چکیده

در این مقاله دادههای بارش و رواناب روزانهی حوضهی کارون تا شالو در سال آبی ١٣٧٢-١٣٧١ و دادههای روزانه ارتفاع ﮊئوپتانسیل تراز ٥٠٠ هکتوپاسکال محدودهی ١٠ تا ٦٠ درجهی شمالی و ١٠ تا ٧٠ درجهی شرقی بررسی شده است. به کمک تحلیل مولفهی مبنا، تحلیل خوشهای و تحلیل همبستگی شش الگوی گردشی شناسایی شد. این الگوها به دو دسته پرارتفاع و کمارتفاع تقسیم میشوند. هر الگوی معین تمایل دارد در دوره معینی از سال ظاهر شود. الگوهای کمارتفاع و فرودها شرایط دینامیکی را برای ناپایداری فراهم میآورند و بیشتر در دورهی سرد سال دیده میشوند. الگوهای پر ارتفاع و فرازها شرایط دینامیکی را برای پایداری فراهم میآورند و بیشتر در دورهی گرم سال دیده میشوند. بررسی رابطهی این الگوها با رواناب و بارش کارون نشان داد که الگوهای کم ارتفاع ارتباط معناداری با بارش و رواناب نشان میدهند اما رابطه آنها با بارش قویتر است. یافتههای ما نشان میدهد که ناهنجاریهای ارتفاع ﮊئوپتانسیل تراز ٥٠٠ هکتوپاسکال میتواند ابزار سودمندی برای پیشبینی متغیر بارش و به تبع آن پیشبینی سیلاب باشد. با توجه به رفتار فصلی این ناهنجاریها، الگوهای کمارتفاع عمدتاﹰ در زمستان دیده می شوند. الگوهای پرارتفاع عمدتاﹰ در تابستان مشاهده میشوند و با بارش بسیار ناچیز همراه هستند.

کلیدواﮊهها : الگوهای گردشی، سیلاب، تحلیل مولفهی مبنا، تحلیل خوشهای.

مقدمه

در زمینهی سیلابشناسی تحقیقات گستردهای در جهان و ایران انجام گرفته است. در ایران نمونههایی از این پژوهشها بدین قرارند. دماوندینژاد منفرد ویژگیهای سیلابهای بخش میانی کارون را بررسیکرده مدلهای احتمال آنرا معرفی کرده است (دماوندینژادمنفرد،۸۷۳۱: ۳۵).حیدری براساس روشی هواشناختی-هیدرولوﮊیک مدلیبرای پیشبینی سیلابهایکارون پیشنهاد کرده است (حیدری، ۵۷۳۱:۲۷).

حجتیزاده هفت سیلاب فراگیر کارون، کرخه و دز را بررسی کرده و کوشیده است شرایط سینوپتیک پدیدآورنده آنها را شناسایی کند (حجتیزاده،۱۸۳۱:۰۲۱).

(۳۹۹۱: ۱۵۱)

غیاثی سیلابهای کارون را باهدف حفاظت زمینهای زیرکشتنیشکر در خوزستان بررسی کرده است (غیاثی، ۵۷۳۱:۲۶). تقیخان کوشیده است تا با کمک بارش به پیشبینی سیلاب دست یابد (تقیخان،۶:۹۷۳۱).برخوردار و چاوشیان موضوع پهنهبندی سیلاب را بررسی کردهاند (چاوشیان،۹۷۳۱: ۴).حیدری کنترل سیل مخازن رودخانههای دز و کارون را مطالعه کرده است

(حیدری، ۹۷۳۱: ۷).

با این حال سیلابهای بزرگ کارون از منظر الگوهای گردشی پدید آورنده آنها بررسی نشدهاند. الگوهای گردش هوا بهویژه در تراز ٥٠٠ هکتو پاسکال و رابطهی آنها با سیلابهای بزرگ، موضوع تحقیقات اقلیمی بسیار فراوانی در جهان بوده است. مثلاﹰ یارنال و فریکس سیلابهای حوضهی ساسکوانا را به این روش بررسی و الگوهای گردشی منجر به سیلاب را در این حوضه شناسایی کردند (یارنال و فریکس،۴۹۹۱:۰۳۳).

