بررسی تغییرات مکانی فرود مدیترانه

مقدمه

در فصل‌های سرد سال، بادهای غربی باعث به وجود آمدن سه فرود در نیم‌کرۀ شمالی می‌شوند. یکی از این فرودها روی دریای مدیترانه قرار می‌گیرد (هارمان، 1991)^[1] و در ماه ژانویه، از دریای مدیترانه تا عرض‌های جنوبی خلیج فارس کشیده می‌شود و حاکمیت خود را به‌صورت بسیار قوی در ارتفاع حدود 5000 متری از سطح زمین روی ایران حفظ می‌کند (علیجانی، 1376). پاول^[2] (1990) در مطالعه‌ای برای طبقه‌بندی الگوهای چرخشی ماه ژانویه در سطح 500 هکتوپاسکال، مدار 60 تا 90 درجۀ شمالی را برای سال‌های 1946 تا 1989 دردستِ مطالعه قرار داد و سپس با توجیه 85درصد واریانس به‌روش تحلیل مؤلفه‌های اصلی، به 6 مؤلفه رسید و توانست سه فرود را در محدودۀ مطالعه شناسایی کند: 1- فرود روی آمریکا؛ 2- فرود روی ژاپن و اقیانوس آرام؛ 3- فرود روی مدیترانه.

هارمان (1991) اشاره می‌کند که در سطح 500 هکتوپاسکال، یکی از سه فرود بلند بادهای غربی روی مدیترانه قرار می‌گیرد. در مطالعه‌ای روی تراف مدیترانه، پس از مشخص‌کردن محور فرود، این محور در 8 باند طولی خلاصه شد و درصد مختلف بارش برای هر کدام از حالت‌های مختلف، در یک دورۀ 10 ساله محاسبه شد (Jacobit, 2006). رضیتی و همکاران (1389) بر اهمیت این سیستم تأکید می‌کنند که ناوۀ مدیترانه بر اقلیم ایران و تأمین بارش زمستانه، تأثیر بسزایی دارد؛ بنابراین، مشخص است که این سیستم از نظر پژوهشگران مهم بوده است. امروزه با توجه به مباحث تغییر اقلیم و اثرگذاری آن بر پدیده‌های مختلف، پژوهشگران زیادی به مطالعۀ آثار آن بر سیستم‌های جوی در سطوح بالا پرداختند. یکی از این پژوهش‌ها به‌دستِ سیدل و همکاران روی تغییرات ارتفاع تروپوپوز انجام شد که نشان دادند در سه دهۀ گذشته، ارتفاع تروپوپوز افزایش یافته است (Seidel etal, 2001). حسانئان^[3] (2004) نیز در بررسی تغییرات پرفشار جنب حاره با تحلیل طیفی، تنوع سال‌به‌سال و تغییرات ناگهانی، به این نتیجه رسید که پرفشار جنب حاره در 20 سال گذشته تقویت شده است. آرچر و کن^[4]  (2007) نیز مطالعه‌ای بر تغییرات جت استریم انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که جت استریم روی آمریکا در مقیاس دهه‌ای 125 مایل و در مقیاس 22 ساله، 270 مایل جابه‌جا شده است. هو و همکاران^[5] و فو و همکاران^[6] نیز این نتایج را تأیید کردند. سوکارنی میترو^[7] (2010) هم مطالعۀ دیگری روی تغییرات پرفشار جنب حاره انجام داد. او نیز وجود تغییرات در نقطۀ مرکزی پرفشار جنب حاره را تأیید کرده است. نتایج دیگری را فرانسیس (2013)^[8] دربارۀ آثار تغییر اقلیم در سطوح بالا به دست آورده است. وی در بررسی علت طوفان‌های شدید آمریکا در چندین سال گذشته، تغییر اقلیم در سطوح بالای جو را قبول می‌کند. در گذشته نیز، پژوهش‌های بسیاری بر سیستم‌های مختلف جوی با هدف مشخص‌کردن آثار تغییر اقلیم در سطوح بالا انجام شده است و به نظر می‌رسد بیشتر پژوهشگران، پیگیر تأثیرات تغییر اقلیم تا سطوح بالا هستند. از آنجایی که فرود مدیترانه یکی از سیستم‌های مهم است، یکی از پژوهشگران روی این سیستم مطالعه‌ای انجام داده است. وی با استفاده از تحلیل مؤلفه‌های اصلی و خوشه‌بندی به‌روش ادغام، وارد تغییرات الگوی بادهای غربی در منطقۀ مدیترانه شده و سطح 500 هکتوپاسکال را شناسایی کرده است. نتایج پژوهش نشان داد تغییرات زمانی ناوۀ مدیترانه به‌صورت تصادفی است و جابه‌جایی مکانی آن بسیار کند است (alijani, 2002). اما به‌دلیل استفاده از میانگین ماهانه در این مطالعه، گمان می‌شود آثار تغییر اقلیم نتوانسته خود را به‌طور واضح نشان دهد؛ اما می‌توان با پژوهشی بسیار دقیق‌ و با داده‌های روزانه، نتایج به دست آمده از این مطالعه را بازبینی کرد.

