همجوشی دادههای موج در خلیج فارس با مدل طیفی ویوواچ3
حمیدرضا معظمی1، سید مصطفی سیادتموسوی2*، سعید مظاهری3

دانشجوی کارشناسی ارشد / دانشگاه علم و صنعت ایران؛ hamid.moazzami@gmail.com
استادیار/ دانشگاه علم و صنعت ایران؛ siadatmousavi@iust.ac.ir
2 استادیار/ موسسهی ملی اقیانوسشناسی و علوم جوی؛ Said.mazaheri@gmail.com اطلاعات مقاله

چكيده

چكيده

از جمله مشکلات مهم در مدلسازی پارامترهای مختلف هواشناسی و اقیانوسشناسی، محدودیتهای موجود در روشهای عددی و دانش ناقص بشر نسبت به فرآیندهای فیزیکی موثر در آنها است که باعث میشود در بسیاری موارد، نتایج این مدلها با مقادیر واقعی فاصلهی قابل توجهی داشته باشد. یکی از راهحلهای موثر در این مواقع برای کاهش خطای پیشبینی در مدلها، استفاده از همجوشی است .در این مطالعه روش همجوشی درونیابی بهینه که مبتنی بر اصول آماری است مورد استفاده قرار گرفته است .همچنین از روش کانادایی سریع برای تخمین طول مقیاسشدهی همبستگی در بهینهسازی همجوشی مورد استفاده در مدل استفاده شد .مقایسهی نتایج اجرای مدل ویوواچ9 با به کارگیری و بدون اعمال همجوشی با دادههای اندازهگیری شدهی محیطی سار در خلیج فارس نشان داد که با اعمال همجوشی در مدل ،خطای محاسبهی ارتفاع موج به میزان قابل توجهی کاهش مییابد. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 59/55/5932 تاریخ پذیرش مقاله: 70/73/5931

کلمات کلیدی:
هم جوشی
مدل نسل سوم موج درونیابی بهینه سار

سال دوازدهم/ شماره42/ پاییز و زمستان 5931)551-541( نشریه مهندسی دریــا
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

Data Assimilation for Wave Data in Persian Gulf Using WAVEWATCHIII Spectral Model

Hamidreza Moazzami1, Seyed Mostafa Siadatmousavi2, Said Mazaheri 3

M.A Student, Iran University of Science and Technology; hamid.moazzami@gmail.com
Assistant Professor, Iran University of Science and Technology; siadatmousavi@iust.ac.ir
Assistant Professor, Iranian National Institute for Oceanography and Atmospheric Science; Said.mazaheri@gmail.com

Keywords:
Data Assimilatio
WAVEWATCH-III
optimal interpolation
SAR powerful solutions for decreasing the forecast errors in the models is to use data assimilation technique. In this study the optimal interpolation data assimilation method is employed which is based on statistical rules. Moreover, the quick Canadian method is used to optimize the data assimilation method used in model. Model assessment is performed by comparison between running wave model with and without using data assimilation and SAR wave data in Persian Gulf. It shows that using data assimilation in WAVEWATCH-III model reduces the error in wave height predictions significantly.
88738930021

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ABSTRACT

Article History:
Received: 2 Feb. 2016
Accepted: 27 Nov. 2016
The major problems in modeling of different oceanographic and meteorological parameters are limitations in numerical methods and human incomplete knowledge in physical processes involved. As a result, significant differences between the results of these models and in situ observations of these parameters might exist. One of the

نهایت منجر به تبیین دقیق آن پدیده و تعیین چگونگی مواجهه بواآن از جنبههای مختلف است. از جملهی این پدیدهها موی تووان بوهفرآیندهای مختلف هواشناسی و اقیانوسشناسی اشاره کورد کوه بوه 1 – مقدمه
امروزه یکی از مسائل مهم و حیاتی در علووم، پویشبینوی تیییوراتپارامترهای مختلف درگیر در یو پدیودهی فیزیکوی اسوت کوه در
551
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

