نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 استادیار سازمان هواشناسی کشور
2 کاشناس سازمان هواشناسی کشور
چکیده
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Intriduction
Air pollution in megacities is influenced by many factors such as the topography, meteorology, industrial growth, transportation systems, and expanding populations. Urban/industrial emissions from the developed world, and increasingly from the megacities of the developing world, change the chemical content of the downwind troposphere in a number of fundamental ways. Atmospheric pollution is becoming an increasingly critical problem to human health and welfare especially in megapolises. In fact, many factors affect air pollution and concentration of pollutants. Variations of meteorological conditions can play a vital role by influencing level of air pollutants. Variations in the physical and dynamic properties of the atmosphere on time scales from hours to days can play a major role in influencing the level of air pollutants. The surface wind field is important for pollution dispersion.Vertical thermal gradients can determine the extent to which pollutants are diffused through the atmospheric column. A large number of studies have conducted on the relationship between air pollution concentrations and meteorological conditions (e.g., Alijani 2004; Adamopoulos et al. 1996; Makra et al. 2007; McGregor and Bamzelis 1995; Davis and Kalkstein 1990b). This article investigates large-scale weather conditions that have caused severe air pollution episodes over Tehran area during the last decade (1999-2008).
Materials and methods
Air pollution episodes in urban areas follow certain pre-determined patterns, being associated with certain local meteorological conditions and emission of primary pollutants. In this article, the synoptic and local scale atmospheric circulation that prevails during air pollution episodes in a megacity, Tehran, is examined for a period of 10 years (1999-2008). This study investigates large-scale weather conditions that caused severe air pollution episodes over Tehran area during the last decade (1999-2008). Using 00UTC of Final analysis data set (FNL), daily meteorological parameters and Pollutant Standard Index (PSI) were investigated to relate synoptic characteristics of pressure patterns to the high levels of air pollutants. The pollutants considered in this study were only in the gaseous form which SPI values were more than 200.
Results and discussion
Four episodes with high pollution concentrations (PSI>200) were occurred in the city in the period and in spite of occurrence in different seasons, their pressure patterns have similar characteristics. High concentrations of air pollution occur exclusively, during dominance of high pressure over Zagros chains and thermal low pressure over the Caspian Sea, accompanied with an anticyclonic ridge in the midlevel atmosphere.
Results for the study period have clearly shown that anticyclonic conditions are associated with a higher frequency of severe air pollution episodes than synoptic conditions associated with cyclonic flow. This confirms results from elsewhere, which have shown a close relationship between anticyclonic conditions and high pollution loads (McGregor and Bamzelis, 1995, Kalkstein and Corrigan, 1986; Davis and Gay, 1993) often associated with anticyclonic conditions are weak winds, which limit ventilation and thus transport and dispersion of pollutants away from an area. Although the severe air pollution episodes have occurred in different seasons, the pressure patters of them have similar characteristics. The synoptic situations producing the severe air pollution events are typically anticyclone patterns that dominate over Tehran area with a high frequency. Results for the study period have clearly shown that high concentration of air pollutants occurred exclusively during thermal high pressure periods over Zagros chain and south Alborz chain of mountains and thermal low pressure over Caspian Sea along with an anticyclone-ridge in mid level atmosphere. Although exploratory in nature, study results suggest that a synoptic typing method may offer considerable scope for evaluating air pollution potential. Sometimes the large-scale weather conditions are the dominant influences and at others the local conditions are prevalent, although both of them are always present. As a general rule one can state that during strong synoptic pattern, characterized by strong winds, clouds, and, at times, precipitations, local influences are largely suppressed. However, when winds are weak and the sky is clear, the local effects control the lowest layer of the atmosphere (Landsberg, 1980).
Conclusion
This is significant, while there has been a decrease in the pressure gradient over Tehran area and the thermal low and thermal high pressure in the two side of Alborz Mountain certainly it appears air pollution potential in Tehran area. While these situations associated with a well developed ridge in the middle atmosphere, they are conducive to severe air pollutant built up in the atmospheric boundary layer due to suppression of vertical mixing heights and poor ventilation regimes. As on poor ventilation and vertical mixing days have the potential to build to considerable levels. The results show, in the severe pollution episodes of Tehran, the weak surface wind was observed over Tehran and west of the area. Boundary layer height limited to 50-200 meters above the surface. It is likely that such a configuration of calm conditions and atmospheric stability account for high concentrations of pollutants. In conclusion, synoptic and mesoscale weather classification is a useful tool for studying the air pollutant concentration and dispersion in a megacity such as Tehran.
کلیدواژه‌ها [English]
1 مقدمه
دو عنصر اصلی برای تغییر غلظت آلایندهها در جو، باد و بارش می‌باشند. اثر بارش بویژه بر روی ذرات معلق بارز بوده و سبب باران بردگی و آب بردگی ذرات معلق می‌شود(لندز برگ 1980). باد نیز سبب انتقال آلاینده ها(هم گازی و هم ذرات معلق) می شود. استقرار کم فشار حرارتی همراه با پر ارتفاع جنب حاره‌ای در فصل گرم و پرفشار از جمله زبانه‌های پرفشار سیبری در بعضی از روزهای فصل سرد سال بر روی منطقه سبب شده است که عمدتاً شرایط هواشناختی این منطقه در اغلب طول سال، شرایط کم‌بادی بوده و سامانه‌های جوی غالب، بیشتر سامانه‌های واچرخندی است. بنابراین احتمال وقوع شرایط هواشناختی پایدار که می‌تواند غلظت آلایندهها را تشدید کند، زیاد است.
سیکل روزانه گرمایش تابشی باعث سیکل روزانه شارهای گرمای نهان و محسوس بین زمین و جو شده بنا بر این تغییرات دما، رطوبت، باد و آلودگی هوا در لایه مرزی جو نیز دارای سیکل شبانه روزی می‌باشند. لایه مرزی جو مستقیماً تحت تأثیر واداشت[1]های سطحی از قبیل انتقال گرما، گسیل آلایندهها، کشال مالشی[2] و تبخیر و تعرق قرار داشته و ارتفاع آن توسط سامانه‌های فشاری جو و واداشتهای سطحی کنترل می‌شود(استال[3] 1988). طی دهه‌های اخیر افزایش جمعیت، رشد سریع صنعتی شدن و آزاد شدن مقادیر بسیار زیاد گازها و دیگر آلایندههای جوی ناشی از کارخانجات و وسایل نقلیه سبب آلودگی هوای کلان شهرها از جمله تهران شده است. شرایط جوی پایدار گاهی سبب می‌شود که آلودگی هوای تهران به وضعیت خطرناک و بحرانی برسد که می‌تواند آسیب‌های جبران ناپذیری را به سلامت شهروندان و محیط زیست وارد کند. مطالعات زیادی در خصوص ارتباط بین غلظت آلایندههای هوا و سامانه‌های همدیدی انجام شده است. ماکرا و همکاران[4](2007) با بررسی رابطه میان الگوهای جوی بزرگ مقیاس و آلودگی هوا نشان دادند که افزایش غلظت آلایندههای هوا در پیکزلی[5] در جنوب مجارستان, هم در تابستان و هم در زمستان در شرایط استقرار سامانه واچرخندی و پرارتفاع سطوح میانی جو رخ میدهد و کاهش آلایندهها نه فقط هنگام استقرار چرخندهای دینامیکی، بلکه به هنگام استقرار پرارتفاع هم می‌تواند روی دهد. مک گریگور و بیمزلیس[6](1994) ارتباط سامانه‌های همدیدی مختلف با آلودگی هوای بیرمنگام[7] را مطالعه کرده و نتیجه گرفتند در حالت بیشترین غلظت آلایندهها، واچرخند بر روی منطقه مستقر می‌شود. در حالیکه سامانه‌های چرخندی که با جریان‌های غربی شدید نیز همراه هستند در کاهش آلودگی هوا نقش بسیار مهمی دارند. مطالعات مشابه زیادی در خصوص شناسایی ارتباط سامانه‌های جوی و پارامترهای هواشناختی با آلودگی هوا انجام شده است که از جمله این مطالعات می‌توان به دیویس و گی[8] 1993، دیویس و کالکشین[9] 1990، آدامپولوس[10] و همکاران 1996 ، دیویس[11] و همکاران 1992، ازکورا[12] و همکاران 1988، سایندوسی[13] و همکاران 2003، اسکوت و دایب[14] 2000، لام و چانگ[15] 1998، اشاره نمود. همچنین صفوی و علیجانی 1385عوامل جغرافیایی در آلودگی هوای تهران را بررسی کردند. آنها نتیجه گرفتند که عوامل جغرافیایی در آلودگی هوای تهران بسیار مؤثر است و استقرار سامانه‌های پرفشار در فصل زمستان سال دلالت بر شرایط مناسب برای پایداری هوا است. علیجانی 2004 رابطه بین تغییرات فشار ایستگاه هواشناسی مهرآباد و بعضی از آلایندههای هوا در ایستگاه سنجش آلودگی هوا واقع در خیابان ویلا را بررسی کرده و نتیجه گرفته که بین روند تغییرات CO و فشار همبستگی مثبت وجود دارد و همچنین با استفاده از دادههای NCEP[16] الگوهای جوی روزهای آلوده را به شش تیپ هوایی به شرح: واچرخند شمالی، واچرخند سیبری، واچرخندغربی، کم فشار خراسان، و تیپ مداری بندی کرده و نتیجه گرفته که بیشتر تیپ‌ها در پاییز فراوانتر بودندو توالی‌های آلوده طولانی مدت توسط تیپ مداری و توالی کوتاه مدت توسط الگوی کم فشار خراسان تولید شده‌اند. هی[17] و همکاران(2006) مطالعه‌ای در خصوص دیدبانی و مدل سازی عمق لایه مرزی جو شهری و تکامل آن، با استفاده از دادههای رادیوسوند و سنجش از دور انجام داده و نتیجه گرفتند که استفاده از دادههای لیدار برای مدل سازی پخش و انتقال آلودگی هوا بسیار سودمند است.آمار ده ساله شاخص استاندارد آلودگی هوای تهران نشان میدهد که بیش از 891 روز کیفیت هوای تهران در شرایط ناسالم و بسیار ناسالم قرار داشته است. با توجه به خسارات جانی و مالی فروانی که آلودگی هوا می‌تواند در پی داشته باشد، مطالعه همدیدی سامانه‌های جو بمنظور شناخت پتانسیل آلودگی هوای تهران حائز اهمیت است. لذا در این مطالعه با توجه به اهمیت موضوع، میدانهای فشار، ژئوپتانسیل و باد سامانه‌های همدیدی حاکم بر روی منطقه از سه روز قبل از اینکه شرایط حاد آلودگی هوای تهران رخ دهد بررسی شده است
2 روش مطالعه
در این مطالعه بر اساس داده های غلظت آلاینده های اصلی و شاخص استاندارد آلودگی[18] PSI)) که توسط شرکت کنترل کیفیت هوای تهران دیدبانی و محاسبه شده، روزهای بسیار آلوده (200 <PSI <300) تهران طی دهه اخیر (از سال 1999 تا 2008) مشخص می شود. جدول شماره (1) کیفیت هوا را بر اساس مقدار PSI نشان میدهد.
