التنبؤات الجوية البحرية

في أكتوبر/تشرين الأول عام 1859، تحطمت سفينة الشحن البخارية "رويال تشارتر" في عاصفة عاتية قبالة جزيرة أنجلسي  ، مما أسفر عن مقتل 450 شخصًا. وعلى إثر هذه الخسارة، أطلق نائب الأدميرال روبرت فيتزروي خدمة إنذار للسفن في فبراير/شباط عام 1861، باستخدام الاتصالات التلغرافية. وظلت هذه الخدمة من المسؤولية الرئيسية لمكتب الأرصاد الجوية البريطاني لبعض الوقت بعد ذلك. في عام 1911، بدأ مكتب الأرصاد الجوية بإصدار تنبؤات جوية بحرية تضمنت تحذيرات من العواصف والرياح العاتية عبر البث الإذاعي للمناطق المحيطة بالجزر البريطانية. ^{[ 1 ]} توقفت هذه الخدمة خلال الحرب العالمية الأولى وبعدها ، بين عامي 1914 ويونيو/حزيران 1921، ثم مرة أخرى خلال الحرب العالمية الثانية بين عامي 1939 و1945. ^{[ 2 ]}

بدأت أولى محاولات برنامج الأرصاد الجوية البحرية في الولايات المتحدة في نيو أورليانز، لويزيانا، على يد فيلق الإشارة التابع للجيش الأمريكي . فقد أصدرت مذكرة بتاريخ 23 يناير 1873 توجيهًا لمراقب الإشارة في نيو أورليانز بنسخ البيانات المناخية من سجلات السفن الواصلة إلى الميناء. ^{[ 3 ]} وفي عام 1904، نُقلت مسؤولية التنبؤات الجوية البحرية من البحرية الأمريكية إلى مكتب الأرصاد الجوية، مما أتاح تلقي بيانات الأرصاد الجوية في الوقت المناسب من السفن في عرض البحر. ^{[ 4 ]} وكان لغرق سفينة آر إم إس تيتانيك عام 1912 أثرٌ بالغٌ في التنبؤات الجوية البحرية على مستوى العالم. واستجابةً لهذه المأساة، شُكّلت لجنة دولية لتحديد متطلبات رحلات بحرية أكثر أمانًا. وفي عام 1914، أسفر عمل اللجنة عن الاتفاقية الدولية لسلامة الأرواح في البحار . ^{[ 5 ]} في عام 1957، من أجل المساعدة في معالجة القضايا البحرية، بدأ مكتب الأرصاد الجوية الأمريكي في نشر سجل الطقس البحري كل شهرين للإبلاغ عن الظروف الجوية السابقة بشكل أساسي فوق محيطات نصف الكرة الشمالي، ومعلومات تتعلق بمواسم الأعاصير المدارية في العالم، ونشر دراسات مناخية شهرية لاستخدامها من قبل أولئك الموجودين في البحر، وتشجيع الملاحظات الطوعية من السفن في البحر.

بدأت مكاتب هيئة الأرصاد الجوية الوطنية الأمريكية (NWS) في مدينة نيويورك وسان فرانسيسكو وهونولولو بنشر خرائط التنبؤات الجوية للاستخدام العام. وفي عام 1971، نُقلت تنبؤات شمال المحيط الأطلسي من مشروع مغلق تابع للبحرية الأمريكية إلى مجموعة منتجات هيئة الأرصاد الجوية الوطنية عبر الفاكس اللاسلكي، بينما أصبحت تنبؤات شمال شرق المحيط الهادئ متاحة للجمهور بالطريقة نفسها في عام 1972. ^{[ 6 ]} وبين عامي 1986 و1989، ^{[ 7 ]} تولى قسم مركز منتجات المحيطات (OPC) التابع للمركز الوطني للأرصاد الجوية (NMC) مسؤولية التنبؤات الجوية البحرية ضمن هيئة الأرصاد الجوية الوطنية. ^{[ 8 ]} وبين أغسطس 1989 و1995، شاركت الوحدة المسماة فرع التنبؤات البحرية أيضًا في توفير تحليلات موضوعية ومنتجات تنبؤية للمتغيرات البحرية والمحيطية. ^{[ 9 ] [ 10 ]} تولى مركز التنبؤ البحري، الذي أعيد تسميته لاحقًا بمركز التنبؤ بالمحيطات ، التزام الولايات المتحدة بإصدار التحذيرات والتنبؤات لأجزاء من المحيط الأطلسي الشمالي والمحيط الهادئ الشمالي بمجرد إنشائه في عام 1995. ^{[ 5 ]}

