چکیده
نتایج حاصل از توسعه یک سامانه پیشبینی همادی (ensemble) برای مدل WRF جهت پیشبینی میدان باد سطحی در محدوده خلیج فارس در کار حاضر ارائه می‌شود. سامانه مذکور ترکیبی از ایجاد پریشیدگی (perturbation) در شرایط اولیه و استفاده از طرح‌واره‌های فیزیکی متفاوت می‌باشد. برای یافتن پیکربندی(های) مناسب مدل WRF از دیدگاه پارامترسازی‌های فیزیکی تعداد ۱۴ پیکربندی انتخاب شده و پس از انجام اجراهای مدل برای چندین تاریخ منتخب و انجام اعتبارسنجی نتایج خروجی مدل به‌ویژه برای میدان باد سه پیکربندی به‌عنوان 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 مونتکارلو ایجاد می‌شوند. برای انجام شبیه‌سازی‌های مدل WRF برای هر یک از اعضای سامانه همادی از دو ناحیه محاسباتی تو در تو با تفکیک‌های مکانی ۰/۳ درجه و ۰/۱ درجه 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 شامل داده‌های ایستگاههای هواشناسی موجود در منطقه و داده‌های اندازه‌گیری شده توسط سنجنده‌های ماهواره‌ای (مانند QuikSCAT و ASCAT) نشان از عملکرد مناسب میانگین همادی در مقایسه با پیشبینی قطعی (deterministic) برای پیشبینی میدان باد دارد.
۱. مقدمه
از آنجا که جو یک سامانه آشوبناک (chaotic) است، مدل‌های جوی هر قدر کامل باشند با تغییر اندکی در شرایط اولیه ممکن است پیش‌بینی‌ها به‌طور کامل با هم متفاوت باشند. به همین دلیل و با توجه به اینکه خود مدل‌های پیشبینی عددی وضع هوا و شرایط اولیه مدل‌های مذکور به‌صورت ذاتی خطا دارند، نمی‌توان با یک پیشبینی، به‌طور قطعی اطمینان داشت که این پیشبینی به واقعیت نزدیک است.
ابشتاین و لیت با هدف بهبود دادن پیش‌بینی‌ها، پیشنهاد دادند که به جای اینکه فقط یک پیشبینی قطعی داشته باشیم از مجموعه‌ای از پیش‌بینی‌ها استفاده شود. این مجموعه یک گروه را تشکیل می‌دهد که هر کدام از اعضای این گروه یک عضو همادی (ensemble) نامیده می‌شوند و در واقع این روش پیشبینی، پیشبینی همادی نام دارد.
از دیدگاه تاریخی، در سه دهه گذشته و با شروع اجرای پیش‌بینی‌های همادی تغییری اساسی در پیش‌بینی‌های عددی (عملیاتی) وضع هوا رخ داده است. همانگونه که ذکر شد یک پیشبینی همادی دربرگیرنده چندین اجرای مدل‌های عددی پیشبینی وضع هوا است (معمولاً بین ۵ تا ۴۰۰) که در شرایط اولیه و یا نحوه بیان عددی معادلات حاکم بر جو (که در واقع دو منبع اصلی عدم قطعیت (خطا) در پیشبینی هستند) با یکدیگر متفاوت هستند.
به‌صورت عملیاتی، پیشبینی همادی در دو مرکز معتبر بین‌المللی NCEP و ECMWF در سال ۱۹۹۲ شروع شد. شایان ذکر است که در حال حاضر برای پیش‌بینی‌های مربوط به مدل‌های جهانی (کروی) در تعداد معدودی از مراکز پیشبینی (حدود ۴۰ مرکز) در سطح دنیا از روش همادی استفاده می‌شود.
به‌صورت کلی هدف از پیشبینی همادی بهبود پیشبینی و سعی در کاهش عدم قطعیت در شبیه‌سازی جو می‌باشد. در کشور ما نیز در سال‌های اخیر تلاش برای توسعه سامانه همادی برای مدل‌های پیشبینی عددی وضع هوا و به ویژه مدل‌های میان مقیاس منطقه‌ای شروع شده‌است. پاره‌ای از کارهای انجام شده بیشتر جنبه پژوهشی داشته و پاره‌ای دیگر نیز اهداف عملیاتی را دنبال کرده‌اند.
کار حاضر به توسعه یک سامانه پیشبینی همادی (ensemble) برای مدل WRF جهت پیشبینی میدان باد سطحی در محدوده خلیج فارس اختصاص دارد. نتایج حاصل از پیش‌بینی‌های سامانه همادی توسعه داده شده علاوه بر اینکه کاربردهای رایج هواشناسی را پوشش می‌دهد می‌توانند به‌عنوان تامین‌کننده ورودی‌های مورد نیاز مدل‌های موج و جریان در محدوده خلیج فارس مورد استفاده قرار گرفته و لذا از دیدگاه کاربردهای دریایی از جمله هواشناسی دریایی، مباحث مرتبط با مهندسی سواحل و سازه‌های دریایی نیز دارای اهمیت هستند.
مدل WRF یک مدل متن‌باز میان‌مقیاس و غیرهیدروستاتیک برای انجام شبیه‌سازی‌ها 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. 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 است.
برای توسعه یک سامانه همادی 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 خلیج فارس می‌باشد. در واقع 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. بنابراین نیاز است تا پیش از استفاده از مدل مذکور به‌صورت عملیاتی برای منطقه مورد مطالعه پیکربندی (یا پیکربندی‌های) مناسب مدل را با توجه به پارامترسازی‌های فیزیکی مورد نظر به‌دست آورد.
در ادامه 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. پیکربندی‌های مدل WRF از دیدگاه پارامترسازی‌های فیزیکی
طرح‌واره‌های پارامترسازی 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. در کار حاضر از ۱۴ پیکربندی متفاوت مدل و البته بیشتر با تاکید بر پارامترسازی‌های فیزیکی لایه مرزی سیاره‌ای، لایه سطحی و سطح زمین استفاده شده که انتخاب آنها با توجه به سایر کارهای تحقیقاتی انجام شده صورت گرفته است.
جدول ۱ مشخصات مربوط به ۱۴ پیکربندی مورد استفاده در این بخش از کار حاضر را ارائه می‌دهد. در جدول یک ستون با نام عنوان اختصاری (Phys01 تا Phys14) وجود دارد که در واقع یک اسم برای هر یک از پیکربندی‌ها می‌باشد. از عنوان اختصاری مذکور (یا به‌صورت خلاصه شماره آن) برای آدرس‌دهی به هر یک از پیکربندی‌ها استفاده می‌شود.
۳. حوزه محاسباتی
با توجه به هدف کار حاضر برای انجام پیش‌بینی‌های مدل WRF از یک حوزه محاسباتی که از ۲ شبکه تو در تو (لانه‌ای) با فواصل شبکه‌ای افقی ۰/۳ و ۰/۱ درجه در راستای افقی (طول و عرض جغرافیایی) تشکیل شده، استفاده می‌شود.
شکل ۱ نمایی از حوزه محاسباتی را نشان می‌دهد. در این شکل ناحیه محاسباتی با تفکیک افقی ۰/۳ درجه با خط مشکی و ناحیه محاسباتی با تفکیک افقی ۰/۱ درجه (حوزه داخلی d02) با خط سفید رنگ نشان داده شده است.
۴. داده‌های مورد نیاز برای انجام شبیه‌سازی‌ها
برای انجام شبیه‌سازی‌های کار حاضر به دو دسته اصلی از داده‌ها نیاز است. دسته اول داده‌های مشاهدات و دسته دوم داده‌های مورد نیاز برای تامین شرایط اولیه و شرایط مرزی شبیه‌سازی‌های و پیش‌بینی‌های مدل WRF است.
دسته اول داده‌ها شامل داده‌های مشاهداتی مانند میدان‌های باد، دما و فشار سطح می‌باشند که به کمک آنها می‌توان اعتبارسنجی خروجی‌های مدل WRF و سامانه همادی را انجام داد. داده‌های مشاهداتی مورد استفاده شامل داده‌های اندازه‌گیری شده در ایستگاههای همدیدی (سینوپتیک) حاشیه شمالی و جنوبی خلیج فارس و همچنین داده‌های اندازه‌گیری شده توسط دو سنجنده ماهواره‌ای QuikSCAT و ASCAT و یک بویه می‌باشند.
جدول ۲ مشخصات ایستگاه‌هایی که داده‌های مشاهدات آنها در کار حاضر استفاده شده، ارائه می‌کند. داده‌های مربوط به کشورهای حاشیه جنوبی خلیج فارس از طریق وبگاه دانشگاه وایومینگ دریافت شده‌اند.
همانگونه که ذکر شد دسته دوم داده‌ها برای تامین شرایط اولیه و شرایط مرزی شبیه‌سازی‌های مدل WRF و سامانه همادی توسعه داده شده برای آن مورد نیاز هستند. در کار حاضر برای رسیدن به این هدف سه دسته داده 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 سامانه همادی نیاز است تا از داده‌های خروجی مدل‌های جهانی مانند (GFS Global Forecasting System) استفاده نمود.
۵. نتیجه‌گیری
همانگونه که ذکر شد در کار حاضر اعضای سامانه همادی از ترکیب پیکربندی‌های متفاوت مدل WRF از دیدگاه پارامترسازی فیزیکی و ایجاد پریشیدگی در شرایط اولیه ایجاد می‌شود. لذا ابتدا نیاز است تا از میان ۱۴ پیکربندی فهرست شده در جدول ۱ پیکربندی‌هایی را که از دیدگاه عملکرد مدل برای شبیه‌سازی میدان‌های هواشناسی و به ویژه با تاکید بر میدان باد سطحی مناسب هستند، مشخص نمود.
در کار حاضر برای رسیدن به این هدف مجموعه‌ای از تاریخ‌های منتخب (در حدود ۹۰ روز) که در یک بازه زمانی ۴ ساله (از سال ۲۰۰۸ تا ۲۰۱۱ میلادی) پراکنده بوده‌اند برای انجام شبیه‌سازی‌ها انتخاب شدند. سپس شبیه‌سازی‌های مدل WRF برای تمامی تاریخ‌های مذکور و برای تمامی ۱۴ پیکربندی و البته با استفاده از سه نوع داده FNL ، ECMWF ERA-Interim و CFSR انجام شد.
در ادامه برای انجام ارزیابی خروجی حاصل از شبیه‌سازی‌ها در نقاط مشاهدات شامل ایستگاه‌ها، بویه و نقاط ماهواره‌ای از پارامترها و سنجه‌های آماری مانند جذر میانگین مربعات خطا (RMSE)، ضریب همبستگی (correlation Coefficient) استفاده شد.
با توجه به حجم بسیار کارهای صورت گرفته در بخش مربوط به یافتن پیکربندی مناسب مدل از دیدگاه پارامترسازی‌های فیزیکی، ارائه نتایج آنها خارج از حوصله کار حاضر است و در اینجا تنها به بخشی از نتایج و در نهایت به پیکربندی‌های منتخب که در سامانه همادی مورد استفاده قرار گرفته‌اند، اشاره می‌شود.
به‌عنوان نمونه‌ای از نتایج شکل ۲ تحول زمانی میدان باد سطحی افقی و مولفه‌های آن را در محل ایستگاه بوشهر برای تاریخ ۲۰۰۸/۹/۳ میلادی برای پیکربندی‌های متفاوت نشان می‌دهد. در شکل داده‌های مشاهدات نیز با نقاط توپر به نمایش در آمده‌اند. می‌توان مشاهده نمود که تعدادی از پیکربندی‌ها از عملکرد مناسب‌تری نسبت به بقیه برخوردارد هستند.
شکل ۳ نیز مقایسه بردارهای سطحی میدان باد حاصل از مدل WRF را برای پیکربندی شماره ۱۴ در مقایسه با میدان باد اندازه‌گیری شده توسط ماهواره QuikSCAT در تاریخ ۲۰۰۹/۲/۱۳ میلادی در محدوده خلیج فارس به‌نمایش می‌گذارد. می‌توان مشاهده نمود که عملکرد مدل از دیدگاه اندازه و جهت میدان باد سطحی به‌صورت کیفی در مقایسه با داده‌های مشاهدات ماهواره مناسب است.
در نهایت پس از انجام محاسبات مربوط به پارامترهای آماری و بررسی نتایج آنها می‌توان در مورد پیکربندی منتخب مدل از دیدگاه پارامترسازی‌های فیزیکی قضاوت نمود. در واقع برای پیدا نمودن پیکربندی مناسب نیاز است تا میزانی که هر یک از پیکربندی‌ها در شبیه‌سازی‌های مدل موفق عمل نموده‌اند، محاسبه نمود و سپس از میان آنها پیکربندی را که دارای امتیاز بیشتر است، انتخاب نمود.
البته باید توجه نمود که این انتخاب بر اساس میزان عملکرد پیکربندی‌ها برای میدان باد ۱۰ متری و مولفه‌های آن انجام می‌شود. برای رسیدن به این هدف به این شکل عمل شده که برای تمامی داده‌ها و تمامی نقاط مورد استفاده برای محاسبه خطاها تعداد عملکردهای هر یک از پیکربندی‌ها از دیدگاه ضریب همبستگی بیشتر و خطای RMSE کمتر محاسبه شده و از این دیدگاه پیکربندی‌های متفاوت فهرست شده‌اند.
جمع‌بندی نتایج نشان می‌دهد که از دیدگاه مناسب‌ترین عملکرد پیکربندی‌ها به‌صورت ۳، ۱۴، ۵، ۱، ۶، ۸، ۹، ۱۲، ۲، ۱۳، ۷، ۴ و ۱۱ مرتب می‌شوند. البته شایان ذکر است که پیکربندی شماره ۱۰ به علت عدم امکان انجام اجراهای مدل به صورت موازی حذف شده‌است. بعلاوه لازم به ذکر است که اختلاف‌های میان نتایج مربوط به پیکربندی‌ها و به ویژه چند مورد اول آنها زیاد نیست.
در اینجا با توجه به این نکته که هدف کار حاضر انجام پیش‌بینی‌های میدان باد از یک سامانه همادی توسعه داده‌شده برای مدل WRF است و همانطور که در قبل ذکر شده این اعضای این سامانه براساس ایجاد پریشیدگی در شرایط اولیه مدل و همچنین استفاده از پیکربندی‌های فیزیکی متفاوت ایجاد می‌شوند، لذا در اینجا سه پیکربندی شماره ۳، ۱۴ و ۵ که مناسب‌ترین عملکرد را داشته‌اند، به‌عنوان پیکربندی‌های مناسب در سامانه همادی مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
در ادامه به بخش اصلی کار حاضر و به ارائه نتایج حاصل از پیش‌بینی‌های سامانه همادی برای چند تاریخ منتخب در محدوده خلیج فارس پرداخته می‌شود. در کار حاضر اعضای سامانه همادی برای مدل WRF برای یک پیکربندی مشخص با ایجاد پریشیدگی در شرایط اولیه به کمک روش مونتکارلو 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.
در اینجا پیش‌بینی‌های سامانه همادی با ۱۵ عضو انجام شده‌اند که شامل سه پیکربندی فیزیکی مدل همراه با چهار پریشیدگی مثبت و منفی برای هر یک از آنها می‌باشد که در مجموع ۱۵ عضو را تشکیل می‌دهند. ارزیابی نتایج سامانه همادی نیز در اینجا تنها برای میانگین همادی (ensemble mean) انجام می‌شود.
در اینجا در زمان انجام پیش‌بینی‌های سامانه همادی جهت تامین شرایط اولیه و شرایط مرزی از داده‌های GFS استفاده می‌شود. برای تاریخ‌هایی که امکان دسترسی به داده‌های GFS فراهم نشده است از داده‌های FNL به‌عنوان تامین‌کننده شرایط اولیه و شرایط مرزی استفاده شده است (این داده‌ها مشابهت بسیاری با داده‌های GFS دارند).
شکل ۴ تحول زمانی میدان باد سطحی در محل جزیره سیری افقی برای تاریخ ۲۰۰۹/۲/۱۳ میلادی حاصل از تک تک و اعضای سامانه همادی و همچنین میانگین آن نشان می‌دهد. در شکل هر یک از اعضای سامانه با علامت اختصاری Mem01 تا Mem15 نشان داده و بعلاوه مقدار میانگین همادی نیز با علامت اختصاری Ensemble Mean به نمایش در آمده است.
می‌توان به وضوح مشاهده نمود که عملکرد میانگین همادی در مقایسه با تک اعضا از کیفیت بالاتری برخوردار است. این مطلب به ویژه برای مولفه U میدان باد کاملا قابل مشاهده است.
شکل ۵ نیز مقایسه بردارهای میدان باد سطحی حاصل از میانگین سامانه همادی را در مقایسه با میدان باد اندازه‌گیری شده توسط ماهواره ASCAT در تاریخ ۲۰۱۱/۲/۲۱ میلادی در محدوده خلیج فارس به‌نمایش می‌گذارد. در شکل برای نمونه‌ای از پیشبینی قطعی نتایج حاصل از پیشبینی مدل برای پیکربندی شماره ۱۴ نیز به نمایش گذاشته شده‌است. می‌توان مشاهده نمود که عملکرد میانگین همادی در مقایسه با پیشبینی قطعی از دیدگاه اندازه و جهت میدان باد سطحی به‌صورت کیفی در مقایسه با داده‌های مشاهدات ماهواره مناسب‌تر است.
برای ارائه نتایج به‌صورت کمی جدول‌های ۳ تا ۵ به‌ترتیب نتایج مربوط به پارامترهای آماری حاصل از میانگین پیشبینی همادی را برای تعدادی از ایستگاههای مشاهدات و همچنین داده‌های دو ماهواره ASCAT و QuikSCAT برای میدان باد سطحی در چند تاریخ منتخب ارئه می‌کنند. پارامترهای آماری شامل ضریب همبستگی (CORR) و جذر مربعات میانگین خطا (RMSE) برای میدان باد سطحی در ارتفاع ۱۰ متری (SPD10 اندازه باد، U10 و V10 مولفه‌های باد افقی در ارتفاع ۱۰متری) ارائه شده‌اند. جدول ۶ نیز همین نتایج را برای میدان فشار سطح ارائه می‌کند.
میزان ضریب همبستگی بالا و همچنین جذر مربعات میانگین خطا با مقادیر کمتر از دو بسیار قابل توجه هستند. به‌ویژه با توجه به نتایج ارائه شده در جدول‌های ۴ و ۵ برای داده‌های ماهواره‌ای می‌توان مشاهده نمود که عملکرد سامانه همادی به‌ویژه برای پیشبینی میدان باد در سطح آب‌های خلیج فارس بسیار مناسب است. البته عملکرد میانگین سامانه همادی برای پیشبینی فشار سطح در ایستگاه‌ها نیز قابل توجه است.
۶. نتیجه‌گیری
در کار حاضر برای توسعه یک سامانه پیشبینی همادی برای مدل WRF به‌منظور پیشبینی میدان‌های هواشناسی و به‌ویژه میدان باد سطحی در محدوده خلیج فارس ابتدا با انتخاب ۱۴ پیکربندی متفاوت مدل از دیدگاه پارامترسازی فیزیکی و انجام ارزیابی نتایج مدل سه پیکربندی به‌عنوان پیکربندی‌های مناسب از دیدگاه پارامترسازی‌های فیزیکی انتخاب شدند.
در ادامه با ترکیب سه پیکربندی منتخب و ایجاد پریشدگی در شرایط اولیه مدل (چهار پریشیدگی شامل دو پریشیدگی مثبت و دو پریشیدگی منفی و یک عضو کنترل)، یک سامانه همادی با ۱۵ عضو برای مدل WRF توسعه داده شد. ارائه نتایج حاصل از پیش‌بینی‌های سامانه همادی برای چند تاریخ منتخب و ارزیابی میانگین سامانه همادی برای چند تاریخ منتخب به‌صورت کیفی و کمی در مقایسه با داده‌های مشاهدات ثبت شده در ایستگاههای همدیدی و همچنین داده‌های سنجش شده توسط دو ماهواره QuikSCAT و ASCAT نشان از عملکرد مناسب و قابل قبول سامانه همادی توسعه داده شده برای پیشبینی میدان باد سطحی در محدوده خلیج فارس دارد.
مرجع:
قادر، س.، یازجی، د.، سلطان پور، م.، نعمتی، م.، “پیشبینی میدان باد در محدوده خلیج فارس با استفاده از یک سامانه همادی توسعه داده شده برای مدل WRF”، سومین کنفرانس بین المللی اقیانوس شناسی خلیج فارس، تهران، اسفند ۹۴
