فهرست مطالب:

چکیده فارسی……………………………….. n

 تشکر…………………………………n

 تقدیم………………………………… n

 فهرست مطالب…………………………..الف

 فهرست شکل ها……………………………….. ح

 فهرست جدول ها……………………………….. د

1-1. بیان مسأله………………………………… 2

n توده هوای عموما گرم وخشک ناشی از پرفشاره جنب حاره……………… 2

 nتوده های هوای سرد و خشک ناشی از پرفشار سیبری………………..  2

n توده های هوای اقیانوسی مدیترانه ای ناشی از ورود بادهای غربی……..2

n توده هوای نسبتا گرم و مرطوب ناشی از ورود زبانه های کم فشار سودانی…..3

1-1-1. اهمیت سرماهای بحرانی از نظر محققان………………………… 3

n به لحاظ مفهومی…………………………………. 3

n به لحاظ کمی…………………………………. 3

n به لحاظ پیامدها و زیان ها……………………………….. 4

1-1-2. اهداف تحقیق…………………………………. 5

1-2. پیشینه تحقیق…………………………………. 5

n تحقیقات مربوط به شرایط و چگونگی تشکیل پرفشار سیبری ……….. 6

n تحقیقات مربوط به روابط پویشی پرفشار سیبری با دیگر سامانه های دور در قالب پیوند از دور….6

n تحقیقات مربوط به قلمرو گسترش زبانه های هوای سرد پرفشار سیبری………7

n تحقیقات مربوط به شرایط زمانی و مکانی پرفشار سیبری در سرزمین ایران……8

2-1. بنیادهای پژوهش…………………………………… 10

2-1-1.  هوا ………………………………..10

2-1-2. آب وهوا……………………………….. 11

2-1-3. دما………………………………..11

2-1-4. تغییرات دمایی…………………………………. 11

2-1-5. آستانه………………………………… 12

2-1-6.  حداکثر دمای روزانه………………………………… 12

2-1-7.  حداقل دمای روزانه………………………………… 12

2-1-8.  روز سرد………………………………… 12

2-1-9. دمای بحرانی…………………………………. 12

2-1-10. وزش هوا……………………………….. 12

2-1-11. فرارفت هوای سرد………………………………… 12

2-1-12. فشار……………………………….. 13

2-1-13.  شیب تغییرات فشار………………………………..13

2-1-14.  توده های هوا ………………………………..13

2-1-15.  مفهوم همدید………………………………… 13

2-1-16.  نقشه های هوا……………………………….. 13

2-1-17. ایستگاه همدید………………………………… 14

2-1-18. آب و هواشناسی همدید………………………………… 14

2-1-19. ناوه (زبانه کم فشار) ………………………………..14

2-1-20. پشته (زبانه پرفشار)……………………………….. 15

2-1-21. پرفشارها (آنتی سیکلون)……………………………….. 15

2-1-22. پرفشارهای گرمایی………………………………… 15

2-1-23. پرفشار های پویشی…………………………………. 16

2-1-24. نقشه سطح متوسط دریا……………………………….. 16

2-1-25. نقشه های ترازهای بالای جو………………………………… 16

2-1-26. نقشه های هم ارتفاع ژئوپتانسیل………………………….. 16

2-1-27. پرفشار سیبری…………………………………. 17

2-1-28. عامل اصلی تشکیل پرفشار سیبری……………………….. 18

2-1-29. گسترش پرفشار سیبری روی ایران……………………….. 19

2-1-30. پرفشار جنب حاره……………………………….. 19

2-1-31. بادهای غربی…………………………………. 19

2-1-32. کم فشار سودان…………………………………. 19

2-1-33. واچرخند عربستان…………………………………. 20

2-2. سرزمین پژوهش…………………………………… 20

2-2-1. سیمای طبیعی ایران مرکزی…………………………………. 20

2-2-2. پهنه های آبی اثر گذار بر ایران مرکزی………………………. 22

< دریای مدیترانه………………………………… 22

<دریای سرخ و خلیج عدن…………………………………. 22

<دریای سیاه ………………………………..22

2-2-3. پراکنش دما ………………………………..23

2-2-4. میانگین دمای ماهانه………………………………… 24

2-2-5. دمای بیشینه مطلق ماهانه………………………………..25

2-2-6. دمای کمینه مطلق ماهانه………………………………… 26

2-2-7. بارش سالانه……………………………….. 27

 

 

2-2-8. میانگین ماهانه بارش………………………………….. 28

2-2-9. پراکنش فشار……………………………….. 30

2-2-10. میانگین ماهانه سمت و سرعت باد غالب در هشت ایستگاه نمونه……32

3-1.  پرسش‌های پژوهش…………………………………… 36

3-2. فرضیات پژوهش………………………………….. 36

3-3. گزینش سرزمین پژوهش و ایستگاه های داده سنجی  ………..36

3-4. منابع داده ها……………………………….. 38

3-5. تعیین ویژگی های عمومی آب‌وهوایی سرزمین پژوهش………. 38

3-6. مراحل شناسایی و استخراج موج های سرما………………… 39

3-7. معیار تعیین موج های سرما……………………………….. 42

3-8. معیار تعیین موج سرمای بحرانی…………………………………. 42

3-9. معیار تعیین روز اوج سرمای بحرانی…………………………………. 42

3-10. مراحل آزمون فرضیه نخست تحقیق………………………………. 43

3-10-1. تهیه داده های ترازی…………………………………. 43

3-10-2. تبدیل داده های فشرده به متن…………………………………. 43

3-9-3. تعیین محدوده طراحی الگوهای همدید…………………………… 43

3-10-4. تبدیل داده های رقومی به نقشه………………………………… 44

3-10-5. ترسیم نقشه های ارتفاعی………………………………… 45

3-10-6. تعیین بیرونی ترین پربند بسته برای هر سرما……………… 46

3-10-7. تعیین پربند پشتیبان پرارتفاع سیبری………………………. 47

3-11. مراحل آزمون فرضیه دوم………………………………… 47

3-11-1. رسم نقشه های بردار باد………………………………… 47

3-11-2. رسم نقشه های خطوط جریان باد……………………….. 48

3-11-3. رسم نقشه های دما ………………………………..48

3-11-4. کمی کردن نقشه های بردار باد………………………………… 48

3-11-5. اسکریپت نویسی میانگین بردارهای باد………………………. 48

3-11-6. اسکریپت نویسی تعیین جهت و سمت غالب بردارهای باد…… 49

3-11-7.  فراخوانی اسکریپت dat.gs به محیط  GrADS………………..

3-11-8. کارتوگرافی و تکنیک رسم نقشه ها …………………………52

4-1. تحلیل آماری 47 موج سرماهای بحرانی………………………………..  53

4-1-1. سه ویژگی سرماهای بحرانی…………………………………. 55

<دوام………………………………… 55

………………………………..

<گسترش مکانی…………………………………. 56

4-1-2. نتایج آماری سرماهای بحرانی ایران مرکزی……………… 57

4-2. نتایج همدید سرماهای بحرانی ایران مرکزی………………….. 58

4-2-1. نقش پرفشار سیبری در سرماهای بحرانی ایران مرکزی……..58

<تراز دریا ………………………………..65

<تراز 1000 ه.پ………………………………….. 67

<ترازهای 750 و 500 ه.پ………………………………….. 69

<تحلیل موقعیت پربند پشتیبان…………………………………. 73

<تحلیل الگوهای  همدید- تراز 1000 ه.پ………………………………….. 74

<تحلیل الگوهای همدید- تراز 750 ه.پ………………………………….. 75

<تحلیل الگوهای همدید- تراز 500 ه.پ………………………………….. 76

4-2-2. نقش فرارفت های شرقی در سرماهای بحرانی ایران مرکزی…………77

<سمت باد، دما و خطوط جریان در ترازهای بالا………………………………… 77

<تحلیل سرعت و سمت میانگین باد………………………………..87

تحلیل الگوهای بردار باد در تراز 1000 ه.پ………………………………….. 88

5-1. آزمون فرض…………………………………… 90

5-2. نتیجه گیری…………………………………. 91

5-3. پیشنهادها……………………………….. 92

5-4. تنگناهای تحقیق…………………………………. 92

<سرچشمه ها……………………………….. 93

<چکیده لاتین…………………………………. 97

چکیده:

خسارات ناشی از دما های سرد بحرانی بویژه در اکوسیستم های طبیعی و مناطق پرجمعیت شهری در حال افزایش است. ایران مرکزی سرزمینی خشک و مستعد رخداد سرما بویژه طی زمستان است و فاقد منابع تعدیل کننده تنش های دما مانند منابع آب و پوشش گیاهی انبوه است. در تحقیق حاضر برای تعیین امواج سرمای ایران مرکزی، داده های دمای بیشینه روزانه مربوط به مجموع هشت شهر شامل شاهرود، تهران، سمنان، کاشان، اصفهان، یزد، کرمان و بم تهیه و دماهای صفر و زیرصفر آنها به عنوان امواج سرما استخراج شد. بر این اساس، تعداد 47 موج سرما در بازه آماری (1980-2012) شناسایی شد و در دومین مرحله بر پایه 2 معیار زمانی و مکانی یعنی به ترتیب دو روز دوام و درگیری دو ایستگاه و بیشتر، 17 مورد سرمای بحرانی تعیین شد. گشایش پرونده های داده های ترازی هوا تهیه شده از بایگانی NCEP/NCAR، تبدیل آنها به پوشه های متنی طی تاریخ های سرماهای بحرانی و رسم نقشه های هوای روزانه و ترکیبی با بهره گرفتن از نرم افزار Surfer سه مرحله از کار بود که به طراحی الگوهای همدید برای تعیین تراز و سمت غالب فرارفت هوای سرد سیبری انجامید. نتایج نشان داد که فرارفت سرما بسوی ایران مرکزی طی 70 درصد مواقع در پایین ترین ترازها (ترازهای دریا و 1000 هکتوپاسکال) و در قالب زبانه های پرفشار سیبری رخ داده است و تنها در 12 درصد اثر پرفشار ارتفاعی تبت و 17 درصد اثر پرفشارهای سرد مهاجر (غربی) آشکار شد.

تحلیل الگوهای های بردار باد و دما در تراز 1000 ه. پ برای  آزمون سمت فرارفت هوای سرد طی روزهای رخداد سرماهای بحرانی نشان داد که بردارهای باد در 70 درصد مواقع (12 مورد از 17 مورد)، از سمت جنوب شرق به عنوان دنباله بادهای شرقی از روی افغانستان و پاکستان و گاهی هم از سمت شمال شرق و شرق بر گستره ایران مرکزی راه یافته اند.

فصل اول: سرآغاز

تغییر در بسامد بلایای آب و هوایی مانند موج های سرما یکی از مهمترین جنبه های تغییر آب و هوا است (کنکال و همکاران؛ 1999). همه ساله افراد زیادی با گسترش و وقوع موج های گرم و یا بوران های سرمایی هلاک می شوند (علیجانی،1390). در این میان دماهای بسیار سرد به عنوان خطر یا بحران برای انسان تعریف شده اند. اساسا عنصر دما از دیرباز مورد توجه آب وهواشناسان بوده (عساکره؛ 1388)، تغییرات کوتاه مدت و درازمدت آن می ­تواند ساختار آب و هوای هر محل را دگرگون سازد.

بر اساس گزارش هیأت بین الدول آب وهوا  (IPPC. 2001)دمای سطح کره زمین در فاصله زمانی 1861-2001 میلادی حدود 0.6 درجه سانتی گراد افزایش یافته است. این درحالی است که رفتار فراسنج دمای حداقل و حداکثر با یکدیگر متفاوت بوده، دمای حداقل به طور آشکاری نرخ افزایشی داشته است. با وجود افزایش دمای حداکثر، نرخ آن از نرخ دمای حداقل کمتر بوده است (کارل و همکاران،1993).

از این رو بنا به قول شعبانی و همکاران (1392: 896)، مدلسازی متغیرهای حدی دمای هوا و پیش بینی دماهای حداکثر و حداقل به عنوان یکی از مهمترین پارامترهای آب وهوای با توجه به تغییرات آب وهوایی، گرمایش جهانی و خشکسالی­ها، قطعاً فرصت بیشتری را جهت برنامه ریزی و ارائه تمهیدات لازم به خصوص در آب و هواهای خشک و نیمه خشک در اختیار برنامه ریزان قرار می دهد.

1-1- بیان مسأله

ایران به دلیل گستردگی زیاد در طول و عرض جغرافیایی، پیچیدگی در پیکربندی ناهمواری ها و یورش توده های هوا با خاستگاه های گوناگون، از نظر دمایی شرایط ویژه ای دارد. تکرار توده های هوایی که به وسیله سامانه های چرخندی و واچرخندی و یا گسترش زبانه های آنها به ایران می رسند و شرایط رطوبتی و دمایی هوای روزمره را تعیین می کنند؛ در درازمدت، شرایط آب و هوایی ایران را به وجود می آورد (علیجانی،1383: 37).

سرزمین ما به دلیل  شرایط جغرافیایی خاص، یعنی موقعیت آن در رابطه با گردش عمومی جو و قرار گرفتن آن در عرضهای جغرافیایی میانه، در فصول مختلف سال تحت تاثیر آنتی سیکلونهایی با منشاهای مختلف و خصوصیات فیزیکی گوناگون قرار می گیرد، از جمله این آنتی سیکلون ها، پرفشار سیبری است که مهم ترین مرکز کنش جوی اوراسیا طی زمستان است و اثر محسوسی بر آب وهوای ایران دارد (لشکری 1375: 4).

از جمله سامانه های موثر بر توده هوای وارد شونده به سرزمین ایران می توان به موارد زیر اشاره کرد؛

 توده هوای عموما گرم و خشک ناشی از پرفشاره جنب حاره: پرفشاره جنب حاره، سامانه پویشی (دینامیکی) بزرگی در مقیاس سیاره ای است که کانونی روی اقیانوس اتلس شمالی دارد. در دوره گرم سال زبانه ای از پرفشار جنب حاره روی ایران است. قلمرو این زبانه از تراز 700 تا 1000 ه.پ گسترش دارد و سبب حاکمیت هوایی گرم و خشک بر بخش بزرگی از ایران (شبانکار و جلبیان، 1389: ص 48)، بویژه در سرزمین های دور از ساحل می شود.  با حرکت پرفشارجنب حاره و رودباد همراه با آن به عرض های پایین تر، از ماه دسامبر و ورود بادهای غربی به ایران در دوره سرد سال (امام هادی، 1383: 36) می توان شاهد ورود توده های هوایی دیگری بود.

n توده های هوای سرد و خشک ناشی از پرفشار سیبری: پرفشار سیبری از میانه ی مهر تا میانه ی فروردین بر آسیا حاکم است. این سامانه نقش دمایی مهمی در ایران بازی می کند و چنانکه پیش از این براتی و علیجانی (1378: 55)، تحقیق کرده اند، طی فصل بهار زبانه های سرمای آن از شمال شمال شرق و گاهی شمال غرب به ایران نفوذ می کنند. مسعودیان (1386: 22) نیز به گسترش این هوای بسیار سرد و خشک بر بخش هایی از کشور اشاره دارد.

n توده های هوای اقیانوسی مدیترانه ای ناشی از ورود بادهای غربی: دریای مدیترانه در مسیر بادهای غربی قرار دارد و اثرات آن از طریق این باد ها به ایران گسترش می یابد. در دورۀ سرد سال بر اثر استقرار فرود بلند مدیترانه، سامانه های غربی فشار هوا اعم از موج های سطح بالا و چرخندهای روی زمین به طرف ایران می آیند. از این رو رطوبت بارندگی ها در دورۀ سرد سال به وسیلۀ سامانه های مهاجر دریای مدیترانه تأمین می شود (علیجانی؛1391).

n  توده هوای نسبتا گرم و مرطوب ناشی از ورود زبانه های کم فشار سودانی: کم فشار سودانی که در شمال آفریقا تشکیل می شود و در فصل تابستان به صورت یک کم فشار حرارتی عمل می کند و در زمستان رفتار پویشی دارد .هر گاه کم فشار سودانی و مدیترانه ای با هم مرتبط شوند، ناوۀ عمیق در شرق مدیترانه به وجود  می آید و موجب ورود توده های نسبتاً گرم و مرطوب و بارش های سنگین در اغلب نقاط ایران می شود (جوانمرد و همکاران،1382).

1-1-1- اهمیت سرماهای بحرانی از نظر محققان

دما از مهمترین عناصر آب وهوایی است و تغییرات ناگهانی آن به ویژه افت دما به مقادیر زیر صفر درجه، منشأ بسیاری از تحولات فیزیکی، شیمیایی و زیست محیطی است. به همین دلیل، بررسی روند دما در مقیاس های مختلف زمانی و مکانی مورد توجه محققان بوده، بخش بزرگی از ادبیات آب وهوا شناسی را به خود اختصاص داده است. در این مجال به بیان اهمیت موضوع دماهای بحرانی سرد از سه جهت می پردازیم:

– به لحاظ مفهومی:

هن و همکاران (2009)، در تحقیق خود یک موج سرد را  با عنوان یک کاهش دمای سریع و غیرمتعارف برای یک دوره کوتاه مدت 24 ساعته روزانه تعریف کرده اند البته نه سرد مطلق بلکه سردی نسبی معادل انکه انسان کاهش درجه حرارت را احساس کند.

مشکلاتی که هر ساله دماهای بحرانی سرد در مناطق مختلف جغرافیایی و بخصوص منطقه ایران مرکزی به وجود می آورند باعث شده که موضوع مطالعه این دماها اهمیت علمی و کاربردی پیدا کرده، اثرات مختلف این دماها بررسی شود. این اثرات از جمله شامل ترکیدن لوله های آب، دیواره استخرها و حوض ها، بروز بیماری های واگیردار زمستانی مانند سرماخوردگی آنفلوانزایی، سارس و آلودگی هوا و مصرف زیاده از حد سوخت، مرگ و میر حیوانات وحشی و هجوم آنها به مراکز زیست انسانی، وقوع اینورژن های حرارتی و تشعشعی است (قویدل رحیمی و خوشحال دستجردی، 1389: 180). 

– به لحاظ کمی: گاوس و همکاران (2014)، اندازه گیری هوای سرد بحرانی را از طریق شاخص های مختلف آب و هوایی از جمله آستانه های بحرانی (دمای زیر 15- درجه)، سرمازدگی (تعداد روزهایی که دمای حداقل زیر صفر باشد)، یخبندان (تعداد روزهایی که دمای حداکثر روزانه زیر صفر درجه باشد) و شاخص مدت زمان دوام سرما (مثلاً، شش روز متوالی دمای حداکثر روزانه پایین تر از صدک دهم باشد) می داند.

– به لحاظ پیامدها و زیان ها:

بسیاری از بحران های ایجاد شده به طور کلی خطر نامیده می شوند و بیشتر از شرایط آب و هوای نشأت می گیرند (علیجانی،1390). مشکلاتی که هر ساله دماهای بحرانی سرد در مناطق مختلف جغرافیایی و بخصوص منطقه ایران مرکزی به وجود می آورند باعث شده که موضوع مطالعه این دماها اهمیت علمی و کاربردی پیدا کند. اثرات مختلف این دماها، در مواقع افت قابل بحث است مانند مسایلی که برای جوامع به وجود می آورد (مثل ترکیدن لوله های آب، دیواره استخرها و حوض ها، بروز بیماری های واگیردار زمستانی مانند سرماخوردگی آنفلوانزایی، سارس، آلودگی هوا با مصرف زیاده از حد سوخت، مرگ و میر حیوانات وحشی و هجوم آنها به مراکز زیست انسانی، وقوع اینورژن های حرارتی و تشعشعی مورد بررسی قرار داده شود (قویدل رحیمی و خوشحال دستجردی، 1389: 180).

       از نمونه این خسارات می توان به وقوع موج سرمای دی ماه 1386 اشاره کرد که همه ایران را در بر گرفت و به تبع آن استان های مورد پژوهش این تحقیق نیز طی چندین روز متوالی از 15 تا 20 دی 1386 شاهد دمای شدید سرد و یخبندان بودند. از خسارات این سرما می توان به تعطیلی تمام مقاطع تحصیلی و دانشگاه های استانهای تهران، سمنان و یزد به مدت دو روز، قطع و افت فشار گاز در اغلب شهرهای تهران، شاهرود، کاشان، یزد و کرمان، لغو اکثر پروازهای مسافرتی بعلت برودت و سردی هوا اشاره کرد (سایت خبر گذاری تابناک؛ در تاریخ 16/10/1386) همچنین کاهش دما به زیر صفر درجه در تمام ایستگاه ها، از جمله در استان سمنان کاهش دما تا منفی 13 درجه، شاهرود منفی 12 (سایت خبر گذاری فارس؛ 18/10/1386). اعلام وضعیت حاد برای هشت استان كشور، سرگردانی بیش از سه هزار تن در راه های یزد اشاره کرد . این امواج سرد که با کاهش شدید دما و ریزش برف سنگین (100سانتی متر در اطراف قمصر) همراه بود، باعث مسدود شدن اکثر راه های ارتباطی شهری و روستایی کاشان، تهران به قم و دیگر شهرها شد (سایت سازمان مدیریت بحران کشور؛ در تاریخ 17/10/1386).

       مرتبط با دماهای بحرانی سرد، رزنویک (1996) و ساکاموتو (1997) اشاره می کنند که  قرار گرفتن در معرض دماهای بسیار پایین در فصل سرد سال برای سلامت کودکان، سالمندان، بی خانمان ها و افرادی که بیماریهای تنفسی، قلبی و عروقی دارند، زیان زیادی به همراه دارد. علاوه بر این اگر دماهای سرد همراه با بارش برف باشند می تواند اقتصاد مناطق را بی تحرک کند. این محققان تخمین زده اند که سرماهای شدید در طول مدت ماه های سرد سال منجر به 3 تا 18 درصد از مجموع مرگ و میر در کشورهای توسعه یافته اقتصادی می شود. تخمین زده می شود که مرگ و میر سالانه مربوط به سرمای شدید  ایالات متحده 0.8درصد از متوسط مرگ و میرهای سالانه باشد (دسکینس؛ 2007). کمیسیون اتحادیه اروپا اثر سوانح ناشی از دماهای حدی آب و هوایی را به 5 بخش شامل صدمات در بخش های جنگلداری و کشاورزی، صدمات بوم شناختی، گردشگری، انرژی و بیمه و حفاظت تاسیسات تقسیم کرده اند (هانسون و همکاران؛ 2007). نتایج تحقیقات هان و همکاران (2009) در سئول کره جنوبی نشان داد افراد مسن و افراد مبتلا به بیماریها قلبی و عروقی در معرض دمای منفی 2 درجه سلسیوس دچار مشکلات جسمی جدی و حتی مرگ و میر می شوند. شبیه این نتایج در اسپانیا برای افراد مسن (بالای 70 سال) و مرتبط بیماری های تنگی نفس، قلب و عروق و آنفلونزا و ذات الریه بدست آمد است (کامرون و همکاران؛ 2010).