تخمين تركيبات شيميايي، غلظت و ارتفاع طوفان‌هاي گرد و غبار با استفاده از تصاوير و داده‌هاي ماهواره‌اي MODIS&CALIPSOMODIS&CALIPSO

Dust Storms Chemical Elements Estimation and Density Identification Using MODIS Images and CALIPSO Data

طوفان گردوغبار يكي از پديده‌هاي جوي است كه آثار و پيامدهاي زيست‌محيطي نامطلوبي برجاي مي‌گذارد. بررسي تركيبات فيزيكي و شيميايي گردوغبارهاي اخير نشان مي‌دهد اين گردوغبارها صرفاً متشكل از دانه‌هاي خاك، شن، ماسه و ذرات نمك نيستند، بلكه تركيب پيچيده‌اي از عناصر شيميايي‌اند، عناصري از قبيل فلزات قليايي خاكي، كربن، سيليس، آلومينيوم، پتاسيم، كلسيم و برخي ديگر از عناصر آلي مشاهده مي‌شود كه تمامي اين عناصر مي‌توانند اثرات مضري در سلامت محيط‌زيست و به‌ويژه بر موجودات زنده داشته باشند. در اين تحقيق شهر اهواز كه طي دهه گذشته شاهد طوفان‌هاي چندي بوده است، بررسي شد. با استفاده از نمونه‌هاي اندازه‌گيري‌شده عناصر مورد مطالعه در ايستگاه زميني و آناليزهاي آزمايشگاهي، محتويات هفت رخداد گردوغبار تعيين شد. تصاوير ماهواره‌اي MODIS و داده‌هاي CALIPSO، به‌ترتيب، جهت شناسايي عناصر و تعيين غلظت اين طوفان‌ها مورد تحليل قرار گرفتند. پس از تهيه تصاوير MODIS و انجام دادن تصحيحات مورد نياز، مقادير طيفي محل نمونه‌برداري ايستگاه زميني روي تصاوير مشخص شد. با استفاده از روش كمترين مربعات و cross-validation مدل‌سازي ارتباط بين باندهاي MODIS و نتايج حاصل از مشاهدات زميني ايجاد شد. پس از مقايسه و تحليل نتايج به‌دست‌آمده، مشخص شد كه براي عنصر سيليس، نسبت باند 21 به باند 26 با ميزان RMSE در حدود 1.28، شاخص مناسبي جهت تعيين تركيبات طوفان‌هاي گردوغبار با استفاده از تصاوير ماهواره‌اي MODIS به‌شمار مي‌رود. همچنين، آلومينيوم از نسبت باند 25 به باند 26 با ميزان RMSE در حدود 2.08، كلسيم از نسبت باند 24 به باند 25 با ميزان RMSE در حدود 2.3، سديم از نسبت باند 23 به باند 27 با ميزان RMSE در حدود 0.48 و منيزيم از نسبت باند 15 به باند 24 با ميزان RMSE در حدود 0.78، براي شناسايي اين عناصر در تصاوير ماهواره‌اي MODIS شاخص‌هاي مناسبي‌اند. با توجه به نتايج و شاخص‌هاي به‌دست‌آمده براي هر عنصر، تعيين تركيبات و ميزان غلظت عناصر موجود در طوفان‌هاي گردوغبار، بدون استفاده از نمونه‌هاي زميني و فقط با به‌كارگيري تصاوير MODIS و روش به‌دست‌آمده امكان‌پذير مي‌شود. همچنين، با استفاده از داده‌هاي ماهواره‌اي CALIPSO در روزهاي مورد مطالعه، مشخص شد كه در روزهاي گرم سال كه نمونه‌برداري زميني انجام گرفته، ميزان غلظت و تراكم گرد غبار بيشتر از روزهاي سرد سال است و ارتفاع گردوغبار به شش كيلومتري سطح زمين مي‌رسد.

Dust storms are atmospheric phenomena with negative environmental effects and especially for human health. Sampling and analysis of physical and chemical composition of recent dusts show that they are not merely composed of dust, gravel, sand and salt particles, rather they are of complex combination of chemical elements. Metals such as soil alkaline metals, carbon, silica, aluminum, potassium, calcium and other organic components are observed that all these elements can have harmful effects on public health. In this study, Ahwaz where during last decades has seen several storms was studied. Using collected samples in the ground station and laboratory analyses dust contents were determined for seven dust events. For use of remote sensing technology using satellite images in order to identify the elements of dust, MODIS satellite images were used. Using MODIS images, the least squares method and cross-validation modeling, the relationship between MODIS bands and the results and measured chemical contents of dusts were created. Results show that silica, can be estimated from the ratio of 21 band to 26 with RMS 1.28. For aluminum, the ratio bands 25 to 26 with RMSE 2.08, for calcium the ratio of bands 24 to 25 with RMSE 2.3, for sodium of the ratio of bands 23 to 27 with RMSE 0.48 and finally for Magnesium the ratio of bands 15 to 24 with 0.78 RMSE are useful indexes to identify these elements using MODIS satellite images. According to the results MODIS images are useful for dust storms chemical elements estimation. Also using CALIPSO data, the rate of concentration and intensity of dust particles at the height of 6 km/asl are measured. Keywords: Dust storms, chemical elements estimation, density identification of dust storms, MODIS images and CALIPSO data.