شبیه سازی و ارزیابی تشکیل امواج ناشی از باد در بخش جنوبی دریای خزر با استفاده از مدل جفت شده WRF-WAVEWATCH III

 

 چکیده

مدل‌های عدی نسل سوم شبیه‌سازی امواج، بدون هیچ پیش‌فرضی در مورد شکل طیف موج، به شبیه‌سازی میدان موج می‌پردازند. در تحقیق حاضر از مدل نسل سوم WAWEWATCH III جهت شبیه‌سازی امواج استفاده شده است. با بررسی داده‌های میدانی باد، بازه‌هایی که شامل توفان‌هایی با شرایط متنوع باشد برای شبیه‌سازی انتخاب‌ شده است.

جهت تأمین میدان باد مطمئن برای ورودی مدل از خروجی‌های مدل عددی میان‌مقیاس WRF استفاده شده است. 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.

پس از برپایی و اجرای مدل موج، نتایج شبیه‌سازی با داده‌های مشاهداتی مقایسه شده و پارامترهای آماری برای صحت سنجی نتایج شبیه‌سازی محاسبه‌ شده‌اند.

 

 ۱. مقدمه

امواج به‌عنوان مهم‌ترین پدیده در لایه سطحی اقیانوس‌ها مظهر اندرکنش میدان باد و سطح بدنه‌های آبی بزرگ هستند. زمانی که در طول سواحل، سازه‌هایی ساخته می‌شوند، باید اثرات دینامیکی امواج و محیط ساحلی در طراحی آن پیش‌بینی شوند. منظور از دینامیک امواج، برآورد نیروهای‌ وارده از طرف موج، با تعیین شرایط آن از جمله ارتفاع، پریود و جهت موج می‌باشد. صنعت فراساحل نیز به‌شدت محتاج شناخت صحیح امواج منطقه مورد استفاده در طرح‌های توسعه‌ای می‌باشد تا بتواند امنیت بهره‌برداری و دوام آن را تضمین نماید.

به‌طور کلی محققین از طریق اندازه‌گیری‌های میدانی، بررسی‌های تحلیلی و نظری، مدل‌سازی‌های فیزیکی و شبیه‌سازی‌های عددی به دنبال شناخت اقلیم امواج در مناطق مختلف و تعیین مشخصه‌های بزرگ‌ترین امواج محتمل و رژیم سالانه امواج می‌باشند. پیش‌بینی خصوصیات امواج برای دوره چندروزه آتی نیز یکی دیگر از موضوعات مهم موردعلاقه‌ای است که در راستای تأمین امنیت ناوبری، عملیات دریایی و سفرهای دریایی از اهمیت بسزایی برخوردار است.

امواج ناشی از باد بخش مهمی از امواج مشاهده شده در دریا هستند و بیشترین اثر را بر فعالیت‌های بشری در محیط‌های دریایی دارند و بدین دلیل هنگامیکه بحث پیش‌بینی امواج جهت مقاصد مهندسی پیش می‌آید عمدتاً امواج ناشی از باد مدنظر هستند. این امواج در ناحیه فراساحل تنها بر دینامیک لایه سطحی تأثیرگذارند، اما در ناحیه نزدیک ساحل و آب کم‌عمق کل شرایط هیدرودینامیک ساحلی را دستخوش تغییرات چشمگیر می‌کنند. آنچه بررسی و مطالعه رفتار موج را دشوار می‌سازد رفتار پیچیده و اتفاقی این پدیده است.

شیوه دقیق برخورد با پدیده ایجاد موج توسط باد را مدل‌های ریاضی پیش‌بینی امواج در اختیار ما قرار می‌دهند. این شبیه‌سازی می‌تواند به‌صورت بازیابی (پیش‌یابی – 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 چاهه می‌باشد. تاکنون سه نسل از مدل‌های پیش‌بینی موج ارائه شده است. در مدل‌های نسل اول از اندرکنش غیرخطی مؤلفه‌های موج صرف‌نظر می‌شود. کاستی مدل‌های نسل دوم، فرضیات محدودکننده‌ای از قبیل شکل طیف اشباع است که برای ساده شدن محاسبات وقت‌گیر انتگرالی، شکل نهایی معادله انتقال انرژی در نظر گرفته می‌شود. این کاستی در مدل‌های نسل سوم با پیشرفت محاسبات انتگرالی توسط کامپیوتر برطرف شده است.

