مـــــاهي النمـــاذج العـــدديــة ،،، !! دراســة فــيزيــائية نقدية .

[ماجد العتيبي]

اولا الموضوع للخبير والباحث المناخي الاستاذ / خالد العتيبي
عضو الوكالة اليابانية للارصاد الجوية
ثانيا : انا نقلت الموضوع لاهميته لجميع الاعضاء
ارجو ان يتم استفادة الجميع من الموضوع فهو بحق
يعتبر مرجع وتم تسهيله وتبسيطة من قبل خبيرنا فجزاه الله خير الجزاء

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

ما هي النماذج العددية ؟

سأبتعد عن طرح بدايات وتأريخ ظهور النماذج .. كون هذه المعلومات تأريخية
ربما نذكرها في ردودنا على هذا الموضوع بمشيئة الله .

أولا قبل التعريف الكامل : لفظة نموذج عددي تعني :

عمليات رياضية حسابية عددية ( تم تحديدها ) محاكاة ووصفا لديناميكية الغلاف الجوي
والعلاقات بين الظواهر الجوية كلا على حدة في نطاق معين .

بمعنى أن الظواهر الجوية تم تحويلها إلى مسائل رياضية حسابية .

ولا يتم التعريف حتى نعرف الكيفية التي تعمل عبرها تلك النماذج

ثانيا : كيف تعمل النماذج العددية ؟

يتم تقسيم المنطقة المراد أخذ التوقعات عليها إلى :

شبكة من المربعات أو الدوائر ، بارتفاع معين وبمساحة معينة ،

ويتم أخذ الحالة الجوية على تلك المنطقة ( كدرجات الحرارة والرياح والرطوبة والإشعاع )
وتحويل تلك البيانات ( الحالة الجوية ) إلى معادلات رياضية رقمية
يتم برمجتها على الحاسوب الخاص بالنموذج العددي مسبقا .
ومن ثم إخراج النتيجة ( حاصل علاقات درجة الحرارة والرياح والرطوبة مثلا ببعضها البعض
مع المكان والزمان المحدد ) بشكل رقمي رياضي .

ثالثا : أنواع النماذج العددية ؟

أولا : النماذج الخاصة بالطقس والمسماة بـ :

Numerical Weather Prediction

تنقسم النماذج العددية ( عموما ) بحسب اتساع الشبكة التي تجرى داخلها العمليات الحسابية .

وهي كالتالي :

1-النماذج الشاملة . والمسماة :

Global models

وهي تغطي كامل مساحة الكرة الأرضية . كالنموذج الأمريكي : GFS المسمى بـ ( نظام التوقعات العالمي ) ، أو الأوروبي ECMWF

وهي تخرج بعدد من الفترات الزمنية المختلفة تصل إلى أسبوعين .

2 – النماذج المحددة . والمسماة بـ :

Limited area Model

أو

Limited-area synoptic scale and mesoscale models

وهي تغطي مساحات محددة من الكرة الأرضية .

ومنها نماذج :

Mesoscale Models

المسماة بـ ( نماذج المقاييس المتوسطة )

كالنموذج الأمريكي MRF

ومنها النماذج الأخيرة التي ظهرت والمختصرة بـWRF

اختصارا لجملة : ( بحوث الطقس والتنبؤ )

وهي التي يتوقع أن تحل عيوب النماذج !

هذا القسم يسمى على العموم بأسلوب النمذجة

الإقليمية : Regional Model

ويسميه البعض بـ النماذج الموضعية أو القابلة للوضع : relocatable Model

لأنها تغطي إقليما معينا أوسع قليلا . كالجزيرة العربية أو شبه القارة الهندية مثلا .

أو إقليما ضيقا قليلا كدولة صغيرة كفلسطين ولبنان مثلا . أو ساحلا أضيق .. كسواحل الإمارات مثلا .

وهي تصدر بفترات زمنية بين اليومين و الثلاثة أيام إلى الأسبوع .

وقد تم تصميم نماذج مخصصة لمراقبة البحار والخلجان والمحيطات بعضها نماذج إقليمية ..
والبعض نماذج شاملة . ولم تعد مقتصرة على الغلاف الجوي عكس بداياتها الأولى .

::

::

هذه النماذج ( النوعان السابقان ) تصدر للمتلقي بأسلوبين حسابيين أحدهـما أفضل من الآخر :

الأسلوب الأول : وهو الأسلوب القطعي الحتمي أو السببي .

وهو المسمى بـ : نشرات الطقس القطعية .

Deterministic Weather Forecasts

ينتج صورة واحدة للتوقع .. لا يحتمل صورا أخرى . ولا يعطي نسبة تحقق التوقع من عدمه .

الأسلوب الثاني : وهو الأسلوب الاحتمالي .

وهو المسمى بـ : نشرات الطقس الاحتمالية .

Probabilistic Weather Forecasts

ومنه نماذج الإنسامبل ؛ أسلوب ( المجاميع ) .

ينتج أكثر من صورة للتوقع . و يحتمل صورا أخرى . و يعطي نسبة تحقق التوقع من عدمه .

وهذا النوع هو الأفضل والأكثر ثقة .. ولا يجد معارضة في أوساط العلماء والناس العاديين
بل يحظى بالقبول .
لأنه يصيغ التنبؤات بمبدأ الشك وعدم القطع بحدوثها

::

::

تلك الأنواع بكامل تفرعاتها هـي أبرز ما يوجد حاليا ..
رغم أن العلماء اختلفوا في التقسيم ووضعوها ثلاثة أقسام ..
لكنني قمت بتقسيم هذه النماذج في ضوء دراستي حول طريقة عمل النماذج المخصصة للطقس
لقسمين فقط وهي الأصح في نظري .

[ماجد العتيبي]

قبل أن نشرع في الحديث عن نماذج المقاييس المتوسطة
أو النماذج المحدودة التي منها نموذج WRF

ينبغي أن نذكر السبب في ظهورها

ظهرت هذه النماذج مثل نموذج MM5 أو نموذج WRF
أو نموذج COAMPS
سعيا من العلماء في كشف علاقة المكان بمناخه وزمانه
بشكل مقرب .

كيف ؟

سنضرب مثالا حتى يتضح الشرح :

نموذج GFS الشامل مثلا حجم التصميم فيه ومدى اتساع الـدومين أو ما يسمى بـ resolution
يصل إلى 80 كيلو متر

بمعنى أنه أفضل ( علميا ) لمتابعة الطقس على مستوى العالم
لكن على المدى المحلي المحدود ولنقل : الإمارات مثلا
فإن نموذج WRF أكثر منه دقة وقربا والسبب لأن حجم التصميم فيه ومدى اتساع الـدومين ( المنطقة ) يصل إلى 20 كيلو متر فقط وأقل أيضا على ما تريد

بمعنى أنه قريب ولا يغفل مظاهر جوية صغيرة لأنه يلحظها بدقة

لذلك :
كلما قل حجم الـ resolution في النموذج صغرت المساحة التي يغطيها .. وكلما ازداد حجم الـ resolution كلما اتسعت المساحة التي يغطيها النموذج طبعا

نموذج WRF مثلا يأخذ نفس بيانات النموذج GFS
لكنه يقوم بمعالجتها على مساحة أصغر بعكس النموذج
GFS يقوم بمعالجتها على مساحة أوسع


لذلك إمعانا من العلماء في البحث عن الدقة صمموا نماذج
إقليمية أو محدودة بتصاميم resolution أكثر قربا من المكان


هذا هو السبب الذي أخرج لنا نماذج WRF ومثيلاتها

ولكي أكون واضحا أكثر

هذا مثال مصور لنموذج RUC يصدر بتصميمين

أحدهما حجم الـ التصميم : resolution
13 كيلومتر

والآخر حجم التصميم : resolution
20 كيلومتر



لاحظوا الفرق

النموذج بالتصميم 20 كيلومتر يضخم من النتائج
تماما كما نرى في كثير من الأحيان نموذج GFS
يضع توقعات غزيرة جدا وعلى أرض الواقع نراها أقل .

لكن ثمة سؤال :

أيها أفضل في المتابعة ؟

سنؤخر هذا السؤال والإجابة عليه .

النماذج Mesoscale Models

معروفة بأنها لا تعطي مدة أطول .. والسبب في ذلك أنها
تقيس مكانا ضيقا أو محدودا ( حجم الريزلوشن resolution ) ضيق .

بعكس النماذج الشاملة كالنموذج GFS الأمريكي فهو يعطي مدة أطول لأن حجم ( الريزلوشن resolution ) كبير .

