بخشی از مقاله
چکیده
پیش بینی هرچه دقیقتر ارتفاع موج از اهمیت زیادی برخورداراست.در این مقاله برای پشبینی امواج از مدل عددی SWAN استفاده شده ومنطقه مورد مطالعه عسلویه میباشد. در این شبیهسازی از شبکههای مستطیلی برای تعیین هندسه مسأله استفاده شده است.
فرایندهای فیزیکی رشد خطی ونمای موج در اثر انرژی باد، ایجاد سفیدک در رأس موج، اصطکاک بستر، شکست موج ناشی از کاهش عمق واندرکنش غیر خطی سهگانه امواج در نظر گرفته شده است.
.1 مقدمه
طراحی سازهها و پروژه های اقتصادی در حیطه ی کارهای دریایی نیازمند اطلاعات دقیق در مورد شرایط محیط از جمله مشخصههای امواج میباشد. امواج همچنین بر روی بهینهسازی و ایمنی، فرسایش و رسوب در مناطق ساحلی و فراساحلی تأثیر گذارند 2]و.[1 بنابراین داشتن اطلاعات دقیق در مورد مشخصههای امواج نیاز ضروری بوده است و از آنجایی که این اطلاعات در بسیاری مناطق بهندرت در دسترس است، روشهای مختلفی از جمله مدلهای عددی و روشهای تجربی مانند 4]و[3 در این زمینه ارائه شده است. مدل SWAN یکی از انواع مدل های عددی است و در این مقاله سعی شده است تا پس از اجرای مدل برای منطقه عسلویه، میزان دقت آن از طریق مقایسه نتایج با دادههای میدانی سنجیده شود .
2. مدل SWAN
مدل سوان یک مدل طیفی موج است که برای شبیهسازی امواج ناشی از باد مناسب است . طیف مورد استفاده در این مدل طیف جهتی چگالی کنش - ' 1 - است. چگالی کنش که از تقسیم چگالی انرژی - ' - - بر بسامد نسبی بدست میآید بر طیف چگالی انرژی ترجیح داده میشود زیرا چگالی انرژی در حضور جریانهای محلی پایسته نیست .
در این رابطه جهت عمود برتاج موج در هر مولفه طیف میباشد.
طیف موج بر اساس معادله تعادل کنش طیف در دستگاه کارتزین به صورت زیر توصیف میشود:
در این رابطه جمله اول سمت چپ تغییرات چگالی کنش در زمان را نشان میدهد جملات دوم و سوم انتشار کنش موج در فضای جغرافیایی با سرعت انتشار C g, x در جهت x و C g, y در جهت y میباشد. جمله چهارم نشان دهنده انتقال بسامد نسبی در اثر تغییرات عمق و جریان میباشد و جمله پنجم بیانگر پیچش ناشی از تغییرات عمق و جریان است. - کمیتهای C g, و C g, سرعت انتشار در فضای طیفی - ' - هستند. -
جمله s در سمت راست معادله فوق، جمله مربوط به چشمه و چاهک است. شش فرایند کلی در این عبارت دخالت دارند که عبارتند از: رشد خطی و نمایی موج در اثر انرژی باد، استهلاک انرژی در اثر ایجاد سفیدک در رأس موج، استهلاک انرژی در اثر اصطکاک بستر و شکست ناشی از کاهش عمق، انتقال انرژی در مقطع طیف در اثر اندر کنشهای سهگانه و چهارگانه امواج. لازم به ذکر است که فرمولاسیون مربوط به جملات ترم S به هیچ عنوان کلی نیستند.[5] انتگرال گیری از معادله تعادل کنش در مدل SWAN ، با استفاده از تفاضل محدود در پنج بعد زمان، فضای جغرافیایی - x, y - و فضای طیفی - ' - انجام میشود و معادلات بهصورت عددی حل میشوند.
.3 شبیه سازی با SWAN
مدل سوان برای شبیه سازی امواج در منطقه عسلویه به کار گرفته شد. برای دست یابی به شرایط مرزی ابتدا مدل برای کل خلیج فارس وبخشی از دریای عمان راه اندازی شد. برای این کار مدل در حالت نسل سوم و به صورت غیر ایستا ودر مختصات کروی اجرا شده است. سرعت باد در محدوده 47 تا 59 درجه شرقی و 22/8 تا 31 درجه شمالی وبا قدرت تفکیک ./2 درجه و فاصله زمانی 6 ساعت به مدت 15 روز مدل داده شد. اطلاعات فوق مربوط به مرکز پیشبینی جوی اروپا - - ECMWF است. همچنین رشد نمایی وخطی موج توسط باد در نظر گرفته شده است. اطلاعات عمق سنجی در این بازه با قدرت تفکیک 0/03 درجه به مدل داده شد. فضای طیفی به صورت 36 قطعه بسامدی گسسته سازی شده است و فضای جهتی تمام 360 درجه را پوشش میدهد. فضای بسامدی بین 0/041 و0/5 هرتز در نظر گرفته شد.
نتایج بدست آمده به عنوان شرایط مرزی به شبکههای کوچکتر منتقل شد و در نهایت شرایط مرزی منطقه عسلویه 52/ 471 - تا 52/641 درجه شرقی و 27/375 تا 27/65 درجه شمالی - بدست آمد و مدل با داده عمق با قدرت تفکیک 132 متر و باد اندازهگیری شده توسط بویه در این منطقه اجرا شد. در شبیه سازی انجام شده به علت کم عمق بودن آب بر هم کنش سهگانه امواج بر برهمکنش چهارگانه ترجیح داده شد و سایر فرایندهای اصطکاک، شکست و پدیده ایجاد سفیدک در رأس موج نیز در نظر گرفته شده است.
.4 نتایج و بحث
برای نشان دادن مشخصات موج اندازهگیری شده یک دوره زمانی 230 ساعته انتخاب شده است. این دوره مربوط به روز سیزدهم تا بیست و سوم ماه ژانویه سال 2009 میباشد. شکل 1 تغییرات سرعت وجهت باد را در این دوره ودر بویه عسلویه نشان میدهد.
در شکل 2 مقادیر ارتفاع موج شاخص - - Hs برای دادههای اندازهگیری شده و پیش بینی شده توسط SWAN رسم شده است.لازم به ذکر است که جهت warm up شدن مدل از نتایج 12 ساعت اولیه شبیهسازی صرفنظر شده است.
شکل:1 تغییرات سرعت و جهت باد در محل بویه عسلویه
شکل:2سمت راست: ارتفاع موج شاخص برای دادههای اندازهگیری شده سمت چپ:ارتفاع موج شاخص برای دادههای مدل شده
برای برآورد یک تخمین کلی از کارایی مدل جذر میانگین مربع خطاها یا RMSE که یکی از مشخصههای پراکندگی میباشد برای Hs و Tp محاسبه شده است. در رابطه زیر Si مقادیر بدست آمده از مدل، Oi دادههای اندازهگیری شده و n تعداد کل دادهها می- باشد. RMSE بدست آمده برای Hs برابر با ./17 و برای Tp مساوی با 0/93 است.
همانطور که در شکل 1 مشاهده میشود جهت و سرعت باد متغیر بوده واز الگوی ثابتی پیروی نکرده است. بنابراین میتوان حساسیت مدل را نسبت به تغییرات سرعت وجهت باد برآورد نمود. با توجه به شکل 2 و نمودار پراکندگی همچنین اعداد بدست آمده از رابطه RMSE میتوان دید که SWAN ، Hs را به خوبی پیشبینی میکند. نمودارهای مشابهی برای Tp نیز رسم شده است وبا توجه به RMSE مربوط به Tp ،میتوان دید خطای مدل در بدست آوردن آن بیشتر است. مقادیر اندازهگیری شده توسط بویه نیز دارای خطاهایی است که درصدی از این اختلاف مربوط به آن است. همچنین حداکثر Hs مدل شده کمتر از مقدار اندازهگیری شده می- باشد. دلیل این پدیده وزش تندبادهای ناگهانی است زیرا در شبیه سازی از متوسط باد 1 ساعته استفاده شده است.
