بررسی روند تغییرات زمانی و مکانی ذرات معلق جو با استفاده از شاخص عمق اپتیکی آئروسل‌ها در جنوب شرق ایران

سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی

مقاله 5، دوره 11، شماره 3 - شماره پیاپی 40، مهر 1399، صفحه 87-105   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/girs.2020.674954

نویسندگان

مریم میراکبری^{* 1}؛ زهره ابراهیمی خوسفی²

¹دانش‌آموخته دکتری بیابان‌زدایی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

²استادیار گروه مهندسی طبیعت، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه جیرفت، جیرفت، ایران

چکیده

پیشینه و هدف شاخص عمق اپتیکی آئروسل یکی از پرکاربردترین شاخص‌ها جهت بررسی وضعیت آلودگی هوای مناطق مختلف به‌ویژه مناطق خشک و بیابانی است. مناطق خشک و نیمه‌خشک از منابع اصلی ذرات گردوغبار معلق در جو هستند. ایران به دلیل قرار گرفتن در منطقه خشک و نیمه‌خشک در طول سال با توفان‌های گردوغبار متعددی مواجه است، که خسارات زیست محیطی و اقتصادی-اجتماعی جبران‌ناپذیری را به مناطق مختلفی از کشور وارد کرده است. یکی از این مناطق، منطقه جنوب شرق کشور است که به دلیل وزش بادهای 120 روزه در نیمی از سال (اوایل بهار تا اواخر تابستان) تحت تأثیر توفان‌های گردوغبار قرار می‌گیرند و هرساله حجم زیادی از ذرات شن و گردوغبار از این طریق، وارد جو می‌شود. لذا بررسی و پایش تغییرات زمانی و مکانی ذرات معلق موجود در جو که گردوغبار نیز بخش عمده‌ای از ذرات معلق در این مناطق است، در این منطقه از کشور حائز اهمیت است. درواقع اطلاع از تغییرات زمانی و مکانی ذرات معلق می‌تواند در ارائه راهکارهای مناسب جهت کاهش خسارات ناشی از این ذرات مفید باشد. در این مطالعه به دلیل کمبود ایستگاه‌های اندازه‌گیری زمینی ذرات معلق، مشخصه عمق اپتیکی آئروسل­ ها بر اساس محصول عمق اپتیکی آئروسل (AOD) سنجنده مودیس طی دوره آماری 18 ساله (1380- 1397) جهت پایش و تحلیل تغییرات مکانی و زمانی غلظت آئروسل‌ها در نواحی جنوب شرق ایران مورد استفاده قرار گرفت. تغییرات زمانی AOD در مقیاس‌های زمانی ماهانه، فصلی و سالانه، بر اساس آزمون روند من- کندال پیش سفید شده تعیین گردید.
مواد و روش­ ها برای انجام تحقیق حاضر از داده‌های روزانه AOD متعلق به سطح 4 سنجنده مودیس استفاده‌شده است. با توجه به اینکه دوره زمانی مورد بررسی 18 ساله است (1397-1380)، در مجموع 6570 فریم از محصولات روزانه AOD سنجنده مودیس برای بازه زمانی 1380 تا 1397 به فرمت NetCDF از آرشیو USGS دریافت شد. داده‌های اخذشده AOD با کدنویسی در محیط برنامه Matlab برای 13 ایستگاه سینوپتیک موجود در منطقه مطالعاتی استخراج شدند. جهت اعتبارسنجی داده ­های AOD سنجنده مودیس، از داده‌های غلظت ذرات معلق کوچک‌تر از 10 میکرومتر (PM10) که در ایستگاه‌های پایش آلاینده­ ها به ثبت می‌رسد، استفاده شد. در مرحله بعد، به‌منظور بررسی تغییرات زمانی و مکانی غلظت آئروسل‌ها، نقشه‌های پهنه‌بندی شده AOD با استفاده از میانگین مقادیر استخراج‌شده طی دوره آماری، به روش وزن دهی فاصله معکوس (IDW) تهیه شدند. در این روش هر ایستگاه یا نقطه اندازه‌گیری دارای تأثیر محلی است که با افزایش فاصله کاهش می‌یابد، به طوری که مکان های نزدیک به نقطه اندازه‌گیری وزن بیشتری خواهند داشت. در گام بعدی، روند تغییرات زمانی آن‌ها در مقیاس‌های زمانی مختلف با استفاده از روش من-کندال پیش سفید شده مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج و بحث نتایج حاصل از اعتبارسنجی AOD حاکی از وجود ارتباط قوی و معنی­دار، بین عمق اپتیکی ذرات معلق سنجنده مودیس (AOD) و غلظت ذرات معلق (PM10) در سطح اطمینان 95درصد آماری است. لذا می‌توان این‌گونه استنباط کرد که داده‌های AOD از دقت قابل قبولی برای بررسی و تحلیل تغییرات ذرات معلق جو در منطقه مطالعاتی برخوردار هستند. توزیع