كذلك هي أكثر حرية من النماذج الشاملة

كيف ؟


النماذج الشاملة تنتظر اكتمال بيانات كل المساحة التي التغطيها على الأرض لبرمجتها حاسوبيا

لكن نماذج WRF تنتظر فقط جمع البيانات في منطقتها التي تدرسها دون مراعاة للوضع في المناطق الأخرى التي لا تدرسها


نماذج المقاييس المحدودة أو المتوسطة

لاشك هي كغيرها تعني بجانبين مهمين في تصاميمها :

جانب التغطية الأفقية

وجانب التغطية الرأسية


سنأخذها بتوضيح أكثر

لو جئنا إلى حجم دقة التغطية الأفقية
Horizontal Resolution

للنموذج الإقليمي ETA الأمريكي

وفي الأخير هو حجم الدومين الذي يحيط به النموذج

يصل حجم Resolution الأفقي إلى :
12 كلم متر فقط

وهذا يعني أنه عال الدقة . ومثله مثل النماذج WRF و
MM5

طبعا الريزولوشن هي تفسير للدقة

سنضرب أمثلة مصورة على الدقة الأفقية

هذا مثال مشروح على الدقة الأفقية أو : التصميم الأفقي

لأحد نماذج WRF





لاحظوا كلما بات أقرب إلى مشاهدة الأرض كلما كان ذلك أقصى دقة بالنسبة للنموذج بشكله الأفقي

ولاحظوا هذا المثال على نماذج WRF



طبعا دقة الناتج الأفقي يعني دقة مطابقته للناتج الرأسي
( دقة التغطية الرأسية )

لاتنساقوا خلف دقة نماذج ETA أو WRF أو MM5

لم نأت إلى إجابة السؤال !

التصميم الرأسي أو الدقة الرأسية Vertical Resolution

للنموذج MM5 مثلا وهو من النماذج كما قلنا غير الشاملة
محلي إقليمي

أي أنها تتابع محتوى ضيق ودومين محدد طمعا في الدقة


لاحظوا الدقة الرأسية أو التصميم الرأسي لهذا النموذج



لاحظوا أنه كلما ازداد دقة أفقية ازداد دقة رأسية

وكشف جميع العلاقات الأفقية والرأسية بالمكان المحدد






والله أعلم

[ماجد العتيبي]

ختمنا والحمد لله عدة نقاط .. بقيت نقاط مهمة في شرح عمل النماذج الإقليمية أو المحلية . وهي مهمة جدا


طبعا النماذج الشاملة تسير بنفس الطريقة ولكن ببعد أكبر .


نختم بهذه اللوحة لهيكلة النماذج الإقليمية والمحلية





الحمد لله الذي فتح علينا من الفهم حتى وصلنا إلى هذه المرحلة
الدقيقة

يا ليت إذا كان هناك سؤال حول ما سبق عن شيء غير واضح
في الشرح حبذا تنبيهي على ذلك

بمشيئة الله نختم طريقة عمل النماذج حتى تتضح لنا بأسلوب سهل كالعادة
ثم نصل معكم إلى نقدها جميعا

[ماجد العتيبي]

ثانيا : النماذج المناخية والخاصة بالتنبؤات الفصلية والتغيرات المناخية :



المسماة بـ :


Numerical Climate Prediction


تقوم على عنصرين اثنين :



الأول : دمج بيانات الطقس على مر 30 سنة أو 50 سنة ماضية عبر ما يسمى بـ :


النموذج الإحصائي :


Statistical Model




الثاني : دمج بيانات الظواهر المناخية الكبيرة في الكرة الأرضية التي تمر بالمحيطات والغلاف الجوي والغلاف الجليدي .. وهو المسمى بـ : النموذج الديناميكي :


Dynamical Model







هذا فيما يتعلق بنماذج التوقعات الفصلية .. أما فيما يتعلق بنماذج التوقعات المناخية المخصصة لتغير المناخ واستقراء المناخ القديم أو المتوقع لمئات السنين المقبلة :


فهي تقوم على :



دمج دورات الطبيعية المتنوعة وتوضحها هذه الصورة


التي تبين تطور خطة العمل للنماذج المناخية الاستقرائية :









اتخذت النماذج المناخية الفصلية والمناخية السحيقة عدة صور في إنتاجها .


طبعا هي تقسم الكرة الأرضية إلى شبكات ومربعات أيضا بنفس طريقة عمل النماذج المخصصة للطقس .


