علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و یکم، شماره دوازدهم، اسفند  ماه 98

مسیریابی و منشایابی حرکت آلاینده های جوی در شرایط وقوع آلودگی های حدی در کلان شهر تهران

مطهّره زرگری [1]

عباس مفیدی[2] ^*

abbasmofidi@um.ac.ir

آذر زرین [3]

چکیده

زمینه و هدف :آلودگی هوا یکی از معضلات اساسی کلان شهرها است که به یکی از مسایل مهم تبدیل گردیده است. مسیریابی و منشایابی حرکت آلاینده های جوی در شرایط وقوع آلودگی های حدی در کلان شهر تهران هدف تحقیق حاضر می باشد.

روش بررسی :در این تحقیق، از داده های ایستگاهی آلودگی هوا، داده های تصویر ماهواره ای Terra و از داده هایFNL ، بهره گرفته شده است. روزهای بسیار آلوده برای آلاینده های PM₁₀ و  O₃با بهره گیری از شاخص PSI محاسبه گردید. در کنار مسیریابی  آلاینده ها توسط تصاویر ماهواره ای به صورت چشمی از مدل HYSPLIT، برای منشأیابی آلاینده ها در سه تراز ارتفاعی10، 1500 و 5000 متری از سطح زمین بهره گرفته شد. خروجی های حاصل از تصاویر ماهواره ای و مدل، برای درک عمیق تر در محیط GIS ترسیم شدند.

یافته ها:  به طور کلی، در الگوی پشته برون حاره، سنجنده MODIS، گرد و غباری که از کشور سوریه، شمال شرقی تا جنوب شرقی کشور عربستان، مرکز، شمال و جنوب عراق و بخش هایی از ترکیه می باشد را نشان می دهد. منشا گرد و غبار در مدل HYSPLIT، در ترازهای 10 و 1500 متری از جانب شمال شرق و نواحی غربی می باشد. در الگوی ترکیبی، گرد و غبار بسیار شدیدی توسط سنجنده مودیس بر روی کشورهای عربستان، عراق، سوریه و اردن و بخش هایی از ترکیه قابل مشاهده می باشد. جریانات غباری در مدل HYSPLIT، در تراز 10 متری از شمال شرق و شمال غربی و در تراز 1500 متری، ناشی از شرایط محلی و در تراز  5000 متری  این  تغییرات  محسوس تر است.

بحث و نتیجه گیری:به طور کلی، برررسی مسیر یابی و منشأیابی حرکت آلاینده های جوی  PM₁₀و  O₃در کلان شهر تهران در قالب دو الگوی هم دیدی اصلی شامل الگوی پشته برون حاره و الگوی ترکیبی ارایه و طبقه بندی گردید.

واژه های کلیدی : آلودگی حدی، کلان شهر تهران،GIS ،  HYSPLIT، MODIS

Detecting the Route and Source of Atmospheric PollutantsMovement in High-Level Air Pollution Periods by UtilizingMODIS and HYSPLIT Model in Tehran Metropolis

Motahhareh Zargari ¹

Abbas Mofidi ^2*[4]

abbasmofidi@um.ac.ir

Azar Zarrin³

Abstract

Background and Objective: Air pollution is one of the significant problems that have become one of the main issues. In this study, we focus on detecting the route and source of atmospheric pollutant movement in high-level air pollution periods in Tehran.

Method: Air pollution data, Terra MODIS satellite image data, and FNL data were used. The PSI calculated high-level air pollution periods for PM10 and O3. Moreover, the origin of pollutants was detected by the HYSPLIT model and satellite images. HYSPLIT model determined the origin of widespread pollution. It could detect them with the backward method in three levels, which included 10, 1500, and 5000 meters. Some maps were produced for satellite images and HYSPLIT models drawn in GIS.

