بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبيه سازي امواج در جنوب درياي خزر با به کارگيري ميدان باد
ECMWF( ERA-Interim) و مقايسه با نتايج ISWM II
چکيده
در اين مقاله ، شبيه سازي مشخصات امواج در درياي خزر جنوبي ، با استفاده از خاصيت روش تودرتو در مدل
SWAN و به کارگيري ميدان باد ECMWF-ERAI انجام گرديد. اين شبيه سازي با مقايسه نتايج و مقادير اندازه - گيري در ايستگاه هاي نکا، نوشهر و انزلي با ضريب همبستگي ٩٤% صحت سنجي شد. سپس مدل سازي ها با ميدان باد مورد استفاده در ISWM II انجام گرديد. هرچند ميدان باد مورد استفاده در ISWM II در درياي خزر اصلاح شد، اما بالاتر بودن دقت مکاني ميدان باد ECMWF-ERAI سبب بهبود دقت نتايج پريود موج تا ١ ثانيه و ارتفاع موج تا ١.٥-٠.٥ متر، در بخش شرقي و مرکزي خزر شد. البته در غرب محدوده ، نتايج مدل با ميدان باد ECMWF-Reanalysis INIO، روند مقادير اندازه گيري را دقيق تر به دست آورد. به علاوه در زمان هايي که ارتفاع موج اندازه گيري کمتر از ١.٥متر بود، نتايج مدل با ميدان باد مورد استفاده در ISWM II به مقادير اندازه - گيري نزديک تر بود.
کلمات کليدي : مدلسازي امواج، SWAN،ECMWF ،ISWM II ، درياي خزر.
١. مقدمه
مدل سازي مشخصات امواج از روش هاي تجربي ، عددي و ابزار محاسبات نرم امکان پذير است . روش هاي تجربي مانند CEM (٢٠٠٣ (,US Army،SPM (١٩٨٤ ,US Army) و SMB
(١٩٤٧ ,Sverdrup and Munk) روش هاي ساده براي پيش بيني مشخصات امواج ناشي از باد (صرف نظر از امواج دورآ) در مناطق خاص هستند. مدل هاي عددي مانند WAM ( ,Komen et al. ١٩٩٤)، SWAN (١٩٩٩ ,.Booij et al) و WAVEWATCH III (١٩٩١ ,Tolman) از دقت بالايي برخوردار هستند. SWAN مدلي براي شببيه سازي توليد و انتقال موج است که قادر به محاسبه پديده هاي ژرفاکاستگي ، شکست موج ، تفرق و انکسار است . در اين مدل ، امواج به وسيله طيف دو بعدي چگالي کنش موج (N) توصيف مي شوند:
در معادله ١، سرعت گروه موج و جريان محدود پيراموني است . کميت هاي سرعت هاي انتشار در فضاي طيفي هستند که فرکانس نسبي و جهت
انتشار است . Stot با معادله ٢ ارايه مي شود:
پارامترهاي سمت راست معادله ٢ به ترتيب ورود انرژي ميدان باد، انتقال انرژي موج تحت برهمکنش سه گانه و چهارگانه ، استهلاک انرژي ناشي از سفيدک راس موج ، استهلاک انرژي در اثر اصطکاک کف و شکست موج را نشان مي دهند.
٢. منطقه مورد مطالعه
درياي خزر در عرض جغرافيايي شمالي و طول جغرافيايي شرقي قرار دارد (بيدختي و شکرباغي ، ١٣٨٤). مدل سازي مشخصات امواج در درياهاي ايران در پروژه "مدل سازي امواج درياهاي ايران (ISWM)" انجام شده است . در فاز دوم اين پروژه ، داده هاي ميدان باد –ECMWF Operational با بزرگنمايي مکاني ٠.٥ درجه و بزرگنمايي زماني ٦ ساعت خريداري شده و علاوه بر مقايسه با داده هاي باد ثبت شده در ايستگاه هاي همديدي ، با داده هاي باد ماهواره QuikSCAT واسنجي شده است (مظاهري و همکاران ، ١٣٩٢).
٣. مواد و روش ها
٣-١. ايستگاههاي اندازهگيري
به منظور دست يابي به الگوي امواج در بخش هاي مختلف خزر جنوبي ، پراکنش ايستگاه هاي اندازه گيري موج به شکلي در نظر گرفته شده است که ١ ايستگاه در شرق (ايستگاه نکا)، ٢ ايستگاه در مرکز (ايستگاه هاي نوشهر در ٢ عمق مختلف ) و ١ ايستگاه در غرب (ايستگاه انزلي ) قرار داشته باشد (شکل ١). از اين طريق ، علاوه بر بررسي نتايج در عمق هاي مختلف به بررسي شرايط موج در مکان هاي مختلف نيز پرداخته مي شود.
