Sea Level Circulation Patterns and Their Relationship with Atmospheric Rivers Affecting Heavy Rainfall in Iran

Document Type : Research

Authors

• Aminallah Ghahramani ¹
• Hasan Zolfaghari ²
• Jafar Masoompour Samakosh ²

¹ PhD Candidate in Climatology, Razi University, Kermanshah, Iran

² Associate Professor in Climatology, Razi University, Kermanshah, Iran

https://doi.org/10.22067/jgrd.2022.68440.1008

Abstract

The main goal of this research was identifying effective sea level circulation patterns in creating atmospheric rivers associated by heavy rains in Iran. Precipitation data were obtained from the Iranian Meteorological Organization and atmospheric gridded data including specific humidity, zonal wind, meridional wind and sea level pressure were obtained from the European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) for the period 1988-2018. The data were analyzed using the 99th percentile to identify heavy rains, integrated vapor transport (IVT) was used to identify atmospheric rivers, principal component analysis with S array and Varimax rotation was used to reduce variables and Ward Hierarchical Clustering Analysis was used to identify effective circulation patterns. From 13 principal components as inputs of cluster analysis, 5 main circulation patterns were obtained which were effective in heavy rains caused by atmospheric rivers. The results showed that the atmospheric rivers are mainly effective in 50% of the events under the influence of strong and relatively strong Sudanese low pressure. Moreover, Siberian and Tibetan high pressures are observed in most of the patterns and western high pressures are observed in some of them, which have often extended to the borders of Iran and show their influence on Iran. The influence of southern low pressure, including the Sudanese and the convergence of the Red Sea, is also evident, which is mainly strengthened over the Red Sea and the Persian Gulf and comes towards Iran. In general, the expansion of eastern and western high pressures in mid-latitudes and relatively strong to strong low pressures in low latitudes, shows more prominent role of the two extratropical (North Atlantic Ocean and the Mediterranean Sea) and tropical (Indian Ocean and The Red Sea) moisture sources in providing the moisture of the atmospheric rivers.

Keywords

• Sea Level Circulation Types and Patterns
• Atmospheric Rivers
• Heavy Rainfall
• Cluster Analysis
• Iran

Main Subjects

• Natural geography and environmental planning

References

1. بلیانی، س. و سلیقه، م. (1395). تحلیل و استخراج الگوهای جوی منجر به بارش‌های سنگین روزانه منطقه شمالی خلیج‌فارس (موردمطالعه: حوضه‌های آبریز حله و منذ). نشریه تحلیل فضایی مخاطرات محیطی، 3(2)، 78-98.
2. جهانبخش اصل، س.، و ذوالفقاری، ح. (1381). بررسی الگوهای سینوپتیک بارش‌های روزانه در غرب ایران. فصلنامه تحقیقات جغرافیایی، 16-17(1-4)، 234-258.
3. سلیمی، س؛ سلیقه، م. (1395). تأثیر رودخانه‌های اتمسفری (ARS) بر آب‌وهوای ایران. پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، 48(2)، 247-264.
4. شادمانی، ن. (1395). بررسی وجود و نقش رودخانه‌های جوی در ایجاد بارش‌های سیل‌آسا در غرب و جنوب کشور (مطالعه موردی: سیل‌های 9 و 21 آبان 1394) (پایان‌نامه منتشرنشده کارشناسی‌ارشد مهندسی آب)، دانشگاه شهرکرد، ایران.
5. عزیزی، ق و علیزاده، ت.(1393). ارتباط بین تیپ الگوهای گردشی تراز دریا، با بارش‌های فراگیر در ایران، پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، 46(3)، 297-310.
6. عزیزی، ق.، و علیزاده، ت. (1392). طبقه‌بندی همدید الگوهای گردشی مؤثر بر آب‌وهوای ایران در تراز دریا، مجله جغرافی و برنامه‌ریزی محیطی، 24(2)، 23-38.
7. عساکره، ح.، خوش‌رفتار، ر.، و ستوده، ف. (1391)،. تحلیل بر بارش‌های روزانه سپتامبردر ارتباط با الگوهای همدید استان گیلان. پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، 44(2)، 51-66.
8. قادری، ح.، و علیجانی، ب. (1389). تحلیل سینوپتیکی بارش‌های شدید لارستان. فصلنامه جغرافیای طبیعی، 3(8)، 36-17.
9. لشکری، ح. (1381). مسیریابی سامانه کم‌فشار، سودانی ورودی به ایران. مدرس، 6(2)، 133-156.
10. محمدی، ب.، قلی‌زاده، م.، و زارعی، ش. (1393). شناخت الگوهای همدید بارش‌های یک روزه در استان کردستان. نشریه تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، 14(35)، 7-27.
11. محمدی ب.، و مسعودیان ا. (1389). تحلیل همدید بارش‌های سنگین در ایران. مجله جغرافیا و توسعه، 8(19)، 47-70.
12. مفیدی، ع. (1383). اقلیم شناسی سینوپتیکی بارش‌های سیل زا با منشأ مرکز همگرایی دریای سرخ در خاورمیانه. فصلنامة تحقیقات جغرافیایی، 19(75)، 71-93.
13. مفیدی، ع. (1384). بررسی سینوپتیکی تأثیر سامانة کم‌فشار سودانی در وقوع بارش‌های سیل زا در ایران. فصلنامة تحقیقات جغرافیایی، 20(77)، 113-136.
14. مفیدی، ع.، زرین، آ.، و جانباز قبادی، غ. (1386). تعیین الگوی همدیدی بارش‌های شدید و حدی پاییزه در سواحل جنوبی دریای خزر. مجله زمین و فضا، 33(3)، 131-154.
15. یارنال، برنت. (1385). اقلیم‌شناسی همدید و کاربرد آن در مطالعات محیطی (س. ا. مسعودیان، مترجم) (چاپ اول). اصفهان: انتشارات دانشگاه اصفهان.

 

