واکاوی اثر گرمایش جهانی بر منطقة کم‌فشار سودان ـ دریای سرخ و ارتباط آن با بارش‌های جنوب غرب ایران

مقدمه

نوسانات کوتاه و درازمدت بارش، همواره یکی از مباحث مهم و اساسی در مطالعات جوّی و اقلیمی بوده است. به‌ طور کلی بارش بیش از دیگر پدیده‌های آب‌وهوایی نوسانات فصلی، سالیانه، دوره‌ای و حتی درازمدت دارد. میزان بارش در هر منطقه از متغیرهای زیادی تأثیر می‌پذیرد؛ ازجملة این متغیرها، مراکز فشار گرمایی و دینامیکی است. منطقة جنوب غرب ایران ازجمله مناطقی است که با نوسانات شدید بارش مواجه است. براساس پژوهش‌های پیشین (هاروی^[1] و همکاران، 2004، دیویس^[2] و همکاران، 1992، دونکرتون^[3] و همکاران، 1986، انگل^[4] و همکاران، 1992)، رخداد بارش‌های رگباری و سیل‌آسا در منطقة خاورمیانه ازجمله مناطق جنوب و جنوب غرب ایران و دوره‌های مرطوب بارشی این مناطق از آثار سامانه‌های کم‌فشار سودانی یا زبانة کم‌فشار دریای سرخ دانسته شده است. بسیاری از پژوهشگران ازجمله خانا^[5] و همکاران (2004)، آلپرت^[6] و همکاران (2004)، زیو^[7] و همکاران (2004) و دایان^[8] و همکاران (2001) و در ایران نیز لشکری (1996 و 2002)، انصاری (2003) و سازمان هواشناسی کشور (2002)، مهم‌ترین سازوکار بارش‌زا را در بعضی از مناطق خاورمیانه مربوط به سامانه‌های بدون جبهه می‌دانند که در بدو تشکیل به صورت یک مرکز همگرایی کم‌عمق در شمال آفریقا دیده می‌شوند. بارش‌های منطقة جنوب غرب ایران از سامانه‌های بارشی متعددی تأثیر می‌پذیرد که ازجمله مهم‌ترین آنها چرخندهای مدیترانه‌ای و کم‌فشارهای سودانی است. به نظر بیشتر پژوهشگران علوم جوّی، ترکیب و ادغام سامانه‌های کم‌فشار سودانی با چرخندهای مدیترانه‌ای موجب شکل‌گیری سامانه‌های بارشی قوی ترمودینامیکی می‌شود که بیشتر بارش‌های سنگین و ترسالی‌های منطقة جنوب غرب معلول چنین سازوکاری است.

سامانه‌های کم‌فشار سودانی بیشتر بر مناطق جنوب و مرکزی و به‌ویژه جنوب غرب ایران تأثیر می‌گذارند (لشکری، 1996: 501). خشکسالی‌ها و ترسالی‌های نیمة جنوبی کشور ارتباط مستقیمی با میزان فعالیت این سامانه در فصل سرد دارد. زمانی که کمربند همگرایی حاره‌ای بین طول‌های 20 تا 35درجه به سمت عرض‌های بالا کشیدگی پیدا می‌کند، سلولی از این کمربند جدا می‌شود و به طرف عرض‌های بالاتر حرکت می‌کند. در شرایط همدید، سلول کم‌فشاری بر روی شمال اتیوپی و جنوب سودان تشکیل می‌شود که به سامانة کم‌فشار سودانی معروف است. این کم‌فشار در ماههای نوامبر تا مارس به‌ طور متوسط در عرض 8درجة شمالی و 32درجة شرقی مستقر می‌شود و فشار متوسط آن در زمستان حدود 1008 هکتوپاسکال است. در فصل سرد سال نفوذ زبانة پرفشار به نواحی شمالی سودان و فرارفت هوای سرد به ‌طرف آن منطقه و از سوی دیگر تشکیل سامانة پرفشار بر روی عربستان موجب شکل‌گیری منطقة همگرایی ترمودینامیکی بر روی دریای سرخ می‌شود که با حرکت به شمال آن و نیز تقویت اثر ناوة عمیق تراز بالا بر روی دریای سرخ و شرق مدیترانه از سمت جنوب غرب وارد ایران و بارش‌های زیادی را به‌ویژه در جنوب، جنوب غرب و غرب ایران موجب می‌شود (زارعی، 2011: 22). هرگاه زبانة کم‌فشار مدیترانه‌ای با کم‌فشار سودانی از طریق هم‌فشار 1010 یا 1015 هکتوپاسکال مرتبط شود و ناوة عمیق در شرق مدیترانه موجود باشد، بارش‌های شدید در جنوب و جنوب غرب و در بعضی مواقع در سراسر ایران روی می‌دهد (خوش‌اخلاق، 1998). منطقة سودان در قارة آفریقا جزو مناطق جنب ‌استوایی محسوب می‌شود و از این ‌رو ویژگی کم‌فشار گرمایی دارد. در فصل‌های سرد سال با نفوذ زبانة پرفشار به نواحی شمالی سودان و ریزش هوای سرد در آن منطقه، کم‌فشار مستقر در سودان تقویت می‌شود و از طریق همگرایی دریای سرخ از دریاهای گرم اطراف رطوبت جذب می‌کند. درواقع این سامانه در ابتدا فعال نیست و بدون جبهه است؛ اما به‌تدریج که بر روی دریای سرخ کشیده می‌شود با توده‌های هوای آن منطقه برخورد می‌کند و فعال می‌شود که عموماً پس از شکل‌گیری یا از راه خوزستان وارد کشور می‌شود یا پس از عبور از روی عربستان و کویت و توقف کوتاه بر روی خلیج فارس و کسب رطوبت کافی بر استان‌های جنوبی کشور تأثیر می‌گذارد و پس از آن به طرف شرق و جنوب شرق ایران کشیده می‌شود. بارش از سامانه‌های کم‌فشار سودانی معمولاً به‌ صورت همرفتی - کومه‌ای است و به این علت بیشتر مواقع پس از رخداد این‌گونه بارش‌ها، سیلاب‌های گاه مخربی در استان‌های جنوبی کشور رخ می‌دهد. بارش از سامانه‌های کم‌فشار سودانی غالباً آبگین است که طبعاً در برخورد با ارتفاعات بلند زاگرس یا با توده‌‌های هوای سردتر عرض‌های بالاتر ممکن است به صورت برف درآید.

پیشینة پژوهش

درزمینة اثر کم‌فشار سودانی بر بارش‌های منطقة خاورمیانه و به‌ویژه بارش‌های سنگین جنوب و جنوب غرب ایران تاکنون مطالعات متعددی صورت گرفته است. پژوهش الفت (1968)، جزو اولین پژوهش‌هایی بود که درزمینة سامانه‌های بارشی از شمال آفریقا و دریای سرخ صورت گرفته است. وی ضمن تعیین مسیرهای عمدة عبور سامانه‌های کم‌فشار بارشی به این نتیجه رسیده است که 30درصد این سامانه‌ها از شمال آفریقا و دریای سرخ نشئت گرفته‌اند که پس از عبور از عراق و خلیج فارس وارد ایران می‌شوند.

فرشی‌فروغ (1997) در بررسی سامانه‌های بارشی منطقة شمال غرب ضمن تأیید اثر سامانه‌های کم‌فشار دریای سرخ بر بارش‌های شمال غرب، مسیر عبور آنها را از دریای سرخ، عراق و درنهایت شمال غرب ایران مشخص کرده است.

عبدالحسینی (1979) در پایان‌نامة خود ضمن بررسی چندین کم‌فشار سودانی، استقرار پرفشار جنب حاره را بر روی دریای عرب و اقیانوس هند که جریان جنوب شرقی - جنوبی را موجب می‌شود و در عین حال نقش بسیار مهم آن را در تغذیة رطوبتی کم‌فشار سودانی بسیار مؤثر دانسته است.

فرجی (1981) در بررسی کم‌فشارهای ایران و تعیین فراوانی ماهیانة آنها حدود 23درصد از سامانه‌های بارشی ورودی به کشور را از نوع سامانه‌های با منشأ سودانی تشخیص داده است.

ایزدنگهدار (1991) در مطالعة خود عمیق‌شدن ناوه در شرق مدیترانه تا منطقة دریای سرخ را در تقویت کم‌فشار سودانی و حرکت آن به سمت شمال شرقی مؤثر دانسته است و همچنین پرفشار مستقر بر روی عربستان را عامل اصلی انتقال رطوبت دریای عمان به درون کم‌فشار سودانی واقع در غرب پرفشار عربستان می‌داند.

سبزی‌پرور (1991) نیز در بررسی سامانه‌های سیل‌زای جنوب غرب ایران، عمیق‌شدن کم‌فشار ایسلند بر روی اروپا و جداشدن سلول کم‌فشاری از ایسلند یا عمیق شدن زبانة آن از طریق شمال غرب، غرب یا شمال اروپا تا دریای سیاه و مدیترانة شرقی و ایجاد یک ناوة عمیق بین پرفشار مستقر بر روی روسیه و پرفشار آزور را عامل مهمی برای دینامیکی‌شدن کم‌فشار سودان و درنتیجه بارش‌های شدید در جنوب غرب ایران می‌داند.

لشکری (1996) در رسالة دکتری خود با موضوع الگوی سینوپتیکی بارش‌های شدید جنوب و جنوب غرب ایران، اثر سامانه‌های ترکیبی سودانی - مدیترانه‌ای را جزء عوامل اصلی بارش‌های شدید جنوب غرب ایران دانسته است.

همچنین لشکری (2003) در بررسی 200 سامانة سودانی در دورة آماری 1989-1969، پنج مسیر عمدة ورود این سامانه‌ها را به ایران مشخص کرد؛ در مسیر اول و دوم سامانه‌های سودانی را به‌صورت ادغام‌شده با چرخندهای مدیترانه و در سه مسیر دیگر ورود مستقل سامانه‌های سودانی را به ایران تشخیص داد.

درزمینة کم‌فشارهای ایران، آزادی و همکاران (2003) بارش سامانه‌های زمستانی روی ایران را پیش‌بینی عددی کرده‌اند. براساس پژوهش آنها، کم‌فشار دینامیکی مدیترانه‌ای حین حرکت به سوی شرق و جنوب شرق با تزریق هوای سرد به کم‌فشار منطقة سودان، باعث دینامیکی‌شدن این کم‌فشار و سامانة ترکیبی موسوم به مدیترانه‌ای ـ سودانی تشکیل می‌شود که نمونه‌ای از برهم‌کنش تودة ‌هوای قطبی با تودة هوای حاره‌ای است و بارش‌های نسبتاً زیادی در ایران به همراه دارند.

مشکواتی و مرادی (2004) ناوة فشاری دریای سرخ را از دیدگاه دینامیکی بررسی کرده‌اند. براساس پژوهش آنها چنانچه فرارفت تاوایی نسبی مثبت در شرق دریای مدیترانه یا شمال دریای سرخ صورت گیرد، ناوة فشاری دریای سرخ به سوی شرق دریای مدیترانه حرکت می‌کند و سامانة جوّی ایجادشده، غرب و شمال غرب ایران را متأثر می‌سازد و چنانچه فرارفت تاوایی نسبی مثبت در شمال شرق دریای سرخ صورت گیرد، سلول‌های کم‌فشار کوچکی از ناوة فشاری دریای سرخ جدا می‌شود، به سوی شمال شرق حرکت می‌کند و بر غرب، جنوب غرب و جنوب ایران تأثیر می‌گذارد.

از دیگر پژوهش‌های مطرح درزمینة کم‌فشارهای سودانی، پژوهش مفیدی و زرین (2005) با عنوان «تحلیل سینوپتیکی ماهیت سامانه‌های کم‌فشار سودانی» و همچنین پژوهش قائدی و همکاران (2012) است. نتایج پژوهش آنها نشان داد مقادیر پایین شاخص چرخه و استقرار پشته در تراز میانی وردسپهر بر روی مدیترانة غربی و ناوة عمیق شرق مدیترانه در تقویت سامانة کم‌فشار سودانی و فعال‌شدن آن مؤثر است؛ اما نقش اصلی را مربوط به کشیده‌شدن تاوة قطبی در تراز 500 هکتوپاسکالی به‌منزلة منبع اصلی تاوایی برای پیدایش الگوی گردشی ناهنجار و تقویت سلول هدلی و جت جنب حاره بر روی مدیترانه و شمال آفریقا می‌دانند.

