بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از پارامترهای استوکس، از روشهای مرسوم در بررسی رخداد موج گرانی-لختی است. در این پژوهش، ضمن کاربست مستقیم این روش برای تحلیل یک مطالعه موردی موج گرانی-لختی بر روی ایران، از آن در برآورد ویژگیهای موج با روش طیف چرخشی نیز استفاده میشود. نتایج نشان میدهد روش پارامترهای استوکس قادر به تخمین بخش بالابسامد موج نیست. همچنین اثر باد زمینه، مانع از برآورد دقیق جهتگیری افقی انتشار موج میشود. اگرچه این روش قادر به تمیز دادن انتشار شرقسو - شمالسو - و غربسو - جنوبسو - موج و نیز انتشار بالاسو و پایینسوی انرژی نیست، اما به کارگیری این پارامترها همراه با روش های مکملی همچون طیف چرخشی ضمن کاهش محاسبات، نتایج قابل قبولی دربردارد.
واژههای کلیدی: موج گرانی-لختی، پارامترهای استوکس، طیف چرخشی.
-1 مقدمه
امواج گرانی-لختی با بسامدی بین بسامد شناوری و کوریولیس، اثرات مهمی بر دینامیک جو دارند و با انتشار خود موجب انتقال قائم و افقی جرم، تکانه و انرژی میشوند. با در نظر گرفتن نوع ابزار پژوهش، مطالعات انجام شده در زمینه شناسایی این امواج را به دو دسته کلی میتوان تقسیم کرد: اول مطالعاتی بر پایه دادههای مشاهداتی و دوم، شبیهسازی عددی با شرای واقعی و آرمانی. روشهای متداول برای تخمینویژگیهای موج عبارتند از: محاسبه میدان واگرایی افقی باد، محاسبه پارامترهای استوکس، شیوه طیف چرخشی - Spectrum Rotary - ، تحلیل طیفی متقاطع، رسم شتابنگار و بررسی مستقیم نمایه قائم پریشیدگی میدانهای باد و دما.
زولیک و پیترس - 2006 - با محاسبه میدان واگرایی افقی باد برای دادههای به دست آمده از اجرای مدل میانمقیاس MM5، رخداد موج گرانی را درپی شکست موج راسبی بررسی کردند. در حالی که با محاسبه میدان واگرایی افقی اثر جریان زمینه نادیده گرفته میشود، نتایج حاصل از کاربست پارامترهای استوکس با توجه به نحوه حذف جریان زمینه - استفاده از پالاینده میانگذر یا انطباق چندجملهای - متغیر است. از طرف دیگر، دقت داده های به دست آمده از شبیهسازی عددی نیز به تفکیک افقی مورد استفاده بستگی دارد - زولیک و پیترس، . - 2006 ژنگ و همکاران - 2004 - نیز در پژوهشی نشان دادند برآورد طول موج قائم و بسامد ذاتی موج به کمک روش شتابنگار به انتخاب روش تفکیک جریان زمینه و پریشیدگی در نمایه قائم بسیار حساس است و عدم قطعیت زیادی در تخمین طول موج افقی وجود دارد.
علاوه بر حساسیت به نحوه حذف جریان زمینه، این روشها با عدم قطعیتهای بالقوهای روبرو هستند که می-تواند ناشی از وردایی فضایی بستهموج یا حضور امواج متعددباشد. لیو و کیو - 2012 - در شرای آرمانی و لیو و همکاران - 2013 - در یک مطالعه موردی، به محدودیتهای روش شتابنگار و پارامترهای استوکس در برآورد ویژگیهای موج و معنیدار بودن نتایج آنها در بسامدهای پایین اشاره کردند.مطالعه موردی حاضر، رویداد موج گرانی-لختی از اواخر وقت روز 7 تا روز9 فوریه 2012 - مصادف با 18 تا 20 بهمن - 1390 را که پیش از این توس امیرامجدی و همکاران - 1392 - با روشهای دیگر مورد مطالعه قرار گرفته، با استفاده از پارامترهای استوکس بررسی و با نتایج روشهای شتابنگار و واگرایی باد افقی مقایسه میکند.
-2 روش تحقیق
استفاده از پارامترهای استوکس در ابتدا توس وینسنت و فریتس - 1987 - برای برآورد ویژگیهای موج گرانی در جو به کار گرفته شد و سپس توس اِکرمن و وینسنت - 1989 - توسعه یافت. در این راستا فرض میشود برای هر پریشیدگی باد مداری و نصفالنهاری - - - u - z - , v - z با بیشینه دامنه - - u 0 , v 0 ، همچنین تبدیلات فوریه U R m + iU I m و V R m + iV I m ، چهار پارامتر استوکس به صورت زیر تعیین شوند:
که نماد - - معرف میانگینگیری در زمان یا ارتفاع و A یک ثابت است. در پارامترهای استوکس، I کمیت توان گذردهی، D پارامتر ناهمسانگردی گذردهی، P مربوط به قطبش خطی و Q مشخص کننده وضعیت قطبش دایرهای میباشد. آنگاه جهتگیری محور بزرگ بیضی، d درجه قطبیدگی موج و ARنسبت محورهای بیضی به صورت زیر محاسبه میشوند:
به کمک کمیت AR وبا درنظر گرفتن f به عنوان پارامتر کوریولیس، بسامد ذاتی از رابطه زیر بهدست میآید:
طیف چرخشی، از توان طیفی جمع مختل ِ مؤلفههای پریشیدگی باد افقی - - i v - z - u - z - محاسبه می شود، که 1i است. این روش وضعیت چرخش مؤلفههای پرشیدگی باد افقی با ارتفاع را مشخص می کند.حالت چرخش ساعتگرد - CW - متناسب با انتشار بالاسوی انرژی وچرخش پادساعتگرد - ACW - متناسب باانتشار پایینسوی انرژی میباشد. اِکرمن - 1996 - نشان داد که بین پارامترهای استوکس و طیف چرخشی، رابطه زیر برقرار است:انرژی موج - انرژی بر جرم واحد - نیز به طور مستقیم وطبق رابطه زیر از میدانهای نوسان به دست میآید:
که N بسامد شناوری و T 0دمای زمینه هستند. دررابطه - 11 - ، دو جمله اول انرژی جنبشی پریشیدگی باد مداری - E K z - و نصفالنهاری - E K m - و جمله سوم انرژی پتانسیلی موج - - E P را نشان میدهد. در پژوهش حاضر، برای به دست آوردن پریشیدگی میدانهای دما و باد از انطباق یک چندجملهای مرتبه 6 بر نمایه قائم استفاده - شد. روش دیگر، کاربست یک پالایه میانگذر است. بدین منظور، ابتدا نمایههای باد و دما با روش اسپلاین مکعبی درونیابی شدند تا نقاط فواصل ارتفاعی مساوی صد متر داشته باشند. سپس نرم-افزار تحلیل موج ارائه شده توس تورنس و کامپو - 1998 - با تابع موجک مورلت به کار گرفته شد تا طولموجهای قائم غالب در نمایه شناسایی شود و پس از آن پالایه میانگذر لنکزوس برای عبور آشفتگیهای گرانی-لختی و حذف جریان زمینه و نوفهها استفاده شد. دادههای مورد استفاده شامل دادههای رادیوگمانه پنج ایستگاه جو بالای کشور - تبریز، تهران، کرمانشاه، اصفهان و کرمان - است که در طی رویداد مذکور پرتاب شدهاند.
-3 نتیجهگیری
در این مطالعه، ابتدا با کاربست روش تحلیل موجک بر روی نمایه قائم درونیابی شده - پیش از حذف جریان زمینه - مشخص شد که طولموج قائم غالب در نمایه باد در بیشتر موارد بین 4 تا 8 کیلومتر - و در برخی موارد در پوشنسپهر زیرین 2 تا 4 کیلومتر - است. برای مطالعه منسجمتر، نمایه قائم به دو بخش وردسپهر 3 - تا 9 کیلومتر - و پوشنسپهر زیرین 15 - تا 27 کیلومتر - تقسیم شد. مشخصههای موج برآورد شده با استفاده از پارامترهای استوکس در جدولهای 1 و 2 آورده شدهاند. بررسی بسامد ذاتی حاصل از کاربست این روش نشان میدهد که همانند رسم شتابنگار ماهیت پارامترهای استوکس نیز به طور عمده تنها قادر به تخمین بخش کم بسامد طیف
