ارزیابی تاثیر طوفان گردوغبار بر روی شار گرمایی و بیلان تابش در حوزه هیرمند

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مدیریت و کنترل بیابان، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 نویسنده مسئول، دانشیار گروه احیا مناطق خشک و کوهستانی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

3 استاد گروه احیا مناطق خشک و کوهستانی، دانشگاه تهران، تهران، ایران.

4 عضو هیأت علمی پژوهشکده هواشناسی و علوم جو، تهران، ایران

5 عضو هیأت علمی سازمان جنگل‌ها، مراتع و آبخیزداری، تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف: طوفان گردوغبار پدیده ای است که عمدتا در مناطق خشک و نیمه خشک در نتیجه سرعت زیاد باد و تلاطم آن بر روی سطح خاک بدون پوشش و مستعد فرسایش بوجود می آید. گردوغبار، بودجه تابشی سطح زمین را تغییر داده و باعث تغییر دمای سطح زمین و جو می شود. بنابراین گردوغبار تبادل انرژی بین سطح و جو و همچنین دینامیک جو را تحت تاثیر قرار می دهد. شناخت و بررسی روند طوفان های گردوغبار در کشور و میزان ارتباط آن با نوسانات اقلیمی، یکی از مهم ترین راهکارهای کاهش خسارت ناشی از این پدیده است. هدف از انجام این پژوهش ارزیابی تاثیر طوفان های گردوغبار بر روی شاخص های تابشی و شار گرمایی با توجه به ترکیب اطلاعات سنجش از دور ماهواره ای و داده های بازتحلیل در حوزه هیرمند می باشد.
مواد و روش ها: در این تحقیق از داده های بازتحلیل ERA5 و داده های ماهواره ای برای رخداد 23 تا 26 آگوست 2010 در حوزه هیرمند استفاده شد. محصولات و داده‌های ماهواره ای مورد استفاده شامل تصاویر رنگی حقیقی و AOD، و داده‌های بازتحلیل شامل شار گرمای نهان سطحی (SLHF)، شار گرمای محسوس سطحی (SSHF)، تابش خورشیدی خالص سطحی (SSR)، تابش حرارتی خالص سطحی (STR) و بیلان تابش (Rn) می باشد. مسیریابی ذرات گردوغبار با استفاده از مدل HYSPLIT انجام شد و سرعت باد در منطقه مورد مطالعه نیز با استفاده از داده های بازتحلیل مورد بررسی قرار گرفت. همچنین جهت صحت سنجی داده های ماهواره و بازتحلیل از داده های دید افقی و دمای هوا در ارتفاع 2 متری ایستگاه هواشناسی زابل که نزدیکترین ایستگاه به منطقه مطالعاتی بود استفاده گردید.
یافته ها: بر اساس خروجی مدل HYSPLIT بیشتر ذرات گردوغبار از بیابان های ترکمنستان و سپس مناطق خشک اطراف دریاچه هامون و بخش هایی از مناطق شمال پاکستان برداشت شدند. مقادیر AOD نشان داد که از روز 21ام آگوست مقدار این شاخص به تدریج افزایش یافت به گونه ای که در روز 25ام بیشینه مقدار AOD به 25/1 رسید. بررسی مقادیر شاخص های تابشی و شار گرمایی نشان دهنده کاهش قابل توجه شاخص های SSHF، SSR، STR و Rn بود و مقادیر آنها در روز 26ام به کمترین مقدار رسید و شاخص SLHF با اندکی تفاوت در روز 25ام به کمترین مقدار خود یعنی 58 وات بر مترمربع رسید. بررسی همبستگی نشان داد که شاخص های SSR و Rn به ترتیب با مقدار 370/0- و 359/0- بیشترین و شاخص SLHF با مقدار 153/0- کمترین میزان همبستگی را با شاخص AOD نشان داد.
نتیجه گیری: نتایج این تحقیق نشان داد در قسمت های غربی حوزه هیرمند، باد لوار یا شمال باعث ورود ذرات گردوغبار به منطقه شده و جریان های چرخشی باعث پخش این ذرات در منطقه مطالعاتی می شود. نتایج حاصل از داده های ماهواره ای و بازتحلیل و تطبیق آن ها با تصاویر حقیقی نشان داد رخداد مورد بررسی باعث افزایش عمق نوری ذرات گردوغبار شد که به تبع آن شارهای گرمایی محسوس و سطحی، تابش های خورشیدی و حرارتی و همچنین بیلان تابش به مقدار زیادی کاهش یافت. ارزیابی داده های دید افقی و دمای هوا در ارتفاع 2 متری در ایستگاه زابل نیز نتایج حاصل از تصاویر ماهواره ای و داده های بازتحلیل را تایید نمود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluation of the effect of dust storm on heat flux and radiation balance in Hirmand basin

نویسندگان [English]

  • Nahid Alipour 1
  • Tayebeh Mesbahzadeh 2
  • Hassan Ahmadi 3
  • Mohammad Jafari 3
  • Sara Karami 4
  • Alimohammad Tahmasebi Birgani 5
1 Ph.D. Student in Management and Control of Desert, University of Tehran, Tehran, Iran.
2 Corresponding Author, Associate Prof., Dept. of Rehabilitation of Arid and Mountainous Regions, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Professor, Dept. of Rehabilitation of Arid and Mountainous Regions, University of Tehran, Tehran, Iran.
4 Faculty Member Atmospheric Science and Meteorological Research Center, Tehran, Tehran, Iran.
5 Faculty Member of Forests, Rangelands and Watershed Management Organization, Tehran, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Background and Objective: Dust storm is a phenomenon that occurs in arid and semi-arid regions due to high wind speed and turbulence on the surface of the soil without cover and prone to erosion. Dust changes the radiant budget of the earth's surface and changes the temperature of the earth's surface and atmosphere. Therefore, dust affects the energy exchange between the surface and the atmosphere as well as the dynamics of the atmosphere. Recognizing and studying the trend of dust storms and their relationship with climate change is one of the most important ways to reduce the damage caused by this phenomenon. This study amies to evaluate the effect of dust storms on radiation indices and heat flux according to the combination of satellite remote sensing information and re-analysis data in Hirmand basin.
Materials and Methods: In this research ERA5 re-analysis and Terra satellite data used for the August 23-26, 2010 event in Hirmand. Products and satellite data used including true color images and AOD and re-analysis data including Surface latent heat flux (SLHF), Surface Sensible Heat Flux (SSHF), Surface net Solar Radiation (SSR), Surface net Thermal Radiation (STR) and Balance Radiation (Rn). Dust particles were routed using the HYSPLIT model and wind speed in the study area was also assessed using the analysis data. Also, for validation of satellite data and re-analysis, visibility and air temperature data, at height of 2 meters, at Zabol Meteorological Station, closest station to the study area, were analyzed.
Results: According to the HYSPLIT model output, most of the dust particles were collected from the deserts of Turkmenistan and then the dry areas around Lake Hamun and parts of northern Pakistan. AOD values showed that from August 21, the value of this index gradually increased so that on the 25th day, the maximum AOD value reached 1.25. Examination of the values of radiation and heat flux indices showed a significant decrease in SSHF, SSR, STR and Rn indices and their values reached the lowest value on the 26th day and the SLHF index with a slight difference on the 25th day reached its lowest value of 58 w/m2. Correlation study showed that SSR and Rn indices with -0.370 and -0.359 respectively had the highest and SLHF index with -0.153 showed the lowest correlation with AOD index.
Conclusion: The results of this study showed that the western parts of Hirmand Basin, Lavar or North wind has emitted dust particles into atmosphere, and the region and rotational currents has caused the distribution of these particles in the study area. The results of satellite data and their re-analysis and matching with real images showed that the study event increased the optical depth of dust particles, which resulted in tangible and surface heat fluxes, solar and thermal radiation, as well as balance. Radiation was greatly reduced. Evaluation of horizontal visibility and air temperature data at a height of 2 meters at Zabol station also confirmed the results of satellite images and re-analysis data.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dust
  • Heat flux
  • Radiation indices
  • Satellite data
  • Re-analysis data

