جمعه ۲۸ مهر ۱۳۹۶

انتشار امواج

اطلاعات باد

اصلی‌ترین عامل تولید امواج در دریاها و اقیانوس‌ها باد می‌باشد. لذا در اختیار داشتن یک میدان باد مناسب می‌تواند تاثیر عمده‌ای در نتایج مطالعات داشته باشد. در مراحل پیشین پروژه مطالعات پایش و شبیه‌سازی سواحل استان هرمزگان، مطالعات جامع وگسترده‌ای برای بدست آوردن یک میدان باد مناسب انجام گرفته است. در آن مطالعات ابتدا به وسیله مدل جوی WRF به همراه داده‌های FNL و NCEP2 به عنوان شرایط اولیه و مرزی مدل یک میدان باد برای دوره 1983 الی 2008 آماده سازی شده است. سپس مدل مذکور به وسیله داده‌های باد سینوپتیک‌های موجود در منطقه و همچنین اندازه‌گیری‌های ماهواره‌ای صحت سنجی گشته است. در مرحله بعدی، نتایج مدل WRF، با نتایج مدل‌های جهانی ECMWF&ERA40 و NCEP2&FNL مقایسه شده و نتایج مدل جهانی ECMWF&ERA40 بهترین میدان باد موجود در منطقه خلیج فارس و دریای عمان تشخیص داده شده است.

گلباد

شکل 1: گلباد حاصل از مدل اصلاح شده ECMWF&ERA40 در تنگه هرمز برای دوره زمانی 1983 الی 2009

 

اطلاعات موج آب عمیق

جهت بدست آوردن اقلیم موج محلی و آب‌های ساحلی، ابتدا باید به بررسی و شناخت اقلیم امواج در آب‌های عمیق و دوردست پرداخته شود. به همین منظور، در یکی از مراحل پیشین پروژه پایش و شبیه‌سازی سواحل استان هرمزگان، مطالعات جامع وگسترده‌ای برای بدست آوردن اطلاعات امواج آب عمیق انجام گرفته است. در این مطالعات، با استفاده از یک مدل نسل سومی به نام WAVEWATCH III مدل بزرگ مقیاسی برای منطقه جنوبی ایران تهیه شده است. این مدل در سه حوزه مختلف با ابعاد شبکه متفاوت توسعه داده شده است.

 

اطلاعات هیدروگرافی

-      نقشه‌های Admiralty

-      اطلاعات سازمان نقشه‌برداری

-      اطلاعات سازمان جغرافیای نیروهای مسلح

-      اطلاعات ETOPO1

-      اطلاعات هیدروگرافی بنادر

-      برداشتهای پروفیل ساحلی

 

مدل‌سازی ریاضی

جهت مدل‌سازی ریاضی انتشار امواج در سواحل استان هرمزگان، سواحل استان براساس اقلیم موج به سه ناحیه غربی، مرکزی و شرقی تقسیم‌بندی گردیده و برای هر ناحیه یک مدل جداگانه راه‌اندازی و اجرا گردیده است. در این مطالعات جهت مدل‌سازی انتشار امواج از مدل ریاضی نسل سوم MIKE21 SW از مجموعه نرم‌افزاری MIKE Zero استفاده شده است.

  wave propogation-boundary                                                                                                                                                          شکل 2: محل مرزهای انتخاب شده برای مدل‌سازی انتشار امواج در سه ناحیه مدل‌سازی 

مدل Mike21 SW بخشی از مجموعه Mike21 می‌باشد که در موسسه هیدرولیک دانمارک توسعه یافته است. این مدل تشدید، زوال و انتقال امواج ناشی از باد و امواج دورا را در مناطق دور از ساحل و نواحی ساحلی شبیه‌سازی می‌کند. مدل MIKE21 SW قادر است پدیده‌های زیر را در نظر بگیرد:

·        تولید امواج بوسیله باد

·         اندرکنش موج ـ موج غیرخطی

·         زوال موج دراثر شکست موج دور از ساحل (White capping)

·         زوال موج دراثر اصطکاک بستر

·         زوال موج دراثر شکست امواج (ناشی از کاهش عمق)

·         چرخش امواج به سمت ساحل و اثر کم‌عمقی بعلت تغییرات عمق

·         اندرکنش موج ـ جریان

·         اثر خشکی و تری و تغییرات عمق آب با زمان

grid 

شکل 3: شبکه‌بندی و ژرفاسنجی نهایی برای مدل‌سازی انتشار امواج ناحیه مرکزی استان هرمزگان

با توجه به حل معادلات طیفی موج در حوزه فرکانس و جهت، نیاز به منقطع‌‌سازی طیف جهتی می‌باشد. با توجه به اینکه سرعت اجرای مدل ارتباط مستقیمی با تعداد فرکانسها و جهات دارد، بهینه کردن تعداد فرکانسها اهمیت زیادی در افزایش سرعت اجرای مدل دارد. در مدل SW منقطع سازی طیفی به دو صورت گام مساوی و لگاریتمی امکان پذیر می‌باشد. در این مطالعات طبق توصیه DHI از روش لگاریتمی و از پارامترهای معرفی شده در جدول زیر استفاده شده است. در این حالت حداکثر پریود 18 ثانیه و حداقل آن 7/1 ثانیه می‌باشد.

جدول 1:  مشخصات پارامترهای طیفی معرفی شده به مدل

sw 

 

واسنجی مدل

منظور از واسنجی مدل اطمینان از شبیه‌سازی صحیح پدیده مورد نظر با استفاده از مقایسه اطلاعات اندازه‌گیری شده با نتایج مدل‌سازی می‌باشد. واسنجی مدل در دوره‌ها و نقاط اندازه‌گیری موجب افزایش دقت مدل‌سازی در دوره‌ها و افزایش  همخوانی نتایج با واقعیت می‌گردد.

به طور کلی مراحل واسنجی یک مدل ریاضی به صورت زیر می‌باشد:

·         جمع‌آوری اطلاعات اندازه‌گیری

·         بررسی و حذف داده‌های غیر صحیح و خطا از اطلاعات اندازه‌گیری

·         اجرای مدل برای دوره اطلاعات اندازه‌گیری و اخذ خروجی در نقاط اندازه‌گیری

·         مقایسه نتایج مدل‌سازی با اطلاعات اندازه‌گیری

·         تغییر پارامترهای واسنجی مدل در راستای بهبود نتایج و اجرای مجدد مدل

 

نتایج مدل‌سازی

نتایج صحت‌سنجی حاکی از این هستند که مدل انتشار امواج، کیفیت نتایج را در مقایسه با مدل آب عمیق، به دلیل استفاده از ابعاد شبکه ریزتر و اطلاعات هیدروگرافی دقیق‌تر بهبود بخشیده است. همچنین مقایسات انجام شده نشان دادند که مدل انتشار امواج دارای کیفیت بسیار مناسبی در تمامی محدوده مورد مطالعه است.

صحت‌سنجی‌های انجام شده با استفاده از اطلاعات اندازه‌گیری میدانی حاکی از آن بود که نتایج از کیفیت مناسبی در منطقه غربی برخوردار هستند. مقادیر طوفان‌های بزرگ، اغلب بطور مناسبی توسط مدل تخمین زده شده است. همچنین همخوانی خوبی بین نتایج و مشاهدات در آب کم عمق و به خصوص آب عمیق مشاهده می‌شود.

larak2 

شکل 4: مقایسه سری زمانی ارتفاع مشخصه امواج اندازه‌گیری شده با نتایج مدل در لارک برای دوره 10/2009 الی 12/2009

 
larak3

شکل 5: مقایسه سری زمانی پریود پیک امواج اندازه‌گیری شده با نتایج مدل در لارک برای دوره 10/2009 الی 12/2009 برای امواج بزرگتر از 30 سانتی‌متر

 

larak4 

 شکل 6: نمودار ارتفاع مشخصه امواج بدست آمده از مدل‌سازی و اندازه‌گیری در لارک پس از واسنجی مدل Q-Q