Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Особенности природных и климатических условий хузестана
1.1. Введение 8
1.2. Физико-географическая и климатическая характеристика провинции Хузестан 10
1.3. Барико-циркуляционный и термический режим региона 15
ГЛАВА II. Изменения климата на территории хузестана и сопредельных территорий в современный период 28
2.1. Долгопериодные изменения приземной температуры, влажности воздуха и скорости ветра на территории стран Персидского залива 28
2.2. Пространственно-временные изменения основных климатических показателей в провинции Хузестан в период 1951-2010гг . 41
2.3. Оценка влияния климата на здоровье человека в засушливых условиях провинции Хузестан 56
Глава III. Пыльные бури, условия их формирования и изучение с помощью радаров 74
3.1. Пыльные бури, их возникновение и распространение в регионе 74
3.2. Статистическая характеристика пыльных бурь в Хузестане в период 2000-2010гг. 83
3.3. Мониторинг пыльных бурь на территории Хузестана с помощью радаров 95
Заключение 140
Список литературы 142
- Физико-географическая и климатическая характеристика провинции Хузестан
- Пространственно-временные изменения основных климатических показателей в провинции Хузестан в период 1951-2010гг
- Оценка влияния климата на здоровье человека в засушливых условиях провинции Хузестан
- Статистическая характеристика пыльных бурь в Хузестане в период 2000-2010гг.
Физико-географическая и климатическая характеристика провинции Хузестан
К числу приоритетных направлений данного исследования относятся изучение современных изменений климата, а также метеорологических и аэросиноптических причин, вызывающих пыльные бури на территории Хузестана, оценка их влияния на человека и окружающую среду и получение научных и практических рекомендаций по смягчению неблагоприятных последствий от этого явления.
Проблеме изучения атмосферных загрязнений как естественных, так и искусственных в последнее время уделяется все большее внимание. Особый интерес представляет изучение таких крупномасштабных явлений, как пыльные бури, характерных для аридных и субаридных регионов. В этих районах создаются благоприятные условия для возникновения подобных явлений: большая сухость и измельченность поверхностного слоя почвы, низкая влажность воздуха, сильные ветры. Образующиеся турбулентные вихри поднимают пылевой материал, который затем подхватывается ветровыми потоками и переносится на различные расстояния. При усилении ветра увеличивается количество поднятой в воздух пыли и ухудшается видимость. В зависимости от структуры поверхностного слоя почвы необходимы различные скорости ветра для подъема и переноса пыли. Поэтому для возникновения пыльных бурь, например, в странах Ближнего Востока, где поверхностный слой состоит из очень мелких и легких частиц супесчаной почвы, достаточны скорости ветра, равные 10-12 м/с. В пустынях Африки и Аравии часто возникают песчаные бури, для которых необходимы большие скорости ветра (20-25 м/с) (Наливкин, 1969; Захаров, 1965;Фетт, 1961).
Размеры пыльных бурь по занимаемой площади различны – от сотен квадратных метров до сотен и тысяч квадратных километров. Бури мезо- и макромасштаба, т. е. те, которые могут быть видны из космоса, в зависимости от природы их возникновения, синоптики разделяют в основном на два типа. К первому типу относятся пыльные бури, возникающие при прохождении холодного фронта, ко второму – бури, возникающие в так называемой штормовой зоне, которая образуется при встрече двух барических образований противоположного знака при условии резкого усиления одного из них (Махонько, 1960).
Динамика и структура этих бурь различна. Бури связанные с холодными фронтами в своем развитии проходят ряд стадий – от образования очага бури у земли до возникновения пылевого облака на высотах. Облако является результатом подъема частиц пыли мощными вертикальными потоками в районе фронта и вовлечения этой пыли в высотную атмосферную циркуляцию (на высотах до 3-5 км ). Фронт бури смещается вместе с перемещением барического образования.
Бури второго типа имеют стационарный характер, охватывают в основном пограничный слой атмосферы (до 1,5-2 км). Перенос пыли происходит здесь в виде пылевых потоков, направленных вдоль ветрового течения.
Пыльные бури изучались с давних пор, поскольку они приносят большой вред народному хозяйству. В Иране и за рубежом имеется целый ряд работ, посвященных изучению природы пыльных бурь, их повторяемости и прогнозу (Miri, 2007; Rangzan, 2009; Raispoor, 2011 и др.). Однако в связи с разрозненностью наблюдений, а также ввиду редкой сети метеорологических станций, на материалы которых авторы опирались в своих работах, не удавалось полностью изучить закономерности происхождения и распространения пыльных бурь и оценить их масштабы, пути переноса пылевого материала, а также определить их структуру. С развитием космической экологии, нового научного направления в исследовании окружающей природной среды, большие возможности открылись и в изучении пыльных бурь. По телевизионным (ТВ) изображениям с метеорологических искусственных спутников Земли (ИСЗ), а также по фотографиям с пилотируемых космических кораблей (ПКК) и автоматических межпланетных станций (АМС) было выявлено, что многие пыльные бури макро- и мезомасштаба хорошо видны из космоса и могут быть изучены (Григорьев, Кондратьев, 2001). Так, с помощью космических наблюдений установлено, что в южной Азии наиболее часто пылевые облака, связанные с северо-западными потоками, появляются над Месопотамской низменностью. Пыль поднимается на междуречье Тигра и Евфрата и выносится в направлении Персидского залива на расстояние до 600-700км (Григорьев, Кондратьев, 2001).
В последние годы интенсивность пыльных бурь на западе Ирана, в провинции Хузестан, значительно возросла. Такое явление не может быть лишь результатом изменения регионального климата, так как происходят заметные изменения в состоянии окружающей среды. Поэтому, детальное (глубокое) понимание факторов, вызывающих данное явление, а также принятие рациональных решений по предотвращению ухудшения состояния окружающей среды, является важным и обязательным.
Пространственно-временные изменения основных климатических показателей в провинции Хузестан в период 1951-2010гг
Анализ данных табл. 2.4 показывает, что температура воздуха испытывает хорошо выраженный годовой ход: наиболее холодный месяц-январь (7,89С), наиболее теплый- июль (36,28С). Годовая амплитуда составляет 28,39С. Значение СКО температуры невелико: изменяется от 0,61 до 1,59С. Массовая доля водяного пара меняется в небольших пределах: от 6,23 (июнь) до 7,64г/кг (апрель). В марте, апреле (весна), октябре, ноябре (осень) значения влажности воздуха несколько выше, чем в остальные месяцы. Ветровой режим в центре провинции Хузестан среднем достаточно слаб. В течение года среднемесячные скорости изменяются в небольших пределах- от 1,70 м/c (октябрь) до 3,28 м/с (июль). В июле усиление ветра происходит в послеполуденные часы из-за усиления термической конвекции.
Следует отметить, что разница между самыми высоким и низкими значениями метеовеличин конкретных месяцев ряда, состоящего из 44 членов, также испытывает годовой ход: величина размаха максимальна для температуры и влажности воздуха зимой и минимальна летом, для скорости ветра всё наоборот, что является следствием неустойчивого состояния атмосферы.
Как известно, температурный режим формируется под влиянием приходящей солнечной радиации, циркуляции атмосферы и характера подстилающей поверхности. Для оценки роли циркуляционного фактора рассчитывались коэффициенты корреляции между индексами атмосферной циркуляции и температурными рядами за 40-летний период (1971-2010гг.). В качестве индексов циркуляции были взяты значения Северо-Атлантического колебания (NAO) и Арктической осцилляции (АО). По данным реанализа был сформирован путем осреднения в отдельных узлах сетки температурный ряд региона и ряд температуры в узле вблизи ст. Ахваз. Таким образом, расчеты коэффициентов корреляции производились между двумя температурными рядами и двумя индексами циркуляции. Результаты представлены в табл. 2.5. Таблица 2.5
Как видно из табл. 2.5, для холодного периода в целом коэффициенты корреляции превышают значение 0,31, т.е. являются значимыми, что свидетельствует о влиянии Северо-Атлантического колебания и Арктической осцилляции на температуру региона. Отрицательный знак указывает на противофазность процессов, т.е. под влиянием потоков с Северной Атлантики температура понижается. Значимой оказалась также корреляция и для 2-х летних месяцев- июня и августа. Практически характер связей сохраняется и для отдельного пункта Ахваз. Некоторое понижение тесноты связей обусловлено влиянием местных особенностей.
В данномразделе рассматриваются пространственно-временные изменения ряда климатических показателей одного из аридных (засушливых) регионов Ирана-провинции Хузестан, расположенной в юго-41 западной части страны, севернее Персидского залива и западнее горной системы Загрос. Это основной нефтеносный регион Ирана. Исходный материал и методы исследования В качестве исходных данных использовались материалы метеорологических наблюдений в период 1951-2010 гг. 13 станций равномерно распределенных по всей территории Хузестана, расположенной в субтропическом поясе Земли. В табл.2.6 представлены сведения о географических координатах станций, высотах над уровнем моря и продолжительности наблюдений.
В связи с различной продолжительностью рядов наблюдений статистической обработке подвергались метеонаблюдения всех 13 станций в период 1994-2010 гг. (17 лет) и отдельно данные наиболее длиннорядных станций: Абадан (1951-2010 гг.), Ахваз (1953-2010 гг.), Дизфуль (1963-2010 гг.)за весь период наблюдений. Методами корреляционного и тренд-анализа выявлялись взаимосвязи между метеовеличинами в различных пунктах и тенденции их изменения во времени. Результаты и их обсуждение Средние температуры воздуха
Основной характеристикой термического режима служат средние месячные и годовые температуры воздуха. Рассмотрим распределение многолетней средней годовой температуры воздуха по территории Хузестана. Эта величина изменяется не столь значительно – от 24,4С (Сафи Абад) до 26,8С (Рамхормоз). Как видно из последнего столбца табл.2.7, многолетняя средняя годовая температура воздуха повсеместно положительная и не опускается ниже 24,4С, что свидетельствует об однородности температурного поля. Исключением является станция Изе, где температура значительно ниже, ввиду ее расположения на большой высоте над уровнем моря (767м). Поэтому в дальнейшем она будет исключаться из сравнительного анализа.
В январе –самом холодном месяце года - средняя многолетняя температура воздуха повышается с севера на юг от 11,8С (Дизфуль) до 13,3С (Рамхормоз). Затем температура незначительно повышается в феврале (примерно на 2С) и, начиная, с апреля по октябрь, ее среднемесячные значения не опускаются ниже 20С. В летний период междумесячные различия не столь значительны. Самым теплым месяцем года является июль. Распределение многолетней среднеиюльской температуры по территории Хузестана достаточно однородное и колеблется от 36,1С (Сафи Абад) до 38,60С(Рамхормоз). Далее в годовом ходе температура воздуха постепенно понижается в осеннем периоде.
Температурный контраст между самым холодным и самым теплым месяцем года характеризуется амплитудой годового хода температуры воздуха (А), которая зависит от степени континентальности климата, характера рельефа и географических координат. Величина амплитуды годового хода на территории Хузестан незначительна, она меняется от 23,6С (Сафи-Абад) до 25,5С (Шуштер), что свидетельствует об однородном температурном поле.
Оценка влияния климата на здоровье человека в засушливых условиях провинции Хузестан
Пыльные бури сопровождаются ухудшением горизонтальной видимости до 1 км и менее. Всю выборку по дальности видимости при пыльных бурях на отдельных станциях поделили на градации: менее 500м, 500-1000м, 2000-5000 и 5000-10000м. Как видно из табл. 3.5, наибольшее число случаев с ухудшением видимости приходится на градации 5000-10000м,т.е запыленность атмосферы не столь высока, а наименьшее на градацию менее 500 м, что является косвенной оценкой интенсивности пыльных бурь. При этом чаще всего пыльные бури возникают в Ахвазе и в Абадане и реже в Рамхормозе, Изе, Бехбехане, Омидийе, что объясняется их расположением и ростом атмосферных осадков. За весь период наблюдений зафиксировано 6 случаев пыльных бурь с ухудшением горизонтальной видимости до 100 м и меньше, 11 случаев с пыльной бурей, когда видимость уменьшалась до 200 м и ниже.
Согласно международному коду метеорологической дальности видимости (Семенченко, 2002), видимость от 2000 до 10000м соответствует дымке, а начиная с 2000м и ниже различным стадиям развития тумана. Так, при дальности видимости 50-200 м отмечается густой туман, при котором полеты авиации категорически запрещены, а в мало запыленном и достаточно сухом воздухе видимость может достигать многих десятков километров (Хромов, Мамонтова, 1974). Таким образом, пыльные бури создают неблагоприятные условия по видимости эквивалентные соответствующие такому известному метеорологическому явлению как туман, при этом оказывающие дополнительное вредное воздействие на здоровье человека.
Таблица 3.5 Распределение числа случаев горизонтальной видимости по градациям на территории Хузестана в период 2000-2010 гг. (в первом столбике число случаев, во втором- повторяемость в %)
Для наглядности данные таблиц 3.4 и 3.5 представлены на рис. 3.3 и 3.4, где четко определяются ареалы распространения пыльных бурь различной активности на территории Хузестана. Как видно из этих рисунков, в юго-западной части Хузестана пыльные бури возникают чаще, чем в восточной.
Распределение пыльных бурь по территории Хузестана в зависимости от горизонтальной видимости (в м): а) 100-500м; б)500-1000м; в)1000-2000м; г)2000-5000м; д)5000-10000м Таким образом, нами рассмотрены многолетние особенности пыльных бурь в провинции Хузестан, обусловленных как внешними, так и внутренними факторами. Кроме статистического подхода к проблеме, интерес представляет анализ и отдельных случаев возникновения пыльных бурь, что представлено в следующем разделе.
Для изучения пыльных бурь в последние десятилетия используются дистанционные методы в том числе метеорологические радиолокаторы (МРЛ), которые способны предоставлять информацию в режиме реального времени о местоположении и характере перемещения пылевых бурь. Современные МРЛ имеют радиус обзора 250-300км и позволяют вести циклические наблюдения с периодичностью от 3 до 15 минут в круглосуточном автоматизированном режиме, предоставляя данные с высоким пространственным разрешением (0,5-1км) на площади до 200 тыс.км2 (Руководство, 2011).
На территории Хузестана на ст. Ахваз в 2010г. установлен метеорадар для наблюдений за метеорологическими явлениями, связанными с облачностью и осадками, возникновением и перемещением облаков пыльных бурь.
В данном разделе рассмотрим ряд примеров обнаружения пыльных бурь на территории Хузестана с анализом синоптической обстановки.
Рассмотрим вначале климатические условия 4-х летнего периода 20102013гг., когда на территории Хузестана велись радарные наблюдения за пыльными бурями, с использованием данных 21 метеостанций (табл. 3.6). Таблица 3.6
Кешаварзи 22 31 20 48 40 Основными характеристиками климатического режима любого региона являются температура воздуха, атмосферные осадки и скорость ветра. Осредненная за 4 года средняя годовая температура воздуха (табл. 3.7) изменяется в переделах: от 20,1С (ст.Дехдез) до 28,5С (ст.Агаджери). Здесь сказывается расположение станции над уровнем моря. Действительно, ст.Агаджери имеет высоту над уровнем моря 27м, а станция Дехдез расположена в горах на высоте 1581м, поэтому на фоне высоких средних годовых значений температур большинства станций расположенных на равнине (26-28С), выделяются с более низкими температурами (20-24С) горные станции (Изе, Дехдез).
В январе- самом холодном месяце года- средняя температура повышается с севера на юг от 7,8С (ст. Дехдез) до 15,6С (ст. Агаджери). Затем температура воздуха незначительно повышается в феврале ( на 2С) и,начиная с апреля по октябрь, средняя месячная температура воздуха по территории распределяется равномерно- ее значения максимальны и варьируют в пределах 37-41С. Далее в годовом ходе происходит ее постепенное понижение в осеннем периоде. Годовые амплитуды температуры воздуха порядка 24-25С. Это меньше, чем в умеренных широтах, что свидетельствует о субтропическом типе климата.
В табл. 3.8 приведены данные о распределении значений средних месячных максимальных температур, полученных осреднением за 4-х летний период (2010-2013гг.). Данные этой таблицы по своему характеру согласуются с данными табл.3.7. Естественно, что значения средней максимальной температуры воздуха существенно превышают значения средней температуры. Так, на ст. Ахваз средняя максимальная температура в течение года возрастает от 23,8С (январь) до 50,7С (июль). Следует заметить, что средние максимальные температуры периода (2010-2013гг.) оказались заметно выше, чем рассчитанные для периода (1994-2010гг.), что свидетельствует об усилении засушливости климата. Этот вывод подтверждают и данные табл. 3.9, где приводится распределение средних сумм осадков за 2010-2013гг. Эти суммы значительно ниже приведенных ранее в табл. 2.15 ивычисленных для более раннего периода-1994-2010гг. В целом годовые суммы меняются по территории в достаточно широких пределах от 99мм (ст.Абадан) до 500мм (ст. Дехдез). Хорошо прослеживается и годовой ход- осадки выпадают с ноября по май, в летний период- июнь- сентябрь они практически отсутствуют. Таким образом, рассматриваемый период 2010-2013гг. отличался высокими температурами и сухостью. Кроме того, в этот период отмечается усиление среднемесячных максимальных скоростей ветра по сравнению с более ранним периодом (1994-2010гг.) Как видно из табл. 3.10, средние месячные максимальные скорости ветра на ряде станций достигают 20 м/с, что, безусловно, при жарком и сухом климате способствует возникновению пыльных бурь на территории провинции Хузестан, особенно в летний период.
Отмеченные особенности в изменении климатических условий наглядно иллюстрируют ранее обнаруженные в главах Iи IIс помощью тренд-анализа тенденции усиления засушливости и, следовательно, условий благоприятствующих опустыниванию на территории стран Аравийского полуострова.
Статистическая характеристика пыльных бурь в Хузестане в период 2000-2010гг.
Число Ri характеризует собой отношение архимедовых сил к силам инерции, оно получено Ричардсоном при анализе уравнения баланса турбулентной энергии. Принято считать, что если Ri Riкр , турбулентность имеет условия для своего образования и развития, в случае выполнения неравенства Ri Riкр турбулентность не должна развиваться. По мнению Ричардсона Riкр=1, однако в научной литературе по этому вопросу до сих пор нет единого мнения. Так, в ряде работ, посвященных исследованию условий возникновения турбулентности в устойчиво стратифицированных средах в результате потери гидродинамической устойчивости, используется значение Riкр=1/4 (Переведенцев, Богаткин, 1978).
Согласно многочисленным проведенным исследованиям, турбулентные потоки возникают там, где имеют место большие контрасты в полях температуры и скорости ветра. Особенно благоприятные условия для развития термической турбулентности создаются при вторжении холодных воздушных масс на теплую подстилающую поверхность. Термическая турбулентность имеет хорошо выраженный суточный ход.
При больших градиентах скорости ветра возникает динамическая турбулентность, наиболее благоприятная обстановка для образования турбулентных зон складывается при прохождении углубляющихся циклонов или ложбин и связанных с ними фронтов, особенно холодных фронтов 2-го рода (Переведенцев и др., 2013).
По данным радиозондирования атмосферы на ст. Ахваз для рассматриваемых случаев с пыльными бурями в период 2010-2013гг. рассчитывались значения чисел Ричардсона. Таблицы с данными приводятся в Приложении 3. Следует отметить, что в ряде случаев Ri 0, что свидетельствует о неустойчивой стратификации атмосферы. Чаще всего это происходит в послеполуденные часы. Как известно, число Ричардсона широко используется в качестве показателя устойчивости стратификации атмосферы: при Ri 0 стратификация атмосферы неустойчива, при Ri=0 безразличная, при Ri 0 устойчивая (Хромов, Мамонтова, 1974).
Рассмотренные примеры обнаружения пыльных бурь на территории Хузестана с помощью радаров свидетельствуют об эффективности дистанционного мониторинга за опасными явлениями погоды.
В результате выполненного исследования по изучению климатических изменений, условий возникновения и характеристик пыльных бурь, анализа метеорологических и аэросиноптических процессов за последние десятилетия на территории Хузестана и стран Персидского залива в целом оказалось возможным сформулировать следующие выводы:
Климатический режим Хузестана, согласно результатам статистического анализа данных 13 метеостанция в период 1951-2013гг., хараткризуется следующими тенденциями: тренд-анализ выявил наибольший рост температуры воздуха в период апрель-октябрь, усиление максимальной скорости ветра в летний период, что усиливает засушливость климата и создает благоприятные метеорологические условия для возникновения и поддержки пыльных бурь. Распределение аномалий температур t разной интенсивности достаточно однородно по территории провинции;
Анализ низкочастотных колебаний приземной температуры воздуха в Персидском регионе в период 1948-2013гг. по данным реанализа показал, что зимой температурный режим мало изменчив, летом выявляется достаточно интенсивный рост температуры воздуха, что приводит к усилению засушливости региона в целом. Выявленный положительный значимый тренд биоклиматических показателей- индекса «жары» Стедмена и эквивалентно-эффективной температуры Миссенарда свидетельствует о снижении уровня комфортности местного климата в летний период;
Установлено, что на термический режим стран Персидского залива оказывают охлаждающее влияние Северная Атлантика и Арктика через механизм Северо-Атлантического и Арктического колебаний- получены значимые отрицательные значения коэффициентов корреляции (r 0.31) между индексами САК и АО и температурой региона за 40-летний период (1971-2010гг.);
Статистический анализ 3000 случаев зафиксированных метеосетью пыльных бурь на территории Хузестана в период 2000-2013гг. выявил следующие закономерности: проявляется тенденция увеличения с годами повторяемости, интенсивности и продолжительности пыльных бурь внешнего происхождения ( 75% от числа случаев) над местными. Пыльные бури чаще всего возникают в период март-июль до обеда, их продолжительность в большинстве случаев составляет менее 4 суток, а количество уменьшается в направлении с юго-запада на северо-восток при переходе от равнинной местности к гористой;
Рассмотрены примеры обнаружения пыльных бурь на территории Хузестана в период 2010-2013гг. с помощью радара установленного на ст. Ахваз. Комплексный анализ метеорологической и аэросиноптической обстановки показал, что необходимым условием возникновения пыльных бурь является формирование антициклона на юге Ирана и циклона на Аравийском полуострове западнее Персидского залива, сопровождающихся высокими температурами воздуха и усилением скорости ветра в послеполуденные часы на фоне увеличения барического градиента;
