Examination and Identification of Rossby Wave Break Patterns in Relation to Extreme Precipitation Events in Northwest Iran (1990-2024)

Document Type : Research Paper

Authors

1 Meteorological Organization

2 Academic member at the University of Tabriz

3 CLIMATOLOGY DEPT,UNIVERSITY OF TABRIZ IRAN

10.22034/gp.2025.64891.3333

Abstract

ABSTRACT

The relationship between Rossby wave breaking and heavy rainfall events in northwest Iran was examined on a synoptic scale. This study analyzes the potential vorticity (PV) at the 330 Kelvin potential temperature level. Severe rainfall systems in northwest Iran were identified for a 33-year statistical period (1990-2024), leading to the identification of Rossby wave breaking events. A long-term climatological analysis of both anticyclonic and cyclonic Rossby wave breaking was conducted. Four patterns of Rossby wave breaking were identified for two types of breaking, in connection with severe rainfall occurrences in northwest Iran. The results indicate that the identified patterns exhibit the highest frequency of Rossby wave breaking events in spring and autumn, while winter and summer rainfall patterns show the lowest frequencies. The highest frequency of cyclonic wave breaking events (CWB) occurs in the months of Farvardin (March-April) and Ordibehesht (April-May), while the highest frequency of anticyclonic wave breaking events (AWB) occurs in the months of Mehr (September-October) and Aban (October-November). The analysis of potential vorticity streamers (2PVU) and their relationship with heavy rainfall events in the studied region shows a strong seasonal dependency between Rossby wave breaking that penetrates both latitude and longitude, contributing to or enhancing heavy rainfall in northwest Iran. Consequently, this research can provide a better understanding of synoptic and dynamical rainfall patterns and improve medium- to long-term weather forecasting in the country.

Keywords

Main Subjects

Full Text

در این تحقیق، ارتباط بین شکست امواج راسبی و رخدادهای بارشی شدید شمال غرب ایران در مقیاس همدیدی مورد بررسی قرار گرفت. این مطالعه به تجزیه‌ و تحلیل سینوپتیکی تاوایی پتانسیلی، در سطح هم‌دمای پتانسیلی ۳۳۰ کلوین پرداخته است. در دوره آماری ۳۴ ساله (از ۱۹۹۰ تا ۲۰۲۴)، ۲۷۰ سامانه بارشی شناسایی شد و براساس آن شکست امواج راسبی مورد بررسی قرار گرفت. با تحلیل و بررسی بلندمدت شکست آنتی‌سیکلونی و سیکلونی امواج راسبی، چهار الگوی شکست امواج راسبی در ارتباط با رخدادهای شدید بارشی شمال غرب ایران شناسایی شدند. نتایج نشان می‌دهد که الگوهای فصل بهار و پاییز بیشترین فراوانی، و الگوهای زمستان و تابستان، به ترتیب حداقل رخداد‌های شکست امواج راسبی را دارند. بیشترین فراوانی رخدادهای شکست سیکلونی، ماه‌های فروردین و اردیبهشت، و بیشترین فراوانی شکست آنتی‌سیکلونی، ماه‌های مهر و آبان را شامل می‌شود. تحلیل استریمرهای تاوایی پتانسیلی، و ارتباط آن با رخدادهای بارشی شدید نشان می‌دهد که یک وابستگی فصلی بین شکست امواج راسبی وجود دارد که هم در عرض و هم در طول جغرافیایی نفوذ می‌کنند و بارش‌های شدید شمال غرب ایران را ایجاد یا تقویت می‌کنند؛ بنابراین تحقیق صورت‌گرفته می‌تواند به درک بهتر الگوهای بارشی شدید و همچنین بهبود پیش‌بینی‌های میان‌مدت و بلندمدت آب‌وهوایی کشور کمک کند.

