مقاله شبیه سازی ساختار درونی یک سامانه همرفتی میان مقیاس در منطقه ایران

بخشی از مقاله

چكيده

در اين پژوهش، تحليل ديناميكي از ساختار دروني يك رخداد MCS كه در روزهاي ١٣ و ١٤ آوريل ٢٠١٦، بخشهاي غرب و جنوبغرب ايران را تحتتأثير قرار داد و منجر به بارشهاي سنگين و جاري شدن سيل در اين مناطق شد، ارائه شده است. در اين راستا، از شبيهسازي مدل WRF با چهار دامنة تودرتو با تفكيكهاي ٣٦، ١٢، ٤ و ٣٣.١ كيلومتر براي بررسي برخي از پارامترهاي ديناميكي اين سامانه استفاده شده است.

بدين منظور، خروجيهاي دامنة چهارم كه داراي توان تفكيك بالايي است، بهكار گرفته شد. نتايج نشان داد كه مدل در نمايش ويژگيهاي ميانمقياس MCS منتخب از جمله الگوي افقي آن شامل خط همرفتي و بخش بارش پوشني، شكلگيري لاية تكامليافته و صعود مورب آن به سوي عقب سامانه، ساختار قائم MCS، تشكيل جت درونشارش عقبي و فرود آن به سطح زمين تحت تأثير فرايندهاي سرمايشي در زير پايه ابر پوشني موفق عمل كرده است.

١ مقدمه

طبق تعريف، MCSها از مجموعه سازمان يافتهاي از ابرها در مراحل مختلف چرخه عمر تشكيل شدهاند كه منطقهاي به هم پيوسته از بارش همرفتي و پوشني١ را توليد ميكنند. حداقل گسترش افقي MCSها، km ١٠٠ است كه ميتوانند در عرض چندين ساعت به چنين گستردگي برسند - هاوز٢ ١٩٩٣ - . اين سامانهها اغلب همراه با رخداد بارشهاي سنگين سيلآسا، آذرخش، توفانهاي تندري بوده و در مناطق مستعد حتي منجر به بارش تگرگ ميشوند.

شبيهسازي و پيشبيني دقيق زمان و مكان وقوع MCSها به منظور مقابله با خطرات و آسيبهاي احتمالي ناشي از آنها و بهبود مديريت منابع آب ضروري مي باشد. ارائه يك شبيهسازي دقيق مستلزم شناخت ساختار دروني MCSها و فرايندهاي فيزيكي و ديناميكي حاكم بر آنها است و پژوهش حاضر به منظور دستيابي به اين هدف انجام شده است. در اين راستا تحقيقات زيادي در جهان انجام شده است - جونگ و همكاران؛ ٢٠١٦، لو و چن؛ ٢٠١٥ و چويي و همكاران؛ ٢٠١١ - .

٢ روش تحقيق

در ١٣ و ١٤ آوريل ٢٠١٦ شاهد رخداد بارشهاي سنگين و جاري شدن سيل در استانهاي واقع در غرب و جنوبغربي ايران بوديم كه خسارات فراواني به همراه داشت. تصاوير فروسرخ ماهوارهاي - دادههاي ماهواره - INSAT3D در تاريخهاي ذكر شده حاكي از وقوع چندين MCSدر اين منطقه بود كه مسبب ايجاد چنين شرايط شديد آب و هوايي بودند. نتايج حاصل از بررسي شرايط همديدي حاكم بر منطقه در زمانهاي مورد نظر، نشاندهندة حضور تركيبي از دو سامانه مديترانهاي و سوداني بود كه برهمكنش سازندهاي با MCSفعال در منطقة مورد مطالعه داشته و شرايط رشد و تكامل اين سامانه را فراهم نمودهاند.

به منظور مطالعه ساختار ديناميكي MCSها، براي هر يك از روزهاي ١٣ و ١٤ آوريل با استفاده از نسخه ١.٨.٣ مدل ميان-مقياس٣WRF، شبيهسازيهايي با دوره ٣٦ ساعت انجام شد كه در تحليلها از نتايج ١٢ساعت اول اجراي مدل - زمان spin - up صرفنظر شده است. اين شبيهسازيها با ٤ شبكه تو در تو، با تفكيكهاي افقي ٣٦، ١٢، ٤ و ٣٣/١ كيلومتر انجام شده است - شكل١ - . در سه دامنه بزرگتر از طرحواره پارامترسازي همرفت ٤GF استفاده شده ولي دامنه چهارم به دليل تفكيك افقي بالا نياز به طرحواره همرفت ندارد.

