Sand Dune Systems in Iran - Distribution and Activity

Autor: Abbasi, Hamidreza, Opp, Christian (Prof. Dr.)
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2019
Předmět:
Popis: Wind erosion and shifting sand dunes as a land degradation process is a serious problem in Iran. There are significant gaps in our knowledge of Iran sand dunes in national scale for the English speaking international scientific community as well as wind erosion and sand transport in Sistan plain. Identifying active dunes and monitoring areas with migrating sand are important prerequisites for mitigating these damages. In addition, wind erosion is one of the most serious problems in the Sistan region, located in the East of Iran and near the border of Afghanistan. This thesis has two major purposes: (1) to assess sand dune activity in national scale of Iran (2) to investigate wind regime and investigated spatial and temporal patterns of wind erosion process in Sistan region. With regard to first objective, the spatial variation of the wind energy environment based on the sand drift potential (DP), with using Fryberger and Dean's (1979) method, was calculated from 204 meteorological stations in and around Iran’s deserts. Three commonly dune activity models – the Lancaster mobility index (1988), the Tsoar mobility index (2005), and the index developed by Yizhaq et al. (2009) – were used for the evaluation of Iran’s sand dune activity. The analysis of the indices showed that the dunes activity was characterized by great spatial variations across Iran’s deserts. All three models identified fully active dunes in the Sistan plain, the whole of the Lut desert, as well as in the Zirkuh Qaien and Deyhook regions, while the dunes in the northern part of Rig Boland, Booshroyeh and in the Neyshabor dunefields were categorized as stabilized dunes. For other dunes, the models show a less unified activity classification, with the Lancaster and Yizhaq models having more similar results while the Tsoar model stands more apart. Overall the three models delivered comparable results in some instances and diverging results in others. The reasons for this are the use of different parameters and their impact on the model construction. The main contradictions of the three models results are revealed when the wind blows for only short times but with a high energy, like in the north of the Dasht-e Kavir desert (Damagan, Foromad) and at some stations in the wind of the 120 days’ domain (Sedeh Birjand). Field observation demonstrated that dunes in these areas are completely active, but the Lancaster mobility index (LMI) classified them as inactive or semi-active because of a low to moderate percentage of wind events above the transport threshold. At the same time the DP in this region showed high values and thus the Tsoar mobility index (TMI) classified the dunes as active, while the Yizhaq model (YMI) classified them as active or semi-active. In fact, in spite of high wind energy, the percentage of winds above threshold (W%), that is upper 12 knot or 6.2 m s-1 in this study, was rather low, as high speed winds only occur during the warm season, while the rest of the year is characterized by calm weather. The nature of the wind power parameter varies from the LMI, that is the percentage of winds above threshold (W%) to the TMI and YMI that is DP. DP reflects the quantity (frequency) and quality (intensity) of the wind power, but W% only shows its quantity (frequency of winds above the transport threshold). It seems that if DP was used in the LMI instead of W%, it would provide more favourable results . In addition, the statistical analysis (correlation coefficient) between DP values and the percentage of wind events above the transport threshold (%W) at the meteorological stations in the study area shows a moderate correlation. Based on this argumentation, W% has been replaced by the DP (vu) as the wind energy parameter in Lancaster mobility index (1988) and a Modified Lancaster Index (MLI) was developed. Based on these model results and fields observations, a modified Lancaster mobility index has been applied to show a more realistic spatial variation of sand dunes activity in Iran’s desert areas. With regard to second objective, the wind regime, formation of aeolian dunes and the rate of sand transport in Sistan and Registan were investigated. The Sistan region in eastern Iran and the Registan region in South-western Afghanistan are strongly influenced by the Sadobist Roozeh wind (the wind of the 120 days), which is blowing along the Iran-Afghanistan border from North to South, then shifts it’s direction toward the Southeast into the Sistan region and, finally, continues eastward into south-western Afghanistan, forming the Registan sand seas. It blows during the hot season due to the pressure gradient between the Turkmenistan High and the Pakistan Low. In order to determine the wind regime and the sand transport, wind roses based on long-term datasets from 16 meteorological stations, DP, the Resultant Drift Direction (RDD), the Resultant Drift Potential (RDP) and the RDP/DP ratio have been calculated using Fryberger and Dean's (1979) method. The distribution of the Registan sand dunes was surveyed by using Landsat ETM data, Google Earth scenes and field operations (the latter only in the Iranian part). The spatial differences of the drift potential were simulated using GIS and geostatistical methods overlaying the sand dune map. The results show that DP increases from north to south along the border between Iran and Afghanistan and reaches to highest values in the Sistan region, then decreases gradually in the Registan sand seas. The highest wind energy, based on DP matches, was determined exactly where the ephemeral lakes in the northern part of the Sistan plain are located, which function as a source area of intense dust and sand storms during the dry season. The annual DP calculated in Sistan is one of the highest values (2516 vector units) in inland desert and categorized it into the windiest desert in the world. The temporal trend of the DP showed an increase between 1999 and 2007, followed by a decrease until 2015 in Sistan. The results show that the wind regime in the Sistan and Registan regions is unimodal during the wind of 120 days (the Sadobist Roozeh) period, which is also supported by the dominance of transverse, barchanoid and barchans dunes in both regions . In continue second objective, we measured the rate of sediment transport in Hamoun-e Baringak, as one of the six ephemeral lakes, producing more aeolian sediment into the atmosphere in Sistan region. In order to investigate the land surface sensitivity to aeolian transport, 74 graduated pins were embedded randomly in the ephemeral Baringak Lake bed and the aeolian transport rates were measured for three events in 2013 individually as well as for the total study period. The spatial and temporal variation of the aeolian transport was also mapped using GIS and geostatistics methods for these events and for the total duration of 103 days. The resulting variogram revealed a high spatial dependence of the different events and showed that geostatistical techniques are a valid tool for the mapping of aeolian sediment transport. The average transport rate in terms of the detected drift height on the dry lake bed was 1.93 cm or 31 kg/m2 between the 5th of August and the 17th of November in 2013.
Winderosion sowie aktive Sanddünen sind charakteristische Phänomene und Begleiterscheinungen der Landdegradation. Sie sind im Iran weit verbreitet. Die Kenntnisstanddefizite über Sanddünenbewegungen im Iran und über Winderosion sowie äolischen Transport im Gebiet der Sistan Plains (Ost-Iran) sind insbesondere in der englischsprachigen Literatur beträchtlich. Kenntnisse über aktive Dünenbewegung und das Monitoring von äolischen Transportprozessen sind aber eine Voraussetzung für Strategien zur Schadensvermeidung. Winderosion ist eines der bedeutendsten Probleme der Sistan Region im Osten vom Iran an der Grenze zu Afghanistan. Die Dissertation verfolgt zwei Hauptziele: 1) Bewertung der Sanddünenaktivität auf der nationalen Ebene des Iran; 2) Analyse des Windregimes sowie der raum-zeitlichen Muster der Winderosion in der Sistan Region. Bezüglich des ersten Ziels wurde die räumliche Variabilität des Windenergieumfeldes mittels der Methode von Fryberger & Dean (1979) ermittelt, basierend auf dem Sanddrift-Potential (DP), sowie Daten von 204 meteorologischen Stationen in den Wüsten des Irans und in deren Umfeld. Zur Bewertung der Sanddünenaktivität im Iran wurden drei weit verbreitete Dünen-Modelle genutzt: der Lancaster Mobilitäts-Index (1988), der Tsoar Mobilitäts-Index (2005) sowie ein von Yizhaq et al. (2009) vorgestellter Index. Die Anwendung und Auswertung der Index-Ermittlungen hat gezeigt, dass die Dünengebiete des Iran große Unterschiede bezüglich der Mobilität aufweisen. Durch alle drei Modelle konnte nachgewiesen werden, dass das Gebiet Sistan Plain, die gesamte Wüste Lut sowie die Zirkuh Qaien und Deyhook Regionen vollständig aktive Dünen aufweisen, während die Rig Boland, Booshroyeh dnd die Neyshabor Dünenfelder im nördlichen Iran als stabilisierte Dünen gekennzeichnet werden konnten. Für andere Dünenfelder konnte eine wenig einheitliche Zuordnung zu den Dünenaktivitätsklassen ermittelt werden. Während die Einstufung mit dem Lancaster Mobilitäts- Index und mit dem Yizhag Mobilitäts-Index eher ähnliche Ergebnisse ergab, wichen die Ergebnisse, die mit dem Tsoar Mobilitäts-Index ermittelt worden, davon ab. Insgesamt konnten mit diesen Modellen vergleichbare Ergebnisse erzielt werden; in einigen Fällen wurden aber auch voneinander abweichende Resultate ermittelt. Die Ursachen dafür liegen in den verwendeten Parametern und deren Einfluss auf die Modellberechnungen zu Grunde. Heterogene Modell-Ergebnisse wurden berechnet, wenn der Wind nur geringe Zeit andauerte, aber mit hoher Energie blies, wie z.B. im Norden der Dasht-e Kavir Wüste (Damagan, Foromad) und an einigen Stationen (Sedeh Birjand) im Einflussbereich des sog. 120-Tage-Winds. Im Rahmen zahlreicher Geländeaufenthalte konnten Dünen in diesen Gebieten als aktiv gekennzeichnet werden, während sie mittels des Lancaster-Indices (LMI) als nicht aktiv bzw. semi-aktiv hätten eingestuft werden müssen, aufgrund von einem geringen oder nur moderaten Anteil von Windereignissen über dem Transportgrenzwert. Zugleich wurden für diese Gebiete hohe Driftpotentiale ermittelt, und mit dem Tsoar Mobilitäts-Index (TMI) wurden diese Dünengebiete als aktiv eingestuft, während die Einstufung mit dem Yizhag-Modell (YMI) aktive und semi-aktive Dünen ergab. Trotz hoher Windenergie war der Anteil der Winde, die den Grenzwert (W%) von 12 Knoten oder 6,2 m/sec überschreiten, relativ gering, da Hochgeschwindigkeitswinde nur in der warmen Jahreszeit vorkommen; denn das übrige Jahr herrscht dort Kalmwetter vor. Die Windenergieparameter sind von Modell zu Modell (LMI) (W%), TMI und YMI (DP) unterschiedlich. Das Driftpotential (DP) reflektiert die Quantität (Häufigkeit) und Qualität (Intensität) der Windenergie, während W% nur die Quantität (Windhäufigkeit über den Transportgrenzwert) beschreibt. Wenn DP im LMI anstelle von W% benutzt wird, lassen sich damit wahrscheinlich noch bessere Ergebnisse erzielen. Durch Statistische Analysen (Korrelationskoeffizienten) zwischen den DP-Werten und dem Prozentanteil von Windereignissen über dem Transportgrenzwert konnte für die meteorologischen Stationen des Untersuchungsgebietes eine moderate Beziehung nachgewiesen werden. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde zunächst W% durch das DP (vu) ersetzt und als Windenergieparameter im Lancaster Mobilitäts-Index (1988) genutzt sowie anschließend ein Modifizierter Lancaster Index (MLI) entwickelt. Basierend auf diesen Modellergebnissen und Feldbeobachtungen konnte ein Modifizierter Lancaster Mobilitäts-Index zur Anwendung kommen. Dadurch war es möglich, ein eher realistisches Ergebnis der räumlichen Differenzierung der Sanddünenaktivität für die Wüsten des Irans aufzuzeigen. Mit Bezug auf das zweite Ziel wurden die Windregime, die Dünenbildung und die Transportraten für die Gebiete Sistan und Registan ermittelt. Sowohl das Sistan Gebiet im Ost-Iran als auch das Registan Gebiet in SW Afghanistan werden sehr stark durch den Sadobist Roozeh Wind (120-Tage- Wind) beeinflusst. Dieser bläst zunächst entlang der Iranisch-Afghanischen Grenze von Nord nach Süd, dann wechselt er die Windrichtung nach SW in das Sistan Gebiet, um schließlich nach Osten, nach SW-Afghanistan, umzubiegen, wo er die Registan Dünenfelder speist. Dieser Wind weht während der warmen Jahreszeit aufgrund eines Druckgradienten zwischen dem Turkmenistan- Hoch und dem Pakistan-Tief. Um die Windregime und den Sandtransport bestimmen zu können, wurden basierend auf langjährigen Datenreihen von 16 meteorologischen Stationen Windrosen erstellt, DP, die Resultant Drift Direction (RDD), das Resultant Drift Potential (RDP) und das RDP/DP Verhältnis unter Nutzung der Fryberger & Dean's (1979) Methode errechnet. Die Verbreitung des Registan Sanddünenfeldes wurde mittels Landsat ETM Daten, Google Earth Szenen und Geländeaufnahmen (Letztere nur im Iranischen Teil) erkundet. Angaben über die räumliche Differenzierung des Driftpotentials konnten unter Nutzung von GIS und geostatistischen Methoden durch Datenüberlagerung auf der Sanddünenkarte erarbeitet werden. Die Resultate zeigen, dass DP sich von Nord nach Süd entlang der Grenze zwischen dem Iran und Afghanistan vergrößert und seine höchsten Werte in der Sistan Region erreicht; danach nimmt es bis zum Registan Sanddünenfeld sukzessive ab. Die höchsten Windenergiewerte wurden, basierend auf Driftpotentialen, exakt dort bestimmt, wo die ephemeren Seen im nördlichen Teil der Sistan Plain vorkommen, welche dort als Quellgebiete intensiver Staub und Sandstürme während der trockenen Jahreszeit fungieren. Die jährlich ermittelten Driftpotentiale im Sistan Gebiet erreichen die höchsten Werte (2516 vector units) in Binnenland-Wüstengebieten, weshalb es gerechtfertigt ist, dieses Gebiet als die windigste Wüste der Erde zu bezeichnen. Die zeitliche Entwicklung des Driftpotentials zeigt einen Anstieg zwischen 1999 und 2007, gefolgt durch eine Reduzierung bis 2015 im Sistan Gebiet. Die Ergebnisse zeigen auch, dass das Windregime im Sistan- und im Registan Gebiet eine unimodale Verteilung während der Periode des 120-Tage-Winds (Sadobist Roozeh) aufweist, was auch durch die Dominanz von Transversal-, Barchanoiden- und Barchan Dünen in beiden Gebieten erklärt werden kann . Im Zusammenhang mit dem zweiten Ziel erfolgte auch die Messung der Sediment- transportraten im Bereich des Hamoun-e Baringak Sees, einem der sechs ephemeren Seen, die enorme Mengen an äolischen Sedimenten für den atmogenen Transport in der Sistan Region bereit stellen. Die Erdoberflächensensitivität gegenüber Abwehungen wurde mittels 74 Erosionsmessstäben ermittelt, die stichprobenartig in den Seebodensedimenten des Baringak Lake eingebettet wurden. Die äolischen Transportraten wurden einzeln während drei Sturmereignissen 2013, sowie auch für die gesamte Untersuchungsperiode bestimmt. Die räumlichen und zeitlichen Unterschiede des äolischen Transports wurden mittels GIS und geostatistischen Methoden sowohl für jedes einzelne Event als auch für die gesamte Untersuchungsdauer von 103 Tagen fixiert. Die daraus resultierenden Variogramme zeigen eine hohe räumliche Abhängigkeit der unterschiedlichen Ereignisse. Zugleich konnte damit nachgewiesen werden, dass die genutzten geostatistischen Techniken ein geeignetes Werkzeug für die kartographische Fixierung des äolischen Sedimenttransports sind. Die durchschnittliche Transportrate als Ausdruck der ermittelten Drifthöhe über dem trockenen Seeboden betrug 1,93 cm oder 31 kg/m2 zwischen dem 5. August und dem 17. November 2013.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: