توقّعات مسارات التكاثف

تستخدِم واجهة برمجة التطبيقات Contrails API نموذجين مختلفين للتنبؤ بالخطوط البيضاء: نموذج يستند إلى تعلُّم الآلة يتوقّع المناطق المحتملة لتشكّل الخطوط البيضاء، ونموذج يستند إلى الفيزياء، وهو نموذج توقّع السحب الركامية الناتجة عن الخطوط البيضاء (CoCiP)، ويتوقّع ارتفاع درجة الحرارة.

النموذج المستند إلى تعلُّم الآلة

يتوقّع نموذج التنبؤ "المناطق المحتملة لتشكّل السحب المتكاثفة" (CLZ) المستند إلى تعلُّم الآلة احتمالية تشكّل السحب المتكاثفة. النموذج هو شبكة عصبية عميقة تستخدم ميزات الطقس كمدخلات وتتوقّع مناطق السحب الخطية استنادًا إلى عمليات رصد السحب الخطية من الأقمار الصناعية (Geraedts et al. 2023).

تتألف مدخلاته بشكل أساسي من ميزات الطقس في نظام HRES، وهي: الرطوبة النوعية ودرجة الحرارة ومكوّن الرياح u ومكوّن الرياح v والسرعة العمودية والزوبعة النسبية ونسبة الغطاء السحابي ومحتوى الماء الجليدي السحابي النوعي ومحتوى الماء الثلجي النوعي والتباعد. يتم احتساب الرطوبة النسبية باستخدام الرطوبة المحددة ودرجة الحرارة. تشمل المدخلات إلى النموذج أيضًا الوقت الشمسي المحلي ويوم السنة وخط العرض والارتفاع لنقاط طريق الرحلة.

في بعض المناطق الجغرافية (مثل الولايات المتحدة)، يتم ضبط النموذج بدقة لاستخدام خطوط الطول والعرض والارتفاع كميزات إدخال، بينما يستخدم النموذج الاحتياطي العالمي خطوط الطول والارتفاع فقط.

يحقّق النموذج أداءً متطوّرًا عند تقييمه استنادًا إلى بيانات ملاحظات حول آثار التكاثف.

نموذج CoCiP

يتوقّع نموذج Contrail Cirrus Prediction قوة الطاقة الناتجة عن مسار التكاثف، وهو مقياس للتأثير على المناخ لمسار التكاثف.

يتم تعريف فرض الطاقة على النحو التالي:

\[ EF [J] = \int_{0}^{t} RF'(t) \times L(t) \times W(t)dt \]

أي القوة الإشعاعية اللحظية الناتجة عن الدخان المتكثف والمدمجة على مدار عمره (Teoh et al. 2020). يتم تسوية قوة الطاقة حسب مسافة الطيران، ما يؤدي إلى وحدات (جول/متر).

‫CoCiP هو نموذج قائم على الفيزياء يحاكي عملية تكوّن آثار التكاثف وتطوّرها وتأثيرها باستخدام الظروف الجوية ونوع الطائرة ومسار الرحلة وغيرها من الميزات (Schumann 2012 وSchumann et al. 2012). يستخدم النموذج 10 عناصر من مجموعة التوقعات عالية الدقة (HRES ENS) الصادرة عن المركز الأوروبي للتوقعات الجوية المتوسطة المدى (ECMWF) كمدخلات لتحديد مسار نقاط الطريق التي تشكّلت فيها آثار التكاثف، وذلك من خلال التوقّع بموقعها المستقبلي (Hersbach et al. 2020). يستخدم نموذج CoCiP أيضًا نظرية الفيزياء المجهرية السحابية لتحديد آثار التكاثف التي تستمر، مع الأخذ في الاعتبار التيارات الهابطة الأولية والسقوط والتسامي. وبالنظر إلى التطور المحاكى لمسار التكاثف، يحسب CoCiP قوة الطاقة استنادًا إلى خصائص مسار التكاثف والظروف الجوية المحيطة.

بالإضافة إلى تقدير CoCiP لقوة الطاقة، يتم احتساب تقدير مناخي لقوة الطاقة من خلال حساب متوسط مخرجات CoCiP على مدار عام، ويتم تصنيفها حسب الوقت من اليوم والموسم وخط العرض.

كمية فرض الطاقة النهائية هي متوسط فرض الطاقة من أعضاء مجموعة CoCiP الذين لديهم EF غير صفري ومتوسط مناخي غير صفري دائمًا. ويضمن تضمين علم المناخ في المتوسط تقديرًا لتأثيرات الطائرات النفاثة، حتى عندما لا تتوقّع أداة CoCiP تشكّل طائرة نفاثة باستخدام أي من أعضاء مجموعة الطقس.

قوة الطاقة الفعالة المتوقّعة

بعد ذلك، يتم حساب القوة الدافعة المتوقّعة للطاقة الفعّالة على النحو التالي: نضرب احتمالات تكوّن السحب المتكاثفة التي تم حسابها من نموذج تعلُّم الآلة في القوة الدافعة للطاقة الفعّالة لهذه السحب التي تم حسابها من نموذج CoCiP.

قيم مؤشر التأثير الإشعاعي لمسارات التكاثف

يمكن بعد ذلك ربط قيم الطاقة الفعالة المتوقّعة المحسوبة بمقياس من 0 إلى 4 لإنتاج قيم مؤشر تأثير التكاثف. تستند قيم مؤشر Contrail forcing إلى قيم توقعات الاضطرابات الجوية.

تحوّل واجهة برمجة التطبيقات Contrails API قيمة expected_effective_energy_forcing إلى مؤشر الخطورة contrails من خلال الاقتصاص ومقياس خطي:

ds["contrails"] = ds["expected_effective_energy_forcing"].clip(min=2e7, max=2e8)
ds["contrails"] = ((ds["contrails"] - 2e7) / (2e8 - 2e7)) * 4

للحصول على مزيد من المعلومات الأساسية حول عملية الربط هذه، يُرجى الاطّلاع على تفسير فرض الطاقة.

بالإضافة إلى ذلك، يمكنك الاطّلاع على ملاحظات إصدار Contrails API والاشتراك في الإشعارات لتلقّي إشعارات بشأن التغييرات في هذا المقياس.

الخطوات التالية

المراجع

  • Geraedts, Scott, Erica Brand, Thomas R. Dean, Sebastian Eastham, Carl Elkin, Zebediah Engberg, Ulrike Hager, et al. 2023. "A Scalable System to Measure Contrail Formation on a per-Flight Basis." arXiv [physics.ao-Ph]. arXiv. http://arxiv.org/abs/2308.02707.
  • Hersbach, Hans, Bill Bell, Paul Berrisford, Shoji Hirahara, András Horányi, Joaquín Muñoz-Sabater, Julien Nicolas, et al. 2020. "The ERA5 Global Reanalysis". Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 146 (730): 1999-2049.
  • Schumann, U. 2012. "نموذج توقّع السحب النفاثية" Geoscientific Model Development 5 (3): 543-80.
  • Schumann, U., ب. Mayer, K. غراف و"إتش". مانشتاين 2012. "نموذج إشعاعي وسيطي للتأثير الإشعاعي الناتج عن السحب النفاثية" Journal of Applied Meteorology and Climatology 51 (7): 1391-1406.
  • "شابيرو" و"مارك" و"زيب إنجبرغ" و"روجر تيو" و"مارك ستيتلر" و"توم دين" 2023. ‫Pycontrails: مكتبة Python لنمذجة تأثيرات الطيران على المناخ. https://doi.org/10.5281/zenodo.825291
  • Teoh, Roger, Ulrich Schumann, Arnab Majumdar, and Marc E. ي. Stettler. 2020. "Mitigating the Climate Forcing of Aircraft Contrails by Small-Scale Diversions and Technology Adoption." Environmental Science & Technology 54 (5): 2941-50.