فهرست مطالب :
.1تعریف
.2اصول مدل های پیش بینی عددی وضع هوا
.3اهمیت کاربرد مدل ها
.4انواع مدل های عددی
.5مدل MM5
.6دستگاه مختصات مدل
.7داده‌هاي لازم براي اجراي مدل
.8نمونه هایی از خروجیهای مدل MM5
بسم الله الرحمن الرحیم
پیش بینی عددی وضع هوا
شهرزاد قندهاری
فهرست مطالب :
1.تعریف
2.اصول مدل های پیش بینی عددی وضع هوا
3.اهمیت کاربرد مدل ها
4.انواع مدل های عددی
5.مدل MM5
6.دستگاه مختصات مدل
7.داده‌هاي لازم براي اجراي مدل
8.نمونه هایی از خروجیهای مدل MM5
تعریف :
- منظور از پیش بینی وضع هوا، چگونگی تغییر وضعیت
فعلی درزمان است.
وضعیت فعلی جو تحت تاثیر عوامل مختلفی مانند تابش، دما
، فشارهوا،باد، رطوبت، ابرناکی و بارندگی است که هریک
ازآنها به نوبه خود تحت تاثیرفرآیندهای پیچیده ای در جو
تغییرمی کند.
درمدل های اولیه پیش بینی عددی وضع هوا، از تقریب های
ساده کننده ای مانند تقریب هیدروستاتیک، حذف امواج صوتی،حذف
امواج گرانی لختی، جو فشارورد و ...استفاده می شد. اما درمدلهای
کنونی بسیاری ازاین تقریب ها کنار گذشته شده است و مدل های
امروزی با دقت بهتری رفتارواقعی جورا شبیه سازی می کنند.
درنتیجه فرآیند پیش بینی عددی، روز به روز پیچیده تر
می شود;
بطوریکه امروزه باجفت شدن مدل های جوی بامدل های
اقیانوسی و همچنین مدل های جوی با مدل های آلودگی
هوا، دانش پیش بینی عددی وضع هوا اززیرمجموعه ای از
دانش های مختلف بهره گیری می کند.
üاولین پیش بینی عددی موفقیت آمیزوضع هوا توسط چارنی، فون
نیومن و فیورتافت
ü
üحل معادله تاوایی فشارورد را برای پیش بینی ارتفاع ژئوپتانسیلی درتراز500 هکتوپاسکال
ü
ü دهه1960 حل عددی معادله های بسیط
ü
üنیمه دوم دهه 1960 و اوایل دهه 1970 میلادی ، جایگزینی معادله های بسیط برای پیش بینی عددی وضع هوا
üاستفاده از این مدل ها بدون تقریب هیدروستاتیک از سال 1990 میلادی مانند مدل های منطقه محدود
vهمچنین قابل ذکر است اولین پیش بینی عددی وضع هوا درایران
تقریباٌ 20 سال پس ازتلاش های دهه 1960 وبصورت مطالعات
بنیادی بوده است.
اصول مدل های پیش بینی عددی وضع هوا :
1. پایستاری جرم
2. تکانه
3. انرژی
اهمیت کاربرد مدل ها :
پیش بینی یا شبیه سازی پدیده های جوی در
مقیاس های متفاوت زمانی و مکانی
مدل های عددی بطور کلی شامل :
1.مدل های گردش کروی
●
2.مدل های منطقه محدود
ü
مدل های کروی معمولاٌبرای پیش بینی های میان مدت (بیش
ازدوروز) و نیز برای شبیه سازی های اقلیمی استفاده
می شوند.
بعنوان مثال:
درمرکز ملی پیش بینی محیطی (NCEP)مدل های کروی برای
صدور پیش بینی های 16 روزه هرروز اجرامی شوند.
ازآنجایی که حوزه موردمطالعه درمدل های کروی، معمولاٌ تمام
کره زمین است، بنابراین قدرت تفکیک این مدل هامعمولاٌ کم
می باشد.
برای پیش بینی باجزئیات بیشتر، لازم است قدرت تفکیک مدل
افزایش داده شود واین امر فقط برای منطقه محدود موردنظر
امکان پذیراست.
مدل های منطقه ای معمولاٌ برای صدور پیش بینی های
کوتاه مدت ( یک تا سه روز ) استفاده می شوند وقدرت
تفکیک آنهاچند برابربیشترازمدل های کروی است.
در مقایسه با مدل های کروی ،مدل های منطقه ای بعلت داشتن
قدرت تفکیک بیشتر، قادربه شبیه سازی فرایندهای کوچک مقایس تر
مانند جبهه ها، خطوط اسکوال و واداشتهای توپوگرافیکی با دقت
بالاتر می باشند. ویژگی دیگر مدل های منطقه ای این است که،
مانند مدل های کروی، خودکفا نیستند و نیاز به تعیین شرایط مرزی
در مرزهای افقی دارند.
مدل MM5
مدل ميان مقياس MM5 اوليه، قبل از دهة 1970 توسط آنتس در
دانشگاه ايالتي پنسيلوانيا بكار برده شد سپس در سال 1978 بوسيله
آنتس و وارنرتكميل شد. مدل MM5 که در این مطالعه بکار گرفته
شده است یک نمونه غیرهیدروستاتیک از سیستمهای مدلسازی
پیشرفته MM5 در مرکز دانشگاه بین المللی ایالت پنسیلوانیا برای
تحقیقات جوی می‌باشد.
پس از 1978 تغييرات بسیار زيادي در خود مدل و كاربردهايش
صورت گرفته از جمله :
ü توانايي چند دامنه‌اي شدن ديناميك‌هاي غير هيدروستاتيكي
ü توانايي جذب و پردازش داده‌هاي چهار بعدي
üکاربردگزينه‌هاي فيزيكي بيشتر
ü گسترش پهنه محاسباتي آن
آخرين سري اين مدل‌ها، مدل MM5 نوع 3 بوده كه پنجمين محصول
مركزملي تحقيقات جوي (NCAR) مي‌باشد. نقشه كاملي از سيستم
مدلMM5 در شكل نشان داده شده است. اين مدل داده‌ها را در يك
شبكه طول عرض جغرافيايي و با دامنه‌هاي متغيير بر اساس درجه
تفكيك بالا روي نقشه‌هاي استريوگرافي قطبي، مخروطي لامبرت و
مركاتورمي‌گيرند.
دستگاه مختصات مدل :
دستگاه مختصات بكار برده شده در مدل MM5 دستگاه مختصات
سيگما مي‌باشد سطح‌هاي سيگما در نزديكي زمين تقريباً از عوارض
زميني و درترازهاي بالاتر از سطوح فشاري پيروي مي‌كنند. از اين رو
درجه تفكيك افقي و عمودي و اندازه دامنه‌هاي متغيير امكان‌پذير است.
اين مدل داده‌هاي هواشناسي را روي سطوح هم‌فشاري مي‌گيرد و براي
اجراي مدل آنها را به مختصات قائم درون‌يابي مي‌كند.
سيستم مختصات سيگما در شكل
نشان داده شده است كه مقدار σ
براي ترازهاي مدل بصورت زير
مي‌باشد.
Øp فشار ، فشار قله بالاي جو و مقداري ثابت و فشار سطح زمين
Ø
Øمقدار σ در سطح زمين يك، و در قله جو صفر
Ø
Øدرجه تفكيك عمودي بين صفر و يك
Øتعداد ترازها متغیر بین 0 تا 40
داده‌هاي لازم براي اجراي مدل :
چون مدل MM5 ابتدا براي شبيه‌سازي‌ها و مطالعه داده‌هاي واقعي
طراحي شده است به مجموعه داده‌هاي زير جهت اجرا نياز دارد.
1.داده‌هاي توپوگرافي و كاربري زمين
2.داده‌هاي شبكه شده شامل متغييرهاي فشار سطح دريا، باد، دما، رطوبت نسبي و ارتفاع ژئوپتانسيل در ترازهاي فشاري سطح زمين، 1000، 850، 700،500،400،300،250،200، 150، 100 ميلي‌باري
3.داده‌هاي ديدباني شامل گمانه‌زني‌ها و گزارشات سطحي
بخش پشتيباني داده‌هاي محاسبات علمي در NCAR بايگاني نيرومندي
از داده‌هاي جوي تحليل‌هاي شبكه شده و ديدباني‌ها را دارد.
كاربران با مجوزهايي كه از NCAR براي آنها مهيا شده است اجازه
استفاده از انواع محصولات پيش‌بيني و تحليل‌هاي هواشناسي شبكه شده را
دارند.
پيش‌بيني‌ها و تحليل‌هاي واقعي كه سودمند واقع شده‌اند عبارتند از:
ü پيش‌بيني‌ها و تحليل‌هاي NCEP
ü پيش‌بيني‌ها و تحليل‌هاي NCEP AVN
oاطلاعات پيش‌بيني و تحليل‌هاي زمان واقعي ممكن در
سايت هاي اينترنتي مخصوص قابل دسترسي می باشند.
-معادلات اساسي مدل MM5
معادلات اساسي مدل غيرهيدروستاتيكي (MM5) در دستگاه مختصات سيگما (σ و y و x) عبارتند از:
معادله گرايش فشار:
معادله تكانه(مولفه x):
معادله تكانه(مؤلفه y):
معادله تكانه(مؤلفه z):
معادله ترموديناميك:
جملات فرارفتي
که در آن
جمله واگراي بصورت زير بسط داده مي‌شود.
نمونه هایی از خروجیهای مدل
MM5 :
مراجع :
vآزادی،مجید،1380،مروری بر فرآیند پیش بینی عددی وضع هوا،مجموعه مقالات همایش پیش بینی عددی در ایران،10-1.
vAnthes,T.A.,1977,A Cumulus Parameterization Scheme Utilizing a One Dimentional Cloud Model,Monthly
Weather Review
vNCAR WRF website,Weather Research and Forecasting Model,2002.
http://www.rain.mmm.ucar.edu/mm5/pages/wrf.html
vWRF Model Information,Weather Research and Forecasting Model,http://www.wrf- model.org /.