Rethinking Surface-Layer Parameterization: A Turbulence-Based Framework Without Using Similarity Functions and Its Impacts on Surface–Atmosphere Coupling

إن الهواء الذي نتنفسه ليس ساكناً حقاً أبداً. فحتى في الأيام الهادئة، تعمل الدوامات والاضطرابات غير المرئية على خلط الغلاف الجوي باستمرار، حاملةً الحرارة والرطوبة والملوثات بين الأرض والسماء. ولأكثر من خمسين عاماً، اعتمد العلماء على مجموعة محددة من القواعد لوصف هذا الخلط، لا سيما في الطبقة الدنيا من الغلاف الجوي حيث نعيش. هذه القواعد، المعروفة باسم "دوال التشابه"، تعمل مثل دليل ترجمة، حيث تساعد النماذج الحاسوبية على تحويل الواقع المعقد والمضطرب للرياح ودرجة الحرارة إلى أرقام يمكن حسابها. وهي تعمل من خلال مقارنة الحالة الراهنة للهواء بحالة مثالية معيارية، وتعديل الحسابات بناءً على ما إذا كان الهواء مستقراً أم غير مستقر. وبينما كانت هذه القواعد هي العمود الفقري للتنبؤ بالطقس ونمذجة المناخ، إلا أنها مبنية على علاقات تجريبية مستمدة من تجارب محددة أجريت منذ عقود. ومع ازدياد قوة النماذج، بدأ العلماء يتساءلون عما إذا كانت أدلة الترجمة القديمة هذه لا تزال هي الطريقة الأفضل لوصف الرقصة المتغيرة باستمرار للغلاف الجوي، أو ما إذا كانت تسبب أخطاءً تتردد أصداؤها في توقعاتنا للعواصف وموجات الحر وجودة الهواء.

تقترح دراسة جديدة قادها باحثون في المركز الوطني لأبحاث الغلاف الجوي (NCAR) والإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) طريقة مختلفة للتفكير في هذه المشكلة. فبدلاً من الاعتماد على أدلة الترجمة الراسخة تلك، طور الفريق إطار عمل يسمح للاضطراب بالتحدث عن نفسه. لقد ابتكروا طريقة جديدة، تم تنفيذها في نموذج "البحث والتنبؤ بالطقس" (WRF) واسع الاستخدام، والتي تحسب كيفية حركة الهواء بناءً مباشرة على طاقة الدوامات الملتوية بالقرب من السطح. في هذا النهج، لا يتم فرض استقرار الغلاف الجوي في الحساب عبر صيغة تصحيح منفصلة؛ بل يتم دمج الاستقرار في صلب مقياس سرعة حركة الهواء واختلاطه. اختبر الباحثون هذا النظام الجديد مقابل الطريقة القياسية من خلال تشغيل عمليات محاكاة لمدة خمسة أيام فوق الولايات المتحدة بأكملها خلال فصل شتاء نموذجي وفصل صيف نموذجي. ووجدوا أنه من خلال إزالة القواعد القديمة وترك الاضطراب يقود عملية التبادل، أنتج النموذج سرعات رياح أكثر واقعية، خاصة في الليل، وغير طريقة مشاركة الحرارة والرطوبة بين الأرض والجو بطرق غيرت سلوك العواصف الصيفية.

لقد كان النهج القياسي هو الافتراضي لنماذج الطقس لفترة طويلة لأنه يوفر طريقة متسقة للتعامل مع الانتقال بين الليل والنهار، عندما يتحول الغلاف الجوي من كونه مختلطاً جيداً ومضطرباً إلى كونه هادئاً ومستقراً. ومع ذلك، فإن اختيار القاعدة المحددة لاستخدامها يمكن أن يغير نتيجة التوقعات بشكل كبير. فالصيغ المختلفة يمكن أن تؤدي إلى تنبؤات مختلفة حول كمية الحرارة التي ترتفع من الأرض أو سرعة الرياح بالقرب من السطح. وهذه الاختلافات ليست مجرد تعديلات طفيفة؛ إذ يمكنها تغيير ارتفاع الطبقة الحدودية، وسُمك كتلة الهواء التي تختلط بالسطح، وحتى شدة هطول الأمطار. وتشير الدراسة الجديدة إلى أنه من خلال ربط الحسابات بالسرعة الفعلية للاضطراب، بدلاً من الاعتماد على صيغة معدة مسبقاً، يمكن للنموذج التكيف بشكل طبيعي مع هذه الظروف المتغيرة.

في عمليات المحاكاة الخاصة بهم، قارن الباحثون بين طريقة الاضطراب الجديدة، التي يسمونها "إيستار" (ESTAR)، وبين الطريقة القياسية المعروفة باسم "بيس" (BASE). وخلال محاكاة الشتاء، التي تميزت بهواء بارد ومستقر ورياح ضعيفة، أظهرت الطريقة الجديدة تفوقاً واضحاً؛ حيث قللت الخطأ في سرعات الرياح المتوقعة بنحو 0.5 إلى 1 متر في الثانية تقريباً. والأهم من ذلك، أنها جعلت الدورة اليومية للأخطاء أكثر سلاسة، حيث كانت الطريقة القياسية تميل إلى المبالغة في تقدير سرعات الرياح ليلاً والتقليل منها نهاراً، مما يخلق نمطاً متعرجاً وغير واقعي. أما الطريقة الجديدة فقد أنتجت انحرافاً أكثر استواءً واتساقاً، مما يشير إلى أنها تتعامل مع الانتقال الصعب للهواء المستقر والهادئ بشكل أفضل من القواعد التقليدية. وهذا التحسن أمر بالغ الأهمية لأن التنبؤات الدقيقة بالرياح ضرورية لكل شيء، من سلامة الطيران إلى فهم كيفية تشتت الملوثات في الهواء.

كانت النتائج مختلفة، لكنها ظلت مهمة، خلال محاكاة الصيف. فعندما تسخن الشمس الأرض، يصبح الهواء غير مستقر ويرتفع في تيارات قوية، مما يخلق طبقات مضطربة عميقة. وفي هذه الظروف، غيرت الطريقة الجديدة كيفية تبادل الطاقة مع الغلاف الجوي. فقد زادت كمية الحرارة المحسوسة، وهي الدفء الذي تشعر به على جلدك، الارتفاع من الأرض بنحو 50 إلى 150 واط لكل متر مربع خلال النهار. هذا التحول في تقسيم الطاقة يعني أن الطبقة الحدودية نمت لتصبح أكثر طولاً وأصبح الهواء بالقرب من السطح أكثر دفئاً قليلاً. وبينما أنتجت الطريقة القياسية والطريقة الجديدة نتائج متشابهة فيما يتعلق بالرطوبة ودرجة الحرارة في بعض المناطق، إلا أن النهج الجديد غير بشكل جوهري التوازن بين تسخين الهواء وتبخر الماء. وكان لهذا التغيير في ميزانية طاقة السطح تأثير مباشر على كيفية تطور العواصف.

ولعل النتيجة الأكثر إثارة للدهشة كانت كيفية تأثير هذه التغييرات في الطبقة الدنيا من الغلاف الجوي على الطقس في الأعلى. فقد قللت الطريقة الجديدة باستمرار من شدة هطول الأمطار المفرطة في عمليات المحاكاة. ففي عدة مناطق، أنتج النموذج الجديد هطول أمطار أقل شدة بنحو 20 إلى 40 ملم يومياً من النموذج القياسي، الذي كان يميل إلى المبالغة في تقدير قوة العواصف. وبدلاً من حدوث زخات مطرية مكثفة ومركزة، أنتجت الطريقة الجديدة هطول أمطار أكثر انتشاراً عبر المناظر الطبيعية. وهذا يشير إلى أنه من خلال تمثيل كيفية خلط الحر والرطوبة بالقرب من الأرض بشكل أفضل، يخلق النموذج بيئة أكثر واقعية لتشكل العواصف، مما يمنعها من أن تصبح شديدة التركيز وعنيفة. ومع ذلك، أشارت الدراسة أيضاً إلى أنه بينما تحسنت الشدة، فإن موقع العواصف لم يصبح بالضرورة أكثر دقة، مما يشير إلى أن عوامل أخرى في النموذج لا تزال تتحكم في مكان سقوط المطر.

نظر الباحثون أيضاً في كيفية حدوث هذه التغييرات في بيئات مختلفة، مثل المدن مقابل المناطق الريفية. ووجدوا أن الطريقة الجديدة كانت حساسة بشكل خاص للفروق بين الأسطح الحضرية والريفية خلال الأيام المشمسة الحارة. وفي هذه الظروف، عزز النموذج الجديد التباين في التبادل الحراري بين المدينة والريف، مما يعكس التأثير الأقوى للطفو والاضطراب في غلاف جوي حملي. ويشير هذا الحساسية إلى أن إطار العمل الجديد يلتقط الواقع الفيزيائي لكيفية تفاعل الأسطح المختلفة مع الهواء بشكل أكثر فعالية من القواعد القديمة، التي غالباً ما تعامل هذه التفاعلات بمنهج واحد يناسب الجميع.

على الرغم من هذه النجاحات، لا تدعي الدراسة أن الطريقة الجديدة هي بديل مثالي لجميع الحالات. فقد كانت التحسينات أكثر وضوحاً في المتغيرات التي يتحكم فيها التبادل المضطرب مباشرة، مثل سرعة الرياح، بينما كانت التأثيرات على درجة الحرارة والرطوبة أكثر شرطية، اعتماداً على الموسم والموقع المحدد. وأظهرت البنية الرأسية للغلاف الجوي، أي طبقات الهواء فوق السطح، أن أكبر الاختلافات بين الطريقتين ظلت محصورة في الكيلومتر الأدنى. وهذا منطقي، حيث إن الطريقة الجديدة مصممة لإصلاح الطبقة السطحية، ويتلاشى تأثيرها طبيعياً كلما ارتفعنا في الغلاف الجوي، حيث تتولى قوى أخرى زمام الأمور.

يمثل هذا العمل خطوة هامة نحو طريقة أكثر اتساقاً فيزيائياً لنمذجة الغلاف الجوي. فلعقود من الزمن، اعتمد المجال على مجموعة من الصيغ التي، رغم فائدتها، هي في الأساس تقريبات لواقع أكثر تعقيداً بكثير. ومن خلال تحويل التركيز إلى الاضطراب نفسه، أظهر الباحثون أنه من الممكن بناء نموذج لا يحتاج إلى تلك عوامل التصحيح الخارجية ليعمل. وتشير النتائج إلى أنه عندما يكون الغلاف الجوي هادئاً ومستقراً، أو عندما يكون مضطرباً بحرارة الصيف، فإن ترك الاضطراب يقود عملية التبادل يؤدي إلى صورة أكثر واقعية لكيفية تفاعل الأرض والسماء. وبينما لا تزال الطريقة الجديدة تتطلب مزيداً من الاختبار عبر مناخات وتكوينات نماذج مختلفة، إلا أنها تقدم مساراً واعداً لتقليل حالات عدم اليقين التي لطالما أرقت توقعات الطقس والمناخ. وتخلص الدراسة إلى أن التبادل في الطبقة السطحية يمكن بالفعل تمثيله دون استخدام دوال التشابه التقليدية، مما ينتج نظاماً يتسم بالواقعية الفيزيائية والوعي بالظروف المتغيرة للغلاف الجوي.