پي شيابي

پيش]يابي 60 ساله مشخصات امواج در جنوب خليج فارس با استفاده از
مدلSWAN به روش شبه زماني

علي اصغر گلشني1*1

1- استاديار پژوهشي، مركز مل ي اقيانوس شناسي
چكيده هدف از اين مطالعه، شبيهجسازي بلند مدت ميدان موج در جنوب خليججفارس به روش شبهجزماني ميجباشد. به اين منظور ابتدا كليه منابع اطلاعات باد و موج از قبيل اطلاعات اندازه گيري شده، ماهوارهجاي و مدلهاي عددي موجود در منطقه گردآوري و با هم مقايسه شده اند. نهايتا اطلاعات باد اصلاح شده مدل NCEP/NCAR به دليل داشتن بيشترين بازه زماني به عنوان باد ورودي به مدل انتخاب شده است. سپس مدل SWAN در حالت پايدار براي حالات مختلفي از سرعت و جهت باد اجرا گرديده است. گام بعدي تشكيل جداول دو بعدي درونيابي براي هر يك از پارامترهاي موج با توجه به سرعت و جهت باد در نقاط مورد اهميت بوده است. پس از تشكيل اين جداول، سري زماني باد اصلاح شده NCEP/NCAR با استفاده از اين جداول درونيابي شده و سري زماني مشخصات موج بدست مي آيد. تطابق نسبتا خوبي بين نتايج مدل و داده هاي نقاط واسنجي وجود دارد، لذا مي توان با اطمينان خوبي از نتايج مدل استفاده نمود. با توجه به طولاني بودن مدت مدلسازي مي توان با اعمال آناليز حدي، مشخصات موج با دوره بازگشتهاي بزرگتر را بدست آورد. مزيت اين روش آن است كه بجاي اجراي مدل در حوزه زماني به مدت 60 سال با اجراي مدل براي حالاتي محدود در حوزه فركانسي و استفاده از جداول درونيابي مدت زمان اجرا به شدت كاهش ميجيابد. كلمات كليدي: مدلسازي امواج، پيش يابي امواج، خليج فارس، مدل SWAN

A 60 YEARS WAVE HINDCAST STUDY IN
THE SOUTH OF PERSIAN GULF USING SWAN MODEL
& SEMI-TIME DOMAIN METHOD

A A. Golshani1

1- Research Assistant Professor, Iranian National Centre for Oceanography

Abstract
The goal of this study was to simulate the wave characteristics in the south of Persian Gulf over a 60 year period. Wind data from the study area including offshore measurement, satellite observation and numerical atmospheric models were collated and analyzed. The modified NCEP/NCAR wind field was chosen as input to the SWAN model which has the longest duration among wind data sources. SWAN model was run in stationary mode for different cases of wind speed and direction and lookup tables were made for each wave parameters in each point of interest. A 60 year time series of wave characteristics were made using these lookup tables. Having such long time series enables us to calculate the wave characteristics with larger return periods. Execution time was drastically decreased using this method. Keywords: Wave Modeling, Wave Hindcast, SWAN Model, the Persian Gulf

[email protected] نويسنده مسوول مقاله *
مقدمه
تاثير امواج بر فعاليت هاي مرتبط با محيط دريا از قبيل ساخت و نگهداري سازه هاي ساحلي و فراساحل، كشتيراني و حمل و نقل دريايي، حفاظت از سواحل و حفظ محيط زيست موجب شده است تا راه حلهاي گوناگوني براي تعيين مشخصههاي موج توسط محققين ارائه شود. اندازه گيري هاي ميداني، بررسيهاي تحليلي، روشهاي تجربي و نيمه تجربي، مدلسازي هاي فيزيكي و شبيهسازي هاي عددي از جمله روشهايي هستند كه بنا بر مقتضيات طرح (اهميت، دقت موردنظر، امكانات و زمان) مورد استفاده قرار مي گيرند. با اين وجود، به دليل ماهيت پيچيده و تصادفي امواج، رويكرد به بررسي هاي جامع و درازمدت اقليم موج همراه با لحاظ مساله عدم قطعيت اين پديده ضروري است. در اين راستا،
پيش يابي موج (wave hindcast) با استفاده از مدلهاي عددي، يكي از جديدترين تلاشها در زمينه شناخت صحيح اقليم موج به شمار مي رود.
در اين مقاله با استفاده از مدل موج SWAN و اطلاعات گردآوري و تحليل شده باد، موج و عمق سنجي، اقليم موج در خليجججفارس به روش شبه زماني به مدت 60 سال شبيهجسازي مي گردد. بلند بودن طول مدت دوره شبيهججسازي امكان آناليز مقادير حدي با دوره بازگشتهاي بالاتر را فراهم ميجسازد. به دليل وجود اطلاعات مناسبي از باد و موج دور از ساحل در جنوب خليج فارس، مدل موج در اين بخش از خليج فارس واسنجي (كاليبره) ميجگردد.

اقليم خليج فارس
منطقه خليج فارس، منطقهجاي است با آب و هواي نسبتا گرم كه از مشخصات آن وزش بادهاي شمَال با قدرت بيش از 20 متر بر ثانيه ميجباشد. شَمال كلمه اي عربي است به معناي جهت شمال و نامي است كه به بادهاي فصلي شمال غربي كه در زمستان و تابستان در خليج فارس ميججوزند، اطلاق ميججشود. ماههاي نوامبر تا مارس، شَمال زمستاني ناميده ميجشود كه مربوط به اغتشاشات ميان عرض جغرافيايي است كه از غرب به شرق پيش مي رود.
اين مسأله باعث عبور جبهه هواي سرد شده كه مشخصه آن وزش بادهاي قوي شمال غربي است كه قويترين آنها در ماههاي دسامبر، ژانويه و فوريه رخ ميجدهد و همراه با شرايط هوايي وارونه مانند طوفان، تلاطم، كم بودن قابليت ديد و درياهاي طوفاني مي باشد [1]. شَمال زمستاني پديدهجاي نسبتا نادر بوده كه در طي آن در اكثر نقاط خليج فارس بادهاي بيشتر از 10 متر بر ثانيه در كمتر از 5 درصد زمان وقوع آن رخ ميجدهد. البته مناطق نزديك به جزاير لاوان، حلول و راس راكان در شمال جزيره قطر إستثنا هستند كه در آنها بادهاي بيشتر از 10 متر بر ثانيه در 5 الي 10 درصد زمان وقوع آن رخ ميجدهد.
شَمال تابستاني معمولا از اوايل ژوئن تا اواسط ژوئيه رخ ميججدهد و دليل آن وجود كم فشارهاي حرارتي در درياي عربي و اقيانوس هند مي باشد و از شَمال زمستاني ضعيف تر ميجباشد.
شكل 1 گلباد ساليانه و شكل 2 گلبادهاي به تفكيك فصل مربوط به اطلاعات باد ساعتي (hourly wind) برداشت شده در ايستگاه مستقر در سواحل جزيره جآرزانه در جنوب خليج فارس را به مدت 5 سال از 2003 تا 2007 نشان ميجدهد.
مشخصات اين ايستگاه در جدول 2 در بخش بعدي آمده است. جدول 1 نيز پارامترهاي آماري مربوط به اين اطلاعات را براي سرعت باد ساعتي و سرعت تندباد (gust wind) بصورت ساليانه و فصلي نشان ميجدهد.

شكل 1 – گلباد ساليانه بر اساس اطلاعات سالهاي 2003 تا 2007 در ايستگاه آرزانه

جدول 1- پارامترهاي آماري اطلاعات ايستگاه آرزانه (2003 تا 2007)

سرعت تندباد (متر بر ثانيه) سرعت باد ساعتي (متر بر ثانيه) نام فصل
انحراف معيار ميانگين ماكزيمم انحراف معيار ميانگين ماكزيمم 3/12 6/64 19 2/66 4/68 16 آوريل و مي
2/87 6/66 21 2/45 4/71 17/5 ژوئن تا 15 ژوئيه (شَمال تابستاني)
2/47 5/61 15 2/01 3/77 12/5 15 ژوئيه تا اوت
2/27 5/30 15 1/82 3/55 12/5 سپتامبر و اكتبر
3/21 7/17 20 2/83 5/16 17/5 نوامبر و مارس (شَمال زمستاني)
3/30 7/75 17/5 2/89 5/63 15 دسامبر تا فوريه (شمَال زمستاني)
3/08 6/64 21 2/64 4/68 17/5 ساليانه

7

شكل 2 – گلباد فصلي بر اساس اطلاعات سالهاي 2003 تا 2007 در ايستگاه آرزانه

3- منابع مختلف اطلاعات باد و موج در منطقه
به دليل حجم زياد پروژه هاي عمراني و تفريحي در سواحل امارات متحده عربي، اطلاعات مناسبي از باد و موج دور از ساحل در اين منطقه موجود مي باشد. شكل 3 منطقه مورد نظر همراه با نقاطي كه در آنها اطلاعات باد يا موج و يا هر دو وجود دارند را نشان ميجدهد.
جدول 2 مشخصات اين اطلاعات را نشان ميجدهد. دادهججهاي مدلهاي عددي NCEP/NCAR و ERA40 و ماهواره QuikSCAT از طريق وب سايتهاي ذكر شده در بخش مراجع بصورت رايگان قابل دسترسي ميجباشند.
لازم به ذكر است كه منبع ديگري از داده هاي موج بنام پروژه مدلسازي امواج درياهاي ايران (Iranian Sea Wave Modelling, ISWM) در مركز ملي اقيانوس شناسي موجود مي باشد [6]. در فاز سوم از اين
شده اند. به دليل كمتر بودن بازه زماني اجراي اين مدل در اينجا مورد استفاده قرار نمي گيرد.

شكل 3 – منطقه مورد مطالعه به همراه نقاطي كه در آنها اطلاعات باد يا موج و يا هر دو وجود دارند
(منبع : Google Earth) جدول 2 – منابع اطلاعات باد و موج موجود در منطقه مورد مطالعه (نقاط نشان داده شده در شكل 3)

مختصات
جغرافيايي گام زماني (ساعت) بازه زماني بزرگنمايي (درجه) نوع
داده منبع داده
5667/52 شرقي
7833/24 شمالي 3، 6 و 12
(غالبا 3) – 2003/1/1
2007/12/31
(5 سال)
— باد
موج ايستگاه آرزانه اداره هواشناسي امارات متحده عربي
5/52 شرقي
7139/25 شمالي 6 – 1948/1/1
2007/12/31
(60 سال) 1/185 باد NCEP/NCAR مدل عددي
(NOAA)
[2]
5/52 شرقي
25 شمالي 6 – 1957/9/1
2002/8/31
(46 سال) 1/125 1/5 باد
موج ERA40 مدل عددي (ECMWF)
[3]
5625/52 شرقي
5/24شمالي 1 – 1983/1/1
2002/12/31
(20 سال) 0/0625
باد
موج PERGOS مدل عددي (DHI/OceanWeather) [4]
625/52 شرقي
625/25شمالي حداقل 12 – 1999/7/1
2007/12/31
(5/7 سال) 0/25 باد QuikSCAT ماهواره
(NASA) [5]
پروژه امواج ناشي از باد در خليج فارس و درياي عمان در بازه زماني ژانوية 1992 تا دسامبر 2002 شبيه سازي
نسبت به دادهجهاي مدلPERGOS و بزرگتر بودن درشت نمايي آن در جنوب خليججفارس (25/0 درجه)
3-1- تحليل اطلاعات باد موجود در منطقه
جدول 3 پارامترهاي آماري منابع مختلف اطلاعات باد موجود در منطقه را در كل بازه زماني آنها نشان ميجدهد. شكل 4 نيز گلبادهاي مربوطه را نشان مي دهد.
اين جدول و شكل نشان ميجدهند كه اطلاعات
ماهواره QuikSCAT اختلاف زيادي با ساير منابع داشته و بطور محسوسي بزرگتر ميجباشند. مطالعهجاي در خليج فارس و درياي عمان كه در مركز ملي اقيانوس شناسي انجام شده است، نشان ميجدهد كه داده هاي اين ماهواره در محدوده 5- 15 متر بر ثانيه از دقت قابل قبولي برخوردارند، لذا اين منبع از اطلاعات باد در اين مطالعه مورد استفاده قرار نميجگيرد [7]. ضمنا اين داده ها گام زماني بزرگي دارند ( حداقل 12 ساعت)، لذا نمي توانند به عنوان ورودي مدل موج بكار روند چرا كه طوفانهاي با دوره تداوم كمتر از 12 ساعت را (كه در خليج فارس كم هم نيستند) در مدلسازي از دست مي دهند.
باد مدل ERA40 نيز به دليل داشتن مقدار ماكزيمم
كمتر از باد مدل NCEP/NCAR و به دليل اهميت مقدار ماكزيمم باد در تحليل هاي حدي از اين مجموعه حذف گرديده، هر چند كه مقدار متوسط بيشتري از باد مدلNCEP/NCAR دارد. بر اساس مقايسه دقت و مقايسه مقادير متوسط و ماكزيمم منابع مانده از اطلاعات باد با دادهجهاي ايستگاه آرزانه كه معتبرترين داده است، در دوره همپوشاني آنها، نهايتا يك سري زماني از اطلاعات باد تركيبي به منظور انجام تحليل حدي به شرح زير تشكيل گرديد:
باد مدل NCEP/NCAR از سال 1948 تا سال1982 كه در ضريب 1/1 ضرب شده است
باد مدل PERGOS از سال 1983 تا سال2002 كه در ضريب 08/1 ضرب شده است
باد ايستگاه آرزانه از سال 2003 تا
2007سال بدون اعمال ضريب شكل 5 نتايج تحليل حدي را با اعمال توزيع گامبل بر اين سري زماني باد تركيبي نشان مي دهد. بر اساس اين شكل باد ساعتي 18 متر بر ثانيه براي دوره بازگشت 50 ساله و 7/18 متر بر ثانيه براي دوره بازگشت 100 ساله بدست مي آيد. مطالعه ديگري كه در دبي توسط W.H.Melbourne با استفاده از 16 سال اطلاعات اندازه گيري شده باد (1989- 1974) انجام شده است، باد ساعتي 2/26 متر بر ثانيه براي دوره بازگشت 50 ساله را ارائه مي دهد كه با نتيجه ما تطابق ندارد [8]. دليل اين اختلاف مي تواند كوتاه بودن بازه زماني اندازه گيري ايستگاه آرزانه (5 سال) كه به عنوان مرجع مقايسه در اين مطالعه مورد استفاده قرار گرفته است، در مقايسه با بازه زماني اندازهجگيري باد مورد استفاده توسط اين شخص (16 سال) باشد. اين مسئله لزوم اعمال ضرائب بزرگتري را بر بادهاي مدلي
مشخص مي سازد.

جدول 3 – پارامترهاي آماري سرعت باد ساعتي منابع مختلف موجود در منطقه در كل دوره زماني آنها (متر بر ثانيه)
انحراف معيار ميانگين ماكزيمم منبع داده
2/64 4/68 17/5 ايستگاه آرزانه
2/38 4/29 16/72 NCEP/NCAR مدل عددي
2/38 4/52 15/03 مدل عددي ERA40
2/01 4/35 15/99 مدل عددي PERGOS
2/73 5/98 28/94 QuikSCAT ماهواره

شكل
4

مختلف

منابع

ساعتي

باد

سرعت

به

مربوط

گلبادهاي

شكل

4

مختلف



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید