پیشبینی میدان باد و سایر میدان‌های هواشناسی در شهر تهران با استفاده از یک سامانه همادی توسعه داده شده برای مدل WRF جهت استفاده در مدل‌های آلودگی هوا
چکیده
پژوهش حاضر به ارائه نتایج حاصل از توسعه یک سامانه پیش بینی همادی (ensemble) برای مدل WRF جهت پیشبینی میدان باد سطحی و سایر میدان‌های هواشناسی مورد نیاز در محدوده شهر تهران جهت تامین ورودی‌های مدل‌های آلودگی هوا اختصاص دارد. ابتدا برای یافتن پیکربندی مناسب مدل WRF از دیدگاه پارامترسازی‌های فیزیکی تعداد ۱۷ پیکربندی انتخاب شده و پس از انجام اجراهای مدل برای چندین تاریخ منتخب و انجام اعتبارسنجی نتایج خروجی مدل به ویژه برای دو میدان باد و دما، سه پیکربندی به عنوان پیکربندی‌های مناسب انتخاب شدند.
سپس اعضای سامانه همادی با استفاده از ترکیب سه پیکربندی منتخب و ایجاد پریشیدگی (perturbation) در شرایط اولیه مدل با استفاده از روش مونت کارلو ایجاد شدند. برای انجام شبیه‌سازی‌های مدل WRF برای هر یک از اعضای سامانه همادی از چهار ناحیه محاسباتی تو در تو با تفکیک‌های مکانی ۳۶۰۰۰ متر، ۱۲۰۰۰ متر، ۴۰۰۰ متر و ۱۳۳۳/۳۳ متر استفاده می‌شود. بررسی عملکرد پیش‌بینی‌های سامانه به کمک محاسبه پارامترهای آماری همچون ضریب همبستگی و جذر میانگین مربعات خطا (RMSE) در مقایسه با داده‌های مشاهدات نشان از عملکرد مناسب میانگین همادی برای پیشبینی میدان‌های باد و دما دارد.
۱. مقدمه
یکی از ورودی‌های اصلی سامانه‌های پیشبینی آلودگی هوا در مقیاس‌های متفاوت از جمله مقیاس‌های منطقه‌ای و شهری میدان‌های هواشناسی از جمله باد، دما و غیره می‌باشند. برای تامین پیش‌بینی‌های میدان‌های هواشناسی در مقیاس‌های منطقه‌ای و شهری مورد نیاز مدل‌های آلودگی هوا نیاز است تا از یک مدل میان‌مقیاس پیشبینی عددی وضع هوا استفاده نمود.
پژوهش حاضر به توسعه یک سامانه همادی برای پیشبینی میدان باد و سایر میدان‌های هواشناسی در محدوده شهر تهران جهت به‌کارگیری در سامانه‌های پیشبینی آلودگی هوای تهران بزرگ اختصاص دارد. در حقیقت برای شبیه‌سازی و پیشبینی میدان باد در مقیاس‌های در حد چند کیلومتر نیاز به یک مدل هواشناسی میان‌مقیاس است که به کمک آن معادلات تراکم پذیر و غیر هیدروستاتیک جو با درنظر گرفتن جملات کامل نیروی کوریولیس به صورت سه بعدی حل شوند.
در تحقیق حاضر از مدل میان‌مقیاس WRF برای رسیدن به این هدف بهره گرفته می‌شود. مدل WRF یک مدل متن‌باز میان‌مقیاس و غیر هیدروستاتیک برای انجام شبیه‌سازی‌ها 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. بعلاوه لازم به ذکر است که در طی سال‌های اخیر و همزمان با بروزرسانی مدل WRF مجموعه متنوعی از طرح‌واره‌های پارامترسازی فیزیکی به مدل مذکور اضافه شده و از دیدگاه تنوع انتخاب پارامترسازی‌های فیزیکی سایر مدل‌های میان‌مقیاس توانایی رقابت با مدل مذکور را ندارند.
