Synoptic Analysis of the Impact of Cut-Off Lows in Heavy Rains in Iran

Document Type : Research Article

Authors

• Shahram Lotfi ¹
• Tayebeh Akbari Azirani ²
• Alireza Shakiba ³
• Fatemeh Rabbani ⁴
• Amena Dashtbozorgi ⁵

¹ PhD in Climatology, Department of Physical Geography, Faculty of earth sciences, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

² Assistant Professor of Climatology, Department of Physical Geography, Faculty of earth sciences, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

³ Associate Professor in Climatology, Center for Remote Sensing and GIS Studies, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

⁴ PhD in Climatology, Payam Noor University Lecturer, Parand Branch, Tehran, Iran

⁵ PhD in Climatology, Research Associate of Center for Remote Sensing and GIS Studies, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

10.22067/geoeh.2023.79894.1314

Abstract

Nowadays, heavy rains are an important aspect of climate studies because of their dangers and damage. Cut-off lows are influential in the occurrence of heavy rainfall in Iran by creating atmospheric instability. In this regard, first, the climatic variables of temperature, precipitation, and geopotential height of 500 hPa were investigated in connection with the formation of cut-off low during the period 1986-2018. Then, to predict the changes of the cut-off low event in the future and its impact on heavy precipitation, ECMWF database ERA-Interim version and CMIP5 models with CORDEX exponential microscale approach under two scenarios of optimistic release RCP4.5 and pessimistic RCP8. 5 was used until 2099. The results showed that in the RCP4.5 scenario, the increase in precipitation was estimated to be at least 2.41 mm, and in the RCP8.5 scenario, the maximum precipitation decrease was estimated to be 91 mm. The surface pressure anomalies of 500 hPa will increase by 61.5 and 92.5 geopotential meters based on RCP4.5 and RCP8.5. The lowest frequency cut-off low events was in 1995 and 1996 with 10 events, and the highest event was in 1986 with 30 events. With the increase of air temperature and the advance of subtropical high pressure towards high latitudes, the place of formation and the path of movement cut-off low in 33 years have been extended towards northern latitudes, which indicate the effects of change of the climate in Iran. The existence of a significant positive relationship between the frequency cut-off low events and heavy rainfall was confirmed at the 5% error level. Moreover, the impact of cut-off low on the frequency of heavy rainfall in Iranian stations, especially the northern stations, has been more impressive.

Graphical Abstract

Keywords

• Climate Change
• Cut-off Low
• CORDEX Dynamic Downscaling Method
• CMIP5
• RCP Scenarios

---

References

اشرف، سمیه؛ 1393. تحلیل همدیدی سامانه‌های سیل زا در حوضه‌ قره‌سو، پایان‌نامه کارشناسی ارشد. دانشکده ادبیات و علوم انسانی. دانشگاه محقق اردبیلی.

امیدوار، کمال؛ الفتی، سعید؛ اقبالی بابادی، فریبا؛ مرادی، خدیجه؛ 1392. واکاوی ترمودینامیکی بارش­های سنگین ناشی از پدیدة سردچال در نواحی مرکزی و جنوب غرب ایران در بارش 11 آذر 1387. فصلنامه جغرافیا و مخاطرات محیطی، شماره پنجم، بهار 1392، ص 1-19.

https://doi.org/10.22067/geo.v2i1.16881

امیدوار، کمال؛ صفرپور، فرشاد؛ محمودآبادی، مهدی؛ الفتی، سعید؛ 1389 .تحلیل همدیدی اثرهای سردچال در وقوع بارش‌های شدید در مرکز و جنوب غرب ایران. مجله برنامه‌ریزی و آمایش فضا. دوره 14 . شماره 4، صص 161-189.

http://hsmsp.modares.ac.ir/article-21-3422-fa.html

امیدوار، کمال؛ نارنگی فرد، مهدی؛ محمودآبادی، مهدی؛ فخاری واحد؛ مجتبی؛ 1394. واکاوی ترمودینامیکی و همدید بارش‌های استثنایی بهاره و نقش ارتفاع ابر در رخداد بارش­ها در شیراز. جغرافیایی سرزمین. 12(47)، 93-111.

