مجله ژئوفیزیک ایران

مجله ژئوفیزیک ایران

چشمه‌های موثر بر وقوع گردوخاک در منطقه تهران با کاربست داده‌های MERRA-2

نوع مقاله : مقاله پژوهشی‌

نویسندگان
1 دانش آموخته کارشناسی ارشد هواشناسی، موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 دانشیار، موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران، تهران، ایران
چکیده
برای بررسی اقلیم‌شناسی و شناسایی چشمه­های موثر بر رخداد گردوخاک در منطقه تهران در ماه‌های مختلف سال از داده‌های بازتحلیل MERRA-2 با تفکیک افقی 625/0×5/0 درجه طی دوره 1980-2022 استفاده شده ­است. نتایج نشان داد که غلظت‌ جرمی گردوخاک سطحی در منطقه تهران در اواخر بهار و اوایل تابستان، به ویژه در ماه ژوئیه به بیشترین مقدار خود می‌رسد. شار نهشت خشک در ماه‌های آوریل و می، و شار نهشت تر در ماه‌های مارس و آوریل در تهران بیشینه است. شار گسیل گردوخاک در منطقه تهران در بهار و تابستان بیشتر از دو فصل دیگر است و بیشینه مقدار آن در ماه‌های ژوئن و ژوییه رخ می‌دهد که با بیشینه شار گسیل گردوخاک در منطقه دشت کویر هم‌زمان است. منطقه ورامین تنها چشمه گردوخاک قابل شناسایی توسط داده‌های MERRA-2 در منطقه تهران است. در این منطقه در تابستان میزان شار گسیل گردوخاک از میزان نهشت آن بیشتر است. چشمه‌های احتمالی گردوخاک  بر اساس قرارگیری در مسیر سامانه‌های غربی، میزان شار گسیل گردوخاک بالاتر نسبت به مناطق اطراف و قرارگیری در  منطقه تهران  تعیین شده‌اند: 1- منطقه غرب خاورمیانه؛ 2- منطقه دشت کویر؛ 3- چشمه‌های درون منطقه تهران. در همه این مناطق شار گسیل گردوخاک و غلظت جرمی گردوخاک سطحی در اواخر بهار و در تابستان، بویژه در ماه‌های ژوئن و ژوییه به بیشینه مقدار خود می‌رسد. بررسی همبستگی بین شار گسیل گردوخاک در چشمه‌های احتمالی و غلظت جرمی گردوخاک در منطقه تهران نشان داد که در بیشتر ماه‌های سال، بویژه در زمستان و اوایل بهار (ژانویه-آوریل) منطقه غرب خاورمیانه کانون‌ اصلی وقوع گردوخاک در منطقه تهران است. در تابستان و اوایل پاییز (ژوئن-اکتبر)، علاوه بر چشمه‌های گردوخاک خارج از ایران، دشت کویر و چشمه‌های واقع در منطقه تهران به کانون‌های اصلی گردوخاک اضافه می‌شوند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Identification of sources of dust that influence Tehran using the MERRA-2 data

نویسندگان English

Ramin Ahmadi 1
Omid Alizadeh 2
Samaneh Sabetghadam 2
1 M.Sc., Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

We utilized the Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications, version 2 (MERRA-2) data with a horizontal resolution of 0.5°×0.625° for the period 1980-2022 to identify sources of dust that influence Tehran province in different months of the year. The results indicated that surface dust mass concentration in Tehran reach peak levels in late spring and during summer, particularly in July. The maximum dry deposition flux in Tehran is in April and May, whereas the maximum wet deposition flux is in March and April. Wet deposition flux is higher in highlands and in areas where precipitation is relatively high compared to lowlands and areas with low precipitation. Dust emission flux is higher during spring and summer in Tehran compared to other seasons, with the highest values in June and July, concurrent with the maximum dust emission flux in Dasht-e Kavir. Varamin is the only region in Tehran province that contributes to extensive dust emissions. In this region, dust emission flux is higher than dust deposition flux in summer. The analysis of dust emission flux and dust surface mass concentration in Tehran during the period 1980-2022 indicates significant increasing trends in spring and summer, respectively. In this study, we also identified potential dust sources that influence the Tehran province. We examined those sources that have a high level of dust emission flux and are either located in or near Tehran or along the path of weather systems moving from the west to the east. These sources include (1) the western Middle East region; (2) Dasht-e Kavir; and (3) sources in Tehran. In all these areas, the maximum dust emission flux and surface dust mass concentration occur in late spring and during summer, particularly in June and July, whereas their minimum values are in autumn and early winter (October to January). Although dust dry deposition flux shows high values in the vicinity of or near the regions with high dust emission flux, dust wet deposition flux has high values in areas with relatively high precipitation such as the Alborz and Zagros Mountains. In the western Middle East and Dasht-e Kavir, dust emission flux is higher than the sum of dry and wet deposition fluxes in all months of the year. The correlation analysis between dust emission flux in the abovementioned potential sources of dust and surface dust mass concentration in Tehran indicates that from January to April, the western Middle East region is the main source of dust that contributes to the occurrence of dust events in Tehran. In summer and early autumn, in addition to dust sources in the western Middle East, the contribution of Dasht-e Kavir and dust sources in the Tehran province becomes significant. This explains the observed maximum dust surface mass concentration in Tehran during summer. The results of this study have important implications for better understanding potential sources of dust that influence Tehran in different months, based on which monthly variation in terms of the health and environmental impacts of dust can be obtained.

کلیدواژه‌ها English

Dust emission flux
dust deposition flux
dust mass concentration
خوش سیما، م.، ثابت قدم، س.، علی اکبری بیدختی، ع. (2015). تخمین تمرکز ذرات معلق (PM10) در جو با استفاده از داده‌های سنجش از دور ماهواره‌ای و زمین‌پایه و پراسنج‌های هواشناختی: کاربست شبکۀ عصبی مصنوعی. فیزیک زمین و فضا، 41(3), 499-510.‎
ریوندی، ا.، میررکنی، م. و محمدیها، ا. (1392). بررسی تشکیل و انتشار طوفان‌های گرد و خاک ورودی به غرب و جنوب‌غرب ایران با استفاده از مدل پخش لاگرانژی ذرات HYSPLIT. پژوهش‌های اقلیم‌شناسی، سازمان‌هواشناسی کشور، پژوهشکده اقلیم شناسی، (13)، 1-16.
سلیمانی ساردو، ف.، مصباح زاده، ط.، سلاجقه، ع.، زهتابیان، غ.، رنجبر، ع.، میگلیتا، ماریو مارسلو. و کرمی، س. (1400). شناسایی کانون‌های گردوغبار با استفاده از مدل WRF - Chem و طرح‌واره‌های فرسایش بادی GOCART و AFWA (طوفان شبیه سازی شده 2 خرداد 1397). فصلنامه علوم محیطی، 19(2)، 91-110.
عزیزی، ق.، خوش اخلاق، ف.، شمسی‌پور، ع.، نگاه، س. و فرید‌مجتهدی، ن. (1399). کم‌فشارهای گرمایی فلات ایران. مطالعات جغرافیایی مناطق خشک، مرکز پژوهشی علوم جغرافیایی و مطالعات اجتماعی دانشگاه حکیم سبزواری، 41، 93-113.
مبارک‌حسن، ا.، رنجبر، ع.، رنجبر، ع. و فتاحی، ا. (1399). بررسی گردوخاک در گستره ایران توسط مدل باز تحلیل MERRA-2 NASA/(دوره آماری 2017-2007). تحقیقات آب و خاک ایران، دانشگاه تهران، 51 (9)، 2203-2219.
Alipor, H. (2023). Dust temporal and spatial deposition affected by climate and soil mineralogical and chemical properties in a semi-arid area. J Heliyon, 94, 2405-8440.
Alizadeh Choobari, O., Sturman, A., and Zawar-Reza, P. (2014). A global satellite view of the seasonal distribution of mineral dust and its correlation with atmospheric circulation. Dyn Atmos Oceans 68, 20–34.
Alizadeh Choobari, O., Ghafarian, P., and Owlad, E. (2016). Temporal variations in the frequency and concentration of dust events over Iran based on surface observations. Int J Climatol, 36, 2050–2062.
Alizadeh, O., Abniki, M., Babaei, M., and Irannejad, P. (2022). Climatology and the dynamic mechanism of the Levar wind and dust events in eastern Iran. International Journal of Climatology, 42(16), 9288–9303.
Azizi, G., Khosh Akhlagh, F., Shamsipour, A., Negah, S., and Farid mojtahedi, N. (2022). Thermal low pressures of the Iran plateau. Journal of Arid Regions Geographic Studies, 11(41), 93-113. (In Persian).
Baldasano, J, M. (2013). Mineral dust modeling from meso to global scale. In: Barcelona Supercomputing Center (BSC), Portugal, Evora, 1–16.
Beyranvand, A., Azizi, G., Alizadeh, O., Darvishi Boloorani, A. (2023). Dust in Western Iran: the emergence of new sources in response to shrinking water bodies. Scientific Reports, 13, 16158.
Bidokhti, A.A.A., Gharaylou, M., Pegahfar, N., Sabetghadam, S. and Rezazadeh, M. )2016(. Characteristics of extreme dust events observed over two urban areas in Iran. Journal of Earth System Science, 125, 431-442.
Buchard, V., Randles, C. A., da Silva, A. M., Darmenov, A., Colarco, P. R., Govindaraju, R., Ferrare, R., Hair, J., Beyersdorf, A., Ziemba, L., Scarino, A. J., Wasilewski, A., McGill, M., Jethva, H., Delgado, R., Kittaka, C., Tackett, J., Thornhill, K. L., Winker, D., Levy, R., Kim, J., Omar, A., Kalashnikova, O. V., Lin, G., Yue, Q., Redemann, J., Livingston, J. M., Russell, P. B., and Livingston, J. (2017). The MERRA-2 Aerosol Reanalysis, 1980 Onward. Part II: Evaluation and Case Studies. Journal of Climate, 30, 6851–6872.
Cavazos Guerra, C.D.C. (2011). Modelling the Atmospheric Controls and Climate Impact of Mineral Dust in the Sahara Desert (PhD dissertation). UCL (University College London).
