چکیده
امواج یکی از مهمترین نیروهای وارد بر سازههای فرا ساحل هستند که برآورد صحیح آنها، ضمن جلوگیری از وارد آمدن صدمات جبران ناپذیر به سازه، نقش مهمی در طراحی بهینه آن ایفا میکند. لذا از ضروریترین اطلاعات موردنیاز هنگام طراحی و ساخت یک سازه دریایی پیشبینی دادههای آماری امواج دریا نظیر ارتفاع و دوره تناوب است. چالشی که دانشمندان در این پیشبینیها با آن روبهرو هستند وجود عبارتهای غیرخطی در معادلات حاکم است.
دقیقترین شیوه برخورد با پدیده ایجاد موج توسط باد را مدلهای ریاضی پیشبینی امواج در اختیار ما قرار میدهند. این شبیهسازی میتواند به صورت پیشیابی (بازیابی – Hindcasting) و یا پیشبینی (Forecasting) مورد استفاده قرار گیرد.
مبنای تمام مدلهای عددی پیشبینی موج حل معادله انتقال انرژی به صورت طیفی با در نظر گرفتن عبارات چشمه و چاه میباشد. لذا در تحقیق حاضر با توجه به اهمیت راهبردی دریای عمان، دریای خزر و خلیجفارس برای جمهوری اسلامی ایران و برتری مدلهای طیفی در شبیهسازی امواج نسبت به سایر روشها، گزارشی از عملکرد سامانه پیشبینی امواج دریاهای ایران در شبیهسازی و پیشبینی پارامترهای موج توسط مدل عددی نسل سوم WW3 در این مقاله ارائه شده است. همبستگی قابل اطمینان نتایج بهدست آمده با دادههای مشاهداتی در گزارش حاصل نشان دهنده موفقیت نسبی این سامانه در شبیهسازی و پیشبینی امواج در آبهای عمیق و نقاط فراساحل میباشد.
۱. مقدمه
فرآیند طراحی سازههای دریایی نیاز به اطلاعات کافی از وضعیتی دارد که سازه در طول عمر خود با آن روبهرو خواهد شد. در این میان امواج ناشی از باد به دلیل انرژی بالایی که دارند از اهمیت فراوانی برخوردارند. باید تأثیر آنها در هرگونه فعالیت فراساحلی آبهای آزاد، مانند دریاها و اقیانوسها و حتی آبهای بسته، مانند دریاچهها و مخزن سدها، مدنظر قرار داد.
امواج از طریق ایجاد جریانهای موازی و عمود بر ساحل تأثیر قابل ملاحظهای در هیدرولیک سواحل، رسوبگذاری و فرسایش دارند. فشار عظیم واردشده از طریق امواج بر سازههای ساحلی و فراساحلی، بر ضرورت طراحی این سازهها بهگونهای مقاوم طی بهرهبرداری در مقابل نیروهای یادشده تأکید میکند.
امواج دریا علاوه بر ناامن کردن تردد شناورهای دریایی، بر آبوهوای منطقه نیز تأثیر میگذارند. برخی از مخاطرات دریایی ناشی از امواج، علاوه بر اثرگذاری در محیط دریا و سواحل آن، گاه تا کیلومترها در دل خشکی نیز دریافت میگردد.
پیشبینی و هشدار مخاطرات دریایی یکی از کم هزینهترین روش در مواجهه با مخاطرات دریایی است که علاوه بر کاهش هزینههای انسانی، اقتصادی و اجتماعی، سمتگیری برنامههای توسعهای را در نواحی ساحلی، دریایی و حتی در مناطق داخلی مشخص میکند. از اینرو پیشبینی و هشدار مخاطرات دریایی نقش کلیدی در برنامههای توسعهای ایفا میکند، زیرا با استفاده از دادههای حاصل از پیشبینی پارامترهای موج به طراحی سازههایی پرداخته میشود که در مقابل آنها استحکام لازم را دارا باشند.
