مقاله ارزیابی استفاده از دادههای باد ماهوارهای QuikSCATبرای مدلسازی امواج در دریای خزر

word قابل ویرایش
21 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

ارزیابی استفاده از دادههای باد ماهوارهای QuikSCATبرای مدلسازی امواج در دریای خزر

چکیده:

پیشبینی مناسب رژیم امواج در دریای خزر به دلیل فعالیتهای اقتصادی مهم کشورهای حاشیه این دریا در آن، از اهمیت بالایی برخوردار است.

مدلسازی عددی مشخصات موج در این دریا نیازمند میدان باد دقیق به عنوان ورودی مدل است. در این مطالعه از میدان باد اندازهگیری شده ماهوارهای QuikSCAT به عنوان باد ورودی به مدل استفاده شده است. پیش از شبیهسازی امواج، کیفیت این دادهها از راه مقایسه با ایستگاههای هواشناسی در چند نقطه در اطراف دریای خزر ارزیابی شده است. برای مدلسازی امواج در این دریا از مدل عددی SWAN با شبکهبندی نامنظم استفاده شده است. نتایج حاصل از مدلسازی با مقادیر ارتفاع موج مشخصه اندازهگیری شده توسط ماهواره های Topex وGFO-1 در طول مسیرهای برداشت این ماهوارهها و برای طوفانهای خاص مقایسه شده است.

کلمات کلیدی: دریای خزر، پیشبینی موج، ایستگاه سینوپتیک، مدل عددی SWAN، دادههای ماهوارهای، QuikSCAT، Topex، GFO-1

-۱ مقدمه:

بزرگترین توده آبی محصور در خشکی جهان دریای خزر است. این دریا برای کشور ایران به دلیل دارا بودن حدود ۷۵۰ کیلومتر خط ساحلی در این دریا، وجود منابع مهم طبیعی و نیز موقعیت استراتژیک جغرافیایی آن از اهمیت ویژهای برخوردار است. توسعه مناسب فعالیتهای اقتصادی در محیطهای دریایی نیازمند تخمین اطلاعات مربوط شرایط محیطی از جمله موج در منطقه است. اطلاعات مربوط به امواج کاربردهای مختلفی در فعالیتهای ساحلی و دریایی دارند که از جمله آنها میتوان استفاده از این دادهها در طراحی سازههای ساحلی، محاسبه انتقال رسوب و فرسایش سواحل و نیز محاسبات مربوط به انتقال آلودگی را نام برد. بهرهبرداری، مدیریت و حفاظت از دریای خزر و سواحل آن نیازمند شناخت شرایط هیدرودینامیکی آن، به ویژه خصوصیات امواج ناشی از باد است. وزش باد تقریبا به طور دائمی روی حوضه دریای خزر وجود داشته و طول موجگاه بلند موجود در جهت عمود بر سواحل ایران، سبب تولید امواج نسبتا مرتفع میشود. نفوذ تودههای پرفشار قوی نظیر، تودههای پرفشار سیبری قطبی و نیز تودههای پرفشار با منشاء اقیانوس اطلس در فصول سرد سال، غالبا سبب وزش باد شدید می شود. همچنین در بهار و تابستان با تضعیف توده سیبری، معمولا توده پرفشار آزورس به منطقه نفوذ میکند که این توده نیز با وزش بادهای قوی همراه است (جهت غالب این بادهای قوی در ایران شمالی-جنوبی است) .[۱]

به دلیل عدم وجود و یا امکان اندازه گیری مشخصات موج در بسیاری از مناطق به دلیل کمبود امکانات و پر هزینه بودن آن و نیز نیاز به پیش بینی مشخصات امواج برای آینده، مدلهای تجربی و عددی مختلفی در این زمینه توسعه یافتهاند. از جمله مدلهای تجربی پیشنهادی میتوان مدلهای[۲] SMB،[۳] SPM و [۴] CEM را نام برد. در دهههای اخیر، با افزایش سرعت پردازندههای کامپیوتری، استفاده از مدلهای عددی در بین محققان رواج بیشتری یافته است. اکثر این مدلها، مدلهای موج طیفی هستند که در سه نسل توسعه یافتهاند. مدلهای نسل سوم نسبت به مدلهای نسل اول و دوم، اثر متقابل غیر خطی امواج بر یکدیگر را دقیقتر مدلسازی نموده و بیشتر قیود مربوط به شکل طیف در مدلسازی رشد امواج را ارضاء میکنند .[۵] از جمله مدلهای نسل سوم می توان به [۶] MIKE 21 SW و [۷] SWAN اشاره نمود.