مراجع

1.Khoshhal Dastjerdi, J., Mousavi, S., and Kashki, A. 2012. Synoptic analysis of Ilam dust storms (1987-2005). Geography and Environmental Planning. 23: 2. 15-34. (In Persian)
2.Shao, Y., Wyrwoll, K.H., Chappell, A., Huang, J., Lin, Z., McTainsh, G.H., Mikami, M., Tanaka, T.Y., Wang, X., and Yoon, S. 2011. Dust cycle: An emerging core theme in Earth system science. Aeolian Research. 2: 181-204.
3.Azizi, G., Shamsipour, A., Miri, M.,and Safarrad, T. 2012. Synoptic andremote sensing analysis of dust eventsin southwestern Iran. Nat. Hazards.64: 1625-1638.
4.Yarahmadi, D., and Khoshkish, A.2014. Zoning dust phenomena in west Iran the period from 1990 to 2009.13: 31. 211-225. (In Persian)  
5.Chadwick, O.A., Derry, L.A., Vitousek, P.M., Huebert, B.J., and Hedin, L.O. 1999. Changing sources of nutrients during four million years of ecosystem development. Nature. 397: 491e497.
6.Reynolds, R., Belnap, J., Reheis, M., Lamothe, P., and Luiszer, F. 2001. Aeolian dust in Colorado Plateau soils: nutrient inputs and recent change in source. P. Natl. Acad. Sci. U. S. A.98: 7123e7127.
7.Jickells, T.D., An, Z.S., Andersen, K.K., Baker, A.R., Bergametti, …, and Torres, R. 2005. Global iron connections between desert dust, ocean biogeochemistry, and climate. Science. 308: 67e71.
8.Li, J., Okin, G.S., Alvarez, L., and Epstein, H. 2007. Quantitative effects of vegetation cover on wind erosion and
soil nutrient loss in a desert grassland of southern New Mexico, USA. Biogeochemistry. 85: 317e332.
9.Alfaro, S.C. 2008. Influence of soil texture on the binding energies of fine mineral dust particles potentially released by wind erosion. Geomorphology. 93:157e167.
10.Chappell, A., Sanderman, J., Thomas, M., Read, A., and Leslie, C. 2012. The dynamics of soil redistribution and the implications for soil organic carbon accounting in agricultural south-eastern Australia. Global Change Biology.18: 2081e2088.
11.Javadnia, E., and Abkar, A.A. 2017. Effect of Dust Storm on Opticaland Radiative Properties of AerosolsOver Middle East. JGST. 7: 1. 157-173. (In Persian)  
12.Araghinejad, S., Ansari Ghojghar, M., PourGholam Amigi, M., Liaghat, A., and Bazrafshan, J. 2019. The Effect of Climate Fluctuation on Frequency of Dust Storms in Iran. DEEJ. 7: 21. 13-32. (In Persian)  
13.Fountoukis, C., Harshvardhan, H., Gladich, I., Ackermann, L., and Ayoub, M.A. 2020. Anatomy of a severe dust storm in the Middle East: Impacts on aerosol optical properties and radiation budget. Aerosol and Air Quality Research. 20: 1. 155-165.‏
14.Maghrabi, A. 2017. The influence of dust storms on solar radiation data, aerosol properties and meteorological variables in Central Arabian Peninsula. International Journal of Environmental Science and Technology. 14: 8. 1643-1650.‏
15.Mallet, M., Tulet, P., Serça, D., Solmon, F., Dubovik, O., Pelon, J., ... and Thouron, O. 2009. Impact of dust aerosols on the radiative budget, surface heat fluxes, heating rate profiles and convective activity over West Africa during March 2006.‏ Atmos. Chem. Phys. 9: 7143-7160.
