مطالعه و ارزیابی طرحواره‌های گسیل گرد و خاک در مدل WRF-Chem توفان شرق و جنوب‌شرق کشور (مطالعه موردی 11 تا 13 آگوست 2018)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم زمین، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

2 استاد دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات

3 پژوهشگاه هواشناسی و علوم جوّ، گروه آلودگی هوا و شیمی جوّ

4 دانشیار و عضو هیات علمی پژوهشگاه هواشناسی ,و علوم جو

چکیده

درشرق و جنوب‌شرق ایران وقوع پدیده گردوخاک هرساله موجب بروز خسارات شدید مالی، جانی و زیست محیطی فراوانی می‌شود که پیش‌بینی دقیق آن به‌منظور ارائه هشدارهای لازم می‌تواند خسارات وارده را تا حد امکان کاهش دهد. گزارش کد هوای حاضر 07، 30، 31 و 32 در ایستگاه‌های همدیدی جنوب‌شرق ایران از جمله زابل، زاهدان، نهبندان و ایرانشهر بیانگر وقوع توفان است و دید افقی منطقه در مدت زمان وقوع توفان به کمتر از 1000 متر رسید. در این پژوهش با استفاده از داده‌های بازتحلیل (ERA5)، برای توفان گردوخاک (11تا 13 آگوست 2018) تحلیل همدیدی و با استفاده از مدل WRF-Chem، و طرحواره‌های مختلف گسیل، شبیه‌سازی انجام شده است. تحلیل الگوی جوی نشان می‌دهد، در مدت زمان وقوع توفان (حاکمیت بادهای 120 روزه)، با استقرار پرفشار حوالی دریای خزر و ترکمنستان و از سوی دیگر تقویت کم‌فشار فصلی حرارتی بر روی جنوب‌شرق ایران، هند و پاکستان و نفوذ هوای خنک از شمال و سپس گرادیان­های شدید دمایی و فشاری منجر به وزش بادهای شدید می‌شوند. شبیه‌سازی توفان نشان داد اجرای مدل،آغازگردوخاکاز جنوب‌شرق و گسیل آن به مناطق شرق رابهخوبیمشخص کرد. نتایج نشان می‌دهند طرحواره‌های گسیل  AFWAوGOCART  در شبیه‌سازی گسیل گرد و خاک، سازگاری بیشتری با مشاهدات (تصاویر RGB) دارند؛ اما طرحواره‌های SHAO، خطای قابل‌ملاحظه‌ای دارند. طرحواره AFWA، غلظت را بیشتر از مشاهدات شبیه‌سازی کرد اما روند تغییرات آن تطابق قابل‌قبولی دارد. طرحواره GOCART، از نظر کمیّت، به مشاهدات نزدیک است اما مقادیر پیش‌بینی شده توسط مدل عموما کمتر از مقادیر دیدبانی می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Study and evaluation of dust emission scheme in WRF-Chem model of duststorm in the east and southeast of the Iran (Case study 11 to 13 August 2018)

نویسندگان [English]

  • Mohammad Asghari 1
  • Amirhossein Meshkatee 2
  • Abbas Ranjbar 3
  • Mohammad Moradi 4
1 Department of Earth Sciences, Islamic Azad University, Science and Research Branch, Tehran, Iran
2 Professor of Islamic Azad University, Science and Research Branch
3 ASMERC
4 Associate Prof. of Atmospheric Science and Meteorological Research (ASMERC), Tehran
چکیده [English]

Since dust phenomenon has become one of the major problems in many parts of the world, a large number of models have been developed in order to predict the concentration of dust particles in the atmosphere. In the east and southeast of Iran, the occurrence of dust phenomenon causes severe financial, human and environmental losses every year. Therefore, accurate forecasting in order to provide the necessary warnings can reduce the damage as much as possible. From 11 to 13 August 2018 the report of the current weather code 07, 30, 31 and 32 in the synoptic stations of southeastern Iran, including Zabol, Zahedan, Nehbandan and Iranshahr, indicates the occurrence of storms and the horizontal visibility of the region during the storm occurred less than 1000 meters. In this study, ERA5 (ECMWF) reanalysis data set was used to obtain the required fields including sea level pressure, geopotential height, temperature and relative vorticity at 500 hPa, and geopotential height and temperature at the 850 hPa level. The vertical cross section of the wind speed from the ground level to the level of 400 hPa along with the vertical velocity are also plotted and analyzed for latitude 31 degrees north and longitude 53 to 63° E. Moreover, weather research and forecasting model coupled with chemistry (WRF-Chem) with three emission schemes, GOCART, AFWA and SHAO1,SHAO2,SHAO3, were used to simulate the dust load and amount of particulate matter (PM10) and its transportation over the studied region. The initial and lateral boundary conditions of the model simulations are provided by Global Forecast System (GFS) data with the horizontal resolution of 0.5°. Atmospheric pattern analysis shows that during the storm (120-day winds in warm season), with high pressure around the Caspian Sea and Turkmenistan and on the other hand intensified seasonal thermal low pressure on the southeast of Iran, India and Pakistan and cool air advection from the north and then strong gradients of temperature and pressure lead to strong winds. Storm simulations showed that the implementation of the model clearly showed the beginning of dust from the southeast and its emission to the east. In general, the output of the model in terms of scale and temporal variations gave a reasonable estimate of dust particles in the study area. The AFWA and GOCART emission schemes of the WRF-Chem model simulate very similar the emission source and dust storm concentration changes of 11 to 13 August 2018. However, the simulation results of SHAO schemas, especially SHAO1 and SHAO2, are completely different and have a significant error. Quantitative comparison of the model output for different emission schemas with the observational data of Zabol station shows that the AFWA scheme simulated the dust concentration more than the observations, but the trend of its changes is acceptable. The dust concentration predicted by the GOCART scheme is lower in quantity than observed. Simulation of hurricane dust particles in eastern Iran, Zabol region, Zahedan and southern regions of Kerman and Sistan and Baluchestan province (Kahnooj, Regan, Nikshahr and Qasrgand), Zahedan, Zabol (consecutive report weather code 07 of these stations) and east part of Hormozgan porivence (Jask and Minab) as the main source dust of the region. In terms of compliance at the time of the occurrence of severe dust, it has an acceptable compliance with the PM10 data of Zabol station. The simulated concentrations showed good validity of the temporal and spatial distribution of dust concentrations with respect to satellite RGB images and observation data. Synoptic analysis in the warm season indicates the presence and intensification of seasonal thermal low pressure in Pakistan, Afghanistan and east and southeast of Iran and on the other hand high pressure in Turkmenistan in the north of the Caspian Sea and in the cold season of Siberian high pressure and dynamic low pressure in eastern and southeastern part of Iran. The activity of low-level jets (severe northern currents) near Zabol region and alternating vertical motion are other effective factors in the instability of the region and the occurrence of dust storms and have provided favorable conditions for dust formation. The dry bed of Lake Hamoon, the low rainfall of recent decades, is also a very important factor in the occurrence of dust in east and southeast of Iran.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dust Storm
  • emission scheme
  • WRF-Chem
  • Simulation
  • Zabol
 
حمیدیان پور, م.، مفیدی, ع.، سلیقه، م.، 1395، تحلیل ماهیت و ساختار باد سیستان. مجله ژئوفیزیک ایران، 10(2)، 83-109.
خسروسرشکی، ل.، ایران‌نژاد، پ.، علی‌اکبری بیدختی، ع.، 1392، مقایسه طرحواره‌های گسیل گرد و خاک در برآورد شار قائم آن در نواحی چشمه‌ای ایران، فیزیک زمین و فضا، دوره 40، شماره 1، 201-216.
رضازاده، م.، ایران نژاد، پ.، و شائو، ی.، 1392شبیه سازی گسیل غبار با مدل پیش‌بینی عددی وضع هوا WRF-Chem و با استفاده از داده‌های جدید سطح در منطقه خاورمیانه: مجله فیزیک زمین و فضا: 39(11) ، 191-212.
رنجبرسعادت‌آبادی، ع.، میهن‌پرست، م.، نوری، ف.، 1395، بررسی پدیده گرد و غبار در غرب ایران ازدیدگاه هواشناختی(مطالعه بلندمدت وکوتاه‌مدت(، مجله علمی وترویجی نیوار، شماره 92-93، 53-66.
علیجانی، ب.، و رئیس‌پور، ک.، 1390، تحلیل آماری، همدیدی طوفان‌های گرد و خاک در جنوب شرق ایران، مطالعه موردی: منطقه‌ سیستان: مطالعات جغرافیایی مناطق خشک، 7(5)، 132-107.
کارگر، ا.، بداق‌جمالی، ج.، رنجبرسعادت‌آبادی، ع.، معین‌الدینی، م.، گشتاسب، ح.، 1395، شبیه‌سازی عددی توفان ماسه و ریز گرد شدید شرق ایران با استفاده از مدل WRF-Chem (مطالعه موردی: 31 می و 1 ژوئن 2011)، محیط زیست طبیعی، منابع طبیعی ایران، دوره 69، شماره 4، تابستان 1395، 1077-1089.
کرمی، س.، حسین حمزه، ن.، رنجبرسعادت‌آبادی، ع.، موسوی، م.، 1397، بررسی همدیدی و شبیه‌سازی توفان خاک استان خوزستان در بهمن ماه سال 1395، نشریه هواشناسی و علوم جو، جلد 1، شماره 2، تابستان 1397، 177-189.
Alizadeh Choobari, O., Zawar-Reza, P., and Sturman, A., 2014, Mesoscale modelling of the “wind of 120 days” and associated mineral dust distribution over eastern Iran using WRF/Chem: Atmos. Res., 143, 328–341.
Bagnold, R. A.: The physics of blown sand and desert dunes, Chap-mann and Hall, Methuen, London, 265 pp., 1941.
Black, T.L., 1994. The new NMC mesoscale Eta model: Description and forecast     examples.  Weather and Forecasting, 9(2), 265–278.
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).
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).
Chou, M. D., and Suarez, M. J., 1994. An efficient thermal infrared radiation parameterization for use in general circulation models. NASA Tech. Memo, 104606(3), p. 85.
Ginoux, P., Chin, M., Tegen, I., Prospero, J.M., Holben, B., Dubovik, O., Lin, S.J., 2001. Sources and distributions of dust aerosols simulated with the GOCART model. J. Geophys. Res. 106 (D17), 20255–20273.
Colarco, P., da Silva, A., Chin, M. and Diehl, T., 2009, Online simulations of global aerosol distributions in the NASA GEOS-4 model and comparisons to satellite and ground-based aerosol optical depth. J. Geophys. Res., 115, D14207, doi: 10.1029/2009JD012820.
Grell, G. A., Peckham, S. E., Schmitz, R., Mckeen, S.A., Frast, G., Skamarock, W. C. and Eder, B., 2005. Fully coupled "online" chemistry within the WRF model. Atmospheric Environment, 39(37), pp.6957-6975.
Grell, G. Freitas, S. R., Stuefer, M., and Fast, J., 2011. Inclusion of biomass burning in WRF-Chem: impact of wildfires on weather forecasts. Atmospheric Chemistry & Physics, 11(11).
Guelle, W., Balkanski, Y. J., Schulz, M., Marticorena, B., Bergametti, G., Moulin, C., Arimoto, R. and Perry, K. D., 2000. Modeling the atmospheric distribution of mineral aerosol: Comparison with ground measurements and satellite observations for yearly and synoptic timescales over the North Atlantic. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 105(D2), 1997–2012.
Hamidi, M., Kavianpour, M. R. & Shao, Y. Synoptic analysis of dust storms in the Middle East. Asia-Pacific J Atmos Sci 49, 279–286 (2013). https://doi.org/10.1007/s13143-013-0027-9.
Hong, S-Y., and J-O. J.Lim, 2006: The WRF single-moment microphysics scheme (WSM6).J. Korean Meteor. Soc., 42, 129–151.
Kawamura, R. (1951), Study on sand movement by wind, Rep. Inst. Sci. Technol. Univ. Tokyo, 5(3), 95– 112.
Kok, J. F., Parteli, E. J., Michaels, T. I., and Karam, D. B.: The physics of wind-blown sand and dust, Rep. Prog. Phys., 75,106901, https://doi.org/10.1088/0034-4885/75/10/106901, 2012.
LeGrand, S. L., Polashenski, C., Letcher, T. W., Creighton, G. A., Peckham, S. E., and Cetola, J. D.: The AFWA dust emission scheme for the GOCART aerosol model in WRF-Chem v3.8.1, Geosci. Model Dev., 12, 131–166, https://doi.org/10.5194/gmd-12-131-2019, 2019.
Leslie, L. M. and Wightwick, G. R., 1995. A new limited-area numerical weather prediction model for operations and research: Formulation and assessment. Mon. Weather Rev, 123, 1759–1775.
Liu, M., Westphal, D. L., Wang, S., Shimizu, A., Sugimoto, N., Zhou, J. and Chen, Y., 2003. A high-resolution numerical study of the Asian dust storms of April 2001: Characterization of Asian aerosols and their radiative impacts on climate. Journal of Geophysical Research, 108(D23), ACE21-1.
Liu, M. and Westphal, D. L., 2001. A study of the sensitivity of simulated mineral dust production to model resolution. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 106(D16), 18099–18112.
Lu, H. and Shao, Y.: A new model for dust emission by salta- tion bombardment, J. Geophys. Res.-Atmos., 104, 16827–16842, https://doi.org/10.1029/1999JD900169, 1999.
Marticorena, B., and Bergametti, G., 1995, Modeling the atmospheric dust cycle: 1. Design of a soil-derived dust emission scheme: Journal of Geophysical Research, 100, 16415–16430, doi: 10.1029/95JD00690.
Mesinger, F., 2000. Numerical methods: The Arakawa approach, horizontal grid, global, and limited-area modeling. International Geophysics, 70, 373–419.
Mlawer, E. J., Taubman, S. J., Brown, P. D., Iacono, M. J., and Clough, S. A., 1997. Radiative transfer for inhomogeneous atmospheres: RRTM, a validated correlated-k model for the longwave. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 102(D14), 16663-16682.
Morcrette, J. J., Boucher, O., Jones, L., Salmond, D., Bechtold, P., Beljaars, A., Benedetti, A., Bonet, A., Kaiser, J. W., Razinger, M. and Schulz, M., 2009. Aerosol analysis and forecast in the European Centre for Medium‐range Weather Forecasts integrated forecast system: Forward modeling. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 114(D6).
Morcrette, J. J., Beljaars, A., Benedetti, A., Jones, L. and Boucher, O., 2008. Sea‐salt and dust aerosols in the ECMWF IFS model. Geophysical Research Letters, 35(24).
Nickovic, S., Kallos, G., Papadopoulos, A., and Kakaliagou, O., 2001, A model for prediction of desert dust cycle in the atmosphere. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 106(D16), 18113–18129.
Noh, Y., Cheon, W.G., Hong, S.Y. et al. 2003. Improvement of the K-profile model for the planetary boundary later based on Large Eddy Simulation Data. Boundary-Layer Meteorology (2003) 107: 401. https://doi.org/10.1023/A:1022146015946.
Prospero, J.M., Ginoux, P., Torres, O., Nicholson, S.E., 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 (1), 1002. http://dx.doi.org/ 10.1029/2000RG000095.
Schubert, S. D., Rood, R. B. and Pfaendtner, J., 1993. An assimilated dataset for earth science applications. Bulletin of the American meteorological Society, 74(12), 2331–2342.
Schulz, M., 2007. Constraining model estimates of the aerosol radiative forcing. Université Pierre et Marie Curie, Paris VI, Paris.
Shao, Y., 2008. Physics and Modelling of Wind Erosion. Springer Science, New York.
Shao, Y., Leys, J. F., McTainsh, G. H. and Tews, K., 2007. Numerical simulation of the October 2002 dust event in Australia. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 112(D8).
Shao, Y., Dong, C.H., 2006. A review on East Asian dust storm climate, modelling and monitoring. Glob. Planet. Chang. 52 (1), 1–22.
Shao, Y., Raupach, M. R. and Findlater, P. A., 1993. Effect of saltation bombardment on the entrainment of dust by wind. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 98(D7), 12719–12726.
Tegen, I. and Fung, I.: Modeling of mineral dust in the atmosphere: Sources, transport, and optical thickness, J. Geophys. Res. - Atmos., 99, 22897–22914, https://doi.org/10.1029/94JD01928,1994.
Westphal, D.L., Toon, O.B. and Carlson, T.N., 1988. A case study of mobilization and transport of Saharan dust. Journal of the Atmospheric Sciences, 45(15), 2145-2175.
Westphal, D.L., Toon, O.B. and Carlson, T.N., 1987. A two‐dimensional numerical investigation of the dynamics and microphysics of Saharan dust storms. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 92(D3), 3027-3049.
Woodward, S., 2011. Mineral dust in HadGEM2, Tech. Note 87, Hadley Cent., Met Office, Exeter, UK.
Woodward, S., 2001. Modeling the atmospheric life cycle and radiative impact of mineral dust in the Hadley Centre climate model. Journal of Geophysical Research, 106(D16), 18155–18166.
Zakey, S., Solmon,F., and Giorgi,F., 2006, Implementation and testing of a desert dust module in a regional climate model, Atmos. Chem. Phys., 6, 4687–4704.