Investigation of the origin and spatial distribution of high dust concentrations and its synoptical analysis in Gavkhooni basin
Subject Areas : Natural resources and environmental managementZahra Saieedifar 1 , Mohammad Khosro shahi 2 , Azade Gohardust 3 , Zohre Ebrahimi khusfi 4 , Sakineh Lotfi nasab asl 5 , Fatemeh Dargahian 6
1 - PhD of Desertification, Desert Research Group, Research Institute of Forests and Rangelands, Agricultural Research Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran
2 - Associate Professor, Desert Research Group, Research Institute of Forests and Rangelands, Agricultural Research Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran
3 - Master of Watershed Management, Desert Research Group, Research Institute of Forests and Rangelands, Agricultural Research Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran
4 - Assistant Professor, Department of Nature Engineering, Faculty of Natural Resources, University of Jiroft, Kerman, Iran
5 - Assistant Professor, Desert Research Group, Research Institute of Forests and Rangelands, Agricultural Research Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran
6 - Assistant Professor, Desert Research Group, Research Institute of Forests and Rangelands, Agricultural Research Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran
Keywords: Aerosol optical depth parameter (AOD), NMMB / BSC-Dust model, Dust concentration, Wind direction,
Abstract :
Background and ObjectiveIn recent years, the crisis caused by dust in the southeastern regions of the country has been one of the natural-human events affecting the daily lives of citizens and the economy of the region. Increasing access to various data processing sources has expanded dust modeling at various levels, including local, regional, and global levels, and has helped to understand the mechanism of complex natural systems. dust Modeling helps to identify the main factors that create it and the importance of each factor. One of these models that are used to detect the concentration and intensity of dust in the atmosphere and the range of this phenomenon and determine its origin is the dust model (NMMB / BSC). The purpose of this paper is to identify and monitor dust from the Gavkhoni basin by two methods of visual interpretation and tracking in satellite images using the mentioned model. Identifying areas with the possibility of dust and its synoptical study can be an important step in managing this phenomenon in the region. Materials and Methods In order to determine the potential areas of high concentrations of dust in the region, first in the period of 2016-2016, pervasive storms in the region were determined on a monthly basis based on the Aerosol optical depth parameter (AOD). Then, by the parameter of the minimum visibility and continuity of dust events obtained from the information of synoptic stations of the Meteorological Organization, the days with the lowest field of view and the highest continuity in the specified months (months with the highest AOD concentration) were selected. The Aerosol optical depth was calculated by using the Modis sensor and the Deep Blue algorithm. The MMB / BSC-Dust model was used to identify the most dust suscribted areas in the Gavkhoni basin. With the help of this model, dust transfer routes were monitored for three hours within 72 hours after the occurrence. Accordingly, in the next step of 25 model output maps for each time period, a map with the highest dust concentration in the basin was determined. To test the relationship of these parameters to the high concentrations of dust the output was then compared with the Synoptical maps and dust images of the Modis sensor dust storm from the Worldview database. In Synoptical studies, the goal is explaining the key relationships between the atmosphere and the environment. In order to determine the atmospheric patterns in the basin on the studied dates, the geographical range of 20 to 50 degrees north and 40 to 65 degrees east to receive digital data was determined. The hourly data of winds of different atmospheric levels of 100, 500, 700 and 850 hectopascals for days with the highest dust concentration were obtained from NCEP / NCAR center and the obtained maps were compared and analyzed with each of the dust concentration patterns. Results and Discussion The selected image of the 72-hour period on 4/6/2014 shows that the basin is affected by the southwestern regions of the country, especially the dust centers of Khuzestan and Iraq, which gradually affect the basin during the movement towards the central regions of the country. Images of the Modis sensor also confirmed the presence of this dust mass on the southwestern regions of the country and affected the basin on this date. The image of 4/25/2015 proved the existence of a dense dust mass in the southwestern regions of the country and the impact of the Gavkhoni basin from this mass. On this date, parts of the basin, including the eastern part of Gavkhoni Wetland and the center of the Little Spring Basin, have been producing dust. On this date, parts of the basin, including the eastern part of Gavkhoni Wetland and the center of the basin, have been a small source of dust. The dust event that occurred on 1/10/2016 shows that the basin is affected by dust sources in the Central Desert so that by moving the dense masses of dust from the central desert and the Black Desert, the basin was affected by them. And the central areas of the basin acted as a source of dust and contributed to the intensification of dust concentrations. As can be seen in the dust analysis, due to the low pressure in the center of Iran due to cyclonic rotation (counterclockwise in the northern hemisphere) on the north and south sides, the east wind and the west wind have dominated, respectively. The dominance of the western wind with orbital motion in dust storm events has been proven in most of the identified dates. In the most recent case, in 2016, we witnessed the expansion of a high-pressure center across the country and the change of this trend and the dominance of the east wind in the high levels of the atmosphere. An examination of the condition of the winds that took place on 13/3/2014 at 0-06 GMT shows the formation of centers with speeds higher than 12 m/s in the formation of dust centers. The winds blow from west to east and the dust passing through the basin originates from the western parts of the country, including the dust centers of Khuzestan and Iraq provinces. In this case, we have witnessed the dominance of unstable low-pressure centers on the surface of the basin, which can be one of the main factors in aggravating the dust phenomenon on the surface of the basin. Examination of omega winds (vertical winds on the ground) indicates the formation of an air ascent center on the range of the formation of high-speed wind nuclei and dust centers. The second incident occurred on 2/2/2015 at 3:00 PM GMT. Examination of wind direction maps shows the formation of centers with a speed of more than 25 meters per second with west-east direction on the surface of the western regions of the country and Gavkhoni basin, which aggravates dust production in sensitive areas such as Khuzestan and its movement Towards the Gavkhooni basin and affecting the basin. Examination of wind conditions to high atmospheric levels also showed that the wind regime was constant while increasing its speed at all atmospheric levels. An examination of the maps of omega winds (vertical winds on the ground) and sea surface pressure indicates the formation of an airborne and unstable (low pressure) center on the region, thus helping to aggravate the dust situation in the region. An examination of the dust storm that took place on 1/10/2016 at 6:00 PM GMT showed the formation of high wind speeds above 17 m/s in the eastern regions of the country, which are in the east-west direction at 850 ha Pascal level. he formation of these high-speed nuclei and the blowing of winds from the east to the basin have affected the Gavkhoni basin from the dust produced from the central desert and the black desert. Vertical winds also indicate the rising and falling currents and the movement of winds from high pressure (east) to low pressure (west) and the formation of east-west currents. Conclusion The results of this study showed that the source of dust occurrence in Gawkhuni basin is the Khuzestan and Iraq dust production centers, central desert and small parts of the basin center and around Gavkhuni Wetland. In addition, a synoptic examination of suitable areas of dust occurrence revealed that at the dates of the dust storms, low-pressure zones and high-velocity cores are formed at different levels of the atmosphere over the area, which is associated with the direction of the winds and the movement of dense masses of dust toward the basin.
Baddock MC, Bullard JE, Bryant RG. 2009. Dust source identification using MODIS: A comparison of techniques applied to the Lake Eyre Basin, Australia. Remote Sensing of Environment, 113(7): 1511-1528. doi:https://doi.org/10.1016/j.rse.2009.03.002.
Engelstadler S. 2001. Dust storm frequencies and their relationships to land surface conditions. Freidrich-Schiller University Press, Jena, Germany 340 p.
Gillette DA, Herrick JE, Herbert GA. 2006. Wind Characteristics of Mesquite Streets in the Northern Chihuahuan Desert, New Mexico, USA. Environmental Fluid Mechanics, 6(3): 241-275. doi:10.1007/s10652-005-6022-7.
Groll M, Opp C, Aslanov I. 2013. Spatial and temporal distribution of the dust deposition in Central Asia – results from a long term monitoring program. Aeolian Research, 9: 49-62. doi:https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2012.08.002.
Haustein K, Pérez C, Baldasano J, Jorba O, Basart S, Miller R, Janjic Z, Black T, Nickovic S, Todd M. 2011. Atmospheric dust modeling from meso to global scales with the online NMMB/BSC-Dust model--Part 2: Experimental campaigns in Northern Africa. Atmospheric Chemistry & Physics Discussions, 11(11): 30273-30331.
Ishizuka M, Mikami M, Yamada Y, Zeng F, Gao W. 2005. An observational study of soil moisture effects on wind erosion at a gobi site in the Taklimakan Desert. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 110(D18). doi:https://doi.org/10.1029/2004JD004709.
Karegar E, Bodagh Jamali J, Ranjbar Saadat Abadi A, Moeenoddini M, Goshtasb H. 2017. Simulation and Numerical Analysis of severe dust storms Iran East. Journal of Spatial Analysis Environmental Hazarts, 3(4): 101-119. (In Persian). doi:https://doi.org/10.18869/acadpub.jsaeh.3.4.101.
Mahmood Abadi M, Rajabpour H. 2017. Study on the effect of initial soil moisture content on wind erosion rate using a laboratory wind tunnel. Journal of Water and Soil Conservation, 24(2): 167-183. (In Persian). doi:https://doi.org/10.22069/JWFST.2017.10419.2485.
Mahowald NM, Baker AR, Bergametti G, Brooks N, Duce RA, Jickells TD, Kubilay N, Prospero JM, Tegen I. 2005. Atmospheric global dust cycle and iron inputs to the ocean. Global biogeochemical cycles, 19(4). doi:https://doi.org/10.1029/2004GB002402.
Rashki A, Arjmand M, Kaskaoutis DG. 2017. Assessment of dust activity and dust-plume pathways over Jazmurian Basin, southeast Iran. Aeolian Research, 24: 145-160. doi:https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2017.01.002.
Rashki A, Kaskaoutis DG, Goudie AS, Kahn RA. 2013. Dryness of ephemeral lakes and consequences for dust activity: The case of the Hamoun drainage basin, southeastern Iran. Science of The Total Environment, 463-464: 552-564. doi:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.06.045.
Remer LA, Kaufman YJ, Tanré D, Mattoo S, Chu DA, Martins JV, Li R-R, Ichoku C, Levy RC, Kleidman RG, Eck TF, Vermote E, Holben BN. 2005. The MODIS Aerosol Algorithm, Products, and Validation. Journal of the Atmospheric Sciences, 62(4): 947-973. doi:https://doi.org/10.1175/JAS3385.1.
Remer LA, Kleidman RG, Levy RC, Kaufman YJ, Tanré D, Mattoo S, Martins JV, Ichoku C, Koren I, Yu H. 2008. Global aerosol climatology from the MODIS satellite sensors. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 113(D14). doi:https://doi.org/10.1029/2007JD009661.
Remer LA, Tanré D, Kaufman YJ, Levy R, Mattoo S. 2006. Algorithm for remote sensing of tropospheric aerosol from MODIS: Collection 005. National Aeronautics and Space Administration, 1490.
Tanré D, Kaufman Y, Herman M, Mattoo S. 1997. Remote sensing of aerosol properties over oceans using the MODIS/EOS spectral radiances. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 102(D14): 16971-16988. doi:https://doi.org/10.1029/96JD03437.
Tegen I. 2006. Effects of atmospheric dust. Encyclopedia of Quaternary Science Elsevier, Netherlands. doi:https://doi.org/10.1016/B0-444-52747-8/00029-6.
Wang S, Wang J, Zhou Z, Shang K. 2005. Regional characteristics of three kinds of dust storm events in China. Atmospheric Environment, 39(3): 509-520. doi:https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2004.09.033.
Wang YS, Wang YM, Lin HH, Tang TI. 2003. Determinants of user acceptance of Internet banking: an empirical study. International Journal of Service Industry Management, 14(5): 501-519. doi:https://doi.org/10.1108/09564230310500192.
World Meteorological Organization W. 1995. Manual on Codes, Suppl. 6(VIII.2007), WMO, Geneva, Switzerland, 175 p.
Xuan J, Sokolik IN, Hao J, Guo F, Mao H, Yang G. 2004. Identification and characterization of sources of atmospheric mineral dust in East Asia. Atmospheric Environment, 38(36): 6239-6252. doi:https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2004.06.042.
Zazuli FM, Vafaeinejad Khairkhah A, Zarkash M, Ahmadi Dehka F. 2015. Source routing of dust haze phenomenon in the west and southwest of Iran and its synoptic analysis by using remote sensing and GIS. Journal of RS and GIS for Natural Resources (Journal of Applied RS & GIS Techniques in Natural Resource Science), 5(4): 61-78. (In Persian).
Zolfaghari H, Abedzadeh H. 2005. Synoptic Analysis of Dust Systems in Western Iran. Journal of Geography and Development, 6: 173-178. (In Persian).
_||_Baddock MC, Bullard JE, Bryant RG. 2009. Dust source identification using MODIS: A comparison of techniques applied to the Lake Eyre Basin, Australia. Remote Sensing of Environment, 113(7): 1511-1528. doi:https://doi.org/10.1016/j.rse.2009.03.002.
Engelstadler S. 2001. Dust storm frequencies and their relationships to land surface conditions. Freidrich-Schiller University Press, Jena, Germany 340 p.
Gillette DA, Herrick JE, Herbert GA. 2006. Wind Characteristics of Mesquite Streets in the Northern Chihuahuan Desert, New Mexico, USA. Environmental Fluid Mechanics, 6(3): 241-275. doi:10.1007/s10652-005-6022-7.
Groll M, Opp C, Aslanov I. 2013. Spatial and temporal distribution of the dust deposition in Central Asia – results from a long term monitoring program. Aeolian Research, 9: 49-62. doi:https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2012.08.002.
Haustein K, Pérez C, Baldasano J, Jorba O, Basart S, Miller R, Janjic Z, Black T, Nickovic S, Todd M. 2011. Atmospheric dust modeling from meso to global scales with the online NMMB/BSC-Dust model--Part 2: Experimental campaigns in Northern Africa. Atmospheric Chemistry & Physics Discussions, 11(11): 30273-30331.
Ishizuka M, Mikami M, Yamada Y, Zeng F, Gao W. 2005. An observational study of soil moisture effects on wind erosion at a gobi site in the Taklimakan Desert. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 110(D18). doi:https://doi.org/10.1029/2004JD004709.
Karegar E, Bodagh Jamali J, Ranjbar Saadat Abadi A, Moeenoddini M, Goshtasb H. 2017. Simulation and Numerical Analysis of severe dust storms Iran East. Journal of Spatial Analysis Environmental Hazarts, 3(4): 101-119. (In Persian). doi:https://doi.org/10.18869/acadpub.jsaeh.3.4.101.
Mahmood Abadi M, Rajabpour H. 2017. Study on the effect of initial soil moisture content on wind erosion rate using a laboratory wind tunnel. Journal of Water and Soil Conservation, 24(2): 167-183. (In Persian). doi:https://doi.org/10.22069/JWFST.2017.10419.2485.
Mahowald NM, Baker AR, Bergametti G, Brooks N, Duce RA, Jickells TD, Kubilay N, Prospero JM, Tegen I. 2005. Atmospheric global dust cycle and iron inputs to the ocean. Global biogeochemical cycles, 19(4). doi:https://doi.org/10.1029/2004GB002402.
Rashki A, Arjmand M, Kaskaoutis DG. 2017. Assessment of dust activity and dust-plume pathways over Jazmurian Basin, southeast Iran. Aeolian Research, 24: 145-160. doi:https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2017.01.002.
Rashki A, Kaskaoutis DG, Goudie AS, Kahn RA. 2013. Dryness of ephemeral lakes and consequences for dust activity: The case of the Hamoun drainage basin, southeastern Iran. Science of The Total Environment, 463-464: 552-564. doi:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.06.045.
Remer LA, Kaufman YJ, Tanré D, Mattoo S, Chu DA, Martins JV, Li R-R, Ichoku C, Levy RC, Kleidman RG, Eck TF, Vermote E, Holben BN. 2005. The MODIS Aerosol Algorithm, Products, and Validation. Journal of the Atmospheric Sciences, 62(4): 947-973. doi:https://doi.org/10.1175/JAS3385.1.
Remer LA, Kleidman RG, Levy RC, Kaufman YJ, Tanré D, Mattoo S, Martins JV, Ichoku C, Koren I, Yu H. 2008. Global aerosol climatology from the MODIS satellite sensors. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 113(D14). doi:https://doi.org/10.1029/2007JD009661.
Remer LA, Tanré D, Kaufman YJ, Levy R, Mattoo S. 2006. Algorithm for remote sensing of tropospheric aerosol from MODIS: Collection 005. National Aeronautics and Space Administration, 1490.
Tanré D, Kaufman Y, Herman M, Mattoo S. 1997. Remote sensing of aerosol properties over oceans using the MODIS/EOS spectral radiances. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 102(D14): 16971-16988. doi:https://doi.org/10.1029/96JD03437.
Tegen I. 2006. Effects of atmospheric dust. Encyclopedia of Quaternary Science Elsevier, Netherlands. doi:https://doi.org/10.1016/B0-444-52747-8/00029-6.
Wang S, Wang J, Zhou Z, Shang K. 2005. Regional characteristics of three kinds of dust storm events in China. Atmospheric Environment, 39(3): 509-520. doi:https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2004.09.033.
Wang YS, Wang YM, Lin HH, Tang TI. 2003. Determinants of user acceptance of Internet banking: an empirical study. International Journal of Service Industry Management, 14(5): 501-519. doi:https://doi.org/10.1108/09564230310500192.
World Meteorological Organization W. 1995. Manual on Codes, Suppl. 6(VIII.2007), WMO, Geneva, Switzerland, 175 p.
Xuan J, Sokolik IN, Hao J, Guo F, Mao H, Yang G. 2004. Identification and characterization of sources of atmospheric mineral dust in East Asia. Atmospheric Environment, 38(36): 6239-6252. doi:https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2004.06.042.
Zazuli FM, Vafaeinejad Khairkhah A, Zarkash M, Ahmadi Dehka F. 2015. Source routing of dust haze phenomenon in the west and southwest of Iran and its synoptic analysis by using remote sensing and GIS. Journal of RS and GIS for Natural Resources (Journal of Applied RS & GIS Techniques in Natural Resource Science), 5(4): 61-78. (In Persian).
Zolfaghari H, Abedzadeh H. 2005. Synoptic Analysis of Dust Systems in Western Iran. Journal of Geography and Development, 6: 173-178. (In Persian).
