بخشی از مقاله
مطالعه خصوصیات باد، جریان و موج در سواحل جنوبی دریاي خزر به کمک دادههاي میدانی موجود
(مطالعه موردي سواحل کیاشهرو نوشهر)
چکیده
امواج آب از آشکارترین پدیده هاي تقریبا دائمی بر روي سطح هر حوضه آبی نظیر تالاب ها، دریاچه ها، رودخانه ها، مخـازن پشـت سـدها، خلـیج هـا، دریاها و اقیانوس ها هستند و معمولا بصورت نوسان سطحی رویه سیال تعریف می شوند. بررسی و مطالعه آنها براي نـواحی دور از سـاحل و نزدیـک ساحل، علاوه بر توسعه دانش بنیادي در زمینه علم فیزیک دریا و امواج، کاربردهاي فراوان نیز دارد. در مناطق نزدیک ساحل، تعیین الگوي امواج و جریانهاي ساحلی مهمترین ویژگیهایی هستند که در جهت شناخت عوامل تأثیرگذار بر محیطهاي دریایی و نواحی ساحلی و سازههـاي سـاحلی مطرح می شوند. در این مطالعه از داده هاي یکساله حاصل از اندازه گیري بویه دریایی در دو نقطه اندازه گیـري سـواحل گـیلان(کیاشـهر) و سـواحل مازندران(نوشهر) استفاده شده است و تغییرات جهت و سرعت باد و جریان سطحی و نیز بعضی مشخصات امـواج نظیـر ارتفـاع مـوج و دوره تنـاوب امواج مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که همبستگی مثبت و معناداري (0.6) بین تندي باد حاصل از اندازه گیري بویـه و ایسـتگاه سینوپتیک ساحلی وجود دارد. همچنین تابع چگالی احتمال امواج بیشینه شبیه سازي شده به روش مونت کارلو بیانگر آنست که بویه کیاشهر، بـراي ارتفاع موج شاخص حدود 1.6 بیشترین چگالی احتمال را دارد در حالی که بویه نوشهر براي ارتفاع موج شاخص حدود 2.2 بیشترین چگالی احتمال را دارد.
کلمات کلیدي: دریاي خزر، بویه، امواج، کیاشهر، نوشهر، بیشینه ارتفاع موج، مونتکارلو
مقدمه
امواج آب از آشکارترین پدیده هاي تقریبا دائمی بر روي سطح هر حوضه آبی نظیر تالاب ها، دریاچه ها، رودخانه ها، مخـازن پشـت سـدها، خلـیج هـا، دریاها و اقیانوس ها هستند و معمولا بصورت نوسان سطحی رویه سیال تعریف می شوند.[1] امواج از تاثیر باد بر روي سـطح آب ایجـاد مـی شـوند و بوسیله یکسري مشخصات نظیر ارتفاع، دوره تناوب و طول موج طبقه بندي می شوند. خصوصیات امواج در آب هاي کم عمق و آب عمیق متفاوت است و وقتی به نواحی ساحلی نزدیک می شوند، بدلیل وقوع پدیده هاي مختلف نظیر کم عمقی، تفرق، انکسار، انعکاس وضعیت بسیار متفاوتی پیدا میکند که از جنبه هاي مختلف (نظیر مدیریت و حفاظت سواحل، بهره برداري از سواحل، محیط زیست، شـیلات، دریـانوردي، سـاخت سـازه و . . . ) حـائز اهمیت فراوان است. موج دریا مهمترین پدیده اي است که باید در طراحی سازه هاي کرانه اي و برون کرانه اي در نظرگرفته شود.[2] بررسی و مطالعه امواج دریا براي نواحی دور از ساحل و نزدیک ساحل علاوه بر توسعه دانش بنیادي در زمینه مهندسی سواحل و فیزیـک دریـا و امـواج، کاربردهـاي فراوان نیز دارد. در مناطق نزدیک ساحل، تعیین الگوي امواج و جریانهاي ساحلی مهمترین ویژگیهـایی هسـتند کـه در جهـت شـناخت عوامـل تأثیرگذار بر محیطهاي دریایی و نواحی ساحلی و سازههاي ساحلی مطرح میشوند. هندسه و شکل ساحل، رسوبگذاري و فرسایش و بسیاري دیگر از پدیده هاي فیزیکی و دینامیکی تحت تاثیر مستقیم امواج و جریان قرار دارند. در نواحی دور از ساحل نیز نقش مهم امواج بر حمل و نقل دریـایی، جریانها و وقوع پدیده هاي فیزیکی و دینامیکی مورد تاکید قرار دارد.
در دریاي خزر نیز همانند دیگر حوضههاي آبی، عوامل مختلفی سبب ایجاد موج میشوند. وزش باد دائمی ویژگی این حوضه آبـی اسـت کـه سـبب می شود تا اهمیت این عامل در ایجاد امواج، بیشتر از عوامل دیگر باشد. در حقیقت، فراوانی نفوذ سـامانه هـاي پرفشـار قـوي نظیـر سـامانه پرفشـار سیبري و نیز پرفشارهاي قطبی و یا پرفشارهاي با منشاء اقیانوس اطلس در فصول سرد سال، غالبا سبب وزش باد شدید شده که معمولا با تلاطـم شدید و امواج با ارتفاع زیاد همراه است. در فصول گرم سال (بهار و تابستان) با تضعیف سامانه پرفشار سـیبري، معمـولا سـامانه پرفشـار آزورس بـه منطقه نفوذ کرده که این سامانه نیز با وزش باد همراه است و سبب می شود تا الگوي وزش باد در دریاي خزر غالبا شمالی باشد و شرایط براي ایجاد امواج با ارتفاع زیاد مهیا شود. محققین زیادي ویژگی هاي امواج را در دریاي خزر مورد مطالعه قرار دادند و روش هاي متنوع عددي و آماري را بـراي تحلیل و پیش بینی امواج بکار بردهاند. کوشا و کرمیخانیکی((1389 با بکارگیري مدل پیش بینیامـواج swan بـه مطالعـه امـواج ناشـی از بـاد در منطقه ساحلی مجاور بندر امیرآباد پرداختند آنها به این نتیجه رسیدند که باد شمالغربی، موج با ارتفاع بیشتري در مقاطع مختلف ایجاد مـیکنـد.
کمترین ارتفاع موج نیز مربوط به باد شمال شرقی است، زیرا در این جهت، طول موجگـاه کمتـر اسـت.[3] فـلاح و همکـاران((1385 بـا ارزیـابی مدلهايMIKE21 و WAM در شبیهسازي امواج دریاي خزر به این نتیجه رسیدند که در اغلب اوقات، نتایج این دو مدل با دادههـاي انـدازهگیـري شده یکسان است. براي این منظور ارتفاع موج عمده دو مدل در منطقه بندرانزلی با دادههاي اندازهگیري شده به وسیله کشتیها مقایسـه شـد.[4]
آزرمسا و همکاران (1385) به کمک مدلMIKE 21 به مطالعه امواج نزدیک ساحل در منطقه کیاشـهر پرداختنـد در ایـن مطالعـه از مـدول امـواج نزدیک ساحل براي محاسبه میدانهاي موج در منطقه ساحلی استفاده شد شبیهسازيها براي حالات قبل و بعد از احداث جتیها در دهانه مـرداب کیاشهر انجام شد. نتایج نشان میدهد که مدول NSW قابلیت ارائه الگوي واقعی انتشار امواج در مناطق ساحلی را دارا میباشد. همچنـین مقایسـه الگوي انتشار براي دو حالت نشان می دهد که با احداث جتیها، ورودي بندر به محل آرامی تبدیل می شـود.[5] اسـماعیلی و همکـاران((1388 بـه شبیه سازي جریان هاي کرانه اي در منطقه کیاشهر پرداختند. در این تحقیق، الگوي جریان هاي کرانه اي به کمک مدول هیدرودینامیکی براي حالات قبل و بعد از احداث جتیها در دهانه مرداب کیاشهر شبیهسازي شد. نتایج نشان داد که جریانهاي ناشـی از امـواج شـرقی در مقایسـه بـا امـواج شمالی، شمالغربی و شمالشرقی تأثیر بیشتري بر دهانه مرداب میگذارند. همچنین مقایسه جریانهاي کرانهاي براي دو حالت روشن سـاخت کـه با احداث جتی ها، سرعت جریان ها در اطراف ورودي مرداب حدود 35 درصد کاهش یافته است.[6] اما دریاي خزر از نظر دیگر عوامل بوجود آورنده امواج نیز مورد مطالعه قرار گرفته است بعنوان نمونه، دوتسنکو و همکاران((2000، با بررسی آماري زلزله هاي رخ داده و مدلسـازي عـددي، امکـان وقوع پدیده سونامی در خزر را مورد مطالعه قرار دادند. نتایج بیانگر آن است که در نواحی میانی خزر و مرز بین خزر جنوبی و خـزر میـانی شـرایط براي وقوع زلزله منجر به سونامی وجود دارد.[7] همچنین سلطانپور و حق شناس، با بررسی زلزلههاي منجر به افـزایش ارتفـاع مـوج (سـونامی) در خزر، احتمال رسیدن این امواج به سواحل ایران را مورد مطالعه قرار دادند. شبیه سازي عددي سونامی بیانگر آنست که وقوع پدیـده سـونامی سـبب افزایش ارتفاع موج به اندازه 1 متر در بعضی از نواحی ساحلی دریاي خزر خواهد شد و افزایش در سـواحل ایـران نـاچیز اسـت.[8] راسـت گفتـار و سلطانپور((1389 نیز امواج سونامی حاصل از زمین لغزه در بستر دریاي خزر، در طول خط ساحلی ایران دامنه کوچکی دارند و احتمال هجوم امواج سونامی به سواحل کشور در اثر زمین لغزش زیاد نبوده و نمی تـوان بـالاروي قابـل تـوجهی را انتظـار داشـت.[9] محجـوبی و شـهیدي((1387، در مقاله اي با استفاده از درخت هاي تصمیم رگرسیونی، پیش بینی کمیت هاي امواج ناشی از باد در آب هاي دور از ساحل بنـدرامیرآباد را انجـام دادنـد .
بدین منظور از اطلاعات میدانی باد و موج در بازه زمانی 2002/3/20 تا 2003/3/19 استفاده نمودند.. نتایج آنها نشان میدهد که درختان تصـمیم رگرسیونی داراي دقت قابل قبول در پیشبینی مشخصات امواج ناشی از باد در بندرامیرآباد میباشند.[10]
تعیین مشخصات آماري امواج دریا در یک ناحیه، به کمک داده هاي حاصل از اندازه گیري هاي میدانی امکان پذیر است. اندازه گیري هاي میـدانی نیـز معمولا با مشکلات فراوانی نظیر نیاز به سرمایه گذاري و هزینه زیاد جهت تهیه، نصب و راه اندازي ابزارهاي اندازه گیري(نظیر بویـه هـا) همـراه اسـت.
علاوه بر این مشکلات اجرایی این نوع اندازه گیريها را نیز باید مورد توجه قرار داد. همچنین بدلیل ناپایداريها و تلاطم هاي موجـود در دریـا و نیـز دیگر عوامل مخرب، بویه هاي موجود معمولا دچار نقص فنی می شوند و تعمیر و نگهداري آنها نیز در بیشتر موارد بدرسـتی انجـام نمـی شـود. اینهـا بخشی از مواردي است که سبب می شوند تا آمار با کیفیت مناسب و براي بازه زمانی طولانی از ویژگیهـاي دریـا اسـتخراج نگـردد و یـا در صـورت استخراج، دوره آماري دادهها کوتاه مدت باشد. این عوامل سبب شده تا متاسفانه آمار دقیق و طولانی مدت از کمیت هـاي امـواج در آب هـاي ایـران
(بویژه سواحل جنوبی خزر) که بتواند پوشش خوبی از یک منطقه وسیع ارائه نماید، در دسترس نباشد و بنابراین موضوعاتی که نیاز به آمار طـولانی مدت دارند، چندان قابل مطالعه نیستند. هدف اصلی این مطالعه، تحلیلکوتاه مدت داده هاي بویه و بررسی ویژگی هاي باد و خصوصیات موج (ارتفاع و پریود موج) و جریان (جهت و سرعت جریان سطحی) به کمک داده هاي میدانی موجود حاصل از این بویهها در دو نقطه از سواحل جنوبی دریـاي خزر واقع در استان گیلان(کیاشهر) و استان مازندران(نوشهر) براي دوره آماري یکساله و مقایسه آنهـا اسـت. همچنـین در ادامـه مقایسـه اي بـین کمیت سرعت باد حاصل از اندازه گیري بویه و ایستگاه سینوپتیک ساحلی انجام شده و نتایج حاصل از تحلیل داده هاي جهت وسرعت بـاد و جریـان، با تصاویر باد و جریان سطحی حاصل از ماهواره در همان نواحی و براي همان بازه زمانی مورد مقایسه قرار گرفته است.
دادهها و روش مطالعه
در این مطالعه از داده هاي حاصل از اندازه گیري بویه دریایی در دو نقطه اندازه گیري سواحل گیلان(کیاشهر) و سـواحل مازنـدران(نوشـهر) اسـتفاده شده است. بویه ها ساخت کشور نروژ بوده و تقریبا بیشترکمیت هاي فیزیکی آب( نظیر ارتفاع موج، دوره تناوب موج، جهت و سرعت جریان سطحی، دما و هدایت الکتریکی سطح آب) و نیز بعضی کمیت هاي مرتبط با جو(نظیر دما، فشار، جهت و سرعت باد، رطوبت نسبی) را اندازهگیري می نمایند.
موقعیت جغرافیایی و دیگر ویژگی هاي این دو بویه در جدول1 مشخص شده است. همچنین شکل1 نیز موقعیت این دو بویـه را نسـبت بـه سـاحل نشان می دهد. اساس کار این مطالعه، تحلیل کوتاه مدت داده هاي باد، موج و جریان است. داده هاي مورد استفاده شـامل ارتفـاع مـوج، دوره تنـاوب موج، جهت و سرعت باد، جهت و سرعت جریان سطحی می باشند. داده هاي مورد استفاده از بویه کیاشـهر شـامل 10010 رکـورد مربـوط بـه بـازه
2010/03/01 تا 2011/05/10 است و اندازه گیري بصورت ساعت به ساعت انجام شـده اسـت و تنهـا در مـاه دسـامبر بـراي مـدت 17 روز بـدلیل مشکلات فنی داده اي ثبت نشده و چند مورد دیگر از عدم ثبت داده بدلیل مشکلات فنی مشاهده گردیـد کـه بـازه زمـانی کوتـاهتـري دارنـد. بویـه
کیاشهر در طول جغرافیایی 49 درجه و 53 دقیقه و 11.62 ثانیه شرقی و عـرض جغرافیـایی 37 درجـه و 29 دقیقـه و 11.89 ثانیـه شـمالی و در ناحیه اي که عمق آب تقریبا 14 متر و فاصله تقریبی از ساحل 8 کیلومتر است، قرار دارد. دادههاي بویه نوشهر نیز شامل 5192 رکورد است که بویه مذکور تغییرات کمیتهاي فیزیکی را براي بازه زمانی 2010/10/19 تا 2011/06/15 بصورت ساعت به ساعت اندازه گیري و ثبت نموده است. بویه نوشهر نیز در طول جغرافیایی 51 درجه و 37 دقیقه 17.00 ثانیه شـرقی و عـرض جغرافیـایی 36 درجـه و 42 دقیقـه و 8.92 ثانیـه شـمالی و در سواحل نوشهر و منطقهاي که عمق آب حدود 65 متر و نیز فاصله از ساحل حدودا 12 کیلومتر است، قرار دارد.
قبل از تجزیه و تحلیل داده ها، جهت حصول اطمینان از کیفیت آنها و همچنین کامـل بـودن سـري آمـاري، داده هـا مـورد بـازبینی قرارگرفـت و داده هاي نامناسب و غلط که بدلایل مختلف (نظیر نقص فنی) در کل داده ها موجود بود، از مجموعـه داده هـا حـذف شـد. معمـولا کیفیـت داده هـا بستگی به طول مدت آمار دارد و آنچه که مشاهده یا اندازهگیري میشود، نمونهاي از کل جامعه آماري است که اتفاق افتاده یا امکـان وقـوع مجـدد آن مورد انتظار است. بنابراین هرچه تعداد داده ها بیشتر باشد، رفتار نمونه به رفتار واقعی جامعه نزدیکتر و نتایجی که از تحلیل داده هاي آن گرفته می شود دقیق تر خواهد بود که داده هاي مورد استفاده از بویه کیاشهر بیش از یکسال و داده هاي مورد استفاده بویه نوشهر حـدود نـه مـاه اسـت. در بررسی صحت داده ها، معمولا به شرایط یکنواختی داده ها توجه می شود. منظور از یکنواختی آن است که آمار در شرایط یکسـان جمـع آوري شـده باشد که در خصوص دادههاي مذکور، این چنین است.
پس از کنترل کیفی داده ها، براي تعیین توزیع جهت و سرعت باد و جریان و نیز توزیع ارتفاع و دوره تنـاوب مـوج، بـا نوشـتن کـد برنامـه ویـژوال بیسیک در نرم افزار اکسل دسته بندي داده ها انجام شد. توزیع جهت و سرعت باد، جهت و سرعت جریان و نیز توزیع ارتفاع و پریود مـوج بـراي کـل دوره آماري و نیز براي هر فصل و در نهایت بصورت ماهانه نیز تعیین گردید. همچنین براي تعیین توزیع ارتفاع موج و نیز توزیع ارتفاع موج بیشینه با استفاده از شرایط اولیه تعریف شده، از روش مونت کارلو و نوشتن کد برنامه در نرمافزارMatlab استفاده شده است. در این مطالعه براي تجزیه و
تحلیل دادهها و محاسبه ضریب همبستگی پیرسون و نیز محاسبه بعضی کمیتهاي آماري از نرم افزار SPSS استفاده شده است.
نتایج و بحث
باد
جدول توزیع داده هاي جهت و سرعت باد(جدول(2 بیانگر آنست که بیشترین فراوانی جهت باد، مربوط به جهت شمالی است کـه فراوانـی آن بطـور قابل توجهی نسبت به جهت هاي دیگر بیشتر است و پس از آن بترتیب باد با جهت شمالشرقی و شمالغربی بیشترین فراوانـی را دارنـد و فراوانـی آنها تقریبا مشابه و نزدیک به هم است. باد با جهت جنوب غربی کمترین فراوانی را دارد. بیشترین فراوانی سرعت باد نیز مربوط به بازه 2 تـا 4 متـر برثانیه است و پس از آن بترتیب باد با سرعت 1 تا 2 متربرثانیه و نیز باد با سرعت 4 تا 6 متربرثانیـه بیشـترین فراوانـی را دارنـد. کمتـرین فراوانـی مربوط به باد با سرعت بیشتر از 10 متربرثانیه است. این نتایج به الگوي باد ایستگاه سینوپتیک ساحلی نزدیک است.
نکته قابل توجه اینکه با افزایش سرعت باد تنها بادهاي شرقی، شمال شرقی و شمالی، شمال غربی فراوانی محدودي دارند و بادهـاي بـا جهـت هـاي دیگر هیچ گاه سرعت بیش از 6 متر برثانیه ندارند و سرعت باد بیش از 10 متر برثانیه صرفا شامل جهت شمالی مـی شـود. همچنـین بـاد بـا جهـت شمالی همواره بیشترین فراوانی را در بازه هاي مختلف سرعت دارد. با بررسی جزئی تر و فصلی توزیع جهت و سرعت باد، مشـخص مـی شـود کـه در تمامی فصول الگوي باد غالب، شمالی است و بیشترین فراوانی را دارد و پس از آن جهت هاي شـمال شـرقی و شـمالغربـی بیشـترین فراوانـی را در تمامی فصول دارند و تنها، با این تفاوت که در فصل تابستان باد شرقی نیز فراوانی قابل ملاحظه اي دارد و در فصل زمستان الگوي باد غالب شـمالی و شمال غربی است.
جدول3، توزیع جهت و سرعت باد حاصل از اندازه گیري بویه نوشهر را مشخص می نماید. در این ناحیه نیز همانند بویه کیاشهر، باد با جهت شـمالی بیشترین فراوانی را دارد و بر خلاف بویه کیاشهر جهتهاي شرقی و غربی بیشترین فراوانی را پس از جهت شمالی دارند. الگوي کلـی جهـت بـاد در دو نقطه با اندك تفاوتهایی، تقریبا مشابه است. توزیع بیشینه سرعت باد نیز در دو ناحیه تا حدي زیادي به هم شباهت دارد و دامنه تغییراتـی کـه بیشترین فراوانی را دارند یکسان است با این تفاوت که در بویه نوشهر، سرعت باد بیشتر از بویه کیاشهر است و علاوه بر اینکه باد با سـرعت 4 تـا 6 متر بر ثانیه فراوانی بیشتري دارد، باد با سرعت بیشتر از 10 متر بر ثانیه نیز دو برابر بویه کیاشهر است.
