اعتبارسنجی طیفی و آماری امواج ناشی از باد شمال زمستانی با استفاده از روش‌ SPM و مدل‌سازی هم‌زمان جو و موج به‌وسیلۀ COAWST

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه هرمزگان

2 دانشکده علوم و فنون دریایی، دانشگاه هرمزگان

چکیده

امواج ناشی از باد، پیچیده‌ترین نوع امواج در طیف امواج دریایی هستند و برآورد و پیش‌بینی آن‌ها در شرایط خاص مانند بادهای شدید و طوفان‌ها اهمیت بسیاری دارد. در این تحقیق ارتفاع و دورۀ تناوب امواج در دورة وزش باد شمال زمستانی در ژانویه 2015 درشمال‌غرب خلیج‌فارس با توجه به برآورد امواج به روش SPM  و شبیه‌سازی عددی به‌وسیلۀ مدل هم‌زمان جو و موج COAWST  از نظر طیفی و آماری بررسی شد.  شروع پدیدۀ باد شمال زمستانی هم‌زمان با عبور یک جبهۀ سرد از روی خلیج‌فارس، همراه با افزایش سرعت باد است و جهت وزش باد شمال تا شمال غربی می‌شود. با توجه به بررسی نتایج شبیه‌سازی ارتفاع و دورۀ تناوب موج و محاسبة خطاها، مدل هم‌زمان جو و موج COAWST  نسبت به روش SPM برآورد بهتری را ارائه می‌کند. در هر دو روش طیف فرکانسی منطقۀ موردمطالعه ازنوع تک قله‌ای است و بیشینه طیفی در پایین‌دست بیشینه طیف محاسبه شده از داده‌های مشاهداتی پیش‌بینی شده‌است. همچنین طیف فرکانسی منطقۀ مورد مطالعه در مقایسه با طیف‌های نظری معتبر، هماهنگی نزدیکی با طیف جان‌سوآپ دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Spectral and Statistical Validation of Winter SHAMAL Wind-Induced Waves Using the SPM Method and Coupled Atmosphere-Wave Model COAWST

نویسندگان [English]

  • Mohammad Pakhirehzan 1
  • Maryam Rahbani 2
  • Hossein Malakooti 2
1 Department of Marine Science and Technology, University of Hormozgan
2 Department of Marine Science and Technology, University of Hormozgan
چکیده [English]

Wind-induced waves are the most complex waves among sea waves. In special circumstances such as extreme winds and storms however, it is essential to estimate and predict them correctly. In this research, the height and period of waves was investigated during winter Shamal wind using SPM method and a numerical simulation employing Coupled Ocean-Atmosphere-Wave Sediment Transport COAWST, in the northwest of the Persian Gulf in January 2015. The beginning of the winter Shamal wind coincides with the passage of a cold front over the Persian Gulf, when the wind speed increases and the direction of wind changes to north and northwest. According to the results simulated wave height and period from COAWST show better agreement with field data compared with those of SPM method. This conclusion is also verified with statistical methods such as RMSE. In both methods, the frequency spectrum of the region is single-peak. Besides, the peak of the spectrum of SPM and COAWST, shows under-prediction in comparison with the field data. According to the standard spectrums, the JONSWAP represents the closest wave spectrum of the area under investigation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • : SPM Method
  • COAWST
  • Wave Spectrum
  • SHAMAL Wind
  • Persian Gulf

1[ فرجامی حسین، حسینی سید طالب، چگینی وحید، محمدی سیده سعیده. شبیه‌سازی امواج ناشی از باد در خلیج بوشهر با مدل عددی سوان. اقیانوس‌شناسی. 1390؛ 2(8):79-87.

[2] Rusu E. Strategies in using numerical wave models in ocean/coastal applications. Journal of Marine Science and Technology. 2011;19(1):58-75.

[3] Glejin J, Kumar VS, Nair TB, Singh J, Mehra P. Observational evidence of summer Shamal swells along the west coast of India. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2013;30(2):379-388.

 [4] Abdi Vishkaee F, Flamant C, Cuesta J, Oolman L, Flamant P, Khalesifard HR. Dust transport over Iraq and northwest Iran associated with winter Shamal: A case study. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2012;117(D3).

