Investigation of the Mesoscale Mechanisms for the Occurrence of Convective Precipitation in the North West of Iran

Document Type : Research Article

Authors

1 Ph.D. Graduated, Department of Climatology, University of Tabriz, Tabriz, Iran

2 Assistant Professor, Department of Geography, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

3 Professor, Department of Climatology, University of Tabriz, Tabriz, Iran

Abstract

Due to the challenges coming from numerical modeling, measurements, observations, lack of data in some regions, not enough investigations, many aspects of the mechanism for the occurrence of precipitation are not well understood. These challenges are shown clearly in mountainous studies. This is particularly the case for the occurrence of precipitation in the warm season in mid-latitudes, which is controlled by convective processes at small spatial scales while cloud belts are associated with cyclones and atmospheric fronts at larger scales. Iran, and especially North-West of it, is a mountainous area. Due to mountainous conditions, the temporal and spatial variations of precipitation in this region are large. In this region, the significant of spring precipitation is the most important characteristic of the precipitation regime. Therefore, on average, over 40% of the total annual precipitation is falling in the spring season. According to studies and evaluation of available data, most of the total annual precipitation in the North West of Iran (NWI) is occurring by convective systems (thunderstorms). To study the mechanism for the occurrence of spring precipitation in the NWI, the main consideration of researchers focused on synoptic patterns, especially on mid-tropospheric trough. Thus, there is still a poor understanding regarding the dynamical, thermo-dynamical and mechanical processes which occur in mountainous area in mesoscale over the NWI.
In this study, the occurrence of spring precipitation in the NWI is investigated using a combination of data to clarify the dynamical and thermo-dynamical processes which are governing the springtime precipitation events. Both synoptic patterns and mesoscale phenomena are considered along with a numerical simulation. A regional climate model (RegCM4) is used to evaluate the role of local topography and meso to regional scale processes on the occurrence of spring convective precipitation. A combination of data including station data, reanalysis and model outputs are used to clarify the role of the mountains, as well as local and regional thermal and mechanical forcing for the occurrence of convective precipitation in the NWI. The results indicate that, in the spring, western waves do not completely leave the NWI. The results also demonstrate that the large-scale positive vorticity advection in the mid-troposphere is associated with a local forcing from surface heating and surface fluxes (i.e. moisture convergence, latent and sensible heat fluxes) that are the main factors for formation and development of these convective systems. Therefore, unlike previous studies, in the absence of large scale dynamical forcing, such as the mid-tropospheric trough, convective precipitation will not have occurred in the NWI. In fact, local heating alone, due to lack of sufficient moisture in the area and inadequacy to provide buoyancy, cannot to create the required instability for the occurrence of precipitation. Calculating diabatic heating for the NWI is demonstrating that the horizontal advection of heat from the mountain slopes is playing an important role to formation and development of meso-scale convective systems. While the western and southern slopes of the mountains are playing as an elevated heat source, the eastern and northern slopes are playing as a sink. Therefore, the heating on southern and western slopes of the mountains as a local forcing plays an important role in providing the available heat and energy for the development of convection and convective precipitation. As a result, the responsible mechanism for the occurrence of convective precipitation in the NWI is due to an interaction between the mesoscale and synoptic/large scale processes over the region. In other words, none of the above-mentioned factors, alone or in the absence of other factors, cannot be able to create springtime heavy convective precipitation in the NWI. In fact, in the springtime, we face certain rain generating systems that their instability, ascent and humidity advection, on the one hand, are due to large-scale/synoptic-scale forcing and on the other hand, due to surface local heating. Thus, they are not entirely similar to rain generating systems in the monsoon region of India, Western Africa or Brazil which fully utilizing thermodynamic conditions and internal heating and not similar to mid-latitudes rain generating systems which are merely a result of the large scale advection of humidity and heat and the general ascent of the westerly waves.

