بخشی از مقاله
چكيده
هبوب يكي از انواع طوفانهاي گرد و خاك است كه جلوي سلولهاي همرفتي تشكيل ميشود و همچون ديوار بلندي از گرد و خاك به نظر ميرسد. ارتفاع اين نوع از طوفان گرد و خاك به چند كيلومتر، پهناي آن چند ده كيلومتر و طول آن به چند صد كيلومتر ميرسد. با توجه به اينكه اين رخداد براي اولين دفعه در تاريخ ١٢ خرداد ١٣٩٣در تهران ديده شد بررسي و شبيهسازي اين رخداد و در صورت امكان پيش بيني آنامري لازم به نظر ميرسد.
در اين پژوهش با مدل WRF-chem اقدام به شبيهسازي اين رخداد خواهد شد. براي اين منظور از طرحواره Lin براي خرد فيزيك، طرحواره Grell-Freitas براي همرفت و براي لايه مرزي، طرحواره MYJ انتخاب شد كه با كاربست آنها در مدل، نتايج مناسبي گرفته شد. در اين پژوهش ضمن تعريف و شبيهسازي هبوب، با توجه به ساختار آن ازتصاوير بازتاب تراكم ذرات - dBZ - كه يكي از خروجيهاي رادار است براي راستيآزمايي نتايج اجراي مدل استفاده خواهد شد.
مقدمه
هبوب كلمهاي انگليسي با ريشه عربي استاين. كلمه از ريشه هب گرفته شده كه در زبان عربي به معناي وزيدن باد است. در زبان عربي مفهوم هبوب باد شديدي است كه سبب برانگيختن خاك از روي زمين ميشود. عمر اين پديده با توجه به ساختار آن كم است و از لحاظ تكرار پذيري رخدادي نادر بهشمار ميروداما اگر بخواهيم به دليل و تاريخچه نامگذاري اين پديده بپردازيم به كشور سودان و شهر خارطوم خواهيم رسيد.
شهر خارطوم پايخت كشور سودان است و اولين مكاني بوده كه در آن هبوبتوسط دانشمندان مورد مطالعه قرار گرفته شده است. عليرغم آنكه هبوب در دنيا پديدهاي نادر و كم نظير است اما به دليل شرايط خاص منطقه خارطوم تعداد زيادي هبوب در اين كشور عربي رخ ميدهد. اين دلايل سبب شد نام محلي و عربي هبوب روي اين پديده هواشناختي گذاشته شود و در دنيا هم محققين با همين اسم اين پديده را بشناسند - الف - - ب - شكل ١. - الف - نمايي از ساختار هبوب است. محور قائم ارتفاع برحسب كيلومتر و محور افقي گستره مكاني را نشان ميدهد. - ب - تصوير هبوب تهران در تاريخ ١٢ خرداد ١٣٩٣ را نشان ميدهد.
هبوب همچون ديوار عظيمي از گرد و خاك با ارتفاع حدود ١٠٠٠ تا ٢٠٠٠ متر است - آيدسو و همكاران،١٩٧٢ - . سرعت باد در آن شديد و تقريباً حدود ٣٠ يا ٤٠ متر برثانيه است - سيمپسون،١٩٧٩ - . مدت زمان توسعه هبوب از ابتدايي كه شرايط ديناميكي و ترموديناميكي آن مهيا مي شود تامانز نابودي تقريياً ٦ ساعت و٣٠ دقيقه است اما مدت زمان خودنمايي آن حدود ٣ ساعت استبا وجود آنكه به طور ميانگين زمان رخداد اين پديده تا چند ساعت است اما مدت زمان اوج فعاليت آن حدود ٣٠ تا ٦٠ دقيقه خواهد بود - آيدسو و همكاران،١٩٧٢ - .
محل وقوع اين پديده در اطراف عرض ٣٠ درجه شمالي و جنوبي و روي زمين هاي خاكي و فاقد پوشش گياهي مناسب است. اين پديده جزو رخدادهاي خرد مقياس هواشناسي محسوب مي شود - كوك و همكاران،٢٠١٢ - . هبوب نوعي طوفان گرد و خاك است كه در شرايطي خاص در مقابل ابرهاي همرفتي باراكومهاي و در نزديكي خط اسكوال در جبهه سرد به وجود مي آيد - سوتن،١٩٢٥ - .اين پديده جزو خوف انگيزترين پديده هاي هواشناختي محسوب ميشود.
با توجه به ساختار هبوب كه بر پايه همرفت شديد است ابتدا تحقيقاتي كه در زمينه همرفت بود مورد توجه قرار گرفت. به همين منظور تحقيقات - دنيادوستوهمكاران،١٣٨٤ - وبامدلWRFاقدام به شبيه سازي طوفانهاي همرفتي در منطقه تهران كرده بودند بررسي شد. سپس فعاليت - واينان چنو همكاران،٢٠٠٢ - يكي از هبوب هاي رخداده در آمريكا را مورد بررسي قرار داده بودند بررسي شد و در نهايت پژوهش - امانوئل فلانئوس و همكاران،٢٠١٧ - چندين شبيهسازي با مدل WRF-chem در شمال افريقا، شبه جزيره عربستان و شرق مديترانه انجام داده بودند مورد مطالعه قرار گرفت.
با در نظر گرفتن پژوهش هاي انجام شده سعي شد ضمن شناخت اين رخداد به كاربست خوبي از مدل براي شبيه سازي آن برسيم. در بعدازظهر تاريخ ١٢ خرداد سال ١٣٩٣ اين نوع از گردوخاكه - بوب - در تهران رخ داد. سرعت باد اندازه گيري شده در فرودگاه مهرآباد حدود ٣٢ متربرثانيه ثبت شد و ديد افقي به كمتر از ٥٠٠ متر رسيد. وجود ذرات گرد و خاك كه سبب كاهش ديد افقي شده بود به همراه سرعت بسيار بالاي اين رخداد سبب خسارتهاي مالي زيادي شد و مهمتر از همه فوت ٦ نفر از شهروندان تهراني در آن تاريخ بود.
٢ روش تحقيق
هبوب يكي از انواع طوفانهاي گرد و خاك است كه در شرايطي خاص، جلوي سلول همرفتي تشكيل ميشود. اين پديده در مقياس زماني- مكاني كوچك رخ ميدهد. با توجه به مقياس كوچك مكاني-زماني، پيشبيني آن بسيار دشوار است. دليل اين دشواري را ميتوان استفاده از معادلات هواشناسي، براي پيشبيني دانست كه در ميان مقياس به كار بسته شدهاند و يا نقشههاي هواشناسي دانست كه در ميان مقياس و در گامهاي زماني ساعت به ساعت تهيه شدهاند.
در اين شرايط امكان دارد هبوب بهعنوان يك پديده خرد مقياس در اين گونه از نقشهها ديده نشود. براي شبيهسازي اين رخداد به دليل آنكه اين پديده رخدادي خرد مقياس است و از دادههاي جهاني ٥/٠ درجه استفاده شده،از سه آشيانه تودرتو استفاده شده است بهطوري كه فاصله مكاني در پهنهبندي بيروني ٢٧ كيلومتر، پهنهبندي مياني٩ كيلومتر و پهنهبندي دروني ٣ كيلومتر انتخاب شده است.
در تنظيم مدل تعداد نقاط شبكهاي در راستاي شرقي- غربي در پهنهبندي بيروني ١٠٠، در پهنهبندي مياني ١١٢ و در پهنهبندي دروني از ١٥٧ نقطه انتخاب شد. همچنين تعداد نقاط شبكهاي در راستاي شمالي-جنوبي در پهنهبندي بيروني٨٥، مياني٩٤ و دروني ١٤٢ نقطه شبكه استفاده شده است - لازم به ذكر است كه اين تنظيمات بر اساس امكانات در اختيار بوده است - .
همچنين براي شبيهسازي با توجه به وجود ذرات معلق گرد و خاك در جو از مدل WRF-chemو از نسخه ٦.٣ استفاده شده است. براي اجرادر بخش فيزيكمدل از طرحواره Linبراي ميكروفيزيك، RRTMG براي طول موج بلند و طول موج كوتاه، Monin-Obukhov لايه سطحي، Noah سطح زمين Mellor-Yamada-Janjic لايه مرزي و Grell-Freitas براي همرفت استفاده شده است. همچنين در بخش طرحوارههاي شيمي مدل براي ذرات معلق در جو از طرحواره GOCART و با chem_optبرابر با ٣٠٣ انتخاب شد و پس از اجرا نتايج خوبي از خروجي مدل گرفته شد.
پس از اجراي مدل و نمايش خروجي آن براي استفاده از نتايج، نياز است به روشي صحت عملكرد مدل مورد سنجش قرار گيرد. به همين منظور و با توجه به دقت و مزاياي بالاي سنجش از دور ميتوان از اين روش براي راستيآزمايي مدل استفاده كرد. يكي از اين ابزارهاي سنجش از دور رادار است. كاركرد رادار بر اساس توليد، ارسال و بازخورد امواج است. بنابراين جزو ابزارهاي سنجش از دور فعال قرار ميگيرد.
امواجي كه رادار ارسال ميكند بعد از برخورد به هدف، مقداري جذب هدفميشود، بخشي عبور ميكند و بخشي پراكنده ميشود و درنهايت كسري از آن به سمت رادار به عقب، باز پراكنش خواهد شد تا توسط آنتن رادار دريافت و در واحد كنترل و محاسبه مورد پردازش قرار گيرد. نتيجه آنكه رادار بر اساس اندازهگيريتغييرات در طول موج بازپراكنده شده به عقب ذرات كار ميكند.
از طرفي ميدانيم كهپراكندگي امواج در طول موجهاي كوتاه به دوصورت رايلي و ماي صورت ميگيرد. در پراكندگي رايلي اندازه ذرات پراكنده كننده كمتر از ١/٠ طول موج ارسالي است و در پراكندگي ماي قطر ذرات با طول موج ارسالي برابر است. با توجه به كاركرد رادار در پخش رايليرادار قادر خواهد بود ذراتي را آشكارسازي كند كه قطر آنها كمتر از ١/٠ طول موج رادار ميباشد بنابراين هرچه طول موج ارسالي از طرف رادرا كمتر باشد، رادار قادر خواهد بود ذرات ريزتري را به دقت شناسايي كند.
بر اساس نيازسنجيهاي فعلي بيشتر رادارهاي هواشناسي كه در ايران مورد استفاده قرار ميگيرند از نوع باند C هستند در اين نوع از رادارها توان ارسالي حدود 250 KW ميباشد،بسامد باند 4-8 GHzاست و طول موج آن 4-7 Cmخواهد بود. در اين شرايطرادار قادر خواهد بود كه ذراتي را با اندازه كمتر از ٤ ميليمتر تشخيص دهد. اما در خداد هبوب بايد توجه كرد كهتراكم ذرات معلق در هبوب بسيار زياد است و همان طور كه گفته شد همچون ديوار عظيمي از گرد و خاك به نظر ميرسد.
در اين شرايط رادار به خوبي هبوب را به عنوان تودهاي از گرد و خاك تشخيص خواهد داد.از طرفيسرعت باد بسيار زياد است و نيروي حاصل از آن قادر خواهد بود ذرات بزرگ را تا ارتفاع زيادي بالا ببرد يعني ذراتي در هبوب وجود دارند كه در محدوده تشخيص رادار قرار ميگيرند. البته بايد در نظر گرفت كه هرچه ارتفاع از سطح زمين بيشتر شود اندازه ذرات بهصورت لگاريتمي با ارتفاع كاهش خواهد يافت و آشكارسازي رادرا محدودتر خواهد شد. لازم بهذكر است با توجه به آنكه رادار هواشناسي امام خميني از نوع c باند است و برد موثر آن حدود ٢٥٠ كيلومتر است براي نمايش و مقايسه تصاوير رادار با خروجي مدل از پهنهبندي مياني استفاده شده است. همچنين براي نمايش خروجي مدل از برنامه NCLاستفاده شده است.
٣ نتيجهگيري
رادار ابزاري دقيق است كه توانايي تشخيص نوع پديده و حتي اندازه يا سرعت ذرات را دارد. به شرط آنكه در محدوده طول موج قرار گيرد. يكي از اين محصولات،تصويرdBZاست. اين شاخص كه واحد دسيبل - dB - در واحد بازتاب - Z - است، ميزان بازپراكنشذرات معلق در جو را نشان ميدهد.به عبارتي نشانگر وجود تراكم ذرات معلق در جو است.