پوشش زماني داده هاي اندازه گيري شده موج ، از سال ٢٠٠٥ تا ٢٠١١ است که سري زماني مشخصه ارتفاع موج ثبت شده در کل ايستگاه ها و گلموج هاي حاصل به ترتيب در شکل هاي (٢ و ٣ الف تا ٣ ج) آورده شده است . لازم به ذکر است که جهت موج در ايستگاه انزلي ثبت نشده است .
همان طور که در شکل ٢ مشاهده مي شود، مرتفع ترين امواج با ارتفاع بيش از ٥.٥ متر، در عمق ٧٣٨ متري ايستگاه نوشهر رخ داده است ، که بيشترين فراواني امواج با ارتفاع بيش از ٢ متر، در جهت موج غالب (شمال غربي تا شمال ) اين ايستگاه قرار دارد (شکل ٣ الف ). همچنين ، درحالي که در ايستگاه هاي نکا (عمق ٩.٥ متر) و نوشهر (در محل آب با عمق مياني ، عمق ٦١ متر)
بلندترين موج ارتفاع بيش از ٣ متر دارد، چنين موجي در ايستگاه انزلي وجود ندارد (شکل ٢). براي ايستگاه هاي نوشهر (عمق ٦١ متر) و نکا بيشترين فراواني به امواج با ارتفاع کمتر از ١ متر تعلق دارد که در همه جهات فراواني وقوع يکساني دارد (شکل هاي ٣ ب و ٣ ج).
٣-٢. اجراي شبيه سازيها
شبيه سازي مشخصات موج در دو بخش انجام شد. بخش اول با به کارگيري اطلاعات باد پايگاه ECMWF-ERA Interim (دقت مکاني ٠.١٢٥ درجه و دقت زماني ٣ ساعته ) انجام گرديد که با مقايسه نتايج آن با مقادير اندازه گيري ، مدل SWAN در بخش هاي مختلف درياي خزر جنوبي واسنجي شد. در بخش دوم ، مدل - سازي ها با به کارگيري داده هاي باد مورد استفاده در پروژه ISWM II انجام شد. سپس نتايج آن با نتايج مدل صحت سنجي شده در مرحله ١ مقايسه گرديد، تا از اين طريق ميزان تأثير واسنجي هاي صورت گرفته روي اطلاعات باد مشخص گردد. با توجه به پراکنش زماني داده هاي اندازه گيري ، چندين دوره زماني کوتاه (به طول چند روز) به عنوان نماينده فصول مختلف انتخاب شد، تا مدل سازي ها در اين دوره ها صورت گيرد. دوره هاي فوق در شکل ٢ نشان داده شده اند. در انتخاب اين دوره ها معيارهاي مختلفي همچون وجود امواج مرتفع در جهات مختلف ، مدنظر قرار گرفت .
٣-٢-١. ساخت شبکه هاي ورودي
با توجه به اين که دقت نتايج مدل به طور مستقيم به دقت شبکه هاي محاسباتي و ورودي هايي همچون عمق نگاري ١ بستگي دارد، لذا از بين مراجع موجود، دقيق ترين اطلاعات عمق نگاري با دقت ٣٠ ثانيه از پايگاه Geodas انتخاب شد و سپس پردازش - هايي مانند اصلاح داده هاي عمق به سطح آزاد دريا و هموارسازي ٢ خط ساحلي با استفاده از کدهاي نوشته شده در محيط ARCGIS١٠١ و به کارگيري زيربرنامه Mesh Generator از برنامه MIKE٢١ روي اطلاعات موجود صورت گرفت . در نهايت ، شبکه عمق نگاري کل درياي خزر با ابعاد تقريبي هر سلول ٣٣٠٠×٣٣٠٠ مترمربع ساخته شد (شکل ٤). قابل ذکر است که ابعاد نهايي شبکه ، پس از انجام حساسيت سنجي مدل نسبت به بزرگنمايي مکاني شبکه به دست آمده است .
محل قرارگيري ايستگاه ها در آب با عمق مياني و کم عمق (که در نخستين سلول هاي نزديک ساحل شبکه کل درياي خزر قرار مي گيرند)، سبب شده است که به منظور افزايش دقت ، مدل - سازي ها با روش شبکه هاي تودرتو انجام شود. بدين منظور پساز ساخت شبکه کل درياي خزر به عنوان شبکه بزرگ ١ (شکل ٤)، ٣ شبکه ديگر براي شرق ، مرکز و غرب منطقه مورد مطالعه به عنوان شبکه هاي ريز٢ (با ابعاد تقريبي ٧٨٥×٧٨٥ مترمربع ) و با مقياس ريزسنجي ١.٥ ساخته شد.