Keywords

Main Subjects

References

آزرم، ک.، 1395، مطالعه اقلیم­شناختی بارش­های همرفتی در شمال‌غرب ایران، رساله دکتری آب و هواشناسی، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تبریز، 140 ص.
براتی، غ. ر.، مرادی.، م. و سلیمی.، ر.، 1394، واکاوی همدید بارش‌های سنگین بهاره استانِ زنجان، مجله مخاطرات محیط طبیعی، ۴ (۶)، 88-77.
جهانبخش، س. و ذوالفقاری، ح.، 1380، بررسی الگوهای سینوپتیک بارش­های روزانه در غرب ایران، فصلنامه تحقیقات جغرافیایی، 64-63، 258-233.
جهانبخش، س.، میرهاشمی، ح. و تدینی، م.، 1394، تحلیل همدید-ترمودینامیک بارش‌های ابرسنگین شمال‌غرب ایران (استان آذربایجان شرقی)، نشریه جغرافیا و برنامه­ریزی، 51، 125-107.
حجازی­زاده، ز.، جعفرپور، ز. و پروین، ن.، 1386، بررسی و شناسایی الگوهای سینوپتیکی تراز 500 هکتوپاسکال مولد سیلاب­های مخرب و فراگیر سطح حوضه آبریز دریاچه ارومیه، نشریه علوم جغرافیایی، 7 (10)، 154-125.
خسروی، م.، عباس نیا، م.، قبادی، ا. و آرمش، م.، 1396، بررسی ارتباط مکانی بین بارش‌های همرفتی بهاره و توپوگرافی شمال‌غرب ایران، جغرافیا و آمایش شهری-منطقه ای، 23، 38-21.
خورشیددوست، ع. م.، مفیدی، ع.، رسولی، ع. ا. و آزرم، ک.، 1395، تحلیل همدیدی سازوکار وقوع بارش‌های سنگین بهاره در شمال­غرب ایران، مجله مخاطرات محیط طبیعی، 5(8)، 82-53.
خورشیددوست، ع. م.، مفیدی، ع.، رسولی، ع. ا. و آزرم، ک.، 1396، ارزیابی میزان حساسیت مدل RegCM4 به طرحواره­های پارامترسازی همرفت در مدل­سازی بارش­های بهاره شمال‌غرب ایران: (مطالعه موردی سال 2004)، فیزیک زمین و فضا، 3، 671-651.
رسولی، ع. ا. و جوان، خ.، 1391، تحلیل روند وقوع طوفان­های رعد و برقی در نیمه غربی ایران با کاربرد آزمون­های ناپارامتری، فضای جغرافیایی، ۱۲ (38)، 126-111.
روشنی، ا.، قائمی، ه. و حجازی زاده، ز.، 1393، تغییرات زمانی- مکانی درازمدت شار تابش خالص در گستره ایران، جغرافیا و مخاطرات محیطی، 3(2)، 72-55.
ذوالفقاری، ح.، 1377، تحلیلی بر بارش­های بهاری غرب ایران، نیوار، 40، 10-1.
ساری صراف، ب.، رسولی، ع. ا.، کیانی، ط. و ملکیان، ا.، 1387، تحلیل همدید بارش­های رگباری در حوضه جنوبی رود ارس، فضای جغرافیایی، 24، 146-123.
سیف، م.، 1375، بررسی توزیع بارش تگرگ در ایران، پایان نامه کارشناسی ارشد جغرافیای طبیعی، دانشگاه تهران.
عساکره، ح. و رزمی، ر.، 1390، اقلیم شناسی بارشِ شمال­غرب ایران، فصلنامه جغرافیا و توسعه، 25، 158-137.
علیجانی، ب.، 1372، مکانیزم­های صعود بارندگی­های ایران. مجله دانشکده ادبیات و علوم انسانی دانشگاه تربیت معلم، 1، 101-85.
علیجانی، ب.، 1387، آب و هوای ایران، چاپ هشتم، انتشارات دانشگاه پیام نور، تهران.
قویدل رحیمی، ی.، 1390، کاربرد شاخص­های ناپایداری جوی برای آشکار­سازی و تحلیل دینامیک طوفان تندری روز 5 اردیبهشت 1389 تبریز، فضای جغرافیایی، 11 (34)، 208-182.
لشکری، ح. و آقاسی، ن.، 1392، تحلیل سینوپتیکی طوفان­های تندری تبریز در فاصله زمانی (2005-1996)، نشریه علمی-پژوهشی جغرافیا و برنامه­ریزی، سال 17 (45)، 234-203.
محمدی، ف.، زرین، آ. و بابائیان، ا.، 1394، کارایی مدل اقلیمی RegCM4 در شبیه‌سازی بارش دوره سرد استان فارس، مطالعه موردی: دوره 2010-1990، فیزیک زمین و فضا، 41 (3)، 524-511.
مسعودیان، ا.، 1390، آب و هوای ایران، چاپ اول، انتشارات دانشگاه اصفهان.