Findings: In the extratropical pattern, the dust from Syria, northeast to south-east Saudi Arabia, central, northern and southern Iraq and parts of Turkey have affected Tehran. According to HYSPLIT model outputs, at a lower level of the atmosphere and the middle level of the atmosphere, not only the local situation but also the regional situation had a considerable role. At the upper level of the atmosphere, environmental pollution could become into Tehran by streams. In the compound pattern, Saudi Arabia, Iraq, Syria, Jordan, and some parts of Turkey had an important function. In the HYSPLIT model, the North-East and North-West of Iran have attempted to influence Tehran in the lower level of the atmosphere. In the middle level of the atmosphere, the local situation is more remarkable. At the upper level of the atmosphere, the origin of dust was western to eastern parts of Iraq and the northeast part of Iraq. Further, the dust on the north-eastern of Syria, Jordan, and parts of Turkey is more notable.

Conclusion: These maps were categorized into two main synoptic patterns, including extratropical and intricate patterns.

Keyword: GIS, High Level Air Pollution Periods, HYSPLIT, MODIS, Tehran

مقدمه

مساله آلودگی هوا که یکی از ابعاد آلودگی های زیست محیطی را تشکیل می دهد از حادترین مسایل ناشی از تمدن انسانی در جهان امروز به شمار می آید که از جهات مختلف چرخه و سیستم حیات را بر روی سیاره زمین مورد تهدید قرار داده است. در کشورهای توسعه یافته، وقوع آلودگی هوا منجر به مشکلاتی در سلامت و بهداشت می شود که مشکلات بهداشتی در ارتباط با آلودگی هوای شهری، یکی از          مهم ترین نگرانی های عمده زیست محیطی جهان می باشد (1، 2). بر اساس گزارش های سازمان بهداشت جهانی در کشورهای                   در حال توسعه کیفیت هوا در شهرهای بزرگ این کشورها به طور قابل ملاحظه ای پایین می باشد و تقریباً دو میلیارد نفر از مردم در شهرهای سراسر دنیا، هر روز در معرض آلودگی هوا هستند (3). که منجر به کاهش سلامت و طول عمر در انسان می‌ گردد (4). بر اساس گزارشات، سالانه هفت میلیون نفر در دنیا به علت آلودگی هوا جان خود را از دست می‌دهند (5) که در چین، منجر به افزایش مرگ و میر از 2/1 میلیون نفر به 2 میلیون نفر در سال می شود (6 ،7). همچنین، مطالعات اندکی در ارتباط با آلودگی هوا و تاثیر آن بر سلامت در هند، در دسترس هستند (8، 9، 10 ، 11 ، 12) که رابطه ی علی بین آلودگی هوا وخطرات بهداشتی در هند را مورد تجزیه و تحلیل        قرار داده اند. آلودگی هوا به تنهایی روزانه منجر به مرگ 30 نفر در شهر تهران (13) به عنوان بزرگ ترین قطب صنعتی و تجاری کشور و یکی از کلان شهرهای بزرگ دنیا می شود. از آن جایی که بحران آلودگی هوا  به یکی از ملموس‌ترین معضلات زیست محیطی تبدیل شده ‌است، که در ذیل به بررسی مطالعات صورت گرفته با سنجنده MODIS و سپس مدل HYSPLIT پرداخته می شود. ژائو[5] و همکاران (14) الگوریتمی جهت بارزسازی گرد و غبار و دود برای استفاده از تصاویر ماهواره ای چند طیفی ابداع کردند و آزمون و بارزسازی بر روی تصاویر MODIS انجام شد. این الگوریتم قادر است تمام تصاویر را بر روی تصاویر MODIS/EOS، VIIRS/JPSS، GEOS-R/ABI به شکل مطلوب بارزسازی کند. وانگ[6] و همکاران (15) با استفاده از مدل HYSPLIT، طوفان های شن و گرد و غبار سال 2008 را بررسی کردند و چهار منطقه افریقای شمالی، خاورمیانه، مغولستان و شمال غرب چین را با فراوانی بالای رخداد گرد و غبار بیان کردند. در تحقیقی، کریمی و همکاران (16) در شناسایی منابع گرد و غبار سطج زمین در خاورمیانه با استفاده از داده های MODIS نشان دادند که الگوریتم حرارتی در مقایسه با مدل های اپتیکی در شناسایی گرد و غبار توانایی بالاتری برای تعیین پیکسل های گرد و غباری دارد. در تحقیقی دیگر، وانگ و همکاران (17) همبستگی بین AOT از تصاویر MODIS را برای شهر پکن ارزیابی نمودند. نتایج نشان داد که همبستگی بین این دو نسبت به محصول سطح دو اتمسفری بیش تر بود. تخمین سهم هر یک از منابع صحرایی تولید گرد و غبار در اطراف ایران برغلظت  PM₁₀اندازه‌گیری شده در ایستگاه های سنجش آلودگی شهر تهران توسط گیوه چی (18) نشان داد که در دوره مورد مطالعه عمده گرد و غبار تهران از صحاری عراق و سوریه وارد شده است، به طوری که صحاری شمال عراق وشرق سوریه به ترتیب 55%و30%     گرد و غبار وارده به تهران را به خود اختصاص می دهند (19). از نتایج جالب توجه در شناسایی خاستگاه های تولید طوفان های گرد و غبار در خاورمیانه با بهره گیری از سنجش از دور توسط کریمی و همکاران (20) آن است که  بیش ترین سهم تولید طوفان گرد و غبار برای کشورهای عراق، سوریه، عربستان سعودی، ایران، اردن و ترکیه می باشد که کشورهای عراق و سوریه بیش ترین سهم را دارا می باشند. همچنین، مناطقی در غرب عراق و شرق سوریه به عنوان مناطق اصلی تولید گرد و غبار در خاورمیانه می باشند. در تحقیقی دیگر، محمدی و زرگری (21) با بهره گیری از مدل HYSPLIT حرکت رو به عقب ذرات غبار را تا 48 ساعت قبل برای پنج روز اول ماه مه سال 2000 در سه تراز ارتفاعی 100،500،1000 بررسی نمودند. نتایج تحقیق نشان دهنده آن است که بیش ترین میزان منشا گرد و غبار استان تهران از جانب غرب و جنوب ایران و از سمت عربستان و عراق می باشد. رنجبر و درویش زاده (22) مسیر حرکت ذرات و چشمه های تولید گرد و غبار را با استفاده از شاخص کیفیت هوا و مدل HYSPLIT در شهر تهران بررسی نموده اند. بر اساس نتایج تحقیق، علاوه بر منابع تولید آلودگی در شهرها، کویرهای اطراف تهران هم به عنوان چشمه های تولید ذرات موثر می باشند. تحلیل هم دید شرایط وقوع روزهای بسیار آلوده در کلان شهر تهران توسط زرگری و همکاران (23) بیان گر آن است که عمیق شدن ناوه موج غربی سبب انتقال گرد و غبار از عراق به سوی ایران و افزایش غلظت PM₁₀ در شهر تهران گردیده است که در مدل HYSPLIT و تصاویر ماهواره ای MODIS قابل مشاهده می باشد. همچنین، یافته های تحقیق زرگری و همکاران (24) در بررسی جریانات جوی موثر در شکل گیری روزهای بسیار آلوده در شهر تهران نشان می دهد که در مدل HYSPLIT و نقشه های نیمرخ تاوایی در ترازهای زیرین جو ذرات گرد و غبار منشا محلی و در ترازهای میانی منشا منطقه ای دارند. در مطالعه ی بررسی نقش گردش جو در شکل گیری روزهای بسیار آلوده در کلان شهر تهران توسط زرگری (25) چهار الگوی همدید اصلی شناسایی شد که ماهواره MODIS، گرد و غباری را جانب کشورهای عربستان و عراق نشان می دهد. همچنین منشا و ردیابی آلاینده ها در خروجی مدل HYSPLIT، در ترازهای زیرین جو محلی و در ترازهای میانی گاهاً محلی و گاهی منطقه ای می باشند که کشورهای عراق، شمال عربستان و سوریه بیش ترین سهم را دارا می باشند. شهر تهران به عنوان پرجمعیت ترین شهر ایران چندین سال است که در میان شهرهای بزرگ دنیا در رتبه های نخست آلوده ترین شهرها قرار می گیرد. در عین حال، هر ساله وقوع روزهای بسیارآلوده خسارات گسترده و جبران ناپذیری را بر پیکره این کلان شهر وارد آورده است. علی رغم تمامی مطالعات انجام شده هنوز ساز و کار حاکم بر شکل گیری روزهای بسیارآلوده در شهر تهران، با توجه به رو به رشد بودن این شهر و افزایش روزهای بسیارآلوده در این شهر، لزوم انجام این مطالعه ضروری به نظر می رسد. بر این اساس، مطالعه ای که سعی در مسیریابی و منشایابی حرکت آلاینده های جوی در شرایط وقوع آلودگی های حدی با بهره گیری از سنجنده ماهواره ای MODIS و مدل HYSPLIT را داشته باشد، ضرورت پیدا می کند.

