إعداد الرياح

يشير ارتفاع مستوى سطح البحر بفعل الرياح ، والمعروف أيضًا بتأثير الرياح أو تأثير العاصفة ، إلى ارتفاع مستوى سطح البحر في البحار والبحيرات وغيرها من المسطحات المائية الكبيرة نتيجة دفع الرياح للماء في اتجاه محدد. فعندما تتحرك الرياح على سطح الماء، تُحدث إجهادًا قصيًا عليه، مما يُولد تيارًا مدفوعًا بالرياح. وعندما يصطدم هذا التيار بالشاطئ، يرتفع مستوى سطح البحر نتيجة لتراكم المياه، مما يُنشئ قوة هيدروستاتيكية معاكسة تُوازن قوة القص التي تُحدثها الرياح. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

خلال العواصف، يُشكّل ارتفاع منسوب المياه الناتج عن الرياح جزءًا من ارتفاع مستوى سطح البحر الناتج عن العاصفة . فعلى سبيل المثال، في هولندا ، قد يؤدي ارتفاع منسوب المياه الناتج عن الرياح أثناء العاصفة إلى رفع مستوى المياه بما يصل إلى 3 أمتار فوق مستوى المد والجزر الطبيعي. وفي المناطق الاستوائية، مثل منطقة البحر الكاريبي ، قد يؤدي ارتفاع منسوب المياه الناتج عن الرياح أثناء الأعاصير إلى رفع مستوى المياه بما يصل إلى 5 أمتار. وتزداد أهمية هذه الظاهرة بشكل خاص عندما تتجمع المياه في مناطق ضحلة أو ضيقة، مما يؤدي إلى ارتفاع مستوى سطح البحر الناتج عن العاصفة. ^{[ 3 ]}

من أمثلة تأثيرات ارتفاع الضغط الجوي بفعل الرياح إعصارَي غاما ودلتا عام 2020، حيث كان ارتفاع الضغط الجوي بفعل الرياح عاملاً رئيسياً عندما تسببت الرياح القوية وانخفاض الضغط الجوي في فيضانات ساحلية أعلى من المتوقع في شبه جزيرة يوكاتان بالمكسيك. ^{[ 4 ]} وبالمثل، في مستنقع سويسون بكاليفورنيا ، تبين أن ارتفاع الضغط الجوي بفعل الرياح عامل مهم يؤثر على مستويات المياه المحلية، حيث تدفع الرياح القوية المياه إلى السدود ، مما يساهم في حدوث انهيارات متكررة وفيضانات. ^{[ 5 ]}

في البحيرات ، غالباً ما يؤدي هبوب الرياح إلى تقلبات ملحوظة في مستويات المياه. ويتضح هذا التأثير بشكل خاص في البحيرات ذات مستويات المياه المنظمة جيداً، مثل بحيرة آيسلمير ، حيث يمكن قياس العلاقة بين سرعة الرياح وعمق المياه وطول مسار الرياح ومراقبتها بدقة. ^{[ 6 ]}

أما في البحر، فعادةً ما تُحجب تأثيرات ارتفاع مستوى سطح البحر بفعل الرياح بعوامل أخرى، مثل تغيرات المد والجزر. ولقياس تأثير ارتفاع مستوى سطح البحر بفعل الرياح في المناطق الساحلية، يُطرح مستوى المد والجزر الفلكي (المحسوب) من مستوى الماء المرصود. فعلى سبيل المثال، خلال فيضان بحر الشمال عام 1953 ، سُجّل أعلى مستوى للماء على طول الساحل الهولندي عند 2.79 متر في محطة فليسنجن لقياس المد والجزر، بينما سُجّل أعلى ارتفاع لمستوى سطح البحر بفعل الرياح عند 3.52 متر في شيفينينجن .

سُجِّل أعلى ارتفاع للرياح على الإطلاق في هولندا، حيث بلغ 3.63 مترًا، في دينتيلساس، ستينبيرجن، خلال فيضان عام 1953. ومع ذلك، تشهد المناطق الاستوائية حول العالم، مثل خليج المكسيك ومنطقة البحر الكاريبي، ارتفاعات رياح أعلى بكثير خلال الأعاصير، مما يؤكد أهمية هذه الظاهرة في استراتيجيات إدارة المناطق الساحلية والفيضانات . ^{[ 4 ]}

استنادًا إلى التوازن بين إجهاد القص الناتج عن الرياح على الماء والضغط الهيدروستاتيكي الخلفي، يتم استخدام المعادلة التالية: ^{[ 7 ]}

${\displaystyle {\frac {dh}{dx}}={\frac {\kappa u^{2}\cos \phi }{gh}}}$

حيث:

h = عمق الماء

س = المسافة

u = سرعة الرياح

${\displaystyle \kappa =c_{w}{\frac {\rho _{air}}{\rho _{water}}}}$يقترح إيبن ^{[ 7 ]}​${\displaystyle \kappa }$= 3.3 × ^10⁻⁶

${\displaystyle \phi }$= زاوية الرياح بالنسبة للساحل

g = تسارع الجاذبية

تتراوح قيمة c _w ^{بين 0.8 × 10⁻³} و 3.0 × ^10⁻³

الاستخدام في البحيرات (الضحلة) والمناطق الضيقة ذات الامتداد الصغير

لحساب ارتفاع الرياح في البحيرة، يتم استخدام الحل التالي للمعادلة التفاضلية:

${\displaystyle \Delta h=0.5\kappa {\frac {u^{2}}{gh}}F\cos \phi }$

في عام 1966، أوصت لجنة أعمال دلتا باستخدام قيمة 3.8 × ^10⁻⁶ لـ${\displaystyle \kappa }$في ظل الظروف الهولندية. ومع ذلك، أدى تحليل بيانات القياس من بحيرة آيسلمير بين عامي 2002 و2013 إلى قيمة أكثر موثوقية لـ${\displaystyle \kappa }$، خاصة ${\displaystyle \kappa }$= 2.2*10 ⁻⁶ . ^{[ 6 ]}

أظهرت هذه الدراسة أيضًا أن الصيغة قللت من تقدير تأثير الرياح عند سرعات الرياح العالية. ونتيجة لذلك، تم اقتراح زيادة أس سرعة الرياح من 2 إلى 3 وإجراء تعديلات إضافية.${\displaystyle \kappa }$ل${\displaystyle \kappa }$=1.7*10 ⁻⁷ . يمكن لهذه الصيغة المعدلة أن تتنبأ بارتفاع الرياح على بحيرة آيسلمير بدقة تقارب 15 سنتيمترًا.

بالنسبة للبيئات المحصورة كالمستنقعات أو المناطق ذات الامتدادات الصغيرة، اقترح ألغرا وآخرون (2023) نموذجًا تجريبيًا مبسطًا لتقدير ارتفاع الرياح. ^{[ 5 ]} صُمم هذا النموذج لتقدير ارتفاع الرياح في مستنقع سويسون ، حيث تكون أطوال الامتدادات أقصر وتسود ظروف المياه الضحلة. وتُعبر المعادلة كما يلي:

${\displaystyle \delta h=\kappa {\frac {u_{10}^{2}}{g\cdot h}}\cdot F\cdot \cos(\phi )}$

أين:

• ${\displaystyle \delta h}$= تأثير الرياح (ارتفاع مستوى المياه)،
• ${\displaystyle \kappa }$= ثابت (يُستنتج عادةً تجريبياً)،
• ${\displaystyle u_{10}}$= سرعة الرياح المقاسة على ارتفاع 10 أمتار فوق سطح الماء،
• ${\displaystyle g}$= ثابت الجاذبية،
• ${\displaystyle h}$= متوسط ​​عمق المياه،
• ${\displaystyle F}$= طول الجلب،
• ${\displaystyle \phi }$= الزاوية بين اتجاه الرياح ومسافة وصولها.

تفترض هذه المعادلة أن مسافة هبوب الرياح قصيرة، وتبسط عملية ارتفاع سرعة الرياح بجعلها متناسبة خطيًا مع مربع سرعة الرياح. في تحليلهم لجزيرة فان سيكل عام 2023 ، وجد ألغرا وزملاؤه أن هذا النموذج فعال في البيئات ذات مسافة هبوب الرياح المحدودة والعمق الضحل، حيث لا حاجة للأساليب الأكثر تعقيدًا المستخدمة في السواحل المفتوحة. على عكس صيغ المعادلات التفاضلية الأكثر تفصيلًا المستخدمة في السواحل المفتوحة الأكبر أو البحيرات، يوفر نموذج فان سيكل تقريبًا عمليًا للمناطق المحصورة حيث قد يظل ارتفاع سرعة الرياح كبيرًا، ولكن القيود المكانية تبسط ديناميكيات حركة المياه بشكل عام. ^{[ 5 ]}

لا ينبغي الخلط بين ارتفاع الموجة الناتج عن الرياح وارتفاع الموجة المتدفقة ، والذي يشير إلى الارتفاع الذي تصل إليه الموجة على منحدر، أو ارتفاع الموجة المتدفقة الذي هو الزيادة في مستوى الماء الناتجة عن تكسر الأمواج. ^{[ 9 ]}

• ارتفاع منسوب مياه البحر بسبب العاصفة
• الفيضانات الساحلية
• الهندسة الساحلية