References

برهانی، رضایی، احمد گیوی، فرهنگ، قادر، سرمد، محب الحجه، علیرضا (۱۳۹۷). «مطالعه فراوانی و توزیع تاشدگی‌ وردایست و تغییرات فصلی آن در سال‌های 2013-2015 با تأکید بر منطقه جنوب غرب آسیا». مجله فیزیک زمین و فضا، 44(3)، ۶۲۴-۶۰۷.
جهانبخش اصل، سعید؛ ساری صراف، بهروز؛ عساکره، حسین و شیرمحمدی، سهیلا (۱۴۰۱). شناسایی رخدادهای بارش فرین در غرب ایران (۲۰۱۶-۱۹۶۵)، نشریه علمی‌پژوهشی جغرافیا و برنامه‌ریزی، 26(79)،  125-115.
جهانبخش، سعید؛ ‌محمد خورشید دوست، علی و میرهاشمی، حمید (۱۳۹۹). «بررسی چرخندزایی در بادپناه کوهستان زاگرس». نشریه علمی‌پژوهشی جغرافیا و برنامه‌ریزی، 24(72)، 128-105.
حجازی زاده، زهرا؛ حلبیان، امیرحسین؛ کربلایی درئی، علیرضا و طولابی نژاد، میثم (1399). واکاوی تغییرات مقادیر حدی بارش در گستره‌ی ایران زمین. مخاطرات محیط طبیعی، 9(23)، 135-150.
خان‌سالاری، سکینه؛ محب الحجه، علیرضا و فرهنگ احمدی، گیوی (۱۳۹۷). «عوامل دینامیکی مؤثر بر بارش سنگین برف در تهران». فیزیک زمین و فضا، 44(1)، 198-179.
خدادی، محمدمهدی؛ آزادی، مجید؛ مرادی، محمد و سعادت‌آبادی، عباس رنجبر (۱۳۹۹). «مقایسه شکست امواج راسبی روی اروپا و غرب آسیا از دیدگاه فعالیت موج». مجله ژئوفیزیک ایران، 14(2)، 101-83.
ذوالفقاری، حسن؛ هاشمی، رضا و فشی، مهدی (1388). بررسی نسبت حداکثر بارش‌های روزانه به بارش‌های سالانه در ایران. تحقیقات جغرافیایی، 24(1 (92))، 165-188.
رفعتی، سمیه و صادقی‌نیا، علیرضا (۱۴۰۲). «پراکنش فضایی و زمانی رخداد آذرخش و روند تغییر آن». مجله مطالعات جغرافیایی مناطق خشک، 14(53)، 120-103.
رفعتی، سمیه؛ حجازی‌زاده، زهرا و کریمی، م. (1393). تحلیل همدیدی شرایط رخداد سامانه‌های همرفتی با بارش بیش از 10 میلی‌متر در جنوب غرب ایران. پژوهش‌های جغرافیای طبیعی (پژوهش‌های جغرافیایی)، 46(2)، 137-156.
سعادت‌آبادی، عباس رنجبر (۱۳۹۴). «بررسی تاوایی پتانسیلی روی سطوح هم‌دمای پتانسیلی به کمک یک مدل عددی و ارتباط آن با بارش بر روی ایران». مجله علمی و ترویجی نیوار، 39(88)، 30-23.
سلیقه؛ محمد؛ ناصرزاده، محمدحسین و غفاری، علی (1397). بررسی بارش های همرفتی بهاری شمال غرب ایران با استفاده از شاخص‌های ناپایداری (مطالعه موردی ایستگاه تبریز). جغرافیا و برنامه‌ریزی ۲۲ (۶۴)، ۱۴۷-۱۲۹.
عسگری، احمد؛ رحیم‌زاده، فاطمه؛ محمدیان، نوشین و فتاحی، ابراهیم (1386). تحلیل روند نمایه‌های بارش‌های حدی در ایران. تحقیقات منابع آب ایران، 3(3(پیاپی 9))، 42-55.
قائمی، هوشنگ؛ عساکره، حسین و مختار فتاحیان (۱۳۹۶). «تحلیل الگوی فضایی پشته پرفشار جنب حاره بر روی ایران». اندیشه جغرافیا، 8(16)، 1-21.
کیانی، مهرداد؛ لشکری، حسن و قائمی، هوشنگ (1398). واکاوی اثر رشته کوه‌های زاگرس بر تغییرات بارش‌های سودانی در غرب ایران. مجله پژوهشی علوم انسانی دانشگاه اصفهان، 30(3(ش 75) )، 17-40.
گرامی، محمدصالح؛ کریمی، مصطفی؛ عزیزی، قاسم و رفعتی، سمیه (1401). تحلیل همدیدی بارش‏های همراه با طوفان تندری فراگیر بهاره در شمال غرب ایران. پژوهش های جغرافیای طبیعی، ۵۴ (۱): ۱۱۰-۹۵.
محمد خورشیددوست، علی‌؛ مفیدی، عباس و آذرم، کامل (۱۳۹۵). «تحلیل همدیدی سازوکار وقوع بارش‌های سنگین بهاره در شمال غرب ایران». مجله مخاطرات محیط طبیعی، 5(2)، 82-53.
محمدی، بختیار (1392). تحلیل روند سالانه آستانه بارش‌های سنگین ایران. تحقیقات جغرافیایی، 28(1(پیاپی 108))، 163-176.
محمدی، حسین؛ عزیزی، قاسم؛ خوش اخلاق، فرامرز و رنجبر، فیروز (1396). تحلیل روند شاخص‌های حدی بارش روزانه در ایران. پژوهش‌های جغرافیای طبیعی (پژوهش‌های جغرافیایی)، 49(1)، 21-37.
محمدی، حسین؛ فتاحی، ابراهیم؛ شمسی‌پور، علی‌اکبر و اکبری، مهری (۱۳۹۱). «تحلیل دینامیکی سامانه‌های سودانی و رخداد بارش‌های سنگین در جنوب غرب ایران». نشریه تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، 12(24)، 24-7.
مرادی، محمد؛ مشکواتی، امیرحسین؛ آزادی، مجید و علی‌اکبری بیدختی، عباسعلی (۱۳۸۷). «نقش تاوایی پتانسیلی هم ارز و تر در مسیریابی سامانه‌های سودانی». مجله علمی و ترویجی نیوار، 2(68)، 54-34.
مظفری، غلامعلی؛ مزیدی، احمد و شفیعی، شهاب (1396). بررسی و تعیین آستانه بارش‌های حدی غرب ایران با استفاده از روش توزیع مقادیر حدی تعمیم‌یافته. پژوهش‌های حفاظت آب و خاک (علوم کشاورزی و منابع طبیعی)، 24(2)، 107-125.
Aregger, M. P. (2021). Stationary and slow-moving convection over Switzerland: a 14-year radar-based climatology.
Ashley, S. T., & Ashley, W. S. (2008). Flood fatalities in the United States. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 47, 805–818. https://doi.org/10.1175/2007JAMC1611.1
Barnes, E. A., & Hartmann, D. L. (2012). Detection of Rossby wave breaking and its response to shifts of the midlatitude jet with climate change. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 117, D09117.
Barnes, M. A., King, M., Reeder, M., & Jakob, C. (2023). The dynamics of slow‐moving coherent cyclonic potential vorticity anomalies and their links to heavy rainfall over the eastern seaboard of Australia. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 149(755), 2233-2251.
Barros, A. P., Chiao, S., Lang, T. J., Burbank, D., & Putkonen, J. (2006). From weather to climate—Seasonal and interannual variability of storms and implications for erosion processes in the Himalaya.
De Vries, A. J., Armon, M., Klingmüller, K., Portmann, R., Röthlisberger, M., & Domeisen, D. I. (2024). Breaking Rossby waves drive extreme precipitation in the world’s arid regions. Communications Earth & Environment, 5(1), 493.
Dikpati, M., & McIntosh, S. W. (2020). Space weather challenge and forecasting implications of Rossby waves. Space Weather, 18(3), e2018SW002109.
Ertel, H. (1942). Ein neuer hydrodynamischer Wirbelsatz. Meteorologische Zeitschrift, 59, 271–281.
Glatt, I., Dornbrack, A., Jones, S., Keller, J., Martius, O., Muller, A.,... & Wirth, V. (2011). Utility of Hovmöller diagrams to diagnose Rossby wave trains. Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography, 63(5), 991-1006.
Grams, C. M., Wernli, H., Böttcher, M., Čampa, J., Corsmeier, U., Jones, S. C.,... & Wiegand, L. (2011). The key role of diabatic processes in modifying the upper‐tropospheric wave guide: a North Atlantic case‐study. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 137(661), 2174-2193.
Holton, J. R., & Hakim, G. J. (2013). An introduction to dynamic meteorology (Vol. 88). Academic Press.
Hoskins, B. J., & McIntyre, M. E., & Robertson, A. W. (1985). On the use and significance of isentropic potential vorticity maps. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 111(470), 877–946. https://doi.org/10.1002/qj.49711147002
IPCC. (2021). Climate Change 2021: Physical Science Basis. Intergovernmental Panel on Climate Change.
Jongman, B., Ward, P. J., & Aerts, J. C. (2012). Global exposure to river and coastal flooding: Long term trends and changes. Global Environmental Change, 22(4), 823-835.
Kaderli, S. (2022). Coding of a Rossby wave breaking detection algorithm in Python. University of Bern, Faculty of Science. Institute of Geography and Oeschger Centre for Climate Change Research.
Kuo, Y. H., et al. (2012). Impact of potential temperature streamers on heavy rainfall. Journal of Meteorological Research.
Lenggenhager, S., & Martius, O. (2019). Atmospheric blocks modulate the odds of heavy precipitation events in Europe. Climate Dynamics, in press. https://doi.org/10.1007/s00382-019-04779-0
Liu, B., Chen, X., Chen, J., & Chen, X. (2017). Impacts of different threshold definition methods on analyzing temporal-spatial features of extreme precipitation in the Pearl River Basin. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 31, 1241-1252.
