شناسائی و واکاوی سازوکار شکل‌گیری الگوی مکانی برف‌های جلگه مرکزی گیلان (برف دلتا) با استفاده از مدل عددی WRF

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دکتری هواشناسی، کارشناس گروه تحقیقات اداره کل هواشناسی گیلان

2 کارشناسی ارشد هواشناسی، کارشناس پیش‌بینی اداره کل هواشناسی گیلان

3 دکتری هواشناسی، استادیار پژوهشگاه ملی اقیانوس شناسی و علوم جوی

4 دانشجوی دکتری آب‌وهواشناسی دانشگاه تهران، کارشناس گروه تحقیقات اداره کل هواشناسی گیلان

5 دانشجوی دکتری هواشناسی کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد، کارشناس گروه تحقیقات اداره کل هواشناسی گیلان

چکیده

در این پژوهش با پایش (پردازش) تصاویر سنجنده‌ مودیس ماهواره‌های آکوا و ترا، الگوی مکانی ویژه مثلثی و به طور تقریبی منطبق بر دلتای رودخانه سفیدرود  برای برف‌های متوسط جلگه مرکزی گیلان در کرانه جنوب غربی دریای کاسپین شناسائی گردید و شرایط همدیدی-دینامیکی سامانه‌های منجر به شکل‌گیری این الگو، با استفاده از اجرای مدل عددی  WRF با تفکیک 3 و 9 کیلومتر مورد واکاوی قرار گرفت. منشأ این سامانه‌ها  پرفشارهایی با مقیاس همدیدی هستند که از سمت غرب اروپا تا روی دریای کاسپین کشیده می‌شوند. چرخش ساعت‌گرد این واچرخند‌ها در وردسپهر زیرین با فرارفت سرد جریانات شمالی به حاشیه جنوب‌غربی دریای کاسپین همراه است و حرکت شرق‌سوی امواج ناپایدار ترازهای میانی و فوقانی وردسپهر موجب تقویت حرکات صعودی لایه‌های زیرین می‌شود‌. جنوب  البرز،  به دلیل عبور‌ ناوه‌های ارتفاعی و دمایی و همچنین گردش پادساعتگرد این امواج غربی، تحت تأثیر جریانات شمال‌سو است. طی ساعات اولیه نفوذ زبانه پرفشار روی کاسپین، دمای لایه‌های زیرین وردسپهر در جلگه گیلان به اندازه کافی کاهش نمی‌یابد بنابراین ریزش هوای سرد ناشی از عبور ناوه‌های دمایی و ارتفاعی تراز850 ‌و بالاتر از آن، از سمت فلات ایران(دشت قزوین) و ارتفاعات البرز که دارای ارتفاع بیشتر از جلگه گیلان ودمای سطحی کمتری نسبت به  دلتای سفیدرود هستند، سبب غلبه جریانات سرد جنوبی فلات ایران و بارش برف در محل ورودی دره سفید‌رود به جلگه گیلان می شود برش قائم میدان باد و دما نیز بیانگر آن است که علاوه بر چینش افقی این دو کمیت  در محل دره منجیل (عرض جغرافیایی 36.7) منتهی به دره شاهرود و دشت قزوین ، چینش قائم باد در حدود تراز 850 میلی‌باری روی جلگه گیلان مشاهده می‌گرددکه مبین مرز ناپایداری میان جریانات شمالی درلایه‌های زیرین وردسپهر و جریانات جنوبی در لایه‌های میانی وردسپهر است. چینش قائم و افقی باد و گرادیان افقی قابل ملاحظه  دما، شکل‌گیری جبهه در مقیاس محلی را منطبق برگذرگاه دره منجیل نشان می‌دهد. نکته حائز اهمیت آن است که پس از استقرار پرفشار سرد روی غرب کاسپین و تقویت سرمایش لایه‌های سطحی روی سواحل، تباین دما مابین جلگه گیلان و دشت قزوین کاهش می‌یابد. واقع شدن منطقه در شاخه غربی ناوه ارتفاعی تراز 850 هکتوپاسکالی که با جریانات شمالی روی البرز‌ همراهی می‌کند، موجب می‌شود باد‌های شمالی از سمت عرض‌های بالا تا جنوب البرز و تا عمق 700 هکتوپاسکالی وردسپهر گسترش یابد و مرز ناپایداری و چینش قائم باد در عمق وردسپهر، از بین لایه 700 و 800 به بین لایه 600 و 700  تغییر ‌کند.

 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Identification and formation mechanism’ analysis of spatial pattern snowfall in central plain of guilan (delta snow) by using weather and research forecast(WRF) model

نویسندگان [English]

  • Samaneh Negah 1
  • Forogh Momenpoor 2
  • Parvin Ghaffarian 3
  • Nima Farid Mojtahedi 4
  • Ebrahim Asadi Oskooiee 5
چکیده [English]

Introduction

To monitoring the spatial snow cover, by using MODIS images (Aqua and Terra satellites), during the cold season (October to March) in the years 2005 to 2012 (9 years). These images, with daily intervals and spatial resolution of 250 meter were studied for 9-year. Snow surface zones in the plains of Guilan observed special triangular pattern that approximately matches the Sefidrud River Delta. To identify snow-covered areas, the snow area index (NDSI) was applied. Due to low reflectance of snow in the infrared bands and high reflectance in the visible bands, this indicator can be very useful in detecting snow cover from other phenomena. Using GIS software and algorithms to detect snow Guilan plain snow zones were identified. Results were extracted from the digital map. Then, this layer over layed on digital elevation map(DEM) of the area; the spatial pattern of snow area was prepared.

Data and method

To investigate the mechanism of pattern formation in Delta Snow, 6 events which lead the snowfall in delta form were selected, in the plains of Guilan during 8 year, was selected. Then, Daily and 6-hour maps of pressure, temperature, geopotential height, vertical velocity, zonal and meridional wind components fields from NCEP/NCAR data over a region consist of  Iran with 2.5º×2.5 º horizontal resolutions were analyzed. To avoid prolongation of paper, system in March 2012 and the results obtained are presented in detail.

Results and discussion

To evaluate reason of this process and simulate more details on a smaller scale ,weather  and research forecast(WRF) model was used. model on Guillan, with three horizontal resolutions of 27, 9 and 3 km and the three-hour time step, was run. 10-meter wind, 2-meter temperature, relative humidity and cross section of dynamic parameters such as relative vorticity and vertical velocity were investigated. Study of the synoptic structure of this systems leads to the formation of this phenomenon, show the origin of this system is the anticyclone (high) with a central pressure greater than 1035 that is formed on west of Europe and East  of Atlantic ocean (Azores high pressure)  and With the move to the East and are expanded over the Middle Caspian. Anticyclone has spread to the southern shores of the Caspian and clockwise circulation in the lower troposphere cause flows north and northwest, from the Caspian Sea towards the coast. Surface cyclone in the center of Iran and anticyclone in north of Iran, increasing pressure gradient and wind speed on the southwest coast of the Caspian Sea. In the early hours of arrival system to Iran, in 850 hPa, ridge on the southern latitude and trough on the northern latitude (Parts of northern Russia) and anti-clockwise circulation due to the trough on the northwest of Iran, South and southwest cold flow, moves from the Iranian plateau to higher latitudes.

Conclusion

Based on WRF model output, 2-meter temperature and 10-meter wind pattern, shows forming a strong north and northwest flow in the southwestern margin of the Caspian Sea that correspond to the surface maps. South of the Alborz mountain range in height from sea level to adapt to the higher level of 900 hPa, therfore trough and south and southwestern currents is overcome, but Manjil gap is only natural passage and cross region between the northern and southern currents of Guilan plains and southern Alborz. wind Cross section shows that above latitude 37º, in the lower levels of the troposphere, according to surface anticyclone dominance and anti-clockwise circulation of high-pressure, as  north and northwest currents are observed mostly. But, in the middle and upper troposphere, the western wave and trough, wind direction along the Manjil meridian is southwest. In other words, the vertical wind shear and instability in the layer between 700 and 800 hPa levels occur. Furthermore, Manjil  gap(latitude 36/7),is place that horizontal wind shear between the two sides of the Alborz Mountains were seen. 2-meter temperature pattern and cross sections of temperature, temperature gradient (temperature Changes from 5 to 8 degrees Celsius in the aerial distance less than 20 km) between the southern high lands of Alborz (lower temperature) and plains of Guilan (higher temperature) clearly shows. Before the establishment of the high-pressure core over the Caspian Sea, tropospheric cooling of the lower layers is not enough for snowfall in the plains of Guilan. Cold air, due to crossing thermal trough of middle levels troposphere from the Iranian plateau and Alborz Mountain (have greater height and lower surface temperature compared with Delta Sefidrud) makes the cold currents of the Iranian plateau in the White River Valley prevail and happen snowfall in the plains of Guilan. Based on the model output at 3 km spatial scale, cross section and horizontal wind shear and substantially horizontal temperature gradient shows formation of local front according to Manjil gap. Regardless of the physical and dynamics mechanisms of snowfall, the topography of the region and Manjil gap in the Alborz Mountains is the only way to Influence of the cold plateau air to Guilan plain that  corresponded with Delta pattern formation. Following the establishment of a cold anticyclone over central Caspian and strengthen cooling the lower of tropospheric layers over central Caspian, temperatures on the plains of Guilan and the temperature contrast between the Guilan plain and the southern Alborz, (Qazvin plain) decreases. Furthermore, located southwestern margin of the Caspian Sea coast in the Western branch 850 hPa trough, that accompanied with strong northern currents along the western and central Alborz, lead to dominance the northern winds to the south of the Alborz and spread to 700 hPa. Cross section of wind has also confirmed that under these conditions increases instability and vertical wind shear.

 

 

کلیدواژه‌ها [English]

  • WRF Model
  • delta snow
  • sefidrood delta
  • Modis sensore

مقدمه

مناطق برفی و یخی زمین، مجموعا یخ‌کره شناخته می‌شوند که شامل پوشش برف-یخ دریا، یخ آب‌های شیرین (دریاچه‌ها و رودخانه‌های یخ‌زده)، توده‌های عظیم یخ روی خشکی(صفحات یخ، یخچال‌ها) و زمین‌های یخ زده (پرمافراست) می‌شوند(ریس،2008،‌1). پوشش برف در همه مقیاس‌های مکانی دارای اهمیت است و یک کمیت مهم برای آب‌و‌هوا می‌باشد. به ویژه نقشی که در کنترل آلبیدو و فرایندهای آب‌شناسی و زیستی بازی می‌کند(تاپینر،2001‌‌‌،1). پوشش برف همچنین نقش مهمی در مطالعه اثرهای تغییر آب‌و‌هوا دارد(‌گنگ‌و‌همکاران 2003). پوشش برف بر اقتصاد مردم پائین‌دست مناطق کوهستانی چه از لحاظ کشاورزی، تامین مصارف سکونت‌گاه‌های انسانی و شرب تاثیر دارد. مطالعات در زمینه‌ی وسعت و شکل پوشش برف، جنبه‌های گوناگونی را در بر می‌گیرد، مطالعات در زمینه وسعت مکانی پوشش برف در منابع علمی، غالبا درباره شناسائی پتانسیل برف ذخیره شده در مناطق بالادست آبخیزها، اثرهای تغییر آب‌وهوا و گرمایش جهانی، بر مساحت پوشش برف و تغییرات آن در طی زمان و غیره است. تاکنون مطالعه‌ای در زمینه‌ی شکل ویژه الگوی مکانی برف، حداقل در ایران انجام نشده است. این مسئله نه تنها از لحاظ جنبه‌های علمی-آموزشی دارای اهمیت است. بلکه از لحاظ ایجاد نگرشی فضائی از مناطق درگیر پهنه‌های برف و تهیه نقشه خطر مناطق برف‌گیر در منطقه اهمیت دارد، که می‌تواند مناطق درگیر با بحران در بار‌ش‌های برف را مشخص نماید. همچنین می‌تواند در مدیریت جامع بحران در مناطق مختلف کمک شایانی به تصمیم‌گیران در این عرصه نماید. مطالعات در زمینه‌ی پوشش برف، بیشتر منحصر به شناسائی روند تغییرهای پهنه‌ی پوشش برف در طی زمان و در ارتباط با گرمایش جهانی و همچنین ارتباط آن با اثرهای سامانه‌های پیوند از دور است. فتاحی(1389)، به بررسی روند تغییرهای پوشش برف شمال‌غرب ایران با استفاده از تصاویر ماهواره‌های NOAA پرداخت. نتایج مطالعه‌ نشان داد، در تغییرهای سطحِ پوششِ برفِ منطقه، روند معنی‌داری وجود ندارد. براون (2000‌، ‌2339) وسعت پوشش برف در یک دوره 82 ساله در نیمکره شمالی برای 6 ماهه فصل سرد سال مورد بررسی قرار داد. نتایج مطالعه نشان از روندهای متفاوت افزایشی و کاهشی، در وسعت پوشش و آب معادل برف در عرض‌های میانه نیمکره شمالی است. استیوارت (2009)، در مطالعه‌ی خود این مسئله را مورد بررسی قرار داد که آیا کلاهک‌های برفی کوهستان و ذوب برف، واکنش آب‌شناختی سازوگار به تغییرهای آب‌و‌هوایی در چند دهه‌ی گذشته داشته‌اند. شواهد نشان می‌دهد که افزایش دما و بارش در طی زمان، کلاهک‌های برفی را هم‌ زمان با مقیاس جهانی متاثر ساخته است. هرچند طبیعت این تغییر، در میان دیگر عوامل قویاً به موقعیت جغرافیایی، عرض جغرافیایی و ارتفاع وابسته است. داهه‌و‌همکاران(‌2006‌،‌1820) در مطالعه‌ی خود به بررسی توزیع و تغییرهای پوشش برف غرب کشور چین و ارتباط آن با تغییرهای آب‌وهوایی پرداختند. نتایج مطالعه‌ی ایشان نشان داد که مناطق غربی چین کاهش دائمی را در وسعت پوشش برف را در طی دوره گرمایش بزرگ از دهه 1980 تا دهه 1990 تجربه ننموده‌اند.

منطقه مورد مطالعه

محدوده‌ی مورد مطالعه،‌ جلگه‌ی مرکزی گیلان در کرانه‌ی جنوب‌‌غربی دریای کاسپین است(شکل.1). جلگه‌ی مرکزی گیلان ماحصل فعالیت رسوب‌گذاری رودخانه‌ی سفیدرود در کرانه جنوب‌غربی دریای کاسپین است، بنابراین منطبق بر دلتای این رودخانه می‌باشد(شکل.2).  دلتای  سپیدرود با مختصات "16 ´00 °37 تا"00‌´‌27°‌37 عرض شمالی و "00´ 28 °49 تا "00´ 16 °50 طول شرقی، بزرگ‌ترین دلتای تشکیل شده در سواحل جنوبی دریای کاسپین است. مساحت دلتا که در بخش غربی واحد زمین‌ریخت‌شناسیِ جلگه‌ی ساحلی کاسپین واقع شده است،1350 کیلومتر مربع است و در امتداد شرقی-غربی از شرق تالاب ‌انزلی تا شمال چمخاله‌ی لنگرود و جنوبی-شمالی از جنوب امام‌‌‌زاده‌هاشم رشت تا شمال بندرکیاشهر کشیده شده است. بیشترین پهنای دلتا از رشت تا چمخاله، 58 کیلومتر و طول آن از جنوب امام‌زاده‌هاشم تا دلتای فعال کنونی در شمال بندر کیاشهر 58 کیلومتر و طول خط ساحلی دلتایی حدود 82 کیلومتر است(جداری‌عیوضی و همکاران، 1384،2). شیب زمین‌های جلگه بسیار کم و از سمت جنوب به شمال است. شکل‌گیری دره سفیدرود، به دلیل عملکرد گسل لاهیجان (گسل سفیدرود) است که شرایط را برای به تغییر سطح اساس این رودخانه، به دریای کاسپین فراهم نموده است. بدین ترتیب دلتای رودخانه‌ی سفیدرود در طی اواخر دوره‌ی پلئیستوسن شکل گرفته است و روند شکل‌زائی و توسعه آن هنوز هم ادامه دارد ( محمودی،1374،88 و جداری‌عیوضی،1384،3). دلتای سفیدرود از نظر سنی متعلق به پلئیستوسن است (آنلز ‌و‌ همکاران، 1975). دره‌ی زمین‌ساختی سفیدرود (منجیل) یکی از عناصر مهم جغرافیایی و آب‌و‌هوای گیلان است و نقش موثری در جریان‌های هوا در میان فلات ایران و جلگه‌ی پست جنوب کاسپین دارد (علیجانی ‌و‌ همکاران،‌ 1384). این جلگه یکی از متراکم‌ترین مناطق زیستی جمعیتی ایران محسوب می‌شود. به طوری که تراکم جمعیت در این منطقه بعد از تهران مقام دوم را در ایران به خود اختصاص داده است(عظیمی،1388). علاوه بر این یکی از متراکم‌ترین مراکز جاده‌ای کشور محسوب می‌گردد. به طوی که محل اتصال و عبور جاده‌های ارتباطی کشور و همچنین محور ارتباطی استان‌های شمال‌شرقی و شمالی کشور با مناطق شمال‌غربی محسوب می‌شود.

مواد و روش‌ها

به دلیل کمبود ایستگاه‌های زمینی و به ویژه عدم وجود داده‌های ارتفاع برف با پوشش مکانی مناسب‌، داده‌های ماهواره‌ای جایگزین مناسبی برای دریافت و پردازش اطلاعات بسیاری از فراسنج‌ها و پدیده‌های هواشناسی از جمله برف هستند. در بسیاری از مطالعات در زمینه‌ی شناسائی پوشش برف و مساحت آن و تغییرهای آن، از داده‌های ماهواره‌های AVHRR و MODIS استفاده شده است(زوهال اکیورک،2002). در این مطالعه به منظور پایش مکانی سطح پوشش برف، ‌از داده‌های سنجنده مودیس با فرمت رستری و برای یک دوره 9 ساله با فواصل زمانی روزانه با دقت مکانی 250 متر استفاده گردید. تصاویر از لینک ذیل ذخیره گردید.

http://rapidfire.sci.gsfc.nasa.gov/subsets/?subset=Europe_3_05

جهت تشخیص سطوح پوشیده شده از برف از شاخص سطح برف (NDSI) کمک گرفته شد. به علت انعکاس پائین برف در باندهای مادون قرمز و انعکاس بالا در باندهای مرئی، این شاخص می‌تواند در تشخیص پوشش برف از سایر پدیده‌ها بسیار مفید باشد(فتاحی و همکاران، 1390، 154). با استفاده از نرم‌افزار ساج و ‌الگوریتم شناسائی برف، پهنه‌های مکانی برف باریده شده در محدوده‌ی جلگه‌ی گیلان مورد شناسائی قرار گرفت و نتایج مطالعه به صورت نقشه‌ای رقومی استخراج گردید و با فراخوانی این لایه‌ها بر روی نقشه رقومی ارتفاعی (DEM) منطقه، الگوی فضائی پهنه برف تهیه گردید. ‌در واکاوی و تحلیل چگونگی رخ‌داد این پدیده از دیدگاه ترکیبی استفاده گردید. یعنی علاوه بر تحلیل همدیدی سازوکار الگوی همدیدی-دینامیکی رخ‌داد اینگونه برف‌ها در ترازهای مختلف جوی و شناسائی نحوه رخ‌داد، دیدگاه جغرافیایی و تحلیل فضائی دره سفیدرود و عناصر جغرافیای گیلان مورد بررسی قرار گرفت. جهت اثبات فرضیه‌ی ارائه شده در این پژوهش و مطالعه آن در مقیاس مناسب، از مدل عددی WRF استفاده گردید.

 

 

شکل 1- موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه و واحدهای پستی‌وبلندی و نیمرخ دره سفیدرود از حوالی دره منجیل تا خروجی آن در جنوب شهر سنگر، شاهد روند پهن شدگی دره از منجیل به سمت شمال شرقی در نیمرخ‌های A، B، C و D هستیم.

 


پیکربندی مدل

در این تحقیق از نسخه‌ی 4/3 مدلWRF استفاده شده است تعداد آشیانه­ی انتخابی" سه "  و نسبت تفکیک افقی آشیانه­ها 1 به 3 است. این مدل با تفکیک افقی 27 کیلومتر برای آشیانه­ی اول، 9 کیلومتر برای آشیانه­ی دوم و 3 کیلومتر برای آشیانه­ی سوم تنظیم شده است. تفکیک افقی داده­های زمینی برای آشیانه­ی اول هر 10 دقیقه (نوزده کیلومتر)، آشیانه­ی دوم هر 2 دقیقه ( چهار کیلومتر) و آشیانه­ی سوم هر 30 ثانیه ( 9/0 کیلومتر) تکرار می‌شود. از نگاشت لامبرت برای مدل و داده­های FNL به عنوان ورودی مدل استفاده شده است. طرح واره­های فیزیکی مورد استفاده برای فراسنجی فرآیندهای فیزیکی، همرفت، لایه مرزی و تابش به صورت زیر انتخاب شده­اند:

-         طرحواره خردفیزیک ابر: Lin et al. Scheme

-         طرحواره همرفت:Kain_Fritsch

-         طرحواره لایه مرزی:Mellor-Yamada-Janjic

-         طرحواره تابش موج بلند: RRTM[1]

-         طرحواره تابش موج کوتاه: Goddard

نتایج بحث

الف.الگوی مکانی برف‌های جلگه گیلان(برف دلتا)

سابقه‌ی تاریخی بارش برف در گیلان و آمارهای منتج از دید‌بانی، هرچند با محدودیت‌های زمانی و مکانی، نشان از بارش محدود برف در مناطق شرقی و غربی جلگه نسبت به مرکز گیلان دارد.در نتیجه طبق یافته‌های میدانی، شاهد وسعت محدود و عمق کم‌تر برف در این مناطق نسبت به جلگه‌ی مرکزی گیلان می‌باشیم. تصاویر ماهواره‌ای امکان مطالعه‌ی مکانی جامع را با دقت مکانی بالا فراهم می‌نماید. با مطالعه روزانه‌ی تصاویر سنجنده‌ مودیس ماهواره‌های آکوا و ترا، طی فصل سرد (اکتبر تا مارس) در سال‌های 2005 تا 2012، پهنه‌های برف سطح زمین در جلگه‌ی گیلان شناسائی شد. به جزء برف سنگین گیلان در فوریه 2005 و ژانویه 2008، که بخش بزرگی از جلگه‌ی گیلان و کرانه‌های ساحلی شرق و غرب را تحت پوشش قرار داد، شش پهنه‌ی مکانی برف ملایم در جلگه گیلان شناسائی شد. سپس با پردازش تصاویر ماهواره‌ای در نرم افزار ارداس[2]، الگوی مکانی برف شناسائی و در سامانه اطلاعات جغرافیایی[3] خروجی به صورت نقشه تولید شد. ویژگی شکل هندسی تمامی این پهنه‌های برف، وجود یک الگوی مشخص مکانی در جلگه‌ی مرکزی گیلان است. بدین معنی که، تمامی برف‌های مورد مطالعه در این پژوهش، دارای الگوی مشخص مکانی مثلثی می‌باشند که قاعده این مثلث فرضی در دو محل قرار می‌گیرد. الف.خطی فرضی از حوالی غرب جلگه‌ی گیلان در شهر خمام تا شرق در سواحل شمال‌شرقی شهر لاهیجان است. ب.برخی دیگر از برف‌ها، قاعده‌ی این مثلث از غرب بر رشت و از شرق بر لاهیجان منتهی می‌گردد. راس این مثلث هم به طور مشخص در تمامی موارد به سمت دره‌ی سفیدرود کشیده شده است. به دلیل همین شکل خاص، که دقیقا منطبق بر دلتای رسوبی رودخانه سفیدرود است، این الگوی مکانیِ برفِ جلگه‌ی مرکزی گیلان، «برف دلتا» نام گذاری شد. شناسائی برف دلتا، از اولین یافته‌های این مطالعه است، بنابراین با توجه به طول دوره‌ی آماری، تصاویر مطالعه شده در اکثر قریب به اتفاق برف‌های با ارتفاع متوسط در جلگه‌ی گیلان، یک الگوی مکانی مشخص شکل می‌گیرد(شکل‌های، 2، 3، 4 و5).

 

 

 

شکل 2- تصویر ماهواره‌ای سنجنده مودیس ماهواره آکوا، برف دلتا در تاریخ 2011.2.5

 

 

شکل 3- سمت راست، الگوی مکانی برف گیلان در تاریخ 2006.12.30.  سمت چپ،الگوی مکانی برف در تاریخ 2009.1.3

 

شکل 4- سمت راست، الگوی مکانی برف در تاریخ 2012.1.4 ‌ سمت چپ، الگوی مکانی برف در تاریخ 2012.3.18

 

 

شکل 5- سمت راست الگوی مکانی برف در تاریخ 2011.2.5.سمت چپ. الگوی مکانی برف در تاریخ 2011.11.29

 

 

 

ب.سازوکار شکل‌گیری برف دلتا در جلگه مرکزی گیلان

1. تحلیل همدیدی: در این بخش به منظور بررسی جامع سازوکار شکل‌گیری این الگو، 6 مورد از این سامانه‌ها (جدول1) که طی 8 سال اخیر،  منجر به  بارش برف به شکل دلتا و تقریباً منطبق بر دلتای سفیدرود، در جلگه‌ی گیلان شده انتخاب و نقشه‌های روزانه ‌‌‌میادین فشار، دما، ارتفاع ژئوپتانسلی،‌ مولفه‌های مداری ‌و نصف‌النهاری باد و سرعت قائم در دستگاه فشاری، با استفاده ازداده‌های ‌دوباره ‌تحلیل ‌شده‌ مرکز ‌ملی ‌پیش‌بینی‌ محیطی ‌آمریکا NCEP/NCAR روی شبکه‌ای منظم شامل کشور ایران با تفکیک افقی 5/2 درجه ‌به کمک نرم افزارگرافیکی GrADS ترسیم و مورد پردازش قرار گرفت. در این بخش تلاش شده است منشأ وساختار سامانه های منجر به وقوع این پدیده از دیدگاه میان مقیاس مورد مطالعه قرار گیرد. برای پرهیز از طولانی شدن مقاله، نقشه‌های مربوط به سامانه‌ی مارس 2012 و نتایج بدست آمده به صورت مبسوط ارائه شده است.

 

 

 

 

 

 

جدول 1- زمان رخ‌داد و ارتفاع برف دلتا  (به سانتیمتر) در ایستگاه‌های همدیدی منطبق بر دلتای سفیدرود و دره منجیل (جلگه مرکزی گیلان)

 

ایستگاه

2006/12/30

2009/01/03

2011/11/29

2011/02/05

2012/01/04

2012/03/18

لاهیجان

7

4

10

10

1

18

کشاورزی رشت

10

8

20

19

1

25

فرودگاه رشت

14

5

1

   

20

کیاشهر

5

9

       

بندرانزلی

 

1

       

 

 

 

 

جدول 2- مقادیر کمیت‌های هواشناسی ایستگاه کشاورزی رشت مربوط به سامانه مارس 2012

 

تاریخ

 

ساعت

 

پوشش ابر

سمت باد

سرعت باد (متر بر ثانیه)

دما  (درجه سلسیوس)

فشار تراز دریا

پدیده هوای حاضر

بارش (میلیمتر)

ارتفاع برف

2012/03/16

12

8

300

5

6.6

1009.5

رگبار

 

 

2012/03/16

15

8

300

6

4.2

1011.6

باران

 

 

2012/03/16

18

8

270

6

1.8

1014.6

باران

 

 

2012/03/16

21

8

270

5

0.6

1016.2

برف

 

 

2012/03/17

0

8

220

4

0.4

1015.5

برف

 

 

2012/03/17

3

8

260

4

0

1017

برف

 

 

2012/03/17

6

8

250

3

0.2

1019.6

برف

24/7

4

2012/03/17

9

8

260

3

0.2

1021.7

برف

 

 

2012/03/17

12

8

0

0

0.2

1022.3

برف

 

 

2012/03/17

15

8

0

0

0

1024.6

برف

 

 

2012/03/17

18

8

0

0

0

1025.3

برف

 

 

2012/03/17

21

8

0

0

0.2

1026

باران

 

 

2012/03/18

0

8

0

0

0

1026.5

رگبار

 

 

2012/03/18

3

8

0

0

0.2

1029.5

مه رقیق

39/9

25

 

 

در مجموع منشاء این سامانه‌ها درمقیاس همدیدی، واچرخندی(پرفشاری‌) با فشار مرکزی میانگین بیش از 1035 هکتوپاسکال است که روی بخش‌هایی ازغرب اروپا و شرق اقیانوس اطلس شکل می‌گیرد. هسته‌ی این سامانه ضمن حرکت شرق‌سو، تا روی شرق کشور ترکیه و دریای سیاه کشیده شده و زبانه‌های ناشی از آن، از سمت غرب و شمال‌غرب، کشور ایران را تحت تأثیر قرار می‌دهند که روند افزایش فشار و کاهش دما را در سواحل جنوبی کاسپین به دنبال دارد. گردش ساعت‌گرد این واچرخند همراه با تاوایی نسبی منفی در وردسپهر زیرین، جریان‌های شمالی و شمال‌غربی، از روی دریای کاسپین به سمت سواحل ایجاد می‌کند‌. استقرار مرکز کم‌فشار روی مرکز ایران و نفوذ زبانه پرفشار روی شمال‌غرب ایران، سبب افزایش گرادیان فشاری و سرعت باد روی سواحل جنوب‌غربی دریای کاسپین می‌گردد(شکل 6الف و ب). در تراز 850 هکتوپاسکالی، نیمه شمالی کشور متأثر از ناوه ارتفاعی است که مرکز آن روی کشور روسیه قرار دارد وگردش پاد ساعت‌گرد این ناوه ارتفاعی با جریان‌های شمال سو به سمت جلگه‌ی گیلان همراهی می‌کند.  بتدریج برای روز 17 مارس با نفوذ واچرخند از سمت غرب دریای کاسپین و شکل‌گیری تاوایی نسبی منفی روی پهنه‌ی آبی کاسپین، جریان‌های شمال سو جایگزین جریان‌های جنوبی می‌شوند و  علاوه بر این عمیق شدن ناوه دمایی در این تراز، ریزش هوای سرد از سمت عرض‌های شمالی را به دنبال دارد ‌(شکل‌6‌ج و د).

 

 

 

(الف)                                                                                     (ب)

 

(ج)                                                                                (د)

 

شکل6. الف) میدان فشار سطح دریا، دمای 2 متری و تاوایی نسبی تراز 850میلی باری، میانگین روزانه  16 مارس 2012  ، ب) میدان فشار سطح دریا، دمای 2 متری و تاوایی نسبی تراز 850 هکتوپاسکالی، میانگین روزانه  17 مارس 2012، ج) میدان ارتفاع ژئوپتانسیلی، میدان دما و جریان تراز 850 هکتوپاسکالی، میانگین روزانه  16 مارس 2012، د) میدان ارتفاع ژئوپتانسیلی، میدان دما و جریان تراز 850 هکتوپاسکالی، میانگین روزانه  17 مارس 2012 .


 


 

(الف)                                                                                    (ب)

 

شکل7. میانگین روزانه  ارتفاع ژئوپتانسیلی، میدان دما و تاوایی نسبی تراز 500 میلی باری، الف)

روز 16 مارس 2012  ب) روز 17 مارس 2012

 


در تراز 500 هکتوپاسکالی، حرکت شرق سوی امواج غربی‌، عبور ناوه ارتفاعی عمیق با تاوایی مثبت و وجود ناوه دمایی که دارای تقدم فاز نسبت به ناوه ارتفاعی است، تقویت ناپایداری در سطوح زیرین را به دنبال دارد. گستردگی شمالی- جنوبی ناوه دمایی این تراز موجب فرارفت سرد به نیمه شمالی کشور می‌شود و کاهش ارتفاع ژئوپتانسیلی این تراز نیز، سردشدن لایه بین سطح زمین و تراز 500 هکتوپاسکالی را تأیید می‌کند (شکل 7 الف و ب).

 اجرای مدل عددی WRF : مطابق الگوی مقیاس همدیدی سامانه فوق انتظار می‌رود که طی مدت فعالیت آن، جهت باد 10 متری، برای ایستگاه‌های جلگه‌ی گیلان بصورت شمالی و شمال‌غربی باشد. اما بررسی داده‌های ثبت شده در ساعت‌های گزارش همدیدی(SC data)  مبین آن است که برای ایستگاه‌های منطبق بر دلتای سفیدرود در امتداد دره منجیل، نظیر ایستگاه منجیل، کشاورزی رشت و فرودگاه رشت، نه تنها جهت باد 10 متری، از تئوری‌های حاکم بر مقیاس  همدیدی‌ در الگوی سطح زمین تبعیت نمی‌کند، بلکه با آغاز بارش برف جهت باد از شمال و شمال‌غرب به غرب یا جنوب‌غربی و پس از آن شرایط آرام تغییر می‌کند جدول1 بنابراین به منظور واکاوی دقت مدل عددی WRF در تشخیص عوامل شکل‌گیری الگوی مکانی برف دلتا و بررسی در مقیاس کوچک‌تر‌،  این مدل را به ترتیب با سه تفکیک افقی 27، 9 و 3 کیلومتر روی شبکه‌ای منظم منطبق بر گیلان با گام زمانی سه ساعته اجرا گردید و الگوی باد 10 متری، دمای 2 متری، برش قائم رطوبت نسبی و همچنین برش قائم کمیت‌های دینامیکی مانند تاوایی نسبی و سرعت قائم  مورد بررسی قرار گرفت.

 

 

 

 

شکل 8- خروجی مدل  WRFبرای میدان باد 10 متری و دمای 2 متری ساعتUTC00 روز 17 مارس 2012، الف)

برای دامنه 2 (تفکیک افقی 9کیلومتر)

 

      

(الف)                                                                                         (ب)

شکل 9- خروجی مدل WRF، روز 17 مارس 2012 الف) برش قائم میدان باد و دما روی نصف النهار 49 درجه و 35 دقیقه منطبق بر ایستگاه کشاورزی رشت،  ب) برش قائم تاوایی نسبی و سرعت قائم روی نصف النهار 49 درجه و 35 دقیقه منطبق بر ایستگاه کشاورزی رشت


 

بر اساس خروجی مدل WRF‌، الگوی میدان باد 10 متری در روز 17 مارس، شارش میدان باد با جهت شمال سو از سمت فلات ایران به استان گیلان و در مقابل غلبه میدان باد جنوب سو از سمت دریای کاسپین و عرض‌های شمالی به سوی جلگه‌ی گیلان که ناشی از گردش ساعتگرد توده‌ی هوای پرفشار مستقر روی کاسپین جنوبی است را نشان می‌دهد. برش قائم باد نیز نشان می‌دهد در بالاتر از عرض جغرافیایی 7/36 درجه، منطبق بر دلتای سفیدرود، ‌در زیر تراز 700 هکتوپاسکالی، با توجه به استقرار واچرخند سطحی و حرکت پادساعت‌گرد توده هوای پرفشار، جریان‌های شمالی و شمال‌غربی و رطوبت نسبی بین 90 تا 100 درصد مشاهده می‌شود و در بالاتر از تراز 700 هکتوپاسکالی، با توجه به عبور امواج غربی و ناوه‌های ارتفاعی جهت باد در امتداد نصف‌النهار منطبق بر دره‌ی منجیل، جنوب‌غربی است. به عبارت دیگر در جانب شمالی رشته کو‌ه‌های البرز ( بالاتر از عرض جغرافیایی 7/36) ، لایه مابین تراز 700 و 800 هکتوپاسکالی، ترازی است که در آن چینش قائم جهت باد اتفاق می‌افتد.

علاوه بر این محلِ دره‌ی منجیل (عرض جغرافیایی 5/36) جایی است که چینش افقی باد بین دو طرف رشته‌کوه البرز مشاهده می‌شود  که به دره شاهرود و دشت قزوین منتهی می‌شود‌( شکل9 الف‌‌‌). الگوی دمای دو متری و همچنین برش قائم دما،  گرادیان  افقی دمایی (‌تغییرات 5 تا 8 درجه سلسیوس در فاصله هوایی کمتر از 20 کیلومتر) مابین ارتفاعات مرکزی و جنوبی البرز اعم از دره شاهرود و دشت قزوین که دمای پایین‌تری دارد و جلگه‌ی پست گیلان که دمای بالاتری دارد را به وضوح نشان می‌دهد. طی ساعت‌های اولیه نفوذ زبانه‌ی پرفشارسطحی روی کاسپین، دمای لایه‌های زیرین وردسپهر در جلگه‌ی گیلان به اندازه کافی کاهش نیافته است. بنابراین ریزش هوای سرد ناشی از عبور ناوه‌های دمایی و ارتفاعی تراز850 ‌و بالاتر از آن، از سمت فلات ایران و کوهستان البرز که دارای  ارتفاع بیشتر از سطح تراز دریا و دمای سطحی کمتر نسبت به دلتای سفیدرود می‌باشد موجب غلبه جریان‌های سرد جنوبی فلات ایران در محل دره‌ی سفید‌رود می‌شود و بارش برف در جلگه‌ی مرکزی گیلان اتفاق می‌افتد. چینش قائم و افقی باد و گرادیان افقی قابل ملاحظه دما، شکل‌گیری جبهه در مقیاس محلی را منطبق برگذرگاه دره منجیل نشان می‌دهد(شکل9 الف) ‌جاییکه تاوایی مثبت ناشی از همگرایی توده هوا‌، سازوکار لازم رابرای صعود دینامیکی آن فراهم می‌سازد(شکل‌9‌ب‌‌). فارغ از عوامل فیزیکی و دینامیکی حاکم بر فرآیند بارش برف، پستی‌وبلندی منطقه و وجود دره زمین‌ساختی منجیل در بدنه‌ی عظیم البرز، تنها گذرگاه طبیعی برای کانالیزه شدن هوا و محل برخورد جریان‌های شمالی و جنوبی بین جلگه گیلان و بخش‌های جنوب البرز و در واقع همگرایی مولفه‌های شمالی و جنوبی میدان باد و تنها مسیر نفوذ هوای سرد فلات ایران به جلگه‌ی گیلان است که با شکل‌گیری الگوی مکانی دلتا مطابقت دارد.

 

123

 

نتیجه‌گیری:

شناسایی و مطالعه  ارتباط سازوکار گردش منطقه‌ای جو با عوامل محیطی و مولفه‌های موثر برآن، امکان پیش‌بینی وقوع بسیاری از پدیده‌های جوی را در آینده فراهم می‌سازد. در این مطالعه تلاش شده است ساختار سامانه‌های منجر به بارش برف‌های متوسط در استان گیلان مورد بررسی قرار گرفته و تا حد امکان به ابهام‌های موجود در این زمینه پاسخ داده شود. برخی از مهم‌ترین نتایج بدست آمده در این زمینه عبارتند از:

1. پایش روزانه تصاویر سنجنده‌ مودیس ماهواره‌های آکوا و ترا، طی فصل سرد (اکتبر تا مارس) سال‌های 2005 تا 2012 نشان می دهد که پهنه‌های برف سطح زمین در استان گیلان،  به جزء برف سنگین گیلان در فوریه 2005 و ژانویه 2008، که بخش بزرگی از جلگه‌ی گیلان و کرانه‌های ساحلی شرق و غرب را تحت پوشش قرار داد، دارای شکل هندسی مشخص بوده و ‌الگوی مکانی شناسائی شده برای این برف‌های متوسط، به شکل مثلث است. این مثلث‌، در امتداد دره‌ی منجیل و منطبق بر دلتای سفیدرود در جلگه‌ی مرکزی گیلان شکل می‌گیرد و راس این مثلث به طور مشخصی در تمامی موارد به سمت دره سفیدرود کشیده شده است.

2. مطالعه‌ی ساختار سامانه‌های منجر به شکل‌گیری این پدیده نشان می‌دهد در مجموع منشاء این سامانه‌ها در مقیاس همدیدی، واچرخندی(پرفشاری‌) با فشار مرکزی میانگین بیش از 1035 هکتوپاسکال است که روی بخش‌هایی ازغرب اروپا و شرق اقیانوس اطلس شکل گرفته و با حرکت به سمت شرق تا روی دریای سیاه گسترش می‌یابند. زبانه‌های ناشی از این واچرخندها تاروی سواحل جنوبی کاسپین توسعه یافته و گردش ساعت‌گرد آن‌ها در وردسپهر زیرین، جریان‌های شمالی و شمال‌غربی، از روی دریای کاسپین به سمت سواحل ایجاد می‌کند‌. همزمان استقرار چرخند سطحی روی مرکز ایران و واچرخند سطحی روی شمال‌ ایران، سبب افزایش گرادیان فشاری و سرعت باد روی سواحل جنوب‌غربی دریای کاسپین می‌گردد. در تراز 500 هکتوپاسکال، نیمه شمالی کشور تحت تاثیر ناوه ارتفاعی،  ناوه دمایی و تقویت تاوایی مثبت قرار دارد و شرایط کژفشاری و ناپایداری در این تراز بخوبی مشهود است.

3. بر اساس خروجی مدلWRF،  الگوی باد 10 متری و دمای دو متری، شارش میدان باد با جهت شمال سو از سمت فلات ایران به استان گیلان و در مقابل غلبه میدان باد جنوب سو از سمت دریای کاسپین و عرض‌های شمالی به سوی جلگه گیلان که ناشی از گردش ساعتگرد توده هوای پرفشار مستقر روی کاسپین جنوبی است را نشان می‌دهد. دره‌ی منجیل تنها گذرگاه طبیعی برای کانالیزه شدن هوا و محل برخورد جریان‌های شمالی و جنوبی بین جلگه‌ی گیلان و بخش‌های جنوب البرز و در واقع همگرایی مولفه‌های شمالی و جنوبی میدان باد است.

4. برش قائم باد مبین آن است در بالاتر از عرض جغرافیایی 37 درجه، در ترازهای زیرین وردسپهر با توجه به حاکمیت واچرخند سطحی و حرکت پادساعتگرد توده هوای پرفشار، غلبه جریان‌های شمالی و شمال‌غربی مشاهده می‌شود. اما در وردسپهر میانی و فوقانی با عبور امواج غربی و ناوه‌های ارتفاعی، جهت باد در امتداد نصف‌النهار منطبق بر دره‌ی منجیل، جنوب‌غربی است به عبارت دیگر لایه مابین تراز 700 و 800 هکتوپاسکالی، ترازی است که در آن چینش قائم جهت باد اتفاق می‌افتد. علاوه بر این محل دره‌ی منجیل (عرض جغرافیایی 7/36) جایی است که چینش افقی باد بین دو طرف رشته‌کوه البرز مشاهده می‌شود که به دره شاهرود و دشت قزوین منتهی می‌شود‌.

5. بر اساس خروجی مدل‌WRF در مقیاس مکانی‌ 9 کیلومتر، چینش قائم و افقی باد و گرادیان افقی قابل ملاحظه ‌دما، شکل‌گیری جبهه در مقیاس محلی را منطبق برگذرگاه دره منجیل نشان می‌دهد. فارغ از سازوکار فیزیکی و دینامیکی حاکم بر فرآیند بارش برف، پستی‌وبلندی منطقه و وجود دره زمین‌ساختی منجیل در بدنه‌ی عظیم البرز، تنها مسیر نفوذ هوای سرد فلات ایران به جلگه گیلان است که با شکل‌گیری الگوی مکانی دلتا مطابقت دارد.

 



2. EDRAS

1.

1. Rapid Radiative Transfer Model

3.GIS

  1. Qazvin meteorology office, daily meteorology data of Qazvin province station.
  2. Qazvin meteorology office, daily meteorology data of bandar e anzali, bandar e kiashahr, lahijan, rasht ,manjil and lahijan .
  3. Jedari ivazi, jamshid, yamani, mojtaba and khosh rafter, reza, 2005, Geomorphology evolution in Quaternary River Delta Sefidrud, Geographical research journal, 53, 99-120.
  4. Rezaiee, parviz, 2010, snowfall trend in gilan province and its consequences, Geopolitical landscape, 5(12), 47-61.
  5. Fatahi, ebrahim,moghimi, shokat, khorshidi, maryam, 2010,  Applying of NOAA satellite image for determining  the trend of snow cover in  North West Iran, 4th Regional Conference on Climate Change, 2010, Tehran.
  6. Fatahi, ebrahim and vazifeh doost, majid, 2011, Estimate of  snow surface temperature and snow cover area using MODIS sensor images (basins case study in Golestan Province), case study in Golestan province Basins,  Journal of Geographical Research, 26(102), 149-168.
  7. Azimi dobakhshi, naaser, 2009, Human and Economic Geography Gilan, Ilia culture publication.
  8. Alijani, Bohlool and Rezaiee, Parviz, 2003, Climate Study of Manjil wind, Journal of Geographical Research, 68, 101-113.
  9. Mahmoodi, farajoallah, 1995, Natural and geological view of Gilan, gilan book, Iranian researcher.

10. Brown, D.R.(2000).Northern Hemisphere Snow Cover Variability and Change, 1915-97.Journal of Climate. Volume 13.pp 2339-2355.

11. http://rapidfire.sci.gsfc.nasa.gov/subsets.

12. http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/reanalysis/reanalysis.shtml.

13. fftp://eclipse.ncdc.noaa.gov/pub/OI-daily-v2/NetCDF.

14. Romanov .Peter.Gutman, Garik, Csiszar, Ivan, (2000), Automated Monitoring of Snow Cover over North America with Multispectral Satellite Data, journal of applied meteorology.volume 39, pp 1866-1880.

15. Wulder .Michael A, and Trisalyn A. Nelson, Derkesn, Charis. Seemann, David.(2007). Snow cover variability across centralCanada (1978–2002) derived from satellite passive microwave data.Climatic Change. (2007) 82:pp 113–130.

16. Stewart T. Iris. (2009) Changes in snowpack and snowmelt runoff for key mountainRegions.Hydrol.Process.23, pp 78–94.

17. Dahe. Qin, Shiyin, Liu. Peiji, Li .(2006).Snow Cover Distribution, Variability, and Response to Climate Change in Western China. Journal of Climate .volume 19. pp 1820-1833.

18. Zuhal Akyurek and Sorman A. Unal.(2002).Monitoring snow-covered areas using NOAA AVHRR April data in the eastern part of Turkey.HydrologiculSciences~Journal~~des Sciences Hydrologiques, 47(2), pp 243-252.