 [5] Rao PG, Al‐Sulaiti M, Al‐Mulla AH. Winter Shamals in Qatar, Arabian Gulf. Weather. 2001;56(12):444-451.

[6] عباسی حامد، کتابداری محمدجواد. اعتبار روش‌های پیرسون مسکوویچ و جان‌سوآپ و SPM در برآورد ارتفاع امواج منطقه بوشهر. ارائه‌شده در هشتمین همایش صنایع دریایی؛ 1385 آبان 9-آبان 11؛ بوشهر، ایران.

[7] Longuet-Higgins MS. On the statistical distribution of the height of sea waves. JMR. 1952;11:245-266.

[8] Sorensen RM. Basic coastal engineering. Springer Science & Business Media; 2005.

[9] Warner JC, Armstrong B, He R, Zambon JB. Development of a coupled ocean–atmosphere–wave–sediment transport (COAWST) modeling system. Ocean modelling. 2010;35(3):230-244.

[10] Rusu E, Raileanu A. A multi-parameter data-assimilation approach for wave prediction in coastal areas. Journal of Operational Oceanography. 2016;9(1):13-25.

[11] Holthuijsen LH, Booij N. Oceanic and nearshore whitecapping effects in SWAN. InProc. 6th Int. Conf. on Wave Hindcasting and Forecasting 2000 Nov 6 (pp. 362-368).

[12] Dykes JD, Hsu YL, Rogers WE. The development of an operational SWAN model for NGLI. OCEANS'02 MTS/IEEE ;2002 Oct 29-31; Biloxi, MI, USA. IEEE;2003. p.859-66. (Vol. 2).

[13] Skamarock WC, Klemp JB, Dudhia J, Gill DO, Barker DM, Wang W, Powers JG. A description of the advanced research WRF version 2. National Center For Atmospheric Research Boulder Co Mesoscale and Microscale Meteorology Div; 2005.

[14] Warner JC, Sherwood CR, Signell RP, Harris CK, Arango HG. Development of a three-dimensional, regional, coupled wave, current, and sediment-transport model. Computers & Geosciences. 2008;34(10):1284-1306.

[15] Montoya RD, Arias AO, Royero JO, Ocampo-Torres FJ. A wave parameters and directional spectrum analysis for extreme winds. Ocean Engineering. 2013;67:100-118.

[16] رجبی سمانه، چگینی وحید، لاری کامران، کامران‌زاد بهاره، حسینی سیدطالب. مدل‌سازی امواج ناشی از باد در منطقۀ انزلی با استفاده از مدل عددی سوان. اقیانوس‌شناسی. 1392؛4(15):83-92.

[17] رضایی فروغ، تجزیه چی مجتبی، سلطان پور محسن، امامی عارفه. پیش‌بینی مشخصات موج در محدودۀ جزایر قشم و هرمز با استفاده از مدل عددی سوان. ارائه‌شده در یازدهمین همایش بین‌المللی سواحل، بنادر و سازه‌های دریایی؛ 1392 آذر 3-آذر 5؛ تهران، ایران.

[18] Caliskan H, Valle-Levinson A. Wind-wave transformations in an elongated bay. Continental Shelf Research. 2008;28(14):1702-1710.

[19 ]حاجی‌بابایی نوید، آزرم‌سا سیدعلی. ارزیابی مدل‌های پیش‌بینی امواج ناشی از باد و ارائه مدل مناسب برای سواحل شهرستان بابلسر. علوم و فنون دریایی. 1382؛ 3(1): 15-30.

[20] نجارپور محمدعلی، چگینی وحید، صدری‌نسب مسعود، کعبی عامر. خصوصیات طیف موج ناشی از باد در منطقه عسلویه.علوم و فنون دریایی. 1391؛ 4(11): 57-63.

[21] Allahdadi MN, Chaichitehrani N, Allahyar M, McGee L. Wave Spectral Patterns during a Historical Cyclone: A Numerical Model for Cyclone Gonu in the Northern Oman Sea. Open Journal of Fluid Dynamics. 2017;7(02):131.

[22] Rao PG, Hatwar HR, Al-Sulaiti MH, Al-Mulla AH. Summer shamals over the Arabian Gulf. Weather. 2003;58(12):471-478.

[23] Perrone TJ. Winter shamal in the Persian Gulf. NAVAL ENVIRONMENTAL PREDICTION RESEARCH FACILITY MONTEREY CA; 1979.

[24] El-Sabh MI, Murty TS. Storm surges in the Arabian Gulf. Natural Hazards. 1989;1(4):371-385.

[25] The Weather Company, an IBM business. Weather Underground [Internet].  USA; 2015 [cited 2015 Jan]. Available from: www.wunderground.com

[26] Booij NR, Ris RC, Holthuijsen LH. A third-generation wave model for coastal regions: 1. Model description and validation. Journal of geophysical research: Oceans. 1999;104(C4): 7649-7666.

[27] Holthuijsen LH. Waves in oceanic and coastal waters. Cambridge university press; 2010 Feb 4.

[28] Jacob R, Larson J, Ong E. M× N communication and parallel interpolation in Community Climate System Model Version 3 using the model coupling toolkit. The International Journal of High Performance Computing Applications. 2005;19(3):293-307.

[29] Hong SY, Dudhia J, Chen SH. A revised approach to ice microphysical processes for the bulk parameterization of clouds and precipitation. Monthly Weather Review. 2004;132(1):103-120.

[30] Mlawer EJ, Taubman SJ, Brown PD, Iacono MJ, Clough SA. Radiative transfer for inhomogeneous atmospheres: RRTM, a validated correlated-k model for the longwave. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 1997;102(D14):16663-82.

[31] Dudhia J. Numerical study of convection observed during the winter monsoon experiment using a mesoscale two-dimensional model. Journal of the atmospheric sciences. 1989;46(20):3077-3107.

[32] Chen F, Dudhia J. Coupling an advanced land surface–hydrology model with the Penn State–NCAR MM5 modeling system. Part I: Model implementation and sensitivity. Monthly Weather Review. 2001;129(4):569-585.

[33]Monin AS, Obukhov AM. Basic laws of turbulent mixing in the surface layer of the atmosphere. Contrib. Geophys. Inst. Acad. Sci. USSR. 1954;151(163):e187.

[34] Kain JS. The Kain–Fritsch convective parameterization: an update. Journal of Applied Meteorology. 2004;43(1):170-181.

[35] Hong SY, Noh Y, Dudhia J. A new vertical diffusion package with an explicit treatment of entrainment processes. Monthly weather review. 2006;134(9):2318-2341.

[36] Janjić ZI. The step-mountain eta coordinate model: Further developments of the convection, viscous sublayer, and turbulence closure schemes. Monthly Weather Review. 1994;122(5):927-945.

[37] Nakanishi M, Niino H. An improved Mellor–Yamada level-3 model: Its numerical stability and application to a regional prediction of advection fog. Boundary-Layer Meteorology. 2006;119(2):397-407.

[38] Cohen AE, Cavallo SM, Coniglio MC, Brooks HE. A review of planetary boundary layer parameterization schemes and their sensitivity in simulating southeastern US cold season severe weather environments. Weather and forecasting. 2015;30(3):591-612.

[39] Pierson WJ, Moskowitz L. A proposed spectral form for fully developed wind seas based on the similarity theory of SA Kitaigorodskii. Journal of geophysical research. 1964;69(24):5181-5190.

[40] Hasselmann K, Barnett TP, Bouws E, Carlson H, Cartwright DE, Enke K, et al. Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP). Ergänzungsheft 8-12. 1973.

[41] Ochi MK. Ocean waves: the stochastic approach. Cambridge University Press; 2005.

[42] Bretschneider CL. Wave variability and wave spectra for wind-generated gravity waves. CORPS OF ENGINEERS WASHINGTON DC BEACH EROSION BOARD; 1959.

[43] US Army Coastal Engineering Research Center, Department of the Army, Corps of Engineers, US Govt. Manual, Shore protection. USA: Washington, DC; 1984. (vol.1)

[44] پاخیره‌زن محمد، راه‌بانی مریم، ملکوتی حسین. ارزیابی الگوی امواج در شمال‌غرب خلیج‌فارس با استفاده از شبیه‌سازی هم‌زمان جو و موج. فصلنامه اقیانوس‌شناسی. 1397؛ 9(36):1-11.