برف به عنوان یکی از مهم‌ترین متغیرهای هیدرولوژیکی است و سهم قابل توجهی از رواناب سطحی و آب‌های زیر زمینی کشور از رواناب حاصل از ذوب برف تامین می‌گردد. از این رو مطالعه و برآورد دقیق از رواناب حاصل از ذوب برف با استفاده از مدل‌سازی ذوب برف کمک به سزایی در زمینه مدیریت منابع آب می‌باشد. همچنین تحلیل فصل پوشش برف و بررسی بازه ذوب برف و روند کاهش پوشش برف از جمله مواردی است که در بسیاری از مناطق برفگیر جهان مورد ارزیابی واقع می‌شود. پس با تا آخر همراه باشید.

تعریف برف

برف بارشی به صورت کریستال های یخ می باشد که از ابرها منشا می گیرد زمانی که دما زیر نقطه انجماد (صفر درجه سانتیگراد یا سی و دو درجه فارنهایت) باشد، بخار آب در اتمسفر به صورت مستقیم بدون تبدیل شدن به مایع تبدیل به یخ می شود. وقتی یک کریستال یخ شکل گرفت، بخار آب بیشتری را از هوای پیرامون خود جذب می کند و باعث یخ زدگی و تبدیل آن به کریستال‌های برف می شود. که این کریستال‌ها به شکل‌های مختلفی می‌بارد

• دانه‌های برف : زمانی که کریستال های یخی از میان تکه ابرهای بسیار سرد که زیر انجماد هستند اما مایع باقی مانده‌اند رد می‌شوند شکل می‌گیرند.
• برفابه: قطرات بارانی هستند که در هنگام باریدن به یخ تبدیل می‌شوند این قطارات معمولا قطری کمتر از 76/0 سانتیمتر دارند.
• تگرگ: زمانی که جریان هوای رو به بالا در یک تندباد از بارش گلوله های برفی جلوگیری می کند. قطرات آب بسیار سرد به گلوله‌های برف برخورد می‌کنند باعث بزرگتر شدن آنها و تبدیل به دانه‌های تگرگ می‌شود و زمانی که گلوله‌های یخ برای جریان رو به بالا هوا، خیلی سنگین می‌شوند، به صورت دانه‌های تگرگ به زمین می‌بارند. تگرگ معمولا در طی تندبادهایی که اغلب در بهار و تابستان می‌وزند تولید می‌شود و قطر دانه‌های آن عموماً از برفابه بزرگتر است.

در ادامه فاکتورهای موثر بر روی بارش برف مورد بررسی قرار می گیرد که در تدوین مدل‌سازی ذوب برف نقش بسیار مهمی خواهد داشت.

دمای هوا

تغییرات آب و هوایی، بسیار روی بارش برف و همچنین زمان بارش برف (فصل زمستان) تاثیر می‌گذارد به طوری که تغییرات آب و هوایی در طی 50 سال اخیر سبب کاهش پوشش سطح برف در نیم‌کره شمالی زمین و کاهش زمان پوشش برف خصوصاً در فصل بهار (فصل ذوب برف) شده است. دما به یکی از مهم‌ترین متغیرهای آب و هوایی تاثیرگذار روی برف می‌باشد به طوری که طوفان‌های زمستانی که تولید برف می‌کنند به شدت وابسته به دما می‌باشند ولی نه لزوماً دمایی که روی زمین حس می‌شود. برف زمانیکه دمای اتمسفری زیر دمای انجماد باشد و مقدار کافی رطوبت در هوا وجود داشته باشد تشکیل می شود. اگر دمای روی زمین زیر دمای انجماد باشد برف به زمین می رسد اگرچه برف می تواند تحت شرایط مناسب حتی وقتی دمای زمین بالاتر از دمای انجماد باشد به زمین برسد. در این مورد دانه های برف به محض رسیدن به لایه دمای بالاتر شروع به آب شدن می کند، این آب شدن باعث سرد شدن سریع هوای اطراف دانه های برف می شود و این سرد شدن باعث کند شدن روند ذوب می شود. البته به عنوان یک قانون کلی اگر دمای زمین حداقل 5 درجه سانتیگراد باشد برف تشکیل نخواهد شد. از سوی دیگر برف می تواند حتی در دماهای بسیار پایین اتفاق بیفتد تا زمانیکه منبع رطوبت مناسب و راهی برای سرد شدن هوا وجود داشته باشد بارش برف رخ می‌دهد.

دما همچنین در بازه ذوب برف و تبدیل برف به رواناب بسیار تاثیرگذار ‌می‌باشد که هرچه میزان تفاوت دمای هوا و دمای سطح برف بیشتر باشد ذوب برف با سرعت بیشتر صورت می‌گیرد.

رطوبت هوا

علاوه بر دمای پایین بارش برف نیازمند رطوبت مناسب اتمسفر نیز می‌باشد. به طوریکه در جاهای گرم و مرطوب مثل فلوریدا مقدار قابل توجهی رطوبت در هوا وجود دارد ولی دما به ندرت آنقدر پایین می آید که تولید برف کند. از سویی تعداد بسیار زیادی از صحراها در زمستان بسیار سرد می شوند ولی معمولا رطوبت کافی برای تشکیل برف در اتمسفر وجو ندارد حتی قطب جنوب، سردترین و یخی ترین قاره، ناحیه ای را در بر دارد به نام دره های خشک که بسیار سرد است ولی آنقدر خشک می باشد که هیچ وقت برف در آنجا نمی بارد.

تصعید

هر زمان سطح تماسی بین هوا و آب (چه به صورت مایع و چه به صورت جامد) وجود داشته باشد ملکول‌ها سعی به جدا شدن از آب را دارند که این رفتار ملکول‌ها در فاز مایع تبخیر و در فاز جامد تصعید می‌گویند. که این موضوع بعضاً سبب از بین رفتن کامل پوشش برف بدون عملیات ذوب می‌شود.

سرعت باد

یکی از فاکتورهای تاثیرگذار بر شکل‌گیری نحوه توزیع سطح و عمق برف، وزش باد می‌باشد. توزیع برف و تشکیل سطوح برفی عمیق و کم عمق بسیار از باد متاثر است و علاوه بر این وزش باد سبب نازک شدن عمق برف روی سطح زمین می‌شود و از سویی کاهش عمق برف سبب افزایش انتقال حرارت به برف می‌شود که این موضوع بر الگوی ذوب برف موثر خواهد بود.

رواناب

وقتی باران یا برف روی زمین می بارد برطبق قوانین جاذبه شروع به حرکت می کند. قسمتی از بارش به داخل ذخایر آب‌های زیرزمینی نفوذ می‌کند. بیشتر آن به صورت رواناب سرازیر می‌شود. رواناب بسیار مهم است زیرا که نه تنها رودخانه‌ها و دریاچه‌ها را پر از آب نگه می‌دارد بلکه باعث فرسایش زمین هم می‌شود. جریان آب قدرت بسیار بالایی دارد به صورتی که می‌تواند تخته سنگ‌ها را تکان دهد و دره‌ها را ایجاد کند. حجم آبی که روانابی که در زمان سیلاب به وجود می‌آید بسیار زیاد است و در بعضی اوقات به این مقدار به حدود 10 درصد حجم کل رواناب سالانه می‌رسد.

رابطه برف و رواناب

محققان رابطه بین برف و رواناب را به کمک مدل‌های برآورد رواناب حاصل از ذوب برف بیان می‌کنند و با استفاده از عوامل تاثیرگذار بر ذوب برف همچون دمای هوای، سرعت باد و غیره مدلسازی ذوب برف را صورت می‌دهند.

پوشش سطح برف

بعد از بارش برف، برف ممکن است ذوب یا تصعید شود، یا ممکن است برای مدت زمان طولانی باقی بماند. اگر برف روی زمین بماند، بافت ، سایز  و شکل دانه های برف حتی وقتی دمای برف زیر دمای انجماد است تغییر می کند، یا ممکن است به مرور زمان آب شود و دوباره یخ بزند و توسط بارش های بعدی متراکم شود که این عوامل، پوشش سطح برف را با اعماق مختلفی همراه می‌سازد. در واقع سطح پوشیده از برف، از عوامل محیطی چون هوا، ناهمواری‌های زمین و نوع کاربری زمین، متاثر است.که همگی با عث الگوی‌های متفاوت در انباشت و همین طور، ذوب برف می‌شوند. به همین جهت پوشش سطح برف از عوامل بسیار مهم در تهیه یک مدل دقیق می‌باشد.

مدل‌سازی ذوب برف

تا به امروز مدل های زیادی برای برآورد آب معادل برف ارائه شده است که بطور کلی می‌توان مدل‌سازی ذوب برف را به سه دسته کلی مدل های مستخرج از روش بیلان انرژی، مدل های مستخرج از روش شاخص دما (درجه-روز) و مدل های مستخرج از روش ترکیبی (ترکیب هر دو روش بیلان انرژی و شاخص دما) تقسیم نمود.

مدل‌های بر پایه روش بیلان انرژی

روش بیلان انرژی، روشی است که تبادلات انرژی با سطح برف را در نظر می‌گیرد. تبادلات انرژی که تعیین کننده پیشرفت ذوب برف است به صورت زیر خواهند بود که مجموع تمامی این تبادلات انرژی مقدار S یا همان نرخ خالص تبادل انرژی خواهد بود.

مدل‌های بر پایه روش شاخص دما

در بسیاری از مناطق دسترسی به تمامی اطلاعات مربوط به روش بیلان انرژی امکان پذیر نمی‌باشد از این رو، روش تجربی شاخص دما در بسیاری از مدل‌ها بکار می‌رود. در این روش میزان آب معادل برف برای یک دوره زمانی، بصورت یک تابع خطی از میانگین دمای هوا برآورد می‌گردد. بسیاری از مدل‌های ذوب برف با استفاده از روش شاخص دما مقدار آب معادل برف را استخراج می‌نمایند