Chen, Y., Li, R., Wang, Y., Zhang, W., and Wang, W. (2021). Validation and comparison of high-resolution MAIAC aerosol products over Central Asia. Atmospheric Environment, 251, 118273.
Chin, M., Ginoux, P., Lucchesi, R., Huebert, B., Weber, R., Anderson, T., Masonis, S., Blomquist, B., Bandy, A., and Thornton, D. (2003). A global aerosol model forecast for the ACE‐ Asia field experiment. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 108(D23).
Furman, H.K.H. (2003). Dust storms in the Middle East: Sources of origin and their temporal characteristics. Indoor Built Environ, 12, 419–426.
Fuzzi, S., Baltensperger, U., Carslaw, K., Decesari, S., van der Gon, H.D., Facchini, M.C., Fowler, D., Koren, I., Langford, B., Lohmann, U., Nemitz, E., Pandis, S., Riipinen, I., Rudich, Y., Schaap, M., Slowik, J.G., Spracklen, D.V., Vignati, E., Wild, M., Williams, M., and Gilardoni, S. (2015). Particulate matter, air quality and climate: lessons learned and future needs. Atmos Chem Phys, 15, 8217–8299.
Gelaro, R., McCarty, W., Suárez, M. J., Todling, R., Molod, A., Takacs, L., Randles, C. A., Darmenov, A., Bosilovich, M. G., Reichle, R., Wargan, K., Coy, L., Cullather, R., Draper, C., Akella, S., Buchard, V., Conaty, A., da Silva, A. M., Gu, W., Kim, G. K., Koster, R., Lucchesi, R., Merkova, D., Nielsen, J. E., Partyka, G., Pawson, S., Putman, W., Rienecker, M., Schubert, S. D., Sienkiewicz, M., and Zhao, B. (2017). The Modern-Era retrospective analysis for research and applications, version 2 (MERRA-2). Journal of Climate, 30, 3541-3563.
Ginoux, P., Chin, M., Tegen, I., Prospero, J.M., Holben, B., Dubovik, O., and Lin, S.J. (2001). Sources and distributions of dust aerosols simulated with the GOCART model. Journal of Geophysical Research, 106(D17), 20255–20273.
Ginoux, P., Prospero, J.M., Gill, T.E., Hsu, N.C., and Zhao, M. (2012). Global-scale attribution of anthropogenic and natural dust sources and their emission rates based on MODIS Deep Blue aerosol products. Rev Geophys, 50, RG3005.
Goudie, A.S., and Middleton, N.J. (2006). Desert dust in the global system. Springer, New York.
Hersbach, H., Bell, B., and Berrisford, P. (2020). The ERA5 global reanalysis. Q J R Meteorol Soc, 146, 1999– 2049.
IPCC. (2014). Climate Change 2013 – The Physical Science Basis. Cambridge University Press. Retrieved from Cambridge Books Online.
Khoshsima, M., Sabet Ghadam, S. S., and Aliakbari Bidokhti, A. (2015). Estimation of atmospheric particulate matter (PM10) concentration based on remote sensing measurements and meteorological parameters: application of artificial neural network. Journal of the Earth and Space Physics, 41(3), 499-510. (In Persian).
Kim, K.D., Lee, S., Kim, J.-J., Lee, S.-H., Lee, D., Lee, J.-B., Choi, J.-Y., and Kim, M.J. (2021). Effect of Wet Deposition on Secondary Inorganic Aerosols Using an Urban-Scale Air Quality Model. Atmosphere, 12(2), 168.
Lau, K.M., and Kim, K.M. (2006). Observational relationships between aerosol and Asian monsoon rainfall, and circulation. Geophy Res Lett, 33, L21810.
Masoumi, A., Khalesifard, H.R., Bayat, A., and Moradhaseli, R. (2013). Retrieval of aerosol optical and physical properties from ground-based measurements for Zanjan, a city in Northwest Iran. Atmos Res, 120, 343–355.
Middleton, N.J. (1986). A geography of dust storms over southwest Asia. J Climatol, 6, 183–196.
Middleton, N., and Kang, U. (2017). Sand and Dust Storms: Impact Mitigation. Sustainability, 9(6), 1053.
Mobarak Hassan, E., Saadat Abadi, A., and Fatahi, E. (2020). Dust Investigation by MERRA-2 Model in Iran: (during 2007-2017). Iranian Journal of Soil and Water Research, 51(9), 2203-2219. (In Persian)
Mobarak Hassan, E., Karimkhani, M., and Alizadeh, O. (2023). Synoptic analysis and simulation of a widespread dust event in the Urmia Basin. Natural Hazards.
Prospero, J. M. (1996). The atmospheric transport of particles to the ocean. In V. Ittekkot, P. Schafer, S. Honjo, and P. J. Depetris (Eds.), Particle flux in the ocean (pp. 19-52). Chichester: Wiley.
Prospero, J.M., Ginoux, P., Torres, O., Nicholson, S.E., and Gill, T.E. (2002). Environmental characterization of global sources of atmospheric soil dust identified with the NIMBUS 7 Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) absorbing aerosol product. Rev Geophys, 40, 1002.
Randles, C. A., Hoffman, M. J., Xu, J., Lenschow, D. A., Da Silva, A. M., Gupta, S. K., Huang, J.-P., Kim, M. J., Schumacher, C. R., Zhang, S., Darmenov, A. S., and Benjamin, C. G. (2017). The MERRA-2 Aerosol Reanalysis, 1980 Onward. Part I: System Description and Data Assimilation Evaluation. Journal of Climate, 30, 6823–6850.
Rashki, A., Middleton, N. J., and Goudie, A. S. (2021). Dust storms in Iran–Distribution, causes, frequencies and impacts. Aeolian Research, 48, 100655.
Rivandi, A., Mirrokni, M., and Mohammadiha, A. (2013). Investigation of Formation and Propagation of Dust Storms Entering to the West and Southwest of Iran Using Lagrangian Particle Diffusion Model, HYSPLIT. Journal of Climate Research, 1392(13), 1-16. (In Persian).
Sabetghadam, S., Khoshsima, M., and Alizadeh Choobari, O. (2018). Spatial and temporal variations of satellite-based aerosol optical depth over Iran in Southwest Asia: Identification of a regional aerosol hot spot. Atmos Poll Res, 9, 849–856.
Sabetghadam, S., Alizadeh, O., Khoshsima, M., and Pierleoni, A. (2021). Aerosol properties, trends and classification of key types over the Middle East from satellite-derived atmospheric optical data. Atmos Environ, 246, 118100.
Shahabi, H., Safarrad, T., Hashim, M., and Al-Ansari, N. (2023). Satellite-Synoptic Monitoring of Dominant Dust Entering Western Iran. Journal of Sensors.
Soleimani Sardoo, F., Mesbahzadeh, T., Salajeghe A., Zehtabian, G., Ranjbar, A., Miglietta, M.M., and Karami, S. (2021). Identifying dust springs using WRF-Chem model and GOCART and AFWA wind erosion schemas (simulated dust storm on 05/22/2018). Journal of Environmental Sciences, 19(2), 91:110. (In Persian).
Tian, Y., Zhang, L., Liu, J., and Sun, Y. (2021). Effects of dust emissions from wind erosion of soil on ambient air quality. Atmospheric Pollution Research, 12(7), 101108.
Tsoar, H., and Pye., K. (1987). Dust transport and the question of desert loess formation. Sedimentology, 34, 139-153.
Van Donkelaar, A., Martin, R. V., Brauer, M., Kahn, R., Levy, R., Verduzco, C., and Villeneuve, P. J. (2010). Global estimates of ambient fine particulate matter concentrations from satellite-based aerosol optical depth: Development and application. Environmental Health Perspectives, 118, 847-855.
Wesely, M.L. (2007). Parameterization of surface resistances to gaseous dry deposition in regional-scale numerical models. Atmospheric Environment, 41, 52-63.