واکاوی مکانی- زمانی بارش برف‌های سنگین غرب کشور (مطالعه موردی: استان کردستان)

پدیده بارش حاصل اندرکنش‌های پیچیده جو است که در میان رویدادهای اقلیمی، با توجه به نقش حیاتی آن اهمیت ویژه‌ای دارد. اهمیت بررسی پدیده بارش زمانی آشکارتر است که یک مکان شاهد ریزش ناچیز، قابل‌توجه و یا ناگهانی بارش باشد. بارش‌های سنگین اغلب بر روی قلمروهای کوچک رخ می‌دهند با این حال ممکن است این رویدادها نتیجه سامانه‌های بزرگ‌مقیاس باشند و همچنین انرژی و رطوبتشان را از مناطق دوردست دریافت کنند (کاویانی و علیجانی، 1379: 261). برف به عنوان یک عنصر اقلیمی با توجه به فصل بارش، جامد بودن آب و پیامدهایی که با خود می‌آورد، درخور مطالعه و توجه پژوهش‌گران محیط زیست است. ریزش‌های جوی به صورت برف در ایجاد جریان‌های سطحی و تغذیه سفره‌های زیرزمینی نقش اساسی بر عهده داشته و از لحاظ ریز اقلیم نیز به دلیل هدایت گرمایی ضعیفی که دارد، محافظ خوبی برای پوشش گیاهی خود در مقابل سرما به شمار می‌رود (کاویانی، 1380: 104). در رابطه با تحلیل همدید بارش‌های سنگین مطالعات گسترده‌ای در سطح جهان انجام شده که از جمله آن‌ها می‌توان موارد زیر را نام برد:

فایرس^[1] (1988) به تحلیل همدیدی نوع آب‌ و هوا با استفاده از بارش روزانه ماه ژانویه در دریاچه چارلز لویز پرداخته، کیبلس^[2] (1989) با استفاده از نقشه‌های سطح 700 هکتوپاسکال، توزیع حداکثر بارش طی ماه‌های ژوئن و سپتامبر در منطقه بی‌مودال را بررسی کرده، بلترامدو^[3] و کمبرلین^[4](1993) ارتباط گردش‌های جوی و تغییرات بارش‌های سالانه در منطقه سومالی را مطالعه کرده و بین این بارش‌ها و فشار در روی اقیانوس‌ هند همبستگی مثبتی به دست آورده‌اند. وانگ^[5] و همکاران (2009) به بررسی تغییرات سیکلون‌های برون حاره در آسیای شمال‌شرقی با استفاده از الگوهای سینوپتیک پرداختند. همچنین دلدن^[6] و همکاران (2001) با توجه به الگوهای سینوپتیک، به بررسی وضعیت سینوپتیک توفان‌های تندری در غرب اروپا پرداختند. هومار^[7]و همکاران (2001) به شناسایی همدیدی و متوسط مقیاس رخداد ترنادو در جزایر باله آریک پراختند. در همین رابطه کوداما^[8]و بارنز^[9](1997) حادثه بارش سنگین روی دامنه‌های جنوبی هاوایی را با استفاده از الگوهای سینوپتیک بررسی کردند و یوما^[10] (1998) رخداد بارش سنگین در جنوب چین را با استفاده از الگوهای جوی مطالعه کرده است.

در رابطه با بررسی همدیدی گردش‌های جوی و ارتباط آن با وقوع بارش در ایران می‌توان به زمینه‌های مطالعاتی مانند تاثیر نوسانات پرفشار جنب‌حاره‌ای در تغییر فصل ایران (حجازی‌زاده، 1372)، بلوکینگ و اثر آن بر بارش‌های ایران (عزیزی، 1375)، بررسی همدید نقش دریای سیاه بر بارش ایران (مفیدی، 1379) و بررسی پراکندگی مکانی و زمانی بارش ایران نسبت به عوامل همدید ایجاد‌کننده آن (عربی، 1385) اشاره کرد. خوشحال دستجردی (1376) به بررسی و تحلیل الگوهای همدیدی - کلیماتولوژی بارش‌های بیش از 100 میلیمتر در سواحل جنوبی دریای خزر پرداخته است. مفیدی و زرین (1384) با بررسی الگوهای گردش ترازهای 850، 500، 200، و 50 هکتوپاسکال و سطح زمین، الگوهای همدید 18 طوفان با منشأ سودانی را بررسی کردند. حبیبی (1385) نقش سامانه‌های بندالی در چرخندزایی روی دریای مدیترانه و اثر آن‌ها در سیل سال 2000 غرب ایران را مورد مطالعه قرار داده است. کریمی‌نیا و همکاران (1388) به بررسی نوسانات بارش برف‌های سنگین در شمال‌غرب پرداختند. امیدوار و همکاران (1389).به تحلیل همدیدی اثرهای سردچال در وقوع بارش‌های شدید در نواحی مرکز و جنوب غرب ایران پرداختند. فهیمی‌نژاد و همکاران (1391) به تحلیل سینوپتیک و فضایی طوفان برف استان گیلان پرداختند و سه الگوی بارش برف را برای روزهای برفی تعیین کردند.

هدف این تحقیق بررسی نقش الگوهای فشار و سامانه‌های همدید در بارش برف‌های شدید غرب کشور و به‌ویژه استان کردستان با استفاده از الگوهای جوی سطح زمین و ترازهای بالای جو می‌باشد. در پژوهش حاضر با ترسیم نقشه‌های همدید مربوط به متغییرهای مختلف داده‌های جو بالا برای روز نماینده الگو، سعی شده تا عوامل دینامیک و ترمودینامیک به‌وجودآورنده رخداد برف‌های سنگین در غرب کشور، شناسایی و تبیین گردد.

داده‌ها و روش‌شناسی

پژوهش حاضر به لحاظ ماهیت کاربردی و از نظر روش از نوع تحقیقات توصیفی - تحلیلی می‌باشد. هدف از مطالعات همدید یافتن رابطه‌ی بین پدیده‌های محیطی و الگوهای گردشی جو است (یارنال: 9). در این مطالعه از رویکرد محیطی به گردشی برای شناخت الگوهای گردشی روزهای برفی استفاده شده است. بنابراین دو پایگاه داده مورد نیاز است یکی داده‌های مربوط به ایستگاه‌های سینوپتیک از قبیل روزهای برفی، ارتفاع برف، دمای کمینه و دمای روزانه که از اداره کل هواشناسی استان دریافت شده و دیگری اطلاعات مربوط به متغیرهای ترازهای مختلف جوی از قبیل ارتفاع ژئوپتانسیل، فشار تراز دریا ، دما، باد مداری و نصف النهاری و حرکات صعودی جو(امگا) و وزش رطوبتی روزهای رخداد برف که ‌از سایت www.cdc.noaa.gov ‌به صورت روزانه دریافت شده است.

منطقه‌ی مورد پژوهش استان کردستان است که دارای 9 ایستگاه سینوپتیک می‌باشد (نگاره 1). در این تحقیق از
6 ایستگاه که دارای اطلاعات روزهای برفی بوده، در دوره آماری مورد مطالعه 1992 تا 2012 استفاده شده است. در این تحقیق برای شناخت الگوهای گردشی روزهای برفی شرط گستردگی رخداد برف در استان مد نظر قرار گرفت و روزهایی که در بیش از 4 ایستگاه گزارش رخداد برف ثبت شده بود، برای تحلیل الگوهای گردشی استخراج گردید.

در دوره‌ی آماری مورد پژوهش 1002 روز رخداد برف گزارش شده است که گستردگی آن از یک تا 6 ایستگاه همزمان بوده است. بنابراین بر اساس شرط گستردگی رخداد برف در 4 ایستگاه یا بیشتر 273 روز رخداد برف برای تحلیل گردش‌های جوی استخراج گردید و داده‌های ارتفاع ژئوپتانسیل تراز 500 هکتوپاسکال در محدوده‌ی 30- درجه طول غربی تا 100 درجه طول شرقی و عرض جغرافیایی 10 تا 80 درجه شمالی با ابعاد 1054 273 (1054 نقطه در روی ستون و 273 روز در روی ردیف) استخراج گردید. سپس داده‌های ارتفاع ژئوپتانسیل تراز 500 هکتوپاسکال بر اساس تحلیل خوشه‌ای با محاسبه‌ی فاصله اقلیدسی و ادغام آن به روش وارد به سه خوشه طبقه‌بندی گردید و در هر خوشه یک روز به عنوان الگوی گردشی روزهای رخداد برف انتخاب شد و مورد تجزیه تحلیل قرار گرفت.

