بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق تغییرات تاوایی ناشی از فرارفت و انتشار، کرل تنش بستر و کرل تنش باد در خزر شمالی برای دو ماه فوریه و آگوست با استفاده از مدل POM بررسی شد. مدل POM، مدلی اقیانوسی با مختصات عمودی سیگما، شبکهی افقی منحنیوار راست گوشه است. در این مدل از دادههای میدان دما و شوری WOA و از دادههای باد، بارش، تبخیر، یخ، تابش امواج کوتاه و بلند، اخذ شده از بانک دادههای روزانه ECMWF، با دقت 7/5 دقیقه و با گام زمانی 6 ساعته، استفاده شده است.
برای دادههای رودخانهها از میانگین ماهیانهی دادههای NRL، و برای ژرفاسنجی از دادههای GEBCO08 با دقت 30 ثانیه استفاده شد. نتایج آن پس از بررسی پایداری، با دادههای میدانی موجود، مقایسه و تطابق خوبی بین الگوی تغییرات دما و نیز شوری مشاهده شد.
از نتایج این تحقیق، مهمترین عامل ایجاد تاوایی در حوضه شمالی دریای خزر، تاوایی ناشی از فرارفت و انتشار است که در مناطق غربی و شمال غربی این حوضه دارای مقدار بیشینه می باشد و نیز بیشترین مقدار تاوایی سطحی نیز در سواحل شرقی و جنوب غربی حوضه شمالی مشاهده می گردد که ماکزیمم مقدار آن در ماه آگوست و فوریه در شرق این حوضه به ترتیب برابر با مقادیر 1/5 e-10 و 2 e- 10 می باشند.
مقدمه
دریای خزر بزرگترین توده آبی بسته دنیا می باشد که به واسطه دارا بودن ویژگی ها و شرایط منحصر به فردی همچون منابع غنی زیستی وهیدروکربنی جایگاه و نقش ویژه ای در توسعه کشورهای حاشیه ای خود دارد . [1 ] این دریا بین دو قاره ی آسیا و اروپا واقع شده است و در عرض جغرافیایی 33 و 36° تا 7 و 47° شمالی و طول جغرافیایی 43 و 45° تا 20 و 52° شرقی قرار گرفته است، به طوری که توسط کشورهای جمهوری اسلامی ایران، ترکمنستان، قزاقستان، روسیه و جمهوری آذربایجان احاطه شده است. تراز متوسط آن حدود 26 متر پایینتر از میانگین تراز دریاها است.
مساحت دریا حدود 390000 کیلومتر مربع و حجم آب به 78000 کیلومتر مکعب را دارد؛ بیشترین عمق دریا 1025 متر است .[1] طول آن بیش از 1000 کیلومتر از شمال به جنوب و عرض آن 200-400 کیلومتر است. با توجه به
شرایط فیزیکی و جغرافیایی و توپوگرافی، دریای خزر را میتوان به سه بخش تقسیم کرد .
خزر شمالی - NCB1 - ، خزر میانی - MCB2 - و خزر جنوبی . - SCB3 - خزر شمالی توسط یک خط فرضی از خزر میانی جدا میشود. عمیق ترین نقطه دریای خزر در حوضه جنوبی واقع شده است .
به طور کلی گردش آب در دریاها ناشی از نیروهای جزرومدی،اختلاف چگالی، باد و رواناب رودخانهها میباشد. جزرومد در طول چند ساعت، جریانات بادرانده در طول چند روز و جریانات ناشی از اختلاف چگالی و رواناب رودخانهها در چند هفته اثرگذاری میکنند. با توجه به اینکه جذر و مد در این حوضه بسیار ناچیز است .بنابراین تأثیر قابل توجهی در تاوایی این دریا ندارد و تغییرات گردش سطحی دریای خزر تحت تأثیر عوامل دیگر و به ویژه باد میباشد
شبکه رودخانهای در اطراف دریای خزر بسیار نامنظم است. تمام رودخانههای اصلی در خزر شمالی یا سواحل غربی دریا قرار دارند. رواناب متوسط سالانه این رودخانهها - ولگا، اورال، ترک و کورا - به حدود %90 کل رواناب همه رودخانههای داخلی دریا میرسد. باقی رواناب مربوط به رودخانههای ایرانی و سواحل غربی دریای خزر میباشد. موقعیت جغرافیایی عرض میانی، تغییرات فصلی شدیدی را در شارهای حرارتی و آب شیرین در تمام سطح دریای خزر ایجاد میکند .
شکل :1 ویژگیهای فیزیکی، جغرافیایی دریای خزر
اولین مطالعه در زمینه تاوایی در سال 1950 توسط Charaney در یک مجیط باروتروپیک صورت گرفت.[5] پس از آن از مطالعات صورت گرفته می توان به بررسی اثرات کرل تنش باد، توپوگرافی و چینه بندی با استفاده از مدل POM1 بر روی دریاچه میشگان اشاره کرد که از نتایج آن می توان به بزرگتر بودن اثرات تاوایی ناشی از باد اشاره کرد که حدود 3 - 2 برابر بزرگتر از تاوایی ناشی از بستر بوده است. در زمینه گردش آبها در سال های اخیر مطالعاتی صورت گرفته که از جمله می توان به مدل بومی POM Dynamics اشاره کرد که جریانهای ناشی از باد را شبیهسازی کرد و با واسنجی این مدل با دادههای میدانی نتایج قابل قبولی مشاهده گردید.
از بین روشهایی که برای بررسی تاوایی و گردش آب دریای خزر وجود دارد مدلسازی مناسبترین روش میباشد. مدلسازی در مقایسه با انجام آزمایشهای تجربی در دریا دارای هزینه کمتر و بازدهی بیشتری می باشد. حال با توجه به اینکه تاوایی و نوع گردش در این دریا هنوز به خوبی مشخص نشده است و نتایج متفاوتی از نظر جهت و اندازه سرعت جریان و نیز موقعیت گردشها ارائه گردیده است
بررسی تاوایی دریای خزر ضروری می باشد که البته از دلایل مهم این تغییرات میتوان به ثابت فرض کردن جمله کریولیس و میدان باد در زمان و مکان و نیز دقت نامناسب مدل اشاره کرد زیرا دریای خزر به دلیل موقعیت فیزیکی و جغرافیایی که بصورت نصف النهاری است اثر چرخش زمین در بخشهای مختلف آن ثابت نبوده و از نظر جوی نیز تحت تأثیر میدانهای باد و دمایی مختلفی است به طوری که حوضه شمالی دریا در زمستان پوشیده از یخ بوده و لذا لحاظ نمودن اثرات کریولیس در عرضهای مختلف و میدان باد متغیر و نیز اثر یخ به ویژه در زمان انجماد و ذوب شدن آن بسیار ضروری میباشد. در این تحقیق کلیه عوامل فوق الذکر با دقت مناسبی توسط مدل اقیانوسی POM لحاظ گردید.
روش تحقیق تئوری تحقیق
تاوایی یک ذره معیاری از میزان چرخش آن حول محورش است. تاوایی یک ذره با اندازه حرکت زاویه ای آن متناسب است. طبق قرار داد، چرخش ساعتگرد را تاوایی منفی و چرخش پادساعتگرد را تاوایی مثبت می نامند. تاوایی در محاسبات با مفهوم کرل مرتبط است. بردار تاوایی به صورت کرل بردار سرعت تعریف می شود. واضح هست که هرگاه کرل بردار سرعت صفر باشد حرکت غیر چرخشی و در غیر اینصورت حرکت چرخشی می باشد. به طور معمول چندین شکل از تاوایی در دینامیک شاره ها به کار برده می شود که عبارتند از:
تاوایی سیاره ای، تاوایی نسبی، تاوایی مطلق و تاوایی نهفته. هر ذره ای که روی زمین باشد همراه با زمین می چرخد. چرخشی که از دوران زمین ناشی می شود را تاوایی سیاره ای می نامند. تاوایی سیاره ای همان پارامتر کوریولیس - f - است که در بحث جریان های اقیانوسی نیز از اهمیت زیادی برخوردار است. اقیانوس ها و جو دقیقا به همان اندازه چرخش زمین حول محورش دوران نمی کنند بلکه دارای چند حرکت چرخشی نسبت به زمین نیز هستند که ناشی از جریان های مختلف و بادها است.
تاوایی ناشی از حرکت یک سیال به تنهایی - بدون در نظر گرفتن چرخش زمین - تاوایی نسبی نامیده می شود. در بیشتر مباحث بزرگ مقیاس اقیانوس شناسی غالبا تنها مولفه قائم تاوایی مورد استفاده قرار می گیرد؛ زیرا در اقیانوس لایه های سیال نسبت به گستره عظیم حوضه های اقیانوسی دارای ضخامت کمی هستند و جریان ها درون این لایه ها کمابیش افقی هستند. مجموع تاوایی سیاره ای و تاوایی نسبی، تاوایی مطلق نامیده می شود.
تاوایی نهفته یک کمیت دینامیکی مهم است که به صورت مجموع تاوایی نسبی و سیاره ای تقسیم بر عمق تعریف می شود. بنابر اصل پایستگی تاوایی نهفته وقتی که یک لایه آب از یک عرض جغرافیایی به عرض جغرافیایی دیگری حرکت کند این تغییر عرض جغرافیایی با تغییر ضخامت لایه یا تغییر در تاوایی نهفته همراه خواهد بود. تاوایی با گردش ارتباط تنگاتنگی دارد که به صورت شدت گردش تعریف می گردد.
مدل POM
در این تحقیق از نسخهی mpiPOM1 مورد استفاده قرار گرفته شده است. mpiPOM توسط مرکز پیشبینی پیشرفتهی اقیانوسی تایوان2 - ATOP - تهیه شده است.[9] برنامه mpiPOM در کامپیوترهای معمولی قابل اجرا نیست و باید تغییرات زیادی در کد مدل ایجاد شود تا بتوان آن را با کمپایلر رایگان و آزاد gfortranکه تقریباً در تمامی توزیعهای لینوکسی وجود دارد، اجرا نمود. مدل POM مدلی بسیار کارآمد اما کار کردن با این مدل بسیار طاقت فرسا است بطوری که برای کلیه ورودی ها و پیش پردازش و پس پردازش و ... باید جداگانه کدنویسی انجام و در مدل اعمال کرد.
آماده سازی داده ها هم بدین صورت می باشد که داده های ژرفاسنجی از 3GEBCO در مجموعه دادههای GEBCO08 با دقت 30 ثانیه، دادههای دما و شوری، از دو سری داده های WOA42005 و داده های HYCOM بصورت مجزا و در دو اجرای جداگانه مدل و دادههای باد، بارش، تبخیر، یخ، گرمای نهان و محسوس، تابش امواج کوتاه و بلند از بانک دادههای روزانه ECMWF5، با دقت 7/5 دقیقه و با گام زمانی 6 ساعته استفاده خواهد شد.
برای داده های روان آب های ورودی هم با توجه به اینکه بیشترین میزان ورودی آب رودخانهها به دریای خزر از طریق رودخانههای ولگا - در این تحقیق: 5 شاخه - ، کورا و اورال انجام میگیرد. برای دادههای این رودخانهها از میانگین ماهیانهی دادههای NRL6 استفاده خواهد شد. در این تحقیق، کدهایی به زبانهای سی، فرترن 90 و پایتون برای پردازش، درونیابی و استخراج دادهها برای منطقه تحقیق توسعه داده خواهد شد.
دادهها پس از پیش پردازش باید برای ورودی مدل آماده شوند. این کار در توسط یک برنامه فرترن به نام GridNetcdf.f انجام میشود. در برنامه اولیهی mpiPOM برای اجرای مدل در ابررایانهی ATOP و ارسال آن به برنامهی PBS یک اسکریپت CShell وجود دارد. در این تحقیق، این اسکریپت حذف شده و کلیهی مراحل کمپایل، پیش پردازش، اجرا و … توسط Makefile پیاده سازی خواهد شد.
نتایج و بحث
برای بررسی پایداری مدل، تغییرات شوری نسبت به زمان در شکل 2 رسم شده است که اجرای مدل به مدت هفت سال، پایداری نسبتا خوبی را نشان میدهد. همچنین برای صحت سنجی اجرای مدل، با توجه به دادههای اندازهگیری موجود مربوط به سال 1996، مدل برای ده سال، از سال 1988 تا 1997، شامل بازه زمانی اندازهگیری مذکور، اجرا گردید که نتایج حاصل از اجرای مدل و اندازهگیری، مقایسه شده - شکلهای3و - 4 که نشان از تطابق بالای نتایج مدل و مقادیر اندازهگیری شده - از 30/08/1996 به مدت یک هفته - توسط عملیات میدانی سازمان انرژی اتمی یونسکو میباشد. موقعیت ایستگاه مقایسه در حوضه میانی با طول و عرض جغرافیایی به ترتیب 35 و 50° شرقی و 50 و 41° شمالی قرار دارد.
شکل:2 تغییرات شوری در اجرای 10 ساله مدل