روش بررسی

داده ها

در تحقیق حاضر، به منظور مسیریابی و منشایابی حرکت آلاینده های جوی شامل آلاینده های  PM₁₀و  O₃در شرایط وقوع آلودگی های حدی در کلان شهر تهران از داده های آلودگی هوا سازمان کنترل کیفیت هوا، داده های تصویر ماهواره ای Terra از سنجنده  MODIS و از داده های FNL مدل HYSPLIT بهره گرفته شد. در ابتدا، از داده های آلودگی هوا سازمان کنترل کیفیت هوا برای شهر تهران با توجه به این نکته که ایستگاه ها در  مناطق گوناگون قرار گرفته اند و از این جهت که نماینده ی مناسبی برای آلودگی هوا باشند، برای دوره آماری 2008 الی 2012 انتخاب گردیدند. در ادامه، از داده های تصویر ماهواره ای Terra از سنجنده MODIS برای بررسی مسیر آلاینده های جوی  PM₁₀و  O₃با قدرت تفکیک 1x 1 کیلومتر از سایت ناسا[7] استفاده گردید. مودیس (اسپکترو رادیومتر تصویربردار با قدرت تفکیک متوسط) سنجنده ای است که توسط  NASAدر سال های 1999 و 2002 به وسیله دو ماهواره EOS در فضا قرار گرفت (26). سنجنده مودیس در 36 باند مختلف داده هایی را که مربوط به جو، زمین و دریا است، را برداشت می کند و دارای دامنه طیفی از 4/0 تا 4/14 میکرومتر است. برای استفاده از داده های سنجنده مودیس، ابتدا باید ضریب همبستگی این داده ها را با داده های ایستگاه های زمینی و با استفاده از مدل های رگرسیونی به دست آورد (27). استخراج اطلاعات کمی درباره هواویزها از داده های مودیس، نیازمند پردازش های عظیم می باشد که ناسا این عمل را برای کاربران انجام و نتایج را بصورت رایگان در اینترنت قرار می دهد. دراین سایت، داده های پردازش شده حاصل از ماهواره ترا درباره ویژگی های جوی و هواویزی، به صورت روزانه و برای تمام کره زمین موجود است که برای هر منطقه با توجه به مختصات جغرافیایی آن قابل دانلود می باشند. در نهایت، از داده های مدل HYSPLIT، برای بررسی حرکت رو به عقب آلاینده های جوی  PM₁₀و  O₃بهره گرفته شد. برای اجرای مدل از مجموع داده های  FNLاستفاده شد. داده های (Final) FNL در واقع داده های NCEP هستند که توسط لابراتوار منابع هوا وابسته به NOAA مورد پردازش مجدد قرار گرفته است. این داده ها با قدرت تفکیک افقی 1×1 درجه، برای 26 تراز فشاری (1000-100 هکتوپاسکال) و با گام زمانی 6 ساعته از جولای 1999در دسترس می باشند. داده های تحلیل شده عملیاتی مقیاس جهانی نهایی NCEP یا به طور مختصر(Final) FNL  از سامانه یکپارچه سازی داده های جهانی (GDAS)[8]برای تهیه داده های اولیه ورودی به سیستم استفاده می نماید. سامانه GDAS نیز وظیفه جمع آوری داده های مشاهداتی از سراسر جهان را با استفاده از سامانه ارتباط از راه دور(GTS)[9] و سایر منابع به صورت  بی وقفه و پیوسته  بر عهده دارد. در نهایت داده های FNL با مدلی مشابه مدلی که مرکز ملی پیش بینی محیطی برای تولید داده های سامانه پیش بینی جهانی (GFS)[10] استفاده می کند، تولید می گردد (28).

