نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

دانشیار اقلیم شناسی، دانشگاه زنجان

چکیده

لایه مرزی سیارهای پایینترین بخش جوّ است که مستقیماً تحتتأثیر زمین بوده و مبادلات دما و تابش نقش کلیدی را در تغییرات ارتفاع این لایه دارد. تغییرات ارتفاع این لایه نیز میتواند نقش بسیار مهمی در کنترل پدیدههای مختلف جوّی نظیر ابر، مه،آلایندهها و... داشته باشد. ارتفاع لایه مرزی تحتتأثیر عوامل مختلفی نظیر تغییرات توپوگرافی، دما، رطوبت نسبی، شار تابشی و عرض جغرافیایی تغییر پیدا میکند. هر گونه تغییر در ارتفاع لایه مرزی میتواند پدیدههای جوّی در زیر این لایه را تحتتأثیر قرار دهد. در این مطالعه تغییرات ماهانه ارتفاع لایه مرزی در ایران در طی دوره 62 ساله (2021-1959) با استفاده از دادههای نسخه ERA5 سایت ECMWF مورد بررسی قرار گرفت و به منظور تحلیل الگوهای فضایی حاکم بر تغییرات ارتفاع لایه مرزی از مدل GETIS ORD استفاده شد. نتایج حاصل از مطالعه نشان داد که ارتفاع این لایه در طی ماههای مختلف سال از الگوهای خوشهای تبعیت میکند. دو کانون مهم لکههای سرد (ارتفاع کم) در بخش شمالغرب و شمالشرق ایران از معنیداری بالایی برخوردار هستند و نیمه جنوبی ایران مخصوصاً استان خوزستان، استان کرمان و جنوب استان سیستان و بلوچستان مهمترین لکههای داغ (مناطق با ارتفاع زیاد) هستند. نتایج حاصل از تحلیل رگرسیون چندمتغیره نشان داد که شش متغیر میانگین دما، میانگین رطوبت نسبی، ضریب رطوبت خاک، عرض جغرافیایی، ارتفاع و فشار هوا با میزان همبستگی کلی 70.73 بهترتیب مهمترین عوامل مؤثر در تغییرات ارتفاع لایه مرزی در ایران هستند. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Spatial analysis of monthly changes in planetary boundary layer height in Iran

نویسنده [English]

  • Seyed Hossein Mirmousavi

Associate professor of climatology, Zanjan University

چکیده [English]