برای توسعه یک سامانه جهت انجام پیش‌بینی‌های عملیاتی مدل WRF نیاز است تا دو بخش انجام شوند. بخش اول یافتن پیکربندی یا پیکربندی‌های مناسب مدل از دیدگاه پارامترسازی‌های فیزیکی برای منطقه تهران می‌باشد. در واقع 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 غیردقیق و حتی نادرست خواهد شد.
بنابراین نیاز است تا پیش از استفاده از مدل مذکور به صورت عملیاتی برای منطقه مورد مطالعه پیکربندی (یا پیکربندی های) مناسب مدل را با توجه به پارامترسازی‌های فیزیکی مورد نظر به دست آورد. بعلاوه جهت پوشش عدم قطعیت‌های موجود در شرایط اولیه یک سامانه همادی نیز برای مدل مذکور توسعه داده می‌شود که بخش دوم کار را تشکیل می‌دهد.
۲. پیكربندی‌های مدل
پارامترسازی‌های فیزیکی موجود در مدل WRF مواردی همچون میکروفیزیک، تابش موج بلند، تابش موج کوتاه، لایه سطحی، سطح زمین، لایه مرزی سیاره‌ای و کومولوس را شامل می‌شوند. برای طرح‌واره‌های فیزیکی متفاوت در مدل WRF انتخاب‌های متعددی وجود دارد. از جمله آن‌ها برای پارامترسازی‌های فیزیکی مربوط به خردفیزیک (microphysic) طرح‌واره‌های لین، WSM6 ،WSM3 ،Ferrire و طرح‌واره تامسون از جمله طرح‌واره‌های پرکاربرد هستند.
برای پارامترسازی لایه مرزی سیاره‌ای (Planetary Boundary layer) نیز دو طرح‌واره YSU و MYJ بیشتر در موارد عملیاتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. طرح‌واره های کین فریج، بتس-میلر-جانیک (BMJ) و گرل-دونجی نیز برای پارامترسازی کومولوس (Cumulus) مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین برای سطح زمین (Land Surface) نیز دو طرح‌واره Noah LSM و MM5 5-layer LSM بیشترین استفاده را دارند.
برای لایه سطحی (Surface Layer) می‌توان به طرح‌واره‌های MM5 similarity و Eta similarity و برای تابش موج بلند (Longwave Radiation) می‌توان به طرح‌واره‌های RRTM و GFDL و برای تابش موج کوتاه (Shortwave Radiation) نیز می‌توان به طرح‌واره‌های Dudhia و GFDL اشاره نمود. لازم به ذکر است که در مدل WRF برای مدل شهری (Urban Surface) نیز در حال حاضر چند انتخاب وجود دارد، که در پژوهش حاضر با توجه به تمرکز بر منطقه شهر تهران مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در تحقیق حاضر از ۱۷ پیکربندی متفاوت استفاده شده که انتخاب آن‌ها با توجه به کارهای تحقیقاتی انجام شده صورت گرفته است. جدول ۱ جمع‌بندی مربوط به ۱۷ پیکربندی‌های متفاوت مورد استفاده در کار حاضر را نشان می‌دهد.
در جدول یک ستون با نام عنوان اختصاری (Phys01 تا Phys17) وجود دارد که در واقع یک اسم برای هر یک از پیکربندی‌ها می‌باشد. در زمان ارائه نتایج از عنوان اختصاری مذکور (یا به صورت خلاصه شماره آن) برای آدرس‌دهی به هر یک از پیکربندی‌ها استفاده می‌شود.
۳. حوزه محاسباتی انجام شبیه‌سازی‌ها
با توجه به مقیاس مکانی و محدوده مورد نظر و همچنین توجه به این نکته که خروجی‌های مدل WRF به عنوان ورودی مدل‌های آلودگی هوا مورد استفاده قرار می‌گیرند، نیاز است تا شبیه‌سازی‌های مدل با تفکیک‌های مکانی (افقی و قائم) بسیار بالا انجام شوند. لذا در کار حاضر از یک حوزه محاسباتی که از ۴ شبکه تو در تو (لانه‌ای) با فواصل شبکه‌ای افقی ۳۶۰۰۰، ۱۲۰۰۰، ۱۳۳۳/۳۳۳ متر تشکیل شده، استفاده می‌شود. شکل ۱ نمایی از حوزه محاسباتی را نشان می‌دهد.
البته برای تحلیل حساسیت نتایج مدل از تفکیک‌های کمتر (شبکه درشت‌تر) نیز استفاده شده که در اینجا نتایج مربوط به آن‌ها ارائه نمی‌شود.
۴. داده‌ها و تاریخ‌های شبیه‌سازی‌ها
از جمله داده‌های مورد نیاز داده‌های مشاهداتی مانند میدان‌های باد و دما می‌باشند که به کمک آن‌ها می‌توان اعتبارسنجی خروجی‌های مدل WRF را انجام داد. داده‌های مشاهداتی مورد استفاده شامل داده‌های اندازه‌گیری شده در ایستگاه‌های همدیدی (سینوپتیک) سازمان هواشناسی و داده‌های اندازه‌گیری شده در برج‌های متعلق به شرکت کنترل کیفیت هوای شهر تهران (تهرانسر و رسالت) هستند. جدول ۲ مشخصات ایستگاه‌هایی که داده‌های مشاهدات آن‌ها در پژوهش حاضر استفاده شده، ارائه می‌کند.
بعلاوه برای تامین شرایط اولیه و شرایط مرزی شبیه‌سازی‌های مدل WRF از داده‌های FNL ،ECMWF ERA-Interim و CFSR که از نوع داده‌های تحلیل و بازتحلیل هستند، استفاده شده و مورد آزمایش قرار گرفته‌اند. البته لازم به ذکر است که پس از یافتن پیکربندی (یا پیکربندی‌های) مناسب مدل از دیدگاه پارامترسازی‌های فیزیکی (جدول ۱) برای انجام پیش‌بینی‌های مدل نیاز است تا از داده‌های خروجی مدل‌های جهانی مانند GFS ( Global Forecasting System ) استفاده نمود. بعلاوه شبیه‌سازی‌ها برای ۱۰ تاریخ متفاوت در بازه زمانی سال‌های ۱۳۸۵ تا ۱۳۹۳ هجری شمسی و در فصول متفاوت سال انجام شده‌اند.
۵. ارائه نتایج
همان‌طور که در ابتدا ذکر شد برای ایجاد سامانه پیشبینی همادی ابتدا نیاز است تا پیکربندی مناسب مدل پیدا شود. لذا نتایج در دو بخش ارائه می‌شوند. بخش اول مربوط به پیکربندی و بخش دوم مربوط به نتایج چند مورد انجام پیشبینی با استفاده از سامانه همادی در منطقه تهران می‌باشد. به علت حجم بسیار زیاد نتایج در اینجا تنها بخشی از آن‌ها به عنوان نمونه ارائه می‌شود. بعلاوه نتایج تنها برای داده‌های FNL به عنوان تامین‌کننده شرایط اولیه و شرایط مرزی ارائه شده‌اند (این داده‌ها مشابهت بسیاری با داده‌های GFS دارند).
شکل های ۲ و ۳ تحول زمانی میدان دما و اندازه میدان باد را در محل ایستگاه چیتگر در تاریخ ۲۰۰۸/۸/۲۹ میلادی نشان می‌دهند. در شکل نتایج مدل برای ۱۷ پیکربندی متفاوت در مقایسه با داده‌های مشاهدات نشان داده شده‌اند. می‌توان مشاهده نمود که تعدادی از پیکربندی‌ها نتایج مناسب‌تری را ارائه می‌کنند.
در دو جدول ۳ و ۴ نتایج مربوط به ضریب همبستگی و خطای RMSE در محل ایستگاه مهرآباد در تاریخ ۲۰۰۷/۳/۲۷ میلادی برای سه پیکربندی شماره ۶، ۹ و ۱۷ (بعنوان نمونه) ارائه شده‌اند. می‌توان مشاهده نمود که خطاها در محدوده مناسبی قرار دارند.
به عنوان نمونه ای دیگر از نتایج در تاریخ ۲۰۰۹/۴/۹ میلادی در محل ایستگاه رسالت نتایج حاصل از پیکربندی شماره ۱۴ برای میدان باد در ارتفاع ۲۴متری با استفاده از داده‌های FNL در مقایسه با داده‌های مشاهدات ثبت شده دارای ضریب همبستگی در حدود ۰/۷ و جذر مربعات میانگین خطای ۱/۱۲ می‌باشند که هر دو مورد در محدوده بسیار خوب قرار دارند.
در پژوهش حاضر در مجموع در حدود ۹۰۰۰ شبیه‌سازی مختلف مدل انجام شده است. حال برای پیدا نمودن پیکربندی مناسب نیاز است تا میزانی که هر یک از پیکربندی‌های ۱۷ گانه در شبیه‌سازی‌ها مدل موفق عمل نموده‌اند، محاسبه نمود و سپس از میان آن‌ها پیکربندی یا پیکربندی‌هایی که دارای امتیاز بیشتری هستند، انتخاب نمود. البته باید توجه نمود که این انتخاب بر اساس میزان عملکرد پیکربندی‌ها برای هر دو میدان باد ۱۰ متری و میدان دمای ۲ متری انجام می‌شود.
جمع‌بندی نتایج نشان می‌دهد که برای میدان باد ده متری از دیدگاه مناسب‌ترین عملکرد پیکربندی‌ها به صورت ۱۴، ۱۲، ۱۶، ۱۵، ۵، ۶، ۱۰، ۴، ۳، ۸، ۹، ۷، ۱، ۱۱، ۱۳، ۱۷ مرتب می‌شوند. حال با دنبال کردن همین رویه و جمع‌بندی نتایج برای میدان دمای ۲ متری از دیدگاه مناسب‌ترین عملکرد، پیکربندی‌ها به صورت ۳، ۶، ۱۱، ۱۶، ۱۷، ۱۴، ۱۵، ۷، ۱۳، ۱۰، ۱، ۴، ۱۲، ۵، ۹، ۸، ۲ مرتب می‌شوند.
حال می‌بایست با توجه به این نکات در مورد پیکربندی مناسب تصمیم‌گیری نمود. در اینجا تصمیم‌گیری به این صورت انجام شده که برای هر یک از پارامترهای باد ۱۰ متری و دمای ۲ متری پیکربندی‌هایی که از دیدگاه عملکرد به یکدیگر نزدیک بوده‌اند و براساس الویت مشخص شده، انتخاب شده و سپس پیکربندی‌هایی که برای هر دو پارامتر مشترک بوده‌اند، به‌عنوان پیکربندی‌های نهایی انتخاب شده‌اند.
پس از بررسی نتایج برای هر دو میدان باد ده متری و دمای ۲ متری شش پیکربندی اول به عنوان اولویت‌های مناسب انتخاب شده‌اند. در نهایت پس از انجام این انتخاب می‌توان مشاهده نمود که پیکربندی‌های ۱۴، ۱۶ و ۶ فصل مشترک هر دو میدان باد و دما می‌باشند و لذا این پیکربندی‌ها به عنوان پیکربندی‌های مناسب مدل مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
شکل‌های ۴ و ۵ محدوده تغییرات و پراکندگی ضریب همبستگی مربوط به میدان‌های باد و دمای سطحی را برای تمامی ایستگاه‌ها و تمامی تاریخ‌ها برای سه پیکربندی منتخب (۱۶، ۱۴ و ۶) ارائه می‌کنند. می‌توان مشاهده نمود که چگالی داده‌های در مورد هر دو میدان و البته به ویژه میدان دما در محدوده ضرایب همبستگی بالاتر از ۰/۶ قرار دارد.
در ادامه به نتایج حاصل از پیش‌بینی‌های سامانه همادی برای چند تاریخ منتخب پرداخته می‌شود. در پژوهش حاضر اعضای سامانه برای یک پیکربندی مشخص با WRF همادی برای مدل ایجاد پریشیدگی در شرایط اولیه به کمک روش مونت کارلو تولید می‌شوند. بعلاوه با توجه به اینکه سه پیکربندی نیز انتخاب شده‌اند، در مجموع اعضای سامانه ترکیبی از فیزیک‌های متفاوت و شرایط اولیه متفاوت خواهند بود.
به عنوان نمونه برای چند تاریخ پیش‌بینی‌های سامانه همادی با ۹ عضو انجام شده‌اند که شامل سه پیکربندی فیزیکی مدل همراه با دو پریشیدگی مثبت و منفی برای هر یک از آن‌ها می‌باشد که در مجموع ۹ عضو را تشکیل می‌دهند. ارزیابی نتایج سامانه همادی نیز در اینجا تنها برای میانگین همادی (ensemble mean) انجام می‌شوند.
به عنوان نمونه‌ای از نتایج شکل ۶ سری زمانی (میتیوگرام) پیشبینی شده تغییرات اندازه میدان باد ده متری را برای تاریخ‌های ۲۰۱۳/۱۰/۱۶ در محل ایستگاه فرودگاه امام خمینی (ره) حاصل از پیشبینی سامانه همادی مدل WRF با ۹ عضو را به نمایش می‌گذارد. در شکل هر یک از اعضای سامانه با علامت اختصاری Mem01 تا Mem09 نشان داده شده و بعلاوه مقدار میانگین همادی نیز با علامت اختصاری Mean به نمایش در آمده است. در شکل داده‌های ثبت شده مشاهدات نیز با نماد دایره توپر به نمایش در آمده‌اند. با توجه به شکل می‌توان عملکرد هر یک از اعضا به صورت جداگانه و میانگین همادی را مشاهده نمود.
جدول ۵ نتایج پارامترهای آماری محاسبه شده برای میدان باد ۱۰ متری شامل اندازه (S10) و دو مولفه آن (U10 و V10) حاصل از میانگین پیشبینی سامانه همادی مدل WRF برای تمامی ایستگاه‌ها و تاریخ‌های منتخب که پیشبینی برای آن‌ها انجام شده، ارائه می‌کند. می‌توان عملکرد بسیار قابل توجه مدل را برای میدان باد از دیدگاه ضرایب همبستگی بالا (بیشتر موارد بالاتر از ۰/۶) و خطای RMSE پایین (در اغلب موارد کمتر از ۲) مشاهده نمود.
۶. نتیجه‌گیری
در کار حاضر برای توسعه یک سامانه به منظور پیشبینی میدان WRF پیشبینی همادی برای مدل باد سطحی و سایر میدان‌های هواشناسی در منطقه تهران ابتدا با انتخاب ۱۷ پیکربندی متفاوت و انجام ارزیابی نتایج مدل سه پیکربندی که برای دو کمیت میدان باد و دما از عملکرد مناسب‌تری برخوردار بودند، به‌عنوان پیکربندی‌های مناسب انتخاب شدند. در ادامه با ترکیب سه پیکربندی منتخب و ایجاد پریشدگی در شرایط اولیه مدل، یک سامانه همادی برای مدل WRF توسعه داده شد. ارزیابی نتایج حاصل از میانگین سامانه همادی برای چند تاریخ منتخب نشان از عملکرد مناسب و قابل قبول آن برای پیشبینی میدان‌های باد و دما دارد.
مرجع:
قادر، س.، یازجی، د.، شهبازی، حسین.، “پیشبینی میدان باد و سایر میدان‌های هواشناسی در محدوده شهر تهران با استفاده از یک سامانه همادی توسعه داده شده برای مدل WRF جهت استفاده در مدل‌های آلودگی هوا”، چهارمین همایش ملی مدیریت آلودگی هوا و صدا، تهران، دی ۹۴
