بخشی از مقاله
چکیده
رخدادهاي گرد و غبار فرایندهاي اقلیمی پیچیده اي هستند که قادرند به طور محسوسی شرایط زیستمحیطی و بهداشتی را تحت تأثیر قرار داده و کیفیت زندگی مردم را کاهش دهد. مشاهدات سالهاي اخیر نشان میدهدکه وقوع این پدیده در کشور، به خصوص در نواحی غرب، جنوب غربی و بخشهایی از مرکز کشور افزایش یافته است. در مطالعه حاضر، از میان پارامترها و شاخص هاي حساس به گرد و غبار حاضر در الگوریتم هاي مختلف مربوط به سنجنده MODIS، سه پارامتر مهم انتخاب گردید و همبستگی خطی و نمایی آنها به طور جداگانه با دادههاي قابلیت دید افقی متناظر، براي دو حالت الف - تمام روزهاي گرد و غباري و ب - براي روزهاي گرد و غباري داراي قابلیت دید افقی زیر هزار متر مورد بررسی قرار گرفت
نشان داده شد که BTD 31-32 هم در حالت الف و هم در حالت ب مناسبترین همبستگی را داشته - همبستگی متوسط - به عنوان پارامتر بهینه معرفی گردید و در انتها ضمن ارائه مدل بهینه نمایی حاصل از رگرسیون، پیشنهاداتی جهت مدلسازي کارامدتر تودههاي گرد و غبار ارائه گردید.
.1 مقدمه و هدف
درچند سال اخیر گرد و غبار غلیظی با منشأ خارجی در نواحی از غرب، شمال غرب، جنوب، جنوب غرب و بخشهایی از نواحی مرکز ایران را فرا گرفته است، به طوري که بسیاري از استانهاي کشور از جمله خوزستان، بوشهر، لرستان، کردستان، ایلام، و ... در توده اي از گرد و غبار فرو رفته و آسمان این مناطق پوشیده از ذرات معلق در هوا شده است.
این رخدادهاي گرد و غبار موجب آثار زیانبار متعددي را سبب شده است که عمده آنها عبارت میباشد از: تعطیلی عمومی مکرر در شهرها و تعطیلی موردي مدارس، تعطیلی فرودگاهها و تعطیلی صنایع، خسارت به منابع آب، منابع انرژي، خطوط ارتباطی مخابراتی، افزایش بروز بیماريهاي متعدد تنفسی، ریوي، چشمی و پوستی، تخریب اراضی کشاورزي، مراتع و جنگلها به ویژه جنگلهاي ناحیه رویشی زاگرس، کاهش تولیدات محصولات کشاورزي، دامی و زنبورداري .
در حال حاضر دو روش اصلی پایش طوفانهاي گرد و غبار، شامل اندازهگیريهاي زمینی و سنجش از دور میگردد. در هنگام رخداد این طوفانها، به طور معمول شرایط زیستمحیطی بسیار بد است و همچنین سایتهاي زمینی پایش کننده گرد و غبار به طور پراکنده و نامنظمی در سطح زمین پخش شدهاند. در نتیجه به دلیل تفکیک مکانی و زمانی اندك، روش هاي اندازه گیري زمینی، ملزومات پایش و پیشبینی طوفانهاي گرد و غبار را براورده نمیسازند. از طرفی، تکنولوژي سنجش از دور ماهواره اي مزایاي فراوانی از جمله پوشش وسیع، پیوستگی در فضا و پایش سریع فجایع طبیعی را دارا میباشد و از این رو نقش مهمی را در پایش طوفان هاي گرد و غبار بازي می نماید. سنجش از دور میتواند محدوده درگیر در طوفان گرد و غبار، میزان شدت آن و مسیر حرکت آن را پایش نماید
سنجنده MODIS در ماهوارههاي ترا و اکوا مربوط به سیستم مشاهده زمین - EOS - ناسا هستند. هر دو قطبی مدار بوده و ارتفاع مدار حدود 700 کیلومتر، زاویه اسکن حدود ±55°، عرض نوار تصویربرداري حدود 2330 کیلومتر و طول هر اسکن معادل 10 کیلومتر به موازات خط پرواز براي هر ماهواره مشخصاتی است که سبب میشود که هر ماهواره بتواند در طول یک روز، از کل کره زمین اطلاعات برداشت نماید. به علاوه این سنجنده فعال با 490 آشکارساز و در 36 باند طیفی از 0/41 تا 14/23 میکرومتر، تصویربرداري از زمین را در دامنه وسیعی از امواج الکترومغناطیسی انجام میدهد
ذرات گرد و غبار معدنی میتوانند به طور مستقیم تشعشع زمینی و خورشیدي را در هر دو محدودهي طیفی مریی و فروسرخ - IR - و از طریق فرایندها پراکنش و جذب تغییر دهند. به دلیل خصوصیات نوري ویژه گرد و غبار، تشعشع مشاهده شده از طریق ماهواره حامل امضاء طیفی گرد و غبار هستند که با امضاء طیفی سایر مولکولها، ابرها و سطح زیرین متفاوت است. بر مبناي این تفاوتها، نقشههاي تشخیص متفاوتی براي شناسایی و بارزسازي گرد و غبار توسعه یافتهاند. در عمل تشخیص از طریق تحلیل انعکاس - یا تشعشع - در باندهاي مریی و یا دماي روشنایی - BT - در باندهاي فرو سرخ - IR - صورت میپذیرد. شدت اختلاف در انعکاس یا BT در باندها و یا کانالهاي انتخاب شده میتواند جهت برداشت امضاء گرد و غبار مورد استفاده قرار گیرد. این مبناي الگوریتمهاي تشخیص تصویري هواپخشها است
در مطالعه حاضر، از میان پارامترها و شاخص هاي حساس به گرد و غبار حاضر در الگوریتمهاي مختلف مربوط به سنجنده MODIS، سه پارامتر مهم انتخاب گردید و همبستگی خطی و نمایی آنها به طور جداگانه با داده هاي قابلیت دید افقی متناظر مکانی و زمانی، مورد بررسی قرار گرفت. پارامتري که بیشترین میزان همبستگی را نشان داد، به عنوان پارامتر بهینه معرفی گردید.
.2 تئوري و پیشینه تحقیق
Baddock و همکاران با هدف تعیین منابع پدیدهي گرد و غبار در دریاچهي Eyre واقع در کشور استرالیا، پنج روش اصلی را با به کار گیري دادههاي گرد و غبار MODIS L1B و MODIS L2، مقایسه و ارزیابی نمودند. این بررسی در دو قسمت - 1 تفکیک و جداسازي گرد و غبار - هواپخش معدنی - از غیر آن و - 2 تعیین حوزهاي که در آن منبع گرد و غبار قابل رؤیت باشد. روشهاي مورد استفاده در این پژوهش عبارتند از:
- 1 فرایند ترکیب رنگی کاذب - FCC - ، - 2 اختلاف دماي روشنایی، - 3 پروسه Ackerman، - 4 الگوریتم بارزسازي گرد و غبار Miller و - 5 الگوریتم تفکیک گرد و غبار Roskovensky و .Liou این پنج روش براي چهار رخداد گرد و غبار متفاوتی که در دریاچهي Eyre به وقوع پیوسته بود به اجرا در آمد.
پس از ارزیابی کارایی روشهاي مختلف نتایج گستردهاي گزارش گردید. از جملهي مهم ترین آنها عبارتند از:
- 1 در مورد منطقهي مورد مطالعه، هیچکدام از تکنیکها به تنهایی کارایی ایدهآلی جهت تعیین منبع ندارند. - 2 دادهي BTD به سادگی محاسبه میگردد و در بارزساري گرد و غباري که در دادههاي VIS قابل رؤیت نیستند، بسیار مؤثر است. - 3 در تصاویري که ابر حضور دارد، صورتی که تنها از BTD استفاده شود، امکان تداخل میان ابر و گرد غبار وجود دارد. در این زمینه الگوریتمهایی براي تفکیک طراحی شدهاند که ابرهاي سیروس را جدا سازد؛ اگر چه ممکن است ابرهاي ضخیم همچنان باقی بمانند
کریمی و همکاران با هدف تعیین مناطق منشأ گرد و غبار و نحوهي توزیع چشمههاي گرد و غباري با استفاده از پردازش تصاویر ماهوارهاي و نیز کسب اطلاعات از وضعیت انتشار و مسیر حرکت این ذرات از طریق به کار گرفتن مدل سنجش از دور مناسب، از تصاویر ماهوارهاي سنجندهي MODIS در سطح L1B از ماهوارهي Terra و دادههاي هواشناسی شامل قابلیت دید، جهت و سرعت باد، وضعیت هواي موجود و مختصات ایستگاههاي هواشناسی - طول، عرض و ارتفاع - اخذ شده از سازمان هواشناسی کشور استفاده نمودند.
در این پژوهش ابتدا روزهاي گرد و غباري در بازه زمانی مورد مطالعه - سال-هاي 2008 و - 2009 با تکیه بر دادههاي هواشناسی و برخی دادههاي کمکی دیگر تعیین گردید و در ادامه تصاویر ماهوارهاي مربوط به تاریخهاي استخراج شده تهیه شد. سپس پارامترهاي ردیابی گرد و غبار و تهیه نقشه شاخص پوشش گیاهی انجام گردید. بارزسازي مناطق گرد و غباري از طریق ساختن تصاویر ترکیب رنگی کاذب - FCC - صورت گرفت و به کمک سري زمانی از تصاویر موجود نقاط منشأ غبار و به تبع آن سهم کشورهاي منطقه در تولید ذرات گرد و غبار تعیین گردید
Schepanski و همکاران دو روش شناسایی منشأ گرد و غبار را مقایسه نمود: - 1 یک روش »ردیابی پسرو«1 نسبت به شاخص گرد و غبار MSG IR با تفکیک زمانی 15 دقیقه اعمال گردید. - 2 یک روش »تناوبی«2 نسبت به OMI AI روزانه و دادهي ضخامت اپتیکال هواویز - AOT - روزانهي مربوط به تصاویر MODIS اعمال گردید. در روش ردیابی پسرو نواحی منشأ گرد و غبار از طریق ردیابی مجزاي پلومهاي گرد و غبار به مکانهاي اصلی شکلگیري خود، استخراج شدند. این امر به کمک تفکیک زمانی بالاي تصاویر MSG میسر گردید. پارامترهاي OMI AI و AOT مربوط به تصاویر MODIS تنها با تفکیک روزانه در دسترس میباشند که سبب میگردد که ردیابی مجزاي پلومها مقدور نباشد. بنابراین شناسایی نواحی منشأ گرد و غبار از طریق برقراري ارتباط میان تناوب رخداد بارگذاريهاي بالاي گرد و غبار به نواحی منشأ صورت پذیرفت
Zhang و همکاران یک رخداد گرد و غبار را که در تاریخ 7 آوریل 2001 در شمال چین به وقوع پیوسته است، به کمک سه باند فروسرخ - IR - از سنجنده MODIS بررسی نمودند. این درك شده بود که براي تودههاي گرد و غبار، اختلاف دماي روشنایی مشاهده شده مربوط به 11 منهاي 12 میکرومتر همواره منفی است در حالی که BTD مربوط به 8/5 منهاي 11 میکرومتر بسته به غلظت گرد و غبار، از مثبت به منفی تغییر میکند. بر مبناي این خواص متمایز کننده، یک الگوریتم ماسکینگ گرد و غبار براي شناسایی وقوع طوفانهاي گرد و غبار و وسعت مکانی آن توسعه داده شد. الگوریتم حاصل هم در طول شب و هم در طول روز، به طور موفقیتآمیز قابل اجرا است.
با استفاده از تئوري پراکنش کروي می، تشعشع حرارتی انتقالی از طریق گرد و غبار تک لایه از به کمک مدل پیشروي DISTORT که پر استفاده نیز میباشد، به اجرا درآمد. به طورمحاسبات آنها نشان داد که هواپخشها مشابه گرد و غبار را میتوان به خوبی به کمک BTD به توضیح قرار داد با این که هر دو عامل شاخص انکساري پیچیده3 و سایز ذرات هواپخشها به طور جدي بر روي BTD اثر میگذارند. هنگامی که شاخص انکساري پیچیده ثابت است، ضخامت نوري گرد و غبار و شعاع مؤثر ذرات گرد و غبار میتواند به ترتیب از دماي روشنایی کانال 11 میکرومتر و BTD مربوط به کانال 11 منهاي 12 میکرومتر بازیابی شود. مجموع دانسیته ستون گرد و غبار میتواند از ضخامت نوري گرد و غبار بازیابی شده و شعاع مؤثر به دست آید
