تحلیل اقلیمی تغییرات ماهانه و فصلی ازون سطحی ایستگاه سنجش آلودگی زمینه جوّ فیروزکوه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، رشته جغرافیای طبیعی، گرایش اقلیم شناسی در برنامه‌ریزی محیطی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

2 عضو هیات علمی و مدیر قطب علمی تحلیل فضایی مخاطرات زیست محیطی، دانشگاه تربیت معلم

چکیده

در این تحقیق با استفاده از داده‌های ازونسطحی و فراسنج‌های هواشناسیاخذ شده از بانک اطلاعات سازمان هواشناسی کشور در طی دوره آماری 2003-1999، به بررسی نوسان روزانه و ماهانه ازون سطحی و همچنین تحلیل رابطه بین فراسنج‌های هواشناسی با ازون سطحی؛ در ایستگاه سنجش آلودگی زمینه‌ جوّ فیروزکوه پرداخته شده است. بررسی میانگین ماهانه ازون سطحی نشان می‌دهد که میانگین ماهانه ازون سطحی از ماه ژانویه شروع به افزایش نموده و در ماه جون به بیشینه خود می‌رسدو در نیمه دوم سال؛ روند کاهشی تا دسامبر ادامه دارد. بررسی رابطه بین فراسنج‌های هواشناسی با ازون سطحی در مقیاس‌ ماهانه، بیانگر رابطه مثبت فراسنج‌های: تندی باد،دما، فشار سطح ایستگاه(QFE)  و به‌ویژه ساعت آفتابی و رابطه منفی فراسنج‌های: بارش، ابرناکی، فشار تبدیل شده به سطح دریا(QFF) و به‌ویژه رطوبت نسبی، با ازون سطحی است. بررسی تأثیر پدیده‌های هواشناسی بر ازون سطحی بیانگر آن است که پدیده‌های: کدری آاسمان، گرد و خاک کاملاً گستر‌ده، در افزایش ازون سطحی و پدیده‌هایدمه، مه و مه یخی و انواع بارش‌ها به ‌ویژه برف با توجه به شرایط ایستگاه، در کاهش آن نقش به‌سزایی دارند. نتایج به ‌دست آمده نشان می‌دهد که دوره خشک سال(منطبق بر دوره گرم سال) با افزایش ازون سطحی (به‌ جز ماه جولای) ‌و دوره مرطوب (منطبق بر دوره سرد سال)، با کاهش ازون سطحی(به‌جز ماه مارس) همراه است که نشان می‌دهد تغییرات ازون سطحی در طی دوره‌های گرم و خشک و سرد و مرطوب سال معنی‌دار می‌باشد. دلیل کاهش‌ نسبی ازون سطحی‌ در‌ ماه‌ جولای؛ ناشی از افزایش بارش، ‌ابرناکی و افزایش رطوبت نسبی‌ در این ماه نسبت به سایر ماه‌های دوره خشک سال می‌باشد و عامل‌ اصلی‌ افزایش‌ ازون‌ سطحی‌ در‌ ماه مارس علی‌رغم افزایش بارش به عنوان عامل کاهنده ازون سطحی، ناشی از افزایش‌ ازون‌ جو‌ بالا‌ و‌ انتقال‌ آن‌ از‌ پوشن سپهر به‌ وردسپهر در فصل بهار می‌تواند باشد.  

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Climatic Analysis of Monthly and Seasonal Variations in Surface Ozone at Background Air Pollution Monitoring Station in Firouzkooh

نویسندگان [English]

  • M Jafari Afiabad 1
  • B Alijani 2
چکیده [English]

Introduction

Ozone is one of the atmospheric constituents which is very important in warming and pollution of the atmosphere. Its concentrations (above 120 ppb) in the upper atmosphere increase the earth’s temperature and in the lower atmosphere pollute the air and causes damages for human and plant life. It causes some problems such as respiratory diseases in humans. It is more dangerous in urban environments where the presence of moisture and other pollutants increases its polluting function. That is why studying its concentration and variation in the lower atmosphere is very important.

In Iran there is only one surface ozone measuring station which is in Firouzkooh and is a Background Air Pollution Monitoring Station. The station was established in 1993 at the 2986m above sea level. Due to its higher elevation, the measurements reflect general or background of ozone concentration in the country.  In this paper we have investigated at first variations of the surface ozone concentration and then studied relations between ozone concentrations and important Meteorological Parameters such as temperature and wind. For the purposes the daily values of Ozone were obtained from the station for the period of 1999-2003; the maximum period of data availability. Weather elements such as temperature, precipitation, wind speed, sunshine duration, sea level and surface pressure, relative humidity, and cloudiness of the station were also extracted for the same period.

 

Results and discussion

Mean concentration of surface ozone was 54.1 ppb for the period. 20 ppb was the lowest value measured during the study period in November and the highest value was 125 ppb in May. More than 70 percent of ozone concentrations were observed between 46 and 65 ppb. Survey of the monthly mean of the surface ozone shows that it increases from January and reaches its maximum in June, while in the second half of the year it has a decreasing trend until December. The monthly mean ranged from 50ppb in winter months to 60 ppb in summer months, Moreover based on the analysis made on the monthly and seasonal data, variations of the maximum is more than that of the minimum and so the seasonal variations were much less than the monthly values, which shows that it is strongly affected by the sunshine hours and the temperature.

Consideration of surface ozone concentrations and the weather elements showed different positive and negative relations. Sea level pressure (QFF), relative humidity, cloudiness, and precipitation showed negative correlations while wind, temperature, sunshine duration, surface pressure (QFE), and visibility showed positive correlation with ozone concentrations. The Correlations of Ozone concentration with surface pressure, wind velocity, precipitation, and visibility was very low. Sunshine duration and sea level pressure had the highest control on the variations of ozone concentrations. Some weather phenomena such as thunderstorms had remarkable increasing effect on the ozone concentration while fog and haze decreased it effectively. Study results of the monthly and seasonal averages show that except for July, the surface ozone is increasing in the dry periods of the year (which is reconciled on the hot period of the year), and with the exception of March, it decreases in the wet period (the cold period of the year). These exceptions can be interpreted due to higher values of cloudiness, precipitation and relative humidity in July, and higher values of ozone in the upper levels and its transformation from the stratosphere to the troposphere in March. In general, concentrations of surface ozone were higher in warm months and lower in cold period of the year. Warm and sunny days increased the concentration while the cloudy and rainy days showed lower concentrations. Winds blowing from dry and warm regions from the south and southwest increased the concentration and winds from the cold humid northern regions lowered the concentration.

 

 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Surface Ozone
  • Meteorological parameters
  • Relation between Surface Ozone and Meteorological Parameters
  • Airpollution and Ozone. Firouzkooh’s Backgroud Air Pollution Monitoring Station

مقدمه

گاز ازون نقش کلیدی در اکسیداسیون شیمیایی وردسپهری داشته و یکی از گازهای گلخانه­ای مهم محسوب می­شود. از آنجا که غلظت‌های بالای ازون وردسپهری (سطحی) در لایه مرزی، حیات گیاهان و انسان را به مخاطره می­اندازد، تحقیق در مورد آلاینده ازون حائز اهمیت است. غلظت بالای ازون سطحی باعث بیماری­های متعددی از جمله بیماری­های تنفسی می­شود. همچنین این گاز بر گیاهان و مواد غیر زنده نیز تأثیر منفی دارد. از جمله آثار نابود کننده آن بر روی مواد غیر زنده، فرسودگی لاستیک در مجاورت آلاینده ازون و نور خورشید است. آلاینده­های هوا دو نوع اولیه و ثانویه هستند (Stern, et al., 1984). آلاینده­های اولیه از قبیل اکسیدهای نیتروژن (NOx) و مونوکسید کربن (CO)، به طور مستقیم از دود اتومبیل­ها تولید می­شوند ولی آلاینده­های ثانویه مانند ازون سطحی در اثر واکنش­های فتوشیمیایی به­وجود می­آیند. از طرفی فراوان‌ترین اکسید کننده فتوشیمیایی موجود در جو است و براساس استاندارد ملی کیفیت هوا، حضور ازون با تراکم بیش از ppm 12/0 در سطوح پایینی جوّ خطرناک می­باشد. وجود مقادیر بالاتر، بیانگر تولید ازون توسط منابع انسانی است. ازون سطحی (وردسپهری) در سطح زمین به عنوان یک آلاینده ثانویه که خود نقش مؤثری در تبدیل آلاینده­های دیگر دارد، محسوب می­شود. همچنین ازون به عنوان یک گاز گلخانه­ای، موجب افزایش دمای سطح زمین می­شود .لذا با این توصیفات ازون موجود در وردسپهر بر خلاف ازون موجود در پوشن‌سپهر، مضر و غیر مفید شناخته شده است. به دلیل اهمیت ازون سطحی به عنوان یک آلاینده ثانویه و خطرناک بودن تراکم بیش از حد استاندارد آن در سطوح پایینی جو و تاثیر این گاز بر روی سیستم بیولوژیکی و نیز شناسایی الگوهای زمانی مربوطه به ایامی از سال که میزان ازون سطحی از حد استاندارد تجاوز می­نماید و همچنین با توجه به اینکه اندازه گیری­های مربوط به ازون سطحی در کشور از یک شبکه اندازه­گیری منسجم برخوردار نبوده و طول دوره آماری اندازه­گیری ازون سطحی در کشور نیز کوتاه مدت می­باشد به همین دلیل مطالعات عمیق و گسترده­ای در این رابطه صورت نگرفته است، از طرفی بررسی تغییرات زمانی ازون به رابطه تاثیر­گذاری آن بر مکانیسم بدن جانداران، نقش بسیار موثری می­تواند داشته باشد. و به واسطه خلا تحقیقاتی در این رابطه، ضرورت رابطه بین این آلاینده با فراسنج­های هواشناسی کاملاً احساس می­شود، بنابراین لازم است که با روش‌های مناسب در سطح کشور به بررسی تغییرات ازون پرداخته شود و نتایج آن در اختیار مدیران و تصیم گیرندگان قرار گیرد. دو منبع اصلی برای ازون سطحی (وردسپهری) عبارتند­ از: ازون طبیعی تولید شده در اثر انتقال و ریزش ازون پوشن سپهری به وردسپهر و واکنش­های فتوشیمیایی ازون در اثر آلودگی هوا.

واکنش فتوشیمیایی وردسپهری به وسیله فتولیز ازون، توسط تابش اشعه فرابنفش UV با طول موج کمتر از nm 310، منجر به تشکیل اتم­های اکسیژن تحریک شده می‌شود. این اتم­های تحریک شده با بخار­آب واکنش داده و رادیکال‌های هیدروکسید (OH) تولید می­کنند. واکنش اصلی که باعث تولید ازون می­شود؛ عبارت است از :

(1)          

جزئیات واکنش بالا به صورت زیر است:    

(2)                                

(3)                             

(4)                              


 

 

شکل شماره 1- فرآیند فتوشیمیایی تشکیل ازون سطحی

 

در واکنش‌های بالا، ROG گاز آلی فعال است که شامل بخش فعال R— و هیدروژن H  است؛ همچنین واکنش (4) سریع و گرمازاست. مطابق واکنش‌های بالا، ازون همزمان تولید و مصرف می­شود و به این طریق باید مقدار آن افزایش نیابد، در صورتی که در عمل، مقدار ازون طی روز افزایش می­یابد. علت این امر، واکنش دیگری است که به طور هم­زمان رخ می­دهد و در آن رادیکال­ آلکیل پروکسی
RO2— با اکسید نیتروژن واکنش داده و در حقیقت در اکسید ­کردن، با ازون رقابت می­کند و قدرت آن بیش از O3 بوده و نقش این گاز را تضعیف می­کند. مطابق واکنش

(5)                         

O3کمتر مصرف می­شود بنابراین میزان تولید آن بیشتر از مصرف شده و مقدار آن افزایش می­یابد.


 

شکل شماره 2- زنجیرةواکنش­هایمربوطبه تشکیلوتجمعازون (Turco, 1997).

 

 

به طور کلی، تغییرات غلظت فتومه­دود تحت تأثیر دو عامل اصلی جغرافیایی و فیزیکی قرار دارد. عامل فیزیکی شامل مشخصه­های هواشناسی از قبیل ابرناکی، سرعت و سمت باد، شدت تابش آفتاب، ارتفاع لایه آمیخته و موقعیت زمانی و فصلی است. عامل جغرافیایی شامل ارتفاعات، کوه‌ها، موقعیت محلی منبع آلوده ساز و سایر عوامل است. همچنین هر یک از مشخصه­ها با یکدیگر در ارتباط­اند. برای مثال سمت و سرعت باد در نزدیکی محل منبع آلاینده، در مقدار پراکنش آن حائز اهمیت است.

به طور کلی مقدار ازون در هر مکانی تابع دو عامل فتوشیمی محل و انتقال است. این عنصر در ایستگاه سنجش آلودگی زمینه­ جوّ فیروزکوه که به عنوان تنها ایستگاه سنجش آلودگی زمینه­ جوّ در کشور و یکی از ایستگاه­های مراقبت جهانی جوّ از طرف سازمان هواشناسی جهانی انتخاب گردیده، اندازه­گیری شده ولی تاکنون هیچ پژوهش علمی در خصوص چگونگی و روند تغییرات ازون سطحی و ارتباط فراسنج­های هواشناسی با این آلاینده؛ صورت نگرفته است. هدف اصلی این تحقیق بررسی روند تغییرات زمانی کوتاه­ مدت ازون سطحی در ایستگاه مورد مطالعه و رابطه آن با فراسنج­های هواشناسی می­باشد. برای آشکارسازی و دست­یابی به اهداف مورد نظر، از داده­های ازون سطحی و سایر فراسنج­های هواشناسی در طی دوره آماری 2003-1999 استفاده شد. دلیل کوتاه بودن دوره آماری وجود آمار ازون فقط در این دوره می باشد.

مطالعه بر روی تغییرات ازون سطحی اندازه‌گیری شده در این ایستگاه و رابطه متقابل بین ازون و سایر فراسنج‌های هواشناسی از این جهت اهمّیت دارد که این ایستگاه به دور از منابع آلاینده شهری و انسانی بوده و دخالت عوامل آلاینده مؤثر در تولید، افزایش یا کاهش ازون سطحی ناچیز بوده یا به کمترین حدّ ممکن می­رسد. به عبارت دیگر تغییرات ازون سطحی در هوای بدون آلاینده­های شهری و انسانی و صرفاً تحت تأثیر فراسنج‌های هواشناسی مورد بررسی و تحلیل قرار می­گیرد. عوامل گوناگونی بر مقدار تراکم ازون سطحی مؤثّر می‌باشند. در این رابطه مطالعات متعددی در سطح دنیا انجام شده است: پژوهش­هایی درمورد بررسی نقش دما توسط (Angell and Korshover, 1964) و نیز بررسی نقش رطوبت در مقدار ازون سطحی  توسط (Horvath et al., 1985) و همچنین بررسی نقش رطوبت و نسیم دریا در تراکم ازون در ایالت لس­آنجلس آمریکا توسط (Turco, 1997)، نقش رطوبت هوا توسط (Kondratyev and Varotsos, 2000) صورت گرفته است، نتایج حاصل از این مطالعات نشان می­دهد که افزایش دما در افزایش تراکم ازون مؤثر بوده و همچنین با دور شدن از منبع رطوبت مقدار ازون افزایش می­یابد که نشان‌دهنده انتقال آن توسط نسیم دریاست. به عبارت دیگر؛ با افزایش رطوبت نسبی و کاهش دما؛ مقدار ازون سطحی کاهش می‌یابد، یعنی رطوبت نسبی با دما و ازون سطحی هم­بستگی منفی دارد. تحقیق مشابهی در مورد ازون سطحی در شهر ساحلی تامبای هند توسط (Nair, et al,. 2002) انجام شده که در آن تغییرات ازون سطحی در دوره یک‌ساله 1998-1997  مورد بررسی قرار گرفته و نتایج حاصل از آن افزایش ازون در فصل تابستان نسبت به فصل زمستان و کاهش قابل ملاحظه آن در فصل مانسون بوده­ است. از طرفی نتایج حاصل از این تحقیق نشان داده است که مولکول‌های بخار آب با جذب تابش خورشیدی سبب کاهش ازون می‌شوند. همچنین با افزایش آفتاب­گیری و دما، واکنش فتوشیمیایی تشکیل ازون که به نور آفتاب نیازمند است بیشتر روی داده و مقدار ازون افزایش می‌یابد. به بیانی دیگر در ماه­های بارش که هوا ابری است، با کاهش آفتاب‌گیری؛ فرآیندهای فتوشیمیایی کاهش یافته و در نتیجه ازون سطحی هم کاهش می­یابد[1].

براساس تحقیقی که در آمریکا در مورد تاثیر شاخص‌های هواشناسی بر ازون صورت گرفته، دمای هوا و ارتفاع لایه آمیخته، مهمترین عوامل هواشناسی تعیین شده‌اند (, 2005 ise, E. K & Comrie, A. C.). همچنین در تحقیقی که در شهر دایگو کره صورت گرفته است، نتایج تحلیل رگرسیون چندگانه نشان داده است که دما و تابش خورشیدی، مهمترین عوامل هواشناسی­اند 2005) Jo, W. K & Park, J. H.). بنابراین بیشتر تحقیقات به طور مشترک دما را عامل مهم و موثر بر ازون می‌دانند.

در سطح کشور ما، بیدختی و شرعی پور (1386) تغییرات ازون سطحی و مقایسه آن با مشخصه‌های هواشناسی از قبیل سرعت و جهت باد، دما، بارش، رطوبت نسبی و ساعات آفتابی در محدوده ایستگاه سینوپتیک موسسه ژئوفیزیک طی دوره یک‌ساله 2002 را مورد مطالعه قرار داده­اند. که نتایج نشان می‌دهد مقادیر بالای ازون طـی روز (حدود ppb 72) در بعد از ظهر و مقادیر پایین ازون (ppb 26) طی ساعات اولیه صبح و اواخر شب رخ­داده است. ازون مشاهده شـده بیشترین مقـدار خود را (حدود ppb 97) در بهار و کمترین مقدار را (حدود ppb 14) در زمستان دارد.

فعالیت دیدبانی از ترکیبات شیمیایی جو و اندازه‌گیری روزانه میزان تراکم گازهای گلخانه‌ای از جمله انیدرید کربنیک، ازون، متان، کربن سیاه و مونوکسیدکربن و ... از زمانی اهمیّت یافت که بحث تغییر اقلیم به علت آلودگی جوّ زمین در سال­های اخیر به اوج خود رسید. در این راستا در سال 1989 توسط سازمان هواشناسی جهانی (1WMO)، سامانه دیدبانی جدیدی با عملکرد و فعالیت‌های وسیع و گسترده تحت عنوان "مراقبت جهانی جوّ" (GAW[2]) تأسیس و شروع به کار نمود. چارچوب فعالیت‌‌های این سامانه؛ اندازه‌گیری تغییرات در غلظت گازهای گلخانه‌ای جوّ، تغییرات در لایه ازون، انتقال آلودگی‌ها از مسافت دور شامل باران­های اسیدی و سمی و ذرات ریز آلوده به نام آئروسل­ها در جوّ و نتیجه‌گیری­های علمی از این تغییرات بود. به عبارتی؛ GAW یک سامانه جهانی است که مراقبت و دیدبانی جوّ زمین را از نظر آلودگی‌های جوّی که منشأ انسانی دارند به عهده دارد. در منطقه خاورمیانه و آفریقا سه ایستگاه مهم GAW در کشورهای پاکستان، مصر و جمهوری اسلامی ایران تأسیس شده است. پس از بازدید کارشناسان سازمان جهانی هواشناسی و کارشناسان سازمان هواشناسی کشور و تعدادی از پژوهش‌گران و اعضای هیات علمی دانشگاه­ها از نقاط مختلف کشور، با توجه به ارتفاع زیاد و دور بودن از منابع آلودگی شهری؛ مکان ایستگاه GAW فیروزکوه را در بلندترین نقطه ارتفاعات امین‌آباد فیروزکوه از سلسله ارتفاعات قره داغ البرز مرکزی با ارتفاع حدود 3000 متر از سطح دریا انتخاب نمودند و در مأموریت‌های مختلف به­تدریج دستگاه­ها توسط کارشناسان اعزامی از WMO نصب و از سال 1993 میلادی (1372 هجری شمسی) مورد بهره‌برداری قرار گرفت و دانشمندان متخصص آلودگی جو از مراکز علوم جوی و کنترل کیفی ایستگاه­های جهانی مراقبت جو کشورهای آلمان و کانادا برای نصب، راه‌اندازی، کالیبراسیون، بازرسی و کنترل دستگاه­ها و نحوه اندازه‌گیری و دیدبانی جوی، در این مرکز حضور یافته­اند.

در این ایستگاه؛ فراسنج­های زیر اندازه‌گیری می‌شود:

-       کلیه فراسنج­های جوی در شرایط کوهستان

-       اندازه‌گیری ازون وردسپهری  (Surface Ozone)

-       نمونه‌برداری آئروسل‌ها هم از طریق هوای خشک و هم از طریق ریزش‌های جوی

-       نمونه‌برداری باران و برف و تجزیه شیمیایی و اندازه‌گیری PH و نیز تعیین مواد سمی و مواد آلوده‌کننده در ریزش­های جوی

-       اندازه‌گیری کربن سیاه (انتقال آلودگی صنعتی از مناطق دور به تهران)

-       اندازه­گیری CO و PM10  نیز اخیراً شروع شده است.

ایستگاه سینوپتیک تکمیلی هواشناسی سنجش آلودگی زمینه جو فیروزکوه  نیز در سال1372 (1993 میلادی) به منظور دیدبانی و ثبت کلیه فراسنج­های هواشناسی فعّالیت خود را به طور رسمی آغاز کرد. فعالیت سینوپتیکی آن شامل اندازه‌گیری، ثبت و گزارش فراسنج­های مختلف جوی نظیر سمت و سرعت باد، دما، رطوبت نسبی، فشار، وضعیت ابرناکی، تشخیص پدیده­های مختلف جوی و ... در شرایط کوهستان؛ به صورت 12 ساعته (از ساعت 1UTC 03.00 تا15.00)2 می­باشد.

موقعیت جغرافیایی ایستگاه سنجش آلودگی زمینه جو فیروزکوه به طول (E´34  °52) و عرض (N´43  °35)  با ارتفاع 2986 متر از سطح متوسط دریا واقع در جاده تهران فیروزکوه -20 کیلومتر مانده به فیروزکوه- راه فرعی به طول 8 کیلومتر در ارتفاعات روستای امین­آباد قرار دارد.


 

 

   شکل شماره 3- نقشه تقسیمات کشوری استان جو فیروزکوه تهران          شکل شماره 4- نمایی از ایستگاه سنجش آلودگی زمینه 

              

 

ویژگی­های اقلیمی ایستگاه در مقیاس کلی همانند سایر بخش­های استان تهران در فصول سرد سال متأثر از سامانه‌های شمالی و شمال غربی و غربی به­ویژه جنوب غربی بوده و ریزش­های جوی آن که از ماه­های آبان و آذر آغاز و تا اواسط اردیبهشت ماه ادامه دارد، تابعی از فعّالیت سامانه­های فوق می‌باشد[3]. البته به علت ارتفاع زیاد شروع فصل سرد و بارش­ها تقریباً یک ماه زود­تر آغاز و یک ماه دیر­­تر پایان می­پذیرد و همان­طور که در شکل (5) دیده می‌شود دوره مرطوب از مهر تا اواخر اردیبهشت و دوره خشک از خرداد تا پایان شهریور ادامه دارد. این منطقه در ماه­های تابستان به طور متوسط هر ماه حدود 20 میلی متر بارندگی دارد[4].