از میان دادههای حاصل از پیشبینی امواج، ارتفاع موج شاخص مهمترین پارامتر لازم در طراحی، ساخت و نگهداری سازههای ساحلی و فراساحل است. تأثیر قابل ملاحظه این پارامتر در تعیین ابعاد سازههای دریایی و ساحلی انکارناپذیر است. برآورد بالایی از این پارامتر، منجر به افزایش تصاعدی هزینه سازه میشود. درحالیکه طراحی سازه برای ارتفاعهای پایینتر از ارتفاع موج شاخص طرح، احتمال خسارات مالی و جانی زیادی را به همراه خواهد داشت. لذا دستیابی به ارتفاع موج طرح، از ضروریات هر پروژه دریایی است. روشهای مختلفی جهت به دست آوردن این پارامتر وجود دارد که عبارتاند از: اندازهگیری مستقیم در محل، استفاده از روشهای تجربی، استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی و مدلهای عددی.
دقیقترین شیوه برخورد با پدیده ایجاد موج توسط باد را مدلهای ریاضی پیشبینی امواج در اختیار ما قرار میدهند. این شبیهسازی میتواند بهصورت پیشیابی (بازیابی – Hindcasting) و یا پیشبینی (Forecasting) مورداستفاده قرار گیرد. مبنای تمام مدلهای عددی پیشبینی موج حل معادله انتقال انرژی بهصورت طیفی با در نظر گرفتن عبارات چشمه و چاه میباشد. تاکنون سه نسل از مدلهای عددی برای مدلسازی پارامترهای امواج توسعه یافته است که از این میان مدلهای نسل سوم با برطرف کردن کاستیهای مدلهای نسل اول و نسل دوم، معادلات انتقال موج را بدون هیچ پیشفرضی در مورد شکل طیف موج بهصورت صریح حل میکند.
استفاده از مدلهای طیفی نسل سوم برای شبیهسازی امواج امروزه بسیار مرسوم است. در جدیدترین این فعالیتها میتوان به بررسی عملکرد مدل نسل سوم WAVEWATCH-III بر روی دریای مدیترانه اشاره داشت. همچنین میتوان از صحتسنجی روش آماری بر روی دریای سیاه با استفاده از مدل WAVEWATCH-III یاد کرد.
اما اولین تلاشها در زمینه مدلسازی موج در کشور ما با پروژه ISWM (مدلسازی امواج دریاهای ایران) آغاز شد. این شبیهسازی برای بازه یازده ساله ۱۹۹۲ تا ۲۰۰۲ توسط مرکز ملی اقیانوس شناسی و شرکت DHI به انجام رسیده است و مدل مورد استفاده در این پروژه مدل طیفی نسل سوم MIKE21 میباشد. سازمان بنادر و دریانوردی به عنوان متولی طرح ISWM، با هدف تدقیق و بروزرسانی مدلسازی امواج دریاهای ایران در طرح ملی پایش و مطالعات شبیهسازی سواحل کشور، اجرای یک پیشیابی ۳۰ ساله را در برنامه خود قرار داده است که هماکنون در حال انجام است. مدلهای موج مورد استفاده در این پروژه مدل نسل سوم MIKE 21 و مدل ایرانی PMO Dynamics میباشند.
طرح پایش و مطالعات شبیهسازی سواحل کشور از سال ۸۴ بهصورت مرحلهای در بخشهایی از سواحل جنوب کشور شامل سواحل استانهای سیستان و بلوچستان، بوشهر و هرمزگان تعریف و به مرحله اجرا درآمد و تاکنون فازهای اول تا چهارم این پروژه به اتمام رسیده است. فاز پنجم این طرح که مربوط به سواحل شمالی کشور میباشد از اردیبهشت ۹۱ آغاز شد. در این تحقیق به پیشبینی امواج دریاهای ایران با استفاده از مدل طیفی نسل سوم WW3 پرداخته شده است.
