بخشی از مقاله
چکیده :
تهیه پروفایلهای فشار در سطوح ژئوپتانسیل مختلف برای پیشبینی آبوهوا و بررسی جریانات جوّی از اهمیت قابل توجهی برخوردار است. در این تحقیق از دادههای رادیوساند، تصاویر فشار سطح زمین مادیس و دادههای ایستگاه سینوپتیک استفاده گردید. استخراج پروفایل فشار با استفاده از معادلات هیدرواستاتیک که بر پایه فرض کوچک بودن حرکات قائم جوی میباشد، روش منتخب این تحقیق بود. این تحقیق شامل دو بخش میباشد، در بخش اول مدل هیدرواستاتیک با استفاده از دادههای رادیوساند و براساس شاخص پایداری مورد ارزیابی قرار گرفت. در بخش بعد با استفاده از پروفایل دما و رطوبت و فشار سطح مادیس، پروفایل فشار در سطوح ژئوپتانسیل مختلف محاسبه گردید.
مقادیر RMSE متوسط بین پروفایلهای فشار بدست آمده از مدل هیدرواستاتیک با استفاده از دادههای مادیس و رادیوساند و پروفایل فشار اندازهگیری شده توسط رادیوساند به ترتیب 0.4 و 1 میلیبار بدست آمد، نتایج بدست آمده از مدل هیدرواستاتیک همخوانی خوبی با اندازهگیری رادیوساند در هر دو شرایط جوّ پایدار و جوّ ناپایدار دارد، همچنین نتایج نشان میدهد که با داشتن لایه فشار در سطح، توسط مدل هیدرواستاتیک میتوان فشار هوا را با دقت قابل قبولی در هر ارتفاعی بدست آورد. میزان عدم قطعیت این رابطه در جداول خاصی در این پژوهش ارائه شده است.
-1 مقدمه
هدف از تحقیق، تهیه و بررسی پروفایلهای فشار بدست آمده با استفاده از معادلات هیدرواستاتیک و پروفایلهای دما و رطوبت میباشد. فشار هوا یکی از پایهایترین متغیرهای جوّی میباشد که مقدار آن در ارتفاعات مختلف برای مدلهای پیشبینی و هواشناسی از اهمیت ویژهای برخوردار است. نیروی گرادیان فشار هوا یکی از نیروهای اساسی در بررسی جریانات جوّی باشدمی و الگوهای جوّی عموماً با استفاده از منحنیهای تراز فشار بیان میگردد.
در نتیجه استخراج پروفایل فشار برای پیش بینی وضع هوا و مطالعات اقلیمی از اهمیت ویژهای برخورداراست. یکی از روشهای سنجشاز-دوری استخراج پروفایل فشار استفاده از مشاهدات در باند A اکسیژن در طول موج 0.76 متر میباشد. کورب اولین بار استفاده از تکنیک لیدار با قدرت تفکیک طیفی بالا برای استخراج پروفایل فشار را ارائه نمود.[1] کورب و ونگ از تکنیک لیدار با دو طولموج در ناحیه جذب جوّی باند Aاکسیژن را برای استخراج پروفایل فشار جوّ استفاده کرد که بر روی دادههای شبیهسازی شده فضایی دارای دقت نسبی 0.3 درصد با قدرت تفکیک 120 کیلومتر بود.[1] استفاده از تکنیک لیدار فضای برای استخراج پروفایل فشار به دلیل هزینهبر بودن کمتر مورد مورد استفاده قرار میگیرد.
معادلات هیدرواستاتیک بر پایهی فرض هیدرواستاتیک میباشد. این فرض یکی از فرضهای اولیه در مدلهای عددی پیشبینی آبوهوا میباشد. در این معادلات نیروهای قائم غالب وارد بر یک بسته هوا تنها شامل نیروی جاذبه و نیروی گرادیان قائم فشار فرض میگردد که در حالت تعادل میباشند.[2] براساس مقیاس آنالیز، فرض هیدرواستاتیک زمانی دارای اعتبار میباشد که نسبت مقیاس حرکت قائم به نسبت حرکت افقی کمتر از واحد باشد.
[2] فرض هیدرواستاتیک برای گردشهای جوّی بزرگ مقیاس و میان مقیاس آلفا و مقیاس همدید دارای اعتبار میباشد2]،.[3 طبق فرض هیدرواستاتیک وجود شتاب های قائم سبب عدم قطعیت در معادله هیدرواستاتیک میگردد. یکی از شاخصها جهت بررسی وجود پتانسیل شتابهای قائم، شاخص صعود1 میباشد. طبق تعریف، شاخص صعود برابر اختلاف دمای بسته هوای صعود کرده با آهنگ بیدرو از سطح زمین تا سطح فشار 500 میلیبار میباشد.[4]
-1-1استخراج پروفیل دما و رطوبت با استفاده از باندهای گرمایی مادیس
استفاده از باندهایگرمایی تصاویر ماهوارهای در تولید پروفایلهای جوّی به یک روش رایج تبدیل شده است. در حالیکه طیفسنجپرتویی با قدرت تفکیک متوسط - - MODIS 2 یک وسیله پروفیلگیر نمیباشد، اما دارای باندهای طیفی زیادی برروی پروفیلگیر تابش مادونقرمز با قدرت تفکیک بالا میباشد، بنابراین امکان تولید پروفایل رطوبت و دما و شاخص پایداری از مشاهدات مادون قرمز مادیس میباشد.[5] الگوریتم مادیس از الگوریتمهای ماهواره محیطی کاربردی زمین ایستا - - GOES3 و پروفایل بردار تابش گرمایی فروسرخ با قدرت تفکیک زیاد - - HIRS4 گرفته شده است و با این تنظیمات که در صورت عدم حضور باندهای طیفی پروفایل بردار آرامسپهر و به منظور تحقق بخشیدن مزیت افزایش قدرت تفکیک مکانی به همراه سیگنال به نویز مناسب میباشد.
