فهرست مطالب

ژئوفیزیک ایران - سال دوازدهم شماره 3 (پیاپی 40، 1397)
  • سال دوازدهم شماره 3 (پیاپی 40، 1397)
  • تاریخ انتشار: 1397/07/17
  • تعداد عناوین: 9
|
  • بهمن تاج فیروز، عباس علی علی اکبری بیدختی *، مجتبی عظام، کامران لاری صفحات 1-20
    در این تحقیق سعی شده است با استفاده از داده های کوتاه مدت و ابزارهای تحلیل و پیش بینی کشند نرم افزار مایک 21، کاربرد درست ابزارهای تحلیل و تولید داده های کشند ارتفاعی برای استفاده در داده های مرز باز (open boundary) مدل های هیدرودینامیکی معرفی شود. مایک 21 نرم افزاری قدرتمند در زمینه شبیه سازی پارامترهای اقیانوسی و دریایی است. از اطلاعات کشندی برای تولید داده های مرز باز شبیه سازی های دوبعدی و سه بعدی مدل های هیدرودینامیکی استفاده می شود. دقت نتایج شبیه سازی جریان های کشندی و کشند ارتفاعی، موج، انتقال رسوب و سایر پارامترهای دریایی، وابستگی تام به دقت داده های مرز باز ورودی کشند در مدل هیدرودینامیکی دارد. این تحقیق، بهترین روش تحلیل و تولید داده های کشندی را با استفاده از ابزارهای تحلیل و پیش بینی کشند در نرم افزار مایک معرفی می کند. در این مقاله با استفاده از ابزارهای تحلیل، مهم ترین اطلاعات ساعتی یک ساله کشندی ایستگاه های دائمی بنادر چابهار، شهید رجایی و بوشهر تجزیه و تحلیل می شوند. این تحلیل ها در دوره های بلندمدت یک ساله، سی روزه، پانزده روزه و ده روزه با استفاده از روش کانادایی گودین - فرمن (Godin-Forman) و روش آدمیرالتی (Admiralty) انجام می شوند. سپس مولفه های حاصل از تحلیل کشند با مقادیر متناظرشان از مدل کشندی TMD مقایسه و ضرورت استفاده از تحلیل داده های کوتاه مدت برای اصلاح مقادیر مدل کشندی در مناطق خاص بررسی می شود. در ادامه، با استفاده از ابزار کشند موجود در نرم افزار، مثال هایی از داده های ساعتی یک ساله کشندی ایستگاه های دائمی مطرح و درباره روش های تولید دقیق تر داده های کشندی از مشاهدات بلند مدت وکوتاه مدت برای استفاده در شرایط مرز باز مدل های هیدرودینامیکی بحث خواهد شد. در نهایت، نتایج ارائه شده از لحاظ آماری، ارزیابی و ابزارهای مناسب انجام تحلیل و پیش بینی داده های کشندی در دوره های مختلف معرفی خواهد شد.
    کلیدواژگان: تحلیل و پیش بینی، مدل کشندی، مولفه هارمونیک، مدل هیدرودینامیکی، مایک 21، دریای عمان و خلیج فارس
  • علی محمدی، علی رضا محب الحجه*، مجید مزرعه فراهانی صفحات 21-38

    درون یابی یکی از ابزارهای ضروری برای پژوهش های هواشناسی است. کاربرد روش‏های درون یابی در پیش‏بینی عددی پررنگ‏تر است به گونه ای که از ارکان اصلی حل معادلات با روش های لاگرانژی و نیمه‏لاگرانژی است. یکی از مشکلات عمده در اختصاص یک چندجمله‏ای به تابع مورد نظر برای درون یابی، نایکنوایی است. معمولا در یک چندجمله‏ای، هنگام درون یابی در بازه بین دو نقطه، بیشینه و کمینه نسبی ایجاد می‏شود، مگر آنکه تابع یکنوا باشد. تولید بیشینه و کمینه نسبی در این بازه، سبب می‏شود که مقدار درون یابی شده در خارج از بازه داده‏ها قرار گیرد که این عامل، باعث بروز خطای فاحش در محاسبات عددی می‏شود. به همین دلیل، پژوهشگران تلاش‏های زیادی را برای حذف بیشینه و کمینه‏های نسبی در بازه‏های مورد درون یابی کرده اند که عمده آنها برای چندجمله‏ای هرمیت درجه سوم انجام شده است.
    یکنوا کردن تابع درون یابی، با استفاده از تغییر مشتق در نقاط اصلی صورت می‏گیرد. با تغییر مشتق، مقدار خطای درون یابی نیز تغییر می کند؛ بنابراین ایده اصلی برای کم کردن خطا این است که برای نیل به یکنوایی، مشتق کمترین تغییر ممکن را داشته باشد.
    در این پژوهش، از چندجمله‏ای درجه سوم هرمیت برای درون یابی یکنوا استفاده می شود و با اعمال کمترین تغییرات روی مشتق، میزان خطای یکنواسازی به حداقل ممکن کاهش می یابد. سپس نتایج با سایر روش‏های درون یابی یکنوا مقایسه می شود. بهبود عملکرد با حفظ خمیدگی در بازه مورد درون یابی، از نتایج این پژوهش است.