یارنال رابطه الگوهای گردشی را با آبدهی حوضه لدینگ ریج بررسی کرد و

نشان داد که نظر کومری (۲۹۹۱:۰۱۲) که معتقد است توالی الگوهای گردشی توانایی تبیین رویدادهای محیطی را دارند درست است. به بیان دیگر سیلاب را نه تنها با در نظر گرفتن الگوی گردشی در روز رخداد بلکه با بررسی الگوهای گردشی چندین روز پیش از بروز سیلاب بهتر میتوان شناخت. این واقعیت از یکسو نشان میدهد که الگوهای گردشی پیش از بروز سیلاب نقش مهمی در تعیین شرایط رطوبتی سطح حوضه دارند و به دلیل تعیین رطوبت پیشین در ضریب جریان حوضه نقش دارند و از سوی دیگر معرف این نکته است که در مطالعهی سیلابها و عوامل هواشناختی پدیدآورندهی آنها ناگزیریم سامانههای همدید بارانزا را از سرچشمه تا گورگاه آنها دنبال کنیم، تا بتوانیم شناخت کاملتری از رابطهی الگوهای گردشی با سیلابها بهدست آوریم.

دادهها و روش شناسی

برای شناسایی رابطهی الگوهای جریان هوا با سیلابها نیازمند سه مجموعه دادهی مختلف بودهایم. یکی دادههای ارتفاع ﮊئوپتانسیل تراز ٥٠٠ هکتوپاسکال، دوم دادههای بارش و سوم دادههای آبدهی رودخانه. چون در اینجا هدف ما شناسایی رفتار هیدرولوﮊیکحوضه در سیلابیترین سال کارون بوده است دادههای آبدهیروزانه کارون در ایستگاه آبسنجی شالو را در دوره ١٣٧٤-١٣٣٦ گردآوری و بر مبنای آن شاخص سیلاب روزانه و سالانه را محاسبه کردیم. این بررسی نشان داد که سال آبی٧٢-١٣٧١ سیلابیترین سال کارون بوده است. بر این اساس دادههای بارش روزانه ١٢٤ ایستگاه باران سنجی گردآوری و نقشههای بارش روزانه حوضه از اول مهرماه ١٣٧١ تا ٣١ شهریور ١٣٧٢ ترسیم و مشخصات آماری هر نقشه شامل میانگین مکانی بارش، انحراف معیار مکانی بارش و درصد گسترده بارش را محاسبه کردهایم.به این ترتیب خصوصیات بارش هر روز مشخص شد.

۱۶۳

برای شناسایی روزهای سیلابی میانگین بلند مدت آبدهی رودخانه در هر روز را معادل جریان پایه در نظر گرفتیم و بر این اساس رواناب مستقیم را محاسبه کردیم. به این ترتیب زمان آغاز و پایان سیلابها مشخص شد. سپس ویژگیهای اساسی هر سیلاب مانند زمان پایه، زمان تا اوج، زمان فروکش، دبی اوج، ارتفاع رواناب مستقیم و حجم تخلیه برای هر سیلاب جداگانه محاسبه شد.

برای شناسایی الگوهای گردشی، دادههای ارتفاع ﮊئوپتانسیل تراز ٥٠٠ هکتو پاسکال برای GMT ١٢٠٠ در طی اول مهرماه ١٣٧١ تا ٣١ شهریور ١٣٧٢ برای قلمرو ١٠ تا ٧٠ درجهی شرقی و ١٠ تا ٦٠ درجهی شمالی با تفکیک مکانی ٥/٢* ٥/٢ از پایگاه داده NCAR استخراج

ﻭ پردازش شد. به این ترتیب نقشهی هر روز شامل ارتفاع ﮊئوپتانسیل تراز ٥٠٠ هکتو پاسکال بر روی یک ماتریس ٢٩*٢١ بوده است.

