Factors influencing aviation visibility in Nepal
Date
2024-01
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Institute of Science & Technology
Abstract
Visibility impairment in recent decades has become a serious challenge in the aviation sector of our region. This very issue has an adverse impact on comfort, air safety, and the overall aviation economy. Thus, quantification of the changes in atmospheric visibility and characterization of affecting factors at major airports is highly advantageous. Two major international airports in Nepal, Tribhuvan International Airport (TIA) at Kathmandu (KTM) and Gautam Buddha International Airport (GBIA) at Bhairahawa (BWA) were chosen as study sites. Over four decades of climatological data (1976–2022) supplemented with ground measurements, remote sensing data, reanalysis data, and satellite imagery were used. It was found that haze and fog are two major weather types reducing visibility in Nepal, both of which displayed a significant uptrend. At BWA, the fastest increase in haze is witnessed in the post-monsoon season (1.46% day/ year at 0.001 level of significance (α)); and winter fog is on the rise (1.05% day/ year, α = 0.001) too. A similar upward trend of winter haze frequency (2.36% day/year, α = 0.001) and fog frequency (0.46% day/year, at α = 0.05) in regime-I (1976–2000) in KTM was observed. Whereas, the trend of winter haze flattened to 0.36% day/year (at α = 0.05) and dense fog declined at the rate -1.28% per day per annum (at α = 0.01) in regime-II (2001–2022). By careful examination of all plausible climatological drivers of the change in KTM, strong evidence of decreasing humidity and increasing dew point depression after the year 2000 was found. A negative power function relationship between Aerosol Optical Depth (AOD) and visibility (VIS) at GBIA was seen. The relationship between PM2.5 and visibility (VIS) is similar. The best negative correlation between AOD and VIS occurred during monsoon (r = -0.66, p < 0.001) (r = -0.74, p < 0.001 between PM2.5 and VIS). The effect of aerosol water on VIS at GBIA was also seen, i.e., reduced airport visibility at increased RH. As a first effort to obtain sounding-based Planetary Boundary Layer Height (PBLH) climatology in Nepal, radiosonde measurements launched from a suburban site in KTM (November 2019–30 March 2022) were analyzed. It was observed that 91.20% of all early morning (0545 LT) soundings showed surface-based inversion, highlighting the existence of nocturnal Stable Boundary Layer (SBL) classification. Three different temperature-profile algorithms: Bulk Richardson method (RM) at a critical threshold〖 (Ri〗_(c )) of 0.22, Gradient of potential temperature method (〖GM〗_θ) and Surface Based Temperature inversion (SBI) method, were employed for estimating PBLH. Taking the SBI method as a benchmark method, we found that 〖 GM〗_θ yielded an almost unbiased estimate with a statistically significant coefficient (r = 0.99, p <0.001; 〖 R〗^2 = 0.99 and bias (∆H) = -3.57 m); RM slightly overestimated (r = 0.83, p < 0.001;〖 R〗^2= 0.65 and ∆H = 15.0 m); whereas ERA5 reanalysis PBLH measurements grossly underestimated (r = -0.22, 〖 R〗^2= -0.55 and ∆H = -100.94 m) stable PBL tops. The strongest and deepest surface inversions during winter and pre-monsoon months (PBLH ~ 200 ± 115 m in April) and the weakest and shallowest stable boundary layer in the early morning of monsoon (PBLH ~ 30 ± 11 m in September) were found. In the valley, PM 2.5 is higher in dry (the highest in March: 100 ± 13 μg m^(-3)) and lower in the wet season (the lowest in August: 8.6 ± 1.2 μg m^(-3)). Whereas, airport visibility at TIA is the best in wet (the highest in June: 6.6 ± 0.3 km) and worst during the dry season (the lowest in January: 3.9 ± 0.2 km). A positive correlation between PBLH and PM2.5 (r = 0.35, p < 0.001), good anti-correlation between VIS and PM2.5 (r = - 0.59, p < 0.001), and a poor-negative correlation between PBLH and VIS (r = - 0.16, p < 0.001) were found. The impact of the optical properties of aerosols (specifically PM2.5) and their hygroscopic effect on visibility in TIA was also studied. A sharp decline in visibility with an increase in the PM2.5 extinction coefficient and mass extinction efficiency (MEE) was observed. An exponential growth of hygroscopic growth factor (f (RH)) and a subsequent decrease in visibility with increased RH was noticed. It was observed that increased wind speed tends to improve visibility at the airport. Deterioration of airport visibility by the wind with a speed of 1–2 m/s flowing from the northeast through the south direction in the winter season was also noticed. Further, some of the salient microclimatic properties of winter fog at both of the airports were studied, too. Visibility at both airport sites displayed a definitive declining trend that was found to be linked with changes in air pollution emission and different meteorological factors. These changes pose serious adverse impacts on the aviation sector amongst many others. For the sustainable improvement of visibility, regionally coordinated efforts on implementation of strict air pollution-mitigation-measures are required.
पर्यावरण, मानव-स्वस्थ, पर्यटन जस्ता मानव-सरोकारका बिबिध विषयहरु का अतिरिक्त उड्डयन क्षेत्रमा पनि वायुमण्डलिय-पारदर्शिता ( भिजिबिलिटी ) ले गम्भीर प्रत्यक्ष/ परोक्ष असर गर्न सक्ने निचोड बिगतका अनेकन् बैज्ञानिक अन्वेषणहरूको रहेको छ। विमानस्थलहरूमा वायुमण्डलिय-पारदर्शिता निर्धारित दुरी भन्दा कम हुन गएमा वायुयान उडान र अवतरणमा असहजता उत्पन्न हुँदा उडान तालिका प्रभावित भै यात्रुहरु लाई असुविधा हुने, उड्डयन संचालन खर्च बढ्ने देखि हवाई दुर्घटना सम्म हुन सक्ने जोखिम रहन्छ । हाम्रो देश, नेपालको उड्डयन सु-संचालनमा एक मुख्य भूमिका खेल्ने बिषय “वायुमण्डलिय-पारदर्शिता” लाई प्रभाव पार्न सक्ने सम्भावित मूल अवयवहरुको पहिचान गर्ने, तिनीहरुसंगको सम्बन्धको प्रक्रियागत अध्यन गर्ने, वायुमण्डलिय पारदर्शिताको ऐतिहासिक अवस्था र त्यसले उडान क्षेत्रमा पारेको प्रभावहरूको बैज्ञानिक अन्वेषण गर्ने मूल उदेश्य रहेको यस शोधका लागि नेपालका दुई मुख्य अन्तर्राष्ट्रिय विमानस्थलहरु—त्रिभुवन अन्तर्राष्ट्रिय विमानस्थल, काठमाडौँ र भर्खरै स्तरोन्नति गरिएको गौतम बुद्ध अन्तर्राष्ट्रिय विमानस्थल, भैरहवामा मापन गरिएको चार दशक भन्दा लामो अवधि (ईश्वी सम्बत १९७६–२०२२ ) को जलवायू तथ्यांकको प्रयोग र विश्लेषण गरिएको छ । साथमा लामो अवधि सम्म जमिनमा मापन गरिएका बायु प्रदुषणका तथ्यांक, जमिनमा रही वायुमण्डलको मौसमी/ पर्यावरण सूचकाङ्कमा मापन गर्ने उपकरणहरु (रिमोट-सेंसिंग उपकरण ) को प्रयोगबाट उपलब्ध तथ्यांक, पून-विश्लेषण गरि तयार पारिएका आँकडा (रि-एनालाइसिस्-डाटा) र भू-उपग्रहले संग्रह गरेका ऐतिहासिक तस्बिरहरुको बिस्तृत बैज्ञानिक अध्यन-विश्लेषण गरिएको छ । दुवै अध्ययन-स्थलमा मुख्यरुपमा तुवाँलो र हिउदें-हुस्सुका कारण वायुमण्डलिय-पारदर्शिता घट्ने गरेको यस अध्ययनले इंगित गरको छ । भैरहवा क्षेत्रमा अन्य मौसमको तुलना, मनसुनपछिको याम ((पोस्ट-मनसुन) (अक्टोबर, नोभेम्बर )) मा तुवाँलोले आकाश-ढाकिने-अवधि दर उच्च रहेको (१.४६% दिन प्रतिवर्ष ) र हिउदें-हुस्सुले आकाश-ढाकिने-अवधि दर बढ्दो (१.०५% दिन प्रतिवर्ष ) रहेको पाईएको छ । त्यसैगरी, ई. सं. १९७६–२००० को अवधिमा काठमाडौँ उपत्यकामा हिउँदे तुवाँलो तिब्र गति (२.३६% दिन प्रतिवर्ष) मा बढी तत्पश्चात उच्चतम बिन्दु आसपासमा रहेको र पछिल्लो अवधि (ई. सं. २०००–२०२२) काठमाडौँ विमानस्थलमा बाक्लो हुस्सुको आवृत्ति उल्लेखनीय रूपमा ह्रास (१.२८% दिन प्रतिवर्ष) भएको पाइयो । अध्यन गरिएका दुवै विमानस्थलहरू हरुको लामो समयको तथ्यांक विश्लेषण गर्दा, मूलतः बिबिध प्राकृतिक/ मानव सृजित बायु प्रदुषण उत्सर्जन श्रोतहरु बाट वायुमण्डलमा उत्सर्जन गरिएका अति सुक्ष्म बायु प्रदूषणका कण हरु (पीएम-२.५ (बायु गतिकिय ब्यास २.५ माइक्रो मिटर भन्दा कम भएका कण )) को वायुमण्डलमा एकाग्रता, तिनीहरु को प्रकार लगायतका बिबिध भौतिक तथा रासायनिक गुण हरुले वायुमण्डलको प्रकाशीय गुण र अन्त्यमा वायुमण्डलिय-पारदर्शिता निर्धारित हुने गरेको पाएको छौं । यसैगरि वायुमण्डलमा रहने जल बाष्प बढे संगै सल्फेट, नाइट्रेट, एमोनियम जस्ता जल बाष्प-संवेदनशील पीएम-२.५ समूह का प्रदूषणका सुक्ष्म कणहरुको आकार बढ्ने र अपवर्तक सूचकाङ्क (रिफ्र्याक्टिव इन्डेक्स ) घट्ने साथै पीएम-२.५ समूहका प्रदूषणका बिशेष सुक्ष्म कणहरुको सामुहिक-ह्रास-प्रगुणता (मास एक्सटिङ्गसन इफिशियंशी) बढ्ने कारणले वायुमण्डलको प्रकाशीय गुणमा बदलाब हुदै वायुमण्डलिय-पारदर्शितामा उल्लेख्य ह्रास आउने गरेको तथ्य पनि हाम्रो शोधले इंगित गर्दछ । यसैगरि, बायुमण्डल-आर्द्रता कम भएको बखत (सापेक्षिक आर्द्रता < ६०%) वायुमण्डलिय-पारदर्शिता बिशेष गरि पीएम-२.५ को एकाग्रतामा निर्भर रहने र आर्द्रता बढे संगै पीएम-२.५ को एकाग्रता संगको सम्बन्ध कमजोर हुने र आर्द्रताको प्रभाव प्रमुख हुने तथ्य देखिएको छ । वायुमण्डलिय-पारदर्शिता र अति सुक्ष्म बायु प्रदूषणका कणहरुको एकाग्रता बीच विपरीतार्थक सम्बन्ध रहने र भैरहवा विमानस्थलमा ति दुई बीचको सहसम्बन्ध ( को-रिलेशन ) वर्षात याम (मनसुन (जून, जुलाई, अगस्त, सेप्टेम्बर)) मा उत्कृष्ट (पिअर्शन सहसम्बन्ध गुणक = -०.७४ ) रहेको पाइयो । यस्तै, काठमाडौँ उपत्यका माथिको आकाशको माथिल्लो सतह सम्म को मौसमी अवस्था बारेमा जानकारी लिन र मौसमी पूर्व-अनुमानमा मद्दतका लागि प्रत्येक बिहानी प्रक्षेपण गरिने बिबिध मौसमी विवरण मापन गर्ने उपकरण बोक्ने बेलुन (रेडियो-सन्ड) द्वारा मापन गरिएको लगभग तिन साल (ई. सं. २०१९–२०२२) को तथ्यांक को विश्लेषण गरि वायुमण्डलिय-सिमा-तह (बाउन्ड्री लेयर) पत्ता लगाउने बिबिध जटिल उपायहरु मध्ये तीनवटा तरिका हरुको निर्क्योल र प्रमाणिकरण गर्नु यस शोधको एक मुख्य उपलब्धि रहेको छ । बिहानीपख को काठमाडौँ उपत्यकाको बायुमण्डलीय-सिमा-तह सामान्यतः स्थिर प्रकृतिको रही बायु प्रदुषणका सुक्ष्म कणहरु लाई सिमा-तह भित्रै संकुचित राख्ने भएकोले बिहानी पखको वायुमण्डलिय-पारदर्शिता न्युन रहने गरेको पुष्टि हाम्रो उपरोक्त खोजले गरको छ । यसैगरि, काठमाडौँ उपत्यकामा बायुको गतिको घटबढ संगै बायु प्रदुषणका सुक्ष्म कणहरुको उपलब्धता/ एकाग्रतामा फरक पर्ने कारणले विमानस्थलको वायुमण्डलिय-पारदर्शिता फरक पर्न जाने साथै हिउँद महिनाहरूमा बिशेष गरि पूर्व दिशाबाट विमानस्थलको आकाशमा प्रवेश गर्ने प्रदुषित बायुका कारण विमानस्थलको वायुमण्डलिय-पारदर्शिता घट्ने गरेको पनि पाइयो । दुवै विमानस्थलहरू को वायुमण्डलिय-पारदर्शितामा बिगतका दशकहरुमा देखिएको सामयिक परिवर्तनको सम्बन्ध विशेषगरि बढ्दो बायु प्रदुषण, वायुमण्डलमा मौजुद जल बाष्प र हावाको गति जस्ता जलवायुमा आएका परिवर्तनसंग रहेको तथ्य हाम्रो शोधको निचोड रहेको छ । यस अलावा, हिउँद महिनाहरूमा दुवै विमानस्थलहरूको बिमान उडान-अवतरण सु-संचालनमा गम्भीर प्रभाव पार्ने हिउँदे-हुस्सु लाग्न शुरु-हुने र अन्त्य-हुन-सक्ने सम्भावित समय, र हुस्सुले आकाश ढाकि रहने सम्भावित अवधि पत्ता लगाएर उड्डयन क्षेत्र र मौसम पूर्व अनुमानमा सहयोगको प्रयास गरेका छौं । वायुमण्डलिय-पारदर्शिताको सामयिक परिवर्तनले दुवै विमानस्थलहरूमा कसरी असर गरिरहेको छ भन्ने प्रश्नको उत्तर खोज्ने प्रयास पनि यस शोधको रहेको छ । अन्त्यमा, घट्दो वायुमण्डलिय-पारदर्शिता र सो संग सम्बन्धित जोखिमहरुको न्यूनीकरणका हेतु बिबिध सुझाब पनि पेश गरेका छौं ।
Description
Keywords
Air pollution, Aviation, Bhairahawa, Boundary layer height, Kathmandu, Meteorology, MK-Test, Radiosonde, Trend statistics, Visibility