در تنظيمات مدل، تعداد٤٠ تراز در راستاي قائم در نظر گرفته شده كه فشار در بالاترين تراز آن برابر hPa٥٠ در نظر گرفته شد. گام زماني انتگرالگيري براي دامنه بيروني ٢١٦ ثانيه بود. همچنين دادههاي ٥FNL با تفكيك مكاني يك درجه و گام زماني ٦ساعته، به عنوان شرايط اوليه و شرايط مرزي در دامنه اول مدل به كار گرفته شدند. ساير طرحوارههاي فيزيكي به كار رفته در پيكربندي مدل شامل طرحواره لايه سطحي - Monin-Obukhov - MM5، طرحواره لايه مرزي سيارهاي - Yonsei University scheme - YSU، طرحواره خردفيزيك Lin، طرحواره سطح زمين NOAH land surface model، طرحواره تابش موج بلند - Rapid Radiative Transport Model - RRTM و طرحواره تابش موجكوتاه Dudhia است.

بررسي كميتهايي مانند بازتابندگي٦، دماي پتانسيلي همارز، سرعتهاي قائم و تاوايي در سطوح ارتفاعي مختلف، كمك مؤثري در آشكارسازي و شناخت ساختار ديناميكي و ترموديناميكي MCSها ميكنند. اين كميتها در ايستگاههاي هواشناسي اندازهگيري نميشوند و در صورت وجود نيز فاقد تفكيك افقي مناسب بوده و شامل دادههاي سطوح فوقاني نميباشند. بنابراين براي ارائه تحليلهاي ديناميكي از رخداد مورد مطالعه از دادههاي شبيهسازي شده دامنه چهارم مدل كه داراي تفكيك بالايي ميباشد؛ استفاده شده است. در ابتدا نقشههايي از الگوي بازتابندگي شبيهسازي شده در منطقه ترسيم شد كه نشان دهندة حضور چندين MCS در طي روزهاي ١٣ و ١٤ آوريل بودند.

در اين مطالعه به تحليل ديناميكي ساختار دروني يكي از اين MCSها كه مراحل شكلگيري، بلوغ و ميرايي آن در طي ساعات UTC١٣ تا UTC١٦روز ١٣ آوريل اتفاق افتاده، پرداخته شده است. در نقشههاي بازتابندگي، خط همرفت به صورت نواري با بازتابندگي بيش از dBZ ٤٠ كه مناطق كوچكتري با بازتابندگي بيش از dBZ ٥٠ را در خود جاي داده، تعريف شده و منطقة متّصل به خط همرفت كه بازتابندگي آن بين ٢٥ تا dBZ٤٠ است، به عنوان بخش پوشني MCS در نظر گرفته شده است - شكل٢-الف - با. توجه به موقعيت بخش پوشني نسبت به خط همرفت ميتوان نتيجه گرفت كه MCS مورد نظر از نوع پوشني موازي است چراكه بخش پوشني آن تقريباً در امتداد نوار همرفت و به موازات آن قرار دارد. رديابي مسير حركت سامانه نيز نشاندهندة پيشروي MCS به سوي شمال شرقي منطقه است.

دماي پتانسيلي همارز كميتي ترموديناميكي است كه به كمك آن ميتوان شرايط ديناميكي يك بستة هوا را در جو مرطوب مورد بحث قرار داد. از آنجايي كه فرارفت   با انتقال هواي گرم و مرطوب باعث افزايش ناپايداري وج ميشود، در تحليل ديناميكي سامانههاي همرفتي، بررسي آن در ترازهاي پايين از اهميت ويژهاي برخوردار است.

بررسي نقشههاي دماي پتانسيلي همارز و باد در تراز hPa ٨٥٠ بيانگر وجود جت تراز پايين - ٧ - LLJ در منطقه ميباشد كه باعث فرارفت هواي گرم و مرطوب از جنوب به درون منطقه شده است - شكل٢- ب - . در نتيجه هواي بخشهاي جنوبي - به ويژه در جنوبغربي - منطقه در مقايسه با بخشهاي شمالي آن داراي مقادير بالاتري از   بوده كه باعث به وجود آمدن گراديان شديد   بين اين دو بخش و ايجاد پريشيدگيهاي حرارتي در مرز درونشارش هوا با   بالا ميشود.

وجود گراديان شديد   همراه با پريشيدگيهاي حاصل از آن باعث توسعة فراهنجهاي همرفتي شده و اين امر ميتواند شرايط مطلوبي را براي شروع و تكامل MCS فراهم كند. در نقشه رسم شده از سطح مقطع قائم   و مؤلفه افقي سرعت، شكلگيري لاية تكامل يافتهاي از هواي گرم و مرطوببا صعود مورب به سوي عقب MCS به وضوح مشاهده شد - شكل٣-ب - . اين لاية بالقوه ناپايدار كه منشأ ايجاد ياختههاي همرفتي جديد در جلوي سامانه ميباشد با رسيدن به سطوح فوقاني به دو شاخه تقسيم ميشود.