Remote sensing of air pollution due to forest fires and dust storm over Balochistan (Pakistan)
Από RemoteSensing Wiki
ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΛΟΓΩ ΔΑΣΙΚΩΝ ΠΥΡΚΑΓΙΩΝ ΚΑΙ ΣΚΟΝΗΣ ΣΤΟ ΜΠΑΛΟΥΧΙΣΤΑΝ (ΠΑΚΙΣΤΑΝ)
ΤΙΤΛΟΣ: Remote sensing of air pollution due to forest fires and dust storm over Balochistan (Pakistan)
ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ:Salman Tariq a, Hasan Nawaz a,*, Usman Mehmood a, b, Zia ul Haq a, Ugur Korkut Pata c, Muntasir Murshed d, e
ΠΗΓΗ:https://doi.org/10.1016/j.apr.2023.101674
1.Εισαγωγή Σε αυτή τη μελέτη, η ατμοσφαιρική ρύπανση από δασικές πυρκαγιές στην περιοχή Largha Sherani των βουνών Koh-e-Sulaiman και η καταιγίδα σκόνης στο λόφο Chagai στο Μπαλουχιστάν (Πακιστάν) εξετάζονται χρησιμοποιώντας τεχνικές τηλεπισκόπησης. Πρώτον, οι χωροχρονικές παραλλαγές του διοξειδίου του αζώτου (NO2), του μονοξειδίου του άνθρακα (CO) και της φορμαλδεΰδης (HCHO), του ύψους στρώματος αερολύματος (ALH) και του δείκτη υπεριώδους αερολύματος (UVAI) που ανακτήθηκαν από το TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI) αναλύονται για το Πακιστάν .Δεύτερον, τα δεδομένα ταξινόμησης ενεργών πυρκαγιών και αερολυμάτων που λαμβάνονται από την Suomi National Polar-Orbiting Partnership (Suomi NPP) Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του κυρίαρχου τύπου αερολυμάτων πάνω από το Πακιστάν κατά τη διάρκεια δασικών πυρκαγιών και καταιγίδων σκόνης. Τρίτον, η υβριδική μονοσωματιδιακή ολοκληρωμένη τροχιά Lagrangian (HYSPLIT). 2. Περιοχή μελέτης Το Σχ. 1 δείχνει τον χάρτη της περιοχής μελέτης στο Πακιστάν. Το Πακιστάν βρίσκεται στα γεωγραφικά πλάτη 22◦ N–39◦ Β και γεωγραφικά μήκη 60◦ E− 79◦ Α και έχει έκταση περίπου 796.096 km2 και πληθυσμό 220,9 εκατομμύρια κατοίκους. Γεωγραφικά, το Πακιστάν χωρίζεται σε (i) στα Βόρεια Υψίπεδα, (ii) στην πεδιάδα του ποταμού Ινδού και (iii) στο Οροπέδιο του Μπαλουχιστάν. Το κλίμα του Πακιστάν είναι υποτροπικό και ποικίλλει από άνυδρες (νότιες περιοχές) έως ημίξηρες (βόρειες περιοχές). Στο Πακιστάν, το 5,2% της συνολικής έκτασης είναι δασωμένο με δάση κωνοφόρων στα βόρεια και βορειοδυτικά υψίπεδα, ενώ τροπικά και υποτροπικά ξηρά και υγρά πλατύφυλλα δάση βρίσκονται στις πεδιάδες του ποταμού Ινδού. Οι κύριοι λόγοι για τη μείωση της δασικής κάλυψης είναι η αποψίλωση των δασών για καύσιμα, έπιπλα, καλλιέργειες και αστικοποίηση. Η αύξηση των οικονομικών δραστηριοτήτων (δηλαδή, οι αστικές και βιομηχανικές εξελίξεις και η εντατική καύση βιομάζας) είναι σημαντικές αιτίες της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στο Πακιστάν (Alam et al., 2012· Tariq et al., 2021b). 3. Υλικά και μέθοδοι 3.1. Σύνολα δεδομένων Για την ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν τα ακόλουθα δεδομένα από αισθητήρες και μοντέλα διακυμάνσεις στα αερολύματα και τα ιχνοαέρια κατά την περίοδο πριν από την πυρκαγιά (16-17 Μαΐου 2022) και τις ημέρες της πυρκαγιάς (18-25 Μαΐου 2022). 3.1.1. TROPOMI Sentinel-5P Ο δορυφόρος σε τροχιά εκτοξεύτηκε από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος στις 13 Οκτωβρίου 2017, για την παρακολούθηση των αερολυμάτων και του εντοπισμού αερίων. Το TROPOMI διαθέτει τέσσερα φασματόμετρα που λειτουργούν στο υπεριώδες (UV), στο UV-ορατό, στο εγγύς υπέρυθρο και στο υπέρυθρο μικρού μήκους κύματος (Veefkind et al., 2012) και παρέχουν σημαντικές παρατηρήσεις των ατμοσφαιρικών συστατικών, συμπεριλαμβανομένων των αερολυμάτων, της ολικής στήλης του όζοντος. NO2, SO2, CO, CH4, HCHO και σύννεφα. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε το TROPOMI που ανακτήθηκε με πυκνότητα αριθμού στήλης NO2, HCHO και CO, ALH και δείκτη αερολύματος UV (AI) πάνω από το Πακιστάν κατά την προπυρική περίοδο και κατά τη διάρκεια των ημερών πυρκαγιάς. Τα δεδομένα TROPOMI λήφθηκαν από το Google Earth Engine API. 3.2. Φασματοραδιόμετρο απεικόνισης μέτριας ανάλυσης (MODIS) Ο MODIS, ενσωματωμένος δορυφόρος Terra/Aqua, είναι ένας πολυφασματικός αισθητήρας κυκλοφόρησε το 1999/2002. Το MODIS χρησιμοποιεί τους αλγόριθμους Dark Target (DT) και Deep Blue (DB) για να ανακτήσει αρκετές ιδιότητες αερολύματος εντός 36 φασματικών καναλιών (Levy et al., 2013; Remer et al., 2005). Σε αυτή τη μελέτη, ο εκθέτης Angstrom (AE) που προέρχεται από το Aqua-MODIS (412–470 nm) (προϊόν: MYD08_D3 έκδοση 6.1) και το MAIAC AOD χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση της παρουσίας διαφορετικών σωματιδίων αερολύματος πριν και κατά τη διάρκεια του συμβάντος δασικής πυρκαγιάς. Τα δεδομένα Aqua-MODIS AE λήφθηκαν από τον ιστότοπο της NASA Giovanni (https://giovanni.gsfc.nasa.gov/gio vanni/) ενώ το MAIAC AOD έγινε λήψη από το Google Earth Engine API. 3.3. Όργανο παρακολούθησης του όζοντος (OMI) Το OMI, ο ενσωματωμένος δορυφόρος Aura, είναι ένας υπερφασματικός αισθητήρας που εκτοξεύεται στο 2004. Αποκτά δεδομένα σε εύρος μήκους κύματος 270–500 nm. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε το SSA που ανακτήθηκε από το OMI στα 500 nm (προϊόν: OMAERUVd, έκδοση 3) για να εξετάσει τις ιδιότητες σκέδασης του αερολύματος κατά τη διάρκεια δασικής πυρκαγιάς στο Largha Sherani. Τα δεδομένα SSA ελήφθησαν από τον ιστότοπο της NASA Giovanni (https://gio vanni.gsfc.nasa.gov/giovanni/). 3.4. Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) Τα δεδομένα ενεργών πυρκαγιών από το Suomi NPP/VIIRS χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των θέσεων πυρκαγιάς στην περιοχή μελέτης. Η ταξινόμηση τύπου αερολύματος μέσω μιας πλατφόρμας τηλεπισκόπησης είναι σημαντική για περιοχές υπό την επίδραση διαφορετικών τύπων αερολυμάτων. Αυτό θα βοηθήσει στον ποσοτικό προσδιορισμό των επιπτώσεων της ακτινοβολίας για τις κλιματικές μελέτες. Η φασματική καμπυλότητα μεταξύ των διαθέσιμων ζωνών μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο που δίνεται στην Εξίσωση (1). όπου 412, 488 και 670 nm είναι τα μήκη κύματος των διαθέσιμων ζωνών. Οι Hsu et al. (2019) έδειξε ότι το αεροζόλ καπνού έχει χαμηλότερη τιμή φασματικής καμπυλότητας από τα αστικά/βιομηχανικά αερολύματα. 3.5. Μοντέλο HYSPLIT Το μοντέλο HYSPLIT που σχεδιάστηκε από την Εθνική Υπηρεσία Ωκεανών και Ατμόσφαιρας χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της κατεύθυνσης των μαζών του αέρα από την πηγή στην περιοχή του υποδοχέα (https://www.arl.noaa. gov/ready/index.php/). Το μοντέλο HYSPLIT σχεδιάζει τέσσερις τύπους τροχιών μάζας αέρα προς τα εμπρός και προς τα πίσω, δηλαδή, συχνότητα, κανονική, σύνολο και μήτρα (Tariq et al., 2016). 1. Τα ύψη των τροχιών συχνότητας καθορίζονται από την ΤΡΟΠΟΜΗ που ανακτήθηκε ALH. 3.6. Σταθμισμένη τροχιά συγκέντρωσης Εκτός από το μοντέλο HYSPLIT, χρησιμοποιείται επίσης η προσέγγιση CWT να υπολογίσετε το βάρος συγκέντρωσης της δυνητικής πηγής μαζών αέρα. Αυτή η μέθοδος μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε τη σχετική σημασία των πιθανών πηγών. Μαθηματικά, το CWT μπορεί να υπολογιστεί με την Εξίσωση (2). όπου i και j αντιπροσωπεύουν τη θέση των κελιών πλέγματος, το CWT υποδηλώνει το μέση σταθμισμένη συγκέντρωση· Το M αντιπροσωπεύει τον συνολικό αριθμό των τροχιών. l είναι ο δείκτης τροχιάς. cl απεικονίζει τη συγκέντρωση τουρύπος εντός μιας συγκεκριμένης κυψέλης δικτύου· και τijl αντιπροσωπεύει το χρόνο που η τροχιά l παραμένει στο κελί του πλέγματος. Μια λεπτομερής περιγραφή της CWT μπορεί να βρεθεί στην υπάρχουσα βιβλιογραφία (Stohl, 1996; Hsu et al., 2003). 4. Αποτελέσματα και συζήτηση 4.1. Ενεργή δραστηριότητα πυρκαγιάς Το δάσος Largha Sherani θεωρείται το μεγαλύτερο πευκοδάσος στον κόσμο και βρίσκεται στην οροσειρά Koh-e-Sulaiman στο Μπαλουχιστάν. Αυτό το δάσος είναι τεράστιας σημασίας καθώς περιέχει αιωνόβια κουκουνάρια ως το κυρίαρχο είδος μαζί με μερικά άλλα ξεχωριστά είδη κωνοφόρων. Λόγω της οικολογικής και οικονομικής σημασίας της, αυτή η περιοχή επιλέχθηκε για την αξιολόγηση της χωροχρονικής κατανομής των ατμοσφαιρικών ρύπων κατά τη διάρκεια της χειρότερης δασικής πυρκαγιάς στη Largha Sherani. Τα δεδομένα ενεργών πυρκαγιών που ανακτήθηκαν από το Suomi NPP/VIIRS χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των θέσεων των πυρκαγιών κατά τη διάρκεια του συμβάντος δασικής πυρκαγιάς Largha Sherani (δηλαδή, 18–25 Μαΐου 2022) όπως φαίνεται στο Σχ. 2. 4.2. Χωροχρονικές παραλλαγές στο AOD
Στο Σχ. 3. φαίνονται οι σημαντικές διακυμάνσεις AOD που παρατηρήθηκαν στο Πακιστάν με τιμές AOD να κυμαίνονται από 0,75 έως 1,50 στο ανατολικό και νότιο Πακιστάν στις 16 και 17 Μαΐου 2022. Υψηλό AOD (~1,5) παρατηρείται στο κεντρικό, ανατολικό και το νοτιοανατολικό Πακιστάν στις 23 Μαΐου, που σχετίζεται με την παρουσία σκόνης και μικτών αερολυμάτων. Επιπλέον, η τιμή του AOD κυμαίνεται από 0,75 έως 1,25 στις 23 Μαΐου, ακολουθούμενη από το AOD από 0,75–~1 στις 19 Μαΐου στην περιοχή των περιοχών του πευκοδάσους Largha Sherani που επηρεάστηκαν από τη φωτιά. Εκτός από αυτό, ένα πολύ υψηλό AOD (~1,50) που σχετίζεται με ένα τεράστιο ποσό σκόνης παρατηρήθηκε στη βορειοδυτική περιοχή του Μπαλουχιστάν (περιοχές Chagai, Nok Kundi και Kharan) στις 22 Μαΐου 2022 που σχετίζεται με τεράστια ποσά σκόνης. Υψηλές τιμές SSA (0,93–0,97) στο ανατολικό, νότιο και νοτιοδυτικό Πακιστάν στις 23 Μαΐου υποδηλώνουν την παρουσία αερολυμάτων διασποράς.
4.3. Δείκτες ποιότητας αέρα Η χωρική κατανομή των αερίων ατμοσφαιρικών ρύπων (δηλαδή CO, NO2 και HCHO) που προέρχεται από το Sentinel 5 P TROPOMI πριν από (16 Μαΐου) και κατά τη διάρκεια (18-25 Μαΐου) τα ξεσπάσματα πυρκαγιάς φαίνονται στο Σχ. 5. Κατά τη διάρκεια της δασικής πυρκαγιάς LarghaSherani, παρατηρήθηκαν υψηλές συγκεντρώσεις NO2, CO και HCHO στην κεντρική και το βορειοανατολικό Πακιστάν.Τα συνοπτικά στατιστικά στοιχεία των CO, NO2, HCHO, AOD, UVAI, SSA και AE δίνονται στον Πίνακα 1. Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν ότι οι υψηλότερες συγκεντρώσεις CO, NO2 και HCHO παρατηρήθηκαν να είναι 3,10 × 1016 mole/m2, 3,04 × 1020 mole/m2 και 3,79 × 1020 mole/m2, αντίστοιχα, κατά τη διάρκεια του ξέσπασμα πυρκαγιών πάνω από το Πακιστάν. Η μέγιστη τιμή των AOD, UVAI, SSA και AE ήταν 3,92, 4,53, 0,94 και 0,47, αντίστοιχα, πάνω από το Πακιστάν κατά τις 18–25 Μαΐου 2022. 4.4. Ταξινόμηση αεροζόλ Οι τύποι αερολυμάτων ταξινομούνται στο VIIRS χρησιμοποιώντας τα κατώφλια για τη δοκιμή AOD, AE και καπνού (δηλαδή, μια μάσκα καπνού για τη διάκριση των αστικών/βιομηχανικών αερολυμάτων από τον καπνό) (Hsu et al., 2019). Για παράδειγμα, AOD <0,3 σε ξηρά υποδηλώνει αερολύματα υποβάθρου. AOD>0,3 πάνω από το έδαφος και η τιμή της φασματικής καμπυλότητας <0,9 δείχνει παρουσία καπνού. AOD >0,3, AE >1 και η τιμή της φασματικής καμπυλότητας >0,9 υποδηλώνουν την παρουσία αερολύματος που κυριαρχεί χωρίς καπνό. AOD >0,3, AE <0,5 και η δοκιμή καπνού που δεν πέρασε αντιπροσωπεύουν αεροζόλ σκόνης. AOD >0,3, 0,5< AE <1 και το τεστ καπνού που δεν πέρασε υποδηλώνουν μικτά αερολύματα (Hsu et al., 2019). Το Σχ. 6 αποκαλύπτει την κυριαρχία αερολυμάτων μεικτού τύπου, σκόνης, καπνού και μη καπνιστικού τύπου στην περιοχή του δάσους Largha Sherani στις 16 Μαΐου (πριν από το ξέσπασμα της πυρκαγιάς), ενώ σκόνη, καπνός και αερολύματα μικτού τύπου βρέθηκαν στις 23 Μαΐου ( κατά τη διάρκεια της εκδήλωσης πυρκαγιάς). 4.5. Ύψος στρώματος αερολύματος Η ΤΡΟΠΟΜΗ ανέσυρε το ALH πριν (18 Μαΐου) και κατά τη διάρκεια δασικής πυρκαγιάς (22 Μαΐου) πάνω από το Πακιστάν φαίνεται στο Σχ. 7. Το προϊόν ALH σχεδιάζεται από τις μετρήσεις της ζώνης Α οξυγόνου εντός της περιοχής μήκους κύματος 758 και 770 nm. Το ALH παρατηρήθηκε ότι ήταν ~2300 m AGL στις 17 Μαΐου 2022 στην περιοχή του δάσους της περιοχής Laragh Sherani που επηρεάστηκε από τη φωτιά. Αντίθετα με αυτό, το ALH στις 22 Μαΐου 2022 βρέθηκε να είναι ~ 1500 m AGL σε μια σφοδρή καταιγίδα σκόνης που επηρέασε την περιοχή του δυτικού Μπαλουχιστάν του Πακιστάν. 4.6. Ανάλυση τροχιάς HYSPLIT Το Σχ. 8α δείχνει την προς τα εμπρός κίνηση των μαζών αέρα σε ύψος του 2200 m από την περιοχή Largha Sherani που επηρέασε την πυρκαγιά προς το βορειοανατολικό Πακιστάν που μεταφέρει εκεί απορροφητικό αεροζόλ. Στις 17 Μαΐου, Το 2022, περισσότερο από το 30% των αέριων μαζών μετακινήθηκε προς το βορειοανατολικό Πακιστάν που προκάλεσε εξαιρετικά υψηλές τιμές AOD, UVAI, HCHO, CO και NO2. Εκτός από αυτό, οι οπισθοδρομικές τροχιές HYSPLIT σε ύψος 1500 m, όπως φαίνεται στο Σχ. 8β, για την περιοχή Kharan, στο Balochistan αποκαλύπτουν ότι ~ 50% αέριες μάζες στις 22 Μαΐου 2022, προήλθαν από τα βόρεια της περιοχής Kharan φέρνοντας αερολύματα σκόνης από την περιοχή Sistan του Ιράν έως τις δυτικές περιοχές του Balochistan. 4.7. Ανάλυση CWT Η ανάλυση CWT πραγματοποιείται από τις 16 έως τις 25 Μαΐου ενώ αργότερα, οι τιμές CWT υπολογίστηκαν για κάθε κυψέλη πλέγματος όπως φαίνεται στο Σχήμα 9. Το αποτέλεσμα δείχνει ότι οι περισσότερες από τις μάζες αέρα εισήλθαν στην περιοχή που επηρεάστηκε από τη φωτιά από το βορειοδυτικό Πακιστάν που μετέφερε ρύπους στο ανατολικό και βορειοανατολικό Πακιστάν κατά τη διάρκεια της δασικής πυρκαγιάς στο Largha Sherani, Μπαλουχιστάν. 5. Συμπέρασμα Αυτή η μελέτη ανέλυσε τις επιπτώσεις των δασικών πυρκαγιών και της σκόνης στον αέρα του Πακιστάν με χρήση τεχνικών τηλεπισκόπησης. Οι υψηλές συγκεντρώσεις NO2, CO και HCHO παρατηρήθηκαν στο κεντρικό και βορειοανατολικό Πακιστάν. Οι υψηλότερες συγκεντρώσεις CO, NO2 και HCHO βρέθηκαν να είναι 3,10 × 1016 mole/m2, 3,04 × 1020 mole/m2 και 3,79 × 1020 molec/m2 στην ατμόσφαιρα του Πακιστάν κατά τις 18–25 Μαΐου. Η ανάλυση τροχιάς HYSPLIT έδειξε ότι ~ 90% των μαζών αέρα που εισρέουν από τις βορειοδυτικές περιοχές του Πακιστάν μετέφεραν αερολύματα σκόνης πάνω από το Μπαλουχιστάν (Πακιστάν). Η ανάλυση CWT έδειξε ότι οι αέριες μάζες που εισήλθαν από τα βορειοδυτικά της δασικής πυρκαγιάς Largha Sherani μετέφεραν ρύπους στο ανατολικό και βορειοανατολικό Πακιστάν κατά τη διάρκεια της δασικής πυρκαγιάς. Αυτή η μελέτη μας δίνει τη δυνατότητα να κατανοήσουμε τα δυσμενέστερα επίπεδα ποιότητας του αέρα σε περιφερειακή κλίμακα λόγω της δασικής πυρκαγιάς στην περιοχή Largha Sherani, Μπαλουχιστάν (Πακιστάν), υποδηλώνοντας την ανάγκη δημιουργίας ενός επίγειου δικτύου παρακολούθησης για την κάλυψη του κενού γνώσης σε σχέση με την επιστημονική κατανόηση του κύκλου ζωής αυτών των ατμοσφαιρικών ρύπων.