https://journals.srbiau.ac.ir/article_9638.html

بابایی فینی، ام السلمه. فرج زاده اصل، منوچهر؛ 1381. الگوهای تغییرات مکانی و زمانی بارش در ایران. مدرس علوم انسانی، 6(4 (پیاپی 27))، 51-70. https://sid.ir/paper/6948/fa

باباییان، ایمان؛ نجفی نیک، زهرا؛ زابل عباسی، فاطمه؛ حبیبی نوخندان، مجید؛ ادب، حامد؛ ملبوسی، شراره؛ 1388. ارزیابی تغییر اقلیم کشور در دوره‌ی ۲۰۳۹- ۲۰۱۰ میلادی با استفاده از ریزمقیاس نمایی داده‌های مدل گردش عمومی جو. جغرافیا و توسعه، 7 (پیاپی 16)، 135-152.

https://doi.org/10.22111/gdij.2009.1179

بلیانی، سعید؛ سلیقه، محمد؛ 1395. تحلیل و استخراج الگوهای جوی منجر به بارش‌های سنگین روزانه منطقه شمال خلیج فارس موردمطالعه: حوضه­های آبریز حله و مند. تحلیل فضایی مخاطرات محیطی. 3(2)، 79-98.

http://dx.doi.org/10.18869/acadpub.jsaeh.3.2.79

پروین، نادر؛ 1396. بررسی مرکز تغییرات تراز میانی جو مؤثر بر روزهای خشک در حوضه آبریز زاب کوچک با استفاده از PCA. نشریه تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، سال هفدهم، شماره 46، پاییز 96، صفحه 23 – 43.http://dorl.net/dor/20.1001.1.22287736.1396.17.46.6.6

حاجی خانی، نسیم؛ 1397. نقش سردچال‌های جوی عرض‌های میانه در تداوم بارش‌های روزانه غرب ایران، پایان نامه کارشناسی ارشد. دانشکده ادبیات و علوم انسانی. دانشگاه رازی.

حجازی زاده، زهرا؛ حلبیان، امیرحسین؛ کربلائی درئی، علیرضا؛ طولابی نژاد، میثم؛ 1399. واکاوی تغییرات مقادیر حدی بارش در گستره‌ ایران زمین. مخاطرات محیط طبیعی. جلد 7، شماره 23، ص 135-150.

https://doi.org/10.22111/jneh.2019.29874.1519

حجازی زاده، زهرا؛ جعفرپور، زین العابدین؛ پروین، نادر؛ 1386. بررسی و شناسایی الگوهای سینوپتیکی تراز ۵۰۰ هکتوپاسکال مولد سیلاب‌های مخرب و فراگیر سطح حوضه آبریز دریاچه ارومیه، نشریه تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی (علوم جغرافیایی)، جلد 7، شماره 10. صص 125-155.

http://jgs.khu.ac.ir/article-1-545-fa.html

حلبیان، امیرحسین؛ 1388. تحلیل همدید ارتباط پرفشار آزور با دماهای بیشینه ایران. فصلنامه تحقیقات جغرافیایی. شماره 96. ص 51-78. https://www.sid.ir/fa/VEWSSID/J_PDF/553139010008.pdf

حمزه سرکانی، میترا؛ 1397. بررسی پدیده تغییر اقلیم در منطقه خاورمیانه. پایان‌نامه کارشناسی­ارشد. پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، گروه مهندسی آبیاری و آبادانی.

حیدری منفرد، زهرا؛ 1392. تحلیل آماری و سینوپتیکی بارش تگرگ در منطقه شمال غرب ایران، پایان‌نامه کارشناسی ارشد. دانشکده ادبیات و علوم انسانی. دانشگاه زنجان.

خورشیددوست، محمدعلی؛ رضایی بنفشه، مجید؛ خرم آبادی، فرحناز؛ رشیدی حسن آبادی، اسماعیل؛ 1398. بررسی تغییرات بارش‌های حدی در ایران مرکزی،چهارمین کنفرانس معماری،مهندسی عمران،کشاورزی و محیط زیست، https://civilica.com/doc/1000406

خوش اخلاق، فرامرز؛ احمدی، نعمت؛ کریمی احمدآباد، مصطفی؛ 1398. واکاوی همدید اثر گرمایش جهانی بر روند دمای ترازهای جوّی در ایران. اطلاعات جغرافیایی، 28(109 )، 211-222. magiran.com/p1985802