عل ت تن وع چش م گی ر پ ارامتره ای مختل ف م وثر در آن ه ا ازپیچی دگیه ای زی ادی برخوردارن د. از ای ن رو روشه ای ع ددیمختلف و مدلهای فیزیکی مبتنی بر آنها ایجواد شودند توا بتواننودپیشبینی دقیقی از این پدیدهها داشته باشند. اما بوه دلیول نوواقص موجود در روشهای عددی و شناخت ضعیف فرآیندهوای فیزیکوی،
در بسیاری از اوقات، نتایج این مدلهوا بوا مقوادیر واقعوی، فاصوله ی قابل توجهی دارد. ی از راهحلهای موثر در این مواقع برای کاهش خطای پیشبینی در مدلها، استفاده از همجوشی است. همجوشوی فرآیندی مبتنی بر فرضیات و اصول آماری است کوه بوه موا کمو میکند تا با استفاده از دادههای اندازهگیری شدهی محیطی، خطای م دله ای فیزیک ی را ک اهش داده و پوویش بین ی دقی قت ری از پدی دهه ای اقی انوسشناس ی و هواشناس ی ارائ ه ش ود. یک ی از پدیدههای مهم و چالش برانگیوز در بحوث اقیوانوس شناسوی، مووجاست. پیشبینی دقیق موج از اهمیت زیادی برخووردار اسوت کوه ازآن جمله میتوان به افزایش امنیت در اجرای پروژههوای دریوایی وفراساحلی، به ویژه امکوان تشوخیص زموان مناسوا بورای ن وا وراهاندازی سکو، طراحی بهینهی سازههوای دریوایی، شوناخت بهتوراقلیم و محیط و موارد دیگر اشاره کرد. به همین دلیول هومجوشویموج از اهمیت ویژهای برخوردار است. ولی همجوشی دادههای موج به دلیل عدم وجود دادههای اندازهگیری کوافی در آ هوای اطورا کشور ما، کمتر مورد توجه بووده اسوت. بوا پیشورفتهوای اخیور در حوووزهی سوونجش از راه دور و تولیوود انووواع دادههووای راداری و ماهوارهای، و برداشت دادههای انودازه گیوری محیطوی مووج، بحوث همجوشی دادههای موج مورد توجه محققان قرار گرفته است. دقت روشهای عددی به مقدار زیادی وابسته به شورایط اولیوه و شورایطمرزی آنها است که این مسواله در موورد مووج نیوز صوادت اسوت.تعیین شرایط اولیه و مرزی دقیق، کوار پیچیوده و چوالشبرانگیوزیاست. یکی از دانشهایی که در جهوت حول ایون مسواله گوامهوا ی موثری برداشته، همجوشی است. همجوشی تولاش مویکنود توا بواترکیا موثر دادههای اندازهگیوری شودهی محیطوی بوا مودلهوایعددی، تخمین مناسبی از حالت سیستم به دست دهد که نتیجهی آن به مقدار قابل توجهی بهتور از اجورای مودل بودون هومجوشویخواهد بود. همجوشی به طور گسترده در هواشناسی استفاده شده و به صورت فزایندهای در اقیوانوس شناسوی در حوال اسوتفاده اسوت.
علاوه بر این، اکثر کارهای گذشته در حوزهی هوم جوشوی داده هوایموج، با مدلهای وم و سوان انجام شده و تحقیقات در مورد استفاده از همجوشی بوا مودل ویووواچ9 انگشوت شومار اسوت. بوا توجوه بوهویژگیهای خاص این مدل مخ وصاً بهینوه بوودن روش عوددی آنبرای آ عمیق، در این تحقیق سعی بر این است تا با ترکیا مووثرهمجوشی، مدل برای پیشبینی موج اصلاح شود.
551

