بررسی تغییرات فشار سطح دریا یکی از روش های شناسایی امواج گرانی- لختی است. در این مطالعه، موارد تغییر فشار سطح دریا بیش از 3 هکتوپاسکال در طی یک ساعت برای چندین ایستگاه ایران در یک دوره هشت ماهه شناسایی می شود. سپس، با توجه به الگوهای همدیدی و تغییر میدان های دما و باد ایستگاه ها، موارد تغییر فشار سطح همراه با رخداد امواج گرانی- لختی تعیین می شود. با شبیه سازی موارد انتخابی به کمک مدل WRF و ترسیم میدان واگرایی افقی سرعت، ویژگی های امواج گرانی- لختی محاسبه می شود. در این مطالعه چهار مورد رخداد گرانی- لختی امواج شناسایی شد که با کمک نتایج شبیه سازی عددی موارد مذکور، مشخص گردید که سه چشمه کوهساری، جبهه گرم سطوح زیرین و جریان جتی در تولید و انتشار این امواج نقش داشته اند. همچنین، زمانی که در سطوح زیرین ناپایداری شدید وجود دارد، شرایط برای نگهداشت و تقویت موج فراهم نبوده و در شبیه سازی مدل نیز اثری از امواج دیده نمی شود.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.

در مقاله حاضر از توابع تجزیه متعامد سره (POD) برای تحلیل و ارزیابی امواج راسبی و گرانی استفاده شده است. توابع POD در واقع عصاره و چکیده مجموعه ای از داده ها هستند که با نمونه برداری از داده های تحلیلی، تجربی یا عددی به دست می آیند. این توابع را می توان برای کاهش مرتبه داده ها یا معادلات حاکم (با تصویر گالرکین معادلات حاکم روی توابع متعامد) مورد استفاده قرار داد. در مقاله حاضر داده های لازم برای تشکیل توابع POD از داده های تحلیلی مربوط به تک موج های راسبی و گرانی- لختی که در مدت زمان خاصی ذخیره شده اند، استفاده شده است. با استفاده از معادلات آب کم عمق خطی سازی شده که حاوی امواج راسبی و گرانی- لختی است و با تصویر این معادلات روی توابع POD (به دست آمده از نمونه برداری) یک مدل رتبه کاسته به دست می آید. از این مدل رتبه کاسته به مثابه ابزاری برای تحلیل امواج راسبی و گرانی استفاده شده است. نتایج نشان می دهد که برای اینکه بتوان یک تک موج راسبی را با توابع POD مدل سازی کرد، به دو مود POD نیاز است. در صورتی که برای شبیه سازی یک تک موج گرانی- لختی به چهار مود POD نیاز داریم. همچنین برای اینکه بتوان دینامیک یک تک موج راسبی را با مودهای POD مدل سازی کرد نیازی نیست که فاصله زمانی داده برداری کوتاه باشد؛ به طوری که با 100 نمونه در 5 ساعت اول یا 24 ساعت اول می توان دینامیک امواج را با دقت مناسبی تا 120 ساعت و بیشتر با مدل رتبه کاسته POD پیش بینی کرد. در صورتی که برای پیش بینی یک تک موج گرانی- لختی با این مدل رتبه کاسته تا 96 ساعت به ذخیره سازی 400 نمونه در 0.1 ساعت نیاز است.

یکی از پدیده های مهم جوی امواج گرانی – لختی هستند که در انتقال انرژی وتکانه نقش بسیار مهی ایفا می کنند. شرط لازم برای ماندگاری و انتشار افقی این امواج در جو، وجود مجرای موج یا موجبر است. در این پژوهش، از داده های با تفکیک بالای سامانه ی پیش بینی جهانی (GFS) برای تعیین مکان و زمان رخداد مجراهای امواج گرانی-لختی در دوره ی سه ماهه ی ژانویه تا مارس 2016 بر روی ایران استفاده شد. برای شناسایی مجرای موج، دو شرط برای امکان انتشار امواج در مجرا وجود دارد که مطابق آن مجرا باید از نظر ایستایی پایدار بوده و دارای ضخامت حداقل یک چهارم طول موج قائم مشاهداتی باشد. با کاربست این دو شرط در این بازه ی مطالعاتی، ضمن شناسایی 10 مورد رخداد مجرای موج بر روی ایران، دو مورد از آن ها انتخاب شد. سپس با کاربست شرط وجود لایه ای ناپایدار یا بازتابنده در بالای مجرای موج، به عنوان شرط سوم برای این دو مورد مجرا و حذف نقاطی که این شرط را نداشتند، ویژگی های مجرای موج برای سایر نقاط برآورد شد. در ادامه، برای شناسایی امواج گرانی-لختی منتشرشده در مجرای موج، یک مورد انتخابی مجرا با مدل میان مقیاس WRF شبیه سازی شد. بررسی نتایج این شبیه سازی به شناسایی دو بسته موج گرانی-لختی منتشرشده در مجرای موج منجر گردید که ویژگی های این امواج به کمک ترسیم میدان واگرایی افقی سرعت تعیین شد. نتایج نشان داد که یک چهارم طول موج قائم به دست آمده برای دو بسته موج فوق کمتر از ضخامت لایة مجراست؛ این امر با شرط ضخامت برای تشکیل مجرای موج مطابقت خوبی دارد.

عدم توازن و به دنبال آن شکل گیری امواج گرانی-لختی به عنوان یکی از عوامل شناخته شده در وقوع تلاطم هوای صاف CAT (Clear Air Turbulence)، در وردسپهر زبرین شناخته می شوند. در این پژوهش ابتدا امواج کژفشار با استفاده از مدل WRF (Weather Research and Forecasting) به صورت آرمانی در یک کانال با ابعاد 4000، 10000 و 22 کیلومتر به­ترتیب در راستاهای مداری، نصف­النهاری و قائم بر روی صفحهf با تفکیک افقی (قائم) برابر با 25 (25/0) کیلومتر برای 15 روز شبیه­سازی شد. در ادامه، با کاربست روش تجزیه موج-تاوه، بخش نامتوازن شارش تعیین و برای محاسبه دامنه و دامنه بی بعد امواج گرانی-لختی مورد استفاده قرار گرفت. سپس مقادیر دامنه بی بعد امواج گرانی-لختی، برمبنای نظریه عدم توازن خودبه خودی لایت هیل-فورد، روش ناکس و همکاران (2008) KMW (Knox، McCann، Williams) نیز محاسبه شد و برای بررسی تلاطم و شدت آن، اتلاف انرژی جنبشی تلاطمی و آهنگ اتلاف پیچکی EDR (Eddy Dissipation Rate) با استفاده از مقادیر هر دو دامنه محاسبه شدند. نتایج توزیع EDR با استفاده از دامنه بی بعد روش تجزیه موج-تاوه نشان داد که در تمام محدوده اطراف جریان­ جتی تلاطم متوسط وجود دارد و بیشینه این مقادیر، در نواحی پایین هسته و خروجی جریان­ جتی قرار می­گیرد که منطبق بر محل فعالیت امواج گرانی-لختی و مطالعات پیشین CAT نیز است. همین طور نتایج توزیع EDR با استفاده از دامنه بی بعد روش KMW تلاطم های شدید را در مناطق کوچکی بر روی هسته جت و در ناحیه ورودی جریان جتی نشان می­دهد و بر خلاف روش تجزیه موج-تاوه در بیشتر مناطق، تلاطمی پیش بینی نمی­شود که این امر می تواند به اختلاف دو روش در محاسبه دامنه امواج مربوط باشد.

امواج گرانی-لختی، از جمله عواملی هستند که میدان های هواشناختی را تحت تأثیر خود قرار می دهند و با انتقال تکانه، انرژی و جرم سبب ایجاد پریشیدگی در میدان های باد، دما و فشار می شوند. بنابراین شناخت چشمه های تولید این امواج و بررسی ویژگی های آنها بسیار حائز اهمیت است. با توجه به اینکه تاکنون مطالعه ای برای شناسایی امواج گرانی-لختی در یک دوره اقلیمی روی تهران صورت نگرفته است، در این پژوهش به کمک داده های دیدبانی ایستگاه مهرآباد تهران در دوره 1961 تا 2015، به شناسایی رخدادهای این پدیده در وردسپهر زیرین پرداخته شده است. یکی از روش های شناسایی امواج گرانی-لختی، بررسی تغییرات ناگهانی و بزرگ در فشار سطحی است. در این مطالعه، با در نظر گرفتن آستانه تغییرات ساعتی فشار به مقدار بیش از 3 هکتوپاسکال، 101 مورد به عنوان نامزد های احتمالی رخداد امواج گرانی-لختی برای یک دوره 55 ساله در ایستگاه مهر آباد تهران شناسایی شد. سپس، با بررسی داده های دیدبانی ایستگاهی و تحلیل الگوهای همدیدی مناسب برای فعالیت امواج گرانی-لختی، تعداد 17 مورد رخداد موج گرانی-لختی تعیین شد که 13 مورد آن با همرفت و 4 مورد آن با چرخند همراه بوده اند. در ادامه، برای ارزیابی روش قبلی و تعیین ویژگی های امواج، از مدل WRF برای شبیه سازی موارد رخداد موج گرانی-لختی استفاده شد. . نتایج شبیه سازی عددی نه تنها درستی تحلیل های انجام شده را در انتخاب موارد رخداد موج گرانی-لختی تایید کرد، ، بلکه ارتباط بین چشمه امواج، نحوه انتشار و همچنین تأثیرشان را را بر میدان های هوا شناختی مانند فشار، دما و باد در منطقه تهران و به خصوص در ایستگاه مهر آباد، با دقت بیشتری تعیین کرد.

برای بررسی کمی و کیفی جواب های الگوریتم های حل عددی معادلات بسیط فشارورد، مقایسه با رفتار جو واقعی نمی تواند ملاک اصلی یا حداقل تنها ملاک در تعیین دقت الگوریتم ها قرار گیرد. این حکم به ویژه در کاربست به منطقه محدود که شرایط مرزی بر پیچیدگی تعیین جواب مطلوب می افزایند صادق است. این پیچیدگی حاصل درآمیختگی خطای مدل بسیط فشارورد، خطای خود الگوریتم و خطای وارد در چگونگی خوراند داده ها است. بر این مبنا لازم است دانش دینامیکی از رفتار جواب های معادلات بسیط فشارورد یا معادلات آب کم عمق در تعیین دقت الگوریتم های عددی هر چه بیشتر به خدمت گرفته شود. یکی از رهیافت های مفید، مطالعه بخش های متوازن (تاواری) و نامتوازن (امواج گرانی) و برهم کنش های آنهاست. برغم محدودیت هایی که کار روی جو واقعی ایجاد می کند، اطلاعات مفیدی را می توان از چنین مطالعه ای به دست آورد. با توجه به این هدف، این مقاله به مطالعه رفتار زمانی – مکانی بخش های متوازن و نامتوازن سه الگوریتم عددی برای معادلات بسیط فشارورد منطقه ای اختصاص دارد. این سه الگوریتم عبارت اند از الگوریتم اویلری دارای پایستاری آنزوتروفی پتانسیل سادورنی (1975) و دو الگوریتم مشتق از آن به برمبنای تغییر متغیرهای پیشیافتی از مؤلفه های تکانه – ارتفاع ژئوپتانسیلی به (1) تاوایی پتانسیلی راسبی، واگرایی و ارتفاع ژئوپتانسیلی و (2) تاوایی پتانسیلی راسبی، واگرایی و تاوایی غیرزمین گرد. در دو الگوریتم اخیر حل تاوایی پتانسیلی با یک روش استاندارد نیمه لاگرانژی با استفاده از درون یابی دو مکعبی قطعه ای انجام می شود و حل دو معادله پیشیافتی دیگر بر مبنای الگوریتم سادورنی برای مؤلفه های تکانه – ارتفاع ژئوپتانسیلی به دست می آید. نسبت به الگوریتم اویلری، الگوریتم های بر مبنای تاوایی پتانسیلی مهارت بیشتری را در نمایش درست هر دو بخش متوازن و نامتوازن نشان می دهند.

گرادیانهای گرانی و استفاده از آنها در تفسیر گرانی هنوز یک مساله مطرح می باشد. محاسبه گرادیانهای گرانی برای داده های نوفه دار کاری مشکل می باشد. یکی از جدیدترین روشها برای تعیین محل آنومالی با استفاده از گرادیانهای گرانی متد سیگنال تحلیلی می باشد. این روش در ابتدا برای داده های در این مقاله از این روش برای تعیین محل بی هنجاری در دو ناحیه مختلف در ایران استفاده شده است.