌شود. شاخص‌های موج گرما نشان می‌دهد ریسک حرارتی در همه سناریوها افزایش می‌یابد، اما شدت و الگوی تغییرات به مکان و سناریو وابسته و گاه غیرخطی است. شدت موج گرما بیشتر در شمال و مرکز افزایش می‌یابد، در حالی‌که تداوم/تعداد روزهای موج گرما افزایش برجسته‌تری دارد، به‌خصوص در بخش مرکزی که می‌تواند به دوره‌های چند هفته‌ای نزدیک شود. در مجموع، خاورمیانه با تغییر رژیم موج‌های گرما (شدیدتر و ماندگارتر شدن) روبه‌روست؛ بنابراین سازگاری باید هم‌زمان بر مدیریت شدت و تداوم تمرکز کند و تفاوت‌های زیرناحیه‌ای را در برنامه‌ریزی سلامت، انرژی، آب و زیرساخت لحاظ کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Projection and analysis of changes in Middle East heatwaves based on CMIP6 multi-model simulations for the period 2026–2055

نویسندگان [English]

  • Faezeh Noori 1
  • Ebrahim Fatahi 2
  • Abbas Ranjbar 3
1 Research Institute of Meteorology and Atmospheric Science(RIMAS),
2 Research Institute of Meteorology and Atmospheric Science(RIMAS)
3 Assistant Prof. of Atmospheric Science and Meteorological Research (ASMERC), Tehran,
چکیده [English]

Extended Abstract

Introduction

The increase in greenhouse gas concentrations in recent decades, alongside the intensification of global warming, has led to more frequent, more intense, and longer-lasting extreme atmospheric events—especially heatwaves. Rising mean air temperatures and a shift in the temperature distribution toward higher values have caused warm-season thermal thresholds to be exceeded more quickly and for longer periods. As a result, episodes of extreme heat not only occur more often but also last longer and are associated with higher peak temperatures, placing greater stress on human health and infrastructure. The Middle East is considered one of the most vulnerable regions to heat stress due to the dominance of arid and semi-arid climates, limited water resources, and the high sensitivity of natural systems. At the same time, population growth, rapid urbanization, and the expansion of the urban heat island effect can further exacerbate heatwave impacts in many cities across the region. Therefore, monitoring and projecting changes in heatwaves is essential for risk management, adaptation planning, and reducing socio-economic consequences in the Middle East.



Materials and Methods

In this study, the Middle East was selected as the target region and, to capture spatial heterogeneity, was subdivided into three sub-regions (northern, central, and southern) based on geographic–climatic characteristics and temperature gradients. To characterize past climate conditions and project future heatwave changes, daily maximum temperature from ERA5 for the reference period 1985–2014 was combined with 0.25° downscaled CMIP6 projections from the NEX-GDDP dataset. Simulations from three selected CMIP6 models were analyzed for the future period 2026–2055 under three emissions pathways_SSP1-2.6 (low), SSP2-4.5 (intermediate), and SSP5-8.5 (high)_to span a range of plausible futures. Before index calculation, all datasets underwent preprocessing, including quality control, handling of missing values, and calendar harmonization (removal of leap days) to ensure consistency across products. Model skill for the reference period was assessed by benchmarking model outputs against ERA5 using the root-mean-square error (RMSE), mean bias, and the Pearson correlation coefficient (R), providing a basis for uncertainty assessment and confidence in future projections.

Heatwave intensity was quantified following Russo et al. (2014), where a heatwave is defined as at least three consecutive days with daily maximum temperature exceeding a day-specific 90th-percentile threshold computed from the 1985–2014 baseline using a centered 31-day moving window; the annual heatwave intensity index was then derived as the maximum intensity among all events in each year.