ولكن المحتوى والمساحة والشبكات ( العمليات الحسابية ) أكبر ، خصوصا نماذج استقراء المناخ القديم أو المتوقع لمئات السنين المقبلة حيث تحتاج للعمل لأيام حتى تستقرئ المناخ قبل آلاف السنين كالنماذج المناخية المخصصة لاستقراء المناخ السحيق . و تجري عمليات حسابية هائلة .




النماذج المناخية الفصلية تشمل بالطبع :


الغلاف الجوي والغلاف المائي ، وأخيرا الغلاف الجليدي آخر الواصلين .



تنتج بطريقتين :


حتمية واحتمالية كما في مركز بوسان الآسيوي المناخي في كوريا بنفس أسلوب تصدير نماذج الطقس .



جميع النماذج تعمل على :


أجهزة سوبر كمبيوتر



::


::


::


هذه مقدمة فقط .. بحيث سنمر بمشيئة الله على :


عيوب نماذج الطقس والمناخ والحل المقترح عبر النماذج الفيزيائية :


نماذج المحاكاة العامة للظواهر الديناميكية والمسماة بـ :


Computational fluid-dynamics


المعروفة بـ : CFD ) models )



بعض المصادر العلمية وضعت نماذج CFD كنوع ثالث للنماذج العددية ، لكنني أخرجتها من التقسيم السابق .. والسبب أنها ليست فقط للطقس والمناخ ، بل هي لجميع الظواهر الطبيعية .. بل تستخدم على جميع الأصعدة العلمية كالصناعات والطب والكيمياء والأحياء وغير ذلك .



وهي نماذج ( تصميم وتعديل ) أي أن نتائجها الناجحة تدخل في تعديل نماذج الطقس أو المناخ بشكل أخير .


::


::


سيكون هذا الموضوع بمشيئة الله مفضلة مواقع المتابعات الجوية مزيدا في توضيح الشروحات .



نسأل الله التوفيق والسداد للجميع



محبكم أبوحمدان

[رياح الصبا]

ماشاء الله تبارك الله
موضوع ذو معلومات مفيدة
بارك الله فيك
أسأل الله ان يجزل لك الاجر والمثوبة
يعطيك العافية
بيض الله وجهك

[غفق]

وعليكم السلام ورحمة الله وبركاته
مشكور خبيرنا ماجد العتيبي على النقل المميز
ولاننسى خبيرنا خالد العتيبي على الشرح الوافي الرائع
معلومات قيمة لشرح النماذج

[صلاح الزعاقي]

جزاك الله خير أستاذنا ماجد وجزا الله خيرا أستاذنا خالد على الشرح العلمي الميسر

لا شك أن ما تم طرحه يحتاج للكثير من الوقت لقراءته واستيعاب محتواه والاجتهاد من المتلقي

في المتابعة والتطبيق والاستمرار في البحث لتنمية المعرفة

والأستاذ خالد حريص على نفع إخوانه كما هو الأستاذ ماجد وجميع الخبراء الكرام المتمكنين

في علوم الطقس والمناخ

اللهم اكتب الأجر والمثوبة على هذا الطرح العلمي المميز لأخوينا خالد وماجد

وزدهما علمًا وبصيرة .

[عبدالرحمن حميد]

جزاك الله خير اخوي ماجد على الموضوع
والشكر موصول للعملاق خالد العتيبي
وانا كنت ابحث عن هذه المعلومات من زمان ووجدت عن النماذج العدديه باللغه الانجليزيه وتعبت في ترجمتها وللاسف كلها ترجمه حرفيه من احدى المواقع الغربيه ولم استطع تجميع الموضوع ولكن استاذنا خالد العتيبي ماقصر في الطرح المميز الذي يحتاج له كل متابع ومراقب خرائط ليعرف معلومات يجهلها عن تلك التنبؤات ومدى اختلافها في التوقع من ناحية الدقه وغيرها.....

تحياتي موضوع يستحق التميز

[نزيه الحيزان]

بارك الله بكما
وجعل ذلك في موازين حسناتكم
حقيقة جهد طيب وعمل مُتقن وثمرة من ثمار العلم والمعرفه
شكراً لك أخي ماجد والشكر موصولاً للأخ خالد
طبتم وطابت أيامكم

[ابوفيصل]

جزاك الله خير اخوي ماجد على الموضوع
والشكر موصول الخبيرنا خالد العتيبي