پیش‌بینی و شبیه‌سازی امواج در کشور ایران، به دلیل مجاورت با سه پهنه مهم آبی و حجم بالای فعالیت‌های باربری و صنعتی در این مناطق و
همچنین تردد گردشگران جهت بازدید از جاذبه‌های توریستی، حائز اهمیت است. هدف از این تحقیق شبیه‌سازی امواج دریای خزر به نحوی است که داده‌هایی مورد اطمینان به دست دهد. برای بررسی این موضوع خروجی‌های به دست آمده از مدل با داده‌های مشاهداتی مقایسه شده است.

مدل مورد استفاده در این مطالعه مدل موج نسل سوم WAVEWATCH III است که برای شبیه‌سازی امواج در آب‌های عمیق به کار می‌رود. ازاین‌رو پس از جمع‌آوری اطلاعات موردنیاز اولیه و برپایی مدل، یک نقطه در نواحی فراساحل بر اساس داده‌های موجود برای صحت‌سنجی نتایج شبیه‌سازی انتخاب شده است و داده‌های مشاهداتی برای این نقطه فراهم آمده است.

همچنین ضمن بررسی داده‌های میدانی باد زمان‌های مناسب برای شبیه‌سازی انتخاب شده است، به نحوی که دوره‌هایی از توفان با شرایط متنوع را در بر بگیرد. پس از اجرای مدل در بازه‌های انتخابی نتایج خروجی مدل با داده‌های مشاهداتی مقایسه شد تا میزان دقت مدل در شبیه‌سازی بررسی شود.

 

 

 ۲. منطقه مورد مطالعه

ایران خط ساحلی وسیعی با دریای خزر دارد. ویژگی‌های منحصربه‌فرد این دریا باعث شده است تا همواره مرکز توجه اقیانوس‌شناسان و پژوهش‌های دریایی باشد. شبیه‌سازی امواج در این دریا از اهمیت فراوانی برخوردار است.

اولین تلاش‌ها در این زمینه در کشور با پروژه ISWM (مدل‌سازی امواج دریاهای ایران) آغاز شد. این شبیه‌سازی برای بازه یازده ساله ۱۹۹۲ تا ۲۰۰۲ توسط مرکز ملی اقیانوس‌شناسی و شرکت DHI به انجام رسیده است. سازمان بنادر و دریانوردی به‌عنوان متولی طرح ISWM، با هدف تدقیق و بروز رسانی مدل‌سازی امواج دریاهای ایران در محدوده دریای خزر در فاز پنجم طرح ملی پایش و مطالعات شبیه‌سازی سواحل کشور، اجرای یک پیش‌یابی ۳۰ ساله را در برنامه خود قرار داده است.

همانطور که در شکل ۱ مشخص شده است منطقه مورد نظر برای انجام صحت‌سنجی‌ها در این تحقیق، مربوط به محل بویه شناور شرکت نفت خزر (KEPCO) واقع در طول جغرافیایی ۵۱/۱۹ درجه و عرض جغرافیایی ۳۸/۳۵۸ درجه می‌باشد.

 

 

 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 به‌عنوان 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. ازجمله این مدل‌ها، مدل عددی میان‌مقیاس WRF است که یک مدل متن‌باز میان‌مقیاس و غیر هیدرو استاتیک برای انجام شبیه‌سازی و پیش‌بینی‌های عملیاتی وضع هوا به‌صورت 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 به‌صورت 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 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 به‌طور کامل دریای خزر را در بر می‌گیرد. تعداد نقاط شبکه برای دامنه بزرگ ۵۰×۳۸ و برای دامنه کوچک ۱۲۰×۸۴ 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 به‌صورت پیشفرض برای یک منطقه خاص مناسب نبوده و باعث ایجاد جواب‌های غیردقیق و حتی نادرست خواهد شد. لذا نیاز است تا پیش از استفاده از مدل مذکور برای منطقه مورد مطالعه، 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 است.

بعد از پیکربندی مدل نتایج خروجی مدل در نقطه موردنظر با داده‌های مشاهداتی مقایسه شد که در شکل زیر مشاهده می‌شود. دقت شود که ۲۴ ساعت ابتدایی، از زمان مشخص شده در شکل ۳ به‌عنوان spin up مدل موج از خروجی‌های مدل موج حذف می‌شوند. 

 

 ۴. شبیه‌سازی امواج

مدل موج WAVEWATCH III یک مدل عددی نسل سوم متن‌باز است که بر پایه مدل‌های نسل دومی و نسل اولی WAWEWATCH 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 به‌جای 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 به‌صورت زیر بیان می‌شود:

 

(ƒ,θ)S طیف انرژی موج و C_g سرعت گروه، ƒ فرکانس و θ جهت مؤلفه‌های موج می‌باشند. در سمت راست معادله (۱) که عبارت‌های چشمه و چاهه می‌باشند، عبارت انرژی وارده از طرف باد، S_in، دربرگیرنده مکانیسم‌های Philips و Miles می‌باشد. S_nl اندرکنش غیرخطی مؤلفه‌های موج و S_ds 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 صرف‌نظر 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 مورد مطالعه را با بیشترین دقت به شکل قابل حل توسط مدل درآورد تا ورودی‌های مدل تأمین گردد. از جمله 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 و با تعداد ۱۰۷×۷۳ نقطه استفاده شده است. همچنین داده‌های عمق‌سنجی بر روی نقاط شبکه، دیگر وردی 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 که 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.

پس از انجام هر اجرای شبیه‌سازی نتایج خروجی مدل با داده‌های مشاهداتی موجود مقایسه گردیده است تا میزان موفقیت مدل در شبیه‌سازی و بازتولید پارامترهای موج مشخص شود. نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی‌های انجام شده برای دو رویداد منتخب در شکل‌های ۶ و ۷ مشاهده می‌شود.

 

 

 ۵. جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

برای شبیه‌سازی امواج در تحقیق حاضر از مدل نسل سوم WAWEWATCH III استفاده شده است. با بررسی داده‌های میدانی باد، بازه‌هایی که شامل توفان‌هایی با شرایط متنوع باشد برای شبیه‌سازی انتخاب شده است.

جهت تأمین میدان باد مطمئن برای ورودی مدل از خروجی‌های مدل عددی میان‌مقیاس WRF استفاده شده است که پیکربندی‌های متفاوتی در اختیار کاربر قرار می‌دهد. پس از برپایی و اجرای مدل موج، نتایج شبیه‌سازی با داده‌های مشاهداتی مقایسه شده و پارامترهای آماری برای صحت سنجی نتایج شبیه‌سازی محاسبه شده‌اند.

 

 

جدول ۲، پارامترهای آماری شبیه‌سازی را برای رویداد اول نشان می‌دهد. ضریب همبستگی بالای ارتفاع مشخصه با داده‌های مشاهداتی نشان دهنده این مطلب است که مدل عددی WAVEWATCH III در شبیه‌سازی پارامترهای موج در این رویداد منتخب با تقریب مناسبی موفق بوده است. همچنین در مورد پریود هم مشاهده می‌شود که شبیه‌سازی مدل با داده‌های مشاهداتی برای این رویداد منتخب، تطابق قابل قبولی به دست می‌دهد.

 

 

پارامترها برای رویداد دوم نیز محاسبه شده‌اند. همانطور که در شکل ۸ نشان داده شده است مدل در مقادیر بالای ارتفاع موج دچار انحرافاتی از داده‌های مشاهداتی بوده است که در شکل ۱۱ قابل مشاهده است. اما همانطور که در جدول ۳، مشاهده می‌شود همبستگی داده‌های شبیه‌سازی و مشاهداتی همچنان بالا می‌باشد که نشان دهنده این موضوع است که مدل در شبیه‌سازی رویداد دوم هم توفیق نسبی داشته است.

 

مرجع:

دلخوش، ا.، قادر، س.، حق شناس، س.، “شبیه‌سازی و ارزیابی تشکیل امواج ناشی از باد در بخش جنوبی دریای خزر با استفاده از مدل جفت شده WRF-WAVEWATCH III”، همایش ملی هواشناسی، پایش و پیش بینی کوتاه مدت مخاطرات جوی اسفند ۱۳۹۵، دانشگاه گیلان