    کلیدواژگان: درون یابی، یک نوا، چندجمله‏ای هرمیت، تبدیل مختصات
  • جواد باباگلی * عباس علی علی اکبری بیدختی، زهرا سلمانی قزوینی صفحات 39-52
    این پژوهش به بررسی پارامترهای فیزیکی آب های حوزه خزر جنوبی و امکان رخداد امواج کلوین ساحلی در دریای خزر به کمک داده های ADCP، CTD، داده های هواشناسی، تراز سطحی و تصاویر ماهواره ای می پردازد. بررسی ها نشان می دهد بیشترین اثرپذیری ساختار چینه بندی حوزه جنوبی به دلیل تغییرات دمایی در این حوزه است و عامل شوری نقش کلیدی بازی نمی کند. ترموکلاین فصلی در حدود دو ماه از سال (بهمن و اسفند) در این حوزه ناپدید می شود و دوباره با گرم شدن هوا توسعه می یابد. داده های دستگاه سرعت سنجی نشان می دهد اندازه مولفه u سرعت بیشتر از مولفه v سرعت است و تا حدود دو برابر هم می رسد. منحنی چگالی طیفی سرعت سنج نشان می دهد که در این حوزه، بیشینه های چند ساعته تا چند روزه وجود دارند. در این پژوهش بیشینه هایی با دوره های 30، 40، 48 و 60 ساعت جزء امواج کلوین محسوب می شوند. در گام بعد، با بررسی داده های تراز سطحی، تصاویر ماهواره ای و داده های باد، دیده شد که بیشینه های گفته شده درباره امواج کلوین، در بیشینه های چگالی طیفی باد و تراز سطحی هم مشاهده می شوند. امواج کلوین دو مد باروتروپیکی و باروکلینیکی دارند ولی به احتمال زیاد، مد باروکلینیکی در این حوزه از اهمیت بیشتری برخوردار است. برای مد باروکلینیکی، شعاع تغییر شکل راسبی حدود 20 کیلومتر و سرعت گروه حدود 2/1 متر بر ثانیه تخمین زده شده است. شایان ذکر است که با توجه به این دوره ها، طول موج امواج در خزر جنوبی از 129 تا 259 کیلومتر متغیر بود که این موضوع با تصاویر ماهواره ای Aviso همخوانی نسبتا خوبی دارد.
    کلیدواژگان: خزر جنوبی، داده های میدانی، تغییرپذیری پارامترهای اقیانوس شناسی، امکان سنجی وقوع امواج کلوین ساحلی، صحت سنجی
  • غلام رضا مرتضی نژاد ، حبیب رحیمی * صفحات 53-69
    برای به دست آوردن توزیع سرعت گروه امواج لاو در شمال غرب ایران و نواحی اطراف آن در دوره های تناوب 7، 10، 20 و 25 ثانیه، از شکل موج 241 زلزله محلی و منطقه ای در توموگرافی سرعت گروه منحنی پاشش امواج لاو استفاده شد. نتایج این بررسی نشان می دهد ساختار پوسته در حوضه خزرجنوبی و ناحیه فروافتاده کورا تقریبا یکسان است اما با پوسته شمال غرب ایران تفاوت چشمگیری دارد. ناهنجاری های کم سرعت در دوره های تناوب کمتر از 10 ثانیه، در رسوبات ضخیم و کم سرعت حوضه خزرجنوبی مشاهده شد. در دوره های تناوب کمتر از 25 ثانیه، برای Aمجموعه به هم پیوسته شرق آناتولی@ که فعالیت های آتشفشانی بسیار بیشتری نسبت به سایر مناطق دارد، سرعت کمتری نسبت به دیگر مناطق مطالعه شده به دست آمد. نتایج نشان می دهد که ساختار پوسته در سه ناحیه تکتونیکی اصلی رشته کوه های زاگرس با یکدیگر متفاوت است. در دوره های تناوب کمتر از 25 ثانیه، پوسته بالایی خرد شده و فعال Aزاگرس رورانده و چین خورده@ - که همراه با گسل های معکوس و رورانده فعال و کم عمق و نرخ لرزه خیزی زیاد در این ناحیه است - به صورت یک بی هنجاری کم سرعت مشاهده می شود که مرزی واضح با بی هنجاری پرسرعت در ناحیه Aسنندج - سیرجان@ دارد. نتایج این تحقیق نشان می دهد ساختار پوسته در شمال غرب ایران تقریبا یکنواخت و با کمترین تغییرات است و با ساختار پوسته در نواحی حوضه خزرجنوبی، شرق ترکیه و کوه های زاگرس کاملا متفاوت است.
    کلیدواژگان: شمال غرب ایران، امواج لاو، سرعت گروه، توموگرافی
  • احسان تقی زاده، فرهنگ احمدی گیوی* صفحات 70-86

    ماهواره فعال/غیرفعال رطوبت خاک ((SMAP، برای نقشه برداری و پایش رطوبت سطحی خاک توسعه یافته است و در نقشه برداری طغیان رودخانه ها استفاده می شود. ازطرف دیگر، ماموریت اندازه گیری جهانی بارش (GPM) ، اولین ماهواره ای است که هدف آن اندازه گیری بارش باران و برف سبک و همچنین باران های شدید حاره ای است. بازیابی های یکپارچه چند ماهواره ای برای GPM (IMERG) ، برآوردهای شبه کره ای (°N60-°S60) از بارش را فراهم می آورد.