روش انجام پژوهش

برای انجام این مطالعه، داده‌های ارتفاع ژئوپتانسیل تراز 500 هکتوپاسکال در محدودۀ مکانی 5/12 تا 70 درجۀ شرقی و 5/12 تا 70 درجۀ شمالی استخراج شد. برای بررسی تغییرات در این پژوهش و جلوگیری از حذف برخی جزییات، از داده‌های ثبت‌شده در ساعت 12 گرینویچ استفاده شد. داده‌ها از اکتبر 1980 تا مارس 2010 از سایت داده‌های محیطی آمریکاNECP/NECR دریافت شد. به‌دلیل بررسی این سیستم در دورۀ سرد سال، از اکتبر هر سال تا مارس سال بعد، به‌عنوان یک دورۀ آماری تعیین شد و بدین روش 30 دورۀ مطالعه‌شده مشخص شد که هر کدام از دوره‌ها دارای 186 روز بود. داده‌های تهیه‌شده، دارای قدرت تفکیک 5/2×5/2 درجه‌ای بودند که منطقۀ دردستِ مطالعه را به 576 نقطۀ ارتفاعی برای هر روز تبدیل کردند. برای کم‌کردن حجم داده‌ها و به دست آوردن الگوی هر سال، از حالت T تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA) استفاده شد. ماتریس حاصل شامل 576 سطر و 186 ستون برای هر سال آماری است.

فرایند تحلیل مؤلفه‌های ‌اصلی روی ماتریس انجام گرفت و سپس عامل‌ها با استفاده از چرخش و ریمکس چرخانده شدند. نتایج اینگونه بود که در سال‌های مختلفْ 6 تا 9 مؤلفه، توانستند 96 تا 97 درصد واریانس داده‌ها را تفسیر کنند. برای انتخاب مهم‌ترین مؤلفه‌ها، اصل تبیین بیش از یک درصد (ملاک کایزر) پذیرفته شد. بر این اساس، برای تحلیل‌های بعدی، تنها مؤلفه‌هایی نگاه داشته شد که بیش از یک‌درصد واریانس را تبیین می‌کردند. برای مشخص‌کردن روزهای تشکیل‌دهندۀ هر عامل، ماتریس بارگویه‌های تحلیل عاملی استفاده شد و روزها در عاملی قرار گرفتند که بیشترین همبستگی را در آن داشتند؛ عامل‌هایی که کمتر از 10 روز را به خود اختصاص داده بودند، حذف شدند و برای هر سال فقط دو عامل اول باقی ماندند. نقشه‌های میانگین دو عامل باقی‌مانده تهیه شد؛ سپس مشخص شد که عامل دوم مربوط به پدیدۀ انسداد جوی است و فقط عامل اول وضعیت جو را در حالت فرود مدیترانه نشان می‌دهد. پس از ترسیم نقشه‌ها و رسم خطوط منحنی میزان، داده‌ها به‌صورت نقشه‌های بصری در آمدند. برای تعیین محل دقیق محور فرود مدیترانه، هر کدام از منحنی‌ها از ماهیت خطی به ماهیت نقطه‌ای تبدیل شدند. سپس طول و عرض جغرافیایی هر نقطه به آن داده شد و با مرتب‌کردن مختصات طولی هر نقطه از کوچک به بزرگ، پایین‌ترین نقطۀ هر منحنی مشخص شد (شکل 1) و با متصل‌کردن پایین‌ترین نقاط هر منحنی به همدیگر، محور فرود به‌صورت یک خط به دست آمد.

