پایش و تحلیل مسیرهای گردوغبار در استان سیستان و بلوچستان با استفاده از محصولات ماهواره‌ ای مودیس و مدل HYSPLIT

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری هواشناسی کشاورزی، گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی کشاورزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

2 استادیار، گروه رایانه و سایبری، دانشکده مهندسی و پرواز، دانشگاه افسری امام علی (ع)، تهران، ایران.

3 دکتری، گروه جغرافیا، اقلیم شناسی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه افسری امام علی (ع)، تهران، ایران، ایران.

چکیده

سابقه و هدف: یکی از چالش‌های زیست‌محیطی در مناطق خشک و نیمه‌خشک، آلودگی گردوغبار است. گردوغبار می‌تواند مشکلاتی جدی برای سلامت عمومی به وجود آورد، ازجمله افزایش بیماری‌های تنفسی، کاهش دید و اختلالات در حمل‌ونقل، علاوه بر این، این طوفان‌ها تأثیرات منفی زیادی بر منابع آب و کشاورزی دارد. استان سیستان و بلوچستان یکی از مناطقی است که شاخص گردوغبار بالایی را در سال تجربه می‌کند و در اکثر مواقع سال دارای شاخص بالای گردوغباری می‌باشد.

مواد و روش: این پژوهش با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای مودیس و کد نویسی در سامانه گوگل ارث انجین، به بررسی شاخص‌های، TDI، AOD-Sum، AOD-Max و AOD در بازه زمانی 2018-2023 پرداخته شد. به‌منظور تحلیل مسیر انتقال آلاینده‌های گردوغبار و شناسایی منابع انتشار آن‌ها، مدل HYSPLIT به‌کار گرفته شده و با استفاده از تکنیک‌های مدل‌سازی مسیر ذرات، توزیع فرکانس مسیرهای بسته هوایی مورد بررسی قرار گرفت، برای درک بهتر توزیع گردوغبار و مسیر انتقال گردوغبار از تصاویر واقعی مودیس استفاده شد. برای بررسی مسیر گردوغبار از دو ایستگاه زابل و زاهدان برای سه تاریخ مربوط به سال‌های 2023 و 2024 با شاخص AQI، 500 استفاده شد. که مدل HYSPLIT به صورت عقبگرد 24 ساعته برای زابل و 48 ساعته برای زاهدان استفاده گردید.

نتایج و بحث: نتایج تحلیل شاخص TDI نشان داد که مناطق زابل، ایرانشهر، خاش و چابهار در استان سیستان و بلوچستان به دلیل خاک‌های خشک و سست، منابع اصلی گردوغبار داخلی هستند. شاخص TDI از 0055/0 در سال‌های ۲۰۱۸ و ۲۰۱۹ به 0058/0 در سال ۲۰۲۱ افزایش یافت و در سال‌های ۲۰۲۲ و ۲۰۲۳ به‌ترتیب 0056/0 و 0057/0 بود و دارای آستانه حداقلی 018/0- بوده است. شاخص AOD-Max نشان می‌دهد که مناطق شرقی، جنوبی، شمال‌شرقی و جنوب‌غربی استان، به‌ویژه در برخی سال‌ها مناطق مرکزی، بیشترین آلودگی گردوغبار را تجربه کرده‌است. مناطق مرزی، خصوصاً نواحی هم‌مرز با افغانستان و پاکستان، در تمامی سال‌ها بیشترین میزان آلودگی را داشته‌است. سال‌های 2018 و 2022 بالاترین مقادیر AOD-Max را نشان می‌دهند، به‌طوری‌که مقدار آن در سال 2022 نسبت به سال‌های قبل 3/0 واحد افزایش یافته و به 5/3 رسیده که در دسته‌بندی آلودگی هوا، خطرناک محسوب می‌شود. این مقدار در 2023 به 1/3 کاهش یافته اما همچنان در وضعیت بسیار خطرناک قرار دارد. تحلیل شاخص AOD-Sum نشان می‌دهد که مناطق شرقی، شمال‌شرقی و جنوب استان در طول سال بیشترین شدت آلودگی را داشته‌است. مناطق شرقی و شمال‌شرقی بیش از 100 روز و مناطق جنوبی بیش از 120 روز درگیر گردوغبار می‌باشد. بیشترین تعداد روزهای آلودگی در سال‌های 2018، 2020 و 2022 مشاهده شده است، اما میانگین این شاخص در 2023 نسبت به 2022 به میزان 9/0 واحد کاهش یافته و به 9/1 رسیده که همچنان در محدوده خطرناک قرار دارد. نتایج بررسی شاخص‌های AOD نشان می‌دهد که بیشترین آلودگی در مناطق مرزی استان متمرکز است، همچنین هم‌پوشانی بالای مقادیر TDI با شاخص AOD، اعتبار این نتایج را تقویت کرده و نشان می‌دهد TDI ابزار مؤثری در شناسایی، پایش و مدیریت مناطق پرخطر گردوغبار محسوب می‌شود. تحلیل مسیرهای جوی با مدل HYSPLIT نشان می‌دهد که ساعات پیش از وقوع گردوغبار در زابل و زاهدان، مسیرهای جوی عمدتاً از مرزهای ترکمنستان و افغانستان عبور کرده و به زابل و زاهدان می‌رسد. مدل‌سازی مسیرهای عقبگرد نشان می‌دهد که طوفان‌های گردوغبار از بیابان‌های ترکمنستان و افغانستان منشأ گرفته و طی 24 ساعت به زابل و طی 48 ساعت به زاهدان می‌رسد. بررسی تغییرات ارتفاعی جریان‌های جوی نشان می‌دهد که این مسیرها در مرز ترکمنستان و افغانستان در ارتفاع بالای 1500 متر شکل گرفته و پس از عبور از بیابان‌های افغانستان، به کمتر از 500 متر کاهش یافته و موجب ایجاد گردوغبار در استان می‌شود. تصاویر رنگ واقعی مودیس نیز بیانگر گسترش آلودگی از بیابان‌های افغانستان و شرق ایران تا مرزهای پاکستان است.

نتیجه‌گیری: نتایج نشان می‌دهد که مناطق شرقی و مرزی استان سیستان و بلوچستان بیشترین تأثیرپذیری را از طوفان‌های گردوغبار داشته‌است. این طوفان‌ها که عمدتاً از بیابان‌های مجاور کشورهای افغانستان، ترکمنستان و پاکستان منشأ می‌گیرد و به استان سیستان و بلوچستان نفوذ کرده و موجب تشدید آلودگی هوا می‌شود. با توجه به شدت آلودگی گردوغبار در مناطق شرقی و مرزی، ایجاد پوشش‌های گیاهی مقاوم در برابر خشکی، مدیریت بهینه منابع آبی برای جلوگیری از بیابان‌زایی، و توسعه ایستگاه‌های پایش آلودگی هوا می‌تواند در کنترل این بحران مؤثر باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Monitoring and analysis of dust storm trajectories in Sistan and Baluchestan Province using MODIS satellite products and the HYSPLIT model

نویسندگان [English]

  • alireza yousefi kebriya 1
  • Ali Khalili 2
  • Hasan Rezaei 3
1 Ph.D. Candidate of Agricultural Meteorology, Department of Water Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural sciences and Natural Resources University, sari, iran
2 Assistant Professor, Department of Computer and Cybersecurity, Faculty of Engineering and Aviation, Imam Ali (AS) Military University, Tehran, Iran
3 Ph.D, of Department of Geography, Climatology, Faculty of Basic Sciences, Imam Ali (AS) Military University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Background and Objective: One of the environmental challenges in arid and semi-arid regions is dust pollution, which can lead to serious health problems, including respiratory diseases, reduced visibility, and disruptions in transportation. Additionally, dust storms have significant negative impacts on water resources and agriculture. Sistan and Baluchestan province is one of the areas that experiences high dust pollution levels annually, with many periods throughout the year showing elevated dust pollution levels.

Materials and Methods: This study utilizes MODIS satellite data and coding in Google Earth Engine to analyze the TDI, AOD-Sum, AOD-Max, and AOD indices from 2018 to 2023. The HYSPLIT model was employed to analyze the transport pathways of dust pollutants and identify their sources. Using particle trajectory modeling techniques, the frequency distribution of closed air paths was examined. To gain a better understanding of dust distribution and transport, true-color MODIS images were also used. For dust trajectory analysis, data from the Zabol and Zahedan stations for three dates in 2023 and 2024, with an AQI index of 500, were employed. The HYSPLIT model was applied in a backward mode with 24-hour trajectories for Zabol and 48-hour trajectories for Zahedan.

Results and Discussion: The analysis of the Thermal Dust Index (TDI) from 2018 to 2023 revealed that areas such as Zabol, Iranshahr, Khash, and Chabahar, due to their dry and loose soils, are the primary internal sources of dust in the province. The TDI increased from 0.0055 in 2018 and 2019 to 0.0058 in 2021, while in 2022 and 2023 it reached 0.0056 and 0.0057, respectively, with a minimum threshold of 0.018. The analysis of the AOD-Max index indicates that the eastern, southern, northeastern, southwestern, and, in some years, the central regions of the province experience the highest levels of dust pollution. Border regions, especially those bordering Afghanistan and Pakistan, have consistently exhibited the highest levels of dust pollution throughout the years. The years 2018 and 2022 recorded the highest values of AOD-Max, with a 0.3-unit increase in 2022 compared to previous years, reaching a value of 3.5, which falls into the "hazardous" category in air pollution classification. This value decreased to 3.1 in 2023 but remained in a "very hazardous" state. The AOD-Sum index analysis shows that the eastern, northeastern, and southern regions of Sistan and Baluchestan experience the highest intensity of dust pollution throughout the year. Particularly, the eastern and northeastern areas face dust pollution for more than 100 days a year, while the southern areas experience it for over 120 days. The highest number of pollution days were observed in 2018, 2020, and 2022. However, the average index value for 2023 decreased by 0.9 compared to 2022, with an average of 1.9, still within the hazardous range. The analysis of AOD indices reveals that the highest pollution is concentrated in the border regions of the province. Moreover, the strong spatial correlation between TDI and AOD values reinforces the validity of these findings and demonstrates that TDI serves as an effective tool for identifying, monitoring, and managing high-risk dust-prone areas. Backward trajectory modeling with the HYSPLIT model shows that, shortly before dust storms occur in Zabol and Zahedan, the air paths predominantly pass through the borders of Turkmenistan and Afghanistan, reaching Zabol and Zahedan. The backward trajectory modeling shows that dust storms originate from the deserts of Turkmenistan and Afghanistan and reach Zabol within 24 hours and Zahedan within 48 hours. The altitude changes of the dust transport pathways indicate that most of the airflows occur at elevations above 1500 meters along the Turkmenistan-Afghanistan border. After passing through the deserts of Afghanistan, the airflow reduces to below 500 meters, causing dust pollution in the province. The true-color MODIS images also clearly show the expansion of pollution from the deserts of Afghanistan and eastern Iran to the borders of Pakistan.

Conclusion: The results show that the eastern and border regions of Sistan and Baluchestan province are most affected by dust storms. These storms, primarily originating from the deserts of neighboring countries Afghanistan, Turkmenistan, and Pakistan—enter the province and exacerbate air pollution. Given the severity of dust pollution in these areas, it is recommended to establish drought-resistant vegetation cover,

کلیدواژه‌ها [English]

  • dust storms
  • TDI index
  • AOD index
  • MODIS satellite
  • HYSPLIT model