۲. منطقه مورد مطالعه
نواحی ساحلی خلیجفارس، دریای عمان و دریای خزر و حتی دریاچههای داخلی از دیدگاههای مختلف، اهمیت راهبردی برای جمهوری اسلامی ایران دارند. بخش قابل توجهی از استخراج نفت و گاز و خطوط انتقال آنها در مناطق ساحلی و دریایی تمرکز دارد. حدود یک چهارم جمعیت کشور در نواحی ساحلی زندگی میکنند، مسیر اصلی ترابری کالاها از دریاها میگذرد. بخش اعظم آبزیان مصرفی کشور از نواحی ساحلی و دریایی صید میشود و در عین حال سواحل محل تفرجگاه شهروندان ایرانی هستند.
استفاده از این ظرفیت عظیم در مناطق ساحلی و فراساحلی نیازمند طراحی سازههایی است که بهرهبرداری از این امکانات را مقدور میسازد. همانطور که در بخش قبل گفته شد ساخت ایمن و بهینه این سازهها نیازمند اطلاعات دقیق از پارامترهای موج منطقه میباشد . در تحقیق حاضر منطقه مورد مطالعه سه پهنه آبی مهم کشور یعنی دریای خزر، دریای عمان و خلیجفارس است که در شکل ۱ نشان داده شده است.
۳. شبیهسازی میدان باد
وزش باد بر روی سطح دریا، مهمترین عامل ایجاد امواج میباشد، بنابراین در اجرای یک مدل عددی تولید موج، در اختیار داشتن اطلاعات دقیق و کافی باد در محدوده مدلسازی از اهمیت فراوانی برخوردار است.
برای تأمین میدان باد سطحی به عنوان ورودی مدل موج، میتوان از مدلهای عددی میانمقیاس پیشبینی وضع هوا استفاده کرد که به شبیهسازی میدانهای هواشناسی از جمله میدان باد سطحی در محل موردنظر میپردازند. از جمله این مدلها، مدل عددی میانمقیاس WRF است که یک مدل متنباز میانمقیاس و غیر هیدرو استاتیک برای انجام شبیهسازی و پیشبینیهای عملیاتی وضع هوا به صورت منطقهای و جهانی میباشد. مدل مذکور مناسب برای استفاده در دامنه وسیعی از کاربردهاست که مقیاس آنها از چند متر تا هزاران کیلومتر را شامل میشود.
در حال حاضر این مدل به صورت گسترده در مناطق مختلف دنیا برای پیشبینیهای عملیاتی منطقهای و کاربردهای پژوهشی استفاده میشود. طرحوارههایی که در مدل برای پارامترسازی بخشی از فرآیندهای فیزیکی پیشبینی شده است به فرد این امکان را میدهد که با استفاده از طرحواره مناسب به اطلاعات دقیقتری از میدان باد سطحی دست پیدا کند.
در این تحقیق برای شبیهسازی میدان باد از مدل عددی WRF نسخه ۱.۴.۳ استفاده شد. برای برپایی مدل همانطور که در شکل ۲ مشاهده میشود برای دریای خزر، از دو دامنه مجزای بزرگ و کوچک استفاده شده است. دامنهی بزرگ دارای تفکیک افقی ۰/۳ درجه و دامنه کوچک دارای تفکیک افقی ۰/۱ درجه است که با تفکیک بالاتر به طور کامل دریای خزر را دربرمیگیرد. تعداد نقاط شبکه برای دامنه بزرگ ۵۰×۳۸ و برای دامنه کوچک ۱۲۰×۸۴ نقطه میباشد. همچنین برای خلیجفارس و دریای عمان از دو دامنه مجزای بزرگ و کوچک استفاده شده است. دامنه بزرگ دارای تفکیک افقی ۰/۳ درجه و دامنه کوچک دارای تفکیک افقی ۰/۱ درجه میباشد.
همانطور که در شکل ۳ مشاهده میشود دامنهی کوچک با تفکیک بالاتر به طور کامل خلیجفارس و دریای عمان را در برمیگیرد. تعداد نقاط شبکه برای دامنه بزرگ ۴۱×۸۸ و برای دامنه کوچک ۹۴×۲۳۵ نقطه میباشد.
در این تحقیق برای برپایی مدل از هسته دینامیکی ARW استفاده شد و برای همه دامنهها، ۳۹ تراز قائم در نظر گرفته شده است.
