بررسی رخدادهای گردوغبار در استان قم با مدل رقومی و مطالعه کاربری اراضی منشأ آن‌ها با استفاده از طبقه‌بندی تصاویر ماهواره‌ای

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه مهندسی عمران، گرایش آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشگاه قم

2 دانشیار گروه مهندسی عمران، دانشگاه قم

3 استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت

4 دانش‌آموخته دکتری آب و هواشناسی، اداره کل هواشناسی استان قم

5 دانش‌آموخته دکتری زیست‌شناسی، اداره کل حفاظت محیط زیست استان قم

چکیده

سابقه و هدف: امروزه پدیده گردوغبار یکی از بزرگ‌ترین مشکلات زیست‌محیطی در جهان است و هر ساله خسارات بزرگی به بخش‌های مختلف از جمله صنعت، حمل‌ونقل، کشاورزی، گردشگری و بهداشت وارد می‌کند. طوفان گردوغبار که معمولاً در مناطق خشک و نیمه‌خشک مانند مناطق مرکزی و جنوبی ایران رخ می‌دهد، ذرات معلق بسیاری را باخود حمل می‌کند و فعالیت‌های روزانه انسان و دید افقی را کاهش می‌دهد. طبق اعلام سازمان هواشناسی جهانی، هنگامی که سرعت باد از پانزده متر در ثانیه فراتر رود و مقدار زیادی گردوغبار وارد جو شود تا دید افقی به کم‌تر از 1000 متر برسد، طوفان گردوغبار گزارش می‌شود. گردوغبار ناشی از عوامل طبیعی و هم عوامل انسانی است که جزء انسانی آن عمدتاً پاسخی به تغییر در پوشش خاک و کاربری اراضی است. یکی از اهداف پژوهش حاضر، بررسی موقعیت وقوع و منشا گردوغبار (مبدا و مقصد گردوغبار) و جریان‌ها/مسیرهای حرکت طوفان‌های گردوغبار است.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه داده‌های هواشناسی شامل دما، رطوبت نسبی، بارندگی، تبخیر، سرعت باد و تعداد روزهای گردوغبار مربوط به سه ایستگاه هواشناسی استان قم از سازمان هواشناسی اخذ شد و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. هم‌چنین در این مطالعه، برای تعیین منشاهای بالقوه گردوغبار از روش‌های طبقه‌بندی حداکثر احتمال و حداقل فاصله در تصاویر ماهواره‌ لندست استفاده گردید تا کاربری اراضی و جنس خاک مناطق مختلف مشخص گردد. این فرآیند با استفاده از تصاویر سری زمانی ماهواره لندست استان قم طی 30 سال از 1989 تا 2019 با فواصل زمانی 5 ساله و پایش تغییرات این دوره در 11 کلاس مختلف انجام گرفت. در مرحله بعد، با توجه به داده‌های ثبت شده گردوغبار (دید افقی) در ایستگاه هواشناسی شکوهیه/قم که وقوع طوفان گردوغبار مطابق با تعریف سازمان هواشناسی جهانی را نشان می‌داد، مدل‌سازی پسگرد مسیرهای هوایی با استفاده از مدل هواشناسی HYSPLIT انجام پذیرفت. مسیرهای پس‌گرد، اگر نزدیک به سطح زمین باشد و منطقه به‌صورت بالقوه قادر به تولید و انتشار گردوغبار از سطح به هوا باشد، می‌تواند منشا پدیده گردوغبار در نظر گرفته شود.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که 30 منطقه با خاک و پوشش متفاوت به‌عنوان منبع گردوغبار وجود دارد که شامل 20 لکه زمین بایر، 5 لکه زمین نمکی و 5 لکه زمین شنی یا ماسه‌ای بود. منابع عمده طوفان های گردوغباری مطالعه شده استان در این تحقیق، در نیمه شرقی استان، در مجاورت دریاچه نمک و دشت لوت واقع شده است. در قسمت آخر، داده‌های هواشناسی که مستقیماً وقوع طوفان‌های گردوغبار را گزارش می‌دهند، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. سپس براساس داده‌های ثبت شده و اعمال برخی از شرایط محدود کننده، تاریخ‌های موردنظر انتخاب شد، که طوفان گردوغبار تعریف شده توسط سازمان جهانی هواشناسی می‌باشد. کدهای w=06 و w=07 مربوط به پدیده گردوغبار هستند و در این مطالعه از هر دو استفاده گردید. نگاه توام به پوشش خاک و کاربری اراضی منطقه مورد مطالعه و نیز بررسی رخدادهای گردوغبار اتفاق افتاده از جمله نوآوری های این پژوهش به حساب می آید.
نتیجه‌گیری: نتایج مدل HYSPLIT نشان می‌دهد که عمده منشاهای رخدادهای گردوغباری مطالعه شده در این پژوهش از مناطق شرقی هم‌جوار مانند سمنان است. این طوفان‌ها در نهایت به‌عنوان یک رویداد گردوغبار داخلی در نظر گرفته می‌شوند. برخی از رخ‌داد‌های طوفان گردوغبار در تاریخ‌های مورد مطالعه، گردوغبار خارجی بوده‌اند. این رویدادها عمدتاَ از منشاهای خارجی هستند و از کشورهای غربی و جنوب غربی ایران مانند عراق، عربستان سعودی و شاید سوریه وارد شده و به عنوان گردوغبار خارجی محسوب می‌شوند و عموماً به عنوان طوفان‌های شدید گردوغبار تلقی می‌گردند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Survey of Dust Events in Qom Province with Numerical Model and Study of Land Use their Sources Using Satellite Imagery Classification

نویسندگان [English]

  • Nima Rohani 1
  • Taher Rajaee 2
  • Barat Mojaradi 3
  • Ehsan Jabbari 2
  • Mehran Heidari Beni 4
  • Seyed Ahmad Shafiei Darabi 5
1 Ph.D. Student of Water and Hydraulic Structures Science, Dept. of Civil Engineering, University of Qom,
2 Associate Prof., Dept. of Civil Engineering, University of Qom
3 Assistant Prof., Dept. of Surveying Engineering, Faculty of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology,
4 Ph.D. Graduate of Meteorology, General Meteorological Department of Qom Province
5 Ph.D. Graduate of Biology, General Department of Environmental Protection of Qom Province
چکیده [English]

Background and Objectives: Nowadays the dust phenomenon is one of the biggest environmental problems in the world, causing major damage to sectors such as industry, transportation, agriculture, tourism and human health each year. The dust storm, which commonly occurs in arid and semi-arid regions such as the central and southern parts of Iran, carries a large amount of dust and reduces daily human activities and horizontal visibility. According to the World Meteorological Organization (WMO), when the wind speed exceeds 15 meters per second and a large amount of dust enters the atmosphere so that the horizontal visibility reaches less than 1000 meters, dust storms are reported. The creation of dust is caused by natural and man-made factors, the human component of which is mainly a response to changes in soil cover and land use. One of the objectives of the present study is to monitor the location and source of dust (origin and destination of dust) and the movement of dust storms and streams/trajectories containing dust
Materials & Methods: In this study, meteorological data including temperature, relative humidity, rainfall, evaporation, wind speed and number of dusty days from 3 meteorological stations of Qom province were obtained from Meteorological Organization and analyzed. Also in this study, to determine the potential dust sources by the maximum likelihood and minimum distances classification methods was done to determine the land use and soil type of different areas with Landsat images. This process was completed using time series images of Qom province in 30 years, from 1989 to 2019 with 5-year steps and monitoring the changes of this period with in 11 different classes. Next, according to the recorded dust data (horizontal visibility) at Shokouhieh/Qom Meteorological Station showing the occurrence of dust storms as defined by the World Meteorological Organization, backward tracking of air trajectories using the HYSPLIT meteorological model. The backward trajectory, if it is close to the surface of the earth and the area potentially capable of spreading dust from the surface into the air, can be considered as the source of the dust phenomenon.
Results: The results identified 30 areas with different soils and cover as the source of dust. There were 20 spots of bare land, 5 spots of salt land and 5 spots of sandy land. The main sources of dust storms studied in this province are located in the eastern half of the province adjacent to the Namak Lake and the Dasht-e Lut. In the final part of the present study, meteorological data that directly report the occurrence of dust storms were first analyzed. Then, based on the recorded data and some restrictive conditions, the target dates that the dust storm defined by the World Meteorological Organization at that time were selected. Codes w=06 and w=07 are related to the dust phenomenon, and both codes are used in this study. One of the innovations of this research is the combined view of soil cover and land use in the study area and also the investigation of dust events.
Conclusions: The results of HYSPLIT model show that the main sources of dust events studied in this study are from neighboring eastern regions such as Semnan. These storms are ultimately considered as a domestic dust event. About 15 percent of the total dust storm events in the studied dates are likely to have been foreign dust. These events are mainly of foreign source and have been imported from western and southwestern Iran countries such as Iraq, Saudi Arabia and perhaps Syria and are modeled as foreign dust and generally considered as sever dust storms.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Emission
  • Dust
  • Land Use
  • HYSPLIT
  • Qom Province
1.Ackerman, S.A. 1997. Remote sensing aerosols using satellite infrared observations. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 102: 14. 17069-17079.
2.Arami, S.A., Ownegh, M., Mohammadian Behbahani, A., Akbari, M., and Zarasvandi, A.R. 2018. Statistical analysis of Spatio-temporal pattern of dust storms in the west and southwest of Iran. J of Water and Soil Conservation. 25: 1. 61-83. (In Persian)
3.Asakereh, H. 2007. Spatio-temporal variations of Iran Earth's precipitation over recent decades. Geography and Development Iranian Journal. 5: 10. 145-164. (In Persian)