مطالعات بسیاری در زمینه امواج در دریای خزر انجام شده و روشهای تحلیلی، تجربی و عددی مختلفی برای شناخت خصوصیات امواج بکار گرفته شده است. سیادت موسوی و همکاران [۸] دو مدل ریاضی WAVEWATCH III و MIKE 21 SW را برای سواحل جنوبی دریای خزر اجرا نموده و نتایج شبیهسازی را با اندازهگیری های انجام شده توسط بویه ها در نکا و انزلی مقایسه نمودهاند. محجوبی و اعتماد شهیدی [۹] با استفاده از ابزار درخت تصمیم به پیش بینی کمیتهای امواج ناشی از باد در بندر امیرآباد پرداختند. تائبی و همکاران [۱۰] به پیش بینی عددی امواج در دریای خزر با استفاده از نرمافزار MIKE 21 SW پرداخته و اطلس باد و موج حدی در دریای خزر را به تفکیک جهت استخراج نمودند. قربانی و گلشنی [۱۱] به مطالعه اقلیم موج در بندر امیرآباد با استفاده از مدل MIKE 21 SW و روشهای نیمه تجربی پرداخته و نتایج را با اندازهگیری های بویه مقایسه نمودهاند. در تمامی مدلهای فوق از باد اندازهگیری شده در ایستگاههای هواشناسی و یا نتایج حاصل از مدلهای عددی هواشناسی به عنوان باد ورودی استفاده شده است. همچنین نتایج مدلسازی ها به صورت نقطهای مکانی و در دورههای زمانی مختلف با اندازهگیری های میدانی مقایسه شده است.
در این مطالعه از مدل عددی SWAN برای مدلسازی امواج در دریای خزر استفاده شده است. این مدل با استفاده از شبکه بندی نامنظم اجرا شده و از میدان باد اندازهگیری شده ماهواره ای QuikSCAT به عنوان باد ورودی به مدل استفاده شده است. نتایج بدست آمده از مدلسازی با مقادیر ارتفاع موج مشخصه اندازهگیری شده توسط ماهوارههای Topex و GFO-1 در طول مسیرهای برداشت این ماهوارهها و برای طوفانهای خاص مقایسه شده است.

-۲ منطقه مورد مطالعه و دادههای مورد استفاده

دریای خزر بزرگترین توده آبی محصور در خشکی جهان است. این دریا بین طول جغرافیایی ۴۶˚ ۳۰˝ تا ۵۴˚ ۰۰˝ شرقی و عرض جغرافیایی ۳۶˚ ۳۰˝ تا ۴۷˚ ۰۰˝ شمالی قرار داشته و پنج کشور ایران، ترکمنستان، قزاقستان، روسیه و آذربایجان در اطراف آن قرار دارند. کشور ایران حدود ۷۵۰ کیلومتر خط ساحلی در این دریا داشته و بنادر مهمی از جمله بندر انزلی، امیرآباد، نکا، نوشهر و فریدونکنار در ساحل این دریا دارد. این بنادر قابلیت پهلوگیری کشتیهای بزرگ را داشته و به دلیل ارتباط با بنادر مهم کشورهای اطراف دریا از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند. از این رو سرمایه زیادی برای ساخت سازه های دریایی در این بنادر در نظر گرفته شده است و بنابراین پیش بینی دقیق رژیم موج در این دریا اهمیت بالایی دارد.
دادههای مورد نیاز جهت تهیه فایل عمقسنجی، موقعیت مرزهای مدل و نیز هیدروگرافی محدوده مدل است. برای این منظور از سه منبع داده استفاده شده است. خط مرزی دریای خزر و خطوط تراز در اعماق ۱۰، ۲۰، ۵۰، ۱۰۰، ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ متری از اطلاعات ارائه شده در برنامه محیط دریای خزر[۱۲] ۱ تهیه شده است. این نقاط و خطوط تراز بر اساس نقشه راهنمای دریای خزر که توسط بخش اقیانوسشناسی و دریانوردی وزارت دفاع شوروی در سال ۱۹۸۷ تهیه شده، بدست آمده است. همچنین این نقاط بر اساس تصاویر ماهواره Resurs اصلاح شده است. دسته دوم نقشههای هیدروگرافی سازمان نقشهبرداری کشور با مقیاس ۱:۱۰۰۰۰۰ هستند که برای سواحل ایران وجود دارند. در این نقشهها، خطوط تراز از رقومی نمودن۲ نقشههای روسی بدست آمدهاند. دسته سوم دادههای هیدروگرافی، دادههای بدست آمده از نقشههای MIKE CMap هستند که توسط DHI تهیه شده و از دقت مناسبی برخوردارند .[۱۳] مجموع این سه سری داده پس از پردازشهای لازم به عنوان دادههای عمقسنجی ورودی مدل استفاده شده است.

برای باد ورودی مدل از میدان باد ماهوارهای QuikSCAT استفاده شده است. این ماهواره توسط ناسا در فضا استقرار یافته و فرآیند ثبت دادههای باد در سطح آبهای کره زمین را از ماه جولای سال ۱۹۹۹ با دو برداشت در هر روز آغاز نموده است. اطلاعات خام این ماهواره شامل سرعت و جهت باد در تراز مبنای ۱۰ متری سطح آب و در فواصل ۰/۲۵×۰/۲۵ درجه در دسترس است.[۱۴] این دادهها برای دوره زمانی ۱۰/۱۷سال (۱۹۹۹-۲۰۰۹) پردازش شده و قابل استفاده جهت مدلسازی است.
برای ارزیابی کارایی مدل نتایج خروجی مدلسازی با مقادیر اندازهگیری شده ارتفاع موج ماهواره های Topex و GFO-1 مقایسه شده است.
ماهواره Topex به عنوان یک پروژه مشترک بین ناسا، سازمان فضایی امریکا و سازمان فضایی فرانسه در دهم آگوست ۱۹۹۲ به فضا پرتاب شده و در اکتبر ۲۰۰۵ ماموریت آن پایان یافت. هدف از پرتاب این ماهواره مشاهده و تحلیل جریانات چرخشی اقیانوسی بوده است. این ماهواره هر ۱۰روز یکبار کل کره زمین را طی نموده و اطلاعات مربوط به محیطهای آبی جهان را با دقت قابل ملاحظهای ثبت نموده است .[۱۵] ماهواره GFO-1 توسط نیروی دریایی ایالات متحده توسعه یافته تا در ادامه ماموریت موفقیت آمیز GEOSAT به مشاهدات پیوسته اقیانوسی بپردازد.

هدف از پرتاب این ماهواره، تهیه اطلاعات ارتفاع سنجی کاربردی بوده است. این ماهواره فرآیند ثبت داده های درست را از ۷ ژانویه ۲۰۰۰ شروع نموده و در ۲۵ سپتامبر ۲۰۰۸ نیز به فعالیت آن خاتمه داده شد .[۱۵] برای دریای خزر دادههای ثبت شده توسط این ماهواره در بازههای زمانی هر ۱۷ روز یک بار موجود است.

-۳ مدل عددی SWAN
مدل عددی SWAN یک مدل عددی طیفی نسل سوم است که برای محاسبه مشخصات امواج در محیطهای دریایی و ساحلی، دریاچهها و خورها در سال ۱۹۹۹ در دانشگاه فنی Delft توسعه یافته است. این مدل طیف چگالی جهتی کنشN(σ,θ) ۳ استفاده میکند که این طیف از تقسیم
چگالی انرژی E(σ,θ) بر بسامد نسبی σ بدست میآید. θ نشان دهنده جهت موج (جهت عمود بر تاج موج در هر مولفه طیف) است. تغییر شکل طیف موج در این مدل در نقطه x و y و در زمان t با استفاده از معادله تعادل کنش طیف تعریف میشود که در مختصات کارتزین برابر است با:[۷]

جمله اول از سم ت چپ در معادله فوق تغییرات زمانی چگالی کن ش را نشان مید هد. جملات دوم و سوم بیانگر انتشار انرژی موج با سرعت Cx در راستای x و با سرعت Cy در راستای y هستند. ج مله چهارم نشا ن دهنده انتقال فرکانس نسبی در اثر تغییرات عم ق و جریان و جمله پنجم تعیین کننده انکسار ناشی از تغییرات ع مق و جریان هستند. عبارات Cσ و Cθ به ترتیب سرعت انتشار در فضای طیفی σ و θ هستند. سرعتهای فوق از تئوری خطی موج بدست میآیند.

جمله S در سمت راست معادله (۱) نشان دهنده اثر عناصر افزایند ه یا کاهنده انرژی از قبیل رشد خطی یا نمایی موج در اثر باد، استهلاک ناشی از بستر، استهلاک ناشی از شکست در اثر کاهش عمق، استهلاک ناش ی از ایجاد سفی دک در رأس مو ج و نیز اندرکنش غیرخطی موج-موج است. برای دریافت جزئیات یشتر در رابطه با این مدل میتوان به راهنمای استفاده از مدل [۱۶] SWAN مراجعه نمود.

در این مطالعه از سری سوم SW AN نسخه (Cyc le III version 40 .72) 40.72 استفاده شده است. مدل در حالت غیر ایستای زمانی۱، در مختصات کروی و در حالت نسل سوم اجرا شده ا ست. برای انرژی ورودی باد از راب طه [۱۷] Komen استفاده شده است. پدیدههای ایجاد سفیدک در رأس موج، اصطکاک بستر و شکست موج ناشی از کاهش عم ق برای مدلساز ی در نظر گرفته شده است. مدل SWAN قابلیت اجرا شدن با شبکهبندی منظم و نامنظم را داراست. با توجه به اینکه دقت بیشتر در سواحل ایران مد نظر بوده است، بنابراین از شبکهبندی نامنظ م با ابعاد ریزتر در سواحل ایران و ابعاد درشتتر در مناطق شمالی دریای خزر استفاده شده است. کوچکترین بعد سلول در این شبکهبندی ۰/۰۴ درجه بوده است. شکل زیر نمایی از این شبکهبندی را نشان میدهد.

-۴ نتایج و بحث

-۱-۴ بررسی ص حت دادههای باد ماهوارهای ورود ی از آنجا که مهمترین پارامتر موثر بر نتایج خروجی مدلهای عددی موج، دادههای باد ورودی این مدلها هستند، در این بخش دقت و صحت دادههای اندازهگیری شده ماهواره QuikSCAT با چند ایستگاه هواشناسی اطراف دریای خزر ارزیابی میشود. موقعیت این ایستگاههای هواشناسی که دادههای آن ها با اندازهگیریهای ماهوارهای مقایسه شده، در جدول ۱ آمده است.

در شکل ۲ مقایسه سری زمانی سرعت و جهت باد اندازهگیری شده ماهواره و ایستگاه سینوپتیک Aktau برای دوره زمانی یک ماهه (آوریل

(۲۰۰۲ نشان داده شده است. با توجه به شکل مقادیر سرعت باد ماهوارهای از دقت نسبتا مناسبی در این نقطه برخوردارند؛ اگرچه فاصله زمانی بین دادههای ثبت شده در ماهوارهای بیشتر از دادههای سینوپتیک است.

شکل ۳ مقایسه بین دادههای ماهوارهای QuikSCAT و دادههای باد ایستگاه سینوپتیک Ogryda را نشان میدهد. در این تصویر نیز تطابق خوبی بین سرعتها و جهتهای باد ثبت شده ماهوارهای و ایستگاه زمینی وجود دارد.

سرعت و جهت بادهای ثبت شده در ایستگاه سینوپتیک آستارا و دادههای اندازهگیری شده ماهواره ای برای ماه آوریل ۲۰۰۲ نیز در شکل ۴ با هم مقایسه شده است. به علت احاطه شدن ایستگاه سینوپتیک آستارا با ارتفاعات از جهت غرب، شمال غربی و جنوب غربی، تغییراتی در سرعت و جهت باد در نزدیک این ایستگاه ها نسبت به دادههای ماهواره ای (که در فاصله چند کیلومتری از خط ساحل استخراج شدهاند) مشاهده میشود.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 21 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد