بخشی از مقاله
ارزیابی استفاده از دادههاي باد ماهوارهاي QuikSCATبراي مدلسازي امواج در دریاي خزر
چکیده:
پیشبینی مناسب رژیم امواج در دریاي خزر به دلیل فعالیتهاي اقتصادي مهم کشورهاي حاشیه این دریا در آن، از اهمیت بالایی برخوردار است.
مدلسازي عددي مشخصات موج در این دریا نیازمند میدان باد دقیق به عنوان ورودي مدل است. در این مطالعه از میدان باد اندازهگیري شده ماهوارهاي QuikSCAT به عنوان باد ورودي به مدل استفاده شده است. پیش از شبیهسازي امواج، کیفیت این دادهها از راه مقایسه با ایستگاههاي هواشناسی در چند نقطه در اطراف دریاي خزر ارزیابی شده است. براي مدلسازي امواج در این دریا از مدل عددي SWAN با شبکهبندي نامنظم استفاده شده است. نتایج حاصل از مدلسازي با مقادیر ارتفاع موج مشخصه اندازهگیري شده توسط ماهواره هاي Topex وGFO-1 در طول مسیرهاي برداشت این ماهوارهها و براي طوفانهاي خاص مقایسه شده است.
کلمات کلیدي: دریاي خزر، پیشبینی موج، ایستگاه سینوپتیک، مدل عددي SWAN، دادههاي ماهوارهاي، QuikSCAT، Topex، GFO-1
-1 مقدمه:
بزرگترین توده آبی محصور در خشکی جهان دریاي خزر است. این دریا براي کشور ایران به دلیل دارا بودن حدود 750 کیلومتر خط ساحلی در این دریا، وجود منابع مهم طبیعی و نیز موقعیت استراتژیک جغرافیایی آن از اهمیت ویژهاي برخوردار است. توسعه مناسب فعالیتهاي اقتصادي در محیطهاي دریایی نیازمند تخمین اطلاعات مربوط شرایط محیطی از جمله موج در منطقه است. اطلاعات مربوط به امواج کاربردهاي مختلفی در فعالیتهاي ساحلی و دریایی دارند که از جمله آنها میتوان استفاده از این دادهها در طراحی سازههاي ساحلی، محاسبه انتقال رسوب و فرسایش سواحل و نیز محاسبات مربوط به انتقال آلودگی را نام برد. بهرهبرداري، مدیریت و حفاظت از دریاي خزر و سواحل آن نیازمند شناخت شرایط هیدرودینامیکی آن، به ویژه خصوصیات امواج ناشی از باد است. وزش باد تقریبا به طور دائمی روي حوضه دریاي خزر وجود داشته و طول موجگاه بلند موجود در جهت عمود بر سواحل ایران، سبب تولید امواج نسبتا مرتفع میشود. نفوذ تودههاي پرفشار قوي نظیر، تودههاي پرفشار سیبري قطبی و نیز تودههاي پرفشار با منشاء اقیانوس اطلس در فصول سرد سال، غالبا سبب وزش باد شدید می شود. همچنین در بهار و تابستان با تضعیف توده سیبري، معمولا توده پرفشار آزورس به منطقه نفوذ میکند که این توده نیز با وزش بادهاي قوي همراه است (جهت غالب این بادهاي قوي در ایران شمالی-جنوبی است) .[1]
به دلیل عدم وجود و یا امکان اندازه گیري مشخصات موج در بسیاري از مناطق به دلیل کمبود امکانات و پر هزینه بودن آن و نیز نیاز به پیش بینی مشخصات امواج براي آینده، مدلهاي تجربی و عددي مختلفی در این زمینه توسعه یافتهاند. از جمله مدلهاي تجربی پیشنهادي میتوان مدلهاي[2] SMB،[3] SPM و [4] CEM را نام برد. در دهههاي اخیر، با افزایش سرعت پردازندههاي کامپیوتري، استفاده از مدلهاي عددي در بین محققان رواج بیشتري یافته است. اکثر این مدلها، مدلهاي موج طیفی هستند که در سه نسل توسعه یافتهاند. مدلهاي نسل سوم نسبت به مدلهاي نسل اول و دوم، اثر متقابل غیر خطی امواج بر یکدیگر را دقیقتر مدلسازي نموده و بیشتر قیود مربوط به شکل طیف در مدلسازي رشد امواج را ارضاء میکنند .[5] از جمله مدلهاي نسل سوم می توان به [6] MIKE 21 SW و [7] SWAN اشاره نمود.