4.Ashrafi, K., Shafipour, M., and Aslmand, A. 2013. Investigating the Dust Storm Routes on Iran Using Numerical Modeling and Satellite Images. International Journal of Environmental Science and Bioengineering. 56: 3-12.(In Persian)
5.Darabi, H., Jafari, A., and Akhavan Farshchi, K. 2016. Analysis of Climate Change Trend in Qom Province and its Consequences. Journal of Environmental Sciences Studies (JESS). 2: 25-40.(In Persian)
6.Draxler, R.R., and Hess, G.D. 1998. An overview of the HYSPLIT_4 modelling system for trajectories. Australian meteorological magazine, 47: 4. 295-308.
7.Fattahi, M.M. 2009. Survey of Desertification Process in Qom Province Using Remote Sensing Data with Emphasis on Land Use Changes and Quantitative and Qualitative Changes in Water Resources. Iranian Journal of Range and Desert Research. 16: 2. 234-253. (In Persian)
8.Jafari, F., and Khademi, H. 2016. Variability of magnetic susceptibility and its correlation with selected heavy metals in atmospheric dust of Kerman. J of Water and Soil Conservation. 23: 1. 171-186.(In Persian)
9.Janjic, Z., Huang, H., and Lu, S. 2009. A unified atmospheric model suitable for studying transport of mineral aerosols from meso to global scales. In IOP Conference Series: Earth Environ Sci.7: 1. 012011
10.Koven, C.D., and Fung, I. 2008. Identifying global dust source areas using high‐resolution land surface form. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 113(D22).
11.Lee, Y.C., Yang, X., and Wenig, M. 2010. Transport of dusts from East Asian and non-East Asian sources to Hong Kong during dust stormrelated events 1996–2007. Atmospheric Environment, 44: 30. 3728-3738.
12.Miri, A. 2020. Dust storms analysis in the Sistan region using DDI and DSI indices and wind speed, visibility and PM10 parameters. J. of Water andSoil Conservation. 23: 3. 171-187.(In Persian)
13.Mohammadi, F., Kamali, S., and Eskandari, M. 2013. Detection of dust sources at different levels of Tehran atmosphere using HYSPLIT model. Geography and Environmental Hazards. 16: 39-54. (In Persian)
14.Moin Al-Dini, M. 2018. The role of domestic dust center on air quality in Qom. Master's thesis. Department of Agriculture, Campus of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran. Master Thesis. (In Persian)
15.Naderizadeh, Z., Khademi, H., and Ayoubi, Sh. 2016. Determining the concentration and contamination level of heavy metals in dust from selected areas of Bushehr Province. J. of Waterand Soil Conservation. 27: 1. 1-23.(In Persian)
16.Rahimi, D., and Majd, M. 2011. Analysis of climate change and its impact on water resources in the northern slopes of the Karkas. Journal of Geography and Regional Development. 17: 211-227. (In Persian)
17.Rahmatizadeh, A. 2005. Determination of roughness, physical, chemical, and mineralogical properties of Qom sands. Ministry of Jihad and Agriculture Organization of Research, Trainingand Agricultural Promotion Research Institute of Forests, Rangelands ofIran-Qom. Research report. (In Persian)
18.Rahmatizadeh, A., and Jafari, M.2014. Investigating the Effects ofSaveh and Ghadir Dams Construction on Desertification Process in Masileh Qom Plain. Iranian Journal of Rangeand Desert Research. 21: 3. 494-506.(In Persian)
19.Rajaee, T., Rohani, N., Jabbari, E.,and Mojaradi, B. 2020. Tracing and assessment of simultaneous dust storms in the cities of Ahvaz and Kermanshah in western Iran based on the new approach. Arab J. Geosci. 13: 12. 461.1: 20.
20.Rezaei, T., Daneshkar Arasteh, P., and Saghafian, B. 2005. Annual Rainfall Trend Analysis in Arid and Semi-arid Regions of Central and Eastern Iran. Journal of Water and Wastewater.16: 2. 73-81. (In Persian)
21.Reiff, J., Forbes, G.S., Spieksma, F.T.M., and Reynders, J.J. 1986. African dust reaching northwestern Europe: A case study to verify trajectory calculations. Journal of Climate and Applied Meteorology, 25: 11. 1543-1567.
22.Shahbazi, R., and Gharib, F. 2018. National Dust Project, Report of the Qom Province. Applied Research
Center of Geological Survey of Iran.(In Persian)
23.Tabari, H., Sabziparvar, A., and Maroofi, S. 2008. Investigation of the annual change trend of meteorological parameters in two hot and cold climates of Iran. Journal of Water, Soil, and Plants in Agriculture. 8: 1B. 161-174. (In Persian)
24.Tegen, I., and Schepanski, K. 2009.The global distribution of mineral dust. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 7, No. 1,p. 012001). IOP Publishing.
25.Zabihi, A., Soleimani, K., Shabani,M., and Abravesh, S. 2011. Investigation of Spatial Distributionof Annual Precipitation Using Geostatistical Methods (Case Study: Qom Province). Physical Geography Research. 78: 101-112. (In Persian)
26.Zarasvandi, A., Heidari, M., Lahijanzadeh, A., Jalali, S., Rezai, M., Saed, M., and Feridouni, Z. 2019. Elemental composition and environmental indicators of heavy metals in dust storms in Khuzestan province. Agricultural Engineering.41: 1. 105-125. (In Persian)