[5] الگوریتم مورد استفاده برای بازیابی پروفایلهای جوّی دما و رطوبت مادیس، رگرسیون آماری از پیش تعیین شده بین چگالی شار تابشهای اندازهگیری شده یا مدل-سازی شده با پروفایلهای جوّی متناظر آنها است که این محصولات بانامهای - MOD07 - و - MYD07 - به ترتیب برای سکوی ترا و آکوا میباشد.[5] ازجمله مزایای روش رگرسیون آماری، سادگی، کارایی محاسباتی و پایداری عددی و از معایب این روش میتوان وابسته بودن جواب به حدس اولیه نام برد.[5] در این روش از دادههای حدس اولیه بدست آمده از پایگاه داده پروفایل جهانی سیبور - - SeeBor شامل پروفایلهای جهانی دما، رطوبت و ازن است، استفاده میشود.
[6] برای تبدیل این پروفایلها به تابندگیهای باند طیفی مادیس، از مدل گذردهی انجمن مدل انتقال تابش انرژی تولید پروفایل فشار با استفاده از فرض جو ... - CRTM5 - استفاده میشود .[7] رحیمزادگان و مباشری، تکنیک روش رگرسیون آماری محلی را برای کاهش عدم قطعیتها و بهبود بازیابی پروفایل دمای مادیس ارائه دادند و از دادههای رادیوساند هممکان با دادههای تصویری استفاده کردند و با درونیابی این دادهها در لحظه گذر ماهواره مبنایی برای اندازهگیریهای دقیقتر پروفایلها از تصاویر مادیس بدست آوردند که دارای RMSE بین 0.38 و 3.86 کلوین میباشد.[8] از مزایای این روش بهبود دقت بازیابی با استفاده از حدس اولیه و ماتریس وزن تولید شده از دادههایی که به طور مستقیم از منطقه اندازهگیری شده است و با شرایط منطقه دارای سازگاری میباشد.[8]
-2 مواد و روشها
-1-2دادهها و منطقه مورد مطالعه
به منظور ارزیابی مدل هیدرواستاتیک از دادههای 26 ایستگاه رادیوساند موجود در مناطق مختلف کشور امریکا استفاده گردید. این دادهها شامل پروفایل دما، رطوبت، فشار و ارتفاع ژئوپتانسیل میباشد. برای تهیه دادههای رادیوساند، از مرکز پایگاه دادههای اقلیمی بینالمللی متعلق به اداره ملی اقیانوسی و جوی - نوآ - استفاده شده است. این دادهها به طور منظم دوبار در روز در زمان 0000و12 به وقت جهانی در سراسر جهان با بالون جمعآوری میشوند.
دما فشار نسبت آمیختگی بخارآب پارامترهایی هستند که با حسگرهای رادیوساند اندازهگیری شده و مستقیماً به زمین ارسال میگردد. منطقه مورد نظر برای استخراج پروفایلهای فشار از پروفایلهای دما و رطوبت و فشار سطح زمین مادیس جزیره کائوآئی واقع در مجمع الجزایر هاوایی میباشد، این منطقه در موقعیت جغرافیایی 1590' 21ʼ: و 210,59ʼE و در ارتفاع 45 متری از سطح دریا قرار دارد. علت انتخاب این منطقه همزمانی گذر سکوی آکوا با دادههای رادیوساند جهت ارزیابی مدل هیدرواستاتیک میباشد. به منظور اصلاح پروفایلهای دما و رطوبت مادیس از 5 تصویر مربوط به ماه ژانویه مربوط به سالهای 2012 تا 2015 استفاده شد و برای 3 تصویر 12، 14 و 24 ماه ژانویه 2015 پروفایلهای دمای اصلاح شده محاسبه گردید.
-2-2روش پژوهش و آماده سازی دادهها
دراین پژوهش مبنای کار معادلات هیدرواستاتیک بوده که بر پایه فرض هیدرواستاتیک میباشد که در ادامه توضیح داده میشود. بر طبق فرض هیدرواستاتیک گرادیان قائم فشار به صورت رابطه - 1 - میباشد: در رابطه 1 - - ، چگالی هوا و شتاب گرانش میباشد. در گازهای موجود در جوّ بعلت ابعاد بزرگ گسترش آنها می توان آنها را با دقت خوبی گازهای ایده آل فرض کرد.[9] با در نظر گرفتن این فرض رابطه بین چگالی ، فشار P و دمای هوا Tبه صورت زیر میباشد: در معادله بالا R ثابت جهانی گازها و M جرم ملکولی هوا میباشد. از آنجایی که بخارآب تنها گاز موجود در جوّ است که به میزان قابل ملاحظهای تغییر میکند، جرم ملکولی هوا ثابت نخواهد بود. برای حل این مشکل در رابطه - 2 - به جای دما واقعی هوا از دمای مجازی استفاده میکنند.
