مجله ژئوفیزیک ایران
سال:1398 | دوره:13 | شماره:2 |تعداد مقالات:6

در این پژوهش، اثر گرمایش زمین بر مسیرهای توفان اطلس و مدیترانه در فصل زمستان براساس داده های خروجی مدل ماکس پلانک در شبیه سازی های مرحله پنجم از "پروژه مقایسه متقابل مدل جفت شده" موسوم به CMIP5 بررسی می شود. سناریوی تاریخی (historical) برای دوره گذشته و سناریوی RCP8. 5 برای دوره آینده به کار رفته است. برای تحلیل مسیر توفان یا فعالیت پیچکی، از پایستاری فعالیت موج استفاده شده است. بررسی دینامیکی نتایج نشان می دهد که در ترازهای بالای وردسپهر، نحوه تغییرات شدت فعالیت موج و الگوی انتشار و شکست موج در شاخه های شمالی و جنوبی مسیر توفان اطلس، تعیین کننده چگونگی تغییرات فعالیت موج به ترتیب در عرض های شمالی و جنوبی قطاع های جریان سوی خود از اروپا تا سیبری و آسیای میانه و از مدیترانه تا جنوب غرب آسیا است. در فصل زمستان، از غرب اطلس تا آسیای میانه، نواحی بیشینه زوج های واگرایی-همگرایی شار فعالیت موج یا بسته موج ها در عرض های شمالی از شاخه شمالی مسیر توفان اطلس تا اسکاندیناوی و سیبری و در عرض های جنوبی از شاخه جنوبی مسیر توفان اطلس تا مسیر توفان مدیترانه و شمال آفریقا تضعیف و در شاخه مرکزی در مرکز اروپا-دریای سیاه-دریای خزر متمرکز می شوند. سازگار با این موضوع، شار شرق سوی فعالیت موج نیز در عرض های شمالی و جنوبی تضعیف و در عرض های میانی تقویت می شود. این نتایج به معنای تبدیل ساختار دو شاخه مسیر توفان به ساختار تک شاخه مرکزی است. به علاوه، بیشینه شکست واچرخندی موج و بسته موج های مربوط به هر دو مسیر توفان اطلس و مدیترانه و همچنین بسته موج شاخه مرکزی اروپا-دریای سیاه به سمت شرق جابه جا می شوند. این امر سبب افزایش نفوذ بسته موجِ هر دو شاخه مدیترانه و دریای سیاه به ایران شده است که نتیجه ای امیدوارکننده از نظر اثر بر انتقال فعالیت سامانه های همدیدی به ایران تلقی می شود.

وابستگی مدل های عددی به محدوده انتخابی، بر دقت نتایج پیش بینی و شبیه سازی طوفان های حاره ای مؤثر است. در بخش اول این مطالعه، با استفاده از مدل WRF، حساسیت شبیه سازی مسیر و شدت طوفان حاره ای گونو به محدوده های انتخابی تعیین و در بخش دوم، عملکرد داده گواری وردشی سه بعدی در کاهش وابستگی حساسیت شبیه سازی این طوفان به محدوده های انتخابی ارزیابی می شود. نتایج در بخش اول نشان می دهد که علی رغم تفاوت کم در انتخاب محدوده های انتخابی، مسیر های شبیه سازی شده اختلاف زیادی با هم دارند. نتایج در بخش دوم حاکیست که با استفاده از داده گواری داده های ماهواره ای و همدیدی موجود در زمان شروع مدل، کیفیت داده های حدس اولیه به اندازه زیادی ارتقاء پیدا کرده است؛ از این رو، دقت مسیر های شبیه سازی شده در همه محدوده های انتخابی ارتقاء پیدا می کند و باعث کاهش حساسیت شبیه سازی طوفان حاره ای گونو به محدوده انتخابی می شود. صرف نظر از اختلاف زیاد در مسیرهای شبیه سازی شده (به ویژه در حالت بدون استفاده از داده گواری) که به نوبه خود بر شدت طوفان پیش بینی شده تأثیرگذار است، در همه شبیه سازی های انجام شده، شدت طوفان در زمان اوج آن در مقایسه با داده های مرجع سازمان هواشناسی هند (IMD)، بیشتر و در مقایسه با داده های مرجع مرکز مشترک هشدار طوفان (JTWC)، کمتر پیش بینی شد. از آنجاکه دمای سطح دریا تأثیر زیادی بر شدت شبیه سازی طوفان دارد، مدل WRF جفت شده با یک مدل اقیانوسی، جهت تعیین دقیق دمای سطح دریا در طول مدت شبیه سازی می تواند بر دقت نتایج این مطالعه به ویژه شدت طوفان بیفزاید.

با توجه به هندسه تقریباً کروی جو و اقیانوس، حل عددی معادلات حاکم بر این لایه ها نیازمند استفاده از یک شبکه کروی مناسب است. شبکه یین-یَنگ یکی از انواع شبکه های هم پوشان است. این شبکه ترکیبی از دو شبکه به نام های یین و یَنگ، با یک هم پوشانی مختصر است که هر دو، شبکه هایی متعامد بر پایه شبکه متداول طول و عرض جغرافیایی هستند. هیچ نقطه تکینه ای روی این شبکه وجود ندارد و فاصله بندی شبکه ای آن شبه یکنواخت است. در نقاط مرزی هر دو مؤلفه شبکه ای آن به استفاده از روش های درون یابی نیاز است. در این پژوهش، معادله فرارفت دوبعدی در یک آزمون موردی استاندارد شناخته شده با استفاده از روش مک کورمک فشرده مرتبه چهارم با پیمایش زمانی رونگِ-کوتای مرتبه چهارم روی یک شبکه یین-یَنگ به طور عددی حل شده است. برای ایجاد امکان مقایسه نحوه عملکرد الگوریتم توسعه داده شده روی شبکه یین-یَنگ، این الگوریتم روی شبکه کروی استاندارد بر پایه طول و عرض جغرافیایی نیز پیاده سازی شده است. نتایج نشان می دهند که استفاده از روش های مک کورمک فشرده مرتبه چهارم برای حل معادله فرارفت دوبعدی در هندسه کروی روی شبکه یین-یَنگ، در کاهش هزینه محاسباتی بسیار مؤثر بوده است، اما با محاسبه خطا با استفاده از نُرم های قدرمطلق، مربع و بی نهایت، افزایش خطا در حدود یک مرتبه بزرگی نسبت به حل عددی این معادله با همین روش روی شبکه بر پایه طول و عرض جغرافیایی مشاهده می شود که این خطا می تواند به دلیل استفاده از درون یابی در محاسبات باشد. به هرحال، دقت این روش روی این شبکه قابل قبول است و نتایج کیفی این حل عددی نیز این موضوع را تأیید می کنند.

در مقاله حاضر، اثرهای احتمالی نوسان اطلس شمالی (NAO) بر کیفیت هوای شهر تهران بررسی شده است. به این منظور، ابتدا با استفاده از شاخص روزانه NAO و شاخص کیفیت هوای مربوط به دوره های با هوای آلوده و سالم از سال 2007 تا 2016، تأخیر زمانی تأثیر این دورپیوند در هر دوره به دست آمده است. سپس برای بررسی موردی شرایط همدیدی و دینامیکی، داده های روزانه ERA-interim مربوط به ECMWF در بازه زمانی 1979 تا 2017 به کار رفته است. بررسی ارتباط بین شاخص روزانه NAO و شاخص کیفیت هوای شهر تهران با محاسبه ضریب همبستگی بیانگر آن است که در دوره های هوای آلوده، به طور نسبی فاز مثبت NAO و در دوره های هوای سالم فاز منفی غالب است. نتایج بررسی های موردی در شرایطی که بیشترین همبستگی بین شاخص کیفیت هوای تهران و شاخص روزانه NAO وجود دارد، نشان می دهد در مواردی که فاز NAO مثبت است، با انحراف جریان های جوی به سمت شمال اروپا، فرارفت هوای گرم و مرطوب به این منطقه رخ می دهد، حال آنکه خاورمیانه شرایط سرد و خشک همراه با حرکت های نزولی دارد که می تواند باعث وارونگی دما و انباشت آلاینده ها در این منطقه شود. از سوی دیگر، زمانی که فاز NAO منفی است، مداری و قوی تر شدن جریان ها که با انتقال رطوبت و دمای کمتر از اقیانوس اطلس به سمت شرق همراه است، به بهبود کیفیت هوا کمک می کند. از دیگر نتایج پژوهش حاضر این است که مکان استقرار کم فشار ایسلند و پرفشار آزورز روی اقیانوس اطلس، جهت محور آنها و مشارکت با پدیده های دیگر به خصوص پرفشار سیبری، تأثیر مستقیم بر مسیر جریان های جوی، ایجاد پشته ها و ناوه ها و همچنین مکان قرارگیری جت های جنب حاره ای و جنب قطبی دارند و به صورت غیرمستقیم بر کیفیت هوا اثر می گذارند.

همه اشیایی که دمای آنها بالای صفر مطلق (273-درجه سلسیوس) است از خود انرژی ساطع می کنند. مقدار انرژی ساطع شده از جسم به دمای آن بستگی دارد و بر پایه قانون استفان بولتزمن می توان آن را اندازه گیری کرد. بیشینه انتشار این انرژی در طول موج معینی است که قانون پلانک آن را مشخص می کند. با توجه به دمای سطحی، خورشید بیشینه انرژی خود را در طول موج 48/0 میکرون یعنی در میانه امواج مرئی ساطع می کند درحالی که زمین بیشینه انرژی خود را در طول موج 10 میکرون ساطع می کند. این تابش که از 3 میکرون آغاز و تا 100 میکرون (فروسرخ) ادامه دارد، به نام تابش زمین تاب (Outgoing Longwave Radiation) شناخته شده است. اندازه گیری تابش زمین تاب برای شناخت توازن انرژی و فرایندهای دمایی زمین بسیار با اهمیت است. با توجه به دشواری اندازه گیری این تابش، به کارگیری داده های سنجش ازدور می تواند در شناخت تغییرات زمانی و مکانی آن کمک مؤثری کند؛ ازاین رو، هدف از پژوهش کنونی، بررسی تغییرات زمانی و مکانی تابش زمین تاب ایران به کمک داده های مرکز ملی هوا و اقیانوس شناسی ایالات متحده آمریکا (NOAA) است. در این پژوهش، نخست داده های میانگین روزانه تابشِ زمین تاب در بازه زمانی 1/1/1367 تا 29/12/1396 خورشیدی به مدت 10957 روز با تفکیک مکانی یک درجه قوسی از پایگاه ثبت داده های آب و هوایی برداشت شد. بر مبنای نزدیک به 700 میلیون یاخته، میانگین فصلی تابش زمین تاب ایران در هرسال محاسبه شد و برای هر فصل، یک آرایه مکان-زمان در ابعاد 30×154 به دست آمد که سطرهای آن، مکان (یاخته ها) و ستون ها، زمان (فصل) را نشان می دهد. سپس برای هر فصل از سال، آزمون ناپارامتری من-کندال در سطح اطمینان 90 درصد برای هر یاخته جداگانه محاسبه شد. یافته ها نشان داد که در فصول مختلف سال در ایران روند منفی مشاهده نمی-شود و تنها در فصل زمستان گستره زیادی از ایران روند مثبت دارد؛ بنابراین، تابش زمین تاب در دیگر فصول سال روندی را نشان نمی-دهد. روند مثبت تابش زمین تاب در فصل زمستان به دلیل کاهش ابرناکی و برف در طول دوره موردمطالعه است. همچنین در این پژوهش، میانگین بلند مدت فصلی تابش زمین تاب ایران زمین نیز رسم شد. یافته های بلندمدت فصلی نشان داد که تابش زمین تاب، گذشته از عرض جغرافیایی، از پیکربندی زمین نیز پیروی می کند به طوری که بیشترین تابش زمین تاب در عرض های پایین و هموار (به ویژه فصل تابستان) و کمترین آن، در عرض های بالا و ناهموار (به ویژه فصل زمستان) دیده می شود.

در این مقاله ضمن ارائه مبانی نظری مدل پنهان مارکوف، ساختار مناسب آن برای مدل سازیِ سری زمانی باد پیشنهاد و اجرا شده است. مدل پیشنهادی در شناسایی رژیم های حاکم در سری های زمانی باد سطح زمین در فرودگاه امام خمینی آزمایش و برای اجرای آن از داده جمع آوری شده طی چهار سال متوالی استفاده شده است. ضمن ارائه آزمون ایستاییِ زمانی برای مدل مارکوف مرتبه اول، این آزمون برای مدل پنهان مارکوف توسعه داده شده است و نتایج آزمون ایستایی دو روش مقایسه شده اند. نتایج نشان می دهد که آزمون ایستایی زمانی روی داده سرعت باد در مدل پیشنهادی نسبت به مدل مارکوف مرتبه اول در 70 تا 85 درصد موارد بهبود یافته است که این افزایش ایستایی زمانی به معنی به دست آوردن دقتِ بیشتر در پیش بینی سرعت باد با استفاده از مدل پنهان مارکوف است. اثر تغییر تعداد رژیم ها از دو به سه و چهار، در ماه های مختلف سال بررسی و نتایج آن با نتایج اجرای مدل مارکوف مرتبه اول مقایسه شده است. نتایج نشان از این دارد که با تشخیص و تفکیک رژیم با مدل پیشنهادی، در پیش بینی ارائه شده پراکندگی احتمالات کمتر می شود. درنهایت، با به دست آوردن پیش بینی سرعت باد با روش پیشنهادی و همچنین روش مارکوف مرتبه اول و مقایسه با مقادیر واقعی ثبت شده و محاسبه ریشه مجموع مربعات خطا برای هر دو روش، نشان داده شده است که روش پیشنهادی نتایج بهتری تولید می کند.