Nivar

Nivar

Spatial Analysis of the Relationship Between Aerosols and Precipitation in Iran

Document Type : Original Article

Authors
Somayeh Delbasteh 1
Seyed Hossein Mirmousavi 2
Kohzad Raispour 3
Yunes Khosravi 2
1 PhD student of Climatology, Zanjan University, Iran
2 Associate Professor, Faculty member of Zanjan University, Iran
3 Assistant Professor, Faculty member of Zanjan University, Iran
10.30467/nivar.2024.457519.1291
Abstract
Airborne particles have a significant effect on the characteristics of precipitation and directly affect the climate of the region and human life. Aerosols, which play an essential role in cloud formation and radiation balance regulation, can affect the intensity, frequency, geographical distribution, extent, and timing of precipitation. However, due to variations in aerosol properties, different types of precipitation, vertical distribution of aerosols, and meteorological conditions, discrepancies are observed among the results of current studies. Scientific advances in recent research have produced significant developments, but understanding the effects of aerosols on precipitation remains challenging and complex. In this research, the AOD index and geographically weighted regression model have been used to investigate the relationship and possible impact of aerosols on precipitation in Iran. For this purpose, the daily data of the Modis Mod08 product and the daily rainfall data during the statistical period of 2000-2022 were used. Also, to reveal the type of aerosols affecting precipitation, daily data of the MERRA-2 model and multivariate regression method model were used. The results showed that considering all three cases, i.e. the relationship between AOD index values with precipitation on the same rainy day, AOD index values one day before precipitation with precipitation the next day, and AOD index values two days before precipitation with precipitation on the given day. Opinion, there is a correlation between these two variables in all three situations at a minimum of 0.3 to a maximum of 55.7. The results of analyzing the spatial distribution of significant pixels showed that this distribution has a special pattern in such a way that most of these pixels are located in the three regions of the southeast (Kerman, Sistan and Baluchistan, and Hormozgan provinces), the western region (Kurdistan province, Hamadan and Lorestan) and the northeast region (Khorasan, Semnan and the eastern part of Mazandaran) are concentrated. In the investigation of the types of aerosols effective in precipitation, it was found that the most effective types of aerosols in precipitation in these areas were dust particles with diameters of PM10 and PM2.5. Also, comparing the amount of precipitation with the AOD index on a rainy day shows that on the days when the index value is high (values close to 1 and more), the amount of precipitation that occurred in one day has increased significantly. In other words, with the increase in the density of aerosols, more intense rains have occurred.
Keywords
AOD index
spatial analysis
precipitation
aerosol
Iran
Subjects
  1. انصافی ‌مقدم، ط.،  خوش‌اخلاق،  ف.،  شمسی‌پور،  ع.‌ا.،  اخوان،  ر.،  صفرراد،  ط،  و امیراصلانی،  ف،  (1396)،  پایش و ارزیابی اثرات گردوغبار بر تغییرات بارش در جنوب‌غرب ایران با استفاده از سنجش از دور و GIS،  نشریه سنجش از دور و GIS ایران،  شماره 9(2)،  صفحات 79-98.
  2. امیدوار، ک.،  امیدی،  ز،  (1392) ،  تحلیل پدیده گردوغبار در جنوب و مرکز استان فارس،  کاوش های جغرافیایی مناطق بیابانی،  سال اول،  شماره اول،  صفحات 114-85.
  3. بحری، ع.،  خسروی،  ی.،  توکلی،  آ،  (1398)،  مقایسه عملکرد روش رگرسیون وزن دار جغرافیایی و روش حداقل مربعات برای مدل سازی روابط فضایی دمای سطح دریای عمان.نشریه علمی پژوهشی مهندسی فناوری اطلاعات مکانی،  سال هفتم،  شماره سوم،  صفحات172-159.
  4. ترکاشوند، م.ق،  (1397)،  مدل سازی گردش منطقه ای جو در رخداد شدیدترین توفان ریزگرد بهاره غرب ایران،  تحلیل فضایی مخاطرات محیطی،  شماره 5(2 )،  صفحات 19-34.
  5. توانگرریزی، س،  (1394)،  بررسی نقش آئروسل ها ی جوی در فرایند تشکیل ابر و بارش با استفاده از مدل عددی WRF_ Chem،  پایان نامه کارشناسی ارشد هواشناسی،  دانشگاه یزد، 180 صفحه.
  6. حاتمی بهمن‌بیگلو خ.ک.، موحدی،  س.،  نارنگی‌فرد،  م،  (1393)،  پایش مکانی و زمانی پدیده‌های آب و هوایی مرتبط با گرد و غبار در شهرهای ایران،  فصلنامه جغرافیا و مطالعات محیطی،  سال سوم،  شماره یازدهم،  صفحات 48-37.
  7. ﺣﺴﯿﻨﯽ ﻗﻬﻔﺮخی، ل،  (1390)،  ﻣﻄﺎﻟﻌﻪ ﻧﻘﺶ آﯾﺮوﺳﻞ ﻫﺎ  درﺗﺸﮑﯿﻞ  اﺑﺮ و ﺑﺎرش درﻗﺴﻤﺖ ﻫﺎی ﻣﺮﮐﺰی و ﺟﻨﻮب اﯾﺮان ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از اﻃﻼﻋﺎت ﻣﺎﻫﻮاره ای (1393)،  ﭘﺎﯾﺎن ﻧﺎﻣﻪ ﮐﺎرﺷﻨﺎﺳﯽ ارﺷﺪ در رﺷﺘﻪ ﻫﻮاﺷﻨﺎﺳﯽ،  صفحه 210.
  8. حسینی، س.ا.، رستمی، د، (1397)، واکاوی و ردیابی پدیده گردوغبار در جنوب و جنوب شرق ایران با استفاده از مدلHYSPLIT و اصول سنجش ازدور. تحلیل فضایی مخاطرات محیطی،5 (3)،  109-103.
  9. دوستان، ر، (1397)، تحلیل همدید گرد وغبار شمال شرق ایران، مخاطرات محیط طبیعی، شماره 7(16)،  صفحات 23-44.
  10. رضایی بنفشه، م.،  جهانبخش،  س.، آب خرابات،  ش.،  رسولی،  ع. .، ا،  کریمی،  م،  (1399) ،  نقش بادهای 120 روزه سیستان در نوسانات رطوبت شرق و جنوب شرق ایران،  جغرافیا و برنامه‌ریزی،  شماره 24(73)،  صفحات 199-217.
  11. رئیس پور، ک.، خسروی،  ی،  (1400)،  پایش بلندمدت غلظت آلاینده‌ کربن سیاه (BC) در ایران با استفاده از داده‌های مدل مبنای NASA/MERRA-2،  فصلنامه علوم محیطی،  شماره 19(3)،  صفحات 99-122.
  12. رئیس پور، ک، (1393)، اﻗﻠﯿﻢﺷﻨﺎﺳﯽ ﺳﯿﻨﻮﭘﺘﯿﮑﯽ،  ﻣﺎﻫﻮارهای ﮔﺮد و ﻏﺒﺎرﻫﺎی ﻏﺮب و ﺟﻨﻮبﻏﺮب اﯾﺮان،  رﺳﺎﻟﻪ ی دﮐﺘﺮی در رﺷﺘﻪی ﺟﻐﺮاﻓﯿﺎی ﻃﺒﯿﻌﯽ ﮔﺮاﯾﺶ اﻗﻠﯿﻢ ﺷﻨﺎﺳﯽ،  دانشگاه سیستان و بلوچستان،  صفحه 265.
  13. زارعی، ف.،  قرایلو،  م.،  علیزاده چوبری،  ا،  (1396)،  تأثیر هواویزها بر بارش در شرایط رطوبت‌های نسبی متفاوت: مطالعه موردی،  مجله ژئوفیزیک ایران،  شماره 11(2)،  صفحات 135-155.
  14. عبدمنافی، د.، حجام، س.، مشکوتی، ا.ح.، وظیفه دوست، م، (1397)،  تاثیر آلودگی‌های ذره‌ای هوای تهران بر روی مشخصه‌ ابر و بارش،  علوم و تکنولوژی محیط زیست،  دوره بیست،  شماره یک،  صفحات 130-119.
  15. عساکره، ح،  (1390)،  مبانی اقلیم شناسی آماری،  انتشارات دانشگاه زنجان،  طیف نگار،  چاپ اول،  صفحه 550.
  16. یاراحمدی، د.، نصیری،  ب.، خوش کیش، ا.، نیکبخت،  ح، (1393)، تاثیر نوسانات آب و هوایی بر رخداد پدیده گرد و غبار (مطالعه موردی گرد و غبارهای غرب و جنوب غرب ایران)، مهندسی اکوسیستم بیابان،  شماره 3(5)، صفحات 19-28.
  17. Andreae, M. O., Rosenfeld, D., Artaxo, P., Costa, A. A., Frank, G. P., Longo, K. M., & Silva-Dias, M. A. F., Smoking rain clouds over the Amazon. Science, 303(5662), PP. 1337-1342.
  18. Andreae, M. O., & Rosenfeld, D., 2008. Aerosol-cloud-precipitation interactions. Part 1. The nature and sources of cloud-active aerosols. Earth Science Reviews, 89(1-2), 13-41.
  19. Bond, T. C., Doherty, S. J., Fahey, D. W., Forster, P. M., Berntsen, T., DeAngelo, B. J & Zender, C. S., 2013. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 118(11), pp. 5380-5552.
  20. Guo, J., Liu, H., Li, Z., Rosenfeld, D., Mengjiao, J., Weixin, X., Jiang, Jonathan H., He, J., Chen, D., Min Min, z., 2018. Aerosol-induced changes in the vertical structure of precipitation: a perspective of TRMM precipitation radar. Chem. Phys,18, pp. 13329–13343.
  21. Gharibzadeh, M., Alam, K., Bidokhti, A. A., Abedini, Y., & Masoumi, A., 2017. Radiative effects and optical properties of aerosols over Zanjan, Iran. Atmospheric Pollution Research, 8(1), pp 14-22.
  22. Gonçalves, W. A., Machado, L. A. T., Kirstetter, P.-E., 2015. Influence of biomass aerosol on precipitation over the Central Amazon: an observational study. Atmos. Chem. Phys, 15, pp 6789–6800.
  23. Gong, S. L., A parameterization of sea-salt aerosol radiative properties and their effects on climate. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 108(D15), pp. 1-8.
  24. Koren, I., Martins, V., Remer,  L ., Afargan,  H., 2008. Smoke Invig- oration Versus Inhibition of Clouds over the Amazon, Science, 321, pp. 946–949.
  25. Kim, J., & Lee, S., Aerosol optical depth and precipitation in the southeastern United States. Journal of the Atmospheric Sciences, 75(10), PP. 3455-3468.
  26. Li Zhanqing, Wang Yuan, Guo Jianping, Zhao Chuanfeng, Cribb Maureen C,Dong Xiquan, Fan Jiwen, Gong Daoyi, Huang Jianping, Jiang Mengjiao., East asian study of tropospheric aerosols and their impact on regional clouds, precipitation, and climate (EAST‐AIRCPC). Journal of Geophysical Research: Atmospheres,124,23,PP. 13026-13054.
  27. Li, Z., Liu, L., Zhang, Y., Wang, Y., Sun, J., Wang, Z., & Ding, A., 2019. Aerosol-cloud interactions: Observations, modeling, and implications for climate. Annual Review of Environment and Resources, 44, PP. 369-397.
  28. Lenoble, Jacqueline, Lorraine Remer, and Didier Tanré. Aerosol Remote Sensing. Springer., 2013. p. 390.
  29. Lin John C,Matsui T,Pielke Sr RA,Kummerow C., 2006. Effects of biomass‐burning‐derived aerosols on precipitation and clouds in the Amazon Basin: A satellite‐based empirical study. Journal of Geophysical Research: tmospheres,111, D19.
  30. Lin, Y. L., Farley, R. D., & Orville, H. D., 2006. Aerosol effects on convective storms and precipitation. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 111(D19), D19204.
  31. Liu, Y., Zhao, C., Zhang, M., Li, J., Chen, J., & Leung, L. R., Aerosol optical depth and precipitation in China. Journal of Hydrology, 529, pp. 123-133.
  32. Li, Z., Niu, F., Fan, J., Liu, Y., Rosenfeld, D., & Ding, Y., (2011. Long-term impacts of aerosols on the vertical development of clouds and precipitation. Nature Geoscience, 4(12), pp. 888-894.
  33. Rosenfeld, D., et al., 2001. Flood or drought: An overview of precipitation extremes affected by aerosols. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 106(D24), pp. 3221-3243.
  34. Rosenfeld Daniel., 1999. TRMM Observed First Direct Evidence of Smoke from Forest Fires Inhibiting Rainfall. Geophysical Research Letters, 26, 20, pp. 3105-3108.
  35. Rosenfeld, D., & Lensky, I. M., 2008. Clouds and aerosols: A review of the indirect radiative effect. International Journal of Climatology, 28(1), pp.13-41.
  36. Ramanathan, V., Crutzen, P. J., Kiehl, J. T., & Rosenfeld, D., 2001. Aerosols, climate, and the hydrological cycle. Science, 294(5549), pp. 2119-2124.
  37. Ramanathan, V., Crutzen, P. J., Kiehl, J. T., & Rosenfeld, D., 2005. Atmospheric Brown Clouds: Impacts on South Asian Climate and Hydrological Cycle. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), 102(15), pp. 5326-5333.
  38. Sato, Y., Goto, D., Michibata, T., Suzuki, K., Takemura, T., Tomita, H., & Nakajima, T., 2018. Aerosol effects on cloud water amounts were successfully simulated by a global cloud-system resolving model. Nature Communications, 9(1), 985, pp.1-7.
  39. Tegen, I., Neubauer, D., Ferrachat, S., Siegenthaler-Le Drian, C., Bey, I., Schutgens, N., Stier, P., Watson-Parris, D., Stanelle, T., Schmidt, H., Rast, S., Kokkola, H., Schultz, M., Schroeder, S., Daskalakis, N., Barthel, S., Heinold, B., & Lohmann, U., 2019. Aerosol–cloud interactions and their radiative forcing with the global aerosol-climate model ECHAM6.3–HAM2.3–MOZ1.0. Geoscientific Model Development, 12(10), pp. 4639-4664.
  40. Wang Yuan, Ma Po‐Lun, Jiang Jonathan H, Su Hui, Rasch Philip J., Toward reconciling the influence of atmospheric aerosols and greenhouse gases on light precipitation changes in Eastern China. Journal of Geophysical Research: Atmospheres,121,10, pp. 5878-5887.
  41. Wang, J., Zhang, Q., Huang, J., Liu, C., Zhao, T., & Zhang, L., 2020. Aerosol optical depth and precipitation frequency in the United States. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 59(1), pp. 111-124.
  42. Wang, J., & Chen, L., 2017. Aerosol optical depth and precipitation in the eastern United States. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 122(12), pp. 6465-6478.

 

 

  • Receive Date 14 May 2024
  • Revise Date 02 October 2024
  • Accept Date 22 October 2024
  • Publish Date 09 April 2025