برخی از مشخصه­‏های اقلیمی ایستگاه سینوپتیک امین آباد فیروزکوه (سنجش آلودگی زمینه جو) در دوره آماری 1370 تا 1390 در جدول (1) درج شده است.

 

 

 

شکل شماره 5- نمودار آمبروترمیک ایستگاه سینوپتیک امین آباد فیروزکوه (سنجش آلودگی زمینه جو)

 

جدول شماره 1- مشخصه­‏های اقلیمی ایستگاه سینوپتیک امین آباد فیروزکوه در دوره آماری 1370 تا 1390

میانگین بارش سالانه

(mm)

بیشینه بارش سالانه

(mm)

کمینه بارش سالانه

(mm)

میانگین دمای سالانه

c)°(

بیشینه مطلق دما

c)°(

کمینه مطلق دما

c)°(

میانگین نم نسبی

سالانه

(%)

میانگین ساعت

آفتابی سالانه

جمع تبخیر سالانه

(mm)

میانگین سرعت باد

m/s

جهت باد غالب

(درجه)

تعداد روزهای یخبندان

بیشینه ارتفاع برف

(cm)

4/416

7/599

9/226

1/5

6/27

23-

51

3110

1200

3/9

225

162

112

 

 

داده‌ها و روش انجام تحقیق

در این تحقیق به منظور بررسی نوسان ماهانه و فصلی ازون سطحی و همچنین رابطه بین فراسنج­های هواشناسی با ازون سطحی، از داده­های ازون سطحی و فراسنج­های هواشناسی، طی دوره آماری 5 ساله (2003- 1999) که براساس استانداردهای دیدبانی هواشناسی توسط کارشناسان بخش دیدبانی و با استفاده از تجهیزات اندازه‌گیری ازون سطحی و سنجنده­های هواشناسی مستقر در ایستگاه مورد مطالعه جمع­آوری گردیده؛ استفاده شده است. داده­های ازون سطحی از ایستگاه سنجش آلودگی زمینه جوّ فیروزکوه و آمار­های هواشناسی از اداره کل آمار و فن­آوری اطلاعات سازمان هواشناسی کشور اخذ گردیده است. متغیر ازون سطحی مورد بررسی در این تحقیق توسط دستگاه Ozone Analyzer و براساس مقایسه و سنجش "هوای بدون ازون" و "هوای دارای ازون" با سنجه­ اشعه­ ماورای بنفش ((UV و با یکای[5]ppb اندازه­گیری شده است. فراسنج­های هواشناسی مورد مطالعه شامل: دمای هوا با یکای اندازه­گیری درجه سلسیوس (c°)، رطوبت نسبی (%)، سرعت باد (نات)، بارش (میلی­متر)، فشارQFE  و QFF (هکتوپاسکال)، میزان ابرناکی (Octa) و ساعت آفتابی با استفاده از سنجنده­های هواشناسی مستقر در ایستگاه مذکور و براساس استانداردهای جهانی هواشناسی اندازه‌گیری شده‌اند و در مواردی نیز از پدیده­های جوی قابل ملاحظه و مؤثر در میزان ازون سطحی نظیر نوع بارش، مه، رعد و برق و ... استفاده شده است. برای انجام پژوهش ابتدا داده­های آماری تولید شده و پس از چک نمودن و اطمینان از صحّت داده‌ها، عملیات محاسباتی انجام شد و سپس به ­منظور تجمیع داده­ها در یک فضا و رسم نمودارهای هم زمان و امکان انجام تحلیل­های آماری، سطح معنی­داری، محاسبه هم­بستگی، رگرسیون و تهیه بانک اطلاعاتی برای کلیه داده‌های مورد مطالعه، از ماکروهای Excel و ابزارPivot Table استفاده گردید.

 

نتایج حاصل از بررسی نوسان ماهانه وفصلی ازون سطحی

در این پژوهش در مجموع برای هر فراسنج به ازای هر ساعت 1808 رکورد (در مجموع 9040 رکورد ثبت شده) مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت. مطابق نتایج به دست آمده میانگین ازون سطحی در ایستگاه PPb 1/54 با دامنه PPb 105 و انحراف معیار 2/10 می­باشد. بیشینه ازون سطحی در این ایستگاه به میزان PPb 125 مربوط به ساعتUTC 15 روز 27 می 2002 بوده و کمینه آن نیز با مقدار PPb 20 در ساعتUTC 06 روز 15 نوامبر 2003 ثبت شده است.

 

 

 

        

شکل شماره 6- نمودار فراوانی مشاهدات ازون سطحی

 


همان‌گونه که در شکل (6) مشاهده می­شود بیشترین فراوانی ازون سطحی مربوط به محدوده ppb 55-46 با 65/40 درصد می­باشد. علیرغم ثبت 79 رکورد بالاتر از ppb 85، این مقادیر در مجموع کمتر از یک درصد فراوانی را شامل شده است. همچنین نمودار فراوانی رسم شده نشانگر چولگی این فراسنج به سمت راست می­باشد. اینک به منظور سنجش تغییرات ازون سطحی، به بررسی نوسانات ماهانه و فصلی این فراسنج می­پردازیم:

 

تغییرات ماهانه

بررسی میانگین ماهانه ازون سطحی نشان می­دهد که کمینه این فراسنج در ماه دسامبر به میزان PPb 2/45 و بیشینه آن در ماه جون به میزان PPb 8/60 به­ دست آمده است که دامنه­ای در حد PPb 6/15 را نشان می­دهد. همان‌طور که در شکل (7) مشخص است؛ دامنه تغییرات در ماه دسامبر با PPb 49 کمترین و در ماه مارس با PPb 87 بیشترین مقدار را به خود اختصاص داده است. همچنین انحراف معیار ازن سطحی در ماه­های فوریه و دسامبر با PPb 8/5 کمترین و در ماه اکتبر با PPb 6/8 بیشترین مقدار است و نوسان بیشینه این فراسنج در ماه­های مختلف زیاد می­باشد.

 

 

 

تغییرات فصلی

برای بهار: ماه­های آوریل، می و جون (AMJ)، تابستان: ماه­های جولای، اگوست و سپتامبر (JAS)، پاییز: ماه­های، اکتبر، نوامبر و دسامبر(OND) ، و زمستان: ماه­های ژانویه، فوریه و مارس (JFM)، در نظر گرفته شده­اند.

بررسی میانگین فصلی ازون سطحی نشان می­دهد که کمینه این فراسنج در فصل پاییز به میزان PPb 3/47 و بیشینه آن در فصل بهار به میزان PPb 0/59 به دست آمده است که دامنه­ای در حد PPb 3/14 را نشان می­دهد. همان‌گونه که در شکل (8) مشخص است؛ دامنه تغییرات در فصل تابستان با PPb 0/68 کمترین و در فصل زمستان با PPb 99 بیشترین مقدار را به خود اختصاص داده است. همچنین انحراف معیار ازون سطحی در فصل تابستان با PPb 2/8 کمترین و در فصل پاییز با PPb 5/10 بیشترین مقدار است و نوسان بیشینه این فراسنج در فصل­های مختلف بیش از نوسان کمینه می­باشد که نشان دهنده تأثیر‌پذیری شدید این فراسنج از دما می­باشد.

 

 

 

شکل شماره 7- نمودار تغییرات ماهانه میانگین ازون سطحی طی دوره آماری 2003-1999

 

 

شکل شماره 8- نمودار تغییرات فصلی میانگین ازون سطحی طی دوره آماری 2003-1999


رابطه ازونسطحی با فراسنج­های هواشناسی

در این قسمت ابتدا به بررسی میزان هم­بستگی میانگین ازون سطحی با میانگین ماهانه فراسنج­های هواشناسی پرداخته می­شود و سپس به بررسی رابطه تغییرات میانگین ازون سطحی با میانگین فراسنج­ها در مقیاس ماهانه پرداخته می­شود.

جهت بررسی بهتر میزان همبستگی میانگین ازون سطحی با میانگین روزانه فراسنج­های هواشناسی روابط همبستگی مربوطه با مربع ضریب همبستگی و تعداد رکورد هر فراسنج در جدول (2) آورده شده است.

رابطه تغییرات ازون با میانگین ماهانه فراسنج‌های هواشناسی در  شکل­های (9) تا (17) ترسیم شده است.

مطابق شکل‌های (9) و (10) تغییرات ماهانه ازون با مقدار بارش ماهانه و میزان نم نسبی رابطه معکوس دارد. در صورتی ­که براساس شکل‌های (11) و (12) تغییرات دما و تندی باد تاثیری مثبت بر افزایش ازون ماهانه دارند.


 

جدول شماره 2- روابط هم­بستگی میانگین ماهانه ازون سطحی با میانگین ماهانه فراسنج­های هواشناسی و ضرایب مربوطه

فراسنج

رابطه

مربع  ضریب هم­بستگی r2

تعداد رکورد  N

میانگین ساعات آفتابی(hr)

y = 0.3022x - 7.7585

0.5181

60

میانگین دما (c)

y = 0.8845x - 42.327

0.3289

60

میانگین دید افقی (m)

y = 94.671x + 6378.3

0.1177

60

میانگین فشار سطح ایستگاه (QFE)

y = 0.1576x + 703.15

0.072

60

میانگین تندی باد (Knot)

y = 0.0106x + 9.6771

0.0006

60

میانگین فشار تبدیل شده به سطح دریا (QFF)

y = -0.8735x + 1061.1

0.4936

60

میانگین رطوبت نسبی (%)

y = -1.4625x + 129.69

0.3424

60

میانگین ابرناکی (octa)

y = -0.0908x + 7.7716

0.2082

60

جمع بارندگی (mm)

y = -1.079x + 87.128

0.0454

60

 

 

 

 

شکل شماره 9- نمودار تغییرات میانگین ازون سطحی با رطوبت نسبی        شکل شماره 10- نمودار تغییرات میانگین ازون سطحی با جمع بارش     

 

 

         شکل شماره 11- نمودار تغییرات میانگین ازون سطحی با تندی باد      شکل شماره 12- نمودار تغییرات میانگین ازون سطحی با دما

 

 

شکل شماره 13- نمودار تغییرات میانگین ازون سطحی با ساعات آفتابی  شکل شماره 14- نمودار تغییرات میانگین ازون سطحی با ابرناکی

 


براساس شکل (13) مقادیر میانگین ماهانه ازون سطحی در مقابل میانگین ساعات آفتابی ماهانه بطور مستقیم نسبت به ماه قبل تغییر ­نموده است. این نمودار نقش مستقیم ساعات آفتابی را در افزایش ازون به­ وضوح نشان می­دهد. در حالی­ که شکل (14) کاهش ازون را با افزایش ابرناکی نشان می­دهد.

شکل (15) رابطه مستقیم بین تغییرات ازون سطحی با مقادیر میانگین فشار QFE ماهانه را نشان می­دهد ولی براساس شکل (16) با تغییرات فشار QFF ماهانه رابطه معکوس دارد.    

 

 

شکل شماره 15- نمودار تغییرات ماهانه میانگین ازون سطحی با فشار QFF    شکل شماره 16- نمودار تغییرات ماهانه میانگین ازون سطحی با فشار QFE

 

شکل شماره 17- نمودار تغییرات ماهانه میانگین ازون سطحی با دید افقی

 


براساس شکل (17) تغییرات ازون با مقادیر میانگین دید افقی ماهانه هم رابطه مستقیم دارد.

در مجموع؛ تغییرات ماهانه ازون با تغییرات دما، ساعات آفتابی، فشار QFE، دید افقی و تندی باد رابطه مستقیم دارد ولی با تغییرات فشار QFF، بارش، نم نسبی و  ابرناکی رابطه معکوس دارد. 

 

نتایج و بحث

مطابق نتایج بدست آمده، میانگین ازون سطحی در ایستگاه PPb 1/54 می­باشد و  نمودار فراوانی نشان می‌دهد  که 70 درصد فراوانی ازون سطحی ایستگاه در محدوده ppb (65-46) قرار دارد و فراوانی رکوردهای بالاتر از ppb 66 کمتر از 12 درصد می‌باشد، به طوری که علیرغم ثبت 79 رکورد بالاتر از ppb 85، این مقادیر در مجموع کمتر از یک درصد فراوانی را شامل شده است.

از بررسی نوسان ماهانه و فصلی ازون سطحی چنین نتیجه می­شود که میانگین ماهانه ازون سطحی از ماه ژانویه شروع به افزایش نموده و در ماه جون به بیشینه خود می‌رسد. در نیمه دوم سال روند کاهشی تا دسامبر ادامه دارد. نکته قابل ذکر مربوط به کاهش بیش از روند میزان ازون سطحی در ماه جولای می­باشد که با بررسی به عمل آمده این کاهش ناشی از غلبه تأثیر فراسنج­های رطوبت نسبی، بارش و ابرناکی نسبت به ماه‌های قبل و بعد می باشد. ضمن آنکه شکل (13) نیز کاهش میزان ساعت آفتابی ماه جولای (به دلیل افزایش ابرناکی) و در نتیجه کاهش ازون سطحی را تأیید می­کند.

بررسی­ هم­بستگی بین فراسنج­های هواشناسی با ازون سطحی (جدول 2) بیانگر آن­ است که فراسنج­های: تندی باد، دما، فشار سطح ایستگاه (QFE) و ساعات آفتابی و دید افقی دارای رابطه مثبت بودند که بهترین رابطه به ساعات آفتابی تعلق گرفت و فراسنج‌های بارش، رطوبت نسبی، ابرناکی و میانگین فشار تبدیل شده به سطح دریا (QFF) دارای رابطه منفی بودند که بهترین رابطه به فشار QFF و رطوبت نسبی تعلق گرفت.

نتایج بدست آمده نشان می­دهد که فراسنج‌های هواشناسی مورد مطالعه؛ روابط معنی‌داری با تغییرات ازون سطحی دارند و تأثیر نقش هر یک از آنها در میزان ازون سطحی (کاهشی یا افزایشی) به طور جداگانه قابل ملاحظه است. علاوه بر آن؛ گاهی تأثیر توأم دو یا چند فراسنج هم‌سو و یا معکوس؛ در میزان ازون سطحی برجسته­تر می‌شود. به عنوان مثال: تأثیر توأمان بارش و رطوبت نسبی با نقش کاهشی در میزان ازون سطحی، بر نقش افزایشی دمای هوا غلبه می‌کند. (Angell, J. K., and Korshover, J., 1964, Horvath, M., Bilitzky, L., & Huttner, J. 1985, Kondratyev, K. Y., and Varotsos, C. A., 2000 Nair, P. R., et. Al. 2002)

بررسی تأثیر پدیده‌های هواشناسی بر ازون سطحی نشان می­دهد که پدیده‌های مؤثر بر کدری آسمان و گرد و خاک کاملاً گسترده در افزایش ازون سطحی تأثیر قابل ملاحظه­ای دارند. از سوی دیگر پدیده‌های: دمه، مه و مه یخی و انواع بارش­ها به ویژه برف با توجه به شرایط ایستگاه، نقش کاهشی خود را به ­وضوح نشان می­دهند.

 

نتیجه­گیری

با توجه به نمودار آمبروترمیک ایستگاه: دوره گرم سال (منظور ماه­های با میانگین دمای ماهانه بیش از 10 درجه سلسیوس)، یعنی ماه­های خرداد تا شهریور (جون تا سپتامبر)، به­ جز ماه تیر (جولای)؛ با افزایش ازون سطحی، و دوره سرد سال (منظور ماه­های با میانگین دمای ماهانه کمتر از 10 درجه سلسیوس) یعنی بقیه ماه­های سال به ­جز ماه فروردین (آوریل)؛ با کاهش ازون سطحی همراه است که نشان می­دهد تغییرات ازون سطحی در طی دوره­های گرم و سرد سال معنی­دار می‌باشد.

دوره خشک سال مطابق با ماه­های خرداد تا شهریور (جون تا سپتامبر)، با میانگین بارش ماهانه کمتر از 20 میلیمتر که منطبق بر دوره گرم سال نیز می­باشد؛ با افزایش ازون سطحی (به­ جز ماه جولای)، و دوره مرطوب (بقیه ماه‌های سال) با میانگین بارش ماهانه بیش از20 میلیمتر و منطبق بر دوره سرد سال؛ با کاهش ازون سطحی (به ­جز ماه مارس) همراه است که نشان می­دهد تغییرات ازون سطحی در طی دوره­های خشک و مرطوب سال معنی­دار می­باشد.

کاهش نسبی ازون سطحی در ماه­های آوریل و جولای (علیرغم افزایش دما) ناشی از افزایش بارش، افزایش ابرناکی آسمان (کاهش ساعت آفتابی) و افزایش رطوبت نسبی است (Nair, P. R., et al. 2002). از طرفی؛ عامل اصلی افزایش ازون سطحی در ماه مارس علی رغم افزایش بارش به عنوان عامل کاهنده ازون سطحی، ناشی از افزایش ازون جو بالا در فصل بهار و انتقال آن از پوشن سپهر به وردسپهر می­تواند باشد (بیدختی و شرعی­پور، 1386).

از دیگر یافته­های این تحقیق می­توان به تأثیر نقش شدت تندی باد اشاره کرد که در ایستگاه مذکور شدت تندی باد با جهت جنوب و جنوب غرب نقش فزاینده و شدت تندی باد با جهت شمال شمال شرق به دلیل تزریق رطوبت به منطقه نقش کاهنده در تراکم ازون سطحی دارد. هم­بستگی مثبت بین تندی باد و ازون سطحی نشان می­دهد که هر چه تندی باد بیشتر باشد مقدار ازون افزایش می­یابد. به بیانی دیگر باد می­تواند هوایی را که دارای ازون و یا سایر آلاینده­های بیشتری است؛ از منابع تولید کنندة آنها منتقل کند (.(Nair, P. R., et al., 2002

در مقیاس فصلی بیشترین مقدار میانگین ازون سطحی مربوط به فصل بهار و کمترین مقدار مربوط به فصل پاییز می‌باشد. همچنین بالاترین بیشینه در فصل بهار و پایین‌ترین کمینه در فصل پاییز رخ داده است. همچنین نمودار نشان می‌دهد که نوسان بیشینه این فراسنج در فصول مختلف بیش از نوسان کمینه می‌باشد که نشان‌دهنده تأثیرپذیری شدید این فراسنج از دما می‌باشد (KLEY et al., 1988)، (بیدختی و شرعی پور، 1386). علت این امر را نیز باید ابتدا در نقش محوری و اصلی ساعات آفتابی (نور خورشید) و دما در واکنش­های فتوشیمیایی تشکیل ازون که به نور خورشید نیازمند است، دانست (Jo, W. K & Park, J. H. 2005). از طرف دیگر با توجه به این­که یکی دیگر از منابع تولید ازون سطحی، در اثر انتقال و ریزش ازون طبیعی تولید شده در پوشن سپهر به وردسپهر می‌باشد و ازون جو بالا (پوشن سپهری) در فصل بهار افزایش می­یابد؛ می­توان دلیل افزایش ازون سطحی در فصل بهار را به آن نسبت داد



2. Global Atmospheric Watch

1. World Meteorological Organization

2- زمان محلی ایران  =  UTC + 3:30

 

1. “United Time Coordinated” OR “Global Mean Time” (زمان هماهنگ شده یکسان- زمان گرینویچ)

1. Part Per Billion  

  1. Afyooni, M., Erfanmanesh, M., 2008, pollution of Environment, water, soil & air, Tehran, Arkan danesh, 6rd reprint, 318 pp.
  2. Akbari nejad, S. J., 1996, Chemical reaction in Troposphere& Stratosphere, Journal of Nivar, No.31, p.43.
  3. Bikhokhti, A. A., Sharei pour, Z., 2007, Investigation of variations in surface ozone at synoptic meteorological station of jeophysic institute for year 2002, Journal of Ecology, No.42, p. 63.
  4. Tofangsazan, Gh., 1995, Established of GAW Station in Iran, Journal of nivar, No.26, p.32.
  5. Jafarpour, Ebrahim, 1988, climatology, Tehran University.
  6. Rahimzadeh, Fatemeh, 2011, Statistical methods in Meteorology and Climatology researches, Tehran, S., B., Hosseini, 1rd reprint, 423 pp.
  7. Sharei pour, Zahra, 2009, Investigation of daily &seasonal variations of air pollutants and relation with meteorological parameters, Journal of the Earth and Space Physics, No.2, pp.119-137.
  8. Shahrtash, Fatemeh, 2003, Process of photochemical surface ozone, Journal of Nuclear Science and Tehnology, No. 29.
  9. Safavi, s., y., and Alijani, B., 2006, Investigation of jeographical parameters in Tehran air pollution, Journal of jeographical reasershes, No.58, pp.99-112.
    1. Abbaspour, Majid, 2000, Ozone layer and Environment, Tehran, scientific publish center of Azad University.
    2. Abdollahzadeh, K., Abdolllahzadeh, y., The Applied Theory of Statistics & Probability, 2006, Tehran, Aeeizh, 3rd reprint, 356 pp.
    3. Alijani. B., and Kaviani, M., 2011, Fundamentals of Climatology, Tehran, samt, 16rd reprint, 584 pp.
    4. Angell, J. K., and Korshover, J., 1964, Quasibiennial variations in temperature, total ozone, and tropopause height, Journal of Atmospheric Science., No. 21, pp. 479-492.
    5. Bronnimann, Stefan, et al., 2001, Near-surface ozone in Switzerland: Trends and processes, Bern, Switzerland.
    6. Horvath, M., Bilitzky, L., & Huttner, J. 1985, Ozone, Elsevier Science Publishers, 350 pp.
    7. Colbeck & R. M. Harrison, Tropospheric Ozone., Jo, W. K., and Park, J. H., 2005, Characteristics of roadside air pollution in Korean metropolitan city (Daegu) over last 5 to 6 years: Temporal variations, standard exceedances, and dependence on meteorological conditions, Chemosphere, No.59, 1557-1573.
    8. Kondratyev, K. Y., and Varotsos, C. A., 2000, Atmospheric Ozone Variability: publisher praxis, 617 pp.
    9. Mn Rao & Hv Rao, 1989, Air Pollution, TATA McGRAW- Publishing Company Limited.
    10. Nair, P. R., et al. 2002. Temporal variations in surface ozone at Thumba (8.6 N, 77 E) a tropical coastal site in India. Atmospheric Environment. No.36, PP.603-610.
    11. Richard P. Wayne, 2000, Chemistry of Atmospheres, Third Edition, Oxford University Press.
    12. Sillman, S., Tropospheric Ozone, Smog and Ozone-Nox-VOC Sensitivity, http://www-personal.engin.umich.edu/~sillman.
    13. Stern, A. C. et al. 1984. Fundamentals of Air Pollution. AP.
    14. Turco, R. P. 1997. Earth under Siege from AirPollution.
    15. Wise, E. K., and Comrie, A. C., 2005, meteorologically adjusted urban air quality trends in the Southwestern United States, Atmospheric Environment., No. 39, pp. 2969-2980.