16.Mesbahzadeh, T., Salajeghe, A., Sardoo, F.S., Zehtabian, G., Ranjbar, A., Marcello Miglietta, M., ... and Krakauer, N.Y. 2020. Spatial-temporal variation characteristics of vertical dust flux simulated by WRF-chem model with GOCART and AFWA dust emission schemes (case study: central plateau of Iran). Applied Sciences. 10: 13. 4536.‏
17.Rashki, A., and Kaskaoutis, D. 2019. Assessment of the dust sources over Central and Southwest Asia with emphasis on the Sistan dust storms. In E3S Web of Conferences. Vol. 99, p. 01002. EDP Sciences.‏
18.Ashrafi, K., Motlagh, M.S., and Neyestani, S.E. 2017. Dust storms modeling and their impacts on air quality and radiation budget over Iran using WRF-Chem. Air Quality, Atmosphere & Health, 10: 9. 1059-1076.‏
19.Alizadeh-Choobari, O., Sturman, A.,and Zawar-Reza, P. 2015. Global distribution of mineral dust and its impact on radiative fluxes as simulated by WRF-Chem. Meteorology and Atmospheric Physics. 127: 6. 635-648.‏
20.Beegum, S.N., Romdhane, H.B., Ali, M.T., Armstrong, P., and Ghedira, H. 2016. Optical and radiative properties of aerosols over Abu Dhabi in the United Arab Emirates. Journal of Earth System Science. 125: 8. 1579-1602.‏
21.Zhao, S., Zhang, H., Feng, S., and Fu, Q. 2015. Simulating direct effects of dust aerosol on arid and semi‐arid regions using an aerosol–climate coupled system. International Journal of Climatology. 35: 8. 1858-1866.‏
22.Sarraf, B., Rasouli, A., Zarrin, A., and Najafi, M. 2017. Simulation of Radiative Forcingof Middle Eastern Mineral Dust in Western Iran. Journal of Geography and Environmental Hazards, 6: 2. 123-140. (In Persian)  
23.Urraca, R., Huld, T., Gracia-Amillo, A., Martinez-de-Pison, F.J., Kaspar, F., and Sanz-Garcia, A. 2018. Evaluation of global horizontal irradiance estimates from ERA5 and COSMO-REA6 reanalyses using ground and satellite-based data. Solar Energy. 164(March): 339-354.
24.Etaat, J., and Varzesh, I. 2012. Hydropolitic of Hirmand: Reasons, Results and Outcomes. Human Geography Research, 44: 193-212. (In Persian)  
25.Shao, Y., Wyrwoll, K.H., Chappell, A., Huang, J., Lin, Z., McTainsh, G.H., Mikami, M., Tanaka, T.Y., Wang, X., and Yoon, S. 2011. Dust cycle: An emerging core theme in Earth system science. Aeolian Research. 2: 181-204.
26.Dundar, C., Isik, A.G., and Oguz, K. 2019. Temporal analysis of Sand and Dust Storms (SDS) between the years 2003 and 2017 in the Central Asia. In E3S Web of Conferences (Vol. 99, p. 02004). EDP Sciences.‏
27.Alados, I., Foyo-Moreno, I., Olmo,F.J., and Alados-Arboledas, L. 2003. Relationship between net radiation and solar radiation for semi-arid shrub-land. Agricultural and Forest Meteorology. 116: 3-4. 221-227.‏
28.Rashki, A., Middleton, N.J., andGoudie, A.S. 2021. Dust storms in Iran Distribution, causes, frequencies and impacts. Aeolian Research, 48: 100655.
مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک
دوره 29، شماره 1
فروردین 1401
صفحه 53-73

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار