شماره ركورد
33894
پديد آورنده
محسن رحيميان
عنوان
بهبود شبيهسازي اندركنش جو و درياچههاي فوقشور با استفاده از مدل WRF-Lake: كاربرد در درياچه اروميه
مقطع تحصيلي
دكتري تخصصي (Phd)
رشته تحصيلي
مهندسي عمران - محيطزيست
سال تحصيل
1397
تاريخ دفاع
1404/7/2
استاد راهنما
سيد مصطفي سيادت موسوي
استاد مشاور
/
دانشكده
مهندسي عمران
چكيده
چكيده
خشكشدن سريع درياچهها بهعنوان يكي از پيامدهاي گرمايش جهاني و تغييرات اقليمي، الگوي تبادلات انرژي و رطوبتي ميان سطح درياچه و جو را دگرگون ميسازد و ميتواند پيامدهاي گستردهاي بر اقليم محلي و منطقهاي داشته باشد. درياچه اروميه بهعنوان يكي از بزرگترين درياچههاي فوقشور جهان طي دهههاي اخير با كاهش شديد تراز آبي مواجه شده است؛ رخدادي كه منجر به تغيير ضريب بازتاب (آلبدو)، زبري سطح، ظرفيت گرمايي و الگوهاي تبخير گرديده و بازنمايي اين شرايط در مدلهاي عددي جوي را با چالش روبهرو كرده است.
هدف اين پژوهش ارتقاي مدل WRF-Lake براي شبيهسازي واقعبينانه اندركنش جو–درياچه در شرايط خاص درياچههاي فوقشور است. در گام نخست، تحليل دادههاي اقليمي 33 ساله (1985–2017) از چهار ايستگاه سينوپتيك نشان داد كه در دوره خشكشدن شديد درياچه (1996–2006)، ميانگين انحراف دماي محلي نسبت به اقليم منطقهاي C° 124/0+ و در دوره بحراني (2007–2017) به C° 127/0+ افزايش يافت. بر اساس اين يافتهها، شبيهسازيهاي عددي با مدل WRF-Lake براي سالهاي مرطوب (1998) و خشك (2017) اجرا شد. نتايج نشان داد كه مدل پيشفرض داراي سوگيري سرد شديدي (C°20- تا 24-) در برآورد دماي سطح آب درياچه (LSWT) است و پديده يخزدگي غيرواقعي را در فصل سرد شبيهسازي ميكند. اين محدوديت در بازنمايي دقيق تعاملات جو-درياچه و پيشبيني پارامترهاي هواشناسي مانع جدي محسوب ميشد.
براي رفع اين مشكل، در فاز نخست اصلاحات، تغييرات فيزيكي ناشي از خشكشدن درياچه شامل پوشش اراضي، آلبدو، بافت خاك، توپوگرافي و عمق واقعي در مدل اعمال شد. اين اصلاحات منجر به بهبود معناداري در شبيهسازي رويداد بارش و پوشش برف فوريه 2017 گرديد؛ بهطوريكه شاخص POD از 80/0 به 94/0، CSI از 70/0 به 91/0 و ضريب همبستگي بارش از 57/0 به 68/0 در منطقه نزديك درياچه افزايش يافت. با اين حال، مشاهده شد كه سوگيري سرد در شبيهسازي LSWT (حدود C° 15-) و دماي هواي دو متري (حدود C° 10-) همچنان بهعنوان خطاي سيستماتيك باقي مانده است. در فاز دوم اصلاحات، براي رفع اين خطاي باقيمانده، معادلات فيزيكي حاكم بر فرآيندهاي درياچههاي شور بازنويسي شد و نسخه SLake ارائه گرديد. در اين نسخه، روابط چگالي، نقطه انجماد و فشار بخار اشباع بر اساس شوري بالاي درياچه (300 گرم بر ليتر) اصلاح شدند. نتايج نشان داد كه SLake توانست لايهبندي حرارتي غيرواقعي را حذف و رفتار همگنتر يك درياچه كمعمق را بازتوليد كند، اما سوگيري منفي LSWT همچنان در حد C° 15- باقي ماند (RMSE برابر C° 22/15 در ايستگاه DWP).
در فاز سوم و نهايي، نسخه پيشرفتهتري با نام SLake_LSWT توسعه يافت كه در آن دماي سطح آب درياچه هر 12 ساعت بهطور پويا با دادههاي مشاهدهاي بهروزرساني شد. اين رويكرد منجر به بهبود چشمگير در تمامي پارامترها گرديد: سوگيري LSWT از C° 19/15- به C° 56/0- (بهبود 3/96٪)، RMSE از C° 22/15 به C° 48/1 (بهبود 3/90٪) و ضريب همبستگي از 48/0 به 93/0 در ايستگاه DWP ارتقا يافت. همچنين شبيهسازي دماي هواي دو متري با كاهش سوگيري از C° 59/10- به C° 63/3- و RMSE از C° 95/10 به C° 32/4 بهبود قابلملاحظهاي نشان داد. برآورد تبخير نيز با ضريب همبستگي 81/0 و RMSE برابر 54/0 mm/day، عملكردي برتر از دادههاي GLEAM ارائه كرد. ارزيابيهاي فصلي در سه دوره بهار، تابستان و پاييز سال 2017 نشان داد كه عملكرد SLake_LSWT در تمام شرايط فصلي پايدار بوده است. شاخص KGE براي LSWT در فصل بهار از 49/0 به 84/0 در تابستان از 38/0 به 52/0 و در پاييز از 17/0 به 84/0 افزايش يافت. براي دماي هواي دو متري نيز KGE از محدوده 35/0-58/0 در مدل پايه به 81/0-87/0 در نسخه اصلاحشده ارتقا يافت كه بيانگر بهبود همزمان در سه بعد همبستگي، سوگيري و نوسانپذيري است.