شکل 1. نمونه‌ای از روش شناسایی محور ناوه

این عملیات بر الگوهای سی دورۀ دردستِ مطالعه اجرا شد. برای مشخص‌کردن تغییرات این محور در عرض‌های مختلف، مدارهای 20 ،40 و 60 درجه روی نقشه رسم شد و محل برخورد محور فرود با هر کدام از این مدارها مشخص شد و طول و عرض دقیق محل برخورد یاداشت و روی نمودار رسم شد. نمودار خطی و رگرسیون خطی برای هر سه مدار و میانگین سه مدار برای دورۀ سی‌ساله تهیه شد. داده‌های ارتفاع ژئوپتانسیل 20 درجۀ غربی تا 20 درجۀ شرقی و 0 تا 50 درجۀ شمالی نیز از مرکز داده‌های محیطی آمریکا استخراج شد و نقشه‌های الگوی اول در این محدودۀ مکانی رسم شد. سپس مکان پرفشار جنب ‌حاره در سه بُعد طولی، عرضی و ارتفاعی، در هر کدام از الگوها مشخص شد. نتایج حاصل، در سه ستون جداگانه ذخیره شد و سپس نمودار خطی و رگرسیون خطی هر کدام رسم شد. بدین وسیله تغییرات مکانی پرفشار جنب حاره نیز مانند محور فرود مدیترانه روی نمودار نشان داده شد و نمودار حاصل از این فعل و انفعالات برای دریافت نتایج آماده شد. برای مشخص‌شدن الگوی کلی ناوه در طول دوره، عامل‌های اول حاصل از تحلیل مؤلفه‌های اصلی برای 30 سالِ دردست مطالعه، خوشه‌‌بندی شد.

یافته‌ها

در این پژوهش برای بررسی تغییرات فرود مدیترانه در دورۀ سی ‌ساله، داده‌های ارتفاع 500 هکتوپاسکال برای مختصات 5/12 تا 70 شمالی و 5/12 تا 70 شرقی برای دورۀ 1980 تا 2010 دریافت شد. با استفاده از تحلیل مؤلفه‌های ‌اصلی، الگوهای هر سال و محل محور فرود مدیترانه برای هر سال مشخص شد و سپس محل برخورد محور فرود با سه مدار20، 40 و 60 درجه برای 30 سال تعیین و روی نمودار برده شد. پس از رسم رگرسیون و نمودار، مشخص شد محل ناوه در سال اول به‌طور میانگین روی نصف‌النهار
37 درجه قرار داشته است و در سال آخر، روی نصف‌النهار 28 درجۀ شرقی قرار گرفته است.

شکل 2. تغییرات ناوۀ مدیترانه به‌صورت میانگین سه مدار 20 و 40 و60 درجه

به‌طور میانگین، فرود مدیترانه معادل 9 درجه به‌سمت غرب حرکت کرده است (شکل 2). در این نمودار فرود از طول تقریبی 38 درجه، به سمت طول 29 جابه‌جا شده‌ که نشان از حرکت به‌طرف غرب بوده است. وضعیت اوج در نمودار که محور تراف را در شرق منطقه نشان می‌دهد، حاکی از گسترش منطقۀ چرخندگی منفی موج بادهای غربی، در منطقۀ دردستِ مطالعه و شکل‌گیری یک فراز به جای فرود روی دریای مدیترانه است. به‌نوعی می‌توان گفت که فراز به جای فرود در منطقه قرار گرفته است و پژوهشگران از آن با نام عوض‌شدن جای فرود و فراز نیز یاد می‌کنند. این اتفاق، در دهۀ اول به تعداد بیشتری رخ داده است (1980، 1986، 1989)؛ اما با حرکت به جلو دچار سیر نزولی شده است، به‌طوری که در دهۀ دوم، 2 بار در سال‌های 1996 و 1999 و در دهۀ سوم 1 بار در سال 2004 رخ داده است. اما وضعیت نقاط افت نمودار (وضعیت طبیعی و قرارگیری تراف روی منطقه دردستِ مطالعه و گسترش منطقۀ چرخندگی مثبت) که محور تراف را در غرب منطقۀ مطالعه‌شده نشان می‌دهد، از دهۀ اول به سوم رو به افزایش بوده است؛ در دهۀ اول رخ نداده، در دهۀ دوم 2 بار (1990 و 1998) و در دهۀ سوم نیز 2 بار که در سال‌های 2003 و 2007 اتفاق افتاده است.

شکل 3. تغییرات ناوۀ مدیترانه در مدار 20 درجۀ شمالی

مقدار تغییرات حاصل در این پژوهش، در مدار
20 درجه بسیار کم و کمتر از 1 درجه است (شکل 3) و محور تراف در عرض‌های نزدیک به استوا در وضعیتی به‌نسبت ثابت قرار داشته است. گسترش منطقۀ چرخندگی منفی (عوض شدن فرود و فراز) در این قسمت، فقط 1 بار به‌صورت شدید در سال 1985 رخ داده است. کاهش نوسان در نمودار، رفتار مشخصی است که در این قسمت از تراف نمود پیدا کرده و تراف در دهۀ سوم از نوسان 10 درجه‌ای در عرض جغرافیایی، فراتر نرفته است؛ اما این مقدار در دهۀ دوم 20 درجه و در دهۀ اول 40 درجه بوده، که نشان از منظم‌ترشدن رفتار تراف در این قسمت از منطقۀ دردست مطالعه است.

شکل 4. تغییرات ناوۀ مدیترانه در مدار 40 درجۀ شمالی

در این مدار جغرافیایی، مقدار تغییرات تراف مدیترانه، بین مقدار تغییرات در مدار 20 و 60 درجه بوده است (شکل 4). این قسمت ناهنجاری شدیدتری نسبت به مدار 20 درجه داشته و بیشتر به نمودار میانگین نزدیک است. تعداد سال‌های تسلط چرخندگی منفی و فراز در منطقه، در دهۀ سوم 1 بار رخ داده است؛ هنگامی که محور تراف حوالی نصف‌النهار 48 درجه قرار گرفته است و قسمت بیشتر منطقۀ مطالعه‌شده از 5/12 تا 60 درجۀ شرقی، زیر نفوذ فراز بادهای غربی قرار گرفته است؛ در دهۀ دوم 3 بار این اتفاق افتاده است. در سال 1996 در شدیدترین وضعیت محور تراف تا 60 درجۀ شرقی پیش‌روی کرده است و تمام منطقه، زیر نفوذ فراز و منطقۀ چرخندگی منفی بادهای غربی قرار گرفته است. در دهۀ اول نیز این وضعیت 4 بار تکرار شد. شدیدترین حالت در سال 1986 بود و محور تراف تا 60 درجۀ شرقی حرکت کرد. در نتیجه، تعداد سال‌هایی که محور تراف در شرق منطقه قرار داشته است، کاهش و سال‌هایی که محور در غرب قرار گرفته، افزایش یافته است.

شکل 5. تغییرات ناوۀ مدیترانه در مدار 60 درجۀ شمالی

مقدار تغییرات در مدار60 درجه (شکل 5)،
14 درجه به ثبت رسیده است. در این قسمت تراف تا حوالی 70 درجۀ شرقی حرکت کرده و فراز روی مدیترانه قرار گرفته است. تعداد این وضعیت در دهۀ اول 3 بار، در دهۀ دوم 2 بار و در دهۀ سوم 1 بار بوده است. تعداد این اتفاق مانند نمودار، 40 درجه و میانگین، رو به کاهش بوده و مقدار تغییرات ثبت‌شده در این بخش بیشتر از سایر قسمت‌ها بوده است. نمودار نشان می‌دهد که به‌طور میانگین در بیشتر سال‌ها محور ناوه، حوالی نصف‌النهار30 درجۀ شرقی قرار داشته است.

برای مقایسه و بررسی الگوهای هر سال، با استفاده از خوشه‌بندی، در سی سال دردستِ مطالعه، سه الگو در منطقه شناسایی شد.

الگوی اول: (شکل 6 الف) یک مرکز پرفشار به‌صورت مانع در نصف‌النهار 5/12 تا 25 درجۀ شرقی، بادهای غربی را به دو شاخه تبدیل کرده است. نیمۀ شمالی منطقه، تحت تسلط فراز و چرخندگی منفی و وضعیت نزول و پایداری قرار گرفته و در نیمۀ جنوبی، وضعیت بیشتر به وزش مداری نزدیک است و موج‌های ضعیفی در 15 تا 25 درجۀ شمالی ایجاد شده است. نقاط اوج و قله‌ها در نمودار میانگین 20 ، 40 و60 درجه روند این الگو را نشان می‌دهند. تغییرات زمانی این الگو، روند کاهشی داشته است؛ به‌طوری که در دهۀ اول 4 سال
(1983- 1986- 1987- 1989) دهۀ دوم 2 سال (1996- 1999) و دهۀ سوم 1 سال (2004) اتفاق افتاده است و فرود حاصل از آن روی نصف‌النهار 50 تا 60 درجۀ شرقی قرار گرفته است. در عرض‌های شمالی‌تر، محور ناوۀ حاصل، تا 70 درجۀ شرقی نیز رسیده و چون تکرار این الگو روند کاهشی داشته، نمودار میانگین دورشدن از نصف‌النهار 60 درجه شرقی را نشان داده است.

شکل 6 الف. الگوی اول ناوه                                          شکل 6 ب. الگوی دوم ناوه

الگوی دوم: (شکل 6 ب) مرکز پرفشار مانع در نصف‌النهار 45 تا 65 درجه تشکیل شده است و بادهای غربی در این محل دو شاخه شده‌اند. نقاط افت در نمودارهای تغییرات، نشان از رویداد این الگو است. محور تراف در غرب منطقه قرار گرفته است و شرایط وزش چرخندگی مثبت و صعود هوا و ایجاد ناپایداری را ایجاد کرده است. نیمۀ جنوبی به وزش مداری نزدیک است و محور فرود روی نصف‌النهار 20 تا 35 درجۀ شرقی قرار گرفته است. تغییرات زمانی این الگو دارای روند افزایشی بوده است و در دهۀ اول 5 سال (1981- 1982- 1984- 1985- 1988)، در دهۀ دوم 6 سال (1991- 1993- 1994- 1995- 1997- 1998) و در دهۀ سوم 8 سال (2000- 2001- 2002- 2003- 2005- 2006- 2007- 2008) اتفاق افتاده است و چون محور ناوه در این الگو روی نصف‌النهار 25 تا 32 درجه قرار گرفته و تکرار آن افزایش یافته است، نمودار میانگین نیز محل محور ناوه را در حال حرکت به‌سمت غرب و نصف‌النهار 30 درجه نشان داده است.

الگوی سوم: (شکل 6 ج) سیستم مانع یادشده در منطقه نبوده است و بادهای غربی بیشتر به‌حالت وزش مداری نزدیک بوده‌اند و ناوۀ کم‌عمق ضعیف روی نصف‌النهار 40 تا 60 درجۀ شرقی و 15 تا 25 شمالی قرار داشته است و موج‌های ضعیفی در عرض‌های 15 تا 25 درجۀ شمالی تشکیل شده است؛ اما وضعیت حاکم منطقه بیشتر منطبق با وزش مداری بوده است. تغییرات زمانی این الگو روند مشخصی نداشته و در دهۀ اول 1 بار (سال1980)، دهۀ دوم 2 بار (سال‌های 1990 -1992) و دهۀ سوم 1 بار (سال 2009) اتفاق افتاده است و در وضعیت نمودار میانگین، تأثیر زیادی نداشته است.

شکل 6 ج. الگوی سوم ناوه

پس از بررسی پرفشار جنب حاره آزور، مشخص شد که نقطۀ مرکزی آن از نظر مکانی 1 درجه به‌سمت غرب (شکل 7) و 2 درجه به سمت شمال (شکل 8) و 14 متر (شکل 9) افزایش ارتفاع داشته است.

شکل 7. تغییرات طولی پرفشار جنب حاره

این نمودار (شکل 7)، تغییرات طولی مرکز پرفشار جنب حاره را نشان می‌دهد که در بیشتر سال‌ها در 5 تا 10 درجۀ غربی بوده است. در سال‌های 1989 و 2002 توانسته تا قسمت‌های غربی‌تر و حوالی 5 درجۀ شرقی ظاهر شود و در سال‌های 1983- 2000- 2003- 2007 بیشتر به‌سمت 20 درجۀ غربی متمایل بوده است. این مرکز در سه دهۀ دردستِ مطالعه تغییراتی را از خود نشان داده است، به طوری که در دهۀ اول بین 20 درجۀ غربی تا 3 درجۀ غربی، (که معادل 17 درجه است) نوسان داشته است؛ اما در دهۀ دوم این مقدار افزایش یافته و در دهۀ سوم این افزایش شدیدتر شده است و مرکز پرفشار بین 18 درجۀ غربی تا 7 درجۀ شرقی در نوسان بوده است.

شکل 8. تغییرات عرضی پرفشار جنب حاره

مقدار تغییرات مداری مرکز پرفشار جنب‌ حاره، حرکت این مرکز به‌سمت عرض‌های بالاتر را نشان می‌دهد (شکل 8) که نوسان آن بین عرض 8 تا 14 درجۀ شمالی بوده است. این مرکز گرچه به‌طور میانگین به‌سمت عرض‌های شمالی‌تر حرکت کرده، اما بسیار منظم بوده است و تغییرات بسیار شدیدی نداشته و نوسان آن در مقیاس 10 ساله منظم بوده است. در دهۀ اول بین 9 تا 13 درجۀ شمالی و در دهۀ سوم بین 11 تا 15 درجۀ شمالی قرار داشته است و تقریباً در
4 درجۀ عرض جغرافیایی حرکت کرده است.

شکل 9. تغییرات ارتفاعی مرکز پرفشار جنب حاره