مدل سازی توزیع غلظت آلاینده های NO۲ و O۳ با توان تفکیک مکانی مناسب با استفاده از تلفیق داده های زمینی و ماهواره ای

سابقه و هدف: آلودگی هوا یکی از مهم ترین بحران هایی است که امروزه اکثر کشور ها با توجه به پیشرفت صنعت و فناوری با آن رو به رو هستند. کشور ایران و به ویژه شهر تهران نیز از این پدیده مستثنا نیست. تاثیر آلودگی هوای شهری بر محیط زیست و سلامت انسان نگرانی های فزاینده ای را برای محققان، سیاست گذاران و شهروندان برانگیخته است. برای کاهش تاثیرات منفی آلودگی هوا بر سلامت، اندازه گیری به موقع آن در وضوح زمانی و مکانی بالا اهمیت فراوانی دارد. ازطرفی، ایستگاه های سنجش آلودگی هوا در سطح شهر به رغم صحت بالا در اندازه گیری آلاینده ها، به دلیل محدودیت های زمانی و مکانی و اندازه گیری نقطه ای قابلیت تعمیم پذیری ندارند. راهکار مکمل و بعضا جایگزین استفاده از سنجش ازدور و داده های ماهواره ای است که با توجه به هزینه بهینه و پوشش وسیع روشی مناسب برای پایش آلودگی هوا به شمار می رود. آلاینده های دی اکسید نیتروژن (NO۲) و ازن (O۳) از مهم ترین شاخص های آلودگی هوا هستند که در این پژوهش برای مدل سازی توزیع غلظت آن ها در سطح شهر تهران با توان تفکیک مکانی برابر (تقریبا یک کیلومتر) و صحتی بالاتر از داده های ماهواره ای تلاش خواهد شد.   مواد و روش ها: به منظور مدل سازی توزیع غلظت دو آلاینده NO۲ و O۳ با دقت و توان تفکیک مناسب، از روش نوآورانه مبتنی بر روش درون یابی کریجینگ استفاده شده است. این روش با بهره گیری هم زمان از مزایای داده های ایستگاهی سنجش آلودگی از شرکت کنترل کیفیت هوای تهران، که با بهره گیری از ۲۱ ایستگاه سنجش آلودگی هوای فعال که در نقاط مختلف شهر تهران مستقر است، بالاترین دقت در اندازه گیری پارامترها را دارند و داده های ماهواره ی سنتینل ۵P، که از توان تفکیک مکانی بالا برخوردارند، مدل سازی را انجام می دهد. با توجه به قابلیت های سامانه گوگل ارت انجین، نقشه های توزیع غلظت دو آلاینده در کل مناطق ۲۲ گانه شهر تهران به صورت ماهانه و همچنین داده های ماهواره ای نقطه ای دو آلاینده در مختصات مکانی ایستگاه های زمینی، به صورت ساعتی، روزانه و ماهانه به مدت یک سال از تاریخ ۱ فروردین ۱۴۰۰ تا ۱ فروردین ۱۴۰۱ در سامانه گوگل ارت تهیه و جمع آوری شد. پس از بررسی همبستگی بین داده های ماهواره ای و داده های ایستگاه های سنجش زمینی و حذف بایاس از داده های ماهواره ای، مراحل مختلف مدل سازی نوآورانه درون یابی کریجینگ به منظور مدل سازی توزیع غلظت دو پارامتر به کار گرفته شد.   نتایج و بحث: به منظور صحت سنجی داده های خروجی حاصل از مدل سازی توزیع آلاینده ها، ۷۰ درصد ایستگاه ها به عنوان داده های آموزش (Train) و ۳۰ درصد ایستگاه ها به عنوان داده های آزمون (Test) انتخاب شدند. این نقاط به صورت تصادفی و برای هر ماه از سال ۱۴۰۰ انتخاب شدند. مدل سازی نقشه نهایی توزیع آلاینده ها با استفاده از داده های آموزش و صحت سنجی مدل سازی انجام شده با استفاده از داده های آزمون انجام شد. این کار با استفاده از محاسبه میانگین خطای بین داده های پیش بینی شده توسط مدل و داده های ایستگاهی مستخرج از شرکت کنترل کیفیت هوای تهران (با واحد ppb) و همچنین محاسبه شاخص RMSE صورت گرفته است. نتایج نشان می دهد که میانگین خطای ماهانه مدل پیشنهادی، نسبت به داده های ماهواره سنتینل ۵P از ۱۶.۸ به ۱.۷۳ درصد برای آلاینده NO۲ و از ۲۱.۹ به ۲.۵۳ درصد برای آلاینده O۳  کاهش یافته است. همچنین خطای جذر میانگین مربعات (RMSE) این مدل نسبت به داده های ایستگاهی سنجش آلودگی برای آلاینده NO۲ و O۳ به ترتیب برابر با ppb ۲.۷۹ و ppb ۰.۸۶ است. این در حالی است که در حالت مشابه شاخص RMSE نقشه خروجی ماهواره سنتینل ۵P نسبت به داده های ایستگاهی سنجش آلودگی برای آلاینده NO۲ و O۳ به ترتیب برابر با ppb ۱۰.۰۸۳ و ppb ۶.۲۳۸ است. نتیجه گیری: با توجه به اینکه مدل تلفیقی پیشنهادی عملکرد بسیار مطلوبی در مدل سازی غلظت توزیع غلظت آلاینده های مورد نظر در طول سال ۱۴۰۰ با دقت و توان تفکیک مکانی تقریبا یک کیلومتری داشته است، به کارگیری هم زمان داده های ماهواره ای و زمینی در برآورد آلاینده ها توصیه می شود.

کلیدواژه ها:

آلودگی هوا ، آلاینده های ترافیکی ، درون یابی کریجینک ، ماهواره Sentinel-۵P ، آلاینده NO۲ ، آلاینده O۳