Extended Abstract
Introduction
The planetary boundary layer (PBL) as the lowest part of the troposphere is the most dynamic part of the atmosphere that is directly affected by the interactions of the atmosphere and the surface of the Earth (Stell, 2012 and Gert, 1992). These atmospheric surface interactions occur in short periods of time and play an important role in the development of the boundary layer. The height of this layer is also influenced by atmospheric conditions, topography characteristics, and type of land cover, and is an important parameter for many meteorological phenomena that have various applications such as monitoring air quality, cloud formation and evolution, surface fluids, and atmospheric hydrological cycles (Garrett 1994). Since the height of the boundary layer indicates the depth of turbulent vertical mixing, it is very effective in increasing or decreasing the concentration of pollutants near the surface and is considered as an essential parameter in air quality monitoring (Su and Khan, 2018). In addition, the height of this layer is a key factor in numerical weather forecasts. Since the height of the base of clouds is usually close to the height of the boundary layer, this layer determines the extent of cloud development and causes the transition from shallow convection to deep in the clouds.           
Materials
The data used in this study included re-analysis data on the monthly time scale of the planetary boundary layer height for the entire Iranian region with a resolution of 0.25×0.25 which was obtained from the ERA5 version of ECMWF site during the period 1959-2021. In order to analyze the relationship between different climatic variables (mean temperature, mean relative humidity and air pressure), the meteorological data of 187 synoptic weather stations during the statistical period 2000-2022 has been used.
Methods
In this study, in order to prepare the data using programming capabilities in MATLAB software, maps with an average of 62 years old have been prepared and then using ARC GIS software to map the monthly average height of the boundary layer in Iran. In the next step, spatial statistics index of Getis-Ord Gi* was used to analyze the spatial changes in the height of the boundary layer in different months. In order to analyze the effective variables in elevation changes in the boundary layer temperature, relative humidity, soil moisture, etc. Multivariate standard regression method was used.
Conclusion and Discussion
The annual average elevation map of the boundary layer also shows that the maximum height of this layer in Iran is 1600 m which is located in the south of Iran in Kerman province and south of Sistan and Baluchestan province and in general, the southern half of Iran with the exception of a narrow strip of southern coasts is higher than the northern half. The lowest elevation between 520 and 1000 meters is mainly located in the northern half, the eastern part and a narrow strip of southern coast. The average height of the entire boundary layer of Iran during the year is 1131 meters. The height of the boundary layer in different months of the year has significant changes in Iran and in terms of spatial changes it follows severe cluster patterns. Analysis of hot and cold spots showed that the spatial distribution of the height of the boundary layer has completely homogeneous spatial patterns so that the northern half of the country, especially the northwest and northeastern regions of the country, have a high significance as cold spots in most months of the year.
Results
The results of this study showed that the elevation of the boundary layer in Iran during the year has a lot of spatial and temporal changes due to geographical diversity and climatic characteristics in different regions of the country. The existence of diverse topography, expansion in latitude, large differences in relative moisture content and soil moisture content are among the factors that have caused significant changes in the height of the boundary layer at different times and places. The results of multivariate regression analysis showed that the height of this layer is mainly affected by six parameters in particular, temperature and relative humidity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Planetary boundary layer
  • Iran
  • GETIS ORD model
  • Spatial analysis
1- انتظاری، داداشی رودباری، اسدی؛ علیرضا، عباسعلی، مهدی، (1394). ارزیابی خودهمبستگی فضایی تغییرات زمانی مکانی جزایر گرمایی در خراسان رضوی، نشریه جغرافیا و مخاطرات محیطی، شماره16، صص 146-125.
2- رنجبر، دنیادوست؛ عباس، غلامرضا (1396). ارزیابی عملکرد طرح‌واره‌های لایه مرزی سیاره‌ای PBL مدل WRF-ARW درشبیه‌سازی پارامترهای جریان لایه مرزی برای استفاده در مطالعات پراکندگی آلودگی هوا، مطالعه موردی: ایستگاه فرودگاه مهرآباد، ششمین همایش ملی مدیریت آلودگی هوا و صدا، پژوهشگاه هواشناسی و علوم جوی، 7صفحه.