Martius, O., et al. (2010). The role of upper-level dynamics and surface processes for the genesis of severe cyclones: An example from the eastern Alps. Meteorologische Zeitschrift, 19(5), 543-555.
McIntyre, M. E., & Palmer, T. N. (1983). Breaking planetary waves in the stratosphere. Nature, 305(5935), 593-600.
Moore, B. J. (2017). Rossby Wave Breaking and Widespread Extreme Precipitation Events in the Central and Eastern US. State University of New York at Albany.
Moore, B. J., White, A. B., & Gottas, D. J. (2021). Characteristics of long-duration heavy precipitation events along the West Coast of the United States. Monthly Weather Review, 149(7), 2255-2277.
Peters, J. M., & Schumacher, R. S. (2015). Mechanisms for organization and echo training in a flash-flood-producing mesoscale convective system. Monthly Weather Review, 143(3), 1058–1085. https://doi.org/10.1175/MWR-D-14-00070.1.
Rossby, C. G., Willett, H. C., Holmboe, J., Namias, J., Page, L., & Allen, R. (1939). Relation between variations in the intensity of the zonal circulation of the atmosphere and the displacements of the permanent centers of action. Journal of Marine Research, 2(1), 38–55.
Schumacher, R. S. (2009). Mechanisms for quasi-stationary behavior in simulated heavy-rain-producing convective systems. Journal of Atmospheric Sciences, 66(6), 1543–1568.
Shaffie, S., Mozaffari, G., & Khosravi, Y. (2019). Determination of extreme precipitation threshold and analysis of its effective patterns (case study: west of Iran). Natural Hazards, 99, 857-878.
Simmons, A. J., et al. (2010). A systematic evaluation of the impact of data assimilation on prediction skill. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society.
Soci, C., Hersbach, H., Simmons, A., Poli, P., Bell, B., Berrisford, P., ... & Thépaut, J. N. (2024). The ERA5 global reanalysis from 1940 to 2022. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society.
Sprenger, M., Fragkoulidis, G., Binder, H., Croci-Maspoli, M., Graf, P., Grams, C. M., & Knippertz, P. (2017). Global Climatologies of Eulerian and Lagrangian Flow Features based on ERA-Interim. Bulletin of the American Meteorological Society, 98(8), 1739–1748. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-15-00299.1
Stoelinga, M. T., Hobbs, P. V., Mass, C. F., Locatelli, J. D., Colle, B. A., Houze, R. A., Jr., Rangno, A. L., Bond, N. A., Smull, B. F., Rasmussen, R. M., Thompson, G., & Colman, B. R. (2003). Improvement of Microphysical Parameterization through Observational Verification Experiment. Bulletin of the American Meteorological Society, 84(12), 1807-1826. https://doi.org/10.1175/BAMS-84-12-1807
Thorncroft, C. D., Hoskins, B. J., & McIntyre, M. E. (1993). Two paradigms of baroclinic-wave life-cycle behaviour. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 119, 17–55. https://doi.org/10.1002/qj.49711950903.
Wallace, J. M., & Hobbs, P. V. (2006). Atmospheric science: An introductory survey (Vol. 92). Elsevier.
Wolf, G., Ferrett, S., Methven, J., Frame, T. H. A., Holloway, C. E., Martinez‐Alvarado, O., & Woolnough, S. J. (2024). Comparison of probabilistic forecasts of extreme precipitation for a global and convection‐permitting ensemble and hybrid statistical–dynamical method based on equatorial wave information. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 150(759), 877-896.‏

Files

Share

How to cite

Statistics