مطالعات بسیاري در زمینه امواج در دریاي خزر انجام شده و روشهاي تحلیلی، تجربی و عددي مختلفی براي شناخت خصوصیات امواج بکار گرفته شده است. سیادت موسوي و همکاران [8] دو مدل ریاضی WAVEWATCH III و MIKE 21 SW را براي سواحل جنوبی دریاي خزر اجرا نموده و نتایج شبیهسازي را با اندازهگیري هاي انجام شده توسط بویه ها در نکا و انزلی مقایسه نمودهاند. محجوبی و اعتماد شهیدي [9] با استفاده از ابزار درخت تصمیم به پیش بینی کمیتهاي امواج ناشی از باد در بندر امیرآباد پرداختند. تائبی و همکاران [10] به پیش بینی عددي امواج در دریاي خزر با استفاده از نرمافزار MIKE 21 SW پرداخته و اطلس باد و موج حدي در دریاي خزر را به تفکیک جهت استخراج نمودند. قربانی و گلشنی [11] به مطالعه اقلیم موج در بندر امیرآباد با استفاده از مدل MIKE 21 SW و روشهاي نیمه تجربی پرداخته و نتایج را با اندازهگیري هاي بویه مقایسه نمودهاند. در تمامی مدلهاي فوق از باد اندازهگیري شده در ایستگاههاي هواشناسی و یا نتایج حاصل از مدلهاي عددي هواشناسی به عنوان باد ورودي استفاده شده است. همچنین نتایج مدلسازي ها به صورت نقطهاي مکانی و در دورههاي زمانی مختلف با اندازهگیري هاي میدانی مقایسه شده است.
در این مطالعه از مدل عددي SWAN براي مدلسازي امواج در دریاي خزر استفاده شده است. این مدل با استفاده از شبکه بندي نامنظم اجرا شده و از میدان باد اندازهگیري شده ماهواره اي QuikSCAT به عنوان باد ورودي به مدل استفاده شده است. نتایج بدست آمده از مدلسازي با مقادیر ارتفاع موج مشخصه اندازهگیري شده توسط ماهوارههاي Topex و GFO-1 در طول مسیرهاي برداشت این ماهوارهها و براي طوفانهاي خاص مقایسه شده است.
-2 منطقه مورد مطالعه و دادههاي مورد استفاده
دریاي خزر بزرگترین توده آبی محصور در خشکی جهان است. این دریا بین طول جغرافیایی 46˚ 30˝ تا 54˚ 00˝ شرقی و عرض جغرافیایی 36˚ 30˝ تا 47˚ 00˝ شمالی قرار داشته و پنج کشور ایران، ترکمنستان، قزاقستان، روسیه و آذربایجان در اطراف آن قرار دارند. کشور ایران حدود 750 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 پهلوگیري کشتیهاي بزرگ را داشته و به دلیل ارتباط با بنادر مهم کشورهاي اطراف دریا از اهمیت ویژه اي برخوردار هستند. از این رو سرمایه زیادي براي ساخت سازه هاي دریایی در این بنادر در نظر گرفته شده است و بنابراین پیش بینی دقیق رژیم موج در این دریا اهمیت بالایی دارد.
دادههاي مورد نیاز جهت تهیه فایل عمقسنجی، موقعیت مرزهاي مدل و نیز هیدروگرافی محدوده مدل است. براي این منظور از سه منبع داده استفاده شده است. خط مرزي دریاي خزر و خطوط تراز در اعماق 10، 20، 50، 100، 200 تا 1000 متري از اطلاعات ارائه شده در برنامه محیط دریاي خزر[12] 1 تهیه شده است. این نقاط و خطوط تراز بر اساس نقشه راهنماي دریاي خزر که توسط بخش اقیانوسشناسی و دریانوردي وزارت دفاع شوروي در سال 1987 تهیه شده، بدست آمده است. همچنین این نقاط بر اساس تصاویر ماهواره Resurs اصلاح شده است. دسته دوم نقشههاي هیدروگرافی سازمان نقشهبرداري کشور با مقیاس 1:100000 هستند که براي سواحل ایران وجود دارند. در این نقشهها، خطوط تراز از رقومی نمودن2 نقشههاي روسی بدست آمدهاند. دسته سوم دادههاي هیدروگرافی، دادههاي بدست آمده از نقشههاي MIKE CMap هستند که توسط DHI تهیه شده و از دقت مناسبی برخوردارند .[13] مجموع این سه سري داده پس از پردازشهاي لازم به عنوان دادههاي عمقسنجی ورودي مدل استفاده شده است.
براي باد ورودي مدل از میدان باد ماهوارهاي QuikSCAT استفاده شده است. این ماهواره توسط ناسا در فضا استقرار یافته و فرآیند ثبت دادههاي باد در سطح آبهاي کره زمین را از ماه جولاي سال 1999 با دو برداشت در هر روز آغاز نموده است. اطلاعات خام این ماهواره شامل سرعت و جهت باد در تراز مبناي 10 متري سطح آب و در فواصل 0/25×0/25 درجه در دسترس است.[14] این دادهها براي دوره زمانی 10/17سال (1999-2009) پردازش شده و قابل استفاده جهت مدلسازي است.
براي ارزیابی کارایی مدل نتایج خروجی مدلسازي با مقادیر اندازهگیري شده ارتفاع موج ماهواره هاي Topex و GFO-1 مقایسه شده است.