در همین راستا محمدی و همکاران (2012) سامانه‌های سودانی و رخداد بارش‌های سنگین را در جنوب غرب ایران بررسی و تحلیل دینامیکی کرده‌اند و اساس حرکت این سامانه‌ها را متأثر از تاوایی جلوی ناوة عمیق عرض‌های شمالی‌تر دانسته‌اند.

از دیگر پژوهش‌های صورت‌گرفته درزمینة کم‌فشار سودانی، پژوهش آلپرت و همکاران (2004)، خانا و همکاران (2004)، زیو و همکاران (2004) و دایان و همکاران (2001) است. نتایج کار آنها نشان داد فعالیت کم‌فشار سودانی، یکی از مهم‌ترین سامانه‌های مؤثر بر بارش خاورمیانه است.

پژوهش الفندی^[9] (1948) جزو اولین پژوهش‌های جهانی درزمینة کم‌فشار سودانی و دریای سرخ بوده است. الفندی نام کم‌فشار موسمی سودانی را برای این کم‌فشارها برگزید.

در سال‌های اخیر، پژوهشگران برای کم‌فشارهای بدون جبهه‌ای که از منطقة دریای سرخ و سودان به سمت شرق مدیترانه گسترش می‌یابند و موجب بارش‌های سیل‌آسا می‌شوند، نام جدید «زبانة کم‌فشار دریای سرخ» را برگزیده‌اند (آلپرت و همکاران، 2004، کریچاک^[10] و همکاران 1997). براساس پژوهش‌های برخی از پژوهشگران، سامانه‌های اثرگذار بر آب‌وهوای ایران در چند دهة اخیر در اثر روند گرمایش جهانی تغییراتی را در بعضی از ویژگی‌های خود (به‌ویژه درزمینة مقادیر فشار و دما) نشان داده‌اند (حیدری، 2013: 150).

گرمایش جهانی با تأثیر بر مؤلفة انرژی موجود در جو کرة زمین در تمامی ابعاد، تغییرات محسوسی را در مرکز فشار جو ازجمله کم‌فشار سودانی و زبانة کم‌فشار دریای سرخ ایجاد می‌کند. متخصصان آب‌وهواشناسی به منظور درک بهتر رفتار سامانة آب‌وهوا، از مدل‌های آب‌وهوایی در این زمینه به‌ویژه در جهت پیش‌بینی تغییرات استفاده می‌کنند. مدل‌های آب‌وهوایی، ابزاری مهم برای بهبود درک و پیش‌بینی رفتار آب‌وهوا در مقیاس‌های زمانی ماهیانه، فصلی، سالیانه، ده‌ساله و حتی صدساله‌اند. مدل‌سازی پدیده‌های جوی کاری بسیار پیچیده است. متغیرهای بی‌شماری بر رخداد پدیده‌های جوی در یک منطقه اثرگذارند و از سویی واردکردن همة این متغیرها و حتی شناخت دقیق آنها در مدل امکان‌پذیر نیست؛ از این رو پژوهشگران علوم جوی در دهه‌های اخیر با پارامتریزه‌کردن اصلی‌ترین مفاهیم جو سعی در درک و پیش‌بینی اصلی‌ترین عناصر هوا دارند.

از دهة 1980 مدل‌های آب‌وهوایی برای ارائة پیش‌بینی‌های فصلی، شناسایی رفتار منطقه‌ای، انجام مطالعات واسنجی مدل‌ها و ریزمقیاس‌نمایی مدل‌های گردش عمومی جو استفاده شدند (مدیریان و همکاران، 2010: 108). مدل‌های سیاره‌ای آب‌وهوا (GCMs)، مهم‌ترین و شاخص‌ترین نوع مدل‌های آب‌وهوایی‌اند؛ به طوری که تمامی پدیده‌های مؤثر بر آب‌وهوا را در مقیاس کل سیارة زمین شبیه‌سازی می‌کنند. هدف مدل‌های سیاره‌ای، شبیه‌سازی تمامی ویژگی‌های سه‌بعدی آب‌وهواست و به این دلیل جامع‌ترین مدل‌های جوّی‌اند (شمسی‌پور، 2013: 99). در این مدل‌ها سعی می‌شود تمامی عوامل و عناصر مؤثر بر این سامانه براساس معادلات فیزیکی و شیمیایی وارد شوند که در این زمینه در دو دهة اخیر توجه ویژه به این مدل‌ها برای پیش‌بینی اثر افزایش گازهای گلخانه‌ای سامانة آب‌وهوای کرة زمین صورت گرفته است. تاکنون ده‌ها مدل GCM با مؤلفه‌ها و ویژگی‌های مختلف براساس مهم‌ترین سناریوهای تغییر اقلیم و افزایش گازهای گلخانه‌ای در مراکز بزرگ پایش تغییرات آب‌وهوایی اجرا شده و داده‌های خروجی آنها برای ترازهای مختلف جو در اختیار پژوهشگران قرار گرفته است. مدل‌های آب‌وهوایی درزمینة بررسی میزان تغییرات آب‌وهوایی در ارتباط با مکانیزم‌های طبیعی و فعالیت‌های انسانی همراه با چشم‌اندازهای متعددی ازجمله دورنماهای خوش‌بینانه و بدبینانه اجرا می‌شوند. با توجه به اینکه شرح و بسط مباحث مربوط به مدل‌های شناخته‌شدة این پژوهش و همچنین سناریوهای استفاده‌شده (جدول 1) از محدودة این پژوهش خارج است، بنابراین پیشنهاد می‌شود به گزارش چهارم و پنجم ^[11]IPCC (AR4 و AR5 2007 و 2013) مراجعه شود.

در مجموع با توجه به پژوهش‌های پیشین و نقش بسیار مؤثر سامانه‌های کم‌فشار سودانی بر بارش‌های منطقة خاورمیانه به‌ویژه در فصل سرد، در این پژوهش سازوکار عملکردی این سامانه دربارة ناهنجاری‌های ماههای خشک و مرطوب منطقة جنوب غرب ایران در بازة نوامبر تا مارس (ماه‌های فعالیت کم‌فشار سودانی برای منطقة خاورمیانه) بررسی می‌شود. اضافه بر این براساس مطالعات انجام‌شده در این پژوهش، در طول چند دهة اخیر تغییرات معناداری در میزان فشار سامانة کم‌فشار سودانی دیده شده است که به نظر می‌رسد متأثر از پدیدة گرمایش جهانی باشد؛ از این ‌رو در این پژوهش تغییرات فشار هوا منطقة کم‌فشار سودانی در تراز دریا، 925 و 850 هکتوپاسکال بررسی می‌شود. در این راستا با توجه به ماهیت الگوی فشار مراکز مطالعه‌شده و ارتباط آن با بارش جنوب غرب ایران، پیامدهای همدیدی گرمایش جهانی در حوضة کم‌فشار سودان و دریای سرخ و اثر آن بر ناهنجاری‌های بارش ماهیانه منطقة مدنظر (جنوب غرب ایران) تحلیل شده است. بر این اساس در این پژوهش مقادیر فشار هوا در مرکز کم‌فشار سودان و دریای سرخ در دورة مطالعاتی 2010 -1948 و دورة پیش‌یابی 2040 –2011 مبنای تحلیل احتمال وضعیت ناهنجاری بارش در دهه‌های اخیر و آتی برای جنوب غرب ایران قرار گرفته است.

مواد و روش‌ها

در این پژوهش از سه پایگاه داده به صورت ماهیانه استفاده شده است. پایگاه دادة اول، سازمان هواشناسی ایران در دورة 2010-1961، پایگاه دادة دوم، داده‌های بازکاوی‌شدة سازمان مطالعات محیطی ایالات ‌متحده در دورة 2010 - 1948 و پایگاه دادة سوم، مرکز داده‌های مدل‌های GCM و RCM کشور کانادا با دورة آماری 2040-1960 بوده است. رویکرد این پژوهش در اصل از محیطی به گردشی بوده و از آنجا که هدف اساسی، واکاوی اثر گرمایش جهانی بر منطقة کم‌فشار مطالعه‌شده (شکل 1) در دورة سرد سال و ارتباط آن با ناهنجاری بارش جنوب غرب ایران بوده است، از این ‌رو پنج ایستگاه همدید (آبادان، اهواز، دزفول، شهرکرد و بوشهر) با دورة آماری طولانی (2010-1961) شناسایی و بارش‌های آنها که نمرة استاندارد (Z) آنها از 1+ بزرگ‌تر (ماه ‌تر) یا از 1- کوچک‌تر (ماه خشک) بود، به‌منزلة ماههای ناهنجار انتخاب شدند (شکل 2). از بین تمام موارد ماه‌هایی که دست‌کم 4 ایستگاه یا بیشتر، از 5 ایستگاه موجود دارای شرط بالا بودند، به‌عنوان ماه‌های دارای ناهنجاری در مجموعه انتخاب شدند و آزمون آماری همبستگی اسپیرمن بین مقادیر بارش هر ایستگاه و فشار منطقة سودان و دریای سرخ (داده‌های پایگاه دادة دوم) انجام شد. به منظور تعیین چهارچوب مراکز فشار مدنظر در منطقة سودان و دریای سرخ از نقشة متوسط دورة 1980-1949 تراز دریا در طول ماه‌های نوامبر ـ مارس استفاده شد که براساس آن چهارچوب 5 تا 15 درجة شمالی و 5 تا 35 درجة شرقی برای منطقة کم‌فشار سودان و 17.5 تا 25 درجة شمالی و 35 تا 42.5 درجة شرقی برای زبانة سودان بر روی دریای سرخ (منطقة همگرایی دریای سرخ) در نظر گرفته شد (شکل 1). با توجه به هدف پژوهش، ابتدا ارتباط تغییرات فشار جو مناطق اشاره‌شده در لایه‌های مختلف (تراز دریا، 925 و 850 هکتوپاسکال) براساس پایگاه دادة سازمان مطالعات محیطی ایالات‌ متحده با مقادیر ناهنجاری بارش ماهیانة ایستگاه‌های جنوب غرب ایران بررسی شد.

شکل 1. نقشة موقعیت و چهارچوب مکانی مراکز فشار مطالعاتی (کم‌فشار سودانی و زبانة دریای سرخ) در نقشة متوسط (1980-1949) تراز دریا نوامبر- مارس

شکل 2. موقعیت ایستگاه‌های مطالعاتی در جنوب غرب ایران

با توجه به معناداربودن این ارتباط لازم بود روند تغییرات فشار در طول دورة 2040-1948 براساس داده‌های مشاهداتی و مدل‌سازی بررسی شود؛ از این رو روند تغییرات فشار و ارتفاع جو در ترازهای اشاره‌شده در دورة 2010-1948 با استفاده از داده‌های سازمان مطالعات محیطی ایالات متحده بررسی شد؛ همچنین با توجه به نوسانات فشار در مراکز بررسی‌شده روند متوسط فشار پنج ماهة منطقة پژوهش در نمودارهای مربوطه در سه تراز پیش‌گفته ترسیم و همچنین برای اطمینان بیشتر از چگونگی تغییرات جو در ترازهای بالاتر از نمودار ﻫﺎف ﻣـﻮﻟﺮ برای مقایسة دورة نرمال اقلیمی (1980-1949) نسبت به دورة دوم مطالعه‌شده (2010-1981) استفاده شد. با توجه به لزوم ارائة چشم‌اندازی از آیندة تغییرات فشار در مراکز مطالعاتی، داده‌های پنج مدل اقلیمی همراه با دو یا سه سناریوی A1B، A2 و B1 و درمجموع داده‌های 13 مدل و سناریوی جفت‌شده جوی- اقیانوسی به کار رفت. مشخصات مدل‌ها و سناریوهای به‌کاررفته در جدول (1) ارائه شده است. مدل‌های به‌کارگرفته‌شده در این پژوهش ازجمله مهم‌ترین مدل‌های GCM در این رابطه‌اند.

جدول 1. مشخصات مدل‌های GCM و سناریوهای استفاده‌شده درزمینة پیش‌بینی دورة 2040-2011 در این پژوهش

به منظور مدل‌سازی تغییرات فشار مراکز مطالعاتی به منظور کاهش حجم مطالب و همچنین مشکلات دسترسی به داده‌های ترازهای بالای جو فقط مقادیر فشار تراز دریا در یک دورة سی‌ساله (2040-2011) پیش‌یابی شد. علت تمرکز پیش‌بینی بر مقادیر فشار تراز دریا در پژوهش حاضر این است که درواقع ^[12]SLP، مؤلفه‌ای استاندارد به معنای وزن هوا در ستون جو در یک سانتیمتر مربع در سطح زمین است و ماهیتاً تأثیر ترازهای بالاتر جوّی را در خود دارد. همچنین به منظور بررسی اعتبار مدل‌سازی داده‌های دورة مشترک 2010 – 1960، براساس پایگاه دادة دوم و سوم (مشاهداتی و مدل‌سازی) با استفاده از توابع آماری جذر میانگین مربعات خطا (RMSE)، قدر مطلق خطا (MAE)، میانگین مجذور خطا (MSE) و ضریب همبستگی پیرسون (r)، برمبنای روابط زیر، مبنای سنجش عملکرد مدل‌ها قرار گرفت. در تمامی روابط زیر F (y)، دادة مدل‌سازی‌شده (پیش‌بینی^[13]) و O (x)، دادة واقعی (مشاهداتی^[14]) و ثبت‌شده و N، تعداد داده‌هاست.

حد پایین جذر میانگین مربعات خطا صفر و مقدار آن بیان‌کنندة این است که مقادیر پیش‌بینی‌شده چقدر از مقادیر دیده‌شده انحراف دارد. میانگین قدر مطلق خطا بیان‌کنندة مقدار متوسط خطاست و هرچه کمتر باشد، نشان‌دهندة دقت بیشتر است و میانگین مجذور خطا درواقع متوسط میزان خطا را به ازای هر مشاهده به دست می‌دهد و هرچه مقدار آن کمتر باشد، دقت بیشتری را نشان می‌دهد (مقدمیان و همکاران، 2008: 92 و 2009: 978، پیری^[15] و همکاران، 2009: 805). در بخش پایانی این پژوهش با استفاده از آزمون روندیابی من - کندال به منظور اطمینان بیشتر از نتایج در سطح اعتماد 95% روند تغییرات درازمدت فشار مراکز مطالعاتی در دوره‌های مشاهداتی و مدل‌سازی بررسی شد.

یافته‌های پژوهش

براساس هدف پژوهش (شناسایی رابطة بارش ماههای خشک و تر با فشار و ارتفاع ژئوپتانسیل مناطق مدنظر) موارد انتخاب‌شده در شکل (1) همراه با نمرة استاندارد مجموع بارش ماه در ایستگاه‌های منتخب نشان داده شده است. بر این اساس از مجموع 23 ماه دارای ناهنجاری، مجموع بارش 9 ماه دارای شاخص خشک و 14 ماه دارای شاخص ‌تر بوده‌اند؛ به‌ طور کلی اساس کار این پژوهش بر این 23 ماه دارای ناهنجاری در منطقة مدنظر استوار است و همبستگی بین فشار منطقة سودانی با بارش ماه‌های تر و خشک بر این اساس بوده است.

شکل 3. نمرة استاندارد مجموع بارش (شاخص) هر ایستگاه در 23 ماه مطالعه‌شده

شکل (3) مقادیر همبستگی بارش ماهیانه ایستگاه‌ها با فشار دو منطقة مطالعه‌شده در تراز دریا را نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد همة ایستگاه‌های بررسی‌شده همبستگی ‌پذیرفته در سطح 95% را با فشار مرکز دریای سرخ (زبانة شمال‌سوی کم‌فشار سودان) از خود نشان داده‌اند که در این راستا اهواز بیشترین همبستگی و شهرکرد کمترین همبستگی را دارد. ایستگاه‌های دزفول، اهواز و بوشهر همبستگی قابل اعتماد در سطح 99% دارند. کمترین میزان همبستگی مربوط به شهرکرد است. نتایج همبستگی بارش ایستگاه‌ها با فشار مرکز سلول سودانی در سه ایستگاه دزفول، اهواز و بوشهر در سطح اعتماد 95% پذیرفته است؛ اما این مقادیر برای آبادان و شهرکرد در این سطح پذیرفته نیست. درمجموع بین تغییرات بارشی ایستگاه‌ها و فشار تراز دریا در منطقة سودان و دریای سرخ رابطة وارون (منفی) با یکدیگر وجود دارد که براساس مقادیر به‌دست‌آمده و با توجه به مقدار بحرانی معنا‌دار در دو سطح مطالعه‌شده (95 و 99 درصد)، اثر همگرایی دریای سرخ نسبت به مرکز کم‌فشار سودانی بر ناهنجاری‌های بارشی منطقة جنوب غرب ایران بیشتر است (شکل 2 و 3 و 4)؛ همبستگی بارش ایستگاه‌های آبادان و شهرکرد با مرکز کم‌فشار سودان منفی و غیرمعنا‌دار است که می‌توان نتیجه گرفت تغییرات فشار در محدودة زبانة کم‌فشار سودانی (همگرایی دریای سرخ) رابطة بیشتری با خشکسالی و ترسالی‌های منطقه نسبت به فشار سلول مرکزی کم‌فشار سودانی دارد. به منظور بررسی اثر ارتفاع ژئوپتانسیلی ترازهای بالا با توجه به ماهیت گرمایی کم‌فشار سودانی، ارتفاع ژئوپتانسیل در مناطق مدنظر با بارش‌های منطقة پژوهش، ضریب همبستگی آنها محاسبه شد که نتایج آن در شکل (3) برای تراز 925 هکتوپاسکال نشان داده شده است. براساس این شکل بارش هیچ‌یک از ایستگاه‌ها همبستگی قابل اعتمادی با ارتفاع ژئوپتانسیل سلول مرکزی سودان در تراز 925 هکتوپاسکالی ندارد.

شکل 4. مقادیر همبستگی بین فشار تراز دریا در دو منطقة مطالعه‌شده و بارش ایستگاه‌های منتخب

شکل 5. نتایج همبستگی بین فشار تراز 925 هکتوپاسکال در دو منطقة مطالعه‌شده و بارش ایستگاه‌های منتخب

رابطة فشار منطقة همگرایی دریای سرخ با بارش‌های جنوب غرب در سطح اعتماد 99% در همة ایستگاهها ‌پذیرفته است. در این راستا همانند تراز دریا، اهواز بیشترین همبستگی را نشان می‌دهد؛ ضمن اینکه مقادیر همبستگی در تمام ایستگاه‌ها با منطقة دریای سرخ نزدیک به هم و حدود 5/5- تا 7/6- است که در این تراز نیز شهرکرد کمترین همبستگی را با ارتفاع منطقة دریای سرخ نسبت به دیگر ایستگاه‌ها نشان می‌دهد. با توجه به متوسط ارتفاع منطقة مطالعه‌شده تراز 925 حد واسط بین سطح زمین و ترازهای بالاتر محسوب می‌شود. تراز 925 هکتوپاسکال در سامانه‌های کم‌فشار گرمایی با توجه به فاصله‌گرفتن از منشأ شکل‌گیری (گرمایش سطح زمین) واکنش‌ها به صورت ترکیبی درمی‌آید؛ ضمن اینکه اثر جریان موج بادهای غربی با درنظرگرفتن ناهمواری‌های سطح زمین در این تراز به صورت مشخص و قوی نیست. بیان این نکته ضروری است که سامانة گرمایی سودان برای فعال‌شدن و اثرگذاری بر بارش جنوب غرب ایران نیازمند دخالت موج بادهای غربی و آثار آنها در ترازهای زیرین است؛ از این ‌رو به نظر می‌رسد ارتباط محدودتر تغییرات ارتفاع ژئوپتانسیل تراز 925 هکتوپاسکال و ناهنجاری‌های بارشی منطقة مدنظر منطقی است. تراز 850 هکتوپاسکال، ترازی مهم ازنظر سازوکارهای جو زیرین است. در این تراز عمدتاً آثار سامانه‌های گرمایی سطح زمین دیده می‌شود و از طریق آن ارتباط با سامانه‌های دینامیکی ترازهای بالاتر ایجاد می‌شود. شکل (4) همبستگی فشار و بارش ایستگاه‌ها را در این تراز نشان می‌دهد. برخلاف شکل (3) که هیچ‌کدام از ایستگاه‌ها در سطح اعتماد 95% با فشار مرکزی سامانة سودانی رابطة معناداری را نشان نمی‌دهند، در شکل (4) در سه ایستگاه دزفول، آبادان و اهواز این رابطه اگرچه مقداری ضعیف‌تر است، اما در سطح اعتماد 95% پذیرفته است که این خود بیان‌کنندة تفاوت تبادلات ترمودینامیکی تراز850 با ترازهای زیرین است. در تراز دریا به این دلیل که ماهیت سامانه‌های جوی غالباً گرمایی است، بنابراین تغییرات شدیدتر است؛ ولی زمانی که در ارتفاع 700 تا 800 متری جو (تراز 925 هکتوپاسکال) همبستگی بین فشار مرکزی سودان و بارش‌های جنوب غرب ایران در نظر گرفته شود، از میزان و شدت ارتباط با سامانة گرمایی کاسته می‌شود؛ زیرا ریشة تغییرات سامانه‌های گرمایی از ویژگی‌های سطح زمین است. از سوی دیگر به دلیل نزدیکی به سطح زمین نیز اثر تبادلات دینامیکی شدید نیست و درمجموع تبادلات در حالتی متوسط و ترکیبی قرار دارد؛ اما زمانی که ارتفاع 5/1 کیلومتری تراز دریا (تراز 850 هکتوپاسکال) در نظر گرفته شود، تقریباً نقش تبادلات دینامیک جو افزایش مشخصی می‌یابد. باید این نکته را نیز در نظر داشت که جو، محیطی سیال است و به لحاظ افقی حدومرز خاصی ندارد و به‌ویژه این مسئله در ترازهای بالاتر مشخص‌تر است؛ از این ‌رو در ترازهای بالاتر جو، اثر سامانه‌های همسایه بر تغییرات فشار منطقة سودان بسیار مؤثر است؛ ضمن اینکه این تغییرات با واسطه به تراز دریا انتقال می‌یابد؛ از سوی دیگر در رخداد ناهنجاری بارش اثر سامانه‌های دیگر و به‌ویژه همسایة سودانی نیز بسیار قوی خواهد بود؛ بنابراین رخداد ناهنجاری در بارش فقط محدود به عملکرد یک سامانه یا پهنه نخواهد بود و باید نقش دیگر مراکز فشار (از قبیل ناوة مدیترانه، پرفشار عربستان، شمال آفریقا و...) را در نظر گرفت؛ از این رو در تراز 850 هکتوپاسکال تغییرات ارتفاع ژئوپتانسیل مستقیماً به ماهیت کم‌فشار سودانی و عملکرد و تغییرات سامانه‌های همسایه مربوط خواهد بود و با توجه به اینکه تغییرات این سامانه‌ها خود در رخداد ناهنجاری بارش مؤثر است، از این رو تراز 850 همبستگی بیشتری را نسبت به تراز دریا یا 925 هکتوپاسکال در رابطه با ناهنجاری‌های بارشی جنوب غرب ایران نشان می‌دهد. درمجموع در این تراز نیز مانند ترازهای زیرین ارتباط بین فشار منطقة مرکزی دریای سرخ و بارش‌های جنوب غرب ایران به قدری شدید است که همبستگی بیشتری در سطح اعتماد بیش از 99% دیده می‌شود.

شکل 6. نتایج همبستگی بین فشار تراز 850 هکتوپاسکال در دو منطقة مطالعه‌شده و بارش ایستگاه‌های منتخب

مطالعة روند تغییرات فشار و ارتفاع جو (در دورة مشاهداتی 2010-1948)

براساس مطالب پیشین و رابطة تغییرات فشار در منطقة کم‌فشار سودانی و زبانة آن، در این قسمت با توجه به نظریات و فرضیات اثر گرمایش جهانی بر سامانه‌های همدید، روند تغییرات فشار در ترازهای دریا، 925 و 850 هکتوپاسکال در دو منطقة سلول مرکزی کم‌فشار سودانی و زبانة تداوم‌یافتة آن به سمت دریای سرخ بررسی می‌شود. در شکل‌های (17) تا (22) روند تغییرات فشار در دو پهنة مطالعه‌شده یعنی مرکز کم‌فشار سودانی و مرکز همگرایی دریای سرخ که مصادف با زبانة سودانی است، در فصل سرد و در تراز دریا، 925 و 850 را نشان داده است. براساس آزمون ضریب همبستگی (روند خطی) و آزمون روندیابی من - کندال افزایش فشار در هر دو نقطة مدنظر و در هر سه تراز پیش‌گفته در سطح 99% معنادار است؛ همچنین براساس ضریب همبستگی به‌دست‌آمده می‌توان استنباط کرد روند تغییرات فشار در مرکز کم‌فشار سودانی بیش از مرکز همگرایی دریای سرخ است؛ همچنین نکتة حائز اهمیت افزایش معناداری تغییرات فشار در ترازهای بالاتر نسبت به ترازهای زیرین است؛ از این‌ رو استنباط می‌شود تغییرات فشار در منطقة سودانی فقط منشأ زمینی و گرمایی ندارد و ماهیت تبادلات دینامیکی فشار در منطقه نیز در این مسئله مؤثر بوده است. به منظور روشن‌ترشدن این بحث از نمودارهای ﻫﺎف ﻣـﻮﻟﺮ در شکل‌های (23) و (24) استفاده شده است. این شکل‌ها نشان می‌دهند در دورة اول مطالعه‌شده (1980-1949) تمامی ترازهای جوی، ارتفاعی کمتر از دورة دوم داشته‌اند؛ از جهتی دیگر تغییرات در ترازهای بالاتر بیشتر بوده تا جایی که در تراز 300 هکتوپاسکال تغییرات به بیش از 20 متر نیز رسیده است که این خود نشان‌دهندة ماهیت دینامیک جو در این تغییرات است. براساس شواهد موجود افزایش فشار از بالا بر ترازهای زیرین اعمال شده است. نکتة مهم، تناقض ظاهری درزمینة گرمایش بیشتر سطح و افزایش فشار آن است. با کمی تأمل در شکل‌های (23) و (24) علت آن مشخص می‌شود. توجه به شیب خط در بین تراز 1000 تا 925 هکتوپاسکال به نسبت تراز 925 تا 500 هکتوپاسکال نشان می‌دهد تغییرات در مورد اول کمتر بوده است و هرچه به ترازهای بالاتر نزدیک‌تر می‌شویم، تغییرات تا تراز 500 هکتوپاسکال بیشتر می‌شود (به شکل 23 توجه شود)؛ بنابراین اگرچه گرمایش سطحی بر روی منطقة کم‌فشار حرارتی می‌تواند موجب انبساط بیشتر تودة هوا به‌ویژه نزدیک به سطح زمین شود، اما این انبساط موجب افزایش ارتفاع قلة جو (در تروپوسفر) و از سویی دیگر افزایش وزن ستون هوا نیز می‌شود؛ همچنین منطقة کم‌فشار مطالعه‌شده در مجاورت پرفشار جنب حاره قرار دارد؛ پرفشارهایی که حاصل ریزش هوا به صورت دینامیکی و در ترازهای مختلف‌اند و در شرایط گرمایش هوا به علت صعود بیشتر هوا در منطقة ITCZ ریزش هوا در آنها بیشتر و به بیان بهتر تقویت می‌شود؛ چون منطقة کم‌فشار سودان با توجه به عرض جغرافیای آن در ترازهای 500 هکتوپاسکال و ... در زیر کمربند پرفشار جنب حاره در فصل سرد قرار دارد، از این رو به نظر می‌رسد یکی از دلایل اصلی شیب زیاد تغییرات در ترازهای 500-850 هکتوپاسکال، بحث مربوط به افزایش ارتفاع کمربند پرفشار جنب حاره نیز باشد (به شکل 24 توجه شود).

نزدیک‌تربودن مرکز سودان نسبت به دریای سرخ به کمربند پرفشار جنب حاره در ترازهای بالاتر از 500 هکتوپاسکال، یکی از دلایل اصلی تفاوت شیب تغییرات بین این دو منطقه در ترازهای اشاره‌شده است. در کل به نظر می‌رسد با توجه به رابطة وارون بین فشار با ترسالی‌ها و خشکسالی‌های منطقة جنوب غرب که در بخش‌های قبلی مفصل بدان اشاره شد و همچنین  افزایشی‌بودن روند تغییرات فشار در منطقة کم‌فشار سودان و دریای سرخ که روند تغییرات - نمودارهای هالف مولر و آزمون من-کندال (جدول 1) آن را تأیید می‌کند، احتمال رخداد خشکسالی و کاهش بارش در منطقة جنوب غرب ایران افزایش خواهد یافت.

شکل 7. روند تغییرات فشار سلول مرکزی کم‌فشار سودانی در تراز دریا در دورة آماری 2012-1948 میانگین 5 ماهة نوامبر تا مارس

شکل 14. نمودار ﻫﺎف ﻣـﻮﻟﺮ، تفاوت ارتفاع ژئوپتانسیل جودر دورة اول (1980-1948) نسبت به دورة دوم (2010-1981) مرکز دریای سرخ

آزمون صحت‌سنجی عملکرد مدل‌های GCM

از آنجا که در مطالعات مدل‌سازی نخستین گام پیش از هرگونه تجزیه‌وتحلیلی، ارزش‌گذاری داده‌های خروجی مدل و آزمون میزان صحت آنهاست (Warnen, 2011: 540)، پیش از پرداختن به بحث پیش‌یابی، نتایج صحت‌سنجی عملکرد مدل‌های استفاده‌شده در این پژوهش نسبت به دورة مشترک مشاهداتی- محاسباتی (2010-1960) بررسی شده است. شکل‌های (15)، (16) و (17) مربوط به عملکرد مدل‌های مطالعه‌شده در برآورد مقادیر فشار تراز دریا در منطقة چهارچوب کم‌فشار سودانی‌اند. براساس مقادیر ارائه‌شدة مربوط به توابع RMSE و MAE خطا، مدل‌ها حدود 0.45 تا 0.82 (کمتر از 1 هکتوپاسکال) است. در این بین مدل HADGEM1 به ترتیب براساس سناریوی A2 و A1B کمترین میزان خطای محاسباتی را نشان داده است. مقادیر MSE که درواقع مقدار اریبی مدل را نشان می‌دهد براساس محاسبات در مرکز سودان بسیار کم و برای مدل‌ها و سناریوهای جفت‌شده در دامنه 0.044- تا 0.12- است. همبستگی مقادیر مشاهداتی و محاسباتی مدل در این منطقه در شکل (17) نشان داده شده است. در بین تمامی مدل‌ها با توجه به تعداد داده‌ها و سطوح اعتماد بررسی‌شدة 99 و 95 درصد به ترتیب 0.46± و 0.36±، تنها مدل و سناریوی جفت‌شده HADGEM1-A2 در سطح اعتماد بیشتر از 95 و 99درصد معنا‌دار و قابل اعتماد است. درمجموع مقادیر ارائه‌شدة سایر مدل‌ها را به دلیل ضریب همبستگی پایین می‌توان غیرقابل اعتماد دانست. شکل‌های (18)، (19) و (20) به منظور سنجش کیفیت عملکرد مدل‌های استفاده‌شده در منطقة همگرایی دریای سرخ (زبانة سودان) ارائه شده است. براساس مقادیر ارائه‌شده در شکل (18) مربوط به RMSE و MAE به ترتیب پایین‌بودن خطا، مدل‌ها و سناریوهای  HADGEM1-A2 و HADGEM1-A1B و GFDL2.1-B1 و GFDL2.1-A2 کمترین مقادیر خطا را نشان می‌دهند. دامنة خطا در این منطقه نیز مانند مرکز سودان کمتر از 1 هکتوپاسکال است.

مقادیر اریبی مدل در شکل (19) نشان می‌دهد به ترتیب کمترین میزان اریبی مربوط به مدل‌های ECHOG-A2، ECHOG-B2، GFDL2.1-A1B،GFDL2.1-B1 ، کمترین مقادیر اریبی منفی و مدل HADGEM1 در سناریوهای A2 و A1B نیز کمترین اریبی مثبت را داشته‌اند. با توجه به شکل (20) مدل HADGEM1-A2 و مدل HADCM3-A1B، تنها مدل‌هایی‌اند که همبستگی پذیرفته در برآورد متوسط پنج ماهة فشار تراز دریا در دورة مشترک مشاهداتی ـ محاسباتی داشته‌اند. درمجموع با توجه به هدف پژوهش (پی‌یابی سه دهه) به ‌طور قطع نمی‌توان از یک مدل به‌منزلة مدل بهینه نام برد؛ اما به نظر می‌رسد در این رابطه مدل‌های سری HADGEM1 با توجه به پایین‌بودن خطا، RMSE و MAE بهترین گزینه‌ها هستند؛ اگرچه پایین‌بودن اریبی و متوسط‌بودن ضریب خطای بعضی مدل‌ها مانند GFDL2.1 یا ECHOG نیز صرف‌نظر از همبستگی سالیانة (متوسط پنج ماهه) فشار تراز دریا مفید است.

پیش‌بینی تغییرات فشار تراز دریا در دورة
2040 -2011

با توجه به نتایج بخش صحت‌سنجی عملکرد مدل‌های مطالعاتی در این بخش، مدل HADGEM1 براساس دو سناریوی a1b و a2 به‌منزلة بهترین مدل با کمترین خطا، براساس مؤلفة فشار تراز دریا دقیق‌تر بررسی می‌شود. بر مبنای خروجی به‌دست‌آمده، شکل‌های (21) و (22) نشان می‌دهند روند تغییرات فشار تراز دریا در منطقة مرکز کم‌فشار سودان در بازة 5ماهة مدنظر روند افزایشی معنادار در سطح اطمینان بیش از 99% دارد. شکل (23) مقادیر R روندیابی همة مدل‌های مطالعاتی این پژوهش را برای منطقة کم‌فشار سودان در بازة زمانی 2040-2011 نشان می‌دهد؛ براساس مقادیر به‌دست‌آمده فقط دو مدل برای این مرکز در طول سه دهة آتی روند کاهشی فشار هوا و سایر مدل‌ها روند افزایشی معنا‌دار و بعضی غیرمعنا‌دار را برآورد کرده‌اند. براساس شکل‌های (24) و (25) مقادیر فشار تراز دریا در منطقة زبانة کم‌فشار سودانی در دریای سرخ برمبنای خروجی مدل HADGEM1 همچنان در بیشتر از متوسط 1990-1960 خواهد بود. درمجموع خروجی‌های مربوطه نشان‌دهندة تداوم افزایش فشار و تضعیف این سامانه در سال‌های آتی در این منطقه است. شکل (26) به صورت خلاصه‌شده مقادیر R خط روند مربوط به خروجی همة مدل‌های مطالعاتی را در محدودة دریای سرخ (زبانة کم‌فشار سودانی) در دورة پیش‌یابی نشان داده است. براساس مقادیر R خط روند (برازش) مدل‌های ECHOG-A1B و HADCM3-A2، روند افزایشی در سطح بیشتر از 95% و مدل‌های HADCM3-A2، ECHOG-A2، GFDLCM2.1-B1، HADCM3-A2 در بازة میانگین متحرک 5 ساله در همان سطح اطمینان، روند افزایشی در مقادیر فشار تراز دریا را نشان می‌دهند. خروجی مدل‌های ECHOG-B1 و GISS-AOM-A1B در میانگین متحرک 5 ساله در سطح اعتماد فراتر از 95% معنا‌داری روند کاهشی را نشان می‌دهند.

با توجه به لزوم کسب اطمینان از صحت نتایج روندیابی خط برازش (R)، در این بخش نتایج آزمون روندیابی با استفاده از روش من - کندال دربارة روند تمامی مؤلفه‌های مدنظر در جدول (2) ارائه شده است. با توجه به سطح اعتماد مدنظر (95%) هرگاه آمارة P بیش از 05/0 باشد، روند معنا‌دار نیست. جهت روند نیز با استفاده از + افزایشی و - کاهشی نشان داده شده است. بررسی مقادیر ارائه‌شده در جدول (2) صحت مطالب بالا را تأیید می‌کند.

جدول 2. نتایج آزمون روندیابی من - کندال روی مؤلفة تغییرات فشار و ارتفاع ژئوپتانسیل منطقة کم‌فشار سودان
در سطح اطمینان 95%