    در این مطالعه، تخمین بارش روزانه سه اجرای IMERG (نسخه 4) با داده های بارش 22 ایستگاه همدیدی سازمان هواشناسی کشور واقع در شمال غرب و غرب ایران، برای دوره آوریل 2016 تا فوریه 2017 مقایسه می شوند. کمیت های راست آزمایی برای دو آستانه وقوع بارش (mm/day 1/0) و نیز بارش های متوسط یا بیشتر (mm/day 5) محاسبه شدند. نتایج، فروتخمین این سه اجرا (محصولات) را برای بارش های بیشتر از mm/day 5 نشان می دهند، اگرچه میزان این فروتخمین برای محصول IMERG-F نسبت به دو محصول دیگر کمتر است. همچنین در آستانه دوم، احتمال آشکارسازی (POD) و امتیاز مهارتی پیرس (PSS) بیانگر کارایی بهتر محصول IMERG-F نسبت به دو محصول دیگر است. کمیت های نسبت هشدارهای نادرست (FAR) و احتمال آشکارسازی نادرست (POFD) برای هر سه محصول تقریبا یکسان است. به علاوه، در این تحقیق با استفاده از این دو سامانه ماهواره ای، نقشه برداری ماهواره ای سیل شدید در شمال غرب ایران در 14 آوریل 2017 (25 فروردین 1396) انجام شده است. مطابقت تغییرات محصول رطوبت خاک حاصل از SMAP با سامانه بارشی آشکارسازی شده توسط GPM، دلالت بر امکان استفاده عملیاتی ترکیبی این دو ماموریت برای ارزیابی و پایش سیل دارد.
    کلیدواژگان: ماهواره های GPM و SMAP، بارش، رطوبت خاک، سیل
  • راضیه قاسمی نیا، خلیل متقی *، عبدالرضا قدس، مرتضی طالبیان، لینگ چن صفحات 87-106
    کسب اطلاع از نحوه کاهش دامنه امواج لرزه ای در فواصل نزدیک نسبت به چشمه زمین لرزه ، نقش مهمی در تحلیل خطر لرزه ای دارد. گسترش هندسی، پارامتر اصلی کنترل کننده کاهندگی در فواصل کانونی نزدیک (کمتر از 70 کیلومتر) است. برای مطالعه گسترش هندسی موج برشی زلزله های کم عمق در فواصل کانونی نزدیک، منحنی کاهندگی تجربی برای دامنه های طیفی در ناحیه طارم - رودبار واقع در منطقه البرزغربی محاسبه شد. برای این تحلیل، از 3122 نگاشت متعلق به 170 زلزله، ثبت شده در فاصله کانونی 10 تا 70 کیلومتری استفاده شد. این زلزله ها را دو شبکه محلی موقت با حدود چهل ایستگاه در بازه زمانی مارس 2012 تا اکتبر 2014 ثبت کردند. بزرگای گشتاوری زلزله های انتخابی بین 8/1 تا 2/4 است؛ بنابراین می توان با اطمینان آنها را به عنوان چشمه نقطه ای درنظرگرفت. به کمک الگوریتم Robust Lowess، منحنی کاهندگی یک تکه در فرکانس های متفاوت با استفاده از برازش غیرپارامتری به داده ها به دست آمد. با فرض مدل کاهندگی یک تکه و با استفاده از رگرسیون، ضریب گسترش هندسی در معادله به دست آمده از روش طیفی، در فرکانس های بالاتر از 2 هرتز، حدود 6/1 به دست آمد. ضریب گسترش هندسی محاسبه شده نزدیک به مقادیر گزارش شده برای بیشتر معادلات جنبش قوی زمین برای رویدادهای کم عمق قاره ای (NGA-WEST2 GMPE) است. با میانگین گیری از مقادیر باقی مانده دامنه در هر ایستگاه پس از برازش، تصحیح ایستگاهی دامنه برای تک تک ایستگاه ها محاسبه شد. تصحیحات ایستگاهی محاسبه شده به طرزآشکاری اختلاف بین الگوی کاهندگی در شمال البرزغربی را در مقایسه با جنوب آن نشان می دهد. ایستگاه هایی که در دامنه های شمالی البرزغربی (دشت گیلان) قرار گرفته اند، کاهندگی کمتری نسبت به ایستگاه های واقع در جنوب منطقه نشان می دهند؛ بنابراین باید در تهیه نقشه های تحلیل خطر لرزه ای برای پهنه پرجمعیت گیلان به تفاوت جانبی کاهندگی دامنه امواج لرزه ای توجه شود.
    کلیدواژگان: کاهندگی لرزه ای، گسترش هندسی، البرزغربی
  • علی سبزی پرور*، فاطمه خوشحال جهرمی صفحات 107-121
    سرمازدگی یکی از مهم ترین مخاطرات جوی است که خسارات زیادی را به محصولات کشاورزی وارد می کند. یکی از راه های مدیریت و کاهش خسارت های ناشی از سرمازدگی، پیش بینی دمای کمینه است. به این منظور، با استفاده از آمار روزانه پارامترهای کمینه دما، بیشینه دما و دمای نقطه شبنم در دوره آماری 2009- 2005، کمینه دمای روز بعد در چهار ایستگاه با اقلیم های متفاوت توسط مدل رگرسیونی لیناکر و شبکه عصبی مصنوعی پرسپترون چند لایه (MLP) ، در کل سال، دوره سرد و دوره گرم پیش بینی شد. در این پژوهش برای ارزیابی عملکرد مدل ها از معیارهای آماری NRMSE،RMSE و R2 استفاده شد. نتایج نشان داد که از چهار ایستگاه، بهترین برآورد، با شبکه عصبی MLP با دو ورودی برای ایستگاه رشت به دست آمد که ریشه میانگین مربعات خطای آن برای کل سال، دوره سرد و دوره گرم به ترتیب 57/1، 61/1 و 21/1 است. برای بررسی نقش رطوبت نسبی در جهت بهبود مدل شبکه عصبی، این پارامتر به عنوان ورودی سوم به شبکه پرسپترون چند لایه افزوده شدکه در نتیجه آن، RMSE در دوره سرد سال برای ایستگاه های کرمان، شیراز، همدان (فرودگاه) و رشت به ترتیب 04/3، 86/2، 48/9 و 83/15 درصد بهبود یافت. این مقادیر برای دوره گرم سال 6، 33/13، 86/2 و 63/18 درصد بود؛ بنابراین اضافه کردن رطوبت نسبی به عنوان ورودی سوم به مدل شبکه عصبی، تنها در ایستگاه همدان – که براساس طبقه بندی یونسکو، اقلیم آن SA-K-W است - سبب بهبود بیشتر RMSE در دوره سرد سال نسبت به دوره گرم سال شده است درحالی که در سایر ایستگاه ها، اضافه کردن رطوبت نسبی در دوره گرم سال، منجر به کاهش بیشترخطا شده است. در جمع بندی می توان گفت که برای همه اقلیم های مورد مطالعه، شبکه های عصبی مصنوعی منتخب، کارایی بهتری را نسبت به مدل رگرسیونی لیناکر در پیش بینی دمای کمینه روز بعد از خود نشان می دهند.
    کلیدواژگان: پیش بینی، دمای کمینه، شبکه عصبی مصنوعی، رگرسیون
  • فاطمه حاجی میرزاعلیان، محمدرضا حاتمی *، وحید ملکی صفحات 122-144

    با اندازه گیری سازوکار کانونی زمین لرزه ها می توان جهت انتشار گسیختگی، ساختار گسل و میدان تنش منطقه را تعیین کرد. در دسترس بودن حجم وسیعی از زمین لرزه های کوچک، استفاده از آنها را برای این منظور حائز اهمیت کرده است. هدف این مطالعه، تعیین سازوکار کانونی 4204 زمین لرزه با بزرگای 5≤ Mn ≤ 2 ثبت شده در چهل و یک ایستگاه از ایستگاه های شبکه های لرزه نگاری مرکز لرزه نگاری کشوری در منطقه البرز با استفاده از قطبش اولین رسید موج P و نسبت دامنه موج S به دامنه موج P است. این زمین لرزه ها از سال 1997 تا ماه مه سال 2015 رخ داده اند. در این تحقیق از شکل موج های گیرنده های سه مولفه ای استفاده شده است. شکل موج های سرعت با انتگرال گیری، به شکل موج های جابه جایی تبدیل شدند. به دلیل ضعیف بودن کیفیت شکل موج های زمین لرزه های کوچک، کاتالوگی از سازوکار کانونی 277 زمین لرزه با بزرگای Mn بیشتر از 5/3، بر اساس زوایای امتداد، شیب و لغزش فراهم شد. به منظور بررسی عملکرد این روش در تعیین سازوکار گسلش در منطقه موردنظر، دوازده زمین لرزه مصنوعی نیز تولید شد که نتایج بررسی آنها ارائه خواهد شد.
    گسلش غالب در نواحی شمالی منطقه موردمطالعه، معکوس و در نواحی جنوبی امتداد لغز است. در امتداد باختری گسل طالقان، اکثر سازوکارها امتداد لغز چپگرد تعیین شده اند. راستای گسل ایندس، شمال باختری - جنوب خاوری است و در امتداد جنوب خاوری آن با توجه به سازوکارهای رویداد 18/6/2007 و تعدادی از پس لرزه های آن، گسلش منطقه معکوس است. نتایج این مطالعه با بیشتر نتایج مطالعات قبلی در این منطقه هماهنگی دارد.
    کلیدواژگان: سازوکار کانونی، نسبت دامنه موج S به دامنه موج P، منطقه البرز
  • سید هانی متولی عنبران *، وحید انتظار سعادت صفحات 145-154

    بخش قابل توجهی از گرمای مشاهده شده در سطح زمین، در مرکز زمین تولید می شود و بخشی دیگر نیز حاصل واپاشی مواد پرتوزا در پوسته است. این گرما با روش های هدایت و همرفت، به سطح زمین منتقل می شود.
    دانستن شیب حرارتی زمین می تواند در برآورد میزان بلوغ و دگرگونی مواد آلی هیدروکربن زا و برآورد سن نسبی هیدروکربن زایی سنگ منشا مفید باشد. اهمیت محاسبه توزیع دما و شار گرمایی در زمین آنجا مشخص تر می شود که می توان این اطلاعات را به سایر پارامترهای فیزیکی زمین نظیر چگالی، سرعت امواج لرزه ای، خواص شیمیایی و ذوب بخشی تبدیل کرد و از آنها برای مدل سازی دقیق تر ناهنجاری ها و لایه بندی های زیرسطحی استفاده کرد. شناخت اولیه زمین گرمایی می تواند در صنعت اکتشاف و تولید نفت و گاز به ‍ ویژه در طراحی ترکیب گل حفاری، سیمان، ابزارهای لاستیکی درون چاهی، به کارگیری ابزارهای نمودارگیری و دستگاه های الکترونیکی درون چاهی و طراحی لوله های حفاری به کار گرفته شود.
    در این مطالعه، معادله ای توسعه داده شده است که نحوه توزیع دما و شار گرمایی را برای یک مقطع عمقی با تعداد لایه دلخواه حساب می کند. هر لایه، تولید گرما و رسانش گرمایی مختص به خود را دارد. شرایط مرزی برای این محاسبه، انتقال گرما در راستای قائم و صرف نظر کردن از انتقال جانبی گرما و معین بودن دمای کف پایین ترین لایه و سطح بالاترین لایه است که در حالت واقعی (زمین) معمولا دمای کف سنگ کره و دمای سطح زمین درنظرگرفته می شود. برای راستی آزمایی، این معادله در محیط برنامه نویسی متلب توسعه داده شده و نحوه توزیع شار گرمایی و دما برای مدل های مصنوعی محاسبه شده است.