نگاره 1- موقعیت منطقه مورد مطالعه

نتایج و بحث

برای شناخت الگوهای گردشی در روزهای برفی با کاربرد تحلیل خوشه‌ای بر روی داده‌های فشار تراز دریا
3 خوشه مجزا شناسایی شد و در هر خوشه یک روز به عنوان روز نماینده‌ی الگو بر مبنای تحلیل همبستگی انتخاب گردید که روزهای نماینده‌ی الگو در هر خوشه در جدول زیر آورده شده است.

جدول 1- ویژگی الگوهای نماینده بر مبنای تحلیل همبستگی

الگوی اول (28 ژانویه 2002)

این الگو دارای 28 درصد فراوانی سالانه است که در بروز پدیده‌ی برف در منطقه‌ی مورد مطالعه نقش اساسی دارد. نقشه‌ی ارتفاع ژئوپتانسیل تراز 500 هکتوپاسکال نشان می‌دهد که ناوه‌ای عمیق با ارتفاع 550 دکامتر و با محوریت شرق دریای مدیترانه و دریای سیاه تا شمال آفریقا گسترده شده است و هوای گرم شمال آفریقا به عرض‌های 45 درجه شمالی نفوذ نموده که در عمیق شدن ناوه تاثیر داشته است. این شرایط باعث قرارگیری قسمت شرق ناوه یا منطقه‌ی هم‌گرایی پایینی و واگرایی بالایی بر روی استان کردستان شده است (نگاره 2). همچنین نقشه‌ی فشار تراز دریا در این روز نشان می‌دهد که کانون کم‌فشار جنب قطبی تا عرض جغرافیایی 50 درجه شمالی گسترش یافته و زبانه‌ای از آن تا مناطق جنوبی دریای خزر گسترده شده که این زبانه منطبق با ناوه تراز میانی جو است. همچنین کانون کم‌فشاری با فشار 1015 هکتوپاسکال در شرق دریای مدیترانه حاکمیت دارد و با گردش پادساعتگرد رطوبت دریای مدیترانه و دریای سرخ را به سمت استان هدایت می‌کند (نگاره 3). نقشه‌ی وزش باد در تراز 500 هکتوپاسکال نشان می‌دهد که جهت وزش باد حالت پادساعتگرد است و بر روی استان کردستان جهت وزش باد جنوب‌غربی است. این وضعیت هوای مرطوب دریای مدیترانه و دریای سرخ را به سمت استان سرازیر می‌کند (نگاره 4). نقشه‌ی امگای تراز 850 هکتوپاسکال در این الگو نشان می‌دهد که در غرب ایران جریانات منفی حاکم است و شرایط ناپایداری و صعود هوا را تبیین می‌کند (نگاره 5). با توجه به نقشه‌ی همدمای تراز 850 هکتوپاسکال در روز الگو، می‌توان دید که منحنی صفر درجه سانتی‌گراد به صورت هسته‌ای جداگانه در شمال‌غرب کشور و استان کردستان حاکمیت دارد که این حالت نشان‌دهنده‌ی سرمایش شدید هوا در ترازهای فوقانی و در سطح منطقه است (نگاره 6‌). نقشه رودباد تراز 300 هکتوپاسکال در روز الگو بیان می‌کند که مسیر گذر رودباد در روی ایران بوده و سرعت کانونی آن به 55 متر بر ثانیه می‌رسد و قسمت واگرایی بالایی رودباد بر روی استان گسترش دارد که در تشدید ناپایداری زیرین نقش دارد (نگاره 7‌).

نگاره 2- نقشه‌ی ارتفاع ژئوپتانسیل تراز 500 هکتوپاسکال (28 ژانویه 2002(

نگاره 3- نقشه‌ی فشار تراز دریا (28 ژانویه 2002)

نگاره 4- نقشه‌ی وزش باد (28 ژانویه 2002)

نگاره 5- نقشه‌ی امگای تراز 500 هکتوپاسکال (28 ژانویه 2002)

نگاره 6- نقشه‌ی همدمای تراز 850 هکتوپاسکال (28 ژانویه 2002)

نگاره 7- نقشه‌ی رودباد تراز 300 هکتوپاسکال (28 ژانویه 2002)

الگوی دوم (8 فوریه 2005)

این الگو دارای 32 درصد فراوانی رخداد در سال است که در بروز پدیده‌ی برف نقش اساسی دارد. نقشه‌ی ارتفاع ژئوپتانسیل تراز 500 هکتوپاسکال مربوط به این الگو نشان می‌دهد که کانون کم‌ارتفاعی (سردچال) در شرق دریای سیاه شکل گرفته که باعث تغییر در جهت حرکت امواج غربی شده است. این کانون کم ارتفاع بر روی منطقه مورد مطالعه قرار گرفته که با جریان پاد ساعتگرد خود، باعث ریزش هوای سرد به منطقه شده است (نگاره 8). نقشه‌ی فشار تراز دریا در این الگو نشان می‌دهد که کانون پرفشاری در شمال دریای مدیترانه واقع است و با گردش ساعتگرد، باعث ریزش هوای سرد به عرض‌های پایین شده است. بر روی استان کردستان منحنی کم فشاری که نشان‌دهنده‌ی شکل‌گیری کم فشار است، عبور می‌کند (نگاره 9). نقشه‌ی وزش باد نشان می‌دهد که جهت وزش باد از شمال دریای سرخ و جنوب دریای مدیترانه به سمت غرب کشور است (نگاره 10). حرکات صعودی جو (امگا) در این الگو نشان می‌دهد که در شمال‌غرب و غرب ایران جریانات صعودی حاکمیت دارد و استقرار این سامانه حرکات صعودی و ناپایداری را تبیین می‌کند (نگاره 11). با توجه به نقشه‌ی همدمای تراز 850 هکتوپاسکال می‌توان گفت که منحنی 5- درجه سانتیگراد از سطح استان کردستان عبور می‌کند و در عرض‌های جنوبی ایران کاهش دما به صفر درجه رسیده است که نشان‌دهنده‌ی کاهش شدید دما در اکثر نقاط ایران است. این کاهش دما در ترازهای پایین منجر به رخداد برف شده است (نگاره 12). نقشه رودباد در روز الگو حاکی از آن است که در جنوب استان کردستان سرعت مرکزی رودباد به بیش از 70 متر بر ثانیه رسیده است و و در روی استان نیز حاکمیت رودباد وجود دارد (نگاره 13).

نگاره 8- ارتفاع ژئوپتانسیل تراز 500 هکتوپاسکال (8 فوریه 2005)

نگاره 9- نقشه‌ی فشار تراز دریا (8 فوریه 2005)

نگاره 10- نقشه‌ی وزش باد (8 فوریه 2005)

نگاره 11- نقشه ی امگا تراز 500 هکتوپاسکال (8 فوریه 2005)

نگاره 12- نقشه‌ی همدمای تراز 850 هکتوپاسکال     نگاره 13- نقشه رودبار تراز 300 هکتوپاسکال (8 فوریه 2005)

الگوی سوم (12 ژانویه 2008)

این الگو دارای 40 درصد فراوانی رخداد در سال است. نقشه‌ی ارتفاع ژئوتانسیل تراز 500 هکتوپاسکال مربوط به این الگو نشان می‌دهد که منطقه مورد مطالعه در جلو محور فرود در منطقه‌ی واگرایی بالایی قرار گرفته و قسمت عقب ناوه یا شرق پشته باعث ریزش هوای سرد عرض‌های بالا بر روی دریای سیاه و دریای مدیترانه شده است (نگاره 14). نقشه‌ی فشار تراز دریا در این الگو نشان می‌دهد که در روی دریای خزر کانون پرفشاری قرار دارد که در درون زبانه‌ای از پرفشار سیبری شکل گرفته و غرب کشور در جنوب این پرفشار قرار گرفته است (نگاره 15). در این الگو جهت وزش باد در روی منطقه پادساعتگرد است و جریانات هوای سرد همراه با رطوبت را از دریای سیاه و دریای مدیترانه به غرب کشور هدایت می‌کند (نگاره 16). حرکات قائم جو (امگا) در این الگو نشان می‌دهد که جریانات منفی بر روی غرب کشور وجود دارد و وجود این سامانه باعث شکل‌گیری ناپایداری شده است (نگاره 17). نقشه‌ی همدمای تراز 850 هکتوپاسکال در روز الگو نشان می‌دهد که کاهش دما به زیر صفر درجه‌ی سانتی‌گراد تا 30 درجه‌ی عرض جغرافیایی ایران کشیده شده و دمای استان کردستان در این تراز به زیر 5- درجه سانتی‌گراد رسیده است که نشان‌دهنده‌ی سرمایش جو استان است که شرایط رخداد برف را مهیا نموده است (نگاره 18). نقشه‌ی رودباد در تراز 300 هکتوپاسکال بیان‌گر آن است که کانون سرعت رودباد (جت استریم) با سرعتی بیش از 55 متر بر ثانیه در مرکز ایران قرار دارد و این موقعیت رودباد نقش مهمی در ایجاد ناپایداری بر روی استان داشته است (نگاره 19).

نگاره 14- ارتفاع ژئوپتانسیل تراز 500 هکتوپاسکال (12 ژانویه 2008)

نگاره 15- نقشه ی فشار تراز دریا (12 ژانویه 2008)

نگاره 16- نقشه‌ی وزش باد (12 ژانویه 2008)

نگاره 17- نقشه‌ی امگا تراز 850 هکتوپاسکال (12 ژانویه 2008)

نگاره 18- نقشه‌ی همدمای تراز 850 هکتوپاسکال (12 ژانویه 2008)

نگاره 19- رودباد تراز 300 هکتوپاسکال (12 ژانویه 2008)

نتیجه‌گیری

در دوره‌ی آماری مورد پژوهش 1002 روز رخداد برف گزارش شده بود که گستردگی آن از یک تا 6 ایستگاه همزمان بوده است. بر اساس شرط گستردگی رخداد برف در 4 ایستگاه یا بیشتر 273 روز رخداد برف برای تحلیل گردش‌های جوی استخراج شد و داده‌های ارتفاع ژئوپتانسیل تراز 500 هکتوپاسکال با ابعاد 1054 273 (1054 نقطه در روی ستون و 273 روز در روی ردیف) استخراج گردید. سپس داده‌های ارتفاع‌ ژئوپتانسیل تراز 500 هکتوپاسکال بر اساس تحلیل خوشه‌ای به سه خوشه طبقه‌بندی گردید و در هر خوشه یک روز به عنوان الگوی گردشی روزهای رخداد برف انتخاب شد و مورد تجزیه تحلیل قرار گرفت. نتایج تحلیل همدید نشان داد که در تراز 500 هکتوپاسکال ناوه‌ی عمیق با محوریت غرب کشور تا دریای سرخ ایجاد می‌شود که با شکل‌‌گیری سردچال همراه است و بر روی استان کردستان قسمت شرق ناوه یا منطقه‌ی واگرایی بالایی حاکمیت دارد که ناپایداری این تراز را تبیین می‌کند. فشار تراز دریا در روزهای رخداد برف نسبت به مناطق اطراف تحت حاکمیت کم‌فشار است و کانون پرفشار قوی بر روی دریای سیاه و دریای مدیترانه و کانون پرفشار سیبری در روزهای رخداد برف دیده می‌شود. حرکات قائم جو (امگا) در تراز 850 هکتوپاسکال به صورت جریانات منفی است که نشان دهنده‌ی ناپایداری و صعود هوا است. کاهش دما در ترازهای پایین (850 هکتوپاسکال) و رسیدن به آستانه‌های 5- درجه‌ی سانتی‌گراد و کمتر بارش را به نگاره پدیده‌ی برف رخنمون می‌سازد. در تحقیقاتی که توسط دیگر محققان انجام گرفته، بیشتر یک مورد از طوفان‌های برف و علل همدیدی رخداد آن بررسی شده است که در اکثر این تحقیقات منشا بارش برف جریانات سودانی و مدیترانه‌ای و منبع رطوبتی آن‌ها دریای سرخ و مدیترانه تشخیص داده شده است. اما پژوهش حاضر بر این بوده که علاوه بر منشا بارش، به ساختار بارش برف نیز بپردازد. بدین‌منظور تمامی روزهای برفی استخراج شده و بر اساس آن الگوی‌های همدید به وجود آورنده بارش برف در غرب کشور تحلیل و واکاوی شد.