در این بررسی از روش گردشی به محیطی استفاده شده است. به بیان دیگر نخست نقشههای ارتفاع ﮊئوپتانسیل را طبقهبندی کرده و الگوهای گردشی را شناسایی نمودیم و سپس مقدار آبدهی و بارش در طی حاکمیت هر یک از الگوهای گردشی را مشخص کردیم. برای طبقهبندی نقشهها ابتدا همه آنها استاندارد گردید تا الگوهای ارتفاع ﮊئوپتانسیل تراز٥٠٠ هکتوپاسکال صرفنظر از شدت آنها به دست آیند. سپس دادههای استاندارد شده را به حالت S آرایش دادیم و یک ماتریس ۵۲۵*۵۶۳ شامل ٥٢٥ پیکسل برای ٣٦٥ روز سال فراهم آوردیم. سپس یک تحلیل مؤلفهی مبنا بر روی ماتریس همپراش اجرا کردیم و مؤلفههایی که بیش از یک درصد تغییرات را تبیین میکردند به عنوان مؤلفههای مهم نگه داشتیم. به این ترتیب تقریباﹰ ١٣ مؤلفهی مهم شناسایی شد که در مجموع حدود ۴۹ درصد تغییرات آرایش توپوگرافی تراز ٥٠٠ هکتوپاسکال قلمرو مورد بررسی را تبیین میکردند (جدول ۳). تحلیل مؤلفهی مبنا منجر به تجزیهی ماتریس زمان- مکان دادهها به دو ماتریس الگوهای زمانی (ماتریس نمرات به ابعاد(١٣* ٣٦٥) و الگوهای مکانی (ماتریس بارها به ابعاد ١٣* ٥٢٥) میشود. ماتریس بارها به کمک نرم افزار سرفر به نقشهی مؤلفهها و ماتریس نمرات در محیط اکسل به نمودار مؤلفهها تبدیل شد. چون الگوی توپوگرافی تراز ٥٠٠ هکتوپاسکال در هر یک از روزهای سال ترکیبی از ١٣ مؤلفهی یاد شده است برای شناسایی شبیهترین ترکیبات و دستیابی به الگوهای گردشی یک تحلیل خوشهای بر روی ماتریس نمرات مؤلفهها انجام دادیم

ﻭ به این ترتیب شش الگوی گردشی متفاوت بهدست آمد. به این ترتیب الگوی گردشی هر یک از روزها معلوم شد. چون برای هر یک از روزها مقدار بارش و رواناب مستقیم نیز محاسبه شده بود امکان بررسی رابطه الگوهای گردشی با رواناب و بارش حوضه فراهم آمد. در بخش بعدی ویژگیهای بارش، رواناب و الگوهای گردشی را با تفصیل بیشتر بررسی خواهیم کرد.

رﮊیم جریان کارون

حوضههای غربی ایران شامل کرخه، دز و کارون سالانه بطور متوسط نزدیک به ۴۲ میلیارد مترمکعب رواناب دارند. سهم کرخه از این رواناب نزدیک به ۶ میلیارد مترمکعب، سهم دز نزدیک به ۸ میلیارد مترمکعب و سهم کارون نزدیک به ۰۱ میلیارد مترمکعب است. بنابراین کارون را میتوان پرآبترین رودخانهی کشور دانست. با این حال از دیدگاه توان آبدهی حوضهی دز با آبدهی ویژه۱/۶۱ لیتر بر ثانیه از کیلومترمربع آبخیزترین حوضهی غربی کشور است و پس از آن کارون با آبدهی ویژه ۲/۳۱ لیتر بر ثانیه از کیلومترمربع و کرخه با آبدهی ویژه۴/۴ لیتر بر ثانیه از کیلومترمربع قرار دارند.

این سه حوضهی غربی ایران با وجود اختلافاتی که از نظر حجم رواناب و توان آبدهی با یکدیگر دارند،بهدلیل همانندی رﮊیم بارش از رﮊیم جریان یکسانی برخوردار هستند.بررسیهای اولیه نشان میدهد که رﮊیم جریان این سه حوضه دارای چهار مرحلهی مختلف است. این مرحلههای چهارگانه را در مورد کارون بررسی میکنیم (تصویر ۱). مرحلهی اول که میتوان آنرا مرحلهی آرامش نامید تقریباﹰ۰۶ روز طول میکشد و منطبق بر ماههای شهریور و مهر است. در این دوره نوسان آب بسیار کم است و آبدهی رودخانه بطور متوسط در اطراف ۷۲۱ متر مکعب در ثانیه نوسان میکند. مرحلهی دوم دورهی خیزش است که حدود ۳۳۱ روز طول میکشد و شامل ماههای آبان، آذر، دی، بهمن و نیمه اول اسفند است. در این دوره آبدهی کارون بین ۰۲۱ تا ۰۰۵ متر مکعب در ثانیه است و با رفتاری پلکانی رو به افزایش میگذارد. میانگین آبدهی حوضه در این دوره حدود ۰۴۲ متر مکعب در ثانیه است. مرحلهی سوم ۳۶ روز بطول میانجامد و شامل نیمهی دوم اسفند، فروردین و نیمه اول اردیبهشت است. در این دوره آبدهی در اوج قرار دارد و میتوان آنرا دورهی بالش نامید. در این دوره آبدهی رودخانه بین ۰۰۵ تا حدود ۰۴۸ متر مکعب در ثانیه نوسان دارد و به طو متوسط آبدهی حوضه حدود ۰۳۶ متر مکعب در ثانیه است.