مسعودیان، ا.، رعیت پیشه، ف. وکیخسروی کیانی، م. ص.، 1393، معرفی و مقایسه داده بارشی TRMM و اسفزاری، مجله ژئوفیزیک ایران، 8(4)، 31-15.
معصوم پور سماکوش، ج.، میری، م.، ذوالفقاری، ح. و یاراحمدی، د.، 1392، تعیین سهم بارش‌های همرفتی شهر تبریز بر اساس شاخص‌های ناپایداری، نشریه تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، 31، ۲۲۷-۲۴۵.
مفیدی، ع. و زرین، آ.، 1391، بررسی ماهیت، ساختار و وردایی زمانی گردش بزرگ مقیاس جو تابستانه بر روی جنوب­غرب آسیا، پژوهش­های اقلیم شناسی، (11)، 15-40.‎
Al-Maskari, J. and Gadian, A., 2006, A study of orographic convection over the Hajar Mountains in Northern Oman. Geophysical Research Abstracts, 8, 01786.
Anthes, R. A., Hsie, E. Y. and Kuo, Y. H., 1987, Description of the Penn State/NCAR Mesoscale Model, Version 4 (MM4). Technical note (No. PB-87-190633/XAB; NCAR/TN-282-STR), National Center for Atmospheric Research, Boulder, CO (USA).
Bach, A. J. and L. Price., 2012, “Mountain Climate” chapter in Mountains and People, edited by L. Price, D. Friend and A. Byers, University of California Press: Berkeley. Online: http://snobear. colorado.edu/Markw/Mountains/03/mtn_04DRAFT2.doc
Banacos, P. C. and Schultz, D. M., 2005, The use of moisture flux convergence in forecasting convective initiation: Historical and operational perspectives, Wea. Forecasting, 20(3), 351-366.
Berg, A., Findell, K., Lintner, B. R., Gentine, P. and Kerr, C., 2013, Precipitation sensitivity to surface heat fluxes over North America in reanalysis and model data, J. of Hydrometeorol-ogy, 14(3), 722-743.
Blanchard, D. O. and López, R. E., 1985, Spatial patterns of convection in south Florida, Mon. Wea. Rev., 113(8), 1282-1299.
Buzzi, A. and Foschini, L., 2000, Mesoscale meteorological features associated with heavy precipitation in the southern Alpine region. Meteorol. Atmos. Phys., 72(2-4), 131-146.
Darand, M., Amanollahi, J. and Zandkarimi, S., 2017, Evaluation of the performance of TRMM Multi-Satellite Precipitation Analysis (TMPA) estimation over Iran, Atmospheric Research, 190, 121-127. Doi: 10.1016/j.atmosres.2017.02.011.
Dickinson, R. E., Kennedy, P. J. and Henderson-Sellers, A., 1993, Biosphere-atmosphere transfer scheme (BATS) version 1e as coupled to the NCAR community climate model, National Center for Atmospheric Research, Climate and Global Dynamics Division.
Findell, K. L., Gentine, P., Lintner, B. R. and Kerr, C., 2011, Probability of afternoon precipitation in eastern United States and Mexico enhanced by high evaporation, Nature Geoscience, 4(7), 434-439.
Elguindi, N., Bi, X., Giorgi, F., Nagarajan, B., Pal, J., Solmon, F., Rauscher, S., Zakey, A., O’Brien, T., Nogherotto, R. and Giuliani, G., 2014, Regional Climate Model RegCM Reference Manual Version 4.5, The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP), Trieste, Italy.
Funk, C., Peterson, P., Landsfeld, M., Pedreros, D., Verdin, J., Shukla, S. and Michaelsen, J., 2015, The climate hazards infrared precipitation with stations—a new environmental record for monitoring extremes, Scientific data, 2:150066 doi: 10.1038/sdata.2015.66
Giorgi, F. and 20 Co-authors, 2012, RegCM4: model description and preliminary tests over multiple CORDEX domains. Climate Research, 52, 7-29. doi: 10.3354/cr01018.
Holtslag, A. A. M., de Bruijn, E. I. F. and Pan, H. L., 1990, A high resolution air mass transformation model for short-range weather forecasting, Mon. Wea. Rev., 118, 1561-1575.
Kiehl, J. T., Hack, J. J., Bonan, G. B., Boville, B. A. and Briegleb, B. P., 1996, Description of the NCAR Community Climate Model (CCM3). Technical Note (No. PB-97-131528/XAB; NCAR/TN--420-STR), National Center for Atmospheric Research, Boulder, CO (US). Climate and Global Dynamics Division.
Kyselý, J., Rulfová, Z., Farda, A. and Hanel, M., 2016, Convective and stratiform precipitation characteristics in an ensemble of regional climate model simulations. Climate Dynamics, 46(1-2), 227-243.
Javan, Kh. and Azizzadeh, M. R., 2017, Evaluation of the TRMM-3B43 V7 rainfall products on a monthly scale in the Northwest of Iran, Environmental Resources Research, 5(2), 153-168.
Pal, J. S., Eltahir, E. A. and Small, E. E., 2000, Simulation of regional-scale water and energy budgets-Representation of subgrid cloud and precipitation processes within RegCM, J. Geophys. Res., 105(D24), 29579-29594.
Pal, J. S., Giorgi, F., Bi, X., Elguindi, N., Solmon, F., Gao, X. and Ashfaq, M., 2007, Regional climate modeling for the developing world: the ICTP RegCM3 and RegCNET. Bull. Amr. Met. Soc., 88(9), 1395-1409.
Rodwell, M. J. and Hoskins, B., 2001, Subtropical Anticyclones and Summer Monsoons, J. Climate, 14, 3192-3211.
Ruane, A. C., Goldberg, R. and Chryssanthacopoulos, J., 2015, Climate forcing datasets for agricultural modeling: Merged products for gap-filling and historical climate series estimation, Agricultural and Forest Meteorology, 200, 233-248.
Schultz, D. M., 2010, How to research and write effective case studies in meteorology, Electronic J. Severe Storms Meteor., 5 (2): 1–18.
Waldstreicher, J. S., 1989, A guide to utilizing moisture flux convergence as a predictor of convection. National Weather Digest, 14(4), 20-35.
Yatagai, A., Kamiguchi, K., Arakawa, O., Hamada, A., Yasutomi, N. and Kitoh, A., 2012, APHRODITE: Constructing a long-term daily gridded precipitation dataset for Asia based on a dense network of rain gauges, Bull. Amr. Met. Soc., 93(9), 1401-1415.
Zhang, Q. and Wu, G., 2002, The Bimodality of 100hPa South Asia High and its Relationship to the Climate Anomaly over East Asia in summer, J. Meteorol. Soc. Japan, 80(4), 733-744.
Journal of the Earth and Space Physics
Volume 45, Issue 3
December 2019
Pages 553-573

Files

Share

How to cite

Statistics