ماهواره Topex به عنوان یک پروژه مشترك بین ناسا، سازمان فضایی امریکا و سازمان فضایی فرانسه در دهم آگوست 1992 به فضا پرتاب شده و در اکتبر 2005 ماموریت آن پایان یافت. هدف از پرتاب این ماهواره مشاهده و تحلیل جریانات چرخشی اقیانوسی بوده است. این ماهواره هر 10روز یکبار کل کره زمین را طی نموده و اطلاعات مربوط به محیطهاي آبی جهان را با دقت قابل ملاحظهاي ثبت نموده است .[15] ماهواره GFO-1 توسط نیروي 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 کاربردي بوده است. این ماهواره فرآیند ثبت داده هاي درست را از 7 ژانویه 2000 شروع نموده و در 25 سپتامبر 2008 نیز به فعالیت آن خاتمه داده شد .[15] براي دریاي خزر دادههاي ثبت شده توسط این ماهواره در بازههاي زمانی هر 17 روز یک بار موجود است.
-3 مدل عددي SWAN
مدل عددي SWAN یک مدل عددي طیفی نسل سوم است که براي محاسبه مشخصات امواج در محیطهاي دریایی و ساحلی، دریاچهها و خورها در سال 1999 در دانشگاه فنی Delft توسعه یافته است. این مدل طیف چگالی جهتی کنشN(σ,θ) 3 استفاده میکند که این طیف از تقسیم
چگالی انرژي 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:[7]
جمله اول از سم ت چپ در معادله فوق تغییرات زمانی چگالی کن ش را نشان مید هد. جملات دوم و سوم بیانگر انتشار انرژي موج با سرعت Cx در راستاي x و با سرعت Cy در راستاي 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 فضاي طیفی σ و θ هستند. سرعتهاي فوق از تئوري خطی موج بدست میآیند.
جمله S در سمت راست معادله (1) نشان دهنده اثر عناصر افزایند ه یا کاهنده انرژي از قبیل رشد خطی یا نمایی موج در اثر باد، استهلاك ناشی از بستر، استهلاك ناشی از شکست در اثر کاهش عمق، استهلاك ناش ی از ایجاد سفی دك در رأس مو ج و نیز اندرکنش غیرخطی موج-موج است. براي دریافت جزئیات یشتر در رابطه با این مدل میتوان به راهنماي استفاده از مدل [16] SWAN مراجعه نمود.
در این مطالعه از سري سوم SW AN نسخه (Cyc le III version 40 .72) 40.72 استفاده شده است. مدل در حالت غیر ایستاي زمانی1، در مختصات کروي و در حالت نسل سوم اجرا شده ا ست. براي انرژي ورودي باد از راب طه [17] Komen استفاده شده است. پدیدههاي ایجاد سفیدك در رأس موج، اصطکاك بستر و شکست موج ناشی از کاهش عم ق براي مدلساز ي در نظر گرفته شده است. مدل SWAN قابلیت اجرا شدن با شبکهبندي منظم و نامنظم را داراست. با توجه به اینکه دقت بیشتر در سواحل ایران مد نظر بوده است، بنابراین از شبکهبندي نامنظ م با ابعاد ریزتر در سواحل ایران و ابعاد درشتتر در مناطق شمالی دریاي خزر استفاده شده است. کوچکترین بعد سلول در این شبکهبندي 0/04 درجه بوده است. شکل زیر نمایی از این شبکهبندي را نشان میدهد.
-4 نتایج و بحث
-1-4 بررسی ص حت دادههاي باد ماهوارهاي ورود ي از آنجا که مهمترین پارامتر موثر بر نتایج خروجی مدلهاي عددي موج، دادههاي باد ورودي این مدلها هستند، در این بخش دقت و صحت دادههاي اندازهگیري شده ماهواره QuikSCAT با چند ایستگاه هواشناسی اطراف دریاي خزر ارزیابی میشود. موقعیت این ایستگاههاي هواشناسی که دادههاي آن ها با اندازهگیريهاي ماهوارهاي مقایسه شده، در جدول 1 آمده است.
در شکل 2 مقایسه سري زمانی سرعت و جهت باد اندازهگیري شده ماهواره و ایستگاه سینوپتیک Aktau براي دوره زمانی یک ماهه (آوریل
(2002 نشان داده شده است. با توجه به شکل مقادیر سرعت باد ماهوارهاي از دقت نسبتا مناسبی در این نقطه برخوردارند؛ اگرچه فاصله زمانی بین دادههاي ثبت شده در ماهوارهاي بیشتر از دادههاي سینوپتیک است.
شکل 3 مقایسه بین دادههاي ماهوارهاي QuikSCAT و دادههاي باد ایستگاه سینوپتیک Ogryda را نشان میدهد. در این تصویر نیز تطابق خوبی بین سرعتها و جهتهاي باد ثبت شده ماهوارهاي و ایستگاه زمینی وجود دارد.
سرعت و جهت بادهاي ثبت شده در ایستگاه سینوپتیک آستارا و دادههاي اندازهگیري شده ماهواره اي براي ماه آوریل 2002 نیز در شکل 4 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 دادههاي ماهواره اي (که در فاصله چند کیلومتري از خط ساحل استخراج شدهاند) مشاهده میشود.