تهب الرياح التجارية غربًا في المناطق الاستوائية، ^{[ 11 ]} بينما تهب الرياح الغربية شرقًا في خطوط العرض المتوسطة. ^{[ 12 ]} يُطبّق نمط الرياح هذا ضغطًا على سطح المحيط شبه الاستوائي مع دوران سلبي عبر شمال المحيط الأطلسي . ^{[ 13 ]} ويكون نقل سفيردروب الناتج باتجاه خط الاستواء. ^{[ 14 ]} وبسبب حفظ الدوامة الكامنة الناتجة عن الرياح المتجهة نحو القطب على المحيط الغربي للنتوء شبه الاستوائي، وزيادة الدوامة النسبية للمياه المتجهة شمالًا، يتوازن النقل بتيار قطبي ضيق ومتسارع، يتدفق على طول الحدود الغربية لحوض المحيط، متجاوزًا تأثيرات الاحتكاك مع تيار الحدود الغربية المعروف بتيار لابرادور . ^{[ 15 ]} كما يتسبب حفظ الدوامة الكامنة في حدوث انحناءات على طول تيار الخليج، والتي تنفصل أحيانًا بسبب تغير في موقع تيار الخليج، مُشكّلةً دوامات دافئة وباردة منفصلة. ^{[ 16 ]} هذه العملية الشاملة، والمعروفة باسم التكثيف الغربي، تتسبب في أن تكون التيارات على الحدود الغربية لحوض المحيط، مثل تيار الخليج، أقوى من تلك الموجودة على الحدود الشرقية. ^{[ 17 ]}

غالبًا ما تتشكل الأمواج العاتية بفعل العواصف على مسافات طويلة من الشاطئ الذي تتكسر فيه، ولا يحد من انتشار أطولها سوى طول الساحل. فعلى سبيل المثال، سُجلت أمواج عاتية متولدة في المحيط الهندي في كاليفورنيا بعد أن قطعت مسافة تزيد عن نصف مسافة الدوران حول العالم. ^{[ 18 ]} تسمح هذه المسافة للأمواج المكونة للأمواج العاتية بأن تكون أكثر انتظامًا وخالية من التموجات أثناء انتقالها نحو الساحل. تتميز الأمواج المتولدة بفعل رياح العواصف بنفس السرعة، فتتجمع معًا وتتحرك في نفس الاتجاه، بينما تتأخر الأمواج الأخرى التي تتحرك بسرعة أقل ولو بجزء من المتر في الثانية، لتصل في النهاية بعد ساعات عديدة بسبب المسافة المقطوعة. يتناسب زمن الانتشار من المصدر ( t) طرديًا مع المسافة (X) مقسومة على دورة الموجة (T) . في المياه العميقة، يكون${\displaystyle t=4\pi X/(gT)}$حيث g هي تسارع الجاذبية. ^{[ 19 ]} على سبيل المثال، بالنسبة لعاصفة تقع على بعد 10000 كيلومتر (6200 ميل) ، ستصل الأمواج ذات الفترة T = 15 ثانية بعد 10 أيام من العاصفة، تليها أمواج أخرى ذات فترة 14 ثانية بعد 17 ساعة.     

يمكن استخدام وصول الأمواج المتفرقة، ذات الفترات الطويلة في البداية ثم انخفاض فترة ذروة الموجة مع مرور الوقت، لتحديد المسافة التي نشأت عندها. فبينما يتميز البحر أثناء العاصفة بطيف ترددي ذي شكل ثابت تقريبًا (أي ذروة واضحة المعالم بترددات سائدة ضمن نطاق ±7% من الذروة)، فإن أطياف الأمواج المتفرقة تصبح أضيق فأضيق، أحيانًا بنسبة 2% أو أقل، كلما ابتعدت الأمواج. ونتيجة لذلك، قد تحتوي مجموعات الأمواج (التي يسميها راكبو الأمواج "مجموعات") على عدد كبير من الأمواج. فمن حوالي سبع أمواج لكل مجموعة أثناء العاصفة، يرتفع هذا العدد إلى 20 موجة أو أكثر في الأمواج المتفرقة القادمة من عواصف بعيدة جدًا.

قد تستغرق الرحلات البحرية بالسفن الشراعية عدة أشهر، ^{[ 20 ]} ومن المخاطر الشائعة توقف السفينة بسبب انعدام الرياح، ^{[ 21 ]} أو انحرافها عن مسارها بفعل العواصف الشديدة أو الرياح التي تعيق التقدم في الاتجاه المطلوب. ^{[ 22 ]} وقد تؤدي العاصفة الشديدة إلى غرق السفينة وفقدان جميع أفراد طاقمها. ^{[ 23 ]} ولا تستطيع السفن الشراعية حمل سوى كمية محدودة من المؤن في عنابرها ، لذا يتعين عليها التخطيط لرحلاتها الطويلة بعناية لتضمين المؤن الكافية، بما في ذلك المياه العذبة . ^{[ 24 ]}

يُعدّ انتقال الطاقة بين الرياح التي تهب فوق سطح المحيط والطبقة العليا منه عنصرًا هامًا في ديناميكيات الأمواج. ^{[ 28 ]} تُستخدم معادلة نقل الموجات الطيفية لوصف تغير طيف الموجات مع تغير التضاريس. وهي تحاكي توليد الموجات، وحركتها (انتشارها داخل المائع)، وتراكمها ، وانكسارها ، وانتقال الطاقة بينها، وتبددها. ^{[ 29 ]} وبما أن رياح السطح هي الآلية الرئيسية المؤثرة في معادلة نقل الموجات الطيفية، فإن نماذج أمواج المحيط تستخدم المعلومات المُنتجة من نماذج التنبؤ العددي بالطقس كمدخلات لتحديد كمية الطاقة المنتقلة من الغلاف الجوي إلى الطبقة السطحية للمحيط. وإلى جانب تبدد الطاقة من خلال الرغوة البيضاء والرنين بين الأمواج، تُتيح رياح السطح المُستقاة من نماذج التنبؤ العددي بالطقس تنبؤات أكثر دقة لحالة سطح البحر. ^{[ 30 ]}

طُوِّرت أولى نماذج أمواج المحيطات في ستينيات وسبعينيات القرن العشرين. اتسمت هذه النماذج بميلها إلى المبالغة في تقدير دور الرياح في تكوّن الأمواج، والتقليل من شأن تفاعلاتها. وقد حدّ من أداء هذه النماذج نقص المعرفة بكيفية تفاعل الأمواج فيما بينها، والافتراضات المتعلقة بأقصى ارتفاع للموجة، وضعف القدرة الحاسوبية. بعد إجراء تجارب في أعوام 1968 و1969 و1973، أُعطيت بيانات الرياح من الغلاف الجوي للأرض وزنًا أدق في التنبؤات. طُوِّر جيل ثانٍ من النماذج في ثمانينيات القرن العشرين، لكنه لم يستطع محاكاة الانتفاخات البحرية بدقة، ولا تصوير الأمواج التي تحركها الرياح (المعروفة أيضًا بأمواج الرياح) الناتجة عن تغيرات سريعة في حقول الرياح، كتلك الموجودة داخل الأعاصير المدارية. وقد أدى ذلك إلى تطوير جيل ثالث من نماذج الأمواج بدءًا من عام 1988. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

في هذا الجيل الثالث من النماذج، تُستخدم معادلة نقل الموجات الطيفية لوصف تغير طيف الموجات فوق التضاريس المتغيرة. تحاكي هذه المعادلة توليد الموجات، وحركتها (انتشارها داخل المائع)، وتضخمها ، وانكسارها ، وانتقال الطاقة بينها، وتبددها. ^{[ 29 ]} وبما أن رياح السطح هي الآلية الرئيسية المؤثرة في معادلة نقل الموجات الطيفية، فإن نماذج أمواج المحيط تستخدم المعلومات المُنتجة من نماذج التنبؤ العددي بالطقس كمدخلات لتحديد كمية الطاقة المنتقلة من الغلاف الجوي إلى الطبقة السطحية للمحيط. وإلى جانب تبدد الطاقة من خلال الرغوة البيضاء والرنين بين الموجات، تُتيح رياح السطح المُستقاة من نماذج التنبؤ العددي بالطقس تنبؤات أكثر دقة لحالة سطح البحر. ^{[ 30 ]}

طُرحت فكرة سفينة الأرصاد الجوية الثابتة في وقت مبكر من عام 1921 من قِبل هيئة الأرصاد الجوية الفرنسية (ميتيو فرانس) لدعم الملاحة البحرية وظهور الطيران عبر المحيط الأطلسي . أُنشئت سفينة الأرصاد الجوية ، أو سفينة الأرصاد الجوية المحيطية، خلال الحرب العالمية الثانية، وكانت عبارة عن سفينة متمركزة في المحيط كمنصة لرصد الأرصاد الجوية السطحية والعلوية لاستخدامها في التنبؤات الجوية. استُخدمت هذه السفن خلال الحرب العالمية الثانية، لكنها كانت تفتقر إلى وسائل الدفاع، مما أدى إلى فقدان العديد من السفن والأرواح. تمركزت هذه السفن بشكل أساسي في شمال المحيط الأطلسي وشمال المحيط الهادئ، وكانت تُرسل تقاريرها عبر الراديو. إلى جانب وظيفتها في رصد الأحوال الجوية، ساعدت هذه السفن في عمليات البحث والإنقاذ ، ودعمت الرحلات الجوية عبر المحيط الأطلسي ، ^{[ 33 ] [ 34 ]} وعملت كمنصات بحثية لعلماء المحيطات ، ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]} ورصدت التلوث البحري ، ^{[ 38 ]} وساعدت في التنبؤات الجوية من قِبل خبراء الأرصاد الجوية وضمن النماذج الجوية المحوسبة . لا تزال سفن الأبحاث تستخدم بكثافة في علم المحيطات، بما في ذلك علم المحيطات الفيزيائي ودمج البيانات المناخية والأرصادية في علوم نظام الأرض .

أثبت إنشاء سفن الأرصاد الجوية فائدته الكبيرة خلال الحرب العالمية الثانية، لدرجة أن منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) أنشأت شبكة عالمية تضم 13  سفينة أرصاد جوية بحلول عام 1948، سبع منها تشغلها الولايات المتحدة، وواحدة تشغلها الولايات المتحدة وكندا معًا، واثنتان توفرهما المملكة المتحدة، وواحدة تتولى صيانتها فرنسا، وواحدة مشروع مشترك بين هولندا وبلجيكا ، وواحدة مشتركة بين المملكة المتحدة والنرويج والسويد . ^{[ 33 ]} وتم التفاوض لاحقًا على خفض هذا العدد إلى تسع سفن. ^{[ 39 ]} وانتهى اتفاق استخدام سفن الأرصاد الجوية من قبل المجتمع الدولي عام 1985. ^{[ 38 ]}

تُعدّ عوامات الأرصاد الجوية أدواتٍ لجمع بيانات الطقس والمحيطات في محيطات العالم، كما تُسهم في الاستجابة الطارئة لحوادث التسرب الكيميائي ، والإجراءات القانونية ، والتصميم الهندسي . وقد استُخدمت العوامات الثابتة منذ عام 1951، ^{[ 40 ]} بينما استُخدمت العوامات العائمة منذ عام 1972. ^{[ 41 ]} وتُربط العوامات الثابتة بقاع المحيط باستخدام سلاسل أو خيوط نايلون أو بولي بروبيلين طافٍ . ^{[ 42 ]} ومع تراجع استخدام سفن الأرصاد الجوية ، أصبحت العوامات الثابتة تلعب دورًا أساسيًا في قياس الأحوال الجوية في أعالي البحار منذ سبعينيات القرن الماضي. ^{[ 43 ]} وخلال ثمانينيات وتسعينيات القرن الماضي، ساعدت شبكة من العوامات في وسط وشرق المحيط الهادئ الاستوائي على دراسة ظاهرة النينيو-التذبذب الجنوبي . ^{[ 44 ]} يتراوح قطر عوامات الأرصاد الجوية الثابتة بين 1.5 متر (4.9 قدم) و 12 مترًا (39 قدمًا) ، ^{[ 42 ] [ 45 ]} بينما تكون العوامات العائمة أصغر حجمًا، حيث يتراوح قطرها بين 30 سنتيمترًا (12 بوصة) و 40 سنتيمترًا (16 بوصة) . ^{[ 46 ]} وتُعد العوامات العائمة الشكل الأكثر شيوعًا من حيث العدد، إذ يوجد منها 1250 عوامة حول العالم. وتتميز بيانات الرياح المُستقاة من العوامات بدقة قياس أقل من تلك المُستقاة من السفن. ^{[ 47 ]} كما توجد اختلافات في قيم قياسات درجة حرارة سطح البحر بين المنصتين، وتتعلق هذه الاختلافات بعمق القياس وما إذا كانت السفينة التي تقيس درجة الحرارة تُسخّن الماء أم لا. ^{[ 48 ]}    

يُستخدم قمر الأرصاد الجوية منذ عام 1960، وهو نوع من الأقمار الصناعية يُستخدم بشكل أساسي لرصد أحوال الطقس والمناخ على سطح الأرض. تتنوع الأقمار الصناعية بين أقمار تدور في مدارات قطبية ، تغطي الأرض بأكملها بشكل غير متزامن، وأقمار ثابتة بالنسبة للأرض ، تحوم فوق نقطة محددة على خط الاستواء. ^{[ 49 ]} لا تقتصر وظيفة أقمار الأرصاد الجوية على رصد السحب وأنظمة السحب فحسب، بل تشمل أيضاً رصد ما هو أبعد من ذلك. فبدءاً من القمر الصناعي نيمبوس 3 عام 1969، بدأت الأقمار الصناعية في جمع معلومات عن درجات الحرارة عبر عمود الغلاف الجوي من شرق المحيط الأطلسي ومعظم المحيط الهادئ، مما أدى إلى تحسينات كبيرة في التنبؤات الجوية. ^{[ 50 ]} كما تُستخدم أقمار الأرصاد الجوية لجمع معلومات بيئية أخرى، مثل أضواء المدن، والحرائق، وآثار التلوث، والشفق القطبي، والعواصف الرملية والترابية، والغطاء الثلجي، ورسم خرائط الجليد، وحدود التيارات المحيطية، وتدفقات الطاقة، وغيرها. ويمكن لأقمار بيئية أخرى رصد التغيرات في الغطاء النباتي للأرض، وحالة البحر، ولون المحيط، والحقول الجليدية. ويتم رصد ظاهرة النينيو وتأثيراتها على الطقس يومياً من خلال صور الأقمار الصناعية. توفر الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية التي تشغلها الولايات المتحدة وأوروبا والهند والصين وروسيا واليابان مجتمعةً ملاحظات شبه مستمرة لمراقبة الطقس على مستوى العالم.

تتمركز محطات الرصد البحري التابعة لوكالة الأرصاد الجوية اليابانية في هاكوداته ، ومايزورو ، وكوبي ، وناغازاكي . وترصد هذه المحطات أمواج المحيط ، ومستويات المد والجزر، ودرجة حرارة سطح البحر، والتيارات المحيطية ، وغيرها، في حوض شمال غرب المحيط الهادئ ، بالإضافة إلى بحر اليابان وحوض بحر أوخوتسك ، وتقدم تنبؤات الأرصاد الجوية البحرية بناءً على هذه البيانات، وذلك بالتعاون مع إدارة الهيدروغرافيا والمحيطات التابعة لخفر السواحل الياباني .

في المملكة المتحدة، تُبثّ نشرة الأحوال الجوية البحرية ( Shipping Forecast) عبر إذاعة بي بي سي (BBC Radio 4 ) وتتضمن تقارير وتوقعات الطقس للبحار المحيطة بسواحل الجزر البريطانية . يُنتجها مكتب الأرصاد الجوية البريطانية (Met Office) وتُبثّ أربع مرات يوميًا عبر إذاعة بي بي سي 4 نيابةً عن وكالة الملاحة البحرية وخفر السواحل . تستخدم التوقعات المرسلة عبر نظام نافتكس (Navtex) تنسيقًا مشابهًا وتغطي نفس المناطق البحرية. تُقسّم المياه المحيطة بالجزر البريطانية إلى مناطق بحرية، تُعرف أيضًا بالمناطق الجوية. ^{[ 52 ]}

يُعد مركز التنبؤ بالمحيطات (OPC)، التابع لهيئة الأرصاد الجوية الوطنية الأمريكية، والذي تأسس عام 1995، أحد المراكز الستة الأصلية التابعة للمراكز الوطنية للتنبؤ البيئي (NCEP). ^{[ 53 ]} وحتى 12 يناير 2003، كان يُعرف باسم مركز التنبؤ البحري. ^{[ 54 ]} يُصدر مركز التنبؤ بالمحيطات تنبؤات تصل مدتها إلى خمسة أيام مُسبقًا للمناطق المحيطية الواقعة شمال  خط عرض 31 شمالًا وغرب خط طول 35 غربًا في المحيط الأطلسي، وعبر شمال شرق المحيط الهادئ شمال خط عرض 30 شمالًا وشرق خط طول 160 شرقًا . وحتى وقت قريب، كان مركز التنبؤ بالمحيطات يُزوّد ​​المركز الوطني للأعاصير بنقاط التنبؤ الخاصة بالأعاصير المدارية الواقعة شمال خط عرض 20 شمالًا وشرق خط طول 60 غربًا . ^{[ 55 ]} ويتألف مركز التنبؤ بالمحيطات من فرعين: فرع التنبؤ بالمحيطات وفرع تطبيقات المحيطات. يُغطي المركز الوطني للأعاصير المناطق البحرية الواقعة جنوب خط العرض 31 في المحيط الأطلسي وخط العرض 30 في المحيط الهادئ، بين خط الطول 35 غربًا وخط الطول 140 غربًا . أما مكتب التنبؤات الجوية في هونولولو، فيُغطي المنطقة الواقعة بين خط الطول 140 غربًا وخط الطول 160 شرقًا ، من خط العرض 30 شمالًا وصولًا إلى خط الاستواء. ^{[ 56 ]}

تشمل منطقة مسؤولية المركز الوطني للأعاصير مناطق نصف الكرة الجنوبي في المحيط الهادئ وصولاً إلى خط عرض 18.5 درجة جنوب شرق خط الطول 120 غرباً . وإلى الجنوب من هذه المنطقة، يتوقع مكتب التنبؤات الجوية في هونولولو التابع لهيئة الأرصاد الجوية الوطنية مساراً جنوبياً حتى خط العرض 25 جنوباً بين خط الطول 160 شرقاً وخط الطول 120 غرباً. ^{[ 56 ]}