آشکارش اتوماتیک پیچک‌های خلیج‌فارس و مطالعه‌ی ساختار و خواص فیزیکی آن‌ها

پیشینه و اهداف: پیچک‌ها، توده‌های آب نسبتاً بزرگ و چرخان در محیط دریاها هستند که مشابه گردبادها در جوّ هستند و غالباً با جریان‌های بزرگ دریایی همراه هستند. برای مثال در کناره‌­های جریان کوروشیو غالباً پیچک­‌های میان­مقیاسی با شعاع از ده تا صدها کیلومتر وجود دارد. پیچک­های دریایی هنگامی امکان تشکیل شدن دارند که جریان ناپایدار شده و این ناپایداری رشد کرده و باعث پیچش جریان شود و در نهایت یک پیچک حاصل شود. مطابق با مطالعات قبلی، پیچک­‌ها به‌کندی حرکت می­‌کنند و بنابراین در مقایسه با جریان­های غالب می­توانند به‌عنوان یک ساختار شبه­‌استاتیک در ستون آب لحاظ شوند. ازآنجا که حمل توده­آب‌های گرم یا سرد می‌تواند توسط پیچک­‌ها صورت بگیرد، درنتیجه خواصی نظیر توزیع دما و شوری حوضه دچار تغییرات قابل­ ملاحظه­‌ای شده به‌نحوی‌که این تغییرات می­تواند بر غلظت مواد مغذی، پخش و انتشار آلاینده‌­ها و تغییرات سرعت صوت در آب اثرگذار باشد؛ بنابراین مطالعه پیچک­‌ها اهمیت بسیار زیادی در ماهیگیری، محیط‌زیست، صنایع نظامی و دریانوردی دارند.روش‌ها‌: در این مطالعه از الگوریتم هندسه برداری که بر اساس چرخش بردارهای سرعت جریان به شناسایی و استخراج پیچک­‌ها می‌پردازد، در خلیج‌­فارس استفاده شده است. ورودی‌های این الگوریتم که مولفه‌های افقی سرعت جریان در لایه­‌های مختلف هستند، حاصل از مدل­سازی عددی هیدرودینامیکی جریان (گردش آب) توسط مدل مایک هستند. پس از استخراج پیچک‌ها به کمک الگوریتم، خواص آن‌ها مورد بررسی قرار گرفت.یافته‌ها: نتایج الگوریتم در 25 لایه 2 متری از سطح تا عمق 50 متری استخراج شده است. در مجموع 4308 پیچک چرخندی و 2860 پیچک واچرخندی در لایه­‌ی سطحی و 617 پیچک چرخندی و 329 پیچک واچرخندی در پایین­ترین لایه یعنی عمق 50 متری شناسایی شد. پیچک­های با کمترین طول عمر در فصل تابستان و بیشترین در فصل زمستان است. همچنین میانگین طول عمر پیچک­‌های چرخندی نسبت به واچرخندی نیز در همه فصول به غیر از زمستان اندکی بیشتر است. هرچه طول عمر پیچک‌­ها بیشتر باشد در اعماق بیشتر نفوذ می‌­کنند و پیچک‌­های با طول عمر کمتر بیشتر در لایه­‌های سطحی مشاهده می‌شوند. همچنین در برخی لایه‌­ها تعداد پیچک­‌ها نسبت به لایه­‌ی بالاتر اندکی افزایش نشان می­‌دهد و این حاکی از تشکیل پیچک‌­ها در لایه‌­های میانی است. در فصل تابستان مشخصه شوری را می­توان به‌عنوان یکی از علائم وجود پیچک و در فصل زمستان دما را به‌عنوان شاخصی برای شناسایی پیچک لحاظ کرد. با این تفاسیر هرگاه کاهش یا افزایش در دما یا شوری به‌صورت شعاعی رخ دهد، می‌توان احتمال وقوع پیچک در آن ناحیه را در نظر گرفت؛ البته این گرادیان دما و شوری هرگاه با چرخش جریان همراه شود و تا چند روز حداقل ادامه داشته باشد، احتمال رویداد به‌مراتب افزایش می‌یابد.نتیجه‌گیری: پیچک­‌های خلیج‌­فارس ازجمله ساختارهای چرخشی جریان در این حوضه آبی هستند که نقش مهمی در گردش جریان، تغییرات دما-شوری و اکوسیستم آن دارند. ازآنجا که این جریان­‌ها پیچیدگی­‌های خاص خود را دارند و سازوکار شکل‌گیری آن‌ها به‌طور دقیق شناخته نشده است، مطالعه و بررسی خواص و ویژگی­های فیزیکی و هندسی منجر به درک و شناخت از آن‌ها می­‌شود. در این مطالعه از الگوریتم هندسه برداری به‌منظور شناسایی، استخراج و تحلیل پیچک­‌های واقع در خلیج‌فارس استفاده شد. پس از شناسایی پیچک­‌ها توسط الگوریتم ویژگی‌های آن‌ها از قبیل میانگین فصلی مدت دوام، تغییرات تعداد برحسب عمق، ساختار قائم آن‌ها، توزیع فصلی آن‌ها و نیمرخ قائم دما و شوری آن‌ها مورد بحث و بررسی قرار گرفت.

