10328

10328

توسعه يك مدل عملياتي پيوندي براي پيش‌يابي مشخصات امواج محلي ناشي از باد در درياهاي نيمه‌بسته

دكتري

عمران - مهندسي آب

تير‌ماه 1391

تير‌ماه 1391

دكتر امير اعتمادشهيدي

دكتر وحيد چگيني

امواج ناشي از باد از مهمترين عوامل محيطي در پروژه‌هاي مرتبط با مهندسي دريا محسوب مي‌شوند. به دليل كمبود داده‌هاي اندازه‌گيري شده موج در بسياري مناطق، از داده‌هاي پيش‌بيني شده براي تعيين اقليم امواج استفاده مي‌شود. امروزه مدل‌هاي طيفي عددي موج به كاربردي‌ترين ابزار براي پيش‌بيني امواج ناشي از باد تبديل شده‌اند. نتايج اين مدل‌ها عمدتا داراي خطا بوده و مهمترين عامل ايجاد خطا در نتايج خروجي آنها خطاي موجود در داده‌هاي باد ورودي اين مدل‌ها است. داده‌هايي كه به عنوان ورودي باد مدل‌هاي موج استفاده مي‌شوند عمدتا نتايج مدل‌هاي عددي هواشناسي بوده كه به دلايل مختلفي داراي خطا هستند. بنابراين مي‌بايست نتايج خروجي مدل‌هاي طيفي عددي بر اساس داده‌هاي واقعي ميداني اصلاح گردند. در اين مطالعه راهكاري جديد براي اصلاح ميدان امواج در يك درياي نيمه بسته ارائه شده است. رويكرد پيشنهادي با داده‌هاي ثبت شده در خليج فارس ارزيابي و نتايج آن تحليل و بررسي شده‌اند. براي اين منظور ابتدا شبيه‌سازي اوليه امواج در محدوده خليج فارس انجام شده و نتايج شبيه‌سازي با داده‌هاي ميداني مقايسه شده‌اند. براي شبيه‌سازي امواج از مدل طيفي عددي نسل سوم SWAN استفاده شده است. بررسي نتايج شبيه‌سازي اوليه در نقاط مختلف نشان مي‌دهد كه اقليم كلي امواج در خليج فارس كه شامل دو دسته امواج شمال و قوس است به خوبي شبيه‌سازي مي‌گردد. پس از آن نتايج مدل در ايستگاه‌هاي اندازه‌گيري امواج در سه نقطه بوشهر، عسلويه و كويت با مقادير ثبت شده مقايسه شده‌اند. نتايج به دست آمده نشان مي‌دهد كه ارتفاع امواج عمدتا دست‌پايين پيش‌بيني مي‌شوند. افزون بر اين مقدار خطاي پيش‌بيني ارتفاع امواج در محدوده محاسباتي يكسان نيست. به عبارت ديگر مقدار دست‌پايين بودن ارتفاع امواج شبيه‌سازي شده اوليه در نقاط مختلف خليج فارس متفاوت است. همچنين دوره تناوب امواج نيز در همه ايستگاه‌هاي اندازه‌گيري دست‌پايين پيش‌بيني شده و مقدار خطاي آن‌ها با خطاي ارتفاع امواج نيز متفاوت است. نكته ديگر اينكه جهت امواج در هر سه ايستگاه با دقت مناسبي شبيه‌سازي شده‌اند. پس از شبيه‌سازي اوليه امواج براي كاهش خطاي نتايج خروجي از روش تغيير پارامترهاي مدل استفاده شده است. نتايج به دست آمده در اين مرحله در سه نقطه اندازه‌گيري امواج نشان مي‌دهد كه تغيير پارامترهاي مدل براي تدقيق نتايج داراي محدوديت‌هايي است. به عبارت ديگر از اين راه تنها تا حدي مي‌توان نتايج شبيه‌سازي امواج را تدقيق نمود. همچنين به دليل عدم توزيع يكنواخت خطا در محدوده محاسباتي، اصلاح همزمان متغيرهاي خروجي در نقاط مختلف امري دشوار است. علاوه بر اين، به دليل تفاوت خطاي مدل در پيش‌بيني پارامترهاي مختلف، از طريق واسنجي تنها مي‌توان دقت پيش‌بيني يك پارامتر را تا حد مشخصي بالا برد و ممكن است حتي خطاي پيش‌بيني پارامترهاي ديگر افزايش يابد. بنابراين روشي جديد براي اصلاح همزمان ارتفاع و دوره تناوب امواج در محدوده محاسباتي ارائه شده است. رويكرد جديدي كه براي اصلاح نتايج متغيرهاي خروجي مدل عددي در محدوده محاسباتي به كار رفته، پيش‌بيني خطاي پارامترها در نقاط گسسته مشاهداتي و توزيع اين خطا در محدوده محاسباتي است. در اين روش ابتدا در نقاط اندازه‌گيري امواج مقدار خطاي پيش‌بيني امواج تخمين زده شده است. براي تخمين مقدار خطا با توجه به ويژگي‌هاي آن از شبكه عصبي مصنوعي استفاده شده است. نتايج به دست آمده نشان مي‌دهد كه با استفاده از اين روش هم ارتفاع امواج و هم دوره تناوب آنها با دقت مناسبي پيش‌بيني مي‌شوند. اين رويكرد توانايي تمايز بين شرايط مختلف اقليمي امواج را داشته و اين تفاوت را در پيش‌بيني خطا لحاظ مي‌نمايد. پس از پيش‌بيني خطا در نقاط گسسته مشاهداتي، توزيع خطا در كل محدوده محاسباتي انجام شده است. در اين مرحله دو رويكرد كلي براي توزيع خطا در محدوده پيشنهاد و بررسي شده است. در رويكرد اول مقدار خطا در يك نقطه دلخواه از شبكه محاسباتي به صورت تركيب خطي خطا در نقاط مشاهداتي برآورد شده است. در رويكرد دوم مقدار خطاي متغير خروجي مدل عددي در يك نقطه دلخواه محاسباتي به صورت تركيبي از نسبت متغيرهاي خروجي شبيه‌سازي شده در نقاط مختلف مشاهداتي و محاسباتي محاسبه شده است. نتايج به دست آمده نشان مي‌دهد كه استفاده از رويكرد دوم به دليل در نظر گرفتن فيزيك شكل‌گيري و انتقال امواج به نتايج دقيق‌تري منجر مي‌شود. مقايسه مقادير اصلاح شده ارتفاع امواج در محدوده محاسباتي با مقادير ثبت شده ماهواره‌اي نشان مي‌دهد كه با توزيع خطاي پيش‌بيني شده در نقطه اندازه‌گيري در محدوده محاسباتي، نتايج شبيه‌سازي امواج به صورت چشمگيري اصلاح مي‌شوند. نهايتا با استفاده از داده‌هاي ماهواره‌اي مقدار خطا پيش‌بيني شده و در محدوده توزيع شده‌اند. نتايج اين مرحله نيز بهبود نتايج پيش‌بيني امواج در محدوده را نشان مي‌دهد. واژه‌هاي كليدي: خليج فارس، امواج ناشي از باد، همگون‌سازي داده‌ها، مدل طيفي