روش کار

برحسب فرآیند تحقیق که هدف مطالعه ی مسیریابی و منشأیابی آلاینده های جوی در کلانشهر تهران می باشد، در ابتدا، روزهای  بسیار آلوده برای آلاینده های جوی  PM₁₀و  O₃ با بهره گیری از شاخص استاندارد آلودگی هوا (PSI) در شرایط آلودگی حدی تهیه و تولید گردید (جدول1).

جدول 1- روزهای بسیار آلوده برای آلاینده های جوی

High level air pollution periods for PM₁₀ and O₃Table 1-

شاخص استاندارد آلودگی (PSI[11]) به عنوان استانداردی برای گزارش روزانه کیفیت هوا  در شرایط آلودگی حدی، استفاده می شود (29، 30 ، 31). در ادامه، روزهای بسیار آلوده توسط شاخص PSI از طریق جدول 2 محاسبه گردید. همچنین، طبقات غلظت آلاینده ها جهت محاسبه شاخص استاندارد آلودگی هوا و توصیف وضعیت کیفی هوا بر اساس اعداد مختلفPSI  در جدول 3 ارایه شده است.

جدول 2- طبقات استاندارد آلودگی هوا (32)

Table 2- Standard classes of air pollution (32)

جدول 3- طبقات غلظت آلاینده  ها جهت محاسبه شاخص استاندارد آلودگی هوا (32)

Table 3- The concentration of pollutants in order to calculate Pollution Standard Index (32)

برای شناسایی مسیر آلاینده های جوی، از تصاویر ترا از سنجنده مودیس به صورت چشمی استفاده گردید.  در کنار مسیریابی آلاینده ها توسط سنجنده مودیس از مدل HYSPLIT، برای منشأیابی آلاینده ها بهره گرفته شد که مدل امکان ردیابی پسگرد آلاینده های جوی را با کمک داده های هواشناسی جهانی  (GDAS) برای محدوده مورد مطالعه تا 36 ساعت قبل از زمان وقوع گرد و غبار فراهم می نماید. بدین منظور، آلاینده ها در سه تراز ارتفاعی10، 1500 و 5000 متری از سطح زمین در حدفاصل زمانی6 ساعت ردیابی شدند که امکان نمایش مسیر ردیابی شده را در نمای افقی در مدل فراهم می نماید. در نهایت، خروجی های حاصل از تصاویر ماهواره ای و مدل HYSPLIT در روزهای بسیار آلوده به صورت نقشه هایی تولید شد که پس از تعیین نوع الگو برای هر نقشه، در قالب دو الگوی هم دیدی اصلی ارایه گردیدند و سپس الگوها برای درک عمیق تر در محیط GIS ترسیم شدند و مورد تفسیر قرار گرفتند.

یافته ها

به منظور بررسی و منشأ آلاینده های جوی، پس از تعیین روزهای بسیار آلوده با شاخص PSI، نقشه های گردآوری شده از سنجنده مودیس و مدلHYSPLIT  برای آلاینده های PM₁₀ و  O₃برای الگوهای اصلی (الگو پشته برون حاره و الگو ترکیبی) در شرایط وقوع آلودگی حدی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.

بررسی تصاویر ماهواره ای

در بررسی مسیریابی آلاینده های جوی PM₁₀ و O₃، در الگوی پشته برون حاره در شکل 2 گرد وغباری بر روی مناطقی در جنوب غرب و جنوب ایران قرار دارند، مشاهده می گردد. این مناطق شامل کشور سوریه، شمال شرقی تا جنوب شرقی کشور عربستان، مرکز، شمال و جنوب عراق و بخش هایی از ترکیه می باشد که با حرکت به سوی نواحی جنوب غربی ایران تا شهر تهران، جو این مناطق را متأثر ساخته است و برای این نواحی افزایش گرد و غبار را به همراه دارد. جو ایران تحت تسلط سیستم های پرفشار می باشد که بر روی شهر تهران پایداری جو، وارونگی دما و استقرار روزهای بسیار آلوده مشاهده می گردد (a). همچنین، تمرکز آلاینده ها و وارونگی دما و افزایش آلودگی را  در پی دارد. هنگامی که وارونگی دما رخ می‌دهد، آلاینده‌ها وارد هوای سرد سنگین مجاور زمین می‌گردند و به دلیل این که جابه‌جایی هوا وجود ندارد میزان این آلاینده‌ها در هوای ساکن و راکد مجاور زمین در شهر تهران به حداکثر ممکن می‌رسد و بدین‌ ترتیب وارونگی موجب افزایش شدید آلاینده‌ها در اتمسفر و پایداری هوا می شود. در الگوی ترکیبی، بر روی کشورهای عربستان، عراق، سوریه و اردن و بخش هایی از ترکیه گرد و غبار بسیار شدید می باشد که بر روی بخش های غربی کشور عراق نیز دیده می شود اما با این وجود شمال غرب تا جنوب غرب ایران تحت تسلط سیستم های پرفشار می باشد که جو باروتروپیک را برای این مناطق به همراه دارد. از طرفی نواحی شمال شرقی تا جنوب شرقی نیز تحت تسلط گرد و غبار و سیستم های کم فشار است که جو ناپایدار را برای این مناطق رقم زده است (b).

