نموذج موجة الرياح

يتطلب نموذج الأمواج معلوماتٍ تصف حالة البحر كشروطٍ أولية. ويمكن إجراء تحليلٍ للبحر أو المحيط من خلال دمج البيانات، حيث تُدمج الملاحظات، مثل قياسات العوامات أو الأقمار الصناعية، مع تقديرٍ أساسي من تنبؤٍ سابق أو بيانات مناخية، وذلك للوصول إلى أفضل تقديرٍ للظروف الحالية. عمليًا، تعتمد العديد من أنظمة التنبؤ على التنبؤ السابق فقط، دون أي دمجٍ للملاحظات. ^{[ 13 ]}

يُعدّ تأثير حقول الرياح، وهي خريطة متغيرة مع الزمن لسرعة الرياح واتجاهاتها، مدخلاً بالغ الأهمية. وتُعتبر أخطاء حقول الرياح من أكثر مصادر الأخطاء شيوعاً في نتائج نماذج الأمواج. كما تُعدّ التيارات المحيطية ذات أهمية أيضاً، لا سيما في تيارات الحدود الغربية مثل تيار الخليج، وتيار كوروشيو، وتيار أغولهاس، أو في المناطق الساحلية ذات التيارات المدية القوية. وتتأثر الأمواج أيضاً بالجليد البحري والجبال الجليدية، وتأخذ جميع نماذج الأمواج العالمية العاملة الجليد البحري في الحسبان على الأقل.

تُوصَف حالة البحر بأنها طيف ؛ إذ يُمكن تحليل سطح البحر إلى موجات ذات ترددات متفاوتة باستخدام مبدأ التراكب . كما تُفصل الموجات بحسب اتجاه انتشارها. ويتراوح حجم نطاق النموذج من النطاق الإقليمي إلى نطاق المحيط العالمي. ويمكن تضمين نطاقات أصغر ضمن نطاق عالمي لتوفير دقة أعلى في منطقة محددة. وتتطور حالة البحر وفقًا لمعادلات فيزيائية - تستند إلى تمثيل طيفي لحفظ فعل الموجة - والتي تشمل: انتشار/انتقال الموجة ، والانكسار (بسبب قياس الأعماق والتيارات)، والضحالة ، ودالة مصدر تسمح بزيادة طاقة الموجة أو تقليلها. تحتوي دالة المصدر على ثلاثة حدود على الأقل: تأثير الرياح، والنقل غير الخطي، والتبدد الناتج عن تكوّن الرغوة البيضاء. ^{[ 6 ]} وعادةً ما تُستقى بيانات الرياح من نموذج جوي منفصل من مركز تنبؤات جوية تشغيلي.

بالنسبة لأعماق المياه المتوسطة، ينبغي إضافة تأثير الاحتكاك القاعي أيضًا. ^{[ 14 ]} وعلى نطاق المحيطات، يُعدّ تبدد الأمواج - دون انكسارها - مصطلحًا بالغ الأهمية. ^{[ 15 ]}

يُقدّم نموذج أمواج الرياح وصفًا لأطياف الموجات، مع تحديد السعات المرتبطة بكل تردد واتجاه انتشار. وعادةً ما تُلخّص النتائج من خلال ارتفاع الموجة الكبير ، وهو متوسط ​​ارتفاع ثلث أكبر الموجات، ودورة الموجة السائدة واتجاه انتشارها.

تؤثر أمواج الرياح أيضًا على خصائص الغلاف الجوي من خلال الاحتكاك الناتج عن الرياح القريبة من السطح وتدفقات الحرارة. ^{[ 16 ]} تسمح النماذج المقترنة ثنائية الاتجاه بتأثير نشاط الأمواج على الغلاف الجوي. يُسهّل نظام التنبؤ المقترن بين الغلاف الجوي والأمواج التابع للمركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى (ECMWF)، والموصوف أدناه، هذه العملية من خلال تبادل معامل شارنوك الذي يتحكم في خشونة سطح البحر . وهذا يسمح للغلاف الجوي بالاستجابة للتغيرات في خشونة السطح مع ازدياد أو انحسار أمواج الرياح .

تعتمد أنظمة التنبؤ التشغيلية بالأمواج في الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) على نموذج WAVEWATCH III. ^{[ 17 ]} يتميز هذا النظام بنطاق عالمي بدقة تقارب 50  كم، مع نطاقات إقليمية متداخلة لأحواض المحيطات في نصف الكرة الشمالي بدقة تقارب 18  كم و7  كم على التوالي. تشمل الفيزياء انكسار مجال الأمواج، والتفاعلات الرنانة غير الخطية ، وتمثيلات فرعية للجزر غير المحددة، وتحديثات ديناميكية لغطاء الجليد. تُوفّر بيانات الرياح من نظام استيعاب البيانات GDAS لنموذج الطقس GFS. حتى عام 2008، كان النموذج يقتصر على المناطق الواقعة خارج منطقة تكسر الأمواج حيث لا تتأثر الأمواج بشدة بالأعماق الضحلة. ^{[ 18 ]}

يمكن للنموذج أن يدمج تأثيرات التيارات على الأمواج منذ تصميمه المبكر بواسطة هندريك تولمان في التسعينيات، وقد تم توسيعه الآن ليشمل التطبيقات القريبة من الشاطئ.

كان نموذج الموجة WAM أول نموذج تنبؤي للموجات من الجيل الثالث، حيث سُمح لطيف الموجة ثنائي الأبعاد بالتطور بحرية (حتى تردد قطع) دون أي قيود على شكل الطيف. ^{[ 19 ]} خضع النموذج لسلسلة من تحديثات البرمجيات منذ إنشائه في أواخر ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 20 ]} آخر إصدار رسمي هو Cycle 4.5، الذي يتولى صيانته مركز هيلمهولتز الألماني في غيستهاخت . ^{[ 21 ]}

أدرج المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى (ECMWF) نموذج WAM في نظام التنبؤ الحتمي والجماعي الخاص به ، ^{[ 22 ]} والمعروف باسم نظام التنبؤ المتكامل (IFS). يتألف النموذج حاليًا من 36 نطاقًا تردديًا و36 اتجاهًا للانتشار بمتوسط ​​دقة مكانية يبلغ 25  كيلومترًا. وقد تم ربط النموذج بالمكون الجوي لنظام التنبؤ المتكامل منذ عام 1998. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

تصدر هيئة البيئة الكندية توقعات أمواج الرياح على المستوى الإقليمي . ^{[ 25 ]}

كما تقوم الجامعات بإنتاج تنبؤات إقليمية للأمواج، مثل استخدام جامعة تكساس إيه آند إم لنموذج SWAN (الذي طورته جامعة دلفت للتكنولوجيا ) للتنبؤ بالأمواج في خليج المكسيك. ^{[ 26 ]}

يُعدّ نموذج CCHE2D-COAST نموذجًا متكاملًا قائمًا على العمليات، وهو قادر على محاكاة العمليات الساحلية في سواحل مختلفة ذات خطوط ساحلية معقدة، مثل تشوه الأمواج غير المنتظم من البحر إلى الشاطئ، والتيارات القريبة من الشاطئ الناتجة عن الإجهادات الإشعاعية، وارتفاع الأمواج، وانخفاضها، ونقل الرواسب، والتغيرات المورفولوجية لقاع البحر. ^{[ 27 ]}

وتشمل نماذج أمواج الرياح الأخرى نموذج ركوب الأمواج القياسي التابع للبحرية الأمريكية (NSSM). ^{[ 28 ]}

بريتشنايدر (1952، 1977):

${\displaystyle {\widehat {H}}=0.283\tanh(0.0125{\widehat {F}})^{0.42}}$

${\displaystyle {\widehat {T}}=7.54\tanh(0.077{\widehat {F}})^{0.25}}$

ويلسون (1965): ^{[ 30 ]}

${\displaystyle {\widehat {H}}=0.30\{1-[1+0.004{\widehat {F}}^{1/2}]^{-2}\}}$

${\displaystyle {\widehat {T}}=1.37\{1-[1+0.008{\widehat {F}}^{1/3}]^{-5}\}}$

في هولندا، هناك صيغة ابتكرها غروين ودورستين (1976) شائعة الاستخدام أيضًا: ^{[ 31 ]}

${\displaystyle {\widehat {H}}=0.24\tanh \left(0.015{\widehat {F}}\right)^{0.45}}$ل${\displaystyle {\widehat {F}}>10}$

${\displaystyle {\widehat {T}}=2\pi \tanh \left(0.0345{\widehat {F}}\right)^{0.37}}$ل${\displaystyle {\widehat {F}}>400}$

${\displaystyle {\widehat {T}}=0.502{\widehat {F}}^{0.225}}$ل${\displaystyle 10<{\widehat {F}<400}$

خلال الفترات التي لم تكن فيها الحواسيب القابلة للبرمجة شائعة الاستخدام، كانت هذه المعادلات معقدة الاستخدام. ونتيجة لذلك، وللتطبيقات العملية، تم تطوير مخططات بيانية (نوموجرامات) استغنت عن الوحدات غير البعدية، وعرضت بدلاً منها ارتفاعات الأمواج بالأمتار، ومدة العاصفة بالساعات، ومسافة هبوب الرياح بالكيلومترات.

كان دمج عمق الماء في نفس المخطط مشكلةً نظرًا لكثرة مُدخلات البيانات. لذا، خلال الاستخدام الأساسي للمخططات البيانية، تم تصميم مخططات بيانية منفصلة لأعماق مختلفة. وقد أدى استخدام الحواسيب إلى تقليل الاعتماد على هذه المخططات.

بالنسبة للمياه العميقة، تكون الفروقات بين الصيغ المختلفة دقيقة. أما بالنسبة للمياه الضحلة، فإن الصيغة المعدلة من قبل يونغ وفيرهاجن ^{[ 32 ]} تُعدّ أكثر ملاءمة. وهي تُعرَّف على النحو التالي:

${\displaystyle {\widehat {H}}=0.241\left(\tanh {A_{H}}\tanh {{B_{H}} \over {\tanh {A_{H}}}}\right)^{0.87}}$

${\displaystyle A_{H}=0.493{\widehat {d}}^{0.75}}$و${\displaystyle B_{H}=0.00313{\widehat {F}}^{0.57}}$

و

${\displaystyle {\widehat {T}}=7.519\left(\tanh {A_{T}}\tanh {{B_{T}} \over {\tanh {A_{T}}}}\right)^{0.387}}$

${\displaystyle A_{T}=0.331{\widehat {d}}^{1.01}}$و${\displaystyle B_{T}=0.0005215{\widehat {F}}^{0.73}}$

أظهرت الأبحاث التي أجراها بارت أن هذه الصيغة موثوقة في ظل الظروف الهولندية (على سبيل المثال، في بحيرة آيسلمير ). ^{[ 33 ]}

يستغرق حساب البيانات باستخدام برنامج SWAN بضع ثوانٍ. في الوضع أحادي البعد، تُستَخدَم النتائج من خلال إدخال بيانات المقطع العرضي ومعلومات الرياح. في كثير من الحالات، يُمكن لهذا أن يُعطي قيمة موثوقة كافية لطيف الموجات المحلي، خاصةً عندما يمر مسار الرياح بمناطق ضحلة.

في الحالات التي يحدث فيها انكسار كبير ، أو عندما يكون الخط الساحلي غير منتظم، لا تكفي الطريقة أحادية البعد، مما يستدعي استخدام نموذج ميداني. حتى في بحيرة مستطيلة الشكل نسبيًا مثل بحيرة غاردا، توفر الحسابات ثنائية الأبعاد معلومات أكثر بكثير، لا سيما في مناطقها الجنوبية. يوضح الشكل أدناه نتائج هذه الحسابات.

تُبرز هذه الحالة قيدًا آخر للنهج أحادي البعد: ففي بعض النقاط، يكون نمو الموجة الفعلي أقل مما تنبأ به النموذج أحادي البعد. وينشأ هذا التباين لأن النموذج يفترض مجالًا موجيًا واسعًا، وهو ما لا ينطبق على البحيرات الضيقة. ^{[ 40 ]}