Название организации, где выполнена диссертация
реклама
МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЭКОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Федеральное государственное бюджетное учреждение «Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации» На правах рукописи Кузнецова Ирина Николаевна ОСОБЕННОСТИ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУХА В МОСКОВСКОМ РЕГИОНЕ, И МЕТОДЫ ИХ КРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА Специальность 25.00.30 – метеорология, климатология, агрометеорология Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук Москва 2013 2 СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ АСКЗА Автоматизированная сеть контроля загрязнения атмосферы АПС Атмосферный пограничный слой ВММ Высотная метеорологическая мачта ВОЗ Всемирная организация здравоохранения ВСВ Всемирное согласованное время EMEP European Monitoring and Evaluation Programme – «Совместная программа наблюдений и оценки переноса атмосферных загрязнителей на большие расстояния в Европе» КВНС Кисловодская высокогорная научная станция Концентрация количество вещества, содержащееся в единице массы или объема воздуха, приведенного к нормальным условиям Метеорологичес кие факторы загрязнения атмосферы метеорологические элементы, явления и процессы, влияющие на загрязнение атмосферы Модель атмосферы (МА) математическая модель атмосферы, учитывающая радиационные, циркуляционные, физические процессы МТП-5 Микроволновый температурный профилемер НМУ Неблагоприятные метеорологические условия, способствующие накоплению примеси в приземном слое Показатель загрязнения количественная и (или) качественная характеристика загрязнения атмосферы Приземная концентрация концентрация примеси в атмосфере, измеренная на высоте 1,5– 2,5 м от поверхности земли Примесь, загрязнитель рассеянное в атмосфере вещество, не содержащееся в ее постоянном составе Разовая концентрация концентрация примеси в атмосфере, усредненная по измерениям за 20-30-минутный интервал времени СТНУ Струйное течение нижних уровней Химическая транспортная модель (ХТМ) математическая модель атмосферы для расчета распределения загрязняющих веществ в атмосфере с учетом их химические преобразований 3 СОДЕРЖАНИЕ Список основных обозначений и сокращений 2 ВВЕДЕНИЕ 7 1. ДИАГНОСТИКА ВЛИЯНИЯ БОЛЬШОГО ГОРОДА НА ТЕРМИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ НИЖНИХ СЛОЕВ АТМОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ МИКРОВОЛНОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРОФИЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИБОРАМИ МТП-5 16 1.1. Методические рекомендации по использованию и интерпретации данных МТП-5 1.2. Пространственные характеристики городского острова тепла в Московском регионе 1.2.1. Оценка параметров городского острова тепла в Москве по данным наземных измерений 1.2.2. Сезонные и внутрисуточные величины разности температуры центр-пригород в слое 0-300 м. 1.3. Характеристики термической устойчивости АПС в Московском регионе 1.3.1. Сезонное распределение и внутрисуточные характеристики вертикальных градиентов температуры 1.3.2. Особенности образования и повторяемости температурных инверсий температуры 1.4. Изменения термической структуры АПС в загрязненном воздухе 1.4.1. Сравнительный анализ температурных изменений в АПС в чистом и загрязненном воздухе 1.4.2. Влияние загрязнений от природных пожаров на термические процессы в АПС Краткие выводы 17 18 19 22 33 37 41 45 45 51 55 2. ВКЛАД КРУПНОМАСШТАБНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ И ЛОКАЛЬНЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В ФОРМИРОВАНИЕ ЭПИЗОДОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ 59 2.1. Факторы формирования и систематизация эпизодов загрязнения воздуха 59 2.2. Общие признаки и специфические сезонные различия метеорологической обусловленности высокого загрязнения приземного воздуха в Московском регионе 68 4 2.2.1. Влияние атмосферных процессов на динамику и уровень загрязнения приземного воздуха в зимних эпизодах 2.2.2. Характерные особенности эпизодов загрязнения и сопутствующих метеорологических условий в теплый период 2.3. Адвекция примеси - фактор формирования загрязнения воздуха взвешенными частицами (РМ10) 2.3.1. Эпизоды загрязнений вследствие адвекции в зарубежной Европе 2.3.2. Идентификация адвекции загрязнений в Московском регионе 68 77 83 83 85 2.4. Анализ процессов в АПС в периоды сильного загрязнения 95 атмосферы продуктами природных пожаров 2.5. О связи