مطالعه وارونگی تابشی و فرونشینی مشاهداتی در بندرعباس طی دوره آماری ۲۰۲۴-۲۰۰۵

مقدمه وارونگی دما که با افزایش دما با ارتفاع تعریف می شود (Feng et al, ۲۰۲۰)، از مبانی اصلی مطالعات آلودگی هوا است که عامل اصلی افزایش چگالی آلاینده های جوی در کلان شهرها و مناطق صنعتی می باشد (Li et al, ۲۰۲۲). این پدیده که اغلب در وردسپهر پایین عرض های جغرافیایی میانی و بالا رخ می دهد، می تواند انتقال جرم، گرما و رطوبت از لایه های زیرین جو به بالا را مهار کند (Li et al, ۲۰۱۹) و مانند یک درپوش، مانع خروج آلاینده ها از وردسپهر پایین شود (Xu et al, ۲۰۲۱). وارونگی دما ممکن است به دلایل گوناگون، با شدت های متفاوت و در ارتفاع های مختلف از سطح زمین، ایجاد شود. بر اساس نحوه شکل گیری، وارونگی دما به چهار گونه تابشی، فرونشینی، جبهه ای و همرفتی دسته بندی می شوند (Zeng et al, ۲۰۲۲). وارونگی دما بر اساس ارتفاع از سطح زمین نیز به وارونگی زمین پایه و سطوح بالاتر تفکیک شده اند. وارونگی تابشی و وارونگی فرارفتی یا دینامیکی (شامل جبهه ای، سطحی و کوهدشت) در دسته وارونگی زمین پایه قرار دارند. وارونگی حرارتی و وارونگی مکانیکی (شامل انواع وارونگی که با فرونشینی هوا، تلاطم و همرفت تشکیل می شود) نیز در دسته وارونگی زبرین جای داده شده اند. وارونگی حرارتی در ارتفاع ۱۵ تا ۳۵ کیلومتری در پوشن سپهر در اثر جذب پرتوهای فرابنفش خورشیدی توسط لایه ازن پوشن سپهری و افزایش دمای لایه فوقانی ایجاد می شود (Joly and Richard, ۲۰۲۲). وارونگی فرونشینی در ارتفاع ۲ تا ۴ کیلومتری از سطح زمین ایجاد شده و با فرونشینی هوا در نیمه شمالی سلول هادلی ایجاد می شود. واچرخندها عامل نوع دیگر وارونگی فرونشینی است که در ارتفاع ۱ تا ۲ کیلومتری تشکیل می شود (Lagmiri and Dahech, ۲۰۲۴). وارونگی تابشی زمانی رخ می دهد که سطح زمین گرمای جذب شده را در طول شب با فرایند تابش گرمایی مطابق قانون استفان- بولتزمن، با طول موج بلند به فضا منتشر می کند و سرد می شود ولی هوای بالای سطح هنوز گرمای خود را از دست نداده است (Xu et al, ۲۰۲۱). شب های طولانی ، آسمان صاف و باد آرام، شرایط مناسب برای رخداد وارونگی تابشی است. وارونگی تابشی شدید ویژگی شب های پاییز و زمستان با آسمان صاف و بی ابر با باد آرام می باشد. در این تحقیق فراوانی رخداد، عمق و شدت وارونگی دما در ماه های مختلف ایستگاه کاوش جو بندرعباس بررسی می شود که برای برآورد ارتفاع لایه آمیخته و تحلیل آلودگی هوا برای طراحی سازه های بزرگ در این شهر، کاربرد زیادی دارد. تفاوت این پژوهش با پژوهش های مشابه، استفاده از روش های آماری مناسب برای دسته بندی عمق و شدت وارونگی است که تاکنون در ایران از آن استفاده نشده است. استفاده از این روش سبب شده است تا نتایج بدست آمده از این پژوهش با نتایج پژوهش های پیشین متفاوت شود. مواد و روش­ها برای بررسی وارونگی دما در بندرعباس، از داده های روزانه کاوش جو ایستگاه بندرعباس در ساعت ۰۰۰۰ گرینویچ استفاده شد. این داده ها که در برخی روزها دارای ناپیوستگی است، از ۱۷ اکتبر ۲۰۰۵ تا ۰۸ ژولای ۲۰۲۴ در دسترس است و به صورت گزارش تمپ از سازمان هواشناسی کشور گرفته شد. در این پژوهش به کمک نرم افزار RAOB، ابتدا انواع وارونگی دما در روزهای مختلف ماه های سال طی دوره آماری انتخابی، آشکار و سپس فراوانی، ضخامت و شدت آنها بر اساس اختلاف ارتفاع و اختلاف دمای بین کف و بام وارونگی محاسبه شد. برای دسته بندی ضخامت وارونگی تابشی و شدت آن بر اساس آزمون اندرسن-دارلینگ، از برازش بهترین تابع احتمال بر تغییرات ارتفاع و تغییرات دمای کف و بام لایه وارونگی استفاده شد و بر اساس مقادیر ۵، ۲۵، ۵۰، ۷۵ و ۹۵ درصد منحنی برازش شده، دسته بندی انجام شد. آستانه ۵ و ۹۵ درصد منحنی برازش شده برای برآورد مقادیر حدی کمترین و بیشترین (کمتر از ۵ درصد و بیش از ۹۵ درصد) به ترتیب برای دسته های کم اهمیت و خیلی شدید استفاده شد. آستانه های ۲۵، ۵۰ و ۷۵ درصد برای انتخاب چارک ها در نظر گرفته شد. مقادیر از ۵ و ۲۵ درصد برای دسته خیلی ضعیف، ۲۵ و ۵۰ درصد برای ضعیف، ۵۰ و ۷۵ درصد برای متوسط و مقادیر ۷۵ و ۹۵ درصد به دسته شدید مربوط شد. نتایج و بحث ایستگاه ساحلی بندرعباس در شمال تنگه هرمز در موقعیتی است که تحت تاثیر نسیم دریا به خشکی و نسیم خشکی به دریا قرار دارد و شرایط دمائی متفاوتی در نزدیک سطح زمین برای ایجاد وارونگی یا بر هم زدن آن را فراهم می کند. در طول روز نسیم دریا به خشکی، هوای خنک و مرطوب را به مناطق خشکی و در طول شب نسیم خشکی به دریا، هوای خنک و خشک را به مناطق ساحلی منتقل می کند. این شرایط که در غیاب سامانه های همدیدی بر منطقه حاکم است، در فصل های مختلف بندرعباس، سبب تغییرات دما با ارتفاع می شود و فراوانی روزهای بی‎وارونگی تابشی را در ماه های مختلف دستخوش تغییر می کند. در ماه های گرم سال فراوانی روزهای بی وارونگی (با وارونگی) تابشی بیشتر (کمتر) از ماه های سرد سال است به طوری که در دو ماه ژوئیه و اوت ۵/۷۴ درصد روزهای دوره آماری انتخابی بی وارونگی تابشی (۵/۲۵ درصد با وارونگی تابشی) است در حالیکه فراوانی روزهای بی وارونگی تابشی در ماه های نوامبر، دسامبر و ژانویه به کمتر از ۱۱ درصد کاهش یافته است (فراوانی روزهای با وارونگی تابشی به بیشتر از ۸۹ درصد رسیده است). یکی از علت های این اختلاف را می توان به بلند (کوتاه) بودن طول شب های زمستانی (تابستانی) منطقه نسبت داد. در شب های طولانی زمستان، مدت تابش شبانه زمین با طول موج بلند بیشتر از شب های دیگر سال است و در نتیجه کاهش دمای سطح زمین زیاد و اختلاف دمای سطح و ارتفاعات نزدیک سطح زمین بیشتر می شود. از این رو شرایط برای ایجاد وارونگی تابشی دما قوی تر در فصول سرد بندرعباس بهتر فراهم می شود. به همین دلیل در ماه های سرد سال، شدت وارونگی تابشی در بندرعباس بیش از ماه های گرم سال است. کاهش دمای هوا بر روی خشکی در شب های زمستان بیش از تابستان است، بنابراین جریان های شمالی نسیم خشکی به دریا در شب های طولانی فصول سرد، هوای سردتری را به سوی ساحل و آب­های ساحلی و ایستگاه کاوش جو بندرعباس که در خشکی قرار دارد، منتقل می کند و سبب افزایش اختلاف دمای سطح ایستگاه و لایه های زیرین جو می شود. این سازوکار یکی از عوامل تشدید وارونگی تابشی بندرعباس در فصول سرد است. در تابستان با شب های کوتاه، کاهش دمای خشکی کم و شدت و طول مدت نسیم خشکی به دریا کوتاه است. این فرایند شرایط همرفت را در مناطق ساحلی فراهم می کند که طی آن دما در لایه های مختلف جو، تعدیل می شود. از این رو تابش شبانه زمین با طول موج بلند نیز نمی تواند عامل ایجاد وارونگی تابشی شدید در بندرعباس شود. این سازوکار عامل کاهش فراوانی روزهای با وارونگی تابشی شدید در بندرعباس است. نتیجه­گیری در این تحقیق وارونگی شدید و خیلی شدید به وارونگی گفته می شود که اختلاف دمای بین کف و بام آن از ۲/۵ درجه سلسیوس بیشتر باشد. وارونگی عمیق و ژرف نیز نوعی از وارونگی است که اختلاف ارتفاع کف و سقف وارونگی بیشتر از ۲۳۲ متر برآورد شده باشد. این تعاریف بر اساس برازش بهترین تابع احتمال بر تغییرات ارتفاع و تغییرات دمای کف و بام لایه وارونگی بدست آمده است. بررسی ها نشان داد که فراوانی روزهای بدون وارونگی تابشی (با وارونگی تابشی) ایستگاه بندرعباس در ماه های گرم (سرد) بیش از ماه های سرد (گرم) سال است. به طوری که ۵/۷۴ درصد روزهای دوره آماری انتخابی طی ژوئیه و اوت، بدون  وارونگی تابشی (۵/۲۵ درصد با وارونگی تابشی) است در حالی که در ماه های نوامبر، دسامبر و ژانویه روزهای بدون وارونگی تابشی کمتر از ۱۱ (با وارونگی تابشی، بیشتر از ۸۹) درصد است. طولانی بودن شب های زمستان که عامل افزایش مدت تابش شبانه زمین است و جریان های جنوبی نسیم دریا به خشکی در روز و جریان های شمالی نسیم خشکی به دریا در شب که از طریق فرارفت هوای سرد یا گرم عامل افزایش اختلاف دما در لایه های نزدیک سطح زمین هستند، می توانند شرایط مناسبی را برای بود و یا نبود وارونگی تابشی بندرعباس فراهم کنند. فراوانی روزهای بی وارونگی فرونشینی در این ایستگاه، طی ماه های گرم برخلاف وارونگی تابشی، کمتر از ماه های سرد سال است. این شرایط به سبب استقرار پر ارتفاع جنب حاره تابستانه در منطقه است که به سبب فرونشینی هوا در گستره شمالی سلول هادلی، فراوانی روزهای با وارونگی فرونشینی را افزایش داده است. همچنین دیده شد که فراوانی وارونگی تابشی عمیق و ژرف در ماه های گرم سال در بندرعباس بیش از سایر ماه ها است در حالی که وارونگی تابشی با عمق متوسط در ماه های ژانویه، فوریه، نوامبر و دسامبر فراوان تر از بقیه ماه ها می باشد. علت این تفاوت، ترکیب وارونگی فرارفتی ایجاد شده توسط شاخه برگشت نسیم دریا به خشکی در فصل گرم با وارونگی تابشی شبانه می باشد. به علاوه ضخامت لایه وارونگی تابشی بندرعباس در ۷۲ درصد موارد کمتر یا مساوی ۲۳۲ متر است و در ۲۴ درصد موارد ضخامت آن بیش از ۲۳۲ متر می باشد. همچنین تحلیل شدت وارونگی تابشی نشان داد که فراوانی وارونگی تابشی خیلی شدید در ماه های نوامبر، دسامبر و ژانویه بیش از دسته های شدید و متوسط است. افزون بر آن، مقدار فراوانی وارونگی تابشی شدید، متوسط، ضعیف و خیلی ضعیف در کل دوره آماری تفاوت چندانی ندارند و مقدار آنها بین ۲۰ تا ۲۵ درصد برآورد شده است. مقادیر فراوانی شدت وارونگی بر اساس گرادیان دما در عمق ۱۰۰ متری نیز نتایج مشابهی را بدست داد. از بررسی ارتفاع سقف وارونگی فرونشینی در ایستگاه بندرعباس، دیده شد که از ۲/۸۳ درصد فراوانی برآورد شده برای وارونگی فرونشینی، ۲/۲۴ درصد برای وارونگی سطوح زیرین (وارونگی فرارفتی و بازمانده از لایه آمیخته) و ۰/۵۹ درصد برای وارونگی سطوح زبرین ]۱/۱۱ درصد برای وارونگی گرمایی و ۹/۴۷ درصد برای وارونگی مکانیکی (۵/۳۲ درصد برای وارونگی ناشی از فعالیت واچرخند جنب حاره و ۴/۱۵ درصد برای وارونگی موثر از واچرخندهای عبوری، همرفت و تلاطم) [ برآورد شده است.

کلیدواژه ها:

وارونگی تابشی ، وارونگی فرونشینی ، شدت وارونگی ، عمق وارونگی ، بندرعباس