شنبه ۳ تیر ۱۳۹۶

مدل سازی باد

 شبیه سازی میدان باد :

هدف این بخش از مطالعات، شبیه‌سازی و پیش‌یابی میدان باد با تفکیک مناسب (در حد یک دهم درجه) در محدوده دریای عمان می‌باشد. برای رسیدن به این هدف به یک مدل هواشناسی میان‌مقیاس نیاز است. در واقع توسعه یا استفاده از نتایج مدل‌های عددی بزرگ مقیاس امکان شبیه سازی، پیش یابی و پیش بینی عملیاتی میدان باد را فراهم نمی کنند و خطاهای بزرگی را به همراه خواهند داشت. در حقیقت برای شبیه سازی و پیش بینی میدان باد در مقیاس های در حد چند ده کیلومتر(چند دهم درجه) نیاز به یک مدل‌هواشناسی میان مقیاس است که به کمک آن معادلات تراکم‌پذیر و غیر هیدرواستاتیک جو با درنظر گرفتن جملات کامل نیروی کریولیس و واداشت‌های فیزیکی به‌صورت سه‌بعدی حل شوند. در پروژه حاضر میدان باد با استفاده از مدل میان مقیاس WRF شبیه سازی و پیش یابی می شود. مدل WRF گزینه مناسبی را از دیدگاه‌های متفاوت از جمله دقت، به روز بودن طرح‌واره‌های عددی و فیزیکی، انتخاب‌های متعدد و متنوع پارامترسازی فیزیکی، بروزرسانی مناسب، در دسترس بودن داده‌های کاربری زمین با تفکیک بالا، استفاده از الگوریتم‌های محاسباتی بهینه شده برای کاهش حجم محاسبات و استفاده از گام‌های زمانی بزرگتر و غیره، در اختیار قرار می دهد.

پس از انجام کارهای اولیه و نصب مدل بر روی سرورهای تهیه‌شده، شبیه‌سازی‌های مدل WRF برای تعدادی تاریخ مشخص‌شده و با استفاده از پیکربندیهای متفاوت مدل انجام شد. سپس با استفاده از اعتبارسنجی خروجی‌های مدل برای میدان باد در این تاریخ‌ها به کمک داده‌های مشاهداتی (بویه، ماهواره، ایستگاه‌های همدیدی و غیره) پیکربندی مناسب مدل به‌دست آمد. بعلاوه میزان حساسیت شبیه‌سازی‌های مدل به عوامل متفاوت از جمله ‌داده‌های شرایط اولیه و مرزی، ابعاد ناحیه محاسباتی، نحوه انتگرال‌گیری مدل و غیره مورد مطالعه دقیق قرار گرفت و در نهایت مناسبترین پیکربندی مدل برای انجام شبیه‌سازی‌ها به‌دست آمد. در ادامه کار شبیه‌سازی‌های مدل برای بازه زمانی 30 ساله تا حدی انجام شده و کماکان ادامه دارد.

بنابراین اقدامات انجام شده در بخش مدلسازی باد به شرح زیر است:

  •  مطالعات اولیه و مرور سوابق کار 
  • جمع آوری داده‌های مورد نیاز:
  1. شامل داده‌های حاصل از باز تحلیل  مدلهای عددی مانند CFSR، NRP، FNL، ECMWF ERA-Interim و ECMWF ERA-40 و داده‌های مشاهداتی مانند داده‌های ثبت شده توسط بویه ها، ایستگاه های همدیدی و داده های سنجنده های ماهواره‌ای می‌باشد.
  2.  تهیه داده‌های هواشناسی و مشاهداتی مورد نیاز برای اعتبارسنجی مدل
  3.  تهیه داده‌های شرایط اولیه و مرزی مورد نیاز برای اجرای مدل
  • نصب و راه اندازی مدل WRF بر روی سرور محاسباتی
  •  انجام شبیه سازی های مدل WRF با پیکربندیهای متفاوت برای تاریخهای منتخب و ارائه نتایج:
  1.  شبیه‌سازی‌ها برای 5 ناحیه محاسباتی مختلف، با 13 پیکربندی فیزیکی مختلف در 10 بازه زمانی منتخب انجام شده است.

  تحول زمانی میدان باد سطحی شبیه‌سازی‌شده توسط مدل WRF با یکی از پیکربندی ها

شکل 1- تحول زمانی میدان باد سطحی شبیه‌سازی‌شده توسط مدل WRF با یکی از پیکربندی ها

  

  •  ارزیابی و اعتبار‌سنجی نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌های مدل WRF
  1.  برای انجام ارزیابی‌ها، سنجه های پارامترهای آماری مانند جذر میانگین مربعات خطا و ضریب همبستگی و برای انجام اعتبارسنجی از داده‌های ثبت‌شده در ایستگاه‌ها و همچنین داده‌های ماهواره‌ای استفاده شده است
  • انجام آزمایش‌های حساسیت‌سنجی و بررسی میزان حساسیت نتایج شبیه‌سازی مدل به عوامل مختلف و پیدا نمودن پیکربندی نهایی مدل:

 برای پیدا نمودن پیکربندی مناسب، میزانی که هر یک از پیکربندی ها در شبیه سازی های مدل موفق عمل نموده‌اند، محاسبه شده و سپس از میان آن‌ها پیکربندی که موفق تر عمل نموده انتخاب گردیده است. این انتخاب بر اساس میزان پیکربندی‌ ها برای بعداز شبیه سازی و مولفه‌های آن انجام شده است. برای رسیدن به این هدف نتایج مدلسازی با مشاهدات میدانی موجود در منطقه با استفاده از پارامترهای آماری مقایسه شده و عملکردهای هر یک از پیکربندی ها از دیدگاه ضریب هبستگی بیشتر و خطای RMSE کمتر بررسی شده اند. 

در این پروژه برای داده‌های ماهواره‌ای خطاها هم به‌صورت زمانی (یعنی محاسبه سری زمانی و سپس یافتن میزان خطا و همچنین ضریب همبستگی) و هم به‌صورت مکانی (یعنی برای یک بازه زمانی معین محاسبه میزان خطا و همچنین ضریب همبستگی برای تمام نقاطی که داده‌های ماهواره در آنها وجود دارد) محاسبه و بررسی شده‌است.

اگر چه نیاز است تا عملکرد مدلها در خشکی نیز مورد بررسی قرار گیرد ولی اولویت اصلی پروژه حاضر عملکرد مناسب مدل بر روی سطح آب چه در نزدیک ساحل و چه در نقاط دور از ساحل می‌باشد. خوشبختانه با توجه به اینکه در سال‌های اخیر با استفاده از سنجنده‌های ماهواره‌ای امکان برآورد میدان باد با استفاده از داده‌های ثبت‌شده با توجه به این سنجنده‌ها در سطح آب دریاها فراهم شده‌است، در این پروژه تلاش شد تا با توجه به کمبود داده‌ها از جمله داده‌های بویه از اندازه‌گیری‌های سنجنده‌های ماهواره‌ای حداکثر استفاده به عمل آید.

نتایج شبیه‌سازی‌های مدل با استفاده از داده‌های ECMWF ERA-Interim مناسب‌ترین عملکرد را در مورد خروجی میدان باد در محدوده مورد مطالعه در بر داشته‌اند. 

  • انجام شبیه‌سازی میدان باد برای دو توفان‌ بزرگ رخ داده در سال های اخیر در منطقه دریای عمان (توفان‌های فت و گونو) و  مقایسه میدان باد و فشار حاصله با میدان باد و فشار عملیاتی ECMWF خریداری شده برای پروژه ISWM در زمان های همپوشانی:

شکل 2 مقایسه میدان باد سطحی و فشار میانگین تراز سطح دریای شبیه‌سازی‌شده حاصل از مدل WRF و داده خام ECMWF ERA-Interim برای طوفان نیلوفر را نشان می دهد:

 

مقایسه میدان باد سطحی و فشار میانگین تراز سطح دریای شبیه‌سازی‌شده توسط مدل WRFمقایسه میدان باد سطحی و فشار میانگین تراز سطح دریای شبیه‌سازی‌شده توسط مدل WRF  2

 شکل 2– مقایسه میدان باد سطحی و فشار میانگین تراز سطح دریای شبیه‌سازی‌شده توسط مدل WRF و داده خام ECMWF ERA-Interim برای توفان نیلوفر

 

شکل 3 مسیر سه توفان مهم محدوده مطالعاتی را بر روی نقشه نمایش می‌دهد.

مسیر سه توفان گونو، فت و نیلوفر

 شکل 3- مسیر سه توفان گونو، فت و نیلوفر 

  •   بسط شبیه سازی میدان باد تا پایان دوره اندازه گیری

به صورت مختصر اقداماتی که در دست انجام است به شرح زیر می باشند:

  • امکان‌سنجی انجام داده‌گواری مدل WRF در منطقه دریای عمان
  • انجام شبیه‌سازی و پیش‌یابی 30 ساله مدل WRF در محدوده دریای عمان