вертикальных профилей загрязнений со 102 стратификацией температуры и скорости ветра в АПС Краткие выводы 110 3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ И МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА (МПЗ) ПРОГНОЗ ЗАГРЯЗНЕНИЯ 112 3.1. Актуальность задачи идентификации неблагоприятных для очищения воздуха метеорологических условий (НМУ) 3.2. Сезонная и внутрисуточная изменчивость загрязнения приземного воздуха в Москве 3.3. Пространственная неоднородность воздушного загрязнения в городской агломерации (г. Москва) 3.4. Сезонные отличия влияющих на загрязнение воздуха метеорологических параметров и условий 3.5. Метод расчета метеорологического параметра загрязнения (МПЗ) Краткие выводы 114 117 120 124 132 143 4. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПРИЗЕМНОГО ОЗОНА ПОД 145 ВЛИЯНИЕМ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ В УДАЛЕННОМ ОТ АНТРОПОГЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ РАЙОНЕ 4.1. Влияние метеорологических условий на содержание и 149 изменчивость приземного озона в окрестностях Кисловодска 4.2. Воздействие процессов синоптического масштаба на 155 приземный озон 5 4.3. Вклад дальнего переноса в сезонные вариации концентрации 161 приземного озона на КВНС 4.4. Анализ атмосферных процессов в эпизодах стратосферных вторжений 167 Краткие выводы 172 5. ПРОСТРАНСТВЕННО – ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПРИЗЕМНОГО ОЗОНА В МОСКОВСКОМ РЕГИОНЕ, 174 МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ПРОГНОЗ АНОМАЛЬНО ВЫСОКИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ 5.1. Сезонные и внутрисуточные особенности изменений озона в 175 приземном воздухе в Московском мегаполисе 5.2. Оценки связей концентрации озона с метеорологическими 184 параметрами 5.3. Метеорологических условия и прогноз аномальных уровней 189 приземного озона в Москве 5.4. Региональная синоптико-статистическая модель приземного 196 озона 5.5. Статистические методы прогноза максимальной за сутки 204 концентрации приземного озона 5.6. Об изменчивости озона в атмосферном пограничном слое 209 Краткие выводы 220 6. ВЕРИФИКАЦИЯ ЧИСЛЕННЫХ ПРОГНОЗОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИЗЕМНОГО ВОЗДУХА ДЛЯ 222 РЕШЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ 6.1 Объективные предпосылки создания вычислительного комплекса на базе ХТМ для прогнозирования загрязнения воздуха в 224 Московском регионе 6.2 Тестирование модельных расчетов концентраций загрязняющих веществ по данным измерений в Московском регионе 226 6.3 Интерпретация модельных расчетов концентраций загрязняющих веществ и методология их постобработки 235 6 6.4 Применение ХТМ CHIMERE для оценки вклада трансграничного переноса в загрязнение атмосферы (на примере 249 дальневосточного региона) 258 Краткие выводы ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные результаты 260 СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 266 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 271 7 ВВЕДЕНИЕ Растущая урбанизация – один из важнейших факторов изменения окружающей среды. Влияние мегаполиса, вызывая изменения тепло и влагообмена, ветровых потоков и пр., вносит коррективы в классические представления о процессах в атмосферном пограничном слое (АПС), установить которые удается чаще всего по данным измерений с высоким пространственным и временным разрешением, в частности, обсуждаемых в работе разнесенных профилемеров МТП-5 и измерений концентраций загрязняющих веществ на автоматизированной сети наблюдений в Московском мегаполисе. Простейшим проявлением многофакторного антропогенного влияния на процессы в АПС является городской остров тепла (ОТ). Описания ОТ, в основном, выполненные по наземным наблюдениям или с помощью имитационного моделирования, представлены в целом ряде публикаций. Но актуальность исследований ОТ сохраняется, в т.ч. в связи с проблемами оценки климатических изменений и благодаря признанию того, что успешность развивающихся мезомасштабных моделей атмосферы и химических транспортных моделей зависит от глубины понимания процессов городского масштаба. По-видимому, отсутствие тенденции к росту загрязнения воздуха в Московском мегаполисе при резко возросшем в последние годы парке автомобилей имеет связь с происходящими изменениями процессов в городской атмосфере, стимулирующих активизацию самоочищения воздушного бассейна. Диагностировать такие процессы в определенной мере позволило сопоставление профилей температуры в нижнем 600-метровом слое по измерениям в разнесенных пунктах Московского мегаполиса; пока аналоги полученных для Московского региона характеристик острова тепла отсутствуют. Практическая необходимость заблаговременного предсказания ухудшения состояния окружающей среды определила общую постановку 8 задачи и сфокусированное внимание в каждом направлении исследований автора на изучении процессов высокого загрязнения воздуха и неблагоприятных для очищения воздуха метеорологических условий (НМУ). Хотя эпизоды значительного загрязнения воздуха регистрируются редко, их опасность связана и с высоким уровнем загрязнения, и с образованием более токсичных по сравнению с эмиссиями загрязняющих веществ (например, озон, формальдегид и т.п.). Уровень загрязнения воздуха в мегаполисе практически всегда превышает фоновый; на сети регулярного мониторинга дальний перенос примесей в основном не фиксируется, за исключением ситуаций с природными пожарами и аэрозольных эпизодов. Изучение физических процессов, систематизация факторов и причин ухудшения качества воздуха, установление эмпирических связей между метеорологическими условиями и аномальным загрязнением воздуха составляют научную и методическую основу разработки методов прогнозирования экологически неблагоприятных ситуаций. Проблема озонового загрязнения еще недавно считалась в России неактуальной, регулярные измерения приземного озона проводились только в Томске, в Долгопрудном и на Кисловодской высокогорной научной станции. Выполненные совместно с ИФА РАН исследования по наблюдениям в удаленном от антропогенных источников районе (КВНС) выявили связь значительных апериодических флуктуаций приземного озона с процессами синоптического масштаба. Появление регулярных наблюдений за приземным озоном на сети ГПБУ «Мосэкомониторинг» в Москве, зафиксированные в регионе летом 2002 г. высокие уровни озона при лесных пожарах стимулировали разработку статистических методов прогноза приземного озона. Эффективность разработанных совместно с ЦАО и ГГО утвержденных ЦМКП методов прогноза суточного максимума приземного озона подтвердило их применение при оперативном прогнозировании в чрезвычайных ситуациях летом 2010 г. Статистические методы не исчерпали своих возможностей, но 9 мировой уровень прогнозирования загрязнения воздуха сегодня определяют химические транспортные модели (ХТМ), которые позволяют восстанавливать поля концентраций загрязняющих веществ на территории с низкой плотностью измерений (или отсутствием) и прогнозировать многие компоненты загрязнения атмосферы. Но ХТМ (учитывая текущее разрешение моделей и грубое описание эмиссий) может стать надежным инструментом прогнозирования временной и пространственной изменчивости воздушных загрязнений только по результатам многофакторной верификации по данным реальных измерений концентраций загрязняющих веществ с высоким пространственным и временным разрешением. Актуальность освоения ХТМ также определяется возможностью решения на основе моделирования целого ряда научно - практических задач, например, для оценки загрязнения воздуха пока не контролируемыми веществами (РМ10, озон и т.п.), для определения влияния трансграничного переноса на региональное качество воздуха и мн. др. Цель работы: Установить количественные показатели изменений процессов в городском атмосферном пограничном слое и загрязнения под воздействием сезонно - различающихся систематизировать антропогенных закономерности факторов, формирования высокого изучить и загрязнения воздуха в мегаполисе под влиянием крупномасштабных атмосферных процессов и локальных метеорологических условий; с учетом специфических особенностей процессов в городском АПС разработать методы прогноза экологически опасных ситуаций, связанных с НМУ, высоким загрязнением воздуха, в т.ч. озоном, на основе прогностических данных моделей атмосферы и химических транспортных моделей. Для достижения указанных целей поставлены следующие задачи: • Разработка методической основы и подготовка методических рекомендаций для использования данных микроволновых измерений профилей температуры в слое 0-600 м приборами МТП-5 при анализе процессов в АПС, для получения режимных характеристик и выявления закономерностей 10 пространственно - временной изменчивости термического состояния АПС. • Изучение загрязнения воздуха, метеорологической обусловленности включая и озоновое аэрозольное высокого загрязнение; систематизация признаков и установление регулирующих механизмов в эпизодах загрязнения приземного воздуха, сформированных за счет местных эмиссий и дальнего переноса примесей. Разработка методики идентификации НМУ на основе выявленных связей загрязнения городского воздуха с отдельными метеорологическими параметрами и комплексным показателем условий рассеивания примесей в мегаполисе. • Изучение влияния процессов синоптического и регионального масштаба на нехарактерную изменчивость концентрации приземного озона по наблюдениям в удаленном от антропогенных источников районе; анализ пространственной неоднородности поля приземного озона в мегаполисе, изучение ее временной и сезонной изменчивости, зависимости от процессов городского и регионального масштабов, разработка синоптико-статистической модели аномальных уровней приземного озона в мегаполисе. • Разработка системы прогнозирования экологически неблагоприятных ситуаций с использованием данных численных моделей атмосферы и химических транспортных моделей; разработка методической основы постобработки модельных прогнозов загрязнения для практического использования результатов моделирования. Практическая значимость. • Разработанная автором диссертации методика анализа процессов в АПС по измерениям отечественным прибором МТП-5 стала основой «Методических рекомендаций по использованию данных профилемеров МТП-5» и Справочного пособия «Характеристики температуры в нижнем 600-метровом слое атмосферы по данным профилемеров МТП-5», утвержденных ЦМКП Росгидромета, значимость которых определяется возможностью 11 диагностировать и учитывать в прогнозах метеорологических условий и загрязнения специфические процессы в городском воздухе, а за счет снижения числа ложных тревог НМУ повысить успешность этих прогнозов. • Разработанный автором метод идентификации метеорологических условий загрязнения (включая НМУ) с учетом наблюдений, прогнозов мезомасштабных моделей атмосферы и данных МТП-5 используется в оперативной работе по прогнозированию метеорологических условий и загрязнения в ФГБУ «Гидрометцентр России», ФГБУ «Центральное УГМС» Росгидромета и ГПБУ «Мосэкомониторинг». • Разработанная синоптико-статистическая модель приземного озона используется в ФГБУ «Гидрометцентр приближения в ситуациях, России» предполагающих в качестве повышение первого концентрации приземного озона до опасных уровней. Разработанная методика расчета метеорологического параметра озонового загрязнения активно использовалась для прогнозирования качества воздуха в период пожаров летом 2010г. • Разработанные с участием автора «Методика прогноза максимальных уровней приземного озона в г. Москве с заблаговременностью 48 ч» и «Методика прогнозирования суточных максимумов концентрации приземного озона» успешно прошли оперативные испытания, одобрены ЦМКП Росгидромета и используются в оперативной практике в ФГБУ «Гидрометцентр России». • Разрабатываемая при личном участии диссертанта методика интерпретации модельных расчетов концентрации загрязняющих веществ является инструментом мониторинга качества численного прогноза воздушных загрязнений; разработанная методология постобработки модельных расчетов служит основой статистической коррекции с целью приближения точности модельных расчетов к требованиям пользователя. • 12 Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на заседаниях секции Учёного совета Гидрометцентра России, на семинарах в Институте Физики атмосферы РАН, в Главной Геофизической Обсерватории, НТС МосЦГМС, на 26-32-м Апатитском семинаре "Физика авроральных явлений" (Апатиты, 2003 - 2009), а также на международном рабочем совещании "Tropospheric Ozone Research -2" (Москва, 2002 г.), Четырехгодичных симпозиумах по озону (Греция, 2004; Трёмсё, Норвегия, 2008), Генеральной ассамблеи Европейского союза по наукам о Земле (2004, 2010, 2011 гг.), Всероссийских конференциях «Научные аспекты экологических проблем России» (Москва, 2001, 2006), 3-м Международном симпозиуме по управлению качеством воздуха в городском, региональном и глобальном масштабах (Стамбул, 2005), Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды ENVIROMIS (Томск, 2002, 2004 гг.), 4-й научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (Москва, 2004), 5-й, 6-й и 7-й Международных конференциях по климату городов (Лодзь, Польша, 2003, Гетеборг, Швеция, 2006; Йокогама, Япония, 2009), 14-й, 15-й, 18-й и 19 Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2008, 2009, 2011, 2012); Всероссийской конференции «Исследование процессов в нижней атмосфере при помощи высотных сооружений» (Обнинск, Россия, 2008), AGU Fall Meeting, 13–17 December 2010 - San Francisco, USA. Международной научной конференции по региональным проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды (Казань, октябрь 2012 г.). Достоверность результатов. Выводы, корректностью представленные постановки в диссертационной проводимых работе, исследований, обеспечены обоснованы количественными расчетами с использованием данных открытого доступа с применением стандартных методов анализа. Достоверность выводов 13 подтверждается удовлетворительными результатами сравнения расчетов с данными инструментальных измерений и согласуется с выводами, полученными другими отечественными и зарубежными исследователями. Публикации. Автором опубликовано более 100 печатных работ. По теме диссертации основные результаты опубликованы в 31 статье в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК (включая 4 статьи в международных журналах из системы цитирования Web of Science), в 9 статьях в сборниках и в 52 тезисах докладов в изданиях трудов конференций. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 300 страниц, включая 89 рисунков и 29 таблиц. Список литературы содержит 268 наименований. Личный вклад автора. Автором разработаны методологические основы интерпретации данных измерений отечественного прибора МТП-5 для их практического использования и внес основной вклад в подготовку прошедших ЦМКП Росгидромета методических документов. В работах по разработке методов синоптико-статического прогноза метеорологических условий загрязнения (НМУ) и приземным озоном автору принадлежат идеи исследований, постановка задач, разработка методов исследований, внедрение полученных результатов в практику оперативного прогнозирования загрязнения воздуха. Все новые научные результаты в части установления малоизученных специфических механизмов переноса и очищения городского воздуха от загрязнений в Московском мегаполисе получены автором лично. Все исследования влияния процессов синоптического масштаба на вариации приземного озона в удаленном от антропогенных источников регионе проведены соискателем лично. В исследованиях приземного озона в 14 городской агломерации вклад соискателя состоит в постановке научных задач, в участии в анализе и интерпретации полученных результатов, разработке метода прогноза. Соискатель является инициатором и руководителем работ по созданию оперативной технологий прогнозирования качества воздуха с использованием химических транспортных моделей и непосредственным разработчиком методологии постобработки модельных расчетов для их практического применения. Благодарности. Автор выражает глубокую признательность д.ф.-м.н. А.М.Звягинцеву, д.ф.-м.н. И.Б.Коновалову, к.ф.-м.н. Р.Б.Зарипову, профессору д.ф.-м.н. Н.П.Шакиной, д.ф.-м.н. А.Р.Ивановой, д.т.н. Е.Н.Кадыгрову, профессору д.ф.-м.н., Г.С.Ривину и Г.В.Сурковой, член корр. д.ф.-м.н. Н.Ф.Еланскому, к.ф.-м.н. Е.Г.Семутниковой и к.ф.-м.н П.В.Захаровой, особенная благодарность моим молодым коллегам к.г.н. М.И.Нахаеву, к.г.н. И.Ю.Шалыгиной и А.А.Глазковой. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Диссертационная работа структурно по предмету и направлениям исследований состоит из четырех частей. В первой части (глава 1) представляются результаты исследования находящейся под антропогенным влиянием термической структуры городского пограничного слоя, полученные по данным разнесенных измерений МТП-5 в Московском регионе с привлечением данных измерений на телебашне и высотной метеорологической мачте: режимные температурные характеристики в слое 0-600 м, сезонные и внутрисуточные изменения параметров городского острова тепла, неоднородность условий термического перемешивания на территории мегаполиса, особенности образования температурных инверсий. Вторая часть (главы 2 и 3) представляет исследования влияния атмосферных процессов различного масштаба на загрязнение приземного воздуха с акцентом на условия формирования высокого загрязнения местными 15 источниками и за счет дальнего переноса. По данным непрерывных измерений концентраций загрязняющих веществ и температуры в АПС исследуются малоизученные процессы и явления, оказывающие значительное влияние на загрязнение воздуха в мегаполисе. Установленные закономерности учтены при разработке синоптико-статистического метеорологических условий загрязнения метода с идентификации применением комплексного метеорологического параметра. В третьей части (главы 4 и 5) представлены исследования изменчивости приземного озона под воздействием процессов синоптического масштаба, локальных метеорологических условий в удаленном от антропогенных источников регионе и в условиях измененного состава атмосферы мегаполиса. В главе 5 обсуждаются особенности поля приземного озона в мегаполисе по данным наблюдений в городе и пригороде, а также изменчивость стратификации озона по данным измерений на телебашне. Описана методика синоптико-статического прогноза метеорологического параметра загрязнения озоном, основанная на изученных связях аномальных концентраций приземного озона с типом синоптической ситуации и метеорологическими параметрами. Четвертая часть (глава 6) логически завершает проведенные циклы исследований с применением синоптико-статистических методов, представляя качественно новый этап прогнозирования загрязнения воздуха на основе химической транспортной модели. Показано, что при существующем пространственном разрешении численных моделей и грубом описании городских эмиссий постобработка модельных прогнозов может обеспечить качество моделирования, необходимое для практического использования модельных расчетов. Содержание работы по главам 16 ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ БОЛЬШОГО ГОРОДА НА ТЕРМИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ НИЖНИХ СЛОЕВ АТМОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ МИКРОВОЛНОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРОФИЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИБОРАМИ МТП-5 Благодаря отечественным разработкам, создана аппаратура для непрерывного мониторинга термического состояния нижних слоев атмосферы микроволновые измерители профилей температуры (МТП-5), основанные на измерениях яркостной молекулярного температуры кислорода (длина в центре волны 5 мм) полосы поглощения [1-4]. Регулярные микроволновые измерения профилей температуры МТП-5 в Москве начаты в 2000 г в Гидрометеорологическом бюро погоды в Москве и Московской области. Немного позже приборы МТП-5 были установлены в ближнем и удаленном пригородах (Долгопрудный, Звенигород) и в некоторых российских городах (Оренбург, Красноярск, Уфа, Нижний Новгород, Челябинск, Казань, Ростов-на-Дону, Самара). Появление измерительной аппаратуры с высоким временным разрешением открыло перспективы для расширения представлений о процессах в атмосферном пограничном слое и для получения невозможных ранее (по данным радиозондирования) режимных характеристик термической устойчивости, а также для исследований таких малоизученных явлений, как городской остров тепла. Изначально предназначенные для практических целей данные измерений МТП-5 в течение первых лет эксплуатации не только сравнивались с данными контактных измерений [5-7], но и изучались с точки зрения адекватности отображения атмосферных процессов в пограничных слоях различного масштаба [8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]. 17 1.1. Методические рекомендации по использованию и интерпретации данных МТП-5 Под руководством и при непосредственном участии автора разработаны три методических документа по использованию данных измерений профилей температуры МТП-5. В 2002 г. был подготовлен первый документ для практического использования данных измерительного комплекса - Инструкция «Оперативное использование данных микроволновых дистанционных профилемеров для уточнения сверхкраткосрочного прогноза метеорологических элементов и явлений». В основу инструкции положен опыт оперативного использования МТП-5 для идентификации метеорологических условий загрязнения в Гидрометцентре России, анализ накопленных за два года эксплуатации МТП-5 данных с привлечением синоптического материала, наблюдений на метеостанциях за температурой, осадками, облачностью, а также данных о загрязнении воздуха в мегаполисе. Решением ЦКПМ Росгидромета от 5 февраля 2004 г. № Р/04/0015/100/C измерительный комплекс получил Свидетельство Росгидромета и допущен к применению при проведении работ в области гидрометеорологии и смежных с ней областях, мониторинга окружающей среды, ее загрязнения. С учетом результатов комплекса научных исследований с использованием данных микроволновых измерений в двух пунктах установки МТП-5 в московском мегаполисе в рамках НИР Росгидромета и грантов РФФИ, а также оперативного анализа данных на протяжении почти 10 лет подготовлены «Методические рекомендации по использованию данных профилемеров Центральной МТП-5». Методические методической комиссией рекомендации по рассмотрены гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета и рекомендованы для внедрения в прогностических организациях и учреждениях Росгидромета, где проводятся измерения приборами МТП-5 (Решение ЦМКП Росгидромета от 18 26 апреля 2010 г). В 2012 г подготовлено справочное пособие «Характеристики температуры в нижнем 600-метровом слое атмосферы по данным профилемеров МТП-5», решением ЦМКП от 13 декабря 2012 г. Пособие рекомендовано для использования при решении некоторых практических задач и в научных исследованиях. 1.2. Исследования пространственных характеристик городского острова тепла в Московском регионе Традиционно для исследования городского острова тепла (ОТ) используются данные наземных наблюдений [21,22,23,60], в редких случаях измерения на метеорологических мачтах и телевизионных башнях [24,25], а также известны попытки применить для этих целей содары и лидары [26,27]. Научный термин «городской остров тепла» впервые появился в работе Г. Мэнли, 1958 г. [28]. Но начало исследований особого метеорологического режима в городах относится к началу 19-го столетия; одной из самых первых публикаций (1833 г.) была книга Л. Говарда «Климат Лондона по данным метеорологических наблюдений». Спустя почти столетие П. Кратцером (1937 г.) в книге «Климат города» на основе инструментальных наблюдений сделано заключение о растущей роли урбанизации в изменении температурного режима [29]. К более поздним обобщениям различных аспектов и проблем, связанных с городским островом тепла, относятся монографии Т. Оке [23] и Г. Лансберга [30] опубликованные более 40 лет назад. Городской остров тепла - явление локальное, этим определяется большое количество зарубежных и отечественных исследований, посвященных изучению его свойств. Уже несколько десятилетий существует международное сообщество по изучению климатов городов International Association For Urban Climate с регулярным обсуждением новых результатов в электронном журнале (www.urban-climate.org), в котором значительное внимание уделяется городскому острову тепла. 19 По результатам многочисленных исследований [23,22,31,32,33,34,35,37,38,39,40,41,42] сформулированы основные факторы формирования городского острова тепла и его интенсивности. К их числу относятся размеры и конфигурация города, плотность и высотность застройки, ландшафтные особенности, в т.ч. наличие водных объектов, степень загрязнения городского воздуха аэрозольными и газовыми примесями и т.д. Как следствие, увеличенная шероховатость и неоднородность теплофизических свойств урбанизированной подстилающей поверхности обусловливают значительную трансформацию термического поля над городом, по оценкам некоторых авторов проявляющуюся в слое до 200-300 м [23]. В контексте наших исследований особый интерес представляют вызываемые температурными контрастами «центр – окрестности» городские циркуляции, активизирующие механизмы внутригородского переноса [23,24,43,44,45]. Количественные параметры острова тепла в Москве, несмотря на целый ряд специализированных исследований [25,30,46,47,48,],- малоизученная часть климата города, в первую очередь, по причине ограниченного числа станций наземных и, тем более, высотных наблюдений в условиях стремительно растущих размеров и инфраструктуры города. 1.2.1. Оценка параметров городского острова тепла в Москве по данным наземных измерений Еще несколько десятилетий назад в Москве городской остров тепла не имел такой значимости, какую он приобретает сегодня. Так, проведенные сотрудниками НПО «Тайфун» под руководством Н.Л. Бызовой сравнения наблюдений за температурой на ВМК Останкино и на высотной метеорологической мачте в Обнинске в период 1968-1974 гг. показали, что различия между температурой в районе двух высотных комплексов не существенны [24]. По некоторым оценкам, в последнее десятилетие в Москве средняя величина разности приземной температуры по данным наземной сети 20 наблюдений увеличилась до 2-3оС, а экстремальные величины достигают 811оС [48,49]. Расширение границ города, увеличение плотности и высотности застройки, развитие инфраструктуры неизбежно ведут к увеличению городского острова тепла. Его проявления иногда сравнимы с макромасштабным воздействием [46,31]; частной иллюстрацией может служить разброс температуры (величина ОТ) ночью в Москве 24 декабря 2001 г., когда температура понизилась в Тушино до -24°С, а на Балчуге минимальная температура составила -14.5°С. Такой градиент температуры (около 10 градусов примерно на 15 км) сравним с температурными контрастами в зоне основного атмосферного фронта и, несомненно, сопровождается перемещением городского воздуха от окраин к центру, т.е. образованием внутренних циркуляