بخشی از مقاله
بررسي علل و عوامل وقوع طوفان گرد و غبار و مدل سازي اين پديده با استفاده از نرم افزار HYSPLIT
چکيده
يکي از مهمترين آلاينده هاي هوا، از نظر اثر منفي بر روي سلامت انسان ها و تخريب محيط زيست ذرات معلـق است . منابع مختلفي براي توليد اين ذرات وجود دارد که از مهمترين آنها ميتـوان بـه احتـراق نـاقص ترکيبـات هيدروکربني از منـابع انسـان سـاخت و طوفـان هـاي گـرد و غبـار (Dust storms) و آتـش سـوزي جنگـل هـا (Wildfires) در منابع طبيعي اشاره کرد. در مقياس جهاني سهم عمده گرد و غبار طبيعي، از منـاطق خشـک و نيمه خشک و به واسطه فرسايش بادي، وارد هوا ميشوند. در سال هاي اخير به دليل افزايش بروز طوفان هـاي گرد و غبار ناشي از فرسايش بادي مناطق بياباني غرب خاورميانه ، غلظت ذرات معلق در تعـداد قابـل تـوجهي از روزهاي سال به حد ناسالم و يا خطرناک رسيده است . در اين مقاله ابتدا علل اصلي بروز و پيش زمينه هـاي لازم براي ايجاد طوفان هاي گرد و غبار (اقليمي، جغرافيايي و جوي) و کانون هاي اصلي ايجاد گـرد و غبـاردر منطقـه بيان شده است ، در ادامـه بـه نحـوه شناسـايي منـابع و مسـير حرکـت گـرد و غبـار بـا اسـتفاده از نـرم افـزار HYSPLITپرداخته شده است . نتايج مطالعه موردي اين تحقيق در ماه مي ٢٠١٠ نشان ميدهد، با بالا رفتن سرعت باد سطحي در ١٧ مي انتشار گرد و غبار آغاز شده است . منابع اصلي اين طوفان گـرد و غبـار در جنـوب سوريه و غرب عراق واقع شده و اين توده با عبور از مناطق غربي و جنوبي ايران ، در روز ١٩ مي به تهران رسيده است .
کلمات کليدي
طوفان گرد و غبار، ذرات معلق ، منابع گرد و غبار، کيفيت هوا، نرم افزار HYSPLIT
دبيرخانه
١. مقدمه
در مناطق مستعد گرد و غبار بسته به سرعت باد، زبري عناصر سطح ، رطوبت خاک، اندازه دانه ها، پوشش گياهي، بافت خاک، چسبندگي خاک و پستي و بلنديهاي زمين ، ذرات ريز وارد جريان هاي جوي شده ، توليد گرد و غبار ميکنند. روش هاي انتقال ذرات به جو شامل معلق شدن ، جهش ناگهاني و خزش ميباشد [١و٢]. اين گرد و غبار را که بر اثر فرسايش بادي توليد ميشود، بر اساس تاثير بر قابليت رويت و شدت گرد و غبار به ٣ دسته طبقه بندي ميکنند، که به ترتيب شامل طوفان گرد و غبار، گرد و غبار وزنده و گرد و غبار معلق ميباشد. طوفان گرد و غباري مقادير قابل توجهي گرد و غبار و شن را به وسيله بادهاي قوي به بالا حمل کرده و ممکن است قابليت رويت را تا حد صفر کاهش دهد. گرد و غبار وزنده از لحاظ شدت در بين پديده هاي گرد و غبار حد متوسط ميباشد، اين پديده به وسيله بادهاي با ارتفاع زياد ايجاد ميگردد. گرد و غبار معلق پديده اي با حداقل شدت است که در آن گرد و غبار ريز در بخش زيرين ترپوسفر معلق ميماند [٣].
