مدل سازی ترمودینامیکی و واکاوی همدید آلودگی هوای شهر تهران (ذرات معلق PM10)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار اقلیم شناسی، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران

2 دانش آموخته کارشناسی ارشد اقلیم‌شناسی از دانشگاه تهران

چکیده

شرایط اقلیمی از جمله وارونگی‌های دمایی و استقرار سامانه‌های پر فشار همراه با هوای پایدار به‌ویژه در دوره سرد سال، و همچنین بادهای محلی و همدید مقیاس باعث افزایش تراکم و حجم آلاینده‌های هوا در لایه‌های مجاور سطح زمین می‌شوند. هدف مطالعه واکاوی علل هواشناختی تشدید آلودگی هوای تهران با مطالعه اثر الگوهای همدید غالب جو مبتنی بر مدل سازی اقلیمی است. با شناسایی سامانه‌های تاثیرگذار بر شهر تهران و بررسی نقشه‌های همدید نشان داد که استقرار الگوهای واچرخندی روی شهر بیش از دیگر سامانه‌های جو در تشدید آلودگی هوای تهران مؤثر هستند، بطوریکه علاوه بر ایجاد پایداری و هوای آرام، از عوامل مهم رخداد پدیده وارونگی دمایی هستند. در ضمن در دوره سرد سال کاهش ضخامت لایه آمیخته ناشی از انقباض و برودت هوا بطور غالب در شرایط حاکمیت شرایط پرفشار رخ می‌دهد. برای محاسبه عمق لایه وارونگی از نمودار ترمودینامیکی (SKEW-T) داده‌های جو بالای ایستگاه مهرآباد استفاده گردید. سپس با استفاده از مدل میان مقیاس آلودگی هوا (TAPM) به واکاوی عددی پراکنش مکانی و زمانی آلودگی براساس سرعت و جهت باد، امگا و نیمرخ‌های قائم عناصر جوی حاصل از مدل پرداخته شد. نتایج بدست آمده از واکاوی خروجی‌های مدل نشان داد که سرعت و جهت باد در موقعیت مکانی تهران، مهمترین عامل اقلیمی تاثیرگذار در پراکنش آلودگی هوا است. به طوری‌که با کاهش و یا افزایش سرعت باد و تغییر جهت آن شرایط آلودگی به شدت تغییر می‌کند. بادهایی که به جز باد غالب غربی در ایستگاه مهرآباد در مناطق و ایستگاه‌های دیگر تهران عموما تحت تاثیر عوامل محلی دارای بادهای با شدت پایین و جهات متفاوت است. بنابراین بادهای داخل شهری هم قدرت کافی برای تهویه هوای شهر ندارند و در نتیجه تنها در جابجایی مکانی هسته‌های آلودگی در طول شبانه‌روز نقش دارند.

 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Synoptic Analysis and Thermodynamic Modeling for Air Pollution of PM10 in Tehran

نویسندگان [English]

  • A. A Shamsipour 1
  • Z Hosseinpour 2
  • F Najibzadeh 2
چکیده [English]

Introduction

Stable Climatic conditions such as thermal inversions and high-pressure systems  established in stable weather, particularly in cold periods of a year increase the density and air pollutants mass in the layers adjacent to the ground surface. Spatial and synoptic scale winds are effective on the pollution aggregation as well. Tehran is considered as one of the most polluted cities in the world and on average one day out of each 3 days, is polluted by one or several main pollutants during the year. Air stability in both autumn and winter seasons; provide favorable conditions for thermal inversion and thus leading to pollution aggregation in the ground surface layer and breathing layer of people. The objective of this study is to analyze climatic causes of air pollution and its intensity in Tehran through studying the effects of synoptic scale atmospheric systems based on climate modeling.

 

Materials and Methods

At First, the synoptic systems affecting Tehran were identified. Surveying the synoptic charts we looked for establishment of anti-cyclonic events in the city more than other atmospheric systems, that are effective on air pollution intensification.  In addition to establishment of stability and still air, the anti-syclonic events are important factors for creation of thermal inversions. Furthermore, during the cold season, mainly in high-pressure conditions thickness of mixed layer reduces due to air contraction and coldness. To detect the inversions, thermodynamic diagrams (SKEW-T) produced from upper air data of Mehrabad Station were used. At the next stage, using the TAPM numerical air pollution model, () spatial and temporal distribution of polluted episods were analyzed based on the model outputs for surface wind speed and direction, and vertical profile of atmospheric elements.

 

Results

The air quality is controlled by variations of temperature and wind elements and the air pollution sources. Both of the weather elements may be considered as the most effective climactic factor affecting the temporal and spatial distribution of Tehran air pollution, so that the horizontal and vertical variations create different phenomena such as horizontal and ascending flows. Out of 4 identified types of atmospheric systems that affect air pollution intensity, two have the maximum frequency and effect on spatial and temporal distribution of the polluters, namely northwest anticyclone and Siberian high-pressure. Between the two elements, the northwest anticyclone is more effective on the spatial distribution and the Siberian high-pressure is more effective for the temporal continuity of air pollution episods.

 

Conclusion

Indeed, in this study by comparing synoptic and modeling analysis methods, it was concluded that the results for the descriptive analysis of the systems are justifiable for numerical analysis of overall air pollution in the city and climatic synoptic analysis is an appropriate method. In order to examine air pollution intensity locally in a district or city, modeling facilities are important because status of elements affecting air pollution such as wind as an important and effective climatic factor on urban polluter, can be analyzed and investigated in detail.

 

 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Air pollution
  • climatic modeling
  • Inversion
  • Tehran

مقدمه

    عوامل اقلیمی از جمله عواملی هستند که با کنترل جریان‌های قائم و افقی هوا و انتقال توده‌های هوایی با ویژگی­های ترمودینامیکی مختلف وضعیت آلودگی را در طول زمان تعدیل یا تشدید می‌کنند. وضعیت جوی هر روز متأثر از شرایط همدید حاکم بر منطقه و یا بعبارتی ناشی از آرایش سامانه‌های جوی نسبت به یکدیگر و ویژگی دینامیکی و ترمودینامیکی حاکم بر آنها است. الگوی همدید جو در برخی زمان­ها به گونه‌ای است که شرایط پایداری و آرامش را در جو حاکم ساخته و در نتیجه به دلیل تراکم عناصر آلاینده در لایه‌های زیرین و نبود جریان‌های جوی و یا ضعیف بودن آنها شدت آلودگی افزایش یافته و یا الگوی همدید حاکم به گونه‌ای است که جو را ناپایدار ساخته و به دلیل شدت یافتن جریان‌های قائم و افقی، عناصر آلاینده در جو پخش شده و غلظت آن کاهش می‌یابد (لشکری، 1385). شهر تهران یکی از آلوده‌ترین شهرهای جهان به شمار می‌رود که به طور متوسط سالانه از هر سه روز یک روز با یک یا چند نوع از آلاینده‌های اصلی آلوده است. پایداری هوا در دو فصل پاییز و زمستان باعث پیدایش شرایط لازم جهت رخداد پدیده وارونگی دمایی و تراکم آلودگی در سطح زمین و هم‌تراز تنفسی مردم می­شود (مرکز مطالعات و برنامه‌ریزی شهر تهران، 1389). از جمله آنها ذرات معلق کوچک­تر از 10 میکرون یکی از 5 آلاینده­ی اصلی هوای شهرهای بزرگ بویژه تهران است که عموماً از خودروها منتشر می‌گردند (اجتهادی، 1386). ذرات معلق بدلیل فراگیری و نیز منابع مختلف تامین کننده آن مورد توجه پژوهشگران با دیدگاه‌های پژوهشی و زمینه‌های کاربردی مختلف قرار دارد. بطوریکه اندرسون و همکاران (Anderson et al, 2004)، با مطالعه منابع مختلف ذرات معلق در مناطق شهری و حومه شهری، زواررضا و همکاران (2005)، با تحلیل انتشار سالانه PM10 با استفاده از مدل متوسط مقیاس آلودگی هوا برای شهر کرایست‌چرچ در ارتباط با ارزیابی ظهور بیماری­های مزمن، چالولاکو و همکاران (2003Chaloukou et al, ) با بررسی تغییرات فضایی و زمانی حجم PM10 در منطقه گریتر شهر آتن، گلین و همکاران (2005Galen et al, ) با واکاوی آلودگی هوا، اثر پدیده­های هواشناسی همچون پایداری و ناپایداری جوی را در تمرکز روزانه PM2.5 و PM10 در شهری از مکزیک، جان جی کائو (2009Junjicao, )، با بررسی تغییرات فصلی و منابع تولید PM10 در هانگ ژئوی چین، کارار و گاپتا (2006 Kara and Gupta, )، ارتباط بین بارش موسمی و PM10 را در شهرهای هند، کانگ و همکاران (2010)، با مدل سازی ,PM2.5 PM10 و TSP و تحلیل بلند مدت اثر ترابری در سایت ساحلی تیانجین چین از جمله مطالعات مرتبط با ذرات معلق هستند. همچنین در ایران پژوهش گران مختلفی همانند شرعی­پور (1388) تغییرات فصلی و روزانه آلاینده‌های هوا (CO, NO2, PM10,O3,SO2) را در ارتباط با عناصر هواشناسی بررسی نمود. به این نتیجه رسید که دما و رطوبت دو عنصر مؤثر بر غلظت آلاینده‌ها هستند. بیدختی و شرعی­پور (1388) وضعیت آلودگی هوای تهران را در رابطه با شرایط هواشناختی جو بالا بررسی کرده و به این نتیجه دست یافتند که آلودگی‌های شدید با افزایش فشار سطحی، شرایط سکون در جو و کاهش سرعت باد و افزایش نسبی دمای جو، همراه است. شمسی‌پور و امینی (1389)، وضعیت آلودگی شهر کرمانشاه را در رابطه با عناصر جوی و محیطی در دو مقیاس فصلی و روزانه برای آلاینده­های گازی و ذرات معلق مورد بررسی قرار دادند. در رابطه با تهران مطالعات متعددی همچون موارد زیر انجام شده؛ لشکری و هدایت (1384) چهار الگوی همدید وقوع وارونگی­های دمایی را در شهر تهران مشخص نمودند که آلودگی‌های شدید هوا را بدنبال دارند. رنجبر سعادت­آبادی و همکاران (1384) در مطالعه موردی جزیره گرمایی تهران و شبیه سازی عددی آن نتیجه گرفتند که با توجه به نتایج مدل پیش­بینی و مقادیر دیده­بانی شده عناصر آب و هوایی و آلودگی، در صورت پیش­بینی میدان­های دما و باد، امکان پیش­بینی آلودگی هوای تهران می­تواند فراهم شود. عزیزی و قنبری (1388)، شبیه‌سازی عددی رفتار آلودگی هوای تهران را بر اساس الگوی باد با مدل متوسط مقیاس TAPM با لحاظ شرایط همدید و بدون حضور شرایط همدید انجام دادند. زوار رضا و همکاران (2010)، ارتباط بین تراکم ذرات معلق و الگوهای جوی را با مدل متوسط مقیاس TAPM برای شهر تهران انجام دادند. قسامی و بیدختی (1389) به مطالعه تغییرات گرادیان قائم دمای پتانسیل در لایه مرزی برای شرایط پایدار شبانه و ناپایدار روزانه در چند دوره بحرانی آلودگی هوای تهران پرداختند. آنها از گرادیان دمای پتانسیل به عنوان معیاری برای پایداری هوا استفاده کردند. که در آن تغییرات مقادیر بیشینه غلظت برخی آلاینده­های هوای تهران مانند NOX، SO2،CO با تغییرات گرادیان قائم دمای پتانسیل همبستگی خوبی نشان داد و دارای بیشترین مقدار خود بود.

این مطالعه مبتنی بر مدل سازی میان­مقیاس آلودگی هوا، تاثیر شرایط همدید جوی بر میزان پراکنش و حجم آلاینده PM10 در دو ایستگاه اقدسیه و بازار شهر تهران با تاکید بر مدلسازی عددی دوره سرد سال مورد توجه قرار می­دهد.

مواد و روش­ها

روش‌شناسی مطالعه در پژوهش حاضر مبتنی بر روش آماری، همدید و مدل سازی است. در بخش آماری از داده‌های آماری عناصر جوی ایستگاه‌های هواشناسی همدید تهران و داده‌های ذرات معلق PM10 اخذ شده از ایستگاه‌های سنجش کیفیت هوا استفاده شد. برای انتخاب نمونه‌های مورد نیاز در پژوهش از داده­های روزانه دمای ایستگاه­ مهرآباد تهران استفاده شد. هدف مطالعه بررسی شرایط همدید مقیاس جو مؤثر در افزایش یا کاهش آلاینده PM10 است، بنابراین ابتدا با بررسی نوسان­های دمایی روزانه هوا در طول سال 2003 تا 2006 داده‌های روزانه دمای هوای تهران به صورت سری زمانی مرتب گردیده و نمودار آنها ترسیم شد. در شکل (1) نمونه‌های انتخابی بر مبنای نقاط شکست ناشی از افزایش یا کاهش ناگهانی دما انتخاب گردیدند و جدول (1) وضعیت آلودگی را در روزهای انتخابی نشان می­دهد. علت این نحوه انتخاب این بود که کاهش و یا افزایش با شیب تند دما دلیلی بر ورود سامانه جدید و متفاوت به منطقه است. سپس داده‌های آلودگی ذرات معلق PM10 نمونه‌های انتخاب شده استخراج گردید. چون روزهای متوالی همراه با آلودگی مهم بود، داده‌های دو روز قبل و دو روز بعد برای هر نمونه در نظر گرفته شد.


 

 

جدول (1) نمونه‌های انتخاب شده به همراه مقادیر آلاینده به واحد (ug/m3)

سال 2003

15 ژانویه

18 ژانویه

19

فوریه

4

مارس

28

مارس

11 آوریل

18 آوریل

6

ژوئن

18

ژوئیه

27

ژوئیه

14 دسامبر

20

دسامبر

مقدار آلودگی

69.8

114.2

130.2

118.1

306.9

95.2

59.2

96.4

132.8

105.5

138.1

136.5

 

 

شکل (1) نمودار کمینه روزانه دمای سال 2003

 

 

برای تعیین الگوهای همدید مؤثر در تشدید شرایط آلود‌گی و تاثیر‌گذاری آنها در غلظت ذرات معلق از نقشه­های استخراج شده پایگاه داده­های بازپردازش شده جوی مرکز پژوهش‌های محیط ایالات متحده امریکا (NCEP) استفاده گردید. بطوریکه نقشه‌های ترازهای 700، 500 و سطح زمین برای عناصر دما، ارتفاع ژئوپتانسیل و فشار از تارنمای مذکور برای 12 نمونه استخراج گردید (جدول 3). سپس با مراجعه به نقشه‌ها، الگوهای غالب به روش چشمی از روی تکرار و فراوانی آنها برای دوره سرد سال 2003 بدست آمد. برای نمایش نهایی تیپ­های شناسایی شده از 12 نمونه، 4 روز به نمایندگی 3 الگوی منطبق بر روزهای با آلودگی شدید انتخاب شد (جدول 2). در نقشه­های جوی سطح زمین مولفه­های­ فشار­،­ دما­ و پیکان­های باد، و در نقشه­های جوی تراز 700 هکتوپاسکال متغیرهای ارتفاع ژئوپتانسیل، امگا و باد با استفاده از نرم‌افزار GrADS وانگاشت شد­.

 

 

جدول (2): نمونه‌های مدل‌سازی شده به همراه الگوی غالب

شماره

1

2

3

4

نمونه

4/3/2003

18/2/2003

19/2/2003

28/3/2003

الگوی همدید

پرفشار سیبری

واچرخند شمال غربی و پرفشار سیبری

واچرخند شمال غربی

 

 

از آنجایی‌که الگوی پراکنش و گسترش آلاینده­ها ناشی از الگوهای حرکتی و دینامیکی جو است، از مؤثرترین شرایط دینامیکی و ترمودینامیکی در تشدید آلودگی، پدیده وارونگی دمایی است که همراه با پایداری هوا از منشأهای مختلف رخ می­دهد. چون وارونگی‌های دمایی جزء پدیده­های غالب هوای تهران به شمار می‌آید، و نقش آن در افزایش میزان آلودگی‌ هوا قابل توجه است. برای نمایش نوع و ضخامت لایه وارونگی از داده‌های نیمرخ قائم جوی حاصل از ایستگاه جو بالای مهرآباد، و پایگاه داده­های جوی دانشگاه وایومینگ[1] استفاده گردید. داده­های جوی دانشگاه وایومینگ برای دو زمان صفر و 12 به زمان گرینویچ ثبت می­شود که مطابق با 5/3 و 5/15 به وقت تهران است. نمودار ترمودینامیکی (SKEW-T) برای 4 نمونه­ی انتخاب شده برای دو ساعت نامبرده ترسیم شد. در پایان برای واکاوی عددی الگوی همدید جوی در ابعاد افقی و قائم و  افزایش دقت و علت­یابی دقیق عوامل مؤثر در آلودگی از مدل سازی عددی متوسط مقیاس آلودگی هوا TAPM استفاده گردید. مدل TAPM غلظت آلودگی و هواشناسی را به صورت سه بعدی پیش‌بینی می‌کند (هورلی، 2008). این مدل توسط دانشمندان سازمان پژوهش صنعتی و علمی مشترک‌المنافع (CSIRO) در استرالیا گسترش یافت. مدل TAPM یک مدل جوی سه بعدی ساده (منابع محاسباتی کمی نیاز دارد) و سریع (حدودا 10 دقیقه‌ای) است (زوار رضا و همکاران، 2007). برد این مدل در حد منطقه‌ای و در حد متوسط مقیاس است. همان‌طور که از نام آن پیداست، بیشتر برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی عددی آلودگی هوا به کار برده می‌شود. محدوده مورد مطالعه در این مدل همان محدوده همدید به ابعاد هزار کیلومتر و ارتفاع هشت کیلومتر از جو است. مدل آلودگی هوا TAPM می‌تواند برای پیش‌بینی تراکم آلودگی برای دوره‌های بالا تا یک سال استفاده شود. داده‌های مورد نیاز برای این مدل شامل سه گروه است که عبارتند از: 1. داده های سطح زمین مثل توپوگرافی، پوشش گیاهی و آب و خاک 2. داده­های هواشناسی و سینوپتیکی مدل 3. داده‌های نوع سوم که بسته به هدف پژوهش از آن استفاده می­شود. تزریق داده‌ها و اطلاعات به آن بسیار ساده و راحت است. قدرت مانور این برنامه نیز بسیار بالاست می‌توان برخی عوارض را در آن حذف کرد مثلاً برای بررسی باد می‌توان شهر، کوه، پوشش گیاهی یا منبع آب را حذف و تاثیر هر یک را جداگانه مطالعه کرد. با توجه به توضیحات فوق در پژوهش پیش­رو از مدل متوسط مقیاس آلودگی هوا، TAPM، برای بررسی نتایج حاکمیت سامانه­های جوی مشخص شده در رابطه با عناصر هوا؛ سرعت و جهت وزش باد، نیمرخ دما و حرکت قائم باد و در رابطه با پراکنش ذرات معلق و در نهایت تعیین میزان نقش عوامل ناهمواری و نوع سطوح محلی در آلودگی استفاده شد. از مدل­­های روزانه انجام شده تنها دو ساعت منطبق با ساعت­های صفر و 12 گرینویچ یعنی ساعت­های 5/3 و 5/15 به وقت محلی برای انطباق با داده­های وایومینگ انتخاب شده و مورد واکاوی قرار گرفتند. خروجی مدل­ها برای موقعیت دو ایستگاه اقدسیه بعنوان نماینده مناطق شمالی و ایستگاه بازار بعنوان نماینده مناطق مرکزی و جنوب تهران مورد توجه قرار گرفتند. شرایط مرزی و اولیه تعریف شده برای مدل اقلیمی اجرا شده مختصات جغرافیایی محدوده مدل سازی شده دارای ’45 o35 عرض شمالی و ’30 o51 طول شرقی به موقعیت مرکز تهران سلول هایی با ابعاد 5KM در 5KM و شبکه 24 در 24 سلول تعریف گردید.

 

 

 

 

 

شکل شماره (3-5) پنجره اصلی مدل TAPM با تنظیمات صورت گرفته برای سطح شهر تهران

 

بحث و یافته­ها

با بررسی شرایط جوی همدید مقیاس 12 روز انتخاب شده، سامانه­های حاکم بر آنها با استفاده از نقشه­ها، استخراج و الگوهای همدید غالب به شرح جدول 3ـ بدست آمد. بر مبنای جدول سامانه­های پرفشار دارای بیشترین فراوانی همزمان با مقادیر بالای ذرات معلق PM10 را دارا هستند. و از بین آنها واچرخند شمال‌غربی با تعداد 6 روز بعنوان سامانه غالب منطقه در طول دوره مورد مطالعه تعیین گردید. دیگر انواع سامانه‌های همدید حاکم در شهر تهران جریان­های مداری، و پرفشار سیبری هستند.

جدول (3): الگوهای غالب تعیین شده

الگوی همدید غالب

تعداد

واچرخند شمال غربی

6

پرفشار سیبری

3

جریان­های مداری

2

سامانه بندالی

1

از چهار الگوی جوی مؤثر در تشدید شرایط آلودگی هوا، چهار نمونه موردی بر مبنای میزان ماندگاری زمانی انتخاب گردید. که شامل: تاریخ­های 4 مارس، 18 ژانویه و 19 فوریه که در تمام ساعات شبانه‌روز میزان آلودگی قابل‌توجه بوده، و  28 مارس است که از اوایل صبح تا ساعت­های میانی روز از شدت آلودگی هوا کاسته شده است. بنابر این در ادامه برای هر نمونه ابتدا وضعیت همدید جو همراه با نقشه سطح زمین تهیه گردید. نقشه‌های سطحی با هدف نشان دادن موقعیت مراکز فشاری و میزان اثر آنها در تعیین شرایط سرعت و جهت باد، توزیع افقی و تغییرات مکانی دما و اثر مجموع آنها بر تشدید یا کاهش میزان آلودگی هوا در حومه و محدوده شهر تهران تهیه گردید. سپس نقشه تراز 700 هکتوپاسکال برای تعیین ماهیت دینامیکی یا گرمایی سامانه­ها و نیز واکاوی فرارفت گرمایی یا سرمایی و تعیین حرکت فرازشی یا فرونشینی و واکاوی هر کدام بحث شد. نتیجه حاکمیت سامانه در ارتباط با شرایط عناصر جوی همچون نیمرخ قائم دما با ارائه شکل مربوط به نمودار Skew-T برای تعیین نرخ افتاهنگ هوا در ارتباط با نوع و ارتفاع پدیده وارونگی و نیز شدت پایداری وابسته به آنها، بعد از نمودار نیمرخ قائم دما و سرعت باد و حرکت قائم هوای بدست آمده از مدل سازی ارائه گردید. همچنین نمودار تغییرات ساعتی سرعت و جهت باد، دما و در نهایت الگو و جهت پراکنش ذرات معلق آلاینده در نقشه سطحی حاصل از مدل سازی با زمینه توپوگرافی اضافه شده و مورد بحث قرار می­گیرد. در این قسمت چهار نمونه مطالعاتی منطبق بر چهار الگوی جوی حاکم در شرایط با آلودگی شدید مورد بحث و واکاوی قرار می­گیرند.

الگوی الف) نمونه (1) استقرار سامانه پرفشار سیبری:

‌مطابق بررسی شرایط همدید جو و سامانه‌های حاکم بر تهران شرایط آلودگی تاریخ 4 مارس تهران بعنوان نمونه (1) از الگوی (الف) تحت تاثیر سامانه پرفشار سیبری در سطح زمین و پرفشار جنب حاره در ترازهای بالاتر جو بوده است. بطوریکه میزان فشار سطحی در محدوده مورد مطالعه 1020 تا 1025 هکتوپاسکال است. حاکمیت پرفشار سیبری با هسته فشاری حدود 1040 هکتوپاسکال در شمال شرقی ایران و گسترش زبانه آن به سمت جنوب­غرب مهمترین سامانه مؤثر بر شرایط جوی محدوده تهران است. نتیجه حاکمیت سامانه مذکور شرایط هوای آرام و بدون باد در سطح زمین بوده است. همچنین در مراجعه به نقشه جوی تراز 700 هکتوپاسکال پشته­های پرارتفاع ناشی از مکان­گزینی پرفشار جنب‌حاره در شبه جزیره عربستان بر روی محدوده مورد مطالعه قابل مشاهده است. بر مبنای آن روی تهران بادها با جهت غربی تا جنوب­غربی با شدت نسبتا کم در جریان است. مؤلفه حرکت قائم هوا بر روی منطقه صفر است که نشان از سکون و پایداری هوا می‌باشد. تحت تاثیر ویژگی­های پرفشار جنب حاره در ترازهای بالاتر جو و نیز گسترش زبانه پرفشار سیبری بادهای نسبتا ضعیف و در نتیجه فرونشینی هوا رخ می‌دهد. مجموعه این شرایط همدید باعث عدم جابه جایی ذرات معلق و تشدید تراکم آنها در محدوده تهران گردیده است (شکل 2).

مطابق شکل 3) نیمرخ قائم جو بدست آمده از مدل سازی گویای مقادیر مثبت و حرکت صعودی هوا در منطقه تهران و حرکات نزولی در روی ارتفاعات شمال تهران است. مشاهده نتایج مدل­سازی­های انجام شده از دما و باد و نمودار ترمودینامیکی Skew-T 4 مارس نشانگر تاثیر شرایط همدید جو در رخداد پدیده وارونگی دمایی با منشا گرمایی تا تراز ارتفاعی 100 متری است. نیمرخ قائم حرکت هوا نیز گویای وزش باد ملایم تا ارتفاع هزار متری است (شکل 4).

 

 

 

 

شکل (2): نقشه جوی سطح زمین با پربندهای دما و بردارهای باد (راست)، میزان امگا، پربندهای ارتفاعی و بردارهای باد در تراز 700 هکتوپاسکال (چپ)

 

 

الف 4

 

الف16

 

 

ب 4

 

ب 16

 

شکل (3): نیمرخ قائم میزان حرکت قائم و ضخامت لایه آمیخته بدست آمده از مدل برای موقعیت جنوب تهران(الف) و شمال تهران (ب)

 

شکل (4): نیمرخ قائم دما، سرعت و جهت باد بدست آمده از مدل­سازی اقلیمی در ساعت 4 صبح به وقت محلی تهران

 

 

از نتایج مهم حاکمیت شرایط پرفشاری در یک منطقه رخداد وارونگی دمایی است که در نمودار ترمودینامیکی Skew-T پدیده وارونگی در انواع مختلف آن ملاحظه می­گردد. وارونگی جبهه­ای در ارتفاع 200 متری سطح زمین ناشی از تلاقی دو توده هوای سرد سیبری و هوای گرم محدوده مطالعاتی است. بطوریکه هوای سرد کم ضخامت متحرک در برخورد به هوای گرم ساکن به زیر آن رانده شده و شرایط وارونگی را ایجاد نموده است. قابل توجه است که شرایط وارونگی جبهه­ای در طول ساعات روز نیز با وجود انتقال به تراز ارتفاعی 1280 متری ماندگاری داشته است (شکل 5).

 

 

 

(الف )

 

(ب)

شکل (5): نمودار ترمودینامیکی موقعیت ایستگاه مهرآباد تهران 4 (الف)، 16 (ب)

 

 

با توجه به اینکه در شرایط پایداری هوا، عوامل محلی مؤثر بر جو کنترل کننده اصلی بر تلاطم­­ها و جریان­های سطحی هستند. بر مبنای شرایط جوی حاکم بر محدوده تهران و بر اساس داده­های اخذ شده آلودگی هوا در 4 مارس 2003 میزان آلودگی هوای تهران تشدید شده است. پراکنش محلی آلودگی گویای پراکنش مکانی بیشتر آن در مناطق جنوبی تهران است. بر مبنای نتایج مدلسازی اقلیمی علت آن در تفاوت جهت و شدت وزش باد در اوایل صبح و بعد از ظهر است که کاملا منطبق با وزش باد کوه به دشت (کاتاباتیک) شبانه و دشت به کوه (آناباتیک) روزانه است. جهت عمومی وزش باد در ساعات صبحگاهی شمالی ـ جنوبی بوده و لذا پراکنش آلاینده­ها به سمت جنوب رخ می­دهد. در نتیجه آن پراکنش فضایی آلودگی در پهنه دشتی پایین‌دست ناهمواری­ها در بخش­های جنوبی تهران بیشتر است (شکل 6). در ساعت­های میانی روز وزش بادها ملایم­تر بوده و جهت جنوب به شمال دارند که بدلیل شدت پایین باد و نیز مانع کوهستانی شمال تهران میزان پراکنش بسیار کمتر از شرایط صبحگاهی است. همچنین از دیگر نتایج مدل سازی اقلیمی برای دو ساعت مشخص 4 به ساعت محلی (صفر به ساعت گرینویچ) و 16 به ساعت محلی (12 به ساعت گرینویچ) در ارتباط با ارتفاع لایه آمیخته است که وابسته به شرایط دمایی سطح به لحاظ زمانی در ساعات میانی روز دارای بالاترین ارتفاع و در ساعات شبانه کمترین ارتفاع (تقریبا چسبیده به سطح زمین) است. از لحاظ مکانی نیز لایه آمیخته در مناطق جنوبی ضخامت بیشتری نسبت به مناطق شمالی دارد. نتیجه آن در تشدید آلودگی هوا در ساعات صبحگاهی و کاهش میزان آن در ساعات میانی روز مشاهده می­گردد. در ساعات میانی روز شرایط صعود هوا (مؤلفه قائم مثبت) در مناطق شمالی منجر به انتقال ذرات معلق آلاینده به منطقه شده و در مقابل نیمه جنوبی تحت‌تاثیر سرمایش انباشته شدن هوای سرد کوهستانی در آن دارای شرایط پرفشاری است و بنابراین با شکل­گیری شیو فشاری با مناطق شمالی آلاینده­ها را با جریان هوا انتقال داده و در نتیجه آن از میزان آلودگی هوا کاهسته شده است (شکل 6).

 

 

 

 

شکل (6): میزان تراکم و پراکنش آلاینده­های ذرات معلق در محدوده شهر تهران

 

 

الگوی ب) نمونه (2 و 3) حاکمیت ترکیبی سامانه پرفشار سیبری و واچرخند مهاجر غربی:

بر اساس نقشه­ همدید سطح زمین در 18 فوریه 2003 (نمونه 2) دو سامانه پرفشار سیبری و واچرخند غربی مشاهده می‌شود که از دو سوی شمال­شرقی و شمال‌غربی بر روی منطقه گسترده شده­اند. هرچند موقعیت و گسترش زبانه پرفشار سیبری با فشار مرکزی (1035 هکتوپاسکال) نمایان‌تر است، لذا بردارهای باد روی نقشه سطحی بادهای ملایم شمالی را نشان می‌دهند. در نقشه تراز 700 هکتوپاسکال یک جریان مداری در حاشیه پشته­ای که از پرفشار نشأت می‌گیرد قابل شناسایی است. در عرض‌های بالاتر یک ناوه و در عرض‌های پایین‌تر از آن پشته وجود دارد که تاثیرگذاری پشته بر روی منطقه بیشتر است. با مراجعه به داده­های امگای هوای محدوده، مقادیر حرکت قائم هوا مثبت بوده که نشانه فرونشینی و حاکمیت شرایط پایداری است. در 19 فوریه (نمونه 3) شرایط نسبت به روز قبل (نمونه 2) تقریبا تغییر نموده و در نقشه جوی سطح شرایط کم­فشار حاکم شده و سرعت بادهای با جهت جنوب­غربی افزایش یافته است. بطوریکه فشار سطح زمین در منطقه مورد مطالعه در روز 18 فوریه بین (1020-1015) و در 19 فوریه بین (1005-1000 هکتوپاسکال) است. در تراز 700 هکتوپاسکال همان جریان مداری روز قبل با حالت پشته حفظ شده و سبب گردیده با وجود افزایش سرعت باد همچنان شرایط پایداری ادامه داشته باشد. مجموعه این شرایط در ماندگاری و افزایش تراکم ذرات معلق PM10 در منطقه موثر بوده­اند (شکل 7).

مقادیر دما و باد بدست آمده از مدل­سازی­های و نمودار ترمودینامیکی Skew-T نشانگر این است که تحت تاثیر شرایط همدید جو در 18و 19 فوریه پدیده وارونگی دمایی با منشا گرمایی رخ داده است. نیمرخ قائم سرعت باد در شکل گویای عدم افزایش قابل توجه در شدت وزش باد تا ارتفاع هزار متری سطح زمین است (شکل 8).

در نمودار ترمودینامیکی Skew-T 18 فوریه پدیده وارونگی با منشأ فرونشینی و تابشی دیده می­شود که وارونگی تابشی در طول شب در تا ارتفاع 45 متری ملاحظه می­گردد (شکل 9). در نمودار 19 فوریه وارونگی دمایی از منشأ فرونشینی در دو سطح مختلف رخ داده که با توجه به افزایش فاصله بین دو منحنی دمای هوا و دمای نقطه شبنم فرونشینی از نوع خشک و سرد بوده است.

 

 

 

(الف)

 

(ب)

شکل (7) نقشه جوی سطح زمین با پربندهای دما و بردارهای باد (الف)، نقشه میزان امگا، پربندهای ارتفاعی و بردارهای باد در تراز 700 hpa (ب)

 

 

 

ب

 

الف

 

شکل (8): نیمرخ قائم دما، سرعت و جهت باد بدست آمده از مدل­سازی اقلیمی 18 فوریه (الف)، 19 فوریه (ب)

 

 

(الف)

 

(ب)

شکل (9): نمودار ترمودینامیکی موقعیت ایستگاه مهرآباد تهران 18 فوریه 4 صبح (الف )، 19 فوریه 4 بعد از ظهر (ب)

 

 

با مشاهده الگو و جهت پراکنش ذرات معلق آلاینده در نقشه سطحی حاصل از مدل سازی با زمینه توپوگرافی اضافه شده مشخص می‌شود که آلودگی روز 19 فوریه بیشتر از 18 فوریه است. در حالی‌که با مراجعه به مطالب بالا تاثیرگذاری سامانه­های پرفشار و در نتیجه شرایط پایداری هوا در 18 فوریه از 19 فوریه شدیدتر بود. در اینجا باید به شرایط محلی تاثیرگذار اشاره نمود که در 18 فوریه جهت بادها متغیرتر بود اما در 19 فوریه از شمال به جنوب با سرعت کمتری جریان دارد. در حالی‌که در 18 فوریه سرعت بادها بیشتر بوده و در ساعات میانی روز آلودگی وجود ندارد (شکل 10). در ارتباط با جهت حرکت قائم هوای بدست آمده از مدل سازی مشاهده می­شود که نیمرخ قائم جو گویای حرکت صعودی و امگای منفی در 18 فوریه در منطقه تهران است اما در 19 فوریه امگا مثبت است که سبب نزول هوا و پایداری می‌شود (شکل 11). در 19 فوریه در ساعات میانی شدت آلودگی در شمال شهر نسبت به جنوب بیشتر است، مشاهده می­شود که سرعت باد از جنوب به شمال کاهش پیدا کرده و جهت باد هم از جنوب به شمال است. در ساعات میانی روز شرایط صعودی هوا در مناطق شمالی منجر به انتقال و جابجایی ذرات معلق به آنجا شده است (شکل 12).

 

 

 

 

شکل (10): میزان تراکم و پراکنش ذرات معلق آلاینده­ در محدوده شهر تهران 18 فوریه (راست)، 19 فوریه (چپ)

 

ب

 

الف

 

شکل (11): نیمرخ قائم میزان امگا و ضخامت لایه آمیخته بدست آمده از مدل برای 18 فوریه (الف)،19 فوریه(ب)

 

 

ب

 

الف

 

شکل(12) نیمرخ قائم میزان امگا و ضخامت لایه آمیخته بدست آمده از مدل برای 19 فوریه موقعیت جنوب تهران (الف) و شمال

 

 

الگوی پ) نمونه (3) اثر واچرخند مهاجر شمال غربی:

بر اساس نقشه­های همدید جوی سطح زمین در الگوی (پ) نمونه 3 که مربوط به 28 مارس 2003 است، محدوده تهران تحت­تاثیر سامانه پرفشاری است که روی دریای سیاه تشکیل شده و به صورت واچرخند شمال غربی وارد ایران شده قرار دارد. میزان فشار سطحی در محدود مورد مطالعه 1014 تا 1017 هکتوپاسکال است. نتیجه حاکمیت واچرخند شمال غربی با هسته فشاری حدود (1026) هکتوپاسکال در محدوده مورد مطالعه شکل‌گیری شرایط هوای آرام و بدون باد و پایداری هوا در سطح زمین است. همچنین در مراجعه به نقشه تراز 700 هکتوپاسکال پشته‌های ضعیفی از یک جریان شمال‌غربی تا غربی قابل مشاهده است که بر مبنای آن روی تهران بادها با جهت غربی و با شدت نسبتا کم در جریان است. میزان عددی حرکت قائم هوا بر روی تهران صفر است که گویای سکون و پایداری هوا است. که در مجموعه شرایط همدید سطح زمین و تراز بالا فرونشینی و پایداری هوا شکل گرفته که سبب عدم صعود و جابه جایی آلاینده می­شود (13).

مقادیر دما و باد حاصل از مدل­سازی­ و نمودار ترمودینامیکی Skew-T نشانگر تاثیر شرایط همدید جو در 28 مارس و رخداد پدیده وارونگی دمایی با منشا حرارتی است (شکل 14).

پدیده وارونگی که نوع تابشی نتیجه تابش موج بلند زمینی در طول سرمایش شبانه و دینامیکی (فرونشینی) حاصل نشست و تراکم هواست در ساعات اولیه روز در دو ارتفاع متفاوت شکل گرفته­اند (شکل 15).

 

 

شکل (13): نقشه جوی سطح زمین با پربندهای دما و بردارهای باد (راست)، نقشه میزان امگا بردارهای باد تراز 700hpa

 

ب

 

الف

 

شکل (14): نیمرخ قائم دما، سرعت و جهت باد بدست آمده از مدل­سازی اقلیمی جنوب شهر الف،شمال شهر ب

 

 

شکل (15): نمودار ترمودینامیکی موقعیت ایستگاه مهرآباد تهران 28 مارس 5/3 صبح

 

 

الگو و جهت پراکنش ذرات معلق آلاینده در نقشه سطحی حاصل از مدل سازی نشانگر اثر شرایط همدید حاکم بر شهر در تشدید آلودگی در 28 مارس است. اما وضعیت آلودگی از شمال به جنوب شهر افزایش نشان می­دهد. از لحاظ مکانی لایه آمیخته در مناطق جنوبی با مؤلفه قائم مثبت نسبت به مناطق شمالی با مؤلفه قائم منفی، شرایط ناپایداری و تلاطم هوا را در سطح شهر فراهم می­سازد. در نتیجه آن آلودگی هوا از مناطق شمالی به سوی جنوب شهر انتقال یافته و تراکم آلودگی را در مناطق جنوبی تشدید می­کند (شکل 16).

جهت بادها در ساعات شبانه از شمال به جنوب (کاتاباتیک) است. سرعت آن از شمال به جنوب کاهش پیدا کرده و به حداقل می‌رسد. اما در ساعات میانی روز با افزایش سرعت باد و همچنین نبود وارونگی و افزایش لایه ضخامت نسبت به ساعات اولیه آلودگی مشاهده نمی‌شود (شکل 17).

 

 

 

ج

 

شکل (16): نیمرخ قائم مؤلفه قائم باد و ضخامت لایه آمیخته حاصل از مدل در موقعیت بازار(الف)، اقدسیه(ب) و ساعات میانی روز (ج)

 

 

شکل (17): نقشه توپوگرافی و میزان تراکم و پراکنش آلاینده­های ذرات معلق در محدوده شهر تهران

 

 

نتیجه­گیری

کیفیت آلودگی هوای شهر تهران از طریق تغییر عناصر دما و باد کنترل می­کند. این دو عنصر اقلیمی بعنوان مؤثرترین عوامل جوی هستند که در پراکنش زمانی و مکانی آلودگی تهران موثر هستند، بطوریکه تغییرات افقی و قائم دما پدیده­های مختلفی مانند جریان­های افقی و فرازشی یا فرونشینی هوا را ایجاد نماید. همچنین وزش باد شامل مؤلفه­های مختلفی مانند سرعت و جهت است که هر کدام به نوعی بر تشدید یا کاهش آلودگی مؤثر هستند. حرکت قائم هوا با جهت بالاسو و پایین­سو اثرات کاهشی و افزایشی مشخصی دارد. سکون هوا ناشی از حاکمیت شرایط پایدار و پرفشار در مناطق خشک به موازات فقدان رطوبت کافی در هوا با رخداد وارونگی­های دمایی متعدد مشخص می­شود. لذا پدیده‌های مذکور از ویژگی­ها و پدیده­های غالب هوای تهران است و در آلودگی هوا بسیار با اهمیت هستند. همچنین ضخامت لایه آمیخته تحت­تاثیر نوسان­ها و تغییرات دما در طول شبانه روز و نیز در مقیاس ماهانه و فصلی تغییر می­کند. قرارگیری آن در فاصله نزدیکی از سطح زمین فعالیت تلاطمی هوا را محدود ساخته و لذا میزان آمیزش و اختلاط در جو کاهش یافته و در نتیجه باعث تراکم و افزایش آلودگی هوا می­گردد. به طوری­که در نمونه­های انجام شده در مطالعه مشاهده شد که با ورود سامانه­های همدید به ویژه واچرخندهای شمال‌غربی و زبانه­های پرفشار سیبری کاهش دما و تغییر در جهت و سرعت باد در سطح شهر مشهود بوده و جوی آرام و پایدار همراه با هوای سرد حاکم می‌گردد. از بین 4 تیپ شناسایی شده از سامانه­های جوی مؤثر در تشدید آلودگی هوا در مطالعه دو تیپ واچرخندهای شمال­غربی و پرفشار سیبری بیشترین فراوانی و تاثیرگذاری را در پراکنش مکانی و زمانی آلاینده داشتند. از بین آنها تاثیرگذاری واچرخندهای شمال­غربی در پراکنش مکانی تاثیرگذارتر بوده است در مقابل پرفشار سیبری از نظر تداوم زمانی تاثیرگذارتر بودند، به طوری­که مشاهده شد همزمان با ورود پر فشارها در تاریخ­های 4 مارس، 19 فوریه که تاثیرگذاری پرفشار سیبری نسبتا مشهودتر بوده، ماندگاری آلاینده­ها تا ساعات میانی روز هم تداوم داشته است.دلیل این تفاوت عملکرد در سامانه­های دینامیکی و گرمایی می‌تواند ناشی از الگوی حرکتی آنها باشد، بطوریکه پرفشار سیبری از طریق کشیده شدن زبانه آن گسترش می­یابد در صورتیکه در واچرخند مهاجر شمال­غربی کل سامانه جابجا می­شود. در سامانه­های دینامیکی کل ویژگی توده هوا جا به جا می­شود. اما در سامانه­های گرمایی جابجایی کلی سامانه به ندرت رخ داده و گسترش از زبانه آن بصورت بطئی صورت می­گیرد. نکته قابل توجه این است که سامانه­های وارد شده بر محدوده مورد مطالعه کل سطح شهر را تحت­تاثیر قرار دادند. مثلا سامانه­های پرفشار وارد شده در همه جای شهر باعث کاهش سرعت باد و جریان هوای آرام و پایدار شده­اند. ولی اگر به صورت نقطه­ای و منطقه­ای به آلودگی شهر توجه شود نمی­توان از موقعیت مکانی شهر چشم پوشی کرد. به طوری که جریان بادها جدا از تاثیرپذیری از سامانه­ای که  وارد می­شود به شدت تحت­تاثیر موقعیت مکانی محدوده مورد مطالعه قرار داشته چنان­که در نمونه ها دیده شده که جریان بادهای کاتاباتیک از کوهستان به دشت و آناباتیک از دشت به کوهستان در تراکم آلاینده موثر بوده است. بعنوان نمونه در 4 مارس که در صبح جریان بادها از کوه­های شمالی به سمت جنوب شهر بوده تراکم آلاینده هم بالا بوده است و در ساعات میانی روز از جنوب شهر به سمت شمال شهر بوده است و در برخورد به مانع کوهستانی در همان جا متراکم شده است. در واقع در این پژوهش با کنار هم قرار دادن دو روش مطالعاتی همدید و مدل‌سازی مشخص شد که آنچه بصورت توصیفی از سامانه­ها تحلیل می­شود نتایج آن به صورت عددی قابل توجیه است و برای تحلیل آلودگی کل سطح شهر از دیدگاه اقلیمی روش همدید روش مناسبی است. برای تحلیل نقطه­ای آلودگی منطقه یا سطح شهر روش مدل­سازی با اهمیت است چون می­توان وضعیت عناصر تاثیرگذار بر آلودگی مثلا باد به عنوان یک عامل اقلیمی بسیار مهم و تاثیرگذار بر آلاینده شهری را به صورت جزئی­تر مورد بررسی وتحلیل قرار داد.

 



1-              http:weather.uwyo.edu/upper air/sounding.htmm

  1. Anderson, W.P., T.R. Lakshmanan, B. Kuhl, 2001, Estimating Employment Generated by Federal-aid Highway Projects, Transportation Research Record, No. 1777, pp. 93-104.
  2. Ashok, K., P. Luhar, J. Hurley, 2003, Evaluation of TAPM, a prognostic meteorological and air pollution model, using urban and rural point-source data. Atmospheric Environment, No. 37, pp. 2725-2878.
  3. Azizi, Gh., H.A. Ghanbari, 2009, Numerical simulation of air pollution in Tehran, based on wind, Physical Geography Research Quartely, No. 68, pp. 15-32.
  4. Berlyand, M.E. 1991, Prediction and Regulation of Air pollution, Kluwer Academic publishers.
  5. Bidokhti, A.A., Z. Sharipour, 2009, Upper atmosphere meteorological conditions and extreme air pollution (case study; Tehran), Environmental Studies, No. 52, pp. 1-14.
  6. Cao, JJ., ZX. Shen, J.C. Chow, GW. Qi, JG. Watson, 2009, Seasonal Variations and Sources of mass and composition for PM10aerosol in Hangzhou china, Particuology, No. 7, pp. 161-168.
  7. Ccoyllo, S.O.R., M.F. Andrade, 2002, The influence of meteorological conditions on the behavior of pollutants concentrations in Sao-Paulo, Brazil, Enviromental Pollution, No. 116 (2), pp. 257-263.
  8. Chaloulakou, A., G. Grivas, N. Spyrellis,  2003, Neural network and multiple regression models for PM10 prediction in Athens:Acomparativeassessment. Journal of the Air and Waste Management Association, No. 53, pp. 1183-1190.
  9. Ejtehad, M. 2007, Study urban air pollution caused by particulate matter with an emphasis on transportation systems and management strategies (case study of Tehran), 10th National Conference on Environment health, Hamadan 30 Oct to1 Nov 2007. 
  10. Finardi, S., U. Pellegrini, 2002, Systematic Analysis of Meteorological Conditions Causing Severe Urban Air Episodes in the Central Po Valley, 9th Conference on Harmonisation within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes, pp. 250-254.
  11. Ghasami, T., A.A. Bidokhti, A. Sedaghat-Kerdar, F. Sahraeyan, 2010, Vertical variation of potential temperature at a critical period in Tehran air pollution, Environmental science and technology, No. 3(45), pp. 13-23.
  12. Kara, K., A.K. Gupta,  2006, Seasonal variations and chemical of ambient PM10 at residential and industrial sites of an urban region of Kolkata (Calcutta), India, Atmospheric Research, No. 81 (1), pp. 36-53.
  13. Lashkari, H., P. Hedayat, 2005, Analysis of synoptic patterns of severe inversions in Tehran, Physical Geography Research Quartely, No. 56, pp. 65-82.
  14. Mckinley, G., M. Mriia, H. Morten, R. Montser, G. Isabel, O. Rodolf, L. Israel, M. Miguela, S. Patricio, R. Luzm, V. Raydel, M. Anjulia, 2005, Quantificationof Local and Global Benefits from Air Pollution Control in Mexico City, Environmental Sciences Technology, No. 39, pp. 1954-1961.
  15. Naddafi, K., R. Nabizadeh, M. Younesian, A.R. Mesdaghinia, Sh. Nazmara, 2009, Concentrations of particulat matters and Air Quality Index (AQI) in Tehran, journal of Faculty of Hygiene and Public Health, No. 1(7), pp. 57-67.
  16. Shamsipour, A.A., J. Amini, 2010, Natural and human factors effecting on air pollution of Kermanshah in the summer 2008-2009, 1st Conference on Natural resources, Sanandaj.
  17. Sharipour, Z. 2009, Seasonal and daily variation of air pollutants and its association with meteorological parameters, Journal of the Earth and Space Physics, No. 2, pp. 137-119.Zawar-reza, P., T. Appelhans, M. Gharaylou, A.A. Shamsipour, 2010,