Results and Discussion

The findings indicate that the performance of climate models in reproducing maximum temperature over the Middle East is significantly season-dependent. In summer, the models achieve the lowest systematic and random errors alongside the highest correlation with reanalysis data, demonstrating strong skill in representing both absolute temperatures and their variability during the hottest season. In contrast, winter exhibits the weakest performance: higher bias and overall error combined with reduced correlation point to limitations in capturing wintertime temperature variability. Spring shows an improvement relative to winter, although correlations remain only moderate, whereas autumn—characterized by very high correlation and comparatively moderate overall error—provides robust reliability for temperature-based analyses. Overall, these results confirm that model outputs are more dependable for temperature applications in summer and autumn, while winter requires greater emphasis on seasonal bias correction and targeted calibration. The annual spatial evaluation further shows that model performance is acceptable and relatively stable across much of the Middle East, with errors increasing mainly in areas of complex topography and along land–sea transition zones. This is physically plausible, as simulations in such regions are more sensitive to local processes and land–atmosphere interactions and depend more strongly on parameterization quality. Although the bias pattern is relatively coherent at the regional scale, it appears amenable to correction: a tendency toward underestimation is evident in parts of the Arabian Peninsula, while overestimation occurs in portions of the northwest. Taken together, these results suggest that the selected models are sufficiently capable for regional analyses and future-change assessments, provided that spatial and seasonal biases are explicitly considered in interpretation. For future projections, the overall signal points to a pronounced increase in summertime heat stress during the projected period relative to the reference climate. Heatwave frequency and the number of very hot days rise across most of the domain, with the strongest amplification over interior and desert regions—particularly the Arabian Peninsula, Iraq, and large parts of Iran. A key implication is that, even under optimistic emissions pathways, a substantial intensification of summer heatwaves is largely unavoidable and may have serious consequences for public health, energy demand, and water resources. Under the intermediate pathway, increases in both the frequency and spatial extent of heatwave occurrence become more persistent across many mid- and higher-latitude parts of the region, revealing clearer spatial contrasts. This indicates that regional responses to future warming are not uniform and are strongly shaped by local climate conditions and geographic setting. One of the most important findings is the emergence of nonlinear behavior in heatwave metrics under the high-emissions pathway. While a monotonic increase in heatwave frequency might be expected with stronger warming, the results show that in some areas—particularly toward the end of the projection period—frequency can decline relative to the intermediate pathway, even though overall heat stress remains above the baseline. This suggests that, under intense warming, the dominant change mechanism may shift from “more events” toward event merging and longer-lasting heatwaves. In other words, rather than producing a greater number of discrete episodes, a hotter climate may favor more persistent, multi-week heatwave conditions—reducing the count of events while increasing their duration and intensity. The spatiotemporal analyses further indicate that heatwave changes vary with time and scenario in both latitude and longitude, and do not organize into a single, uniform gradient across the study domain. Under the optimistic pathway, interannual variability and episodic spikes are evident, but a consistent, region-wide upward trend is not dominant. Under the intermediate pathway, increases become more coherent and sustained, with larger portions of the region—especially mid- and higher-latitude areas—remaining at elevated heatwave-day levels for longer periods. Under the high-emissions pathway, the pattern becomes more unstable and distinctly nonlinear: intervals of sharp increases alternate with periods of relative decline or large variability, and hotspots of thermal stress may emerge in different longitudes at different times. This behavior highlights the importance of accounting for interannual variability and regional processes in heatwave risk assessment. At the decadal scale, heatwave intensity generally increases across all scenarios, with scenario divergence becoming more evident from the middle decades onward. In some cases, the intermediate pathway exhibits a larger upward shift in the median and spread of intensity, whereas the high-emissions pathway displays nonlinear responses. Nevertheless, heatwave duration intensifies most strongly under the high-emissions pathway and can accelerate toward the end of the period. This is particularly important for risk management, as prolonged heatwaves—even if fewer in number—can impose greater cumulative stress on public health, labor productivity, electricity demand, and water-system reliability. Sub-regional analyses reveal clear contrasts among the northern, central, and southern sectors. The northern and central sectors are more sensitive in terms of intensity increases, with stronger intensification under higher-emissions pathways. The southern sector, despite being warmer in absolute terms, shows smaller relative increases in intensity—potentially reflecting proximity to already-high thermal thresholds and physical–statistical constraints on relative growth. In terms of duration or heatwave days, all three sectors experience substantial increases, but the central sector exhibits the largest jump; under the high-emissions pathway, heatwaves may shift from multi-day events to multi-week phenomena. The convergence of scenarios early in the period and their divergence later further indicate that the influence of emissions pathways grows over time, and that mitigation and adaptation choices can meaningfully shape future risk. Overall, the Middle East is projected to face a significant rise in summertime heat stress during 2026–2055. Importantly, this increase is not limited to a higher number of events; under warmer scenarios, it may involve a transformation toward longer and more intense heatwaves. Accordingly, adaptation planning should simultaneously address the three core dimensions of heatwave risk—frequency, duration, and intensity—while explicitly considering spatial differences across sub-regions. Given the weaker model performance in winter and the heightened sensitivity of complex terrain and land–sea interface areas, seasonal bias correction and uncertainty assessment should be treated as integral components of both scientific analysis and policy-relevant applications.



Conclusion

This study shows that CMIP6 model performance in estimating temperature is seasonally dependent: simulations are more reliable in summer and autumn, whereas winter exhibits the largest bias and RMSE, underscoring the need for seasonal bias correction and targeted calibration—particularly for winter conditions. Spatially, errors are concentrated mainly over mountainous terrain and along land–sea transition zones, while model performance is more stable across interior regions. The results also indicate that future warming is not confined to higher daytime maxima; the widespread rise in minimum temperatures (especially at night) emerges as a key climate-change signal across the region. Heatwave metrics further reveal that thermal risk increases under all emissions scenarios, but the magnitude and spatial pattern of change are scenario- and location-dependent and can be nonlinear. Heatwave intensity increases most strongly in the northern and central sub-regions, while persistence/number of heatwave days shows an even more pronounced rise—particularly in the central sector, where events may extend to near multi-week durations. Overall, the Middle East is likely to experience a shift in the heatwave regime toward more intense and longer-lasting events; consequently, adaptation strategies should address both “intensity” and “persistence” simultaneously and explicitly incorporate sub-regional differences in planning for health, energy, water, and critical infrastructure.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Heatwaves
  • CMIP6 climate models
  • SSP scenarios
  • ERA5-Land
  • Middle East