بررسی منشأ و نحوه گسترش مکانی غلظتهای بالای گردوغبار و تحلیل همدیدی آن در حوضه گاوخونی
چکیده
امروزه یکی از چالشهای بزرگ در بسیاری از مناطق خشک و نیمه خشک جهان طوفانهای گردوغبار میباشد. هدف این مطالعه بررسی نحوه گسترش مکانی غلظتهای بالای گردوغبار و تحلیل همدیدی آن با استفاده از نقشههای باد و فشار سطح دریا در حوضه گاوخونی است. الگوی توزیع مکانی گردوغبار متغیر مهمی در درک حمل و نقل گردوغبار و اجرای راهکارهای کنترل مناسب این پدیده است. مطالعه حاضر با استفاده از شبیهسازی با مدل NMMB/BSC-Dust دربازه زمانی سه ساله (2014-2016)، توزیع فضایی گردوغبار در حوضه گاوخونی و حوضههای تاثیرگذار بر آن را مورد بررسی قرار داده است. بدین منظور چند واقعه گردوغبار در منطقه براساس پارامتر عمق نوری ذرات معلق در هوا (AOD) میدان دید و کدهای گردوغبار انتخاب و مسیر انتقال گردوغبار در آن بازه تا 72 ساعت رصد گردید. عمق نوری ذرات معلق در هوا با استفاده از حسگر مادیس و الگوریتم دیپ بلو محاسبه گردید. در ادامه خروجی مدل با تصاویر حاصل از سنجنده مودیس برای هر تاریخ انتخابی تطبیق گردید تا صحت نتایج حاصل از مدل تأیید گردد. در گام بعدی مسیر حرکت باد در لایههای مختلف جو و فشار از سطح دریا به منظور تعیین نحوه گسترش و مسیرهای انتقال تودههای گردوغبار با کمک مدل گردوغبار (NCEP/NCAR) مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این تحقیق نشان داد که منشأ وقوع گردوغبار در حوضه گاوخونی کانونهای تولیدگردوغبارخوزستان و عراق، کویر مرکزی و بخشهای کوچکی از مرکز حوضه و اطراف تالاب گاوخونی است. علاوه بر این بررسی همدیدی مناطق مستعد گردوغبار نشان داد که در تاریخهای وقوع گردوغبار مناطق کمفشار و هستههای با سرعتهای بالای باد (غالباً با سرعت بالای 12 متر برثانیه) در ترازهای مختلف جو بر روی منطقه تشکیل شده است که با جهت بادها و به حرکت درآمدن تودههای متراکم گردوغبار به سمت حوضه و در نتیجه وقوع طوفان گردوغبار همراه است.
واژههای کلیدی: گردوغبار، جهت باد، عمق نوری ذرات معلق در هوا، گاوخونی
مقدمه
در سالهای اخیر علاوه بر وقوع خشکسالی، دخالتهای انسان در بهره برداری بیرویه از منابع آبهای سطحی و زیرزمینی و تغییرات کاربری اراضی بر میزان آبگیری دریاچههای دائمی و فصلی و خشک شدن تالابها تأثیر بسزایی داشتهاند. تغییر در فراوانی و میزان آبگیری دریاچهها و تالابها منجر به نوسانات قابلتوجهی در افزایش فعالیت طوفانهای گردوغبار در مقیاس فصلی و سالانه میشود. همچنانکه سطوح آبی خشک میشوند، سطوح اراضی که قبلاً خیس و یا توسط پوشش گیاهی تثبیتشده بودند بهطور قابلتوجهی به بادبردگی حساس میشوند و در نهایت منجر به بروز و تشدید پدیده گردوغبار میگردد (1). لذا خشک شدن بستر دریاچهها و یا تالابها در اثر عوامل مختلف اقلیمی و یا انسانی میتواند منجر به افزایش فعالیتهای گردوغبار گردد. بحران گردوغبار را میتوان بهعنوان تهدیدی برای امنیت زیستمحیطی و ملی قلمداد کرد. کاهش ریزشهای جوی، خشکسالی، وزش بادهای شدید، حساس بودن خاک به فرسایش بادی از جمله عوامل طبیعی هستند که گردوغبارها را در اتمسفر پراکنده میکنند. استفاده بیرویه از منابع آبی، تخریب مراتع و جنگلها، احداث سدها بهطور مستقیم و غیرمستقیم منجر به تولید گردوغبار میگردد (14).
اثرات زیستمحیطی پدیده گردوغبار شامل تأثیر بر روی چرخههای بیوژئوشیمیایی زمین، تعادل تابشی زمین و همچنین تأثیر بر روی ترکیبات عناصر جوی میباشد (13). به علت فقدان پوشش گیاهی در مناطق مستعد گردوغبار، هوای بالای این مناطق شروع به گرم شدن کرده و به سمت بالا حرکت میکند و زمانی که به بادهای با سرعت بالای ترپوسفری برخورد نماید، در نتیجه یک جریان چرخشی متمایل به سمت پایین ایجاد میشود که این بادهای با شدت بالا، در برخورد با سطح زمین باعث ایجاد طوفانهای گردوغباری میشوند. اثرات ناشی از پدیده گردوغبار میتواند تا فاصلهی 4000 کیلومتری از منبع اصلی پراکنش خسارات فراوانی در زمینههای کشاورزی، صنعتی، حملونقل و سیستمهای مخابراتی به وجود آورد (15). از مهمترین شرایط وقوع گردوغبار در کنار هوای ناپایدار، وجود یا عدم وجود رطوبت است بهگونهای که در صورت وجود رطوبت، بارش و طوفان و رعدوبرق و در صورت عدم وجود رطوبت، طوفان گردوغبار را ایجاد میکند (19).
تحقیقات متعددی در مورد تفسیر مکانی و عوامل ایجاد کننده گردوغبار و نقش خشکیدگی منابع آبی در گسترش از جمله تحقیقات صورت گرفته در این زمینه تحقیق انگلستاندر (2)، در ارتباط با پهنهبندی مکانی فراوانی وقوع گردوغبار جهان است که در آن بر نقش بستر خشک دریاچهها و صحرای افریقا بهعنوان تولیدکنندگان اصلی گردوغبار تأکید دارد. وانگ و همکاران (18) به بررسی منابع، توزیع مکانی، فرکانس و روند طوفان گردوغبار در چین پرداختند. آنها عنوان کردند که بسیاری از گردوغبار موجود در چین ناشی از اطراف بیابانها، گبی، و مراتع زوال یافته است و وقایع گردوغبار ارتباط نزدیکی با فعالیتهای مربوطه انسان و تغییرات اقلیمی دارد. وانگ و همکاران (17)، با جمعآوری دادههای مربوط به گردوغبار از 701 ایستگاه هواشناسی از کشور چین در بازه زمانی 1954 تا 2000 نشان دادند که در کشور چین دو منطقه اصلی گردوغبار وجود دارد یکی منطقه جنوب سین کیانگ و دیگری منطقه هکزی (Hexi) میباشد. همچنین مطالعهای که توسط جیلت (3) بر روی کویر شیهوان ((SHIHUAHUAN که یکی از منابع ذرات گردوغبار در شمال امریکاست، در بازه زمانی 2001 تا 2005 نشان داد که عواملی که منجر به شکلگیری وقوع گردوغبار میشود بهطور کلی شامل سرعت باد بیش از 10 متر بر ثانیه، زمینهای با پوشش کم، فرسایش بادی و در دسترس بودن ذرات نرم سطحی است. گرول و اسلانو (4) در بررسی خود بر روی تغییرات زمانی و مکانی رسوبات گردوغبار در آسیای مرکزی، بستر خشک شده دریاچه آرال را مهمترین منبع تولید رسوبات بادی و افزایش وقوع طوفانهای گردوغبار معرفی کردهاند. زیرا بیشترین غلظت گردوغبار و رسوبات فرسایش بادی در شهرهای نزدیک این دریاچه ثبت شده بود.
در سالهای اخیر، بحرا ن ناشی از ورود گردوغبارها در مناطق جنوب شرقی کشور یکی از ملموسترین حوادث طبیعی-انسانی مؤثر بر زندگی روزمره شهروندان و همچنین اقتصاد این منطقه بوده است.
افزایش دسترسی به منابع مختلف پردازش داده، موجب گسترش مدلسازی گردوغبار در سطوح مختلف ازجمله سطوح محلی، منطقهای و جهانی شده است و باعث درک سازوکار سیستمهای پیچیده طبیعی میشود. مدلسازی پدیده گردوغبار، به شناسایی عوامل اصلی ایجاد آن در یک منطقه و میزان اهمیت هر عامل کمک بسزایی میکند. امروزه پیشرفتهای زیادی در زمینه پایش، مدل سازی و پیشبینی طوفان گردوغبار در دنیا صورت گرفته است. یکی از این مدلها که برای تشخیص غلظت و شدت گردوغبار موجود در جو و نمایش محدوده دارای این پدیده و تعیین منشاء آن استفاده میشود مدل گردوغبار (NMMB/BSC) است. هدف این مقاله نیز شناسایی و پایش گردوغبار مؤثر و متأثر از حوضه تالاب گاوخونی از دو روش تفسیر بصری و رهگیری در تصاویر ماهوارهای با استفاده از مدل مذکور میباشد. شناسایی مناطق مستعد وقوع پدیده گردوغبار با از طریق مدل و بررسی همدیدی آن میتواند گامی در جهت مدیریت این پدیده در منطقه باشد.
روش تحقیق
منطقه مورد مطالعه
حوضه گاوخونی با مساحت آن 41437 کیلومترمربع در مختصات جغرافیایی ´02˚50 تا ´24˚53 طول شرقی و ´12˚31 تا ´42˚33 عرض شمالی قرار گرفته است (شکل 1). حدود 9/90 درصد حوضه آبریز در استان اصفهان، 3/2 درصد در استان یزد، 4/3 درصد در استان فارس و 4/3 درصد در استان چهارمحال بختیاری واقع شده است. در انتهاییترین قسمت حوضه آبریز زاینده رود، زیرحوضه گاوخونی قرار گرفته که در مرکز آن تالاب نسبتاً وسیع به مساحت 7/417 کیلومتر مربع قرار دارد که وسعت آن متغیر و تا 719 کیلومترمربع میرسد. تالاب گاوخونی یکی از باارزشترین تالابهای بینالمللی ثبت شده در کنوانسیون رامسر میباشد که در منتهیالیه رودخانه زایندهرود واقع شده و حجم زیادی از آب ورودی به آن از طریق این رودخانه تأمین میگردد. عمدهترین نقش تالاب در مرطوب کردن سطح تالاب و رویش پوشش گیاهی اطراف تالاب است که باعث کاهش سرعت بادها و جلوگیری از بروز و تشدید گردوغبار ناشی از باد میشود. علاوه بر آن به علت بالا بودن سفره آب زیرزمینی مناطق حاشیهای تالاب و خاصیت مویینگی خاک درصد رطوبت تپههای شنی افزایش مییابد که این امر خود موجب تثبیت شنهای روان میگردد.
شکل 1. نقشه موقعیت حوضه در تقسیمات سیاسی و هیدرولوژیکی کشور
Fig 1. The position of the basin in the political and hydrological divisions of the country
مواد و روشها
جهت تعیین مناطق مستعد وقوع غلظتهای بالای گردو غبار در منطقه ابتدا در دوره زمانی سالهای 1393 تا 1395 (2014-2016) طوفانهای فراگیر در منطقه به صورت ماهانه براساس پارامتر عمق نوری ذرات معلق در هوا (AOD) تعیین گردید و سپس توسط پارامتر میدان دید حداقل و تداوم وقایع گردوغبار حاصل از اطلاعات ایستگاههای سینوپتیک سازمان هواشناسی (ایستگاه اصفهان، ورزنه، مورچه خورت، ایزد خواست) در طی بازه زمانی مورد نظر در این تحقیق روزهای با کمترین میدان دید و بیشترین تداوم در ماههای تعیین شده (ماههای با بیشترین غلظت AOD) انتخاب گردید (شکل 2).
پارامتر عمق نوری ذرات معلق در هوا (AOD) معمولاً برای بررسی ریزگردها و آلایندههای جوی، به خصوص ذرات معلق موجود در جو (با منشأ طبیعی و انسانساز)، استفاده میشود. مقادیر بالاتر AOD بیانگر انباشت بیشتر هواویزها در ستون جو و در نتیجه دید افقی کمتر است. سه الگوریتم برای تعیین هواویزها با استفاده از حسگر مودیس وجود دارد که یکی روی اقیانوس (12 و 15) و دو مورد دیگر روی خشکی واقع و موسوم به الگوریتمهای دارک پیکسل (Pixel Dark) و دیپ بلو (Blue Deep) هستند (13 و 14). در این تحقیق از الگوریتم دیپ بلو استفاده شده است اساس این الگوریتم، استفاده از طول موجهای آبی و بانک دادههای بازتابش سطوح متفاوت است. بدین منظور پردازش دادهها در سامانهی شــبکهی موتور گوگل ارث انجام شده است و اطلاعات AOD از پروداکت ائروسول (غلظت اتمسفر) ماهوارههای ترا سنجنده مودیس با اندازه ذرات 550 نانومتر و با دقت مکانی 1 کیلومتر به صورت ماهانه استخراج شده است. اطلاعات مورد نظر در محدوده مرز حوضه آبخیز گاوخونی در بازه زمانی سه ساله (2014-2016) بر مبنای الگوریتم MODIS/006/MYDOCGA" " بدست آمد.
به منظور تعیین شناسایی مناطق با بیشترین استعداد وقوع گردوغبار در حوضه آبخیز گاوخونی از مدل MMB/BSC-Dust با مقیاس °1/0×°1/0 استفاده گردید این مدل یک مدل گردوغبار جوی چند مقیاس آنلاین است که در مرکز ابر رایانه بارسلونا (BSC-CNS) با همکاری مرکز ملی پیش بینی محیط زیست ((NCEP) NOAA) طراحی و ساخته شده است. با استفاده از این مدل مسیرهای انتقال غلظتهای گردوغبار تا 72 ساعت بعد از وقوع به صورت بازههای سه ساعته رصد گردید (شکل 3).
13/3/1393
2/2/1394
9/7/1395
شکل 3. مسیرهای انتقال غلظتهای گردو غبار تا 72 ساعت بعد از وقوع به صورت بازههای سه ساعته در حوضه گاوخونی (درکلیه مجموعه تصاویر از تصویر قبل به بعد 3 ساعت اختلاف زمانی است. زمان بر حسب گرینویچ است و 3 ساعت و 30 دقیقه با ایران اختلاف دارد).
Fig 1. Dust transfer routes up to72 hours after occurring in three-hour intervals in the Gavkhoni basin
براین اساس درگام بعدی از بین 25 نقشه خروجی مدل برای هر مقطع زمانی، یک نقشه با بیشترین غلظت گردوغباربه وقوع پیوسته در حوضه مشخص گردید. سپس با نقشههای همدیدی و تصاویر طوفانهای گردوغبار سنجنده مودیس حاصل از پایگاه وردویو (worldview) مقایسه گردید. تا ارتباط این پارامترها بر غلظتهای بالای گردوغبار به وقوع پیوسته آزموده شود.
در مطالعات همدیدی، هدف تبیین روابط کلیدی میان جو و محیط میباشد. به منظور تعین الگوهای جوی حاکم بر حوضه در تاریخهای مورد بررسی، محدوده جغرافیایی 20 تا 50 درجهی شمالی و 40 تا 65 درجهی شرقی برای دریافت دادههای رقومی تعیین شد. در ادامه دادههای ساعتی رقومی بادهای منطقهای ترازهای مختلف جوی 100، 500، 700 و 850 هکتوپاسکال برای روزهای با بالاترین غلظت گردوغبار از مرکز ملی پیش بینی محیطی آمریکا/مرکز ملی پژوهشهای جوی (NCEP/NCAR) دریافت گردید و نقشههای بدست آمده با هرکدام از الگوهای غلظت گردوغبار مورد مقایسه و تحلیل قرار گرفت.
نتایج
شاخص عمق نوری ذرات معلق در هوا (AOD)
نتایج بررسی شاخص AOD در شکل 4 به صورت ماهانه در بازه سالهای 1393 تا 1395 (2016-2014) نشان داده شده است. به منظور تعیین وقایع گردوغباری ابتدا ماههای با AOD بالاتر از 3/0 تعیین گردید و سپس از بین ماههای تعیین شده بر اساس پارامترهای میدان دید و کدپدیده گردوغبار یک واقعه فراگیر گردوغبار انتخاب گردید. ماههای انتخاب شده در شکل 4 مشخص گردیده شده است. دلیل عدم انتخاب ماههای با حداکثر AOD در سالهای 1393 و 1395 عدم تداوم مناسب پدیده گردوغبار روزانه آن بوده است.
شکل 4. نمودار تغییرات ماهانه شاخص AOD در حوضه گاوخونی
Fig 4. Monthly changes of AOD index in Gavkhoni basin
کنترل زمینی نقشههای خروجی مدل
در شکلهای 5 تا 7 (الف) تصویر دارای بیشترین غلظت گردوغبار از میان 25 تصویر رصد شده در بازه 72 ساعته برای تاریخهای منتخب شناسایی گردید و به تطبیق آن با تصاویرگردوغبار سنجده مودیس (شکلهای 5 تا 7 ب) به منظور تعیین دقت خروجیهای مدل و رصد حرکت گردوغبار پرداخته شد.
تصویر منتخب از بازه 72 ساعته در تاریخ 4/6/2014 (شکل 5) نشان از متاثرشدن حوضه از مناطق جنوب غربی کشور و به خصوص کانونهای گردوغبار خوزستان و عراق میباشد که در طی حرکت به سمت مناطق مرکزی کشور به تدریج حوضه را متأثر میسازد. تصاویر سنجنده مودیس نیز وجود این توده گردوغبار برروی نواحی جنوب غربی کشور در این تاریخ و متأثر کردن حوضه را به اثبات رساند.
|
|
(الف-a) | (ب-b) |
شکل 5. تصویر خروجی مدل از غلظتهای بالای گردوغبار رخ داده (الف) و تصویرواقعی گردوغبار رخ داده (ب) در حوضه گاوخونی و اطراف آن در تاریخ 13/3/1394
Fig 5. Model output image of dust concentrations above dust (a) and real dust image (b) occurred inside and around Gavkhoni basin on 4/6/2014
تصویر متعلق به تاریخ 25/4/2015 (شکل 6) وجود یک توده متراکم گردوغبار در نواحی جنوب غرب کشور و متأثر شدن حوضه گاوخونی از این توده را به اثبات رساند. در این تاریخ بخشهایی از حوضه از جمله بخش شرقی تالاب گاوخونی و مرکز حوضه خود چشمه کوچک تولید گردوغبار بودهاند.
|
|
(الف-a) | (ب-b) |
شکل 6. تصویر خروجی مدل از غلظتهای بالای گردوغبار رخ داده (الف) و تصویرواقعی گردوغبار رخ داده (ب) در حوضه گاوخونی و اطراف آن در تاریخ 2/2/1394
Fig 6. Model output image of dust concentrations above dust (a) and real dust image (b) occurred inside and around Gavkhoni basin on 25/4/2015
واقعه گردوغبار رخ داده در تاریخ 1/10/2016 (شکل 7) نشان از متأثر شدن حوضه از چشمههای گردوغبار در کویر مرکزی دارد بطوری که با حرکت تودههای متراکم گردوغبار از سمت کویر مرکزی و کویر سیاه شاهد تحت تأثیر قرار گرفتن حوضه بودهایم. و نواحی مرکزی حوضه خود به صورت چشمه گردوغبار عمل کرده و در تشدید غلظت گردوغبار نقش داشت.
|
|
(الف-a) | (ب-b) |
شکل 7. تصویر خروجی مدل از غلظتهای بالای گردوغبار رخ داده (الف) و تصویرواقعی گردوغبار رخ داده (ب) در حوضه گاوخونی و اطراف آن در تاریخ 9/7/1395
Fig 7. Model output image of dust concentrations above dust (a) and real dust image (b) occurred inside and around Gavkhoni basin on 1/10/2016
بررسی همدیدی پدیده گردوغبار
به منظور بررسی میزان انطباق غلظتهای گردوغبار با وضعیت بادهای منطقه از میان 25 تصویر در بازه 72 ساعت یک تصویر با بیشترین غلظت گردوغبار در منطقه انتخاب گردید و با وضعیت بادهای منطقه در ترازهای مختلف جو از 1000 تا 100 مگاپاسکال موردبررسی قرارگرفت. در تمام شکلها (شکل 8 تا 10) مسیر انتقال بادها و نحوه گسترش مراکز آنها در آن واقعه رصد گردید. همانطوریکه در شکلهای مذکور مشاهده میشود به دلیل قرارگیری یک کمفشار در مرکز ایران با توجه به چرخش سیکلونی (پادساعتگرد در نیمکره شمالی) در سمت شمالی و جنوبی به ترتیب باد شرقی و باد غربی تسلط یافته است. تسلط باد غربی با حرکت مداری در وقایع گردوغباری رخ داده حوضه در بیشتر تاریخهای شناسایی شده به اثبات رسیده است. در آخرین واقعه در سال 2016 شاهد گسترش یک مرکز پرفشار برروی کشور و تغییر این جریان و غالبیت باد شرقی در ترازهای بالایی جو بودیم.
بررسی وضعیت بادهای رخ داده در تاریخ 13/3/1393 (4/6/2014) در ساعت 0 تا 06 (شکل 8 الف و ب) به وقت گرینویچ نشان دهنده تشکیل مراکز با سرعتهای بالاتر از 11 متر بر ثانیه در محدوده شکل گیری کانونهای گردوغبار میباشد. جهت وزش بادها از غرب به شرق میباشد و گردوغبار عبوری از حوضه از نواحی غربی کشور از جمله کانونهای گردوغبار استان خوزستان و عراق منشأ گرفته است. در این واقعه شاهد حاکمیت مراکز کمفشار ناپایدار بر روی سطح حوضه بودهایم که خود میتواند یکی از عوامل اساسی در تشدید پدیده گردوغبار بر روی سطح حوضه باشد (شکل 8 ج).
بررسی بادهای امگا (بادهای عمودی در سطح زمین) (شکل 8 د) نشان از شکلگیری یک مرکز صعود هوا بر روی محدوده شکل گیری هسته پرسرعت باد و کانونهای گردوغبار دارد.
|
|
(الف- a) | (ب-b) |
|
|
(ج-c) | (د-d) |
شکل 8. سطح مقطع متوسط جهت و سرعت باد (الف و ب) و فشار سطح دریا (ج) و بادهای عمودی (امگا) (د) در تاریخ 13/03/1393
Fig 8. Average cross-sectional area of wind direction and speed (A to C) and omega (D) winds and sea level pressure (e) on 04/06/2014
دومین واقعه مورد بررسی در تاریخ 2/2/1394 در ساعت 3 به وقت گرینویچ به وقوع پیوسته است. بررسی نقشههای جهت باد (شکل 9 الف تا ج) نشانگر شکل گیری مراکز با سرعت بالاتر از 25 متر بر ثانیه در ترازهای میانی و بالایی جو با جهت غرب به شرق بر روی سطح مناطق غربی کشور و حوضه گاوخونی بودهایم که این وضعیت باعث تشدید تولید گردوغبار در کانونهای حساس منطقه از جمله خوزستان و حرکت آن به سمت حوضه گاوخونی و متأثر کردن حوضه میباشد. بررسی وضعیت باد در تمامی ترازهای جو نیز نشان از ثابت بودن رژیم باد در تمامی ترازهای جو داشت. بررسی نقشههای بادهای امگا (بادهای عمودی در سطح زمین) و فشار سطح دریا (شکلهای 9 د و ر) نشان از شکل گیری یک مرکز صعود هوا (کم فشار) و ناپایدار بر روی منطقه در نتیجه کمک به تشدید وضعیت گردوغبار منطقه دارد.
|
|
(الف-a) | (ب-b) |
|
|
(ج-c) | (د-d) |
| |
(ر-e) |
|
شکل 9. سطح مقطع متوسط جهت و سرعت باد (الف تا ج)، بادهای عمودی (امگا) (د) و فشار سطح دریا (ر) در تاریخ 2/02/1394
Fig 9. Average cross-sectional area of wind direction and speed (a to d) and omega (e) winds and sea level pressure (f) on 22/04/2015
بررسی واقعه گردوغبار رخ داده در تاریخ 9/7/1395 در ساعت 18 به وقت گرینویچ نشان از شکل گیری هستههای با سرعت بالای باد بالاتر از 17 متر بر ثانیه در مناطق شرقی کشور داشت (شکل 10 الف و ب) که در تراز 850 هکتو پاسکال دارای جهت شرقی-غربی میباشد شکل گیری این هستههای پرسرعت و وزش بادها از سمت شرق به حوضه سبب متأثر شدن حوضه گاوخونی از گردوغبار تولید شده از کویر مرکزی و کویر سیاه شده است. بادهای عمودی نیز نشان دهنده تقابل جریان صعودی و نزولی در یک راستا و حرکت از سمت پرفشار (شرق) به سمت کم فشار (غرب) و شکل گیری جریان شرقی- غربی دارد (شکل 10 ج و د).
|
|
(الف-a) | (ب-b) |
|
|
(ج-c) | (د-d) |
شکل 10. سطح مقطع متوسط جهت و سرعت باد و بادهای عمودی (امگا) و فشار سطح دریا درتاریخ 09/07/2016
Fig 10. Average cross-sectional area of wind direction and speed (a and b) and omega (c) winds and sea level pressure (d) on 2016/10/01
بحث و نتیجهگیری
باتوجه به ماهیت بزرگ مقیاس وقایع گردوغبار، بررسی این وقایع باید به صورت جامع صورت پذیرد تا با بررسی عوامل تاثیرگذار و مناطق مولد این پدیده با اقدامات عملی در کاهش این پدیده گام برداشت. افزایش و تشدید گردوغبار در سالهای اخیر در مناطقی از استان اصفهان که برخی از شهرهای استان بویژه مرکز استان را تحت تأثیر قرار داده است نظرات کارشناسی فراوانی در پی داشته است. بطوریکه در پارهای موارد خشکیدگی تالاب گاوخونی از جمله منابع جدید و تشدید کننده این پدیده اعلام میشود. این در حالی است که 16 کانون فرسایش بادی در این استان قرار دارد که از جمله این کانونهای بحرانی میتوان به دشت سگزی، منطقه برخوار و محور نایین به انارک اشاره کرد. از آنجا که هدف اصلی این مقاله بررسی منشأ و نحوه گسترش مکانی غلظتهای بالای گردوغبار در حوضه آبخیز گاوخونی و بویژه تالاب خشکیده گاوخونی بوده است، از این رو با صرف نظر از سایر کانونهای استان، در تحقیق حاضر با استفاده از خروجیهای مدل NMMB/BSC-Dust به شناسایی پدیدههای مؤثر و متأثر گردوغبار و تغییرات مکانی آن در حوضه گاوخونی پرداخته شده است. به منظور بررسی میزان انطباق غلظتهای گردوغبار با وضعیت بادهای منطقه از میان تصاویر حاصل از مدل یک تصویر با بیشترین غلظت گردوغبار در منطقه انتخاب گردید و با وضعیت بادهای منطقه و تغییرات تودههای فشار در ترازهای مختلف جو از 1000 تا 100 مگاپاسکال مورد مقایسه قرارگرفت. در تمام شکلها (شکل 8 تا 10) مسیر انتقال بادها و نحوه گسترش مراکز آنها در آن واقعه رصد گردید.
با توجه به نتایج بدست آمده، مدل مورد نظر برآوردی منطقی از توزیع مکانی غلظتهای گردوغبار در محدوده مطالعاتی بدست میدهد. با تولید نقشههای توزیع غلظت ذرات گرد و غبار، مناطقی از حوضه که بر اساس شبیهسازیهای صورت گرفته دارای حداکثر غلظت ذرات هستند میتوانند بعنوان چشمههای اصلی برداشت ذرات نیز تعیین شوند. یافتهها حاکی از انطباق محدودههای با حداکثر غلظت بر چشمه شناخته شده ذرات (کانونهای تولیدگردوغبارخوزستان و عراق، کویر مرکزی و بخشهای بسیار محدودی از مرکز حوضه و اطراف تالاب گاوخونی) است. بنابراین افزایش گردوغبار در سالیان اخیر در سطح حوضه را میتوان بیشتر به عوامل خارجی نسبت داد و سهم تالاب گاوخونی در این زمینه بسیار کم میباشد. نتایج این یافته با تحقیق و ززولی و همکاران (22) و هوستین و همکاران (5) تطابق داشت.
بررسی وضعیت اقلیمی، جهت بادهای منطقه و وضعیت فشار هوا در این مناطق نشان دهنده تأثیرپذیری وقوع گردوغبار از شرایط جوی منطقه از جمله ناپایداری جوی حاصل از باد و تقابل تودههای کم فشار و پرفشار هوا میباشد. نقشههای بادهای امگا (بادهای عمودی در سطح زمین) نیز نشان از شکل گیری یک مرکز صعود هوا (کم فشار) و ناپایدار بر روی منطقه در نتیجه کمک به تشدید وضعیت گردوغبار منطقه دارد. جریانات در نقشههای سرعت منطقهای حاکی از ایجاد هستههای دارای سرعت باد بالا (غالباً با سرعت بالای 11 متر برثانیه) بر روی این مناطق و در نتیجه وقوع طوفان گردوغبار در تاریخهای مذکور است. تسلط باد غربی با حرکت مداری در وقایع گردوغباری رخ داده حوضه در بیشتر تاریخهای شناسایی شده به اثبات رسیده است. نتایج این یافته با تحقیقات ذولفقاری و عابدزاده (21) و رئیسپور (23) همخوانی داشت.
با توجه به تخریب شدید سرزمین و به ویژه خشکیدگی منابع آبی منطقه و تالاب گاوخونی در حوضه از یک سو و گسترش بیابان و ماسههای روان از سوی دیگر، باید برنامه کنترل مناطق مستعد وقوع غلظتهای بالای گردوغبار شناسایی شده به طور ویژه دنبال شود. همچنین باتوجه به روند کاهشی بارش و افزایش دما طی سالهای اخیر باید برنامهها و اقدامات لازم جهت جلوگیری از گسترش روز افزون وسعت این مناطق اتخاذ گردد.
برای مقابله با گردوغبار میتوان با اجرای طرحهای بهینه شامل احیای آبهای سطحی و زیر سطحی، مالچ پاشی محل برداشت و کاشت نهال همزمان با مالچ پاشی، ساماندهی رودخانهها، تالابها و منابع هیدرولیکی محل برای افزایش رطوبت خاک و در نتیجه چسبیدن ذرات خاک به هم و عدم جابجایی آنها در تحقیقات مشخص شده است با افزایش رطوبت ذرات رسی از 10 درصد به 15 درصد سرعت باد لازم برای انتقال ذرات از 5 متر در ثانیه به حدود 12 متر در ثانیه خواهد رسید (8 و 6) به نتیجه مناسب دست یافت.
منابع مورد استفاده
1. Baddock M. C, Bullard J. E, and Bryant R. G. 2009. Dust source identification using MODIS: a comparison of techniques applied to the Lake Eyre Basin. Australia. Remote sensing of Environment, 113(7), 1511-1528. doi: https://doi.org/10.1016/j.rse.2009.03.002.
2. Engelstaedter S. 2001. Dust storm frequencies and their relationships to land surface conditions. Freidrich-Schiller University press, Jena, Germany.
3. Gillette D.A, Herrick J.E, Herbert G.A.2006. Wind characteristics of mesquite streets in the northern Chihuahuan Desert, New Mexico, USA. Environ Fluid Mech 6, 241–275. doi: https://doi.org/10.1007/s10652-005-6022-7.
4. Groll M, Opp C, and Aslanov I. 2013. Spatial and temporal distribution of the dust deposition in Central Asia-results from a long term monitoring program. Aeolian Research, 9: 49-62. doi: https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2012.08.002.
5. Haustein K, Pérez C, Baldasano J. M, Jorba O, Basart S, Miller R. L, Schladitz, A. 2011. Atmospheric dust modeling from meso to global scales with the online NMMB/BSC-Dust model, Part 2: Experimental campaigns in Northern Africa. Atmospheric Chemistry and Physics, 12(6), 2933-2958. doi: https://doi.org/10.5194/acp-11-13001-2011.
6. Ishizuka M, Mikami M, Yamada Y, Zeng F, and Gao W. 2005. An observational study of soil moisture effects on wind erosion at a gobi site in the Taklimakan Desert. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 110(18). doi:: https://doi.org/ 10.1029/2004JD004709.
7. karegar M E, Bodagh Jamali J, Ranjbar Saadat Abadi A, Moeenoddini M, Goshtasb H. 2017. Simulation and Numerical Analysis of severe dust storms Iran East. Jsaeh, 3 (4):101-119. doi:https://doi.org/ 10.18869/acadpub.jsaeh.3.4.101.
8. Mahowald N, M Baker A. R, Bergametti G, Brooks N, Duce R. A, Jickells T. D, Tegen I. 2005. Atmospheric global dust cycle and iron inputs to the ocean. Global Biogeochemical Cycles, 19(4). doi: https://doi.org/10.1029/2004GB002402.
9. MahmoodAbadi M, Rajabpour, H. 1396. Investigation the effect of soil initial moisture on the intensity of wind erosion using laboratory wind tunnel. Soil and Water Conservation Research (Agricultural Sciences and Natural Resources 24 (2). (In Persian).
10. Rashki A, Arjmand M. and Kaskaoutis D.G. (2017). Assessment of dust activity and dust-plume pathways over Jazmurian Basin, southeast Iran, Aeolian Research, 24: 145-160.275. doi: https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2017.01.002.
11. Rashki A, Kaskaoutis D. G, Goudie A. S, and Kahn R. A. 2013. Dryness of ephemeral lakes and consequences for dust activity: the case of the Hamoun drAAInage basin, southeastern Iran.Science of the Total Environment, 463, 552-564. doi: 10.1016/j.scitotenv.2013.06.045
12. Remer L. A, Kaufman Y. J, Tanr´e D, Mattoo S, Chu D. A, Martins J. V, Li R R, Ichoku C, Levy R C, Kleidman R. G, Eck T. F, Vermote E. and Holben B. N. 2005. The MODIS aerosol algorithm, products, and validation, J. Atmos. Sci., 62, 947-973. doi: https://doi.org/10.1175/JAS3385.1.
13. Remer L. A, Kleidman R. G, Levy R.C, Kaufman Y. J, Tanr´e D, Mattoo S, Martins J V, Ichoku C, Koren I, Yu H, and Holben B. N. 2008. Global aerosol climatology from the MODIS satellite sensors, J. Geophys. Res., 113, 426-403. doi: https://doi.org/10.1029/2007JD009661.
14. Remer L.A, Tanre D, Kaufman Y, Levy R. and Mattoo S. 2009. Algorithm for remote sensing of tropospheric aerosol from MODIS, collection 005, Rev. 2, 97, available at: http: //modis-atmos.gsfc.nasa.gov. https://doi.org/10.1175/JAS3385.1.
15. Tanr´e D, Kaufman Y. J, Herman M. and Mattoo S.1997. Remote sensing of aerosol properties over oceans using the MODIS/EOS spectral radiances. Journal of Geophys. Research, 102 (D14), 16971-16988. doi: https://doi.org/10.1029/96JD03437.
16. Tegen I. 2006. Effects of atmospheric dust. Encyclopedia of Quaternary Science. Elsevier, Netherlands. doi: 10.1016/B0-444-52747-8/00029-6.
17. Wang Y. S, WangY. M, Lin H. H, and Tang T. 2003. Determinants of user acceptance of Internet banking: an empirical study. International journal of service industry management, 14(5), 501-519. doi: 10.1108/09564230310500192.
18. Wang S, Wang J, Zhou Z,and Shang K. 2005. Regional characteristics of three kinds of dust storm events in China. Atmospheric Environment, 39(3), 509-520. doi: 0.1016/j.atmosenv.2004.09.033.
19. World Meteorological Organization. 1995. Manual on Codes, Suppl. 6(VIII.2007), WMO, Geneva, Switzerland.
20. Xuan J, Sokolik I. N, Hao. J, Guo F, Mao H., & Yang G. 2004. Identification and characterization of sources of atmospheric mineral dust in East Asia. Atmospheric Environment, 38(36), 6239-6252. doi::https://doi.org/ 10.1016/j.atmosenv.2004.06.042.
21. Zolfaghari H, AbedzadehH. 2005. Synoptic Analysis of Dust Systems in Western Iran, Journal of Geography and Development, No. 6, pp. 173-178. (In Persian).
22. Fallah Zazuli M, Vafaeinejad Khairkhah A, Zarkash M, and Ahmadi Dehka F. 2014. Source routing of dust haze phenomenon in the west and southwest of Iran and its synoptic analysis by using remote sensing and GIS, Journal of Remote Sensing and Geographic Information Systems in Natural Resources, 5 (4): 61-78. (In Persian).
23. Raispour, K. 2018. Analysis of events of dust using satellite monitoring and synoptic analysis in southwest Iran, journal of Environmental Erosion Research, No. 29, pp. 74-93. (In Persian).
Investigation of the origin and spatial distribution of high dust concentrations and its synoptical analysis in Gavkhooni basin
Abstract
Today, one of the major challenges in many arid and semi-arid regions of the world is dust storms. The purpose of this study is to investigate the origin and spatial distribution of high concentrations of dust and its synoptic analysis using wind maps and sea level pressure in Gavkhuni basin. The spatial distribution pattern of dust is an important variable in understanding dust transport and implementing appropriate control strategies. The present study investigated the spatial distribution of dust in Gavkhuni basin and surrounding basins by simulating NMMB / BSC-Dust model over three years (2014-2016). For this purpose, several dust events were selected based on the Aerosol Optical Depth (AOD), Visibility and the dust codes and the dust transfer path was monitored for up to 72 hours at that time. The Aerosol optical depth was calculated by using the Modis sensor and the Deep Blue algorithm. The model output was then compared with images from the Modis sensor for each selected date to verify the results of the model. In the next step, wind direction maps in different atmospheric layers and sea level pressure maps were studied with the help of NCEP / NCAR model to determine the distribution and transport routes of dust concentration. The results of this study showed that the source of dust occurrence in Gawkhuni basin is the Khuzestan and Iraq dust production centers, Central Desert and small parts of the basin center and around Gavkhuni Wetland. In addition, a synoptic examination of suitable areas of dust occurrence revealed that at the dates of the dust storms, low pressure zones and high-velocity cores are formed at different levels of the atmosphere over the area, which is associated with the direction of the winds and the movement of dense masses of dust toward the basin.
Keywords: Dust, Wind direction, AOD, gavkhuni
بررسی منشأ و نحوه گسترش مکانی غلظتهای بالای گردوغبار و تحلیل همدیدی آن در حوضه گاوخونی
چکیده مبسوط
طرح مسئله: در سالهای اخیر, بحران ناشی از ورود گردوغبارها در مناطق جنوب شرقی کشور یکی از ملموسترین حوادث طبیعی-انسانی مؤثر بر زندگی روزمره شهروندان و همچنین اقتصاد این منطقه بوده است.
افزایش دسترسی به منابع مختلف پردازش داده, موجب گسترش مدلسازی گردوغبار در سطوح مختلف ازجمله سطوح محلی, منطقهای و جهانی شده است و باعث درک سازوکار سیستمهای پیچیده طبیعی میشود. مدلسازی پدیده گردوغبار, به شناسایی عوامل اصلی ایجاد آن در یک منطقه و میزان اهمیت هر عامل کمک بسزایی میکند. یکی از این مدلها که برای تشخیص غلظت و شدت گردوغبار موجود در جو و نمایش محدوده دارای این پدیده و تعیین منشاء آن استفاده میشود مدل گردوغبار (NMMB/BSC) است. هدف این مقاله نیز شناسایی و پایش گردوغبار مؤثر و متأثر از حوضه تالاب گاوخونی از دو روش تفسیر بصری و رهگیری در تصاویر ماهوارهای با استفاده از مدل مذکور میباشد. شناسایی مناطق مستعد وقوع پدیده گردوغبار با این مدل و بررسی همدیدی آن میتواند گامی در جهت مدیریت این پدیده در منطقه باشد.
هدف: هدف این مطالعه بررسی نحوه گسترش مکانی غلظتهای بالای گردوغبار و تحلیل همدیدی آن با استفاده از نقشههای باد و فشار سطح دریا در حوضه گاوخونی است.
روش تحقیق: جهت تعیین مناطق مستعد وقوع غلظتهای بالای گردو غبار در منطقه ابتدا در دوره زمانی سالهای 2014-2016 طوفانهای فراگیر در منطقه به صورت ماهانه براساس پارامتر عمق نوری ذرات معلق در هوا (AOD) تعیین گردید و سپس توسط پارامتر میدان دید حداقل و تداوم وقایع گردوغبار حاصل از اطلاعات ایستگاههای سینوپتیک سازمان هواشناسی, روزهای با کمترین میدان دید و بیشترین تداوم در بازه ماههای تعیین شده (ماههای با بیشترین غلظت AOD) انتخاب گردید عمق نوری ذرات معلق در هوا با استفاده از حسگر مودیس و الگوریتم دیپ بلو محاسبه گردید. به منظور تعیین شناسایی مناطق با بیشترین استعداد وقوع گردوغبار در حوضه آبخیز گاوخونی از مدل MMB/BSC-Dust استفاده گردید. با استفاده از این مدل مسیرهای انتقال غلظتهای گردوغبار تا 72 ساعت بعد از وقوع به صورت بازههای سه ساعته رصد گردید. براین اساس درگام بعدی از بین 25 نقشه خروجی مدل برای هر مقطع زمانی, یک نقشه با بیشترین غلظت گردوغباربه وقوع پیوسته در حوضه مشخص گردید. سپس با نقشههای همدیدی و تصاویر طوفانهای گردوغبار سنجنده مودیس حاصل از پایگاه وردویو (worldview) مقایسه گردید. تا ارتباط این پارامترها بر غلظتهای بالای گردوغبار به وقوع پیوسته آزموده شود. در مطالعات همدیدی, هدف تبیین روابط کلیدی میان جو و محیط میباشد. به منظور تعین الگوهای جوی حاکم بر حوضه در تاریخهای مورد بررسی, محدوده جغرافیایی 20 تا 50 درجهی شمالی و 40 تا 65 درجهی شرقی برای دریافت دادههای رقومی تعیین شد. در ادامه دادههای ساعتی رقومی بادهای منطقهای ترازهای مختلف جوی 100, 500, 700 و 850 هکتوپاسکال برای روزهای با بالاترین غلظت گردوغبار از مرکز ملی پیش بینی محیطی آمریکا/ مرکز ملی پژوهشهای جوی (NCEP/NCAR) دریافت گردید و نقشههای بدست آمده با هرکدام از الگوهای غلظت گردوغبار مورد مقایسه و تحلیل قرار گرفت.
نتایج و بحث: تصویر منتخب از بازه 72 ساعته در تاریخ 4/6/2014 نشان از متاثرشدن حوضه از مناطق جنوب غربی کشور و به خصوص کانونهای گردوغبار خوزستان و عراق میباشد که در طی حرکت به سمت مناطق مرکزی کشور به تدریج حوضه را متأثر میسازد. تصاویر سنجنده مودیس نیز وجود این توده گردوغبار برروی نواحی جنوب غربی کشور در این تاریخ و متأثر کردن حوضه را به اثبات رساند. تصویر متعلق به تاریخ 25/4/2015 وجود یک توده متراکم گردوغبار در نواحی جنوب غرب کشور و متأثر شدن حوضه گاوخونی از این توده را به اثبات رساند. در این تاریخ بخشهایی از حوضه از جمله بخش شرقی تالاب گاوخونی و مرکز حوضه خود چشمه کوچک تولید گردوغبار بودهاند. واقعه گردوغبار رخ داده در تاریخ 1/10/2016 نشان از متأثر شدن حوضه از چشمههای گردوغبار در کویر مرکزی دارد بطوری که با حرکت تودههای متراکم گردوغبار از سمت کویر مرکزی و کویر سیاه شاهد تحت تأثیر قرار گرفتن حوضه بودهایم. و نواحی مرکزی حوضه خود به صورت چشمه گردوغبار عمل کرده و در تشدید غلظت گردوغبار نقش داشت. به منظور بررسی میزان انطباق غلظتهای گردوغبار با وضعیت بادهای منطقه از میان 25 تصویر در بازه 72 ساعت یک تصویر با بیشترین غلظت گردوغبار در منطقه انتخاب گردید و با وضعیت بادهای منطقه در فشارهای مختلف 100, 500, 700 و 850 پاسکال موردبررسی قرارگرفت. همانطوریکه در تحلیل همدیدی گردوغبار مشاهده گردید به دلیل قرارگیری یک کم فشار در مرکز ایران با توجه به چرخش سیکلونی (پادساعتگرد در نیمکره شمالی) در سمت شمالی و جنوبی به ترتیب باد شرقی و باد غربی تسلط یافته است. تسلط باد غربی با حرکت مداری در وقایع گردوغباری رخ داده حوضه در بیشتر تاریخهای شناسایی شده به اثبات رسیده است. در آخرین واقعه در سال 2016 شاهد گسترش یک مرکز پرفشار برروی کشور و تغییر این جریان و غالبیت باد شرقی در ترازهای بالایی جو بودیم. بررسی وضعیت بادهای رخ داده در تاریخ 13/3/1393 در ساعت 0 تا 06 به وقت گرینویچ نشان دهنده تشکیل مراکز با سرعتهای بالاتر از 12 متر بر ثانیه در محدوده شکل گیری کانونهای گردوغبار میباشد. جهت وزش بادها از غرب به شرق میباشد و گردوغبار عبوری از حوضه از نواحی غربی کشور از جمله کانونهای گردوغبار استان خوزستان و عراق منشأ گرفته است. در این واقعه شاهد حاکمیت مراکز کم فشار ناپایدار بر روی سطح حوضه بودهایم که خود میتواند یکی از عوامل اساسی در تشدید پدیده گردوغبار بر روی سطح حوضه باشد. بررسی بادهای امگا (بادهای عمودی در سطح زمین) نشان از شکلگیری یک مرکز صعود هوا بر روی محدوده شکل گیری هسته پرسرعت باد و کانونهای گردوغبار دارد. دومین واقعه مورد بررسی در تاریخ 2/2/1394 در ساعت 3 به وقت گرینویچ به وقوع پیوسته است. بررسی نقشههای جهت باد نشانگر شکل گیری مراکز با سرعت بالاتر از 25 متر بر ثانیه با جهت غرب به شرق بر روی سطح مناطق غربی کشور و حوضه گاوخونی بودهایم که این وضعیت باعث تشدید تولید گردوغبار در کانونهای حساس منطقه از جمله خوزستان و حرکت آن به سمت حوضه گاوخونی و متأثر کردن حوضه میباشد. بررسی وضعیت باد تا ترازهای بالایی جو نیز نشان از ثابت بودن رژیم باد در عین افزایش سرعت آن در تمامی ترازهای جو داشت. بررسی نقشههای بادهای امگا (بادهای عمودی در سطح زمین) و فشار سطح دریا نشان از شکل گیری یک مرکز صعود هوا (کم فشار) و ناپایدار بر روی منطقه در نتیجه کمک به تشدید وضعیت گردوغبار منطقه دارد. بررسی واقعه گردوغبار رخ داده در تاریخ 9/7/1395 در ساعت 18 به وقت گرینویچ نشان از شکل گیری هستههای با سرعت بالای باد بالاتر از 17 متر بر ثانیه در مناطق شرقی کشور داشت که در تراز 850 هکتو پاسکال دارای جهت شرقی-غربی میباشد شکل گیری این هستههای پرسرعت و وزش بادها از سمت شرق به حوضه سبب متأثر شدن حوضه گاوخونی از گردوغبار تولید شده از کویر مرکزی و کویر سیاه شده است. بادهای عمودی نیز نشان دهنده تقابل جریان صعودی و نزولی در یک راستا و حرکت از سمت پرفشار (شرق) به سمت کم فشار (غرب) و شکل گیری جریان شرقی- غربی دارد.
نتیجهگیری: نتایج این تحقیق نشان داد که منشأ وقوع گردوغبار در حوضه گاوخونی کانونهای تولیدگردوغبارخوزستان و عراق, کویر مرکزی و بخشهای کوچکی از مرکز حوضه و اطراف تالاب گاوخونی است. علاوه بر این بررسی همدیدی مناطق مستعد گردوغبار نشان داد که در تاریخهای وقوع گردوغبار مناطق کمفشار و هستههای با سرعتهای بالای باد (غالباً با سرعت بالای 12 متر برثانیه) در ترازهای مختلف جو بر روی منطقه تشکیل شده است که با جهت بادها و به حرکت درآمدن تودههای متراکم گردوغبار به سمت حوضه و در نتیجه وقوع طوفان گردوغبار همراه است.
واژگان کلیدی: غلظت گردوغبار, مدل گردوغبار, جهت باد, عمق نوری ذرات معلق در هوا.
Investigation of the origin and spatial distribution of high dust concentrations and its synoptical analysis in Gavkhooni basin
Abstract
Statement of the Problem: In recent years, the crisis caused by dust in the southeastern regions of the country has been one of the natural-human events affecting the daily lives of citizens and the economy of the region. Increasing access to various data processing sources has expanded dust modeling at various levels, including local, regional, and global levels, and has helped to understand the mechanism of complex natural systems. dust Modeling helps to identify the main factors that create it and the importance of each factor. One of these models that are used to detect the concentration and intensity of dust in the atmosphere and the range of this phenomenon and determine its origin is the dust model (NMMB / BSC). The purpose of this paper is to identify and monitor dust from the Gavkhoni basin by two methods of visual interpretation and tracking in satellite images using the mentioned model. Identifying areas with the possibility of dust and its synoptical study can be an important step in managing this phenomenon in the region.
Purpose: This study examines the spatial distribution of dust high concentrations and its Synoptical analysis using wind maps and sea surface pressure in the Gavkhoni basin.
Methodology: In order to determine the potential areas of high concentrations of dust in the region, first in the period of 2016-2016, pervasive storms in the region were determined on a monthly basis based on the Aerosol optical depth parameter (AOD). Then, by the parameter of the minimum visibility and continuity of dust events obtained from the information of synoptic stations of the Meteorological Organization, the days with the lowest field of view and the highest continuity in the specified months (months with the highest AOD concentration) were selected. The Aerosol optical depth was calculated by using the Modis sensor and the Deep Blue algorithm. The MMB / BSC-Dust model was used to identify the most dust suscribted areas in the Gavkhoni basin. With the help of this model, dust transfer routes were monitored for three hours within 72 hours after occurrence. Accordingly, in the next step of 25 model output maps for each time period,
a map with the highest dust concentration in the basin was determined. To test the relationship of these parameters to the high concentrations of dust The output was then compared with the Synoptical maps and dust images of the Modis sensor dust storm from the Worldview database. In Synoptical studies, the goal is explaining the key relationships between atmosphere and the environment. In order to determine the atmospheric patterns in the basin on the studied dates, the geographical range of 20 to 50 degrees north and 40 to 65 degrees east to receive digital data was determined. The hourly data of winds of different atmospheric levels of 100, 500, 700 and 850 hectopascals for days with the highest dust concentration were obtained from NCEP / NCAR center and the obtained maps were compared and analyzed with each of the dust concentration patterns.
Results and discussion: The selected image of the 72-hour period on 2014/6/4 shows that the basin is affected by the southwestern regions of the country, especially the dust centers of Khuzestan and Iraq, which gradually affect the basin during the movement towards the central regions of the country. Images of the Modis sensor also confirmed the presence of this dust mass on the southwestern regions of the country and affected the basin on this date. The image of 4/25/2015 proved the existence of a dense dust mass in the southwestern regions of the country and the impact of the Gavkhoni basin from this mass. On this date, parts of the basin, including the eastern part of Gavkhoni Wetland and the center of the Little Spring Basin, have been producing dust. On this date, parts of the basin, including the eastern part of Gavkhoni Wetland and the center of the basin, have been a small source of dust. The dust event that occurred on 2016/10/1 shows that the basin is affected by dust sources in the Central Desert, so that by moving the dense masses of dust from the central desert and the Black Desert, the basin was affected by them. And the central areas of the basin acted as a source of dust and contributed to the intensification of dust concentrations. As can be seen in the dust analysis, due to the low pressure in the center of Iran due to cyclonic rotation (counterclockwise in the northern hemisphere) on the north and south sides, the east wind and the west wind have dominated, respectively. The dominance of the western wind with orbital motion in dust storm events has been proven in most of the identified dates. In the most recent case, in 2016, we witnessed the expansion of a high-pressure center across the country and the change of this trend and the dominance of the east wind in the high levels of the atmosphere. An examination of the condition of the winds that took place on 13/3/2014 at 0-06 GMT shows the formation of centers with speeds higher than 12 m/s in the formation of dust centers. The winds blow from west to east and the dust passing through the basin originates from the western parts of the country, including the dust centers of Khuzestan and Iraq provinces. In this case, we have witnessed the dominance of unstable low pressure centers on the surface of the basin, which can be one of the main factors in aggravating the dust phenomenon on the surface of the basin. Examination of omega winds (vertical winds on the ground) indicates the formation of an air ascent center on the range of the formation of high-speed wind nuclei and dust centers. The second incident occurred on 2/2/2015 at 3:00 PM GMT. Examination of wind direction maps shows the formation of centers with a speed of more than 25 meters per second with west-east direction on the surface of the western regions of the country and Gavkhoni basin, which aggravates dust production in sensitive areas such as Khuzestan and its movement Towards the Gavkhooni basin and affecting the basin. Examination of wind conditions to high atmospheric levels also showed that the wind regime was constant while increasing its speed at all atmospheric levels. An examination of the maps of omega winds (vertical winds on the ground) and sea surface pressure indicates the formation of an airborne and unstable (low pressure) center on the region, thus helping to aggravate the dust situation in the region. An examination of the dust storm that took place on 01/10/2016 at 6:00 PM GMT showed the formation of high wind speeds above 17 m/s in the eastern regions of the country, which are in the east-west direction at 850 ha Pascal level. he formation of these high-speed nuclei and the blowing of winds from the east to the basin have affected the Gavkhoni basin from the dust produced from the central desert and the black desert. Vertical winds also indicate the rising and falling currents and the movement of winds from high pressure (east) to low pressure (west) and the formation of east-west currents.
Conclusion: The results of this study showed that the source of dust occurrence in Gawkhuni basin is the Khuzestan and Iraq dust production centers, Central Desert and small parts of the basin center and around Gavkhuni Wetland. In addition, a synoptic examination of suitable areas of dust occurrence revealed that at the dates of the dust storms, low pressure zones and high-velocity cores are formed at different levels of the atmosphere over the area, which is associated with the direction of the winds and the movement of dense masses of dust toward the basin.
Keywords: Dust concentration, NMMB / BSC-Dust model, Wind direction, AOD