جدول شماره(1) طبقه بندی کیفیت هوا بر اساس PSI
|
خطرناک |
بسیار ناسالم |
ناسالم |
سالم |
پاک |
وضعیت هوا |
|
300< |
300-200 |
200-100 |
100-50 |
50-0 |
PSI |
جدول شماره(2) شاخص استاندارد آلودگی هوا و روزهایی که آلودگی بسیار شدید تهران رخ داده است را نشان میدهد. برای بررسی ویژگی‌های سامانه‌های جوی حاکم در این روزها، میدانهای فشار سطح دریا, ارتفاع لایه مرزی, بی هنجاری‌های ارتفاع سطوح 1000 و 500 میلی‌باری, ارتفاع ژئوپتانسیلی و باد ارتفاع 10متری سطح زمین و ترازهای فشاری، 850، 700، 500، 300، 250 و 200 میلی‌باری بر اساس دادههای تحلیل نهایی[19] از چند روز قبل (حداقل سه روز قبل) از وقوع شرایط بسیار ناسالم مطالعه شده است. دادههای تحلیل نهایی حاصل انجام داده گواری[20] با لحاظ کردن دادههای دیدبانی شده ایستگاههای هواشناسی است. پس پیاده سازی دادهها و تغییر فرمت آنها توسط نرم افزار گردز[21] نقشه‌ها هواشناسی سطوح استاندارد، فشار سطح دریا، میدانهای باد ،ارتفاع ارتفاع ژئوپتانسیل و ارتفاع لایه مرزی بررسی می‌شود. شایان ذکر است که با توجه به تشابه شکلها و جلوگیری از حجم زیاد مقاله، فقط تعدادی از نقشه‌ها برای ساعت 00UTC آورده شده است.
جدول شماره(2) شدیدترین آلودگی‌های گازی (CO) هوای تهران از سال 1999 تا 2008
|
دسامبر 2003 |
آگوست 2003 |
سپتامبر 2002 |
نوامبر 2001 |
سال |
||||||||||
|
17 |
16 |
15 |
13 |
12 |
11 |
10 |
9 |
8 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
روز |
|
237 |
106 |
101 |
204 |
198 |
184 |
145 |
216 |
175 |
146 |
221 |
208 |
184 |
149 |
PSI |
3 بحث همدیدی
3-1 میدان فشار
میدان فشار تراز دریا برای روزهای ذکر شده در جدول شماره (2) در شکلهای 1 تا 5 نشان داده شده است. در همه این شکلها مراکز و زبانه‌های فشار کم با حرف L و رنگ قرمز، مراکز و زبانه‌ها فشار زیاد با حرف H و رنگ آبی و تهران با حرف T نشان داده شده‌اند. برای روز سوم نوامبر 2001 (شکل 1) سامانه کم فشار بر روی خزر و سامانه پرفشار در اکثر نقاط کشور از جمله تهران مستقر است. کلان شهر تهران تحت تأثیر زبانه پرفشار بوده و گرادیان فشاری ضعیفی بر روی رشته کوههای البرز و زاگرس دیده می شود. در روز بعد(4 نوامبر 2001) سامانه کم فشار از روی خزر عبور نموده و سامانه پرفشار بر روی نواحی شمال کشور همراه با گرادیان فشاری بسیار کم قرار می گیرد. در دو روز بعد سامانه کم فشار بین دو سامانه پرفشار واقع شده، بگونه‌ای که منطقه تهران بین دو سامانه پرفشار و کم فشار قرار گرفته است. میدان فشاری نقشه‌های دهم تا سیزدهم آگوست 2003 بیانگر تقویت و گسترش سامانه کم فشار تا شمال دریای خزر و پرفشار بر روی زاگرس است(شکل 2). با تقویت و گسترش سامانه پرفشار از سمت ترکیه، ضمن ایجاد کمرند پرفشاری در عرضهای میانی (حدود 42 درجه جغرافیایی) سامانه پرفشار در بخشهای شمالی خزر مستقر می‌گردد اما نواحی جنوبی دریای خزر همچنان تحت تأثیر سامانه کمفشار حرارتی قرار دارد. در نواحی شمال شرقی کشور طی این چهار روز سامانه پرفشار مستقر می‌باشد(شکل 2) و مانند حالت قبل(5 و 6 نوامبر 2001) سامانه کم فشار بین دو سامانه پرفشار قرار می‌گیرد. مورد مطالعه بعدی که مربوط به هشتم و نهم سپتامبر 2002 است (شکل 4) مشابه حالت قبل سامانه کم فشار مستقر در منطقه بین دو سامانه پرفشار(روی زاگرس و شمال شرق کشور) قرار گرفته است. در روزهای شانزدهم و هفدهم دسامبر 2003 سامانه پرفشار بر روی اکثر نقاط کشور از جمله جنوب البرز قرار گرفته و سامانه کم فشار گسترده‌ای نیز در روی دریای خزر و نواحی شمال غربی واقع شده است(شکل 4).
شکل(1) میدان فشار سطح دریا به فواصل mb2 مربوط به سامانه های فشاری حاکم در روزهای با آلودگی
شدید هوای تهران 3/11/2001 تا 6/11/2001.
شکل(2) میدان فشار سطح دریا به فواصل mb2 مربوط به سامانه های فشاری حاکم در ساعت 0000UTC روزهای با
آلودگی شدید هوای تهران 10/08/2003 تا 13/08/2003.
الگوهای فشاری ساعت UTC1200 روزهای دهم تا سیزدهم آگوست 2003 در شکل (3) نشان داده شده است. برای روز دهم در این ساعت زبانه پر فشار از سمت دریای سیاه بر روی خزر گسترش یافته است. همچنین نفوذ این زبانه پرفشار از سمت جنوب غرب دریای خزر سبب ادغام آن با پر فشار روی زاگرس شده است. زبانه کم فشار در این ساعت مانند ساعت UTC0000 از نواحی شرقی کشور تا جنوب شرق دریای خزر گسترش یافته است. همچنین در این ساعت سامانه پرفشار واقع در شمال شرق کشور نسبت به ساعت UTC0000 ضعیف شده و بصورت یک زبانه پرفشار ضعیف در آمده است. بطور کلی نقشه های ساعت UTC1200 روزهای دهم تا دوازدهم آگوست 2003 همچنان استقرار سامانه پرفشار بر روی زاگرس و نواحی جنوبی البرز، زبانه پرفشار در بخشهای شمال شرقی کشور و گسترش زبانه کم فشار از نواحی شرقی کشور تا جنوب شرق دریای خزر را نشان می دهند هر چند که اغلب شدت آنها نسبت به ساعت UTC0000 ضعیف شده است. در روز سیزدهم آگوست 2003 زبانه سامانه پرفشار واقع در نواحی شمالی خزر ضمن گسترش بر روی خزر تا روی تهران نیز کشیده شده است و پرفشار روی زاگرس نسبت به ساعت UTC0000 ضعیف شده و کم فشار مستقر در جنوب شرق دریای خزر از بین رفته است. که از آن به بعد غلظت آلاینده ها در تهران روند کاهشی داشته است. با توجه به تغییرات ایجاد شده در ساعت UTC1200 در مقایسه با ساعت UTC0000 از جمله تضعیف سامانه پرفشار روی زاگرس و نواحی شمال شرقی کشور و همچنین کم فشار واقع در روی خزر بنظر می رسد که در ساعات شب مناطق کوهستانی زاگرس و شمال شرقی کشور در تقویت سامانه پرفشار در این مناطق و دریای خزر در شکل گیری سامانه کم فشار نقش مهمی داشته باشند
شکل(3) میدان فشار سطح دریا به فواصل mb2 مربوط به سامانه های فشاری حاکم در ساعت 1200UTC روزهای با
آلودگی شدید هوای تهران 10/08/2003 تا 13/08/2003.
شکل(4) میدان فشار سطح دریا در در ساعت 0000UTC روزهای 8/9/2002، 9/9/2002، 16/12/2003 و 17/12/2003 مربوط به سامانه‌های فشاری حاکم در روزهای با آلودگی شدید هوای تهران.
در نقشه های ساعت UTC1200 روزهای هشتم و نهم سپتامبر 2002 نیز گسترش زبانه کم فشار از نواحی جنوب شرقی کشور تا مرز شرقی خزر و غرب ترکمنستان و استقرار زبانه پرفشار در نواحی شرقی زاگرس و همچنین زبانه پرفشار دیگری از شمال دریاچه آرال تا نواحی شمال شرقی کشور دیده می شوند( شکل 5). مقایسه این الگوها با ساعت UTC0000 بیانگر تضعیف زبانه‌های پرفشار و همچنین زبانه کم فشار در نواحی جنوب شرقی دریای خزر می‌باشد. نقشه‌های ساعت UTC1200 روزهای شانزدهم و هفدهم دسامبر 2003 بیانگر استقرا سامانه کم فشار در شمال البرز و پرفشار در جنوب البرز می باشند. برای روز شانزدهم سامانه کم فشار روی خزر نسبت به ساعت UTC0000 در تقویت شده و زبانه این مرکزی خزر تا مرزهای شمال شرقی ایران امتداد یافته است. اما زبانه کم فشاری که در ساعت UTC0000 از بخشهای جنوب شرقی دریا به عرضهای پایین کشیده شده بود در این ساعت(1200) از بین رفته است. همچنین سامانه پرفشار واقع در روی زاگرس نیز تضعیف شده است. در روز هفدهم دسامبر سامانه کم فشار علاوه بر خزر در نواحی شرقی آن نیز گسترده شده و زبانه کم فشاری نیز از نواحی جنوب شرقی دریای خزر تا روی سمنان و نواحی جنوبی تر نفوذ کرده است. سامانه پرفشار بر روی زاگرس و نواحی جنوبی البرز همچنان مستقر است.
شکل(5) میدان فشار سطح دریا در در ساعت 1200UTC روزهای 8/9/2002، 9/9/2002، 16/12/2003 و 17/12/2003 مربوط به سامانه‌های فشاری حاکم در روزهای با آلودگی شدید هوای تهران.
بررسی میدانهای فشاری سامانه‌های جوی حاکم بر روی ایران در روزهای مورد نظر، که از سه روز قبل از وقوع شرایط حاد آلودگی هوای تهران انجام شده است نشان می‌دهند که شباهتهایی از نظر نوع سامانه و محل استقرار آنها وجود دارد. از جمله این تشابها می توان به استقرار سامانه پرفشار بر روی زاگرس و نواحی جنوبی البرز، و سامانه پر فشار دیگری در بخشهایی از شمال شرق کشور و همچنین وجود زبانه کم فشار در نواحی جنوب شرق دریای خزر اشاره کرد. البته شدت و میزان گسترش هر یک از این سامانه و در زمانهای مختلف متفاوت است. معمولاً در روزهای رخداد آلودگی‌های شدید هوا در تهران، اغلب منطقه تهران در مرز زبانه پرفشار مستقر بر روی زاگرس و زبانه کم فشار واقع در جنوب شرق خزر و شرق تهران قرار می‌گیرد به نظر میرسد وجود دریای خزر به عنوان یک منبع گرم در شب هنگام و مناطق کوهستانی زاگرس و نواحی شمال شرق کشور و همچنین خشکی‌های جنوبی البرز به علت تابش شبانه و سردی هوا نقش مهمی در ایجاد و یا شکل‌گیری سامانه‌های فشاری داشته باشد. در بخشهای بعدی نشان داده خواهد شد که طی روزهای بسیار آلوده تهران در تراز میانی جو پشته ارتفاعی حاکم می‌شود بنا بر این کم فشار واقع در جنوب شرق دریای خزر ماهیت حرارتی داشته ولی پرفشار روی زاگرس و نواحی جنوبی البرز می‌تواند ترکیبی از ماهیت حرارتی و دینامیکی داشته باشد. استقرار سامانه پرفشار بر روی زاگرس و نواحی جنوبی البرز و کم فشار بر روی جنوب شرق خزر, سبب ایجاد نیروی گرادیان فشاری ضعیفی شده که جریِانات ضعیف جنوبی و جنوبغربی سطح زمین را در پی خواهد داشت(شکل 6). در این شرایط با توجه به توپوگرافی نواحی شمال و شرق تهران شرایط مساعدی برای انباشت آلایندهها بر روی سطح شهر فراهم می شود. همچنین در صورت استقرار پرفشار در بخشهای جنوبی و کم فشار در نواحی جنوب شرقی خزر می‌تواند شدت و برد جریانات حرارتی کوه به دشت شبانه را محدود سازد که در اینصورت انتقال و پخش آلاینده ها در سطح کوچکتری انجام می شود و شرایط برای افزایش غلظت آنها می تواند بهتر فراهم شود.
شکل(6) میدانهای باد ارتفاع 10متری و فشار سطح دریا در ساعتهای 000 و UTC1200 روزهای 8/9/2002 و 16/12/2003
مربوط به سامانه‌های فشاری حاکم در روزهای با آلودگی شدید هوای تهران.
3-2 میدان ژئوپتانسیل
میدان ژئوپتانسیل تراز 850 میلی باری مربوط به روزهای بسیار آلوده تهران در شکل 7 نشان داده شده است. در روز هشتم سپتامبر 2002 روی اکثر نقاط کشور بویژه نواحی جنوبی البرز سامانه پرارتفاع با گردیان کنتوری خیلی کم مشاهده می‌شود. همچنین سامانه پر ارتفاعی که در شمال دریاچه آرال قرار گرفته و مرکز آن با پربند 160 ژئوپتانسیل دکامتر بسته شده است. محور کم ارتفاع بسیار ضعیفی از جنوب شرق ایران تا شمال آذربایجانها کشیده شده است. الگوی میدان ژئوپتانسیل تراز 850 میلی باری برای روز دوازدهم آگوست 2003 تقریباً مشابه حالت قبل می‌باشد اما سامانه پرارتفاع شمال آرال تضعیف شده و مرکز آن با پربند 156 ژئوپتانسیل دکامتر بسته شده است ولی زبانه آن تا جنوب شرق خزر گسترش یافته است. همچنین پر بند 150 ژئوپتانسیل دکامتر نسبت به حالت قبل به عرضهای جنوبی‌تر آمده است. ناوه ارتفاعی از شرق کشور تا نواحی مرکزی و پشته ارتفاعی از نواحی شرقی زاگرس تا جنوب شرق کشور کشیده شده است. در روز پنجم نوامبر 2001 سامانه پرارتفاع بر روی کشور مستقر است . بنا بر این برای هر سه حالت سامانه کم فشار واقع در جنوب شرق خزر با پر ارتفاع تراز 850 هکتوپاسکالی همراهی می‌شود. در روز هفدهم دسامبر 2003 سامانه پر ارتفاع در جنوب البرز و کم ارتفاع بر روی نیمه شمالی خزر حاکم است(شکل 7).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
شکل(7)میدانهای ارتفاع ژئوپتانسیلی تراز 850 میلی‌باری برحسب دکامتر مربوط به ساعت 0000UTC روزهای با آلودگی شدید هوای تهران.
در تراز 500 هکتوپاسکالی برای روزهای هشتم سپتامبر 2002 و دوازدهم آگوست 2003 با گسترش سامانه پرارتفاع جنب حاره‌ای بالاتر و ترکیب احتمالی آن با توده هوای گرم عرضهای بالا سبب شده که پشته ارتفاعی تا شمال غرب دریاچه آرال امتداد یابد(شکل 8). همچنین به موجب استقرار دو سامانه کم ارتفاع در دو طرف آن، پشته ارتفاعی نیز فشرده شده است، بطوریکه جریانات جنوبغربی در روی شمال غرب و جریانات شمالی و شمال شرقی در نواحی شمال شرقی کشور قرار می‌گیرد. برای این دو حالت گرادیان کنتوری بسیار ضعیفی بر روی منطقه تهران قرار دارد. در روز هشتم سپتامبر 2002 پشته ارتفاعی عمیقی از جنوب غرب کشور تا شمال غرب دریاچه آرال گسترش یافته است بطوریکه محور پشته تقریباً از روی تهران عبور می‌کند. اما برای روز 12 آگوست محور پشته ارتفاعی از غرب ایران تا شمال دریاچه آرال امتداد یافته و منطقه تهران در شرق این محور واقع شده است(شکل 8). در مورد بعدی(روز پنجم نوامبر 2001) پشته ارتفاعی از نواحی غربی کشور تا شرق دریای خزر گسترش یافته است. در روز هفدهم دسامبر 2003 محور پشته ارتفاعی از نواحی غربی کشور تا شمال دریای خزر امتداد یافته است(شکل 8). بنا بر این برای دو مورد آخر منطقه تهران در شرق محور پشته ارتفاعی واقع شده است. همچنین گرادیان کنتوری برای روزهای آلوده شدیدی که در فصل گرم رخ داده در مقایسه با حالتهایی که در فصل سرد رخ داده بسیار ضعیف‌تر است.
از چهار حالت آلودگی شدید رخ داده در تهران برای سه حالت از آنها، منطقه تهران در پایین دست محور پشته قرار گرفته است که به علت همگرایی جریانات سطوح فوقانی و اثر فرارفت تاوایی پتانسیلی، سبب فرونشینی هوا در منطقه می‌گردد(هولتون 1979). نتایج حاصل از پروژه ای که برای پیش بینی کیفیت هوا توسط آژانس محیط زیست آمریکا انجام شده، نشان داد که شرایط مناسب برای ایجاد پایداری هوا که باعث افزایش غلظت آلایندهها می‌گردد می‌تواند هم در نواحی شرقی سامانه پر فشار سطح زمین همراه با شرق محور پشته ارتفاعی در تراز میانی جو باشد و هم در نواحی غربی سامانه پر فشار سطح زمین همراه با غرب محور پشته ارتفاعی در تراز میانی جو باشد(شکل 9). البته این الگوها در نقاط مختلف یکسان نیستند اما بنطر میرسد سامانه‌های فشاری که منجر بوقوع پایداریهای شدید هوای تهران می‌شوند اغلب از الگوی اول (a وb شکل 9) پیروی می‌کنند.
شکل(8)میدانهای ارتفاع ژئوپتانسیلی تراز 500 میلی‌باری برحسب دکامتر مربوط به ساعت 0000UTC روزهای با آلودگی شدید هوای تهران.
شکل(9) نمونه‌ای از میدانهای فشار سطح زمین و ارتفاع ژئوپتانسیلی تراز 500 میلی‌باری برای رخداد شرایط پایدار جوی و افزایش غلظت آلایندهها. خط-نقطه چین محور پشته و مربع محل وقوع پایداری شدید هوا.
3-3 بی هنجاری‌های ارتفاع سطوح 1000 و 500 میلی‌باری
از بیهنجاریهای ارتفاعی ترازهای 1000 و 500 میلی‌باری که مقدار انحراف از میانگین ارتفاعی همان تراز را نشان میدهد، بعنوان معیاری برای بررسی شدت تغییرات سامانه‌های فشاری می‌توان استفاده کرد. برای هر سطح فشار ثابت(که در اینجا تراز 1000میلی باری), افزایش ارتفاع هر ناحیه بیانگر استقرار و یا تقویت پرفشار در آن ناحیه بوده و همچنین کاهش ارتفاع در منطقه بمنزله استقرار و یا تقویت کم فشاردر آن منطقه است. بی هنجاری‌های ارتفاع تراز 1000 میلی‌باری برای حالتهای موردی بسیار ناسالم هوای تهران، کاهش در شمال البرز(روی خزر) و افزایش قابل ملاحظه در روی زاگرس و جنوب البرز را نشان میدهد(شکل10). به عبارت دیگر در اغلب این حالت‌ها سامانه پرفشار در روی زاگرس و نواحی جنوبی البرز و کمفشار در شمال البرز (روی خزر) تقویت می‌شود. در هوای سرد(بویژه در شب) به علت تابش شبانه و سردی هوا در روی خشکی شرایط برای ایجاد پرفشار حرارتی مناسب بوده که این حالت با توجه به پوشش برفی زاگرس و استقرار هوای سرد در فصل سرد بر روی آن تشدید می شود. بنابر این بی هنجاری‌های مثبت ارتفاعی تراز 1000 میلی‌باری در روی زاگرس و نواحی جنوبی البرز که با ایجاد سامانه پرفشار همراهی می شود و بی هنجاری‌های منفی ارتفاعی تراز 1000 میلی باری در شمال البرز و روی خزر شرایط مناسبی برای افزایش پتانسیل آلودگی هوای تهران فراهم می آورد.
بیهنجاریهای ارتفاع تراز 500 میلی‌باری(شکل 11) برای همه حالت‌ها افزایش قابل ملاحظه‌ای نسبت به مقدار میانگین نشان میدهد. محور بیشترین افزایش‌ها از شمال شرق دریای خزر تا نواحی غربی کشورگسترده شده و در حقیقت استقرار و یا تقویت زیاد پرارتفاع در عرضهای بالا و اکثر نقاط کشور را نشان میدهد. محور بیشینه بیهنجاریهای مثبت ارتفاع تراز 500هکتو پاسکالی با محور پشته ارتفاعی این تراز (شکل 8) هماهنگ است و معمولاً منطقه تهران در شرق محور پر ارتفاع قرار می‌گیرد(شکل 11).
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
شکل(10) بی هنجاری‌های ارتفاع تراز mb1000 برای ساعت 0000UTC روزهای بسیار ناسالم تهران. مقادیر مثبت(خطوط قرمز) استقرار و یا تقویت پرفشار و مقادیر منفی(خطوط آبی) استقرار و یا تقویت کمفشار را نشان می‌دهند.
|
|
|
|
شکل(11) بی هنجاری‌های ارتفاع تراز mb500 برای ساعت 0000UTC روزهای بسیار ناسالم تهران. مقادیر مثبت(خطوط قرمز) استقرار و یا تقویت پرارتفاع و مقادیر منفی(خطوط آبی) استقرار و یا تقویت کم‌ارتفاع را نشان می‌دهند.
با توجه به موارد بالا و اینکه در حالت کلی سه فرآیند: 1- سرمایش تابشی(که سبب ایجاد وارونگی های تابشی شبانه می گردد) 2- فرارفت هوای سرد در لایه های پایین جو و 3- فرارفت هوای گرم در سطوح بالا(که می تواند موجب افزایش ارتفاع تراز 500 میلی باری شود) بر روی زمین سرد، موجب پایداری شدید جو می شوند، بنا بر این بنظر می رسد برای حالتهای که در این مطالعه بررسی شده اند، فرآیندهای غالب سرمایش تابشی شبانه و فرارفت هوای گرم در سطوح بالاتر باشد که این مورد نیاز به بررسی بیشتری دارد.
3-4 میدان باد
باد سطح زمین و ترازهای پایین جو مؤثرترین فاکتور هواشناختی است که سبب جابجایی آلایندهها در هوا می‌شود. در محیط‌های شهری باد سطح زمین نقش اصلی را در انتقال و پخش آلودگی هوا و کاهش غلظت آلایندهها دارد. بنا بر این کاهش غلظت آلاینده ها می تواند در اثر انتقال آنها به مناطق دیگر و یا پخش آنها در فضای بیشتر صورت گیرد. بررسی میدان باد می تواند از نظر بزرگ مقیاس(همدیدی)، منطقه‌ای، و محلی مورد بررسی قرار گیرد. موقعیت جغرافیایی خاص تهران به لحاظ وجود کوههای مرتفع در اطراف آن و در اثر تغییرات افقی دمای هوا، بادهای محلی نسبتاً ملایمی را ایجاد می‌کند. در طول روز این جریانات حرارتی از سمت دشت به کوه بوده و با توجه به کوههای مرتفعی که در شمال و شرق تهران قرار گرفته که در صورت نبود واداشت همدیدی مناسب، انتقال آلایندهها از سطح شهر بخوبی انجام نمی‌شود. البته در صورت وجود لایه آمیخته با ارتفاع مناسب، شرایط برای پخش آلاینده ها در فضای بیشتری در راستای قائم فراهم می شود که پی آمد آن کاهش غلظت آنها در سطح زمین خواهد بود بنا بر این در شرایط باد کم و لایه آمیخته کم ارتفاع، رشته کوههای مرتفع واقع در شمال و شرق تهران از تخلیه هوای آلوده سطح شهر در طول روز جلوگیری می‌کنند. در شب نیز به علت تابش شبانه و پایداری هوا ضمن تشکیل لایه ای با وارونگی دما، ارتفاع لایه آمیخته نیز کاهش می یابد. با توجه به اینکه در صورت نبود واداشت همدیدی قوی(مانند فعالیت کم فشارهای دینامیکی) جریانات حرارتی شمالی(کوه به دشت) در روی تهران میتوانند غالب باشند و سبب پخش و انتقال آلایندهها در فضای بیشتری شوند. در زمان آلودگی بسیار شدید هوای تهران، شرایط هواشناختی بگونه‌ای است که منجر به وجود بادهای کم سرعت(شکل 12) و هوای پایدار در منطقه می‌شود و انتشار آلایندهها مختل می‌گردد. همچنین استقرار سامانه پرفشار بر روی زاگرس و نواحی جنوبی البرز می تواند شدت و برد جریانات کوه به دشت شبانه را محدود سازد. برای حالتهای بسیار آلوده که در فصل گرم (تابستان) روی داده است، سرعت باد در کلیه ترازهای جو کم بوده بطوریکه بیشترین باد ترازهای فوقانی (مانند mb200) جو کمتر از m/s20 است. برای حالتهای بسیار آلوده که در فصل سرد رخ داده، سرعت باد در ترازهای پایین جو کم و در ترازهای فوقانی (مانند mb200) حدود m/s(50-40) است(شکلهای 13 و 14). گسترش کم فشار گرمایی همراه با پر ارتفاع جنب حاره‌ای به عرضهای جغرافیایی بالاتر در تابستان سبب می شود که محور جت جنب حاره ای به عرضهای جغرافیایی بالاتر منتقل شده و بر روی ایران منطقه کم باد ایجاد می‌شود و در فصل سرد بدلیل تضعیف پرارتفاع جنب حاره‌ای، محور جت به عرضهای پایین‌تر منتقل می‌شود(کوتسواران، 1978). با توجه به جهت شمال غربی جت در روی منطقه تهران (شکلهای 13 و14 ) و اینکه پشته کنتوری برای روز پنجم نوامبر 2001 و روز هفدهم دسامبر 2003 در غرب تهران قرار گرفته است(شکل 14). در بخشهای شرقی پشته (روی تهران) بدلیل همگرایی جریانات سطوح فوقانی، فرونشینی در شرق پشته (روی نواحی تهران) ایجاد می‌شود. بنابراین در صورت استقرار سامانه‌های پرفشار بعلت همگرایی در سطوح فوقانی با فرونشینی که ایجاد می‌شود عمق لایه مرزی جو کاهش می یابد(استال 2000). از پرفشارهای مهمی که کشور را تحت تأثیر قرار دهند می‌توان به پرفشار فصلی سیبری و پرفشارهایی که با عبور از روی اروپا از سمت شمال غرب به کشور نفوذ کرده اشاره نمود(علیجانی 2004). در زمان استقرار سامانه‌های پرفشار که کاهش عمق لایه آمیخته را در پی دارد، پخش آلایندهها در راستای قایم نیز کاهش می‌یابد و آلایندهها تنها در یک لایه نازک هوا در نزدیکی سطح زمین انباشته می‌شوند. در شرایطی که سرعت باد سطح زمین هم کم باشد پخش افقی آلایندهها نیز کاهش یافته و در صورت عدم کنترل منابع انتشار، غلظت آلایندهها افزایش می‌یابد و آلودگی هوا می‌تواند به حالت بسیار ناسالم خود برسد.
|
|
|
|
شکل(12) میدان باد سطح زمین (ارتفاع m10) بر حسب kt در ساعت 0000UTC روزهای بسیار ناسالم تهران
|
|||||||||||
|
|||||||||||
|
|||||||||||
|
|
||||||||||
شکل(13) میدان باد (بر حسب متر بر ثانیه) و ارتفاع ژئوپتانسیل(بر حسب دکامتر) تراز mb200 در ساعت 0000UTC
روزهای بسیار ناسالم تهران
شکل(14) جت استریم‌های تراز mb200 در ساعت 0000UTC روزهای بسیار ناسالم تهران
4 بحث ارتفاع لایه مرزی
عمق لایه مرزی بر حسب زمان- مکان متغیر بوده و در محدوده‌ای بین چند صد متر تا چند کیلومتر تغییر می‌کند. میانگین گسترش این لایه در عرضهای میانی کمتر از یک کیلومتر است(استال 1988). عمق لایه مرزی تابعی از پایداری و ناپایداری جو است و بستگی به سامانه‌های همدیدی حاکم بر منطقه دارد. در روی خشکی‌ها و اقیانوس‌ها عمق لایه مرزی در نواحی پرفشار کمتر از نواحی کمفشار است(استال 1997). بنا براین در شرایط استقرار سامانه‌های پرفشار، عمق لایه مرزی کاهش می‌یابد. بطور کلی عمق لایه مرزی کمیتی است که امکان انتشار قائم آلایندهها را فراهم می‌آورد که در تغییرات غلظت آلایندهها در سطح زمین نقش مهمی دارد. برای پخش آلایندهها در حجم بیشتری از فضا به ارتفاع لایه مرزی بزرگتر نیاز است. تعیین عمق لایه آمیخته برای پیش‌بینی کردن اختلاط قائم و انتقال آلودگی هوا بسیار مهم است(بنیستون[22] و همکاران 1990). روشهای متعددی برای تعیین ارتفاع لایه مرزی ارائه شده است(سوجی‌یاما و نستروم[23] 1999) بستگی به چگونگی لحاظ نمودن اثرات حرارتی و تلاطمی ایجاد شده بوسیله سطح زمین دارد. در حالتهای حاد آلودگی هوا تهران وارونگی صبحگاهی شدید بوده(برای مثال شکل 15) و حتی در حالتهای گرم ارتفاع وارونگی دما بسیار کم بوده و آلایندهها در ارتفاع کمی از سطح انباشت می‌گردند. معمولاً عمق لایه آمیخته با استفاده از نمایه قائم دما و رطوبت بدست می‌آید(هی[24] و همکاران 2006). اما عموماً بر اساس رابطه عدد ریچاردسون، ارتفاع لایه مرزی برای همه حالتهای پایداری جو محاسبه می‌شود که در اینجا نیز ارتفاع لایه مرزی بر اساس آن بدست آمده است. لایه‌های پایدار با بادهای کم و سطح زمینی که سردتر از هوای روی آن است ایجاد می‌گردد و در یک شب صاف، آرام و با تلاطم بسیار ضعیف ممکن است ارتفاع لایه مرزی حدود m500-20 باشد(استال 2000). دادههای استفاده شده برای ارتفاع لایه مرزی جو که بر اساس رابطه عدد ریچاردسون بدست آمده نشان میدهد که در روز سوم نوامبر 2001، عمق لایه مرزی در منطقه تهران به کمتر از m200 رسیده و در دو روز بعدی نیز روند کاهش داشته است. بطوریکه در روز 5 نوامبر به حدود m50 میرسد(شکل 16) که شرایط مناسبی جهت افزایش غلظت آلاینده فراهم می‌آورد. شایان ذکر است که با توجه به بحث از دیدگاه همدیدی، اثرات شهری و در نتیجه افزایش عمق لایه آمیخته در روی شهر تهران لحاظ نشده است.
شکل(15) نمودارهای ترمودینامیکی ساعت 00UTC ایستگاه مهرآباد تهران، منحنی سمت راست دما(T) و منحنی سمت چپ دمای نقطه شبنم (Td)
شکل(16) پربندهای ارتفاع لایه مرزی جو بر حسب متر(به فواصل m50) در ساعت 0000UTC روزهای بسیار ناسالم تهران
نتیجه‌گیری
سامانه‌های جوی نقش تعیین کننده‌ای در پتانسیل آلودگی هوا دارند. شاخص استاندارد آلودگی هوای تهران نشان میدهد که حالتهای بسیار ناسالم آلودگی هوای تهران در فصول تابستان، پاییز و زمستان رخ داده است. هر چند که در فصول سرد و گرم ویژگی‌های همدیدی سامانه‌های جوی مستقر بر روی کشور متفاوت است، اما نتایج نشان میدهد که در روزهای بسیار ناسالم تهران شباهت‌های زیادی در نحوه تغییر کمیت‌های هواشناختی و الگوهای فشاری حاکم بر منطقه وجود دارد،که مهمترین آنها بشرح زِیر است.
کاهش سرعت باد در لایه‌های پایین جو و سطح زمین روی منطقه، وارونگی شدید دما وکاهش ارتفاع لایه آمیختگی به حدود 50 تا 200 متر بر روی منطقه مورد مطالعه، تقویت قابل ملاحظه پرارتفاع تراز میانی جو که اغلب محور آن از جنوب‌غرب ایران تا شمال‌شرق دریای خزر گسترده شده‌است و انطباق محورهای پر ارتفاع سطوح mb850 و mb500 در همه حالت‌ها و تقویت قابل ملاحظه پرارتفاع mb850 در نواحی شمال‌شرق دریاچه آرال برای حالتهای تابستانی و در نواحی جنوب‌غرب ایران برای حالتهای پائیزی و زمستانی، افزایش قابل ملاحظه بیهنجاریهای ارتفاع سطح mb1000 (استقرار پرفشار) در نواحی رشته کوه زاگرس و جنوبی البرز و و کاهش بسیار زیاد آن بر روی درِیای خزر(استقرار کم فشار) است. نتایج حاصل از مطالعه همدیدی سامانه‌های جوی در زمان رخداد شرایط حاد آلودگی هوا در تهران نشان داد که:
وقوع این شرایط بستگی شدیدی به استقرار پرفشار در جنوب البرز و روی زاگرس و کمفشار حرارتی بر روی خزر بویژه نواحی جنوب شرقی آن دارد. به نظر میرسد نقش دریا و خشکی در ایجاد کم فشار حرارتی روی خزر و پرفشار حرارتی در جنوب البرز بسیار مهم باشد. همچنین بدلیل استقرار هوای سرد بر روی زاگرس، پرفشار مستقر در این منطقه می توان تقویت شود. موارد بررسی شده نشان میدهد که پتانسیل آلودگی هوای تهران در صورت استقرار پرفشار در نیمه جنوبی البرز و روی زاگرس، کمفشار در نواحی جنوب شرقی خزر و پرفشار در نواحی شمال شرقی کشور بشدت افزایش می‌یابد. یکی از دلایل اصلی آن، می‌تواند ایجاد نیروی گرادیان فشار باشد که ضمن ایجاد جریانات ضعیف جنوب و جنوبغربی سطح زمین در منطقه تهران، به احتمال قوی شدت و برد بادهای شبانه کوه به دشت را نیز محدود می‌سازد که با توجه به وجود کوه‌ها که مانند سدی در مقابل این جریان‌ها بوده و همچنین پایداری شدید جوی، آلایندهها در یک لایه نازک سطحی بر روی شهر تهران، انباشته می‌شوند.
تشکر و قدردانی
از شرکت کنترل کیفیت هوای شهرداری تهران جهت همکاری و در اختیار گذاشتن دادههای مربوط به شاخص استاندارد آلودگی هوا و همچنین از مسئولین سازمان هواشناسی کشور و بویژه همکاران محترم اداره کل پیش‌بینی جهت راهنمایی و همکاریهای لازم تشکر و قدردانی می‌شود.
[1]. Forcing
[2]. Frictional drag
[3] . Stull
[4].Makra
[5]. Peczely
[6]. McGregor and Bamzelis
[7] .Birmigham
[8].Davis and Gay
[9] . Davis and Kalkstein
[10] .Adamopoulos
[11] . Davis
[12] . Ezcurra
[13]. Sindosi
[14] . Scott and Diab
[15] .Lam and Cheng
[16] . National Center for Enviromental Prediction
[17]. He
[18]. Pollutant Standard Index
[19] . Final Analysis
[20] . Data assimilation
[21] . GrADS
[22] . Beniston
[23] . Sugiyama and. Nasstrom
[24] . He
)