در مدل WRF، گزینههای متعددی برای پارامترسازیهای فیزیکی وجود دارد. لذا به همین دلیل استفاده از مدل مذکور به صورت پیشفرض برای یک منطقه خاص مناسب نبوده و باعث ایجاد جوابهای غیر دقیق و حتی نادرست خواهد شد. لذا نیاز است تا پیش از استفاده از مدل مذکور برای منطقه موردمطالعه، پیکربندی مناسب مدل را با توجه به پارامترسازیهای فیزیکی موردنظر به دست آورد.
در کار حاضر، برای میکرو فیزیک ابر، از طرحواره Lin استفاده شد. برای تابش طول موج بلند، از طرحواره RRTM، برای تابش طول موج کوتاه از طرحواره Goddard، برای لایه سطحی از روش MM5، برای سطح زمین از روش NOAH و برای لابه مرزی سیارهای از طرحواره MRF استفاده شده است. همچنین طرحواره Kain-Fritsch برای کومولوس مدنظر قرار گرفته است. شیوهی عملیاتی به این صورت است که ۶ ساعت ابتدایی، از هر اجرا به عنوان spin up مدل باد از خروجیهای مدل حذف میشوند. مقایسه نتایج خروجی مدل WRF و دادههای مشاهداتی برای دو رویداد منتخب در شکل ۴ مشاهده میشوند.
۴. شبیهسازی امواج
مدل موج WAWEWATCH III یک مدل عددی نسل سوم متنباز است که بر پایه مدلهای نسل دومی و نسل اولی WAVEWATCH برای آب عمیق توسعه یافته است. با توجه به اینکه زوال انرژی به دلیل شکست ناشی از کاهش عمق در این مدل در نظر گرفته نشده است عمق آب در محدوده مورد مطالعه نباید کمتر از ۱۵ متر باشد. به همین دلیل در شبیهسازیهای ساحلی نیاز است تا با مدلهایی مثل SWAN ترکیب شود.
این مدل قابلیت اجرای موازی دارد. از دیگر مزیتهای این مدل گزینههای مختلفی است که در اختیار کاربر برای شبیهسازی قرار میدهد. این مدل دارای دو فرمولبندی Tolman & Chalikov و WAM4 است. همچنین از روش حل عددی تفاضل متناهی ULTIMATE QUICKEST بهره میبرد که روشی صریح و از مرتبه سوم میباشد. در این روش از محدودکنندهای برای جلوگیری از بروز جوابهای غیرواقعی استفاده میشود.
طیف انرژی موج، توزیع انرژی موج در فرکانسهای مختلف را نشان میدهد. در امواج نامنظم از طیف موج به جای تک موجها برای توصیف موج استفاده میشود. تلاشهای بسیاری که برای تهیه مدلهای عددی پیشبینی امواج انجام میگیرد به این منظور صورت میپذیرد که طبیعت پیچیده تولید و زوال موج را توصیف کنند. مبنای اکثر این مدلها، حل عددی معادله تعادل انرژی طیفی میباشد. این معادله در حالت دوبعدی به صورت زیر بیان میشود:
S(ƒ,θ) طیف انرژی موج و Cg سرعت گروه، ƒ فرکانس و θ جهت مؤلفههای موج میباشند. در سمت راست معادله که عبارتهای چشمه و چاهه میباشند، عبارت انرژی وارده از طرف باد Sin دربرگیرنده مکانیسمهای Philip و Miles میباشد. Snl اندرکنش غیرخطی مؤلفههای موج و Sds مربوط به تلفات انرژی ناشی از سفیدک امواج، اندرکنش موج با بستر و همچنین زوال انرژی ناشی از کاهش عمق است.
