Temporal and spatial changes of dust in Golestan province using AOD (Aerosol Optical Depth) and the affectability of this province from the deserts of Turkmenistan

Document Type : Research Article

Authors

1 Atmospheric Sciences and Meteorological Research Center (ASMERC), Tehran, Iran.

2 Golestan province Meteorological Administration, Gorgan, Iran.

Abstract

One of the effects of drought is the loss of vegetation, drying of wetlands, and desertification, which in turn can create an appropriate substrate for the dust and increase the concentration of aerosol. In this research, with the aim of understanding the spatial and temporal changes of dust storms in Golestan province over a period of 20 years (2000 to 2020), AOD (Aerosol Optical Depth) data from MODIS were used. So, dust detection when the AOD value was greater than 0.5, was considered a dust event. Also, the monthly horizontal visibility data of 10 synoptic stations with appropriate distribution in the province were used to validate the AOD product. Monthly horizontal visibility data is obtained by averaging three-hour horizontal visibility at 10 synoptic stations in Golestan province. With the aim of investigating the annual and seasonal distribution of dust in the Golestan province, a diagram of the number of days with dust in the study time was obtained. Then, the map of the spatial changes of dust was also presented. To investigate the intensity of influence of Golestan province from the deserts of Turkmenistan, in addition to tracking the dust transfer path using the output of the HYSPLIT model for a selected event from each season, synoptic analysis was also performed using ERA5 data. Also, the trend of dust changes in the Golestan province and deserts of Turkmenistan was investigated. The validation results with a correlation of 0.66 show the ability of AOD data to present the dust distribution in Golestan province. According to the obtained results, in fact, there are two time periods with low occurrences of a dust storm (2000 to 2007 (except 2003) and 2016 to 2020) and one-time period with high occurrences of a dust storm (2008 to 2015). The highest number of days with dust is in the summer season and the lowest is in the winter season. In terms of spatial distribution, the northern regions of the province, i.e., Gonbad-e kavus, Aqqala, and Gomishan, are more involved in dust phenomena than other parts of the province. During the statistical period, the highest AOD value occurred on 7th September, 2020 with a value of 4.1. Tracing the dust transfer path using the output of the HYSPLIT model in the region showed that the main source of dust in the province was from Turkmenistan and especially the deserts of the Balkan province. Tracking the dust transfer route using the output of the HYSPLIT model in the region showed that the main source of dust in the province is mainly from the desert areas of Turkmenistan. The synoptic analysis of the selected day from each season generally indicates a strong pressure gradient in the region of Turkmenistan and north of Iran in such a way that the northerly winds in Golestan and the east of the Caspian Sea are significant, which causes the soil to rise, and it is transported to Golestan province. Also, on the selected days of spring, summer, and autumn, there is a ridge pattern and stable atmospheric conditions in the middle level of the troposphere, leading to dust persistence. In the winter, due to the presence trough of low in the middle of the troposphere and the occurrence of precipitation, the intensity of the dust is weaker. Also Comparing the annual and seasonal distribution of dust storms in the Golestan province and Turkmenistan shows the simultaneity of events.

Keywords

Main Subjects

References

احمدی، م.؛ شکیبا، ع. ر. و داداشی­رودباری، ع. ع. (1398)، بررسی نقش شاخص­های پوشش گیاهی و مولفه­های جغرافیایی مکان بر عمق نوری هواویزهای فصلی ایران. مجله فیزیک زمین و فضا، 45(1)، 233-211.
ارجمند، م. ؛ راشکی، ع. ر. و سرگزی، ح. (1397). پایش زمانی و مکانی پدیده گردوغبار با استفاده از داده­های ماهواره­ای در جنوب­شرق ایران، با تاکید بر منطقه جازموریان. فصلنامه علمی-پژوهشی اطلاعات جغرافیایی سپهر، 27(107)، 168-153.
برتینا، ه. ا.؛ صیاد، غ. ع.؛ متین­فر، ح. ر. و حجتی، س. (1393). توزیع زمانی-مکانی ذرات معلق اتمسفری در غرب کشور بر مبنای داده­های طیفی سنجنده MODIS. نشریه پژوهش­های حفاظت آب و خاک (علوم کشاورزی و منابع طبیعی)، 21(4). 137-119.
بروغنی، م.؛ مرادی، ح.؛ زنگنه­اسدی، م. و پورهاشمی، س. (1398). ارزیابی نقش خشک­سالی بر فراوانی وقوع گردوغبار در استان خراسان­رضوی. فصل­نامه علوم و تکنولوژی محیط زیست، 21(5)، 121-109.
تقوی، ف.؛ اولاد، ا.؛ صفرراد، ط. و ایران نژاد، پ. (1392). تشخیص و پایش گردوغبار غرب ایران با استفاده از روش­های سنجش از دور. مجله فیزیک زمین و فضا، 76(3)، 96-83.
خوش­سیما، م.؛ علی­اکبری­بیدختی، ع. ع. و احمدی‌گیوی، ف. (1392). تعیین عمق نوری هواویزها با استفاده از داده­های دید افقی و سنجش از دور در دو منطقه شهری در ایران. مجله فیزیک زمین و فضا، 39(1)، 174-163.
دوستان، ر. (1397). تحلیل همدید گردوغبار شمال­شرق ایران. مجله مخاطرات محیط طبیعی، 7(16)، 44-23.
رضوی‌زاده، س.؛ عباسی، ح. ر. و درگاهیان، ف. (1400). بررسی پدیده گردوغبار در استان گلستان، با تاکید بر شاخص عمق اپتیکی و سمت و سرعت باد. مجله علوم ومهندسی آبخیزداری ایران، 15(53)، ۶۷-۵۸.
زرین، آ.؛ صالح­آبادی، ن.؛ مفیدی، ع. و داداشی­رودباری، ع. ع. (1401). بررسی فصلی گردوخاک در شمال‌شرق ایران و شبیه­سازی عددی رخدادهای گردوخاک فرین با مدل WRF-CHEM. مجله فیزیک زمین و فضا، 48(2)، 440-421.
ستودیان، س. و ارحامی، م. (1390). بررسی داده­های ماهواره­ای در توسعه مدل جهت پیش­بینی غلظت آلاینده­ها در سطح زمین: مطالعه موردی تهران، پنجمین همایش ملی مهندسی محیط زیست، تهران.
عراقی­زاده، م. و مسعودیان، ا. (1400). تحلیل اقلیمی و بررسی توفان­های گردوغبار در خراسان رضوی. نشریه پژوهش­های جغرافیای طبیعی، 53(3)، 318-305.
قادری­نسب، ف. و رهنما، م. ب. (1397). آشکارسازی گردوغبار در حوضه آبریز جازموریان با استفاده از تکنیک­های چندطیفی در تصاویر سنجنده مادیس. پژوهش­های جغرافیای طبیعی، 50(3)، 562-545.
مباشری، م. ر.؛ غلامی، ن. ا. و فرج­زاده، م. (1390). ارتقاء الگوریتم آشکارسازی ابر با استفاده از تصویر همزمان MODIS و ASTER، مطالعه موردی: شهر دامغان. نشریه برنامه­ریزی و آمایش فضا (مدرس علوم انسانی)، 15(2)، 99-81.
کردجزی، م.؛ داداشی، ن. و رحمن­نیا، م. ر. (1396). بررسی عوامل ایجاد پدیده گردوغبار در استان گلستان. دومین همایش ملی مدیریت منابع آب نواحی ساحلی، ساری، دانشگاه علوم کشاورزی طبیعی ساری.
کرمی، س.؛ حسین­حمزه، ن.؛ نوری، ف. و رنجبر سعادت‌آبادی، ع. (1398). بررسی همدیدی و شبیه‌سازی 2 توفان هم­زمان گردوخاک در مناطق شرق و شمال‌شرقی ایران. کنفرانس بین­المللی گردوغبار در جنوب­غرب آسیا، زابل، دانشگاه زابل.
لشکری، ح. و کیخسروی، ق. (1387). تحلیل آماری سینوپتیکی توفان­های گردوغبار استان خراسان رضوی در فاصله زمانی (2005-1993). نشریه پژوهش­های جغرافیای طبیعی، 40(65)، 33-17.
محمدپور، ک.؛ سلیقه، م.؛ درویشی­بلورانی، ع. و رضیئی، ط. (1399). واکاوی و مقایسه تولیدات ماهواره‌ای و شبیه‌سازی­شدهAOD  در تحلیل گردوغبارهای غرب ایران (۲۰۰۰-۲۰۱۸). تحلیل فضایی مخاطرات محیطی، 7(1)، 32-1.
مساعدی، ا.؛ خلیلی­زاده، م. و محمدی­استادکلایه، ا. (1387). پایش خشکسالی هواشناسی در سطح گلستان. مجله علوم کشاورزی و منابع طبیعی، 15(2)، 182-176.
میراکبری، م. و ابراهیمی­خوسفی، ز. (1399). بررسی روند تغییرات زمانی و مکانی ذرات معلق جو با استفاده از شاخص عمق اپتیکی آئروسل­ها در جنوب­شرق ایران. مجله سنجش از دور و سامانه­های اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی، 11(3)، 18-17.
Al-Taie, K. B., Rajab, J. M., & Al-Salihi, A. M. (2020). Climatology and classification of aerosols based on optical properties over selected stations in Iraq. AIP Conference Proceedings 2290:050041, https://doi.org/10.1063/5.0031471.
Chen, S., Huang, J. P., Jia, R., Jiang, N. X., Kang, L., Ma, X., & Xie, T. T (2017). Comparison of dust emissions, transport, and deposition between the Taklimakan Desert and Gobi Desert from 2007 to 2011. Science China-Earth Sciences, 60(1), 1338–1355 CNKI: SUN:JDXG.0.2017–07-011.
Chen, B., & Sverdlik, L. (2007). Optical and microphysical characteristics of aerosol structures in central Asia, Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 67330S-67330S-7.
Draxler, R. R., & Rolph, G. D. (2012). HYSPLIT (hybrid single particle Lagrangian integrated trajectory) model access via NOAA ARL, NOAA Air Resources Laboratory, Silver Springer, MD.
ECMWF, (2017). ERA5 data documentation. European Centre for Medium-range Weather Forecast (ECMWF). https://software.ecmwf.int/wiki/display/CKB/ERA5+data+documentation.
Giannadaki, D., Pozzer, A., & Lelieveld, J. (2014). Modeled global effects of airborne desert dust on air quality and premature mortality. Atmos. Chem. Phys., 14, 957–968.
Indoitu, R., Orlovsky, L., & Orlovsky, N. (2012). Dust storms in Central Asia: spatial and temporal variations. Journal of Arid Environments, 85(none), 62–70, https://doi.org/10.1016/j.jaridenv.2012.03.018
Liu, Y., Wu, C., Jia, R., & Huang, J. (2018), An overview of the influence of atmospheric circulation on the climate in arid and semiarid region of Central and East Asia. Science China Earth Sciences, 61(9), 31–42. CNKI:SUN:JDXG.0.2018-09-003.
Nabavi, S. O., Haimberger, L., & Abbasi, E. (2019). Assessing PM2.5 concentrations in Tehran, Iran, from space using MAIAC, deep blue, and dark target AOD and machine learning algorithms. Atmospheric Pollution Research, 10(3), 889-903.
Namdari, S., Valizade, K. K., Rasuly, A. A., & Sari Sarraf, B. (2016). Spatio-temporal analysis of MODIS AOD over western part of Iran. Arabian Journal of Geosciences, 9(3),191, doi:https://doi.org/10.1007/s12517-015-2029-7.
Opp, C., Groll, M.,Aslanov, I., Lotz, T., & Vereshagina, N. (2016). Aeolian dust deposition in the southern Aral Sea region (Uzbekistan): groundbased monitoring results from the LUCA project, Quaternary International, S104061821600224X, https://doi.org/10.1016/j.quaint.2015.12.103.
Qoraboyev, I., & Moldashev, K. (2018). The belt and road initiative and comprehensive regionalism in Central Asia. Social Science Electronic Publishing, 9(8), 115–130, https://doi.org/10.1007/978-981-10-5915-5_7.
Shahid, I., Shahid, M. Z., Chen, Z., & Asif, Z. (2022). Long-Term Variability of Aerosol Concentrations and Optical Properties over the Indo-Gangetic Plain in South Asia, Atmosphere, 13, 1266. https:// doi.org/10.3390/atmos13081266.
Sujaritpong, S., Dear, K., Cope, M., Walsh, S., & Kjellstrom, T. (2014). Quantifying the health impacts of air pollution under a changing climate—a review of approaches and methodology. International Journal of Biometeorology, 58(2), 149–160, https://doi.org/10.1007/s00484-012-0625-8.
Thorncroft, C. D., Hoskins, B. J., & McIntyre, M. E. (1993). Two paradigms of baroclinic-wave life-cycle behavior. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 119, 17–56.
Wang, D., Zhang, F., Yang, S., Xia, N., & Ariken, M. (2020). Exploring the spatial-temporal characteristics of the aerosol optical depth (AOD) in Central Asia based on the moderate resolution imaging spectra radiometer (MODIS), Environmental monitoring and assessment, 192, 1-15.
Wolff, C., Plessen, B., Dudashvilli, A. S., Breitenbach, S. F. M., Cheng, H., Edwards, L. R., & Strecker, M. R. (2017). Precipitation evolution of Central Asia during the last 5000 years, Holocene, 27(1), 0959683616652711, https://doi.org/10.1177/0959683616652711.
Yousefi, R., Wang, F., Ge, Q., & Shaheen, A. (2020). Long-term aerosol optical depth trend over Iran and identification of dominant aerosol types. The Science of the Total Environment, 722, 137906, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137906.
Journal of the Earth and Space Physics
Volume 49, Issue 2
online publication date: 30 Aug 2023
August 2023
Pages 517-540

Files

Share

How to cite

Statistics