3- ضرغامی پور، ملکوتی؛ منا، حسین، (1399). مطالعه میدان باد لایه مرزی سیاره‌ای روی جزیره قشم، فیزیک زمین و فضا، دوره46، شماره1، صص 147-129.
4- عساکره؛ حسین، (1390) مبانی اقلیم‌شناسی آماری، انتشارات دانشگاه زنجان، صص 545.
5- مهدیان ماه‌فروزی، شمسی‌پور، کریمی احمدآباد؛ مجتبی، علی‌اکبر، مصطفی، (1399). تغییرات سالانة ارتفاع لایة مرزی شهر تهران، پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، دورة 25، صص 50-37.
6- نصیری، زارعی، حلیمی، رستمی؛ بهروز، زهرا، منصور، محمد، (1395). بررسی تغییرات ضخامت و ارتفاع لایه مرزی در شرایط گرد و غباری شهر اهواز، نشریه تحلیل فضایی مخاطرات محیطی، سال سوم،شماره 2، صص 64-15.
7- Allabakash, s & Lim , s.(2020). Climatology of Planetary Boundary Layer Height Controlling Meteorological Parameters over the Korean Peninsula. Remote sensing. 12, pp. 1–21.
8- Caicedo,V., Rappenglück, B., Lefer, B., Morris, G., Toledo, D & Delgado,R.(2017). Comparison of aerosol lidar retrieval methods for boundary layer height detection using ceilometer aerosol backscatter data. Atmos. Chem. Phys. 10, PP. 1609–1622.
9- Chen, X., Skerlak, B., Rotach, M.W., Añel, J.A., Su, Z., Ma, Y& Li, M. (2016). Reasons for the extremely high-ranging planetary boundary layer over the western Tibetan plateau in winter. J. Atmos. Sci. 73, PP. 2021–2038.
10- Dai, C., Wang, Q., Kalogiros, J., Lenschow, D., Gao, Z & Zhou, M.(2014). Determining boundary-layer height from aircraft measurements. Bound.-Layer Meteorol.152, PP. 277–302.
11- De Wekker, S.F & Kossmann, M. (2015). Convective boundary layer heights over mountainous terrain-A review of concepts. Front. Earth Sci. 3,PP 77-89.
12- De Arruda Moreira, G., Guerrero-Rascado, J.L., Bravo-Aranda, J.A., Benavent-Oltra, J.A.,Ortiz-Amezcua, P., Róman, R., Bedoya-Velásquez, A.E., Landulfo, E & Alados-Arboledas, L. (2018). Study of the planetary boundary layer by microwave radiometer, elastic LIDAR and Doppler LIDAR estimations in Southern Iberian Peninsula. Atoms. Res.213, PP. 185–195.
13- Engeln, A & Teixeira, J. (2013). A planetary boundary layer height climatology derived from ECMWF reanalysis data. J. Clim. 26, pp. 6575–6590.
14- Garratt, J.R. (1992). The Atmospheric Boundary Layer-Cambridge Atmospheric and Space Science Series; Cambridge University Press: Cambridge, UK, 336 pages.
15- Garratt, J.R. (1994). The atmospheric boundary layer. Earth-Sci. Rev. 37, pp. 89–134.
16- Guo, J., Miao, Y., Zhang, Y., Liu, H., Li, Z & Zhang, W. (2016). The Climatology of Planetary Boundary Layer Height in China Derived from Radiosonde and Reanalysis Data. Atmos. Chem. Phys. 16 (20), pp. 13309–13319.
17- Guo, J., Li, Y., Cohen, J. B., Li, J., Chen, D & Xu, H. (2019). Shift in the Temporal Trend of Boundary Layer Height in China Using Long-Term (1979-2016) Radiosonde Data. Geophys. Res. Lett. 46 (11), pp. 6080–6089.
18- Henkes, A., Fisch, G., Machado, L.A.T & Chaboureau, J.P.(2021). Morning boundary layer conditions for shallow to deep convective cloud evolution during the dry season in the central Amazon. Atmos. Chem. Phys. 21, pp. 13207–13225.
19- Palm, S.P., Selmer, P., Yorks, J., Nicholls, S & Nowottnick, E .(2021). Planetary Boundry Layer Height Estimates From ICESat-2 and CATS Backscatter Measurements. Front. Remote Sens 2, pp. 1-13.
20- Saha, S ., Sharma, S., Kumar, K.N., Kumar, P., Lal, S & Kamat, D.(2022). Investigation of Atmospheric Boundary Layer characteristics using Ceilometer Lidar, COSMIC GPS RO satellite, Radiosonde and ERA-5 reanalysis dataset over Western Indian Region. Atmos. Res. 268, pp. 425-429.
21- Sawyer, V & Li, Z. (2013). Detection, variations and inter comparison of the planetary boundary layer depth from radiosonde, lidar and infrared spectrometer. Atmos. Environ. 79, pp. 518–528.
22- Seidel, D.J., Zhang, Y., Beljaars, A ., Golaz, J.C ., Jacobson, A.R & Medeiros, B.(2012). Climatology of the planetary boundary layer over the continental United States and Europe. J. Geophys. Res. Atmos. 117, pp. 1-15.
23- Stull, R.B. (2012). An Introduction to Boundary Layer Meteorology; Springer Science & Business Media: Berlin/Heidelberg, Germany; Volume 13, 666 Pages.
24- Su, T., Li, Z & Kahn, R. (2018). Relationships between the planetary boundary layer height and surface pollutants derived from lidar observations over China: Regional pattern and influencing factors. Atmos. Chem. Phys. 18, pp.15921–15935.
25- Su, T., Li, J., Li, C., Xiang, P., Lau, A.K.H., Guo, J., Yang, D & Miao, Y.(2017). An inter comparison of long-term planetary boundary layer heights retrieved from CALIPSO, ground-based lidar, and radiosonde measurements over Hong Kong. J. Geophys. Res. Atmos.122, pp. 3929–3943.
26- Zhang, W., Guo, J., Miao, Y., Liu, H., Zhang, Y., Li, Z & Zhai, P.(2016). Planetary boundary layer height from CALIOP compared to radiosonde over China. Atmos. Chem. Phys.16, pp. 9951–9963.