يافتهها نشان ميدهد كه تركيب سهگانه اصلاحات فيزيكي سطح زمين، بازنويسي معادلات وابسته به شوري و بهروزرساني پوياي LSWT، ميتواند كارايي مدل WRF-Lake را در شرايط درياچههاي فوقشور بهطور قابلسنجش افزايش دهد. چارچوب توسعهيافته اين پژوهش، علاوه بر ارتقاي دقت پيشبيني در درياچه اروميه، قابليت تعميم به ساير پهنههاي آبي شور و كمعمق مانند درياي مرده، درياچه آرال و درياچه نمك بزرگ يوتا را دارد و ميتواند بهعنوان الگويي براي مدلسازي اندركنش جو-درياچه در شرايط خاص اقليمي مورد استفاده قرار گيرد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/08/06
عنوان به انگليسي
Enhancing the Simulation of Atmosphere–Hypersaline Lake Interactions Using the WRF–Lake Model: Application to Lake Urmia
تاريخ بهره برداري
9/24/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
محسن رحيميان
چكيده به لاتين
Abstract:
The rapid desiccation of lakes, as one of the consequences of global warming and climate change, alters the energy and moisture exchange patterns between the lake surface and the atmosphere, thereby exerting significant impacts on local and regional climates. Lake Urmia, one of the world’s largest hypersaline lakes, has experienced a severe water level decline over the past decades. This phenomenon has changed surface albedo, roughness, heat capacity, and evaporation patterns, posing serious challenges for realistic representation of these processes in numerical weather models.
The main objective of this study is to enhance the WRF-Lake model for more realistic simulation of atmosphere–lake interactions under the unique conditions of hypersaline lakes. In the first step, analysis of 33-year climatic data (1985–2017) from four synoptic stations revealed that during the intense desiccation period (1996–2006), the mean local temperature anomaly relative to the regional climate was +0.124°C, increasing to +0.127°C in the critical period (2007–2017). Based on these findings, numerical simulations using WRF-Lake were conducted for a wet year (1998) and a dry year (2017). Results showed that the default model suffers from a strong cold bias (−20°C to −24°C) in estimating lake surface water temperature (LSWT) and unrealistically simulates lake freezing during the cold season, limiting its ability to capture air–lake coupling and local meteorological responses.
In the first phase of model improvement, physical modifications due to lake desiccation including land cover, albedo, soil texture, topography, and actual bathymetry were incorporated. These updates led to notable improvements in simulating the February 2017 precipitation and snow-cover event: the POD increased from 0.80 to 0.94, CSI from 0.70 to 0.91, and the correlation coefficient for precipitation from 0.57 to 0.68 near the lake area. However, the cold bias in LSWT (about −15°C) and 2-m air temperature (about −10°C) persisted as a systematic error.
To address this, the second phase introduced a newly formulated model version named SLake, in which the governing thermodynamic equations were rewritten to represent the effects of high salinity (~300 g L⁻¹). The relationships for water density, freezing point, and saturation vapor pressure were modified accordingly. Results indicated that SLake successfully removed unrealistic thermal stratification and reproduced the homogeneous behavior of a shallow lake. Nevertheless, the negative LSWT bias remained at about −15°C (RMSE = 15.22°C at the DWP station).
In the third and final phase, an advanced version termed SLake_LSWT was developed, in which the lake surface temperature was dynamically updated every 12 hours using observational data. This approach yielded substantial improvements across all parameters: LSWT bias reduced from −15.19°C to −0.56°C (96.3% improvement), RMSE from 15.22°C to 1.48°C (90.3% improvement), and the correlation coefficient increased from 0.48 to 0.93 at the DWP station. Similarly, the 2-m air temperature simulation improved with bias decreasing from −10.59°C to −3.63°C and RMSE from 10.95°C to 4.32°C. Evaporation estimates also achieved strong performance with a correlation coefficient of 0.81 and RMSE of 0.54 mm day⁻¹, outperforming the GLEAM dataset. Seasonal evaluation for spring, summer, and autumn of 2017 confirmed consistent performance, as the KGE for LSWT increased from 0.49→0.84 (spring), 0.38→0.52 (summer), and 0.17→0.84 (autumn). For 2-m air temperature, KGE improved from 0.35–0.58 (baseline) to 0.81–0.87 (modified version), indicating concurrent enhancement in correlation, bias, and variability.
The findings demonstrate that the combined implementation of (1) land-surface physical corrections, (2) salinity-dependent thermodynamic reformulation, and (3) dynamic LSWT updating can substantially improve the performance of WRF-Lake for hypersaline lake environments. The developed SLake_LSWT framework not only enhances prediction accuracy for Lake Urmia but also provides a transferable approach for other saline and shallow water bodies such as the Dead Sea, Aral Sea, and Great Salt Lake, offering a robust foundation for modeling atmosphere–lake interactions under extreme climatic conditions.
كليدواژه هاي فارسي
درياچه اروميه , درياچه فوق شور , بهروزرساني دماي سطح درياچه , اندركنش درياچه-جو , مدل WRF-Lake
كليدواژه هاي لاتين
Urmia Lake , Hypersaline lake , Lake surface temperature update , Lake-atmosphere interaction , WRF-Lake model
Author
Mohsen Rahimian
SuperVisor
Seyed Mostafa Siadat Mousavi