Automatic detection of eddies in Persian Gulf and study of their structure and physical properties

Background and Objectives: Eddies are relatively large, rotating masses of water in the seas that are similar to tornadoes in the atmosphere and are often accompanied by large ocean currents. For example, on the sides of the Kuroshio current, there are often mesoscale eddies with a radius of ten to hundreds of kilometers. An eddy can form when the current becomes unstable and this instability grows and causes the current to twist and eventually an eddy is obtained. According to previous studies, eddies move slowly and can therefore be considered as a quasi-static structure in the water column compared to the dominant currents. Because warm or cold water masses can be transported by eddies, properties such as temperature and salinity distributions of the basin have undergone significant changes so that these changes can affect the concentration of nutrients, the spread of pollutants, and changes in sound speed in water be effective. So, the study of Eddies is very important in fishing, the environment, military, and maritime industries.Methods: In this study, a vector geometry algorithm based on the rotation of flow velocity vectors to identify and extract eddies in the Persian Gulf has been used. The inputs of this algorithm, which are the horizontal components of velocity in different layers, are the result of numerical modeling of hydrodynamic circulation by Mike model. After extracting eddies using the algorithm, their properties were investigated.Findings: The results of the algorithm are extracted in 25 layers with thickness of 2 meters from the surface to a depth of 50 meters. A total of 4308 cyclonic eddies and 2860 anticyclonic eddies were identified in the surface layer and 617 cyclonic eddies and 329 anticyclonic eddies in the lowest layer, i.e. 50 meters depth. Eddies have the shortest lifespan in summer and the longest in winter. Also, the average lifespan of cyclonic eddies is slightly longer than anticyclonic eddies in all seasons except winter. The longer the lifespan of eddies, the more they penetrate to the depths, and the longer the lifespan of eddies is observed in the surface layers. Also, in some layers, the number of eddies increases slightly compared to the upper layer, and this indicates the formation of eddies in the middle layers. In summer, salinity can be considered as one of the signs of Eddie’s presence and in winter, temperature can be considered as an indicator for identifying eddy. With these interpretations, whenever a decrease or increase in temperature or salinity occurs radially, the possibility of eddy occurring in that area can be considered; Of course, this temperature and salinity gradient increases the probability of the event whenever it is accompanied by a rotation of the current and lasts for at least a few days.Conclusion: Persian Gulf eddies are among the rotational structures of the current in this watershed that play an important role in the circulation, temperature-salinity changes and its ecosystem. Because these structures have their own complexities and the mechanism of their formation is not precisely known, the study of physical and geometric properties and characteristics leads to understanding of them. In this study, the vector geometry algorithm was used to identify, extract and analyze eddies located in the Persian Gulf. After identifying the Eddies by the algorithm, their characteristics such as the seasonal average lifespan, number changes in terms of depth, their vertical structure, their seasonal distribution and their vertical profile of temperature and salinity were discussed.