در زمينه گرد و غبار در جهان و به ويژه کشورهاي شرق آسيا، اسپانيا و امريکا مطالعات فراواني انجام شده است که در آن شناسايي منابع ، مسيرهاي حرکت توده ها، تعيين غلظت ، سهم منابع مختلف در غلظت ، روند طوفان هاي گرد و غبار و تحليل خصوصيات گرد و غبار (شيميايي و فيزيکي) با استفاده از مدل سازي عددي، تصاوير ماهواره اي و سنجش از دور، پايش و تحقيقات آزمايشگاهي مورد نظر بوده است [۴و۵] . در ايران تحقيقات کمي در اين مورد گرد و غبار صورت گرفته که اغلب آنها با استفاده از تصاوير ماهواره اي مانند TOMS به تحليل فصلي و سالانه ي گرد و غبار، شناسايي منابع پرداخته شده است و از مدل سازي رايانه اي کمتر استفاده شده است . هدف تحقيق حاضر بررسي عوامل بروز طوفان هاي گرد و غباري، منابع عمده بياباني منطقه و مدل سازي رايانه اي امکان بروز طوفان هايي گرد و غباري، شناسايي منابع و حرکت گرد و غبار با نرم افزار HYSPLIT٢ ميباشد.
٢. علل بروز و پيش زمينه هاي لازم
در ايجاد فرسايش بادي و انتقال گرد و غبار ناشي ار آن به جو، پيش زمينه ي جغرافيايي منطقه و سيستم هاي جوي نقش اصلي را ايفا ميکنند. در ادامه به بررسي اين عوامل پرداخته شده است .
١.٢. عوامل جغرافياي
فرايندهاي رودخانه اي در توليد ذرات ريز با جدا کردن آنها از ماتريس خاک و حمل آنها به حوضه رسوب و يا دشت هاي آبرفتي موثر است . فعاليت هاي رودخانه اي (حضور رودخانه ها، جريان هاي فصلي و زودگذر، آبرفت ها، درياچه هاي نمک و مخروط افکنه ها و گوده هاي نهشتي) در مناطقي که منبع گرد و غبارند، مشهود است . مخروط افکنه ها نيز از رسوبات ناشي از فرسايش آبي در دامنه کوه تشکيل ميشوند که قسمت بالايي آنها شامل رسوبات درشت و قسمت پاييني شامل رسوبات ريز است . گوده نهشتي
(جلگه قليايي)، يک بستر درياچه خشک است که شامل رسوبات نمک هاي قليايي ريز دانه ميباشد. ارتباط دائمي بين منابع گرد و غبار با گوده هاي نهشتي اثبات شده است . الگوي جهاني خشکي توسط گردش عمومي جو تعيين ميشود و خشک ترين مناطق جهان در پاي کوه هاي بلند هستند زيرا هنگامي که جريان هوا به نزديکي رشته کوهي ميرسد يا بايد از آن بالا رفته و يا بايد منحرف شده تا از اطراف آن عبور کند. با بالا رفتن بسته ي هوا، آن بسته متراکم شده و با بارش رطوبتش را از دست مي- دهد، و وقتي از کوه پايين ميآيد، گرمايش بي دررو در حرکت رو به پايين ، مانع تراکم و بارش است در نتيجه توليد جريان هواي گرم و خشک ميکند که به باد فوهن معروف است . چگونگي تاثير عامل جغرافيايي و اثر باد فوهن در شکل ١ نشان داده شده است . در ارتباط با فرسايش بادي اين فرآيند داراي سه نتيجه مهم است [۶]:
* در پاي کوه ، سايه ي خشک گسترش مييابد
* افزايش بارش در دامنه هاي کوهستاني که سبب فعاليت رودخانه اي و حمل و نقل رسوبات از دامنه ي کوه به دشت - هاي مجاور ميشود
* الگوي جريان هاي پيچيده در مناطق اطراف رشته کوه ها که بر انتقال گرد و غبار اثر ميگذارد
شکل ١: اثر عوامل جغرافيايي، کوه هاي بلند و باد فوهن در فرسايش بادي و ايجاد طوفان هاي گرد و غباري.
٢.٢. عوامل جوي
طوفان هاي گرد و غباري سنگين اغلب توسط سيستم هاي آب و هوايي شديد مثل بادهاي موسمي، چرخندها و
جبهه ها و طوفان هاي تندري به وجود ميآيند. در اين سيستم ها شرايط لازم هواشناسي براي شکل گيري طوفان هاي گرد و
غباري حضور دارند که از جمله ي آنها ميتوان به سه مورد زير اشاره کرد [٦]:
* باد نزديک به سطح قوي براي بلند کردن ذرات ماسه و گرد و غبار از سطح خاک
* آشفتگي يا همرفت قوي براي پراکنده کردن ذرات به سطوح بالا
* بادهاي قوي براي حمل و نقل افقي ذرات در مسافت هاي طولاني
نکته قابل توجه آن که سيستم هاي جوي توليدکننده طوفان هاي گرد و غباري در نقاط مختلف جهان کاملا متفاوت است . در اينجا به تشريح سه سيستم اصلي پرداخته ميشود.
١.٢.٢. بادهاي موسمي
در شمال آفريقا، خاورميانه و جنوب شرقي آسيا طوفان هاي گرد و غباري اغلب توسط بادهاي موسمي توليد ميشوند.
هارمتان ٣ (بادي شمالي جنوبي که خشک و داغ است و در سطح پايين ميوزد) در شمال آفريقا و باد شمال ٤ در خاورميانه از مثال هاي معروف اين نوع بادها هستند. الگوي باد و بارش در شمال آفريقا شديدًا تابع بادهاي موسمي منظم و پيوسته اي است ، که در دوره اي سالانه ، در مناطق ٢ درجه شمالي در ژانويه و ٢٥ درجه شمالي در اگوست ميوزند. شکل ٢ تصويري از ديواره ي طوفان گرد و غبار را نشان داده است . در خاورميانه ، باد شمال بين ماه هاي ژوئن و سپتامبر تقريباً هر روز ميوزد. اين باد ممکن است سبب ايجاد طوفان گرد و غبار بر روي عراق ، کويت و شبيه جزيره عربستان شود.
هنگاميکه باد شمال از بالاي دشت هاي آبرفتي دجله و فرات ميگذرد، مقادير بسيار زيادي از گرد و غبار را به هوا بلند ميکند که از روي کويت ، شمال خليج فارس و مناطقي از ايران گذر ميکند. طوفان هاي گرد و غباري ناشي از باد شمال به صورت ديواره اي از گرد و غبار که داراي ١٠٠٠ تا ٢٥٠٠ متر بلندي و ١٠٠ تا ٢٠٠ کيلومتر ضخامت هستند، حرکت ميکنند.
در درون اين ديواره ، قابليت ديد تقريبا به صفر ميرسد.
٢.٢.٢. چرخندها و سيستم هاي جبهه اي
اين عوامل سبب ايجاد طوفان هاي گرد و غباري در مقياس بزرگ ميشوند، اکثر طوفان هاي گرد و غباري در شمال شرقي آسيا و استراليا بر اثر همين طوفان هاست . براي مثال ، چرخندهايي که از فلات مغولستان سر چشمه ميگيرند با عبور از صحراي گبي در شمال شرق آسيا سبب طوفان گرد و غبار ميشوند، هم چنين حوادث گرد و غباري مهم در استراليا اکثرًا به علت جبهه هاي هواي سرد جنوبي است که از جنوب غربي به شمال شرقي گسترده ميشود. در شکل ٣ چگونگي ايجاد طوفان شن توسط چرخندها نمايش داده شده است [۶].
٣.٢.٢. طوفان هاي تندري
اين طوفان ها با گردبادهايي با سرعت باد سطحي بسيار بالا، که به آنها خطوط طوفاني ميگويند، همراه ميشوند. در تابستان بر روي برخي بيابان هاي جنوب صحراي آفريقا، در جنوب غرب آمريکا و بقيه مناطق خشک جهان همراهي اين خطوط طوفاني با طوفان هاي گرد و غباري به صورت مداوم مشاهده است . در جلوي اين نوع طوفان ها، هواي گرم و شناور ارتفاع گرفته و پس از متراکم شدن سبب ايجاد باران سنگين ميشود، هواي خشک که در سطح بالا به طوفان ميرسد به وسيله ي تبخير قطرات بارش خنک شده ، هنگاميکه نزول ميکند و به زمين بر خورد ميکند، شکسته و منحرف ميشود و به عنوان تک هاي جدا شده از ابر به جلو حرکت کرده و تشکيل ديواره ي گرد و غبار ميدهد. مشاهدات نشان ميدهد که سرعت اين بسته ي هواي جدا شده ممکن است از ٥٠ متر بر ثانيه بيشتر باشد ولي معمولاً سرعت در حدود ٢٠ متر بر ثانيه است [۶].
٣. کانون هاي اصلي ايجاد گرد و غبار در منطقه خاورميانه
مناطق فعال در فرسايش بادي در خاورميانه ، شامل فلات عربي و حوزه دجله و فرات هستند. فلات عربي از مناطق مرتفع جنوب غربي که داراي ارتفاع ١٥٠٠ تا ٣٠٠٠ متر هستند و در کنار درياي سرخ قرار دارند، به سرزمين هاي تخت شمال شرقي (٥٠ تا ٢٠٠ متر) در سواحل خليج فارس ، شيب رو به پايين تقريبا مستمر دارد. يکي از بزرگترين بيابان هاي ماسه اي دنيا، ربع الخالي با مساحت ٥٢٨٧٥٠ کيلومتر مربع است که بيشتر سرزمين جنوب داخلي شبه جزيره عربستان را اشغال کرده - است [۶]. در شکل ٤ تناوب سالانه طوفان هاي گرد و غباري (قابليت ديد کمتر از ١ کيلومتر) در تصوير چپ و حوادث گرد و غباري (قابليت ديد کمتر از ١١ کيلومتر) در تصوير راست آمده است ، همچنين نقطه ها نشان دهنده مناطقي با شاخص هواويز بالاي سالانه است [٧و٨].
شکل ٤: تناوب سالانه طوفان هاي گرد و غباري (تصوير چپ ) و حوادث گرد و غباري (تصوير راست )
در جمع بندي اين قسمت ، مي توان ذکر نمود دو منطقه منبع اصلي گرد و غبار منطقه به شرح زير است :
* دشت آبرفتي دجله و فرات که قسمت هايي از خاک عراق و کويت را ميپوشاند، اين منطقه داراي سرزمين هاي تخت و کم ارتفاع در شرق شبيه جزيره عربستان و در موازات خليج فارس است . دشت هاي آبرفتي (رسوبي) داراي بالاترين تناوب طوفان هاي گرد و غباري در منطقه هستند، بيشينه ٣٨ روز طوفان گرد و غباري در سال در مجاورت آبادان و
٣٣ روز در سال براي نصيريه ، نشان دهنده اين تناوب بالاست .
* دومين منبع در کرانه غربي درياي عمان قرار دارد، با بازه ي افقي بين ٥٤ و ٥٨ درجه شرقي و طول ٢٠٠ کيلومتر در درون شبيه جزيره عربستان . در اين منطقه روزهاي داراي طوفان گرد و غبار به نسبت کمتر است ولي روزهاي داراي گرد و غبار وزنده ي زياد و در حدود ٦٣ روز است .
تناوب و نوسان فصلي گرد و غبار در خاورميانه ، پيچيده و براي مناطق مختلف متفاوت است . در اکثر مناطق شبه جزيره عربستان گرد و غبار در تمامي مواقع سال مشاهده ميشود، ولي به طور نسبي در فصل زمستان شاهد روزهاي گرد و غباري کمتري هستيم . در شبه جزيره فعاليت گرد و غباري در ماه هاي مارس و آپريل گسترش يافته ، در ژون و جولاي به اوج خود رسيده و در سپتامبر ضعيف ميگردد. طوفان هاي شن سنگين معمولا يک پديده تابستاني هستند که همراه با باد شمال توليد ميشوند، اکثر گرد و غبارها نيز همراه با اين باد ميآيند و اغلب آن ها در درياي عربي و خليج فارس نشست ميکنند. در بعضي مناطق مثل اردن ، عراق شمالي و قسمت شمال عربستان فصل پيک طوفان هاي گرد و غباري، بهار است [٦].
٤. شناسايي منابع و امکان بروز طوفان هاي گرد و غباري با نرم افزارHYSPLIT
روش هاي مختلفي براي شناسايي منابع گرد و غبار وجود دارد که از جمله آن ها مي توان به سنجش از دور، تحليل داده هاي وضعيت هواي گرد و غباري، بررسي ردياب هاي معدني و مدل سازي عددي اشاره کرد که هريک داراي مزايا و معايب خاص خود هستند. دراين تحقيق از مدل پخش و پراکنش ذرات (HYSPLIT) براي بررسي اين امر استفاده شده است .
١.٤. معرفي مدل پخش و پراکنش
مدل HYSPLIT، مدل دوگانه ي کامل براي محاسبات خط سير، پراکندگي و شبيه سازي ته نشيني با استفاده از از رويکردهاي پف و ذرات است . در اين مدل محاسبه مسير و غلظت آلاينده با استفاده از حداقل پارامترهاي هواشناسي انجام مي -
