Assessment of Global Wave Products Against Lagrangian Drifting Buoys in the Southern Ocean

يُعد المحيط الجنوبي مكاناً من الحركة الدؤوبة، وهو حلقة شاسعة من المياه تحيط بالقارة القطبية الجنوبية حيث لا تقطع تدفق الرياح والأمواج أي قارات. ولأنه لا توجد كتل يابسة تكسر "المسافة المتاحة" (fetch) — وهي المسافة التي تهب فوقها الرياح لتوليد الأمواج — فإن هذه المنطقة تنتج بعضاً من أقوى حالات البحر على وجه الأرض. وتعتبر هذه المياه حيوية لمناخ الكوكب، إذ تعمل كمحرك ضخم ينقل الحرارة والكربون حول العالم، ومع ذلك تظل واحدة من أصعب الأماكن على كوكبنا من حيث الدراسة. فالطقس عدائي، والخدمات اللوجستية لإرسال السفن أو المعدات باهظة التكالية، ولعقود من الزمن، اضطر العلماء إلى الاعتماد على النماذج الحاسوبية لفهم ما يحدث هناك. وهذه النماذج ضرورية لكل شيء، بدءاً من التنبؤ بمسارات العواصف وصولاً إلى تصميم السفن التي يمكنها الصمود أمام الشتاء الأنطاركتيكي، لكنها لم تُختبر بدقة أبداً مقابل قياسات حقيقية في هذه البيئة القاسية والمحددة.

ولفهم مدى مطابقة هذه المحاكاة الرقمية للواقع، احتاج الباحثون إلى وسيلة للحصول على ملاحظات مباشرة من قلب العاصفة. لسنوات، أدى نقص البيانات المستمرة وعالية الجودة إلى جعل دقة توقعات الأمواج في المحيط الجنوبي مسألة تعتمد على التخمين المدروس. ويكمن التحدي الجوهري في فيزياء كيفية انتقال الطاقة من الرياح إلى سطح المحيط. فعندما تهب الرياح بسرعات هائلة، تتغير العلاقة بين الهواء والماء بطرق معقدة يصعب على الحواسيب حسابها بشكل مثالي. فإذا أخطأ النموذج في تقدير سرعة الرياح قليلاً، أو إذا فشل في مراعاة كيفية تغير خشونة سطح المحيط أثناء العاصفة، فإن ارتفاعات الأمواج الناتجة قد تختلف بشكل كبير. وهذا ليس مجرد شاغل أكاديمي؛ فبالنسبة لأي شخص يبحر في هذه المياه أو يخطط للبنية التحتية، فإن معرفة الارتفاع الحقيقي والقوة الفعلية للأمواج هي مسألة سلامة وبقاء.

لقد نجحت دراسة جديدة أخيراً في سد هذه الفجوة عبر وضع خمسة نماذج موجية عالمية مختلفة في مواجهة مجموعة فريدة من الملاحظات الواقعية. استخدم الباحثون شبكة مكونة من حوالي خمسين مستشعراً عائماً، تُعرف باسم عوامات "سبوتر" (Spotter buos)، والتي تم نشرها في ممر دريك وتركت لتنجرف بحرية مع التيارات عبر المحيط الجنوبي. وخلافاً للعوامات الثابتة المرساة في قاع البحر، تتحرك هذه المستشعرات مع الماء، حيث تعمل كأجهزة "لاغرانج" منجرفة تتبع المسار الفعلي للأمواج. وقد أُطلقت خلال عدة رحلات استكشافية لأنطاركتيكا، وكانت تحمل أجهزة استقبال GPS وأدوات لقياس الأمواج سجلت الارتفاع، والفترة، والاتجاه كل ثلاثين دقيقة. وقد خلق هذا قاعدة بيانات متزامنة ضخمة تضم أكثر من ستة وعشرين ألف مقارنة مباشرة بين ما رصدته العوامات وما توقعته النماذج الحاسوبية في نفس الموقع والوقت تماماً.

ركزت الدراسة على خمسة منتجات موجية عالمية مختلفة، وهي في الأساس برامج حاسوبية متنوعة تستخدمها مراكز الأرصاد الجوية حول العالم للتنبؤ وتحليل ظروف المحيطات. وشمل ذلك سجلات تاريخية طويلة الأمد تُعرف باسم "إعادة التحليل" (reanalyses)، والتي تجمع بيانات الطقس الماضية لخلق صورة متسقة للمناخ، بالإضافة إلى التوقعات التشغيلية المستخدمة للتنبؤات الجوية اليومية. واختبر الباحثون مدى أداء كل نظام من هذه الأنظمة في الظروف العادية، وكيف صمدت بشكل حاسم خلال العواصف الأكثر شدة، حيث تجاوزت ارتفاعات الأمواج ستة أمتار ووصلت في النهاية إلى قرابة تسعة أمتار.

وكشفت النتائج عن انقسام واضح في الأداء. فقد أثبت نظام التوقعات التشغيلية من المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى، المعروف باسم (IFS)، أنه الأكثر موثوقية بشكل عام؛ حيث أظهر أقل قدر من الأخطاء وأقرب تطابق مع قياسات العوامات في جميع المجالات. ويستفيد هذا النموذج من تصميم متطور حيث يتم ربط الغلاف الجوي وأمواج المحيط، مما يعني أن الحاسوب يحسب كيف تؤثر الأمواج على الرياح وكيف تؤثر الرياح على الأمواج في الوقت الفعلي. كما يستخدم شبكة دقيقة جداً، مما يسمح له برؤية التفاصيل الأصغر في الأنماط الجوية التي تغفلها النماذج الأقل دقة. وفي المقابل، فإن النماذج الأخرى، بما في ذلك نموذج (GFS) واسع الاستخدام من الولايات المتحدة ونموذج إعادة التحليل (ERA5)، كانت تقلل باستمرار من ارتفاع الأمواج، لا سيما خلال العواصف الأكثر حدة.

هذا التقليل من التقدير هو مشكلة معروفة في نمذجة الأمواج، وغالباً ما توصف بأن النماذج "تفقد القمم". وتؤكد الدراسة أن هذا يحدث لأن نماذج الغلاف الجوي العالمية تقوم بتنعيم تدرجات الضغط الحادة الموجودة في العواصف القطبية سريعة التزايد، مما يؤدي إلى سرعات رياح أقل من الواقع في المحاكاة. علاوة على ذلك، فإن الصيغ الرياضية المستخدمة لحساب مقدار الطاقة التي تنقلها الرياح إلى الأمواج تميل إلى الوصول إلى سقف عند سرعات الرياح العالية جداً، مما يمنع النموذج من توليد الطاقة الكاملة التي تحدث في الطبيعة. وبينما تمكن نموذج متخصص واحد، وهو (LOPS-WW3 hindcast)، من تصحيح هذا التقليل في ارتفاعات الأمواج القصوى باستخدام تعديل محدد للرياح العالية، إلا أن ذلك جاء مع مقايضة؛ حيث مال هذا النموذج إلى المبالغة في تقدير متوسط ارتفاع الموج وعانى في التنبؤ بدقة بالوقت بين قمم الأمواج، المعروف بفترة الموجة.

كما نظرت الدراسة في الاتجاه الذي تأتي منه الأمواج والوقت الذي تستغرقه الموجة للانتقال من قمة إلى أخرى. كانت جميع النماذج جيدة بشكل معقول في التنبؤ باتجاه الأمواج، مما يشير إلى أن مسارات العواصف واسعة النطاق مفهومة جيداً. ومع ذلك، مال كل نموذج على حدة إلى التنبؤ بفترات موج قصيرة جداً، خاصة في المناطق المغطاة بالجليد البحري. وهذا يشير إلى أن الفيزياء التي تحكم كيفية تفاعل الأمواج مع الجليد وكيفية انتقالها من الأمواج المتلاطمة الناتجة عن الرياح إلى الأمواج الطويلة الممتدة، ليست مدرجة بالكامل بعد في الجيل الحالي من النماذج.

لهذه النتائج آثار عملية فورية على أي شخص يعمل في المحيط الجنوبي أو يدرسه. فبالنسبة للمهام قصيرة المدى مثل الملاحة البحرية، أو البحث والإنقاذ، أو تخطيط الخدمات اللوجستية للبعثات الأنطاركتيكية، يبدو توقع (IFS) الأوروبي هو الأداة الأكثر موثوقية المتاحة؛ فهو يقدم صورة متوازنة ودقيقة لكل من البحار الهادئة والعواصف العنيفة. ومع ذلك، بالنسبة للمشاريع طويلة الأمد مثل تصميم المنشآت البحرية أو حساب مخاطر الأحداث المتطرفة على مدى عقود، فإن الاعتماد على السجلات التاريخية القياسية دون تصحيح قد يكون خطيراً. ولأن تلك السجلات تميل إلى التقليل من تقدير الأمواج الأكثر قوة، فإن استخدامها مباشرة قد يؤدي إلى بناء منشآت ليست قوية بما يكفي للصمود أمام عاصفة تحدث مرة واحدة في القرن.

وتؤكد هذه الأبحاث أنه بينما تحسنت قدرتنا على نمذجة المحيط، يظل المحيط الجنوبي مكاناً حيث تدفع الظروف الأكثر تطرفاً أدواتنا العلمية إلى أقصى حدودها. لقد قدم انجراف العوامات لمحة نادرة وقيمة عن السلوك الحقيقي للأمواج، كاشفاً أن العواصف الأكثر قوة غالباً ما تكون أكثر شدة مما تتنبأ به أفضل نماذجنا العالمية حالياً. ومن خلال تحديد أين ولما لماذا تقصر هذه النماذج بالضبط، توفر الدراسة خارطة طريق واضحة للتحسينات المستقبلية. فهي تسلط الضوء على الحاجة إلى صقل كيفية معالجة الحواسيب لانتقال الطاقة من الرياح إلى الماء خلال العواصف العاتية، وكيفية مراعاة التفاعلات المعقدة بين الأمواج والجليد البحري. وإلى أن يتم فهم هذه العمليات الفيزيائية بشكل أفضل وبرمجتها في النماذج، فمن المرجح أن تظل الأمواج الأكثر تطرفاً في المحيط الجنوبي أكبر وأقوى قليلاً مما تشير إليه محاكاتنا الرقمية.