تغییرات فصلی جهت و سرعت باد حاصل از بویه نوشهر تقریبا مشابه بویه کیاشهر است، بگونه اي که در فصل بهار انطباق کامل در جهـت و سـرعت باد در دو ناحیه دیده می شود، با این تفاوت که در فصول سرد سال، فراوانی باد با جهتهاي غربی، جنوب غربی و شرقی در بویه نوشهر بیشتر اسـت در حالیکه در بویه کیاشهر بیشترین فراوانی جهت باد در تمامی فصول مربوط به جهت شمالی است. اما از نظر الگـوي غالـب سـرعت وزش بـاد، در تمامی فصول بین بویه نوشهر و بویه کیاشهر شباهت وجود دارد و بیشترین فراوانی سرعت در هر دو ناحیه مربوط به باد با سـرعت 2 تـا 4 متـر بـر ثانیه است. نکته قابل توجه، فراوانی قابل ملاحظه بادهاي با سرعت بالا(بیشتر از 8 متر بر ثانیه) در بویه نوشهر اسـت کـه نسـبت بـه بویـه کیاشـهر فراوانی بیشتري دارد. همچنین باید بر این نکته اذعان داشت که در هر دو بویه، تقریبا در کلیه جهت ها بادهایی بـا فراوانـی هـاي مختلـف بـه ثبـت رسیده است که عوامل مختلفی نظیر وزش باد گرم(باد جنوبی) و نیز نسیم دریا به خشکی و خشکی به دریـا در وقـوع آنهـا مـوثر مـی باشـد. بنظـر می رسد که تفاوت موقعیت جغرافیایی و نیز شکل سواحل در شکل گیري الگوي باد محلی و تفاوت جهـت و سـرعت بـاد در دو ناحیـه مـوثر باشـد.
(بدلیل محدودیت تعداد صفحات مقاله از آوردن جداول فصلی توزیع جهت و سرعت باد صرفنظر شده و صرفا به بیان و تحلیل جداول پرداخته شده است).
براي مقایسه تندي باد حاصل از اندازه گیري بویه و نیز تندي باد حاصل از اندازه گیري ایستگاه سینوپتیک ساحلی، داده هاي تندي باد بویـه(ارتفـاع دو متري) به داده هاي با ارتفاع ده متري تبدیل شد و سپس مقایسه بین داده ها انجام گردید. به کمک نرم افزار SPSS ضریب همبستگی پیرسـون بین این دو دسته داده مورد محاسبه قرار گرفت و نتیجه بیانگر همبستگی مثبت و معنادار بین سرعت باد بویههاي کیاشهر و نوشهر بـا سـرعت بـاد حاصل از اندازه گیري ایستگاه هاي سینوپتیک ساحلی است. ضرایب همبستگی بین سرعت باد بویه کیاشهر و ایستگاه سینوپتیک ساحلی و نیز بویه نوشهر و ایستگاه ساحلی نوشهر بترتیب 0.62 و 0.68 بدست آمد که بیانگر همبستگی بالا بین دو دسته داده است. همچنین باید بر این نکته اشاره نمود که نتایج براي سطح معناداري و اطمینان 0.99 بدست آمده است.
جریان سطحی
براي بررسی الگوي جریان سطحی در دوره آماري مورد مطالعه، توزیع جهت و سرعت جریان حاصل از اندازهگیري بویه هاي کیاشهر و نوشهر تعیین شد. جدول4، توزیع جهت و سرعت جریان سطحی حاصل از اندازه گیري بویه در سواحل کیاشهر و در دوره آماري مورد مطالعه را نشـان مـی دهـد.
نتایج بیانگر آنست که جهت جریان غالب در سواحل کیاشهر، بترتیب شرقی و شمال شرقی است و پس از آنها جهت غربی بیشترین فراوانی را دارد.