مکانی AOD در سطح منطقه مطالعاتی طی سال‌های 1380 تا 13973 نشان داد نواحی غربی و مرکزی (ایستگاه‌های کرمان، بافت، سیرجان، رفسنجان) کمترین میزان AOD را به خود اختصاص داده‌اند. این در حالی است که نواحی شمال شرقی، شرق و جنوبی (استان سیستان بلوچستان) تحت تأثیر غلظت بالاتری از ذرات معلق قرارگرفته‌اند. میزان AOD در دوره آماری بین 0.14 تا 0.53 متغیر بوده است که به ترتیب در سال‌های 1395 و 1382وقوع یافته است. بررسی تغییرات زمانی AOD در مقیاس سالانه نشان داد میزان مواد معلق جو در سال‌های 1380، 1382، 1387، 1388 و 1391 در منطقه مطالعاتی به بالاترین مقدار رسیده است که ایستگاه‌های زابل، زهک، زاهدان، خاش و ایرانشهر به ترتیب بیشترین مقدار AOD را در دوره آماری دارا می‌باشند. مقادیر میانگین AOD فصلی نشان داد که در تابستان و بهار، غلظت مواد معلق به بیشترین حد رسیده درحالی‌که در پائیز و زمستان این مقدار به حداقل رسیده است. همچنین تغییرات افزایشی ذرات معلق جو از فروردین‌ماه شروع‌شده در تیر به حداکثر مقدار رسیده و سپس از مرداد تغییرات کاهشی دارد. روند تغییرات میزان AOD در مقیاس سالانه بر اساس آزمون من- کندال نشان داد در اکثر ایستگاه‌های محدوده مطالعاتی به‌استثنای رفسنجان دارای روند کاهشی بوده، که تنها در ایستگاه‌های زاهدان، زهک، زابل، سراوان و بم در سطح 5 درصد کاهشی و معنی‌دار بوده است. مقادیر آماره آزمون من- کندال AOD در مقیاس ماهانه نشان داد ماه‌های اردیبهشت، خرداد، تیر و مهر به ترتیب دارای بیشترین فراوانی روند معنی‌دار طی دوره آماری در منطقه مطالعاتی می‌باشند. روند ماهانه AOD نیز حاکی از تغییرات کاهشی غلظت مواد معلق طی دوره آماری است. به‌طوری‌که در ماه‌های اردیبهشت، خرداد، تیر، مرداد، آبان و اسفند طی دوره آماری در اکثر ایستگاه‌های منطقه مطالعاتی غلظت مواد معلق روند کاهشی داشته است. نتایج بررسی روند تغییرات فصلی AOD نیز حاکی از روند کاهشی غلظت مواد معلق جو به‌ویژه در فصول تابستان و بهار است. در فصل پائیز فقط برای ایستگاه کرمان ، تغییرات AOD دارای روند افزایشی بوده است.
نتیجه ­گیری یکی از منابع اطلاعاتی موجود برای دسترسی به عمق اپتیکی آئروسل‌ها، سنجنده مودیس است. بر اساس نتایج تحقیق حاضر رابطه قابل قبولی میان محصول AOD سنجند مودیس و داده‌های PM10 اندازه‌گیری شده در ایستگاه‌های زمینی برقرار است. نتایج تحقیق نشان داد میانگین AOD در مقیاس سالانه بین 0.14 تا 0.53 متغیر است که بالاترین مقدار AOD در سال 1382 و حداقل مقدار آن در سال 1395 اتفاق افتاده است. بررسی روند سالانه AOD نشان داد در اکثر ایستگاه‌های منطقه مطالعاتی غلظت مواد معلق سیر نزولی دارد. سیر نزولی میزان ذرات معلق جو می‌تواند به دلیل کاهش وقایع گردوغبار ناشی از افزایش سطح پوشش گیاهی در منطقه باشد. مقادیر میانگین ماهانه و فصلی AOD نشان داد غلظت ذرات معلق طی پائیز و زمستان در ماه‌های آبان، آذر، دی و بهمن دارای حداقل مقدار و تابستان و بهار در ماه‌های تیر، خرداد و اردیبهشت دارای حداکثر مقدار است. این در حالی است که روند تغییرات زمانی AOD در مقیاس فصلی و ماهانه نیز در اکثر ایستگاه‌های منطقه مطالعاتی طی دوره آماری، کاهشی است. به‌طورکلی نتایج تحقیق حاضر نشان داد ناحیه غربی منطقه مطالعاتی که در استان کرمان واقع‌شده است با غلظت کمتری از ذرات معلق نسبت به نواحی شرقی واقع در استان سیستان بلوچستان، طی دوره آماری مواجهه بوده است. به‌طورکلی، کاهش مقادیر مربوط به غلظت آئروسل‌ها در برخی از مناطق موردبررسی در این پژوهش می‌تواند بیانگر بهبود کیفیت هوای این مناطق باشد. به نظر می‌رسد اعمال روش‌های اجرائی و مدیریتی مناسب در این منطقه از کشور که در سال‌های اخیر موردتوجه بسیاری از مدیران و تصمیم‌گیرندگان بوده است، توانسته نقش بسزایی در کاهش آلودگی غلظت هواویزها در این منطقه از کشور داشته باشد.

کلیدواژه‌ها

سنجش‌ازدور؛ تخریب اراضی؛ آزمون من-کندال؛ مناطق خشک؛ آلودگی هوا

مراجع

Aloysius M, Mohan M, Suresh Babu S, Parameswaran K, Krishna Moorthy K. 2009. Validation of MODIS derived aerosol optical depth and an investigation on aerosol transport over the South East Arabian Sea during ARMEX-II. In: Annales Geophysicae, vol 6. Copernicus GmbH, pp 2285-2296. www.ann-geophys.net/2227/2285/2009/.

Amanollahi J, Kaboodvandpour S, Abdullah AM, Ramli MF. 2011. Accuracy assessment of moderate resolution image spectroradiometer products for dust storms in semiarid environment. International Journal of Environmental Science & Technology, 8(2): 373-380.

doi:https://doi.org/10.1007/BF03326224.

Ahmadi M, Shakiba A, Dadashi A. 2019. Investigating the role of vegetation indices and geographic components on seasonal aerosol optical depth over Iran. Journal of the Earth and Space Physics, 45(1): 211- 233. (In Persian)

Arjmand M, Rashki A, Sargazi H. 2018. Monitoring of spatial and temporal variability of desert dust over the Hamoun e Jazmurian, Southeast of Iran based on the Satellite Data. Geographical Information, 27(106): 153- 168. (In Persian)

Bartina H, Sayyad Gh, Matinfar H, Hojati S. 2014. Spatio-temporal distribution of atmospheric aerosols in western part of Iran based on MODIS spectral data. Water and Soil Conservation, 21(4): 119- 137. (In Persian)

Chen B, Yamada M, Iwasaka Y, Zhang D, Wang H, Wang Z, Lei H, Shi G. 2015. Origin of non-spherical particles in the boundary layer over Beijing, China: based on balloon-borne observations. Environmental Geochemistry and Health, 37(5): 791-800. doi:https://doi.org/10.1007/s10653-014-9668-6.

Ghaderi Nasab F, Rahnama MB. 2018. Detection of Dust Storms in Jazmoriyan Drainage Basin Using Multispectral Techniques and MODIS Image. Physical Geography Research Quarterly, 50(105): 545- 562. (In Persian)

Hsu N, Gautam R, Sayer A, Bettenhausen C, Li C, Jeong M, Tsay S, Holben B. 2012. Global and regional trends of aerosol optical depth over land and ocean using SeaWiFS measurements from 1997 to 2010. NASA Goddard Space Flight Center; Greenbelt, MD, United States, 34p. https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20120012819.

Kendall M. 1975. Rank correlation methods (4th edn.) charles griffin. San Francisco, CA, 8. 325p.

Khoshsima M, Ali Akbari Bidokhti A, Givi F. 2013. Evaluation of aerosol optical depth using visibility and remote sensing data in urban and semi urban areas in Iran. Journal of the Earth and Space Physics, 39(1): 163- 174. (In Persian)

Li Z, Xia X, Cribb M, Mi W, Holben B, Wang P, Chen H, Tsay SC, Eck T, Zhao F. 2007. Aerosol optical properties and their radiative effects in northern China. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 112(D22). doi:https://doi.org/10.1029/2006JD007382.

Mann HB. 1945. Nonparametric tests against trend. Econometrica: Journal of the Econometric Society: 245-259.

Meshkizadeh P, Orak N, Morshedi J. 2016. Assessment and compare the spatial-temporal distribution of aerosol optical depth (AOD) in the Khuzestan province, using remote sensing (RS). Journal of Geography and Environmental Studies, 5(17): 69- 78. (In Persian)

Mobasheri M, Ghorbani R, Rahimzadegan M. 2012. Assessment of the MODIS Data Ability in Quantitative and Qualitative Analysis of Air Quality in Urban Area. Journal of Climate Research, 1(3): 59- 72. (In Persian)

Mohammadpour K, Saligheh M, Darvishi Bloorani A, Raziei T. 2020. Analysis and comparing satellite products and simulated of AOD in west Iran (2000-2018). Journal of Spatial Analysis Environmental Hazard, 7(1): 15- 32.

Mishchenko MI, Geogdzhayev IV. 2007. Satellite remote sensing reveals regional tropospheric aerosol trends. Optics express, 15(12): 7423-7438.

Nabavi SO, Haimberger L, Abbasi E. 2019. Assessing PM_2.5 concentrations in Tehran, Iran, from space using MAIAC, deep blue, and dark target AOD and machine learning algorithms. Atmospheric Pollution Research, 10(3): 889- 903.

Namdari S, Valizade KK, Rasuly AA, Sari Sarraf B. 2016. Spatio-temporal analysis of MODIS AOD over western part of Iran. Arabian Journal of Geosciences, 9(3): 191. doi:https://doi.org/10.1007/s12517-015-2029-7.

Pineda-Martinez LF, Carbajal N, Campos-Ramos AA, Noyola-Medrano C, Aragón-Piña A. 2011. Numerical research of extreme wind-induced dust transport in a semi-arid human-impacted region of Mexico. Atmospheric Environment, 45(27): 4652-4660. doi:https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2011.05.056.

Qin W, Liu Y, Wang L, Lin A, Xia X, Che H, Bilal M, Zhang M. 2018. Characteristic and driving factors of aerosol optical depth over mainland China during 1980–2017. Remote Sensing, 10(7): 1064. https://doi.org/10.3390/rs10071064.

Rajablou A, Agha Mouhammadi H, Rahimzadegan M, Rajaei MA. 2020. Analysis and zonation map of Tehran air quality monitoring data using grand and Rs. Journal of GIS & RS Application in in Planning, 9(4): 70- 82 (In Persian)

Ramanathan V, Crutzen PJ. 2003. New directions: Atmospheric brown clouds. Atmospheric Environment (1994), 37(28): 4033-4035.

Rashki A, Kaskaoutis DG, Eriksson PG, de W. Rautenbach CJ, Flamant C, Abdi Vishkaee F. 2014. Spatio-temporal variability of dust aerosols over the Sistan region in Iran based on satellite observations. Natural Hazards, 71(1): 563-585. doi:https://doi.org/10.1007/s11069-013-0927-0.

Sajjadi SA, Zolfaghari Gh, Adab H, Allahabadi A, Delsouz M. 2017. Measurement and modeling of particulate matter concentrations: applying spatial analysis and regression techniques to assess air quality. MethodsX, 4: 372-390. https://doi.org/10.1016/j.mex.2017.09.006.

Sayer AM, Hsu N, Bettenhausen C, Jeong MJ. 2013. Validation and uncertainty estimates for MODIS Collection 6 “Deep Blue” aerosol data. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 118(14): 7864-7872. doi:https://doi.org/10.1002/jgrd.50600.

Soleimani A, Asgari M, Dadelahi A, Elmizadeh H, Khazaie H. 2016. Evaluation of optical depth from MODIS satellite imagery in the Persian Gulf. Marine Science and Technology, 14(4): 75- 83. (In Persian)

Srivastava A, Saran S. 2017. Comprehensive study on AOD trends over the Indian subcontinent: a statistical approach. International Journal of Remote Sensing, 38(18): 5127-5149. doi:https://doi.org/10.1080/01431161.2017.1323284.

Tabatabaei T, Karbassi AR, Moata F, Monavari SM. 2015. Multivariate geostatistical analysis in assessment of aerosols (Case study: Bushehr). RS & GIS for Natural Resources, 5(4): 35- 46 (In Persian).

Von Storch H. 1999. Misuses of Statistical Analysis in Climate Research. In, Berlin, Heidelberg,  Analysis of Climate Variability. Springer Berlin Heidelberg, pp 11-26. https://doi.org/10.1007/1978-1003-1662-03744-03747_03742.

Yousefi R, Wang F, Ge Q, Shaheen A. 2020. Long-term aerosol optical depth trend over Iran and identification of dominant aerosol types. Science of the Total Environment, 722:137906.  doi:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137906.