    کلیدواژگان: توزیع دما، توزیع شار گرمایی، رسانش گرمایی، تولید گرما، مدل دوبعدی چندلایه
|
  • Bahman Tajfirooz, Abbasali Aliakbari Bidokhti*, Mojtaba Ezam, Kamran Lari Pages 1-20

    The present article addresses a new approach form using tidal analysis of long and short observations of tidal heights by tidal tools of Mike 21 software. Predicted or observed tides must be available as open boundaries in a hydrodynamic model to simulate tidal currents. Mike 21 is a powerful software in simulating of marine and oceanic parameters. Hydrodynamic models use tidal data as a main input in the open boundaries of 2D/3D simulation. The accuracy of the simulation results from tides and tidal currents as well as sediment transportation and other related marine parameters, is quite dependent on accurate input data in the open boundaries of the hydrodynamic model.
    Large and meso-scale simulations usually use sophisticated global tidal models. These tidal models are prepared by assimilating of satellite altimeter data and tide gage data. The accuracy of such a tidal input seems to be quite sufficient. In shallower part of ocean, like estuaries and coastal areas, these data are not so accurate; therefore direct tide observations are important. On the other hand, long-term tide observations are limited due to technical and economical constraints.
    In this study, the appropriate solution to tidal analysis and predictions was introduced in the Mike 21 software to produce acceptable and accurate tidal height data. Mike 21 is provided with two different tidal analysis and prediction modules. The IOS and Admiralty methods of tidal analysis and prediction are known for the corresponding high quality functions. Using the software, the tidal analysis of sample data was discussed in order to produce the accurate tidal data. In this article, hourly tidal observations for a year which belonged to three stations in the Oman Sea and Persian Gulf were analyzed. All tidal analyses were performed for one year, 30, 15 and 10 days periods using Canadian IOS and Admiralty method software. The predicted tidal data were compared with respect to observed data for evaluating of computations. Residuals normally will describe such discrepancies, if there are no abnormal fluctuations of tides. These abnormal inconsistencies might be produced by storm surges and other non-tidal effects. The presented results were statistically analyzed. Two different statistical indices, Root Mean Square Error and Reduction in Variance, were used to evaluate predicted tide data. Consequently, the tool for appropriate analysis and predicting of tidal data of the different periods was introduced. It is shown that for long term tide observations, the IOS method is the proper solution for tidal analysis and prediction, while the Admiralty method is fitted for short term analysis and prediction of tides
    Keywords: tidal analysis, prediction, tidal model, harmonic constituents, hydrodynamic model, Mike 21, Oman Sea, Persian Gulf
  • Ali Mohammadi, Alireza Mohebalhojeh*, Majid Mazraeh Farahani Pages 21-38

    Interpolation is one of the essential tools for meteorological research. The most important meteorological application of interpolation is in semi-Lagrangian methods. In semi-Lagrangian methods, the departure points of the particles arriving at the regular grid are calculated and the scalar quantity is interpolated at the departure points. A common problem is the creation of spurious fluctuations in interpolation values in areas with strong gradients if polynomial interpolation of higher than first degree is used. In order to remove spurious fluctuation, it is necessary to use monotone interpolation. The concept of monotone interpolation requires that the value of the interpolation of the function at the interval between two neighboring grid points should not be greater or less than the maximum and minimum of the function at that interval, respectively. That is, no relative extrema should be produced in the interval.
    The most famous method for monotone interpolation results from changing the derivatives used in cubic Hermit polynomial with respect to the slop of the function within the interpolation interval. By changing the derivatives, one can adjust the curvature of the interpolator between the beginning and the end of the interpolated interval.
    The main idea of the change in derivatives is that the derivatives in each interval should not exceed by roughly three times the slop of the function on that interval. In this paper, the curvature of the cubic Hermit polynomial is adjusted between the maximum value still giving monotonicity and the minimum value, corresponding to linear interpolation between the two points. The Hermit functions need derivatives of the function on the grid points for interpolation. For this reason, the cubic Hermit was chosen for implementation of the monotonicity procedure. The monotone piecewise cubic interpolants are easy to use, of sufficient accuracy and have been widely used. This interpolation is of second order accuracy near strict local extrema due to the application of the monotonicity constraint. It is generally the case that most monotonicity-preserving methods sacrifice accuracy in order to obtain monotonicity.
    Numerical experiments with this method show that the maximum curvature still giving monotonicity may bring the cubic Hermit function close to the relative maximum and minimum in the interval. The (weakly monotone) interpolant with minimum curvature between the two neighboring points may decrease the accuracy of the interpolation as the curve connecting the two points tends to a line. The best choice for curvature in terms of both accuracy and monotonicity is intermediate between the discussed maximum and minimum values.
    For an important example of practical application in meteorology, the presented method is used in transforming meteorological data in horizontal and vertical directions. An error analysis suggests that interpolation in the vertical direction for transferring data from pressure to the hybrid σ - θ, exhibits a large sensitivity to the amount of curvature used in the implementation. Maintaining maximum curvature in the interpolation function reduces the distance between vertical surfaces such that the crossing of vertical surfaces will result in error.
    Keywords: interpolation, monotone, polynomial, cubic Hermit, coordinate transform
  • javad babagoli*, Abbas, Ali Aliakbari Bidokhti, zahra salmani ghazvini Pages 39-52

    The Caspian Sea, the world’s largest inland enclosed water body, consists of three basins namely northern, middle and southern. This study investigates physical oceanography properties and long waves in the southern Caspian Sea. To deal with this, we used ADCP, CTD, weather data, sea level and satellite imageries. The data were collected by National Institute of Oceanography and Atmospheric Sciences (ADCP and CTD), Port and Maritime Organization (sea level), and Meteorological Organization (wind data). The results show that the temperature plays pivotal role in the structure of water in this basin. The place of thermocline and pycnocline are about at the same depth and the thickness of mixed layer in the summer and fall are about 25 and 15 meters, respectively. The analyses of ADCP data show that thermocline disappears from February to March and after two months, the thermocline starts to develop. In most of cases, the magnitude of meridianal velocity is stronger than zonal speed based on ADCP data. Spectral density of time variations of velocities of current and wind show that there are many peaks from a few hours to many days. We consider some periods such as 30, 40, 48 and 60 hours as Kelvin waves based on our background information about these waves. Sea level data and satellite images (Aviso sensor) confirm the results in terms of periods and wavelengths. Due to barotropic and baroclinic modes of Kelvin waves, wavelengths, angular frequencies and group speeds are calculated separately. According to these results, baroclinic mode is more important than barotropic mode in this basin. Based on the governing equations of shallow water, the sea level gradient equation was written and time series of sea surface level changes were plotted. The results show that the long wave amplitudes are from 10 to 15 cm according to satellite and observation data. In this basin, the reduced gravity varies from 0.006 to 0.008 m/s2 in different seasons and the thickness of the denser water column is considered about 150-200 m. The Rossby radius of deformation and group velocity are 20 km and 1.2 m/s, respectively. Due to different periods of Kelvin waves, the wavelengths vary from 129 to 259 km. The satellite images confirm Kelvin waves because there are some anomalies in sea level similar to that produced by Kelvin waves with similar periods and wavelengths. Based on results, it is recommended that more detailed observational data should be collected in the deep parts of the southern and middle basins of the Caspian Sea
    Keywords: Southern Caspian Sea, observation data, variability of oceanography properties, feasibility of Kelvin wave occurrence, validation
  • Gholamreza Mortezanejad, * Habib Rahimi Pages 53-69
    To obtain the distribution of the Love wave group velocities in northwest Iran and its surrounding areas for 7, 10, 20 and 25 second periods, the waveform of 241 local and regional events used in a dispersion curve tomography of the Love waves. The evnets occurred within NW Iran and surrounding areas between 2005 and 2015 and were recorded by 39 permanent and temporary medium and broad band seismic stations belonging to national and international seismic networks. In order to reduce the effect of non-uniform distribution of events, we selected the more uniform list of events out of an initial number of 1734 non-uniform distributed events. We applied the Frequency-Time Analysis method to each event-station path for estimation of Love wave group velocities, then we used a tomographic method to compute the distribution of local group velocities throughout the region. From the analysis of the surface wave tomography, we concluded that crustal structure in the South Caspian Basin and the Kura Depression is almost the same, but it is significantly different from that of the northwest Iran. In the presence of thick and low shear velocity sediments in the South Caspian Basin, we observed low velocity anomalies at periods less than 10 seconds that are surrounded by relatively higher velocities along Alborz, Talesh and Lesser Caucasus. In the “Eastern Anatolian Accretionary Complex” where volcanic activities are much higher than in rest of the region, less group velocities were observed for periods less than 25 seconds. The main reason for this observation can be related to the presence of partial melting zones inside the crust as a result of intensive volcanic activities in this region. In Zagros, for the periods of 7 and 10 seconds, a relatively high velocity anomaly along the “Sanandaj-Sirjan” metamorphic zone was observed, which was trapped by two low velocities along the “Zagros Folding and Thrust Belt” in one side and “Urmieh-Dokhtar Magmatic Arc” in another side. The active and broken crust, reverse, active and shallow thrust faults and high seismicity of Zagros Folding and Thrust Belt is characterized by low group velocities in our results for periods of less than 25 seconds. In most areas of central Iran and Urmieh-Dokhtar Magmatic Arc, local sedimentary basins are characterized by low velocities for periods of 7 and 10 seconds. Our results indicate that crustal structure in the northwest of Iran is almost uniform and has the minimum changes, but it is completely different from the crustal structure in the South Caspian Basin, eastern Turkey, and the Zagros mountains.
    Keywords: NW Iran, Love waves, group velocity, tomography
  • Ehsan Taghizadeh, Farhang Ahmadi, Givi* Pages 70-86

    Soil moisture influences the partitioning of rainfall into evapotranspiration, infiltration and runoff, hence it is an important factor for determining the magnitude of flood events. The Soil Moisture Active and Passive (SMAP) mission is a microwave all-weather sensor with cloud penetration capability it can be harnessed for inundation mapping. On the other hand, Global Precipitation Measurement (GPM) is the first satellite that has been designed to measure light rain and snowfall, in addition to heavy tropical rainfall. The Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM (IMERG) products, with 0.1° × 0.1° spatial resolution and 30 min temporal resolution, are available in the form of near-real-time data, i.e., IMERG Early and Late, and in the form of post-real-time research data, i.e., IMERG Final, after monthly rain gauge analysis is received and taken into account.
    In this study, daily rainfall estimates from IMERG Early, Late, and Final runs (IMERG-E, IMERG-L and IMERG-F) are compared with daily precipitation measured by 22 synoptic rain-gauges over the northwest and western regions of Iran. Assessment is implemented for a period from April 2016 to February 2017. The assessment technique is using a contingency table that reflects the frequency of “Yes” and “No” of the satellite estimation. We have used two threshold values of 0.1 mm/day to define rain/no rain and 5.0 mm/day as moderate or higher rainfall events. The scatter plots of daily precipitation values, IMERG-E, IMERG-L and IMERG-F data against rain-gauge observations, indicate underestimation according to Bias for moderate or higher rainfall; this is more so when the precipitation threshold is increased. However, the IMERG-F shows better performance (i.e., closer to one-to-one line) in estimating moderate or higher rain. For the first threshold, all the three runs show approximately same performances; but some differences are seen at the second threshold. At this threshold, POD for IMERG-F is about 0.27 and for the two other products is about 0.14, which means larger fraction of the observed “Yes” events was correctly estimated by IMERG-F than IMERG-E and IMERG-L.
    At the second part of this work, the synergistic use of satellite-based precipitation and soil moisture observations was dedicated to mapping of flood monitoring in the northwest of Iran on 14 April 2017. In this study, a value-added product was used that over-samples the SMAP volumetric soil moisture data with a spatial resolution of 40 km and posts it on a 9 km grid, SPL2SMP_E. The SMAP data maps show a pattern that is consistent with the precipitation maps; i.e., following the rainfall on 14 April, there is an increase in the saturated area and after that it begins to decay.
    So together, SMAP and GPM can provide information on the surface water fluxes, an important quantity for assessing and monitoring the Earth’s fresh water resources. Therefore, integrated GPM and SMAP data can serve as a key tool for application users and emergency management to assess the extent and potential impact of flooding events among other hydrometeorological phenomena.
    Keywords: GPM constellation satellites, SMAP, precipitation, soil moisture, flood
  • Razeih Ghaseminia, Khalil Motaghi*, Abdolreza Ghods, Morteza Talebian, Ling Chen Pages 87-106

    The empirical attenuation relationship for spectral amplitudes was calculated to study the attenuation of shear waves of shallow events at close hypocentral distances inside Tarom-Rudbar region, western Alborz. 3122 waveforms (170 shallow events) recorded by 40 seismic passive stations of two local temporary seismic networks were included in this analysis. The selected events have moment magnitudes between 1.8 and 4.2 and epicentral distances of 10 km to 70 km. All events have location accuracy better than 2 km in epicenter and less than 5 km in depth. The good location quality of the events allows us to estimate accurately geometrical spreading of shear waves at close hypocentral distances. By selecting the small events, we can safely treat them as point sources and thus use hypocentral distance as our distance metric. Additionally, for smaller events, we automatically avoid the non-linearity of amplitude of seismic waves with magnitude and its possible trade-off with geometrical spreading. Due to a rather low dependence of geometrical spreading on magnitude (v. NGA-WEST2 models), our approach of using weak-motion data may provide a means to reliable assessment of the geometrical spreading coefficient which can then be used to partially regionalize NGA-WEST2 GMPEs for regions with low rate of seismicity or lack of enough strong motion records.
    The shape of the attenuation curve at different frequencies was obtained using non-parametric fit to the data with Robust Lowess algorithm showing a mono-linear curve in the associated distance. Assuming mono-linear attenuation model and using regression, the value of geometrical spreading coefficient in the equation derived from the spectral method was obtained as 1.6 in frequencies higher than 2 Hz. Spectral amplitude attenuation curves show an obvious super-spherical geometrical spreading at close hypocentral distances. We show that the geometrical spreading is strongly super-spherical in close agreement with those used in some of the NGA-WEST2 GMPEs. The observed super-spherical geometrical spreading of seismic waves could drastically change the level of seismic hazard in close hypocentral distances by localizing strong motion to short hypocentral distances. The calculation of geometrical spreading coefficient using data from more frequent small events recorded by dense local networks can be used to partially regionalize the geometric term of GMPEs in regions with small rate of seismicity.
    The residuals were averaged on a station-by-station basis to determine station corrections. The calculated station corrections for the study area shows sharp contrast between the northern and southern hills of western Alborz. The stations in the northern hill, mostly in Gilan plain, show higher amplification (positive station corrections) relative to those in the southern hill. The strong amplification of seismic waves has a strong implication for preparation of seismic hazard maps of the densely populated Gilan province
    Keywords: seismic attenuation, geometrical spreading, Western Alborz
  • Ali Akbar Sabziparvar*, Fatemeh Khoshhal Jahromi Pages 107-121
    The prediction of the minimum temperature is one of the main approaches to manage and reduce the risk damage caused by frostbite. For this purpose, using daily statistics of minimum, maximum and dew point temperatures during the period of 2005 to 2009, the minimum temperature of the next day was predicted for four stations (Rasht, Kerman, Shiraz and Hamedan) with different climate types by applying the Linacre regression model and the Multi-Layer Perceptron artificial neural network (MLP) in the whole year, the cold period (from October to late March) and the warm period (from April to late September). For this aim, the Matlab-2015 and IBM SPSS-20 software were used and statistical criteria RMSE, NRMSE and R2 were applied to evaluate the performance of the models. The results of this study, in all three periods, demonstrated that the best estimate of the Linacre regression model was obtained with root mean square error of 1.70 and 2.44°C for the whole year, 2.01 and 2.32°C for the cold period and 1.51 and 2.24°C for the warm period for Rasht and Shiraz stations with the PH-C-W and SA-C-W, respectively. The best results from MLP neural networks with Levenberg-Marquardt algorithm, logic sigmoid transfer function in the hidden layer, the linear transfer function in the output layer and two inputs (dew point and maximum temperature), like the Linacre regression model, were obtained with RMSE of 1.57 and 1.93°C for the whole year and 1.61 and 1.8 for the cold period for Rasht and Shiraz stations, respectively. The RMSE of the best results from MLP neural networks in the warm period was 1.21 and 1.44°C for Rasht and Hamedan stations, respectively. To evaluate the role of relative humidity on model results, this parameter was added as a third input to the multi-layer Perceptron network. The improved RMSE for the whole year was 17.4, 12.9, 49.4 and 18.3 percent and for the cold period of the year was 3.4, 2.86, 9.48 and 15.83 percent at Kerman, Shiraz, Hamedan and Rasht stations, respectively. These values for the warm period were 6, 13.33, 2.86 and 18.63 percent for the above mentioned stations. These improved errors indicate that only at Hamedan station, the cold period of the year produces more improvement in error reduction than the warm period of the year by adding relative humidity as the third input to the neural network model. In other stations, adding relative humidity in the warm year has led to a reduction in the error rate. In general, it can be said that selected MLP networks had better performance than the Linacre regression model in predicting the minimum daily temperature.
    Keywords: forecasting, minimum temperature, artificial neural network, regression method
  • Fatemeh Hajimirza alian, Mohammad Reza Hatami*, Vahid Maleki Pages 122-144

    Calculating the focal mechanism of earthquakes, helps us to investigate the direction of rupture propagation, the style of faulting, stress field and the seismicity potential of an area. Focal mechanisms classically are determined by using the polarity of P- wave first motion. This method depends on the number of P wave polarities per event and the data set dispersion distribution Significant improvement of long period instruments caused advantages in using waveform inversion method for determining focal mechanism of earthquakes. In this method outspread outlier data can be used.
    Extensive availability of small earthquakes makes them useful in determining focal mechanisms. The current study accomplished to determine focal mechanisms of 4204 events with magnitude 2≤ Mn ≤5. The earthquakes were recorded in 41 stations of Iranian Seismological Center (IRSC) in the Alborz region. The focal mechanisms were prepared by using the polarity of P wave first motion and S/P amplitude ratios.
    In this study, waveforms of three-component seismograms were filtered with bandpass filter in a 0/1–10 Hz frequency range. Seismograms with velocity components were integrated to the corresponding displacement components. P-wave first motion polarities are revised by reviewing the waveforms carefully. For calculating the S/P ratios, P wave, S wave and background noise amplitudes were measured by selecting 2 second time windows from waveforms. Maximum amount of S/P ratio is near the nodal planes and the minimum amount is far from the nodal planes. Using P wave polarities and ratios, the final focal mechanisms were obtained. With the progressive improvement of IRSC networks since 2012, more P wave first motion polarities can be recorded and the number of the calculated S/P ratios for each event has increased.
    In this study, data set of 1997 to May 2015 was investigated. Because of weak qualities of small earthquakes waveforms, small events were omitted and a focal mechanism catalogue containd strike, dip and rake angels for earthquakes with Mn greater than 3.5 was produced. The method also was tested with 12 synthetic earthquakes in the Alborz rigion. Most of the focal mechanisms at north of the region have thrust-faulting components and at south they are strike-slip. Along the left side of the Talaghan fault, most of the focal mechanisms are left-lateral strike-slip which shows the left-lateral motion along the Mosha fault. The Indes fault has north west-south east strike. Along the south east side of this fault, the focal mechanisms of 18/6/2007 event and its aftershocks show the inverse faulting. The results of this study are compatible with most of the previous studies in this region
    Keywords: focal mechanism, S, P amplitude ratio, Alborz rigion
  • Seyed, Hani Motavalli, Anbaran*, Vahid Entezar, Saadat Pages 145-154

    Plate tectonics provides a general framework for understanding the worldwide distribution of seismicity, volcanism, and mountain building. These phenomena are largely associated with plate interactions at plate margins. The basic mechanism responsible for plate tectonics must provide the energy for the earthquakes, volcanism, and mountain building. The only source of energy with sufficient magnitude is the heat from the interior of the Earth (~30 milliwatts per square meter). This heat is the result of the radioactive decay of the uranium isotopes 238U and 235U, the thorium isotope 232Th, and the potassium isotope 40K as well as the cooling of the Earth (~30 milliwatts per square meter). An accurate estimate of the heat lost from the interior of the Earth can be obtained from measurements of the surface heat flow.
    By figuring out the temperature distribution in different depths of the Earth, it is possible to plot the heat flow diagram for those areas. Investigation of geothermal gradient is useful in estimating the maturity and transformation of hydrocarbon organic materials and estimating the relative age of hydrocarbonization of the source rocks. The importance of temperature and heat flow distribution calculation can be more obvious when we relate them to other physical parameters such as density, seismic velocity, chemical composition and melt fraction and use these parameters to more accurate modeling of anomalies and sub-surface layers. Primary understanding of geothermal gradient can be very applicable in oil and gas exploration and production; particularly in designing the combination of drilling mud, cement, rubber tools inside the well, using of digitization tools and electronic devices in the well and designing the drilling pipes.
    The basic relation for conductive heat transport is Fourier’s law, which states that the heat flux at a point in a medium is directly proportional to the temperature gradient at that point. Using Fourier’s law, it is possible to compute temperature and heat flow distribution in a one-layer section, with boundary conditions such as given surface heat flow and surface temperature. In this paper, we use Fourier’s law and present a new formula which calculates the temperature and heat flow distribution for a depth section with desired number of layers which each layer has its own heat production and thermal conductivity. The boundary conditions for this calculation are the given temperature of the uppermost and lowermost layer and a steady state vertical heat conduction with no lateral heat variation. This is not far-fetched, because there are two boundaries with defined temperature in the Earth: LAB and surface of the Earth. So, we can determine the temperature and heat flow distribution for a lithospheric section with various number of layers with different thermal conductivity and heat production. For verification, this formula was written in MATLAB programming software and the distribution of heat flow and temperature for the synthetic models were calculated.
    Keywords: temperature distribution, heat flow distribution, thermal conductivity, heat production, 2D multi-layer model