دارند، محمد؛ 1393. شناسایی تغییرات ارتفاع ژئوپتانسیل، تاوایی و فشار تراز دریای الگوهای گردش جوی غالب مؤثر بر اقلیم ایران زمین. پژوهش‌های جغرافیای طبیعی (پژوهش‌های جغرافیایی)، 46(3)، ص 349-374.

https://doi.org/10.22059/jphgr.2014.52136                                                                       

دوستان، رضا؛ 1398. تحلیلی بر تغییرات بارش درایران. پژوهش‌های اقلیم‌شناسی13-25. https://clima.irimo.ir/article_113829.html                                                                  

دوستکامیان، مهدی؛ میر موسوی، حسین؛ ستوده، فاطمه؛ 1395. بررسی و تحلیل الگوی فضایی تغییرات درون دهه‌ای بارش‌های سنگین و فوق سنگین ایران، جغرافیا و برنامه ریزی محیطی پاییز 1395 - شماره 63،‎20، ص 67-86 . https://doi.org/10.22108/gep.2017.97958                                                           

راستی، فاطمه؛ امیدوار، کمال؛ 1393. تحلیل همدیدی اثر سردچال در وقوع شدیدترین بارش مشهد طی دوره آماری 49 ساله (1340 – 1389). دومین همایش ملی پژوهش‌های کاربردی در جغرافیا و گردشگری. https://civilica.com/doc/413510

رضایی، حسین؛ 1396. نقش کم‌فشارهای بریده در بارش ایران. رساله دکتری آب و هواشناسی. دانشکده جغرافیا. دانشگاه تهران.

سیدکابلی، حسام؛ 1395. عدم قطعیت مقادیر شدت-فراوانی بارش‌های حداکثر در اثر تغییر اقلیم آتی (مطالعه موردی: استان خراسان رضوی). تحقیقات منابع آب ایران 12 (12)، 103-93.

https://www.virascience.com/article/131355/

 

شفیعی، شهاب؛ 1395. بررسی آستانه بارش‌های حدی (فرین) و واکاوی همدیدی الگوهای مؤثر بر وقوع آن­ها در غرب ایران. رساله دکتری آب و هواشناسی (مخاطرات محیطی). پردیس علوم انسانی و اجتماعی. دانشگاه یزد.

عساکره، حسین. رزمی، رباب؛ 1390. اقلیم شناسی بارش شمال غرب ایران، مجله جغرافیا و توسعه، شماره 25، ص 158 – 137. https://doi.org/10.22111/gdij.2011.514                                                           

عساکره، حسین؛ 1390. مبانی اقلیم‌شناسی آماری. انتشارات دانشگاه زنجان.

لشکری، حسن؛ محمدی، زینب؛ 1394. اثر موقعیت استقرار پرفشار جنب حاره ای عربستان بر سامانه های بارشی در جنوب و جنوب غرب ایران. نشریه پژوهش‌های جغرافیای طبیعی. بهار 1394.  شماره91. ص 73-90.

https://doi.org/10.22059/jphgr.2015.53679                                                                      

ناصری، نرگس؛  1396. تأثیر سامانه بلاکینگ بر بارش‌های ایران. پایان‌نامه کارشناسی ارشد. دانشکده ادبیات و علوم انسانی دکتر علی شریعتی. دانشگاه فردوسی مشهد.

 

Abatzoglou, John T. 2016. Contribution of Cutoff Lows to Precipitation across the United States. Journal of applead Meteorology and Climatology Volume55. DOI: https://doi.org/ 10.1175/JAMC-D-15-0255.1

Aich V, Akhundzadah N A, Knuerr A, Khoshbeen A J, Hattermann F, Paeth H, Scanlon A, Nora Paton E. 2015. Climate Change in Afghanistan Deduced from Reanalysis and Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX), South Asia Simulations, Climate, Vol 5 (38): pp 1-25.

Alijani B. 2011. Spatial analysis of the critical temperatures and daily precipitation in Iran. Journal of Geographical Sciences and Applied Research 11(20): 1–29. http://jgs.khu.ac.ir/article-1-593-fa.html

Almazorei, R. E., H. O. Hygen, R. van Dorland, J. Cook, D. Nuccitelli, 2015, Agnotology: Learning from Mistakes, Earth Systems Dynamics, Vol. 4, pp. 451-505.

Asakereh. H. 2008. Spatio - Temporal Changes of Iran Inland Precipitation during Recent
Decades. Geography and Development Iranian Journal. 5(10). pp. 145-164.

Buckley BW, Leslie LM, Sullivan W, Leplastrier M, Qi L. 2007. A rare East Indian Ocean autumn season tropical cut-off low: impacts and a high-resolution modelling study. Meteorol Atmos Phys 96:61-84.

Darand, M. 2014. Analysis of variations in extreme temperature and precipitation in Oromieh indices as the signs of climate change. Journal of Water and Soil Conservation, 21(2), 1-29.

Davies JM. 2006. Tornadoes with cold core 500-mb lows. Wea. Forecasting, 21, 1051–1062, https://doi.org/10.1175/WAF967.1

Davis JC. 1998. Statistics and data Analysis in geology :2nded. New Yourk:John, wily&sons. DOI: https://doi.org/10.1175/JCLI-D-19-0497.1

Favre A, Hewitson B, Tadross M, Lennard C, Mota R. 2012. Relationships Between CutOff Lows and The Semiannual and Southern Oscillations, Climate Dynamics, Vol. 38, pp. 1473-1487

Ferreira, R.N. Cut-Off Lows and Extreme Precipitation in Eastern Spain: Current and Future Climate. Atmosphere 2021, 12, 835. https://doi.org/10.3390/atmos 12070835

Griffiths M, Reeder MJ, Low DJ, Vincent RA. 1998 Observations of a cut-off low over southern Australia. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 124, 1109–1132, https://doi.org/10.1002/qj.49712454805

Guhathakurta. P. Sreejith. O.P. Menon. P.A. 2011. Impact of climate change on extreme
rainfall events and flood risk in india. Journal of Earth system science. 120(3). pp. 359-373.

Hirota NY, Takayabu N, Kato M, Arakane S. 2016. Roles of an atmospheric river and a cutoff low in the extreme precipitation event in Hiroshima on 19 August 2014. Mon.Wea. Rev., 144, https://doi.org/10.1175/MWR-D-15-0299.1

Homar V, Gaya M, Ramis C. 2001. A synoptic and mesoscale diagnosis of a tornado outbreak in the Balearic Islands. Atmos. Res., 56, 31–55, https://doi.org/10.1016/S0169-8095(00)00087-9

IPCC. 2022. Intergovernmental Panel on Climate Change. Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change The Working Group III report provides an updated global assessment of climate change mitigation progress and pledges, and examines the sources of global emissions. It explains developments in emission reduction and mitigation efforts, assessing the impact of national climate pledges in relation to long-term emissions goals.

Kao, S. C., & Ganguly, A. R. 2011.Intensity, duration, and frequency of Precipitation Extremes under 21st‐century warming scenarios. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, https://doi.org/10.1029/2010JD015529

Kendall M.G. 1975. Rank Correlation Methods, Griffin, London.

Kjellström E, Nikulin G, Strandberg G, Christensen OB, Jacob D, Keuler K, Lenderink G, van Meijgaard E, Schär C, Somot S, Sørland SL, Teichmann C, Vautard R. 2018. European climate change at global mean temperature increases of 1.5 and 2∘ C above pre-industrial conditions as simulated by the EURO-CORDEX regional climate models. Earth Syst Dyn 9(2):459–478. https://doi.org/10.5194/esd-9-459-2018.

Lelieveld J, Proestos Y, Hadjinicolaou P, Tanarhte M, Tyrlis E, Zittis G. 2016. Strongly increasing heat extremes in the Middle East and North Africa (MENA) in the 21st century, Climatic Change, 137(1-2), 245- 260.

Lu, J., C. Deser, and T. Reichler., 2009, Cause of the widening of the trop-ical belt since 1958, Geophys Research. Letters, 36, L03803, https://doi.org/10.1029/2008GL036076

Mann, H. B, 1945. Nonparametric tests against trend. Econometrica. Journal of the Econometric Society, 245-259.

Mohr S, Coauthors. 2020. The role of large-scale dynamics in an exceptional sequence of severe thunderstorms in Europe May–June 2018. Wea. Climate Dyn., 1, 325–348, http://dx.doi.org/10.5194/wcd-1-325-2020

Munoz, Cristian. Schultz, David. Vaughan, Geraint. 2020. A Midlatitude Climatology and Interannual Variability of 200- and 500-hPa Cut-Off Lows. American Meteorological Society. For information regarding reuse of this content and general copyright information, consult the AMS Copyright Policy (www.ametsoc.org/PUBSReuseLicenses). Page(s): 2201–2222.

Nieto R, Gimento L, Torre L, Ribera P, Gallego D, Herrera R, Garcia J, Nunez M, Redano A, Lorente J. 2005. Climatological features of Cutoff Low Systems in the Northern Hemisphere, Journal of Climate, Volume 18, PP 3085-3103.

Palmén E, Newton C. 1969. Atmospheric Circulation Systems, Academic Press, http://n2t.net/ark:/85065/d789173b

Porcu F, Carrassi A, Medaglia CM, Prodi F, Mugnai A. 2007. A study on cut-off low vertical structure and precipitation in the Mediterranean region. Meteorol Atmos Phys 96:121–140.

Rahimi, M. , Mohammadian, N. , Vanashi, A.Whan, K., 2018. Trends in Indices of Extreme Temperature and Precipitation in Iran over the Period 1960-2014.

Rahimi, M., & Fatemi, S. S. 2019. Mean versus Extreme Precipitation Trends in Iran over the Period of 1960–2017. Pure and Applied Geophysics, 1-19. https://link.springer.com/ article/ 10.1007/ s00024-019-02165-9

Riley E. Dunlap, Aaron M. McCright  2010. Climate change denial: sources, actors and strategies.”Routledge handbook of climate change and society.

Schumacher RS, Johnson RH. 2008. Mesoscale processes contributing to extreme rainfall in a midlatitude warm-season flash flood. Mon. Wea. Rev., 136, 3964–3986, https://doi.org/10.1175/2008MWR2471.1

Seko HM, Kunii S, Yokota T, Tsuyuki T. 2015. Ensemble experiments using a nested LETKF system to reproduce intense vortices associated with tornadoes of 6 May 2012 in Japan. Prog. Earth Planet. Sci., 2, 42, https://progearthplanetsci.springeropen.com/ articles/10.1186/ s40645-015-0072-3

Sen PK. 1968. Estimates of the regression coefficient based on Kendall’s Tau. Journal of the American Statistical Association. 63. Pp 1379-1389.

Seyed Kaboli. H. 2016 .Uncertainty of extreme rainfall intensity and frequency under future climate change impact: Khorasan-Razavi province. IR-WRR. 12(2). pp. 93-103.

Singleton A, Reason T. 2007. A numerical model study of an intense cutoff low pressure system over South Africa. Mon. Wea. Rev., 135, 1128–1150, https://doi.org/10.1175/MWR3311.1

Taljaard, J. (1985), Cut-off lows in the South African region, South African Weather Bureau Technical Paper14.

Tibaldi S, Molteni F. 1990. On the operational predictability of blocking. Tellus, 42A, 343-365.

Tsuboki K, Ogura Y. 1999. A potential vorticity analysis of thunderstorm-related cold lows (in Japanese). Tenki, 46, 453–459.

Tsuji, Hiroki Takayabu, Yukarin. 2019. Precipitation Enhancement via the Interplay between Atmospheric Rivers and Cutoff Lows. American Meteorological Society. For information regarding reuse of this content and general copyright information, consult the AMS Copyright Policy (www.ametsoc.org/PUBSReuseLicenses). Vol. 147, Iss. 7,  (Jul 2019): 2451-2466. https://doi.org/10.1175/MWR-D-18-0358.1

Warnatzsch EA, Reay DS. 2019. Temperature and precipitation change in Malawi: Evaluation of CORDEX-Africa climate simulations for climate change impact assessments and adaptation planning. Science of the Total Environment, 654, 378-392.

Wei, P., Shi, J., Cui, L., & Zhang, B. (2018).Spatio-temporal characteristics of extreme precipitation in East China from 1961 to 2015. Meteorologische Zeitschrift. http://dx.doi.org/10.1127/metz/2018/0849

Zhao S, Sun J. 2007. Study on cutoff low-pressure systems with floods over Northeast Asia. Meteor. Atmos. Phys., 96, 159–180, https://link.springer.com/article/10.1007/s00703-006-0226-3.