بخشی از مقاله
پیشبینی ارتفاع امواج ناشی از باد در منطقه دریایی انزلی با استفاده از مدل WAM
چکیده
امکان پیشبینی مشخصات امواج ناشی از باد در منطقه دریایی انزلی با اسـتفاده از مـدل پـیشبینـی عـددی مـوج WAM بررسی شد. دادههای ورودی این مدل شامل سمت و سرعت باد و همچنین آبنگاری بـستر بودنـد کـه بـه ترتیب از ایستگاه هواشناسی بندر انزلی و اداره بنادر و کشتیرانی استان گیلان تهیه شدند. فاصله زمانی بین دو داده متوالی باد یک ساعت و مدت کل اندازهگیری آن شش ماه بود. این مدل با دادههای موجود اجرا شد و نتایج آن با اندازهگیریهای به عمل آمده به وسیله یکی از شناورهای نیروی دریایی مقایسه گردید. نتایج بهدست آمده مؤید آن است که با استفاده از مدل WAM و اطلاعات ایستگاه انزلی میتوان با دقت قابل قبـولی ارتفـاع امـواج را در منطقـه دریایی انزلی پیشبینی کرد. از طرفی، تأمین و کاربرد دادههای بیشتر با تراکم و توزیع مناسبتر بـاد روی منطقـه بـرای افزایش دقت پیشبینیها ضروری است. خطای به دست آمده در منطقه نزدیک سـاحل بـه مراتـب کمتـر از میـزان خطای حاصل در منطقه دورتر از ساحل میباشد. همچنین، بررسیهای به عمل آمده بیانگر آن است کـه بیـشینه و متوسط ارتفاع امواج در دوره ٦ ماهه مورد پیشبینی به ترتیب ع٦/٢ و ع۵٦/٠ است.
کلید واﮊگان: امواج ناشی از باد، ارتفاع موج، منطقه دریایی انزلی، مدل WAM.
١‐ مقدمه
سرویسهای هواشناسی ملی در کشورهای واقع در کنـار دریـا نیاز روزافزون بـه مطالعـه و تحلیـل مشخـصههـای امـواج را احساس کردهانـد. روشـهای انـدازهگیـری و مـدلهای عـددی متفاوتی بـرای تعیین مشخصههای طیفی امواج توسعه یافتهاند ]۱، ۲[. مدل WAM ١ اکنـون یکـی از بهتـرین مـدلهای مـوج آزمایش شده در جهـان است که از سال ١٩٩٢ کاربردی شده است. نتایج این مدل برای کاربردهای بسیاری نظیر کـشتیرانی و تـردد قایقهـا و لنجهـای شـیلاتی سـودمند اسـت و امکـان جلوگیری از بروز حوادث دریایی را فـراهم میکند. از جمله این حوادث در دریای خزر میتـوان بـه غـرق شـدن کـشتی ٣٣٠٠ تنی ِالنا٢ در سال ١٣٨٠، بارج آراگون در سال ١٣٧٦ و غرق یک کشتی مـاهیگیری روسـی در سـواحل قزاقـستان در سال ١٣٨٢ اشاره کرد۳.
اولین مطالعات انجام شده با استفاده از مدل WAM مربوط به تجزیه و تحلیل و واسنجی مدل WHIST برای دریای شـمال و بخش شمال غربی اقیانوس اطلس شمالی و تجزیه و تحلیل سه هاریکن در خلیج مکزیـک، تهیـه مـدلهای تشخیـصی در مدیترانه و دریای آدریاتیک تا دریای چین جنوبی، پـیشبینـی امـواج در دریـای شـمال، آزمـایش حـداکثر ارتفـاع مـوج در لابرادور١ و آزمایش دینامیک موج سطحی٢ بـه منظـور توسـعه مدلسازی و در نظرگیری برهمکنش مـوج ‐ جریـان در جریـان گلف استریم بود ]٤.[ همچنین مؤسسه اقیانوسشناسی دانـشگاه گدانسک لهستان (IOUG) پروﮊه مدلسازی موج و جریـان را برای توسعه یک مدل موج‐جریان به منظور پیشبینی تـأمینی و اخطار برای کاهش خطر تصادفات و توسعه کیفیـت عملیـات دریایی در دریای بالتیک و خلـیج گدانـسک بـه اجـرا درآورد]۵.[ طی این پروﮊه میدان امواج در دریای بالتیک با استفاده از مدلهای ٤ Wamcycle و ٣ Swancycle در یک حلقه لانهگذاری شـده صـورت گرفـت. هـر دو برنامـه در شـبکه متعامـد در مختصات قطبی با در نظرگرفتن تداخل جریـان و بـا تفکیـک ۵١/٠*۵١/٠ اجرا شدند.
در ایران نیز مطالعاتی در مورد پیشبینـی مشخـصههـای امواج و مسائل مرتبط بـه آن صـورت گرفتـه اسـت. لاری بـا استفاده از یک شبکه عـصبی، ارتفـاع امـواج ناشـی از بـاد در دریای خزر را پیشبینی کرد ]۶.[ ریاضی با مطالعـه امـواج در برخی از جهتها به بررسی و پیشبینی شکست امواج در آبهای کم عمق ساحل خزر پرداخت ]۷.[ فلاح و همکاران با اجرای مـدل مایـک٢١ و مقایـسه نتـایج آن بـا دادههـای حاصـل از مشاهدات و مدل عددی وم (WAM) تواناییهای این دو مـدل را بررسی و دقت نتایج حاصل از کاربرد آنها را در مدلـسازی وضــعیت امــواج در دریـــای خـــزر ارزیـــابی کـــردند ]٨.[
مطالعات دیگری نیز در این زمینه صورت گرفته است که از جمله میتوان به تحقیقات افشار، ارشادی، آزرمسا و حامدی اشـاره کـرد]۹‐۲۱.[
علیرغم استفاده گسترده از مدل WAM و مزایای متعدد آن، متأسفانه این مدل در ایران به صورت کاربردی و گـسترده استفاده نمیشود. بدیهی است به منظور کاربردی کـردن مـدل در مناطق دریایی شمال و جنـوب کـشور، انجـام مطالعـات و تحقیقات لازم درخصوص کالیبراسیون مدل در هـر منطقـه و تعیین دقت مدل و محدوده خطاهای نتـایج حاصـل از مـدل، امری ضروری و اجتنابناپذیر است. در این مقاله در راسـتای نیل به این هدف، مدل WAM برای منطقه دریـایی انزلـی بـا استفاده از دادههای هواشناسی ایـستگاه بنـدر انزلـی و اعمـال مشخصات هیدروگرافی منطقه اجرا شد. سپس برای واسـنجی نتایج، اطلاعات ثبت شده بـه وسـیله شـناور نیـروی دریـایی ارتش جمهوری اسلامی ایران شامل مشخـصات بـاد و مـوج برای مدت مشابه تهیه و استفاده شد.
۲‐ مواد و روشکار
۲‐١‐ مدل WAM
در این تحقیق از مدل موج نسل سوم WAM که معادله انتقال موج را به طور صریح بدون هیچگونه فرضی نسبت به شـکل طیف موج حل مـیکنـد، اسـتفاده شـد. ایـن مـدل، موقعیـت فیزیکی تولید و رشد و نمو امواج ناشـی از بـاد را مطـابق بـا دانستههای امروز ما برای مجموعه کاملی از درجههـای آزادی طیف موج دوبعدی شبیهسازی میکند. این مدل برای هر نوع شبکه جهانی یا منطقـهای و مجموعـه دادههـای هیـدروگرافی مشخص قابل اجراست. تفکیک شبکه میتواند در فضا و زمان دلخــواه باشــد. انتــشار مــیتوانــد در شــبکه طــول‐ عــرض جغرافیایی یا دکارتی صـورت گیـرد. ایـن مـدل ارتفـاع قابـل ملاحظه٣، جهت میانگین و بسامد مـوج، ارتفـاع مـوج دورآ و جهـت میـانگین آن، میـدان تـنش بـاد تـصحیح شـده بـا در نظرگرفتن تنش اولیه موج و ضـریب کـشش در هـر نقطـه از شبکه و در هر زمان انتخاب شـده و بنـابر ایـن، طیـف مـوج دوبعـدی در هـر زمـان و مکـان انتخـاب شـده را بـه عنـوان خروجی به دست میآورد. این مدل برای آبهای عمیـق و کـم عمق قابل اجراست و شامل تأثیرات ناشی از انکسار امواج بـه دلیل کاهش عمق آب و اندرکنش با جریان میباشـد. در ایـن مدل، عبارتهای چـشمه و انتـشار بـا روشـهای مختلـف و در فواصل زمانی متفـاوت قابـل محاسـبه اسـت. انتگرالگیـری از عبارت چشمه به وسـیله یـک روال انتگرالگیـری غیرمـستقیم صــورت مــیگیــرد, در حــالی کــه روال انتــشار، یــک روال پادبادگونه١ مرتبه اول است. فاصله زمانی بادهای مـشخص را به طور دلخواه میتوان انتخاب کرد. میـدانهای زیـر شـبکه را میتوان در دو حالت تعیین شده در مدل اجرا کرد. در اجـرای شبکه درشت، طیف میتواند در مرزهای یک شبکه ریز اجـرا شود. آنگاه آنها را میتوان در فضا و زمان به نقاط شـبکه ریـز درونیابی کرد و مدل میتواند روی نقـاط شـبکه ریزتـر اجـرا شود]۴.[ زمان و حافظه CPU مورد استفاده به ناحیه مورد نظر و تفکیــک شــبکه بــستگی دارد. ایــن مــدل در اســتاندارد دکتــر (DOCTOR) نوشته شده و هر روال شـامل یـک تعریـف اولیـه, هدف, روش و تفسیر روال و استفادههای خارجی میباشد. شرایط پایداری و همگرایی مدل نظیر کمتر از یک بودن عدد کورانت با تغییر شرایط در نظر گرفتـه شـده در فایلهـای ورودی (فایلهـای
(Chief.IN, Preset.IN & Preproc.IN برای بـازههـای زمـانی و مکانی مختلف قابل اعمال است.
از آنجا که این مدل برای رایانههای بزرگ٢ طراحی شده است، میبایست این برنامـه بـه منظـور اجـرا در رایانـههـای شخصی (PC) اصلاح میگردید. این اصلاحات شامل حـذف و تغییر بعضی از دستورها در متن تمام برنامههـای اجرایـی و تنظیم ارتباط بین فایلها بود. برنامههای این مدل با اسـتفاده ازنرم افزار فرترن٣ و در رایانـههـای بـا پردازشـگر پنتیـوم٤٤ بـا حافظه (RAM) ١٢٨ مگابایت اجرا شد.
۲‐۲‐ دادهها
اطلاعات مربوط به سمت و سرعت باد ایستگاه سینوپتیک هواشناسی بندر انزلی به عنوان ورودی باد استفاده گردید. در این ایستگاه، سمت و سرعت باد در ارتفاع ١٠ متری از سطح زمین و با فواصل منظم ساعت به ساعت اندازهگیری میشود.
استفـاده از ایـن اطلاعـات در مدل تصحیحات مربوط به متوسطگیری و تعمیم دادهها به فاصله زمانی یک ساعت و همچنین فاصله ایستگاه از دریا بر اساس توصیههای بینالمللی ارائه شده در راهنمای حفاظت از سواحل ارتش آمریکا ]١٨‐۳١[
انجام شده و مدت تداوم آن بر اساس چگونگی تغییرات در سمت و سرعت باد محاسبه گردید.
شبکه مدل به صورتی انتخاب شد که تمام سطح دریای خزر را پوشش دهد و به صورت یک حوضچه بسته در نظر گرفته شود. ابعاد شبکه ۵٢/٠ در °۵٢/٠ جغرافیایی، مرز شمالی°٤٧ شمالی، مرز جنوبی °۵/٣٦ شمالی، مرز غربی °٤٧ شرقی و مرز شرقی °٤۵ شرقی در نظرگرفته شد. نقشه هیدروگرافی به کار رفته برای تعیین عمق مربوط به گرههای شبکه دارای مقیاس ١٤٠٠٠٠٠:١ بود و از اداره کل بنادر و کشتیرانی استان گیلان تهیه شد.
به منظور واسنجی نتایج و خروجیهای مدل، از اطلاعات ثبت شده در گزارشهای روزانه یکی از شناورهای نیروی دریایی ارتش جمهوری اسلامی در ماههای دی، بهمن و اسفند سال ١٣٨٠ و اردیبهشت و تیر سال ١٣٨١ استفاده شد. این دادهها شامل سمت و سرعت باد و وضعیت دریا برحسب مقیاس بوفورت میباشند که در جدول ٢‐١ نمونهای از آن را مشاهده میکنید.
تمام نتایج بهدست آمده از مدل براساس مقیاس زمانی(UTC) بود و از آنجا که دادههای مربوط به شناور براساس زمان محلی ثبت شده بود، تطابق زمانی برای به دست آوردن خروجی در زمان ثبت دادههای شناور (برای استفاده از دادههای باد مورد نیاز) صورت گرفت. سرعت باد اندازهگیری شده برحسب متر بر ثانیه بود و مقدار آن بین ٢m/s‐١٤ برآورد شد. شکل ١ و ٢ نتایج مقایسه بخشی از دادههای سمت و سرعت باد ثبت شده در ایستگاه سینوپتیک انزلی و دادههای باد اندازهگیری شده روی شناور در دوره مورد مشاهده را نشان میدهند.