در مدلهای عددی نسل اول موج، که نخستین مدل ریاضی طیفی پیشبینی موج به شمار میرفت از اندرکنش غیرخطی بین مؤلفههای موج صرف نظر میشد. مطالعات بیشتر نشان داد که منبع اصلی انرژی در فرکانسهای پایین طیف، انتقال غیرخطی از فرکانسهای بالاتر است. به همین دلیل بود که در مدلهای نسل دوم برهمکنش غیرخطی بین مؤلفههای موج، با فرضهای محدودکنندهای برای سادهسازی حل انتگرال Boltezman وارد محاسبات شد. بعدها با امکانات خاص محاسباتی که پیشرفتهای کامپیوتری حاصل نمود، این سادهسازی کنار گذاشته شد و مدلهای عدی نسل سوم پدید آمد تا بدون هیچ پیشفرضی در مورد شکل طیف موج، به شبیهسازی میدان موج بپردازند.
برای برپایی مدل، باید ویژگیهای منطقه موردمطالعه را با بیشترین دقت به شکل قابل حل توسط مدل درآورد تا ورودیهای مدل تأمین گردد. ازجمله این ورودیها، هندسه منطقه است که در مدل WAVEWATCH III از شبکهبندی منظم به این منظور استفاده میشود.
در این تحقیق از شبکهبندی منظم با تفکیک مکانی ۰/۱ درجه با تعداد ۱۴۵×۱۱۲ نقطه برای دریای خزر استفاده شده است. برای خلیجفارس از شبکه منظم با تفکیک مکانی ۰/۰۵ درجه با تعداد نقاط ۱۳۰×۱۹۰ و در آخر از شبکهبندی منظم ۰/۱ درجه با تعداد نقاط ۷۹×۱۸۱ برای دریای عمان استفاده شده است. همچنین دادههای عمقسنجی بر روی نقاط شبکه، دیگر ورودی مدل است که این اطلاعات بر روی دامنه محاسبات در شکل ۵ ارائه شده است.
همانطور که در بخش قبل توضیح داده شد برای تأمین میدان باد ورودی از خروجیهای مدل میانمقیاس WRF استفاده شده است. بعد از تأمین ورودیها کافی است شیوههای حل مسأله نیز با توجه به امکاناتی که مدل در اختیار میگذارد تعیین شود که در این تحقیق از فرمولبندی WAM4، و گام زمانی ۷۲۰ ثانیه برای شبیهسازی استفاده شد و زمان spin up بیست و چهار ساعته برای مدل مدنظر قرار گرفت. نتایج مقایسه خروجیهای به دست آمده از مدل با دادههای مشاهداتی برای دو رویداد منتخب در نقطهای در دریای خزر در شکلهای ۶ و ۷ مشاهده میشود.
شکلهای ۶ و ۷ نمونهای از خروجیهایی است که از اجراهای فراوان مدل موج توسط تیم مطالعاتی سامانه، بر نقاط مختلف استراتژیک دریاهای ایران شامل بنادر، نقاط ساحلی و مناطق گردشگری و مناطق عمیق دور از ساحل قرارگیری سکوهای نفتی و سایر نقاط حائز اهمیت دریایی به دست آمده است. انجام این اجراها برای به دست آوردن بهترین پیکربندی جهت پیشبینیهای قابل اطمینان توسط تیم مطالعاتی سامانه صورت گرفت که طبیعتاً ذکر همه این موارد امکانپذیر نیست، اما برای نمونه میتوان به اجرای مدل WW3 برای شبیهسازی امواج در مرجع هم اشاره کرد که خروجی آن در شکل ۴ نمایش داده شده است.
۵. نتایج
سامانه پیشبینی امواج دریاهای ایران پس از ساعتها کار کارشناسی که در مقاله حاضر به صورت موردی به چند نمونه از آنها اشاره شد، در نیمه دوم اسفندماه ۱۳۹۵ به سفارش اداره مهندسی سواحل سازمان بنادر و دریانوردی توسط تیم مطالعاتی مؤسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران (سامانه پارسی پیشبینیهای جوی و اقیانوسی مؤسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران pmetocean.ut.ac.ir) و متخصصین همکار راهاندازی گردیده است.
این سامانه در هر سه پهنه آبی کشور، اعم از خلیجفارس و تنگه هرمز، دریای عمان و دریای خزر، پیشبینیهای باد و موج را برای ۵ روز آینده در اختیار میگذارد و دادههای پیشبینی دو بار در شبانهروز بهروزرسانی میشوند. ارسال پیشبینیهای باد و موج در حال حاضر به سه روش ارسال از طریق پست الکترونیکی، ارسال از طریق کانال تلگرام و ارسال از طریق وب سرویس کارفرمای محترم صورت میپذیرد.
از مزیتهای این سامانه میتوان به استفاده از مدل عددی نسل سوم WW3 اشاره داشت که برای عمیق توسعهیافته است و از پیکربندیهای متفاوتتری نسبت به سایر مدلهای موج مشابه برخوردار است. مهمترین داده ورودی برای یک مدل موج، میدان باد سطحی است که مدل نسبت به آن، حساسیت بالایی دارد. جهت تأمین میدان باد مطمئن برای ورودی مدل در این سامانه از خروجیهای مدل عددی میانمقیاس WRF استفاده شده است که پیکربندیهای متفاوتی در اختیار کاربر قرار میدهد. با استفاده از این پیکربندی تطابق بالایی با دادههای مشاهداتی در دریاهای ایران حاصل شد.
استفاده از این خروجیهای مورداطمینان منتج به نتایج قابل قبول شبیهسازی امواج میشود که همانطور که در شکلهای ۶ و ۷ نمایش داده شده است، خروجیهای شبیهسازی پارامترهای موج، نزدیکی قابل قبولی به دادههای مشاهداتی دارند.
تیم مطالعاتی سامانه به صورت مداوم با اجراهای متوالی در نقاط حائز اهمیت به صحتسنجی خروجیهای مدل میپردازند. نمونهای از این صحتسنجیها با استفاده از پارامترهای آماری شبیهسازی، برای دو رویداد ذکرشده در دریای خزر در شکلهای ۴ و ۹ و همچنین جداول ۱ و ۲ نمایش داده شده است.
۶. نتیجهگیری و جمعبندی
سامانه پیشبینی امواج دریاهای ایران با هدف بهروزرسانی هرچه بهتر پیشبینیهای جوی و اقیانوسی، توسط تیم مطالعاتی موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران شکل گرفته و قادر به پاسخگویی به طیف وسیعی از کاربران میباشد که از آن جمله میتوان از ارگانهای دریایی کشور، طراحان سازههای ساحلی جهت تأمین اطلاعات موردنیاز ساخت سازه ایمن و شرکتهای حملونقل دریایی نام برد.
از دیگر امکاناتی که این سامانه در اختیار میگذارد میتوان به اطلاعات لحظهای که جهت استفاده از دریا در اختیار کاربر و همچنین سرویسهای پیشبینی وضع هوا و دریا میگذارد، اشاره داشت. بهعنوان مثال، از آنجاییکه سلامت سفرهای دریایی در ایام تعطیلات نوروز از اهمیت بالایی برخوردار است، موارد زیر را میتوان از توفیقات این سامانه در پیشبینی طوفانهای دریایی دانست:
۱- پیشبینی موفق توفان در بندر دیر در صبح روز ۲۹ اسفندماه ۱۳۹۵
۲- پیشبینی موفق توفان در بنادر کیش و چارک در بامداد روز ۷ فروردینماه ۱۳۹۶
۳- پیشبینی موفق توفان در بنادر شمالی کشور در روزهای ۱۲ و ۱۳ فروردینماه ۱۳۹۶
۴- پیشبینی موفق توفان در بنادر چابهار و جاسک در روز ۲۹ اسفندماه ۱۳۹۵
۵- پیشبینی موفق توفان در بنادر چابهار و جاسک در روز ۱۳ فروردینماه ۱۳۹۶
توفیق این سامانه در پیشبینی این رویدادها همانطور که اشاره شد حاصل صحتسنجیهای مداوم نتایج مدلهای باد و موج و بهروزرسانی سامانه با آخرین اطاعات علمی روز دنیاست.
مرجع:
دلخوش، ا.، یازجی، د.، قادر، س.، حقشناس، ع.، “پیشبینی عملیاتی امواج دریاهای ایران”، هفتمین همایش بینالمللی صنایع فراساحل، تهران، خرداد ۹۶