شکل 2- تصویر ماهواره ای Terra از سنجنده MODIS با قدرت تفکیک 1 x ا کیلومتر برای بررسی آلودگی هوا در روزهای بسیار آلوده در الگوی پشته برون حاره (a) و الگوی ترکیبی (b) در شهر تهران

Fig 2- The MODIS Terra satellite-image with a resolution of  1 x 1 km in the extratropical ridge pattern (a) and in the compound pattern (b) in Tehran

بررسی آلاینده های جوی در مدل HYSPLIT

به منظورشناسایی منشأ اصلی گردوغبار از مدلHYSPLIT ، استفاده گردیده است. ردیابی پس گرد توسط مدل در سطوح ارتفاعی مختلف از سطح زمین با بهره گیری از داده های هواشناسی جهانی (GDAS) در حدفاصل زمانی 6 ساعته مورد بررسی قرار گرفت. ردیابی پس گرد ذرات گرد و غبار در ترازهای ارتفاعی مورد مطالعه، در شکل 3 نشان دهنده آن می باشد که در الگوی پشته برون حاره، منشا ذرات گرد و غبار در ترازهای 10 و 1500 متری از جانب شمال شرق است به سوی شهر تهران در حرکت می باشد و در ترازهای میانی گاهی نیز از نواحی غربی که به نظر می رسد ناشی از شرایط محلی منطقه باشد که تهران را تحت تأثیر قرار می دهد اما در سطح 5000 متری، حرکت رو به عقب آلاینده ها بیش تر از جانب بخش های شمالی سوریه تا شمال شرقی عراق و همچنین، بخش های جنوبی سوریه تا مرکز و شرق عراق  می باشد. در کنار این، گاهی گرد وغباری که توسط کشور ترکیه به شهر تهران آورده می شود هم قابل توجه می باشد (a) اما در نقشه ی الگو ترکیبی در تراز 10 متری جریانات غباری که از شمال شرق و شمال غربی وارد ایران می شوند، اقلیم تهران را تحت تأثیر قرار می دهند اما در تراز 1500 متری، شهر تهران بیش تر تحت تسلط شرایط محلی آلودگی هوا می باشد که از شمال غرب ایران گاهی به آن سوی مرزها می رسد. در در تراز 5000 متری این تغییرات محسوس تر است و منشا ذرات گرد و غبار از بخش های غربی تا شرقی عراق و همچنین، بخشی از شمال شرقی کشور عراق می باشد که به سوی شهر تهران در حرکت می باشد. در این میان از گرد و غباری که بر روی شمال شرقی سوریه و کمی عقب تر در کشور اردن و بخش هایی از ترکیه می باشد حایز اهمیت است (b).

شکل 3-  نقشه مدل HYSPLIT برای مسیریابی حرکت پساگرد هوا برای آلاینده های جوی PM₁₀ و O₃ برای الگو ی پشته برون حاره (a) و الگوی ترکیبی (b) در تراز 10 متری (رنگ قرمز)، تراز 1500 متری (رنگ آبی)، تراز 5000 متری (رنگ سبز)

Fig 3- Routing backward of PM₁₀ andO₃ for extratropical ridge pattern (a) and compound pattern (b) in 10 meter (red), in 1500 meter (blue), in 5000 meter (green) in HYSPLIT model

نتیجه گیری