با استفاده از جدول مقیاس بوفورت ارتفاع موج بر حـسب متر به صورت میانگین از روی دادههای ثبت شده در شـناور بـه دست آمد و تفاوت آن با ارتفاع موج قابـل ملاحظـه حاصـل از مدل WAM مقایسه شد. از آنجا که مسیر تـردد ایـن شـناور در آبهای ساحلی ایران است، محدوده آبهای ساحلی ابتـدا بـه دو قسمت نزدیک و دور، سپس به سه منطقـه غربـی، مرکـزی و شرقی تقسیمبندی شد. ارتفاع موج بهدست آمده از شـناور در هر مکان و زمان تعیین شده با ارتفاع موج قابل ملاحظه مـدل در ٣ منطقه به دست آمده و ماههای ذکر شده مقایسه و اختلاف بین آنها بررسی شد. در نهایـت، مقـادیر خطـای مجـذور میـانگین مربعات، خطای حداکثر، خطای حداقل، خطای به دست آمده در هر منطقه در ماههای مختلف و برعکس، خطای کل هر منطقـه و خطای کل در هر ماه تعیین و بررسی شدند.
۲‐٣‐ منطقهبندی بخش جنوبی دریای خزر
مقایسه نتایج مدل بـا انـدازهگیریهـای انجـام شـده در بخـش جنوبی دریای خزر در منطقه دریایی انزلی و در ٣ منطقه ١، ٤ و۵ صورت گرفت (شکل ۳). مشخصات جغرافیایی مرزهـای این مناطق در جدول ٢ آمده است.
برای اجرای مدل از مجموعه زمانی دادههای باد مربـوط به ایستگاه سینوپتیک انزلی به صورت ساعت به سـاعت و بـه مدت شش ماه استفاده شد. این دادهها براساس تاریخ مـیلادی و زمان آن برحسب ساعت گرینویچ مرتب شده است. ماههای مورد نظر عبارتنـد از: ﮊانویـه، فوریـه، آوریـل، مـی، ﮊوئـن و جولای سال ٢٠٠٢.
۳‐ نتایج و بحث
برای مقایسه و تعیین میزان خطای نتایج به دست آمده از مدل، دادههای اندازهگیری شده که برحسب مقیاس بوفورت، دید افقی و فشار هوا میباشد از دی ماه سال ١٣٨٠ تا مرداد ١٣٨١ به وسیله یکی از شناورهای نیروی دریایی اندازهگیری شد. برای مقایسه دادههای موج با نتایج مدل، از تبدیل مقیاس بوفورت به ارتفاع موج برحسب متر استفاده شد. فاصله شناور از ایستگاه انزلی در زمان اندازهگیری برحسب مایل دریایی آورده شد. از آنجا که ارتفاع موج برحسب مقیاس بوفورت اندازهگیری شد، مقدار تبدیل شده آن برحسب متر با استفاده از جدول تبدیل مورد استفاده قرار گرفت. مناطقی که در آنها اندازهگیری صورت گرفت، عبارتند از منطقه١، ٤ و۵. سرعت باد اندازهگیری شده برحسب متر بر ثانیه بود و مقدار آن بین ٢ m/s-٤ برآورد شد.دادههای ثبت شده باد در خشکی و دریا با یکدیگر از نظر مقدار سرعت و همچنین جهت تفاوتهایی دارند.
علل این تفاوتها شامل فاصله زیاد بین شناور و ایستگاه در زمان اندازهگیری و همچنین امکان خطا در هنگام محاسبه باد اندازهگیری شده روی کشتی است. تمام اندازهگیریهای انجام شده در دریا به دلیل مسیر مشخص کشتی در مناطق ١، ٤ و ۵ صورت گرفت.
به دلیل نداشتن اطلاعات پیوسته باد روی دریا از دادههای اندازهگیری شده در ایستگاه خشکی استفاده گردید. با استفاده از این دادهها، مدل اجرا شد و نتایجی که از نظر مکان و زمان با دادههای ارتفاع موج اندازهگیری شده بهوسیله شناور یکسان بودند، برای مقایسه و تحلیل استخراج شدند. شکلهای ٤‐٦ نتایج مربوط به مقایسههای صورت گرفته را به ترتیب در مناطق ١، ٤ و ۵ که شناور نیروی دریایی در این مناطق در حال تردد بود، نشان میدهند. سپس با مقایسه و تحلیل نتایج مدل و اندازهگیریها، خطای مدل در هر منطقه محاسبه شد (جدول ٣).