2 – تعریف همجوشی
تکنی همجوشی، روشی است که خطای مدلهای هواشناسی و اقیانوسشناسی را با اصول آماری، و به وسیلهی دادههای مشاهداتی کاهش میدهد، و سبا بهینه شدن آنها میشوود و موانع تجمیوعخطا در زمان میشود. روشهای همجوشی دادهها به دو نووع کلوی تیییراتی و ترتیبی تقسیم میشوند.
انواع مختلف روشهای همجوشی عبارتاند از درونیابی بهینه[5]، فیلترکالمن[4]، و اصلاحشدههای فیلتر کالمن مثل فیلترکالمن توسعهدادهشده، فیلترکالمن مجموعهای[9و2]و …
روش همجوشی مورد استفاده در این مطالعه، درونیابی بهینه است.
رابطه)5(، رابطهی اصلی روشهای همجوشی ترتیبوی اسوت کوه دردرونیابی بهینه نیز استفاده میشود.

)5( (???? ???? = ???????? + ????(???? − ???????????? در این رابطه ???????? بردار خروجیهای مدل قبل از همجوشی ،???? بردار مشاهدات ،???? ماتریس درونیابی است کوه خروجویهوای مودل درروی نقاط شبکه را به روی نقاط مشاهداتی درونیابی مویکنود.???? ماتریس وزن است و ???????? بوردار خروجویهوای مودل بعود از اعموالهمجوشی است. در واقع مقوادیر بوردار???????? بعود از بهبوود یوافتن وکاهش خطوا بوه مقوادیر بوردار???????? در فرآینود هومجوشوی تبودیلمیشوند.
ماتریس وزن ???? وابسته به خطاهای پارامترهای مختلف است و بوارابطهی) 4( تعیین میشود[1].

???? = ????????????????(???????????????????? + ????????)−1 )4(

در این رابطه ???????? ماتریس کواریانس خطای مدل قبل از همجوشویو ???????? ماتریس کواریانس خطای مشاهدات است.
همجوشی موج به دو طریق کلی انجام میشوود. راه اول ایون اسوتکه این روش، بر روی طیف ی بعدی یا دو بعدی انجام شوود و راهدوم اعمال روشهای همجوشوی بورای پارامترهوای میوانگین، مثولارتفاع موج مشخ ه، دورهی تناو موج، سورعت بواد و جهوت بواداست. مشکل حالت اول )انجام همجوشی طیفی موج( این است کوه
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

نی از بووه دادههووای کاموول انوودازهگیووری شوودهی انوورژی موووج در فرکانسهای مختلف برای همجوشی طیف یو بعودی و دادههوایاندازهگیری شدهی انرژی موج در فرکانسها و ج هوتهوای مختلوفبرای همجوشی طیف دو بعدی دارد. این دادهها باید در مکوانهوا وزمانهای مختلف اندازهگیری شده باشند تا بتوان همجوشی مکوانیو زمانی مناسبی در کل میدان موج انجام داد. در اکثر منواطق دنیواچنین دادههای اندازهگیری شدهای بسیار محدودند. نکتهی دیگر در انجام این نوع همجوشی، پیچیده بودن تعیین کواریوانس بوین ایونمولفههای مختلف طیفی در ی نقطه و همچنین بوین مولفوههوایطیفی نقواط مختلوف اسوت )تعیوین مولفوههوای مواتریس???????? ( وهمینطور این حجم داده، باعث افزایش قابل توجه حجم محاسباتمیشود. از این رو، در اکثر کارهای همجوشی مووج، از رویکورد دوماستفاده میشود و پارامترهای میوانگین بورای هومجوشوی اسوتفادهمیشوند.

4- همجوشی در موج
در حالی که همیشه تلاشهای مختلف برای بهبود مودل هوای مووجبا اعمال روشهای مختلف وجود داشته اما استفاده از همجوشی در کاهش خطای مدلسازی موج، سالها به تاخیر افتاد کوه دلیول آنکمبود دادههای اندازهگیری شدهی محیطی با کیفیوت بووده اسوت.تنها استثنا در این زمینه، دریوای شومال بووده کوه اولوین کارهوایهمجوشی موج نیز در این منطقه انجام شوده اسوت ]1[. اطلاعواتموج تنها در بویهها و سکوهای محدودی وجوود داشوته کوه توزیوعآنها نیز مناسا نبووده، و معموومعموو ً محودود بوه منواطق نزدیو بوهساحل بوده است. تنها اطلاعاتی که نسوبتاًنسوبتا بوه صوورت گسوترده دردسترس قرار داشته، اندازهگیریهای چشمی موج بوده که آنها نیز از دقت پایینی برخوردار بوده است. اموا بوا راهانودازی مواهوارههوایاقیانوسشناسی و هواشناسی و انوواع رادارهوا، حجوم گسوتردهای از دادههای اندازهگیری شدهی هواشناسی و اقیانوسشناسی به دسوتآمد که در نتیجهی آن، افقهای جدیدی در تاثیر مووثر هومجوشویدر بهبود مدلهای موج ایجاد شد.
لیونلو و همکاران از روش همجوشی ترتیبی به این شوکل اسوتفادهکردند که ابتدا ارتفاعات مووج بوه دسوت آموده از مودل، بوا کمو دادههای اندازهگیری شدهی رادار به کم مودل وم بهبوود یافوت وسپس با کم این نتایج بهبود یافته، طیف موج نیز به نسبت فرض اولیهای که برای آن شده اصلاح گردید]0[. هولتهایزن و همکاران از دادههای مشاهداتی رادار ارتفاعسنج و دو بویه استفاده و همجوشویرا برای دو طوفان پی در پوی در دریوای نوروژ بررسوی کردنود. ایونمطالعه، تاثیر روش همجوشی تیییراتی مشاهدات در مودل مووج رادر بویههای مورد اشاره بررسی کرده است و در نتیجه باعث کواهشخطای ارتفواع مووج از 41 درصود بوه 54 درصود شوده اسوت ]8[.
هاسلمان و همکاران با استفاده از تجزیهی طیف بوه سیسوتمهوایاصلی آن و اعمال روش همجوشی درونیابی بهینوه، میودان مووج ودر نهایت میدان باد را با کم موج اصلاح شوده بهبوود بخشویدند.
550
برای محاسبهی ماتریس کواریانس خطای مدل و در نهایت ماتریس وزن از ی رابطهی نمایی استفاده شد، که ایون رابطوه، وابسوته بوهشعاع تاثیر از محل قرارگیری دستگاه مشاهداتی است ]3[. ووریپس و همکاران نیز از طیف موج تجزیه شده استفاده کردند. آنها طیف انرژی موج را به دو طیف که یکی حرکت پیچ و دیگری حرکت رول را در بوی ه ایج اد م یکنن د، تجزی ه ک رده و ب ا اس تفاده از روش همجوشی درونیابی بهینه، مقادیر بهینهی مشخ ات هور مولفوهی طیفی تجزیه شده را، که شامل انورژی، فرکوانس میوانگین و جهوتهست، بعد از همجوشی به دست آوردند]57[. سویدونز و همکواران ب ا اس تفاده از س ه روش ه مجوش ی فیلت ر ک المن مجموع های ،درونیابی بهینهی مجموعهای و تیییراتی سه بعدی، دادههوای راداربا فرکانس با را در مدل سوان همجوشی کردنود. نتوایج نشوان دادکه روشهای تیییراتی سه بعدی و درونیابی بهینوه ی مجموعوه ای ،بهب ود مناس بی در می دان م وج ایج اد کردن د ام ا فیلت ر ک المن مجموعهای فقط در یکی از آنالیزها نتایج مناسا داشته اسوت و درنتیجه، محاسبهی خطا با این روش در این مورد مطالعاتی، نیازمنودتحلیل دوباره است ]55[. ساناسیراج و گلدسوتین روش درون یوابیبهینه را در مدل وم و برای آ های هنود بوه کوار بردنود. بهورهوری همجوشی دادههای اندازهگیری بویوه در ایون منطقوه بررسوی شود.نتایج نشان داد که جذر میانگین مربعات خطا در بویههوای مقایسوه97 ت ا 17 درص د ک اهش داش ته اس ت ]54[. وات رز و همک اران دادههای رادار با فرکانس با را در مدل ویوواچ9 با روش درونیوابیبهینه، برای منطقهای کوچ مقیاس، هوم جوشوی کردنود. در ایونمطالعه، شرایط ویژه و مشکلاتی کوه بورای هومجوشوی در منواطق کوچ مقیاس و ساحلی وجود دارد بررسی شده اسوت. هومجوشویبرای دوحالت 5( ارتفاع و دورهی تناو موج 4( طیف مووج تجزیوهشده انجام شده است. نتیجهی همجوشی برای ارتفاع موج، مناسوااما برای دورهی تناو ، در بسیاری موارد نامناسا بود ]59[. کوربلا و همکاران تلاش داشتند تا با یافتن رابطهی بین الگوهای گردشویهواشناسی و موج و همچنین اسوتفاده از هومجوشوی، مودلسوازیامواج در شرایط طوفانی و حدی را برای کاربردهای مهندسی بهبود ببخشند .ارتباط برقورار کوردن بوین مشخ وههوای طیفوی مووج والگوهای گردشی هواشناسی، نیازمنود تخموین منشوا ایجواد اموواجاسوت. منش ا ایج اد ام واج دورا، الگ و ه ای گردش ی هواشناس یبزرگمقیاس هستند محققان در این مقاله، امواج دورا که در فواصل دور از ساحل در فراساحل به توسعهیافتگی کامل رسیدهاند، مدنظورقرار دادند]52[.

5-مدلسازی با مدل ویوواچ3
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

مدل طیفی-عددی ویوواچ9 از مدلهای نسل سوم است که برای مدلسازی امواج در محدودههای بزرگمقیاس و کوچ مقیاس مورد استفاده قرار میگیرد. این مدل بر مبنای مدل وم ]51[ در بخش تحلیل و مدلسازی دریایی مرکز مدلسازی محیطی مراکز ملی پیشبینی محیطی آمریکا توسعه یافته است ]51[. ویوواچ9 برای مطالعات آ عمیق طراحی شده؛ گرچه در نسخههای اخیر مثل 2158 قابلیتهایی برای در نظر گرفتن اثرات کمعمقی بر موج و فیزی ناحیهی شکست در نظر گرفته شده است. کدهای این مدل بر اساس زبان برنامهنویسی فرترن37 است. یکی از قابلیتهایاصلی این مدل، کد باز بودن آن است. در این مطالعه، با استفاده ازهمین قابلیت، روش همجوشی در مدل وارد شد.
در مدل ویوواچ9، روشها یا بستههای مختلفی برای محاسبهی جملات چشمه و چاه وجود دارد. تفاوت این روشها در مبنای فیزیکی، روابط مورد استفاده، و ضرایا متفاوتی است که در مجموعهی مولفهها به کار رفته است. از جمله روشهایی که در نسخهی 2158 وجود دارد میتوان به ترمهای رشد موج و زوال سفیدک تولمن و کالیگو ]50[، وم9، وم2، آردهوین و همکاران]58[ و بیوایدیآر زد اشاره کرد ]53-45[.
حوزهی جیرافیایی مورد مطالعه، خلیج فارس است که محدودهی قرارگیری آن، طول جیرافیایی 28 تا 10 درجه و عرض جیرافیایی 42 تا 97 درجه است. این دریا دارای میانگین عمق 91 متر است که در عمیقترین نقطه به 570



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

پاسخ دهید