16. Akbary, M., Salimi, S., Hosseini, S ., & Hosseini, M. (2019). Spatio-temporal changes of atmospheric rivers in the Middle East and North Africa region. International Journal of Climatology, 2019,1–11.
17. Cordeira, ,M., Stock. J., Dettinger, M. D., Young, A. M., Kalansky, J. F., & Ralph, F. M. (2019). A 142-year climatology of Northern California landslides and atmospheric rivers. American Meteorological Society, 100(8), 1499-1509.
18. Corte-Real. J., Quian, B., & Xu, H. (1999). Circulation patterns daily precipitation in Portugal and implications for climate change simulated by the second Hadley Centre GCM. Climatic Dynamics, 15, 921-935.
19. Cortesi, N., Gonzalez-Hidalgo, J. C., Ricardo M. Trigo, B., Alexandre, M., & Ramos, B. (2014). Weather types and spatial variability of precipitation in the Iberian Peninsula. International Journal of Climatology, 34, 2661–2677.
20. Dettinger, M. D., Ralph, F. M., Das, T., Neiman, P. J., & Cayan, D. R. (2011). Atmospheric rivers, floods, and the water resources of California. Water, 3, 445–478.
21. Eiras-Barca, J., Brands, S., & Miguez-Macho, G. (2016). Seasonal variations in North Atlantic atmospheric river activity and associations with anomalous precipitation over the Iberian Atlantic Margin. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 121, 931–948.
22. Eiras-Barca, J., Ramos, A. M., Pinto, J. G., Trigo, R. M., Liberato, M. L. R., & Miguez-Macho, G. (2018). The concurrence of atmospheric rivers and explosive cyclogenesis in the North Atlantic and North Pacific basins. Earth System Dynamics, 9(1), 91–102.
23. Gimeno, L., Nieto, R., Vázquez, M., & Lavers, D. A. (2014). Atmospheric rivers:Amini-review. Frontiers in Earth Science, 2(2), 1-6.
24. Guan, B., & Waliser, E. (2015). Detection of atmospheric rivers: Evaluation and application of an algorithm for global studies. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 120, 12514–12535.
25. Kutiel, H., & Paz, S. (1998). Sea level pressure departures in the mediterranean and their relationship with monthly rainfall conditions in Israel. Theoretical and Applied Climatology, 60, 93–109.
26. Lamb, H. H. (1955). Two-way relationship between the snow or ice limit and 1000–500 mb thicknesses in the overlying atmosphere. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 348, 172–189.
27. Lamjiri, M. A., Dettinger, M. D., Ralph, F. M., & Guan, B. (2017). Hourly storm characteristics along the U.S. West Coast: Role of atmospheric rivers in extreme precipitation. Geophysical Research Letters, 44, 7020–7028.
28. Lavers, D. A., & Villarini, G. (2013). The nexus between atmospheric rivers and extreme precipitation across Europe. Geophysical Research Letters, 40, 3259–3264.
29. Lorenzo M. N., Taboadab, J. J., & Gimenoa, L. (2008). Links between circulation weather types and teleconnection patterns and their influence on precipitation patterns in Galicia (NW Spain). International Journal of Climatology, 28, 1493–1505.
30. Lund, I. A. (1963). Map-pattern classification by statistical methods. Journal of Applied Meteorology, 2, 56–65.
31. Mahoney, K., Jackson, D., Neiman, P., Hughes, M., Darby, L., Wick, G., …, & Cifelli, R. (2016). Understanding the role of atmospheric rivers in heavy precipitation in the southeast United States. Monthly WeatherReview, 144(4), 1617–1632.
32. Nayak, M. A., & Villarini, G. (2017). A long-term perspective of the hydroclimatological impacts of atmospheric rivers over the central United States. Water Resources Research, 53(2), 1144–1166.
33. Neiman, P. J., Schick, L. J., Ralph, F., Hughes, M., & Wick, G. (2011) Flooding in western Washington: The connection to atmospheric rivers. Journal of Hydrometeorology, 12, 1337–1358.
34. Ralph, F. M., & Dettinger, M. D. (2012). Historical and national perspectives on extreme west coast precipitation associated with atmospheric rivers during December 2010. Bulletin of American Meteorological Society, 93, 783–790,
35. Ralph, F. M., Dettinger, M. D., Lavers, D., Gorodetskaya, I. V., Martin, A., Viale, M., …, & Cordeira, J. (2017). Atmospheric rivers emerge as a global science and applications focus. Bulletin of American Meteorological Society, 98(9), 1969–1973.
36. Ralph, F. M., Dettinger, M., Cordeira, J. M., Rutz, J. J., Schick, L., Anderson, M., …, & Reynolds, D. (2019). A scale to characterize the strength and impacts of atmospheric rivers. Bulletin of American Meteorological Society, 100(2), 269-289.
37. Ralph, F. M., Neiman, P. J., & Wick, G. A. (2004). Satellite and CALJET aircraft observations of atmospheric rivers over the eastern North Pacific Ocean during the winter of 1997/98. Monthly WeatherReview, 132, 1721–1745.
38. Ralph, F. M., Wick, G. A., Gutman, S. I., Dettinger, M. D., Cayan, D. R., & and White, A. B. (2006). Flooding on California’s Russian river: Role of atmospheric rivers. Geophysical Research Letters, 33, L13801.
39. Ward, J. H. (1963). Hierarchical grouping to optimize an objective function. Journalof the AmericanStatistical Association, 58, 236–244.
40. Wilks, D. (2006). Statistical methods in the atmospheric sciences (2^nd ed.). Cambridge: Academic Press Elsevier.
41. Zhu, Y., & Newell, R. E. (1998). A proposed algorithm for moisture fluxes from atmospheric rivers. Monthly Weather Review, 126, 725–735/
42. Zhu, Y., Newell, R. E. (1994). Atmospheric rivers and bombs. Geophysical Research Letters, 21(18), 1999–2002.