بخشی از مقاله
چکیده
بخارآب نقش بسیار مهمی در فرآیندهای تروپوسفری داشته و یک شاخص کلیدی در مطالعات هواشناسی بشمار میرود. به دلیل وجود تغییر شکلهای نامنظم زمانی و مکانی، مدلسازی این شاخص همواره از مسائل مورد توجه در زمینه هواشناسی میباشد. در سالهای اخیر توانایی روش توموگرافی در زمینه بازسازی نیمرخهای ارتفاعی بخارآب در قالب مطالعات بسیاری به اثبات رسیده است. با این وجود همچنان محققین در حال تالش در جهت افزایش دقت این روش میباشند. وجود کمبود مرتبه در ماتریس طراحی توموگرافی، استفاده از قیود خارجی را اجتنابناپذیر میسازد.
عالوه بر این تعیین ابعاد بهینه المانهای حجمی به منظور تالش در جهت عبور اشعهها از همه المانها، یکی از مهمترین چالش-های پیش رو در حل این مسئله میباشد. در این مقاله از تابعی بر مبنای مقادیر بخارآب در المانهای همسایه و همچنین ابعاد غیریکسان المانها بمنظور افزایش دقت نتایج و همچنین کاهش وابستگی این روش به دادههای هواشناسی استفاده گردیده است. نتایج بدست آمده و مقایسه آنها با مشاهدات رادیوسوند و دادههای هواشناسی، حاکی از آن است که استفاده از ابعاد متغیر برای المانها منجر به کاهش RMSE نتایج بین 0/1922 تا g/m3 0/2591 میشود.
-1 مقدمه
بخارآب سهم بسیار اندکی از گازهای جوی را به خود اختصاص میدهد ولی به دلیل تغییرات زمانی و مکانی نامنظم، مدلسازی آن در مقایسه با سایر شاخصهای جوی دشوارتر میباشد. رادیوسوندها و رادیومترهای بخارآب از جمله2 1 مهمترین تجهیزات در راستای مشاهده و اندازهگیری بخارآب در الیه تروپوسفر بشمار میآیند. این تجهیزات برخالف دقت باال، از قدرت تفکیک زمانی و مکانی مناسبی برخوردار نیستند.
در سالهای اخیر با ظهور روش توموگرافی3امکان بازسازی نیمرخهای ارتفاعی و مسطحاتی بخارآب با دقت مناسب و قدرت تفکیک زمانی و مکانی باال فراهم گردیده است. پس از آنکه صحت و دقت اطالعات بخارآب بدست آمده از مشاهدات GPS توسط بویس به تایید رسید[1]، مطالعات بسیاری در راستای افزایش دقت نتایج روش توموگرافی و بهبود مراحل مختلف آن صورت گرفت. از جمله این مطالعات میتوان به استفاده از روشهایی در راستای بهینهسازی ابعاد المانها، بکارگیری ردیابی اشعه سه بعدی و پایدارسازی ترکیبی اشاره نمود2] تا .[12
یکی از مهمترین مشکالت پیش رو در راستای حل مسائل توموگرافی آن است که از برخی المانهای حجمی4هیچ اشعه-ای عبور نمیکند. در نتیجه هیچ مشاهدهای برای برآورد برخی مجهوالت در اختیار نخواهد بود. پس میتوان گفت این مسائل بدلیل وجود کمبود مرتبه در ماتریس طراحی مربوطه عموما دارای بیش از یک جواب میباشند. بمنظور یکتا نمودن جواب مسئله و به عبارت دیگر تهی نمودن فضای پوچ ماتریس طراحی، الزم است از قیود خارجی استفاده گردد. [ 12] تاکنون روشهای متفاوتی برای تشکیل معادالت مربوط به قیود خارجی مورد استفاده قرار گرفته است که برخی از آنها وابسته به دادههای هواشناسی بوده و برخی مستقل از آن هستند.
در صورت استفاده از دادههای هواشناسی نتایج روش توموگرافی وابستگی بسیاری به این دادهها خواهند داشت6]و7و.[12 در نتیجه تالش در جهت تعیین معاد الت قیود خارجی بدون استفاده از دادههای هواشناسی همچنان ادامه دارد.[12] عالوه بر این بایستی ابعاد المانهای حجمی به گونهای انتخاب شود که تعداد المانهای خالی از اشعه به کمترین میزان ممکن برسد. برای این منظور روشهایی در مطالعات قبلی بیان گردیده است.[9] در این مقاله از مقادیر مربوط به المانهای همسایه به منظور تولید معادالت قیود استفاده میگردد. همچنین ابعاد المان-ها به منظور دریافت بیشترین تعداد اشعه ممکن در هر المان، متغیر در نظر گرفته خواهد شد. در پایان نتایج بدست آمده با روشهای سنتی توموگرافی مقایسه خواهد گردید.
همانطور که مالحظه میگردد تعداد بسیاری از درایههای ماتریس طراحی صفر میباشند. به عبارت دیگر با توجه به زاویه ارتفاعی مشاهدات، تعدادی از المانها خالی از اشعه خواهند بود. به همین دلیل و به منظور رفع کمبود مرتبه ماتریس طراحی و تهی کردن فضای پوچ آن نیازمند قیود خارجی خواهیم بود. همچنین الزم است ابعاد المانها به صورتی انتخاب گردند که تعداد المان کمتری خالی از اشعه باقی بماند و نیاز به معادالت قیود کمتر گردد.
-3 ابعاد المانهای حجمی
ابعاد المانهای حجمی مدل توموگرافی تاثیر مستقیم بر دقت نتایج آن دارد. در صورتیکه این ابعاد به درستی تعیین نگردند باعث تولید نتایج نامعقول در فرآیند پردازش خواهند گردید. عالوه بر این مسئله، انتخاب ابعاد بهینه در راستای عبور اشعهها از تعداد المان بیشتر، دلیل دیگری است که این مرحله از روش توموگرافی از اهمیت باالیی برخوردار می-باشد. در اغلب مطالعات گذشته ابعاد المانهای یکسان در نظر گرفته شدهاند. یکی از روشهای محاسبه ابعاد بهینه المانها استفاده از ماتریس رزولوشن 5محاسبه شده به کمک ماتریس طراحی میباشد.[10] در این تحقیق از ابعاد متغیر برای المانهای حجمی استفاده میگردد.
باتوجه به زوایای ارتفاعی اشعههای ارسالی از ماهواره و همچنین لزوم عبور اشعهها از سقف مدل توموگرافی، المانهای کناری مدل، خالی از اشعه باقی میمانند. یک راه حل مناسب برای این موضوع آن است که ابعاد المانهای کناری مدل توموگرافی بزرگتر از ابعاد المانهای میانی باشد. المانهای میانی مطابق تجربه هیچگاه از اشعه خالی نمیمانند و کوچکتر کردن ابعاد آنها مشکلی ایجاد نخواهد کرد. در شکل1 نمای کلی برش مسطحاتی یک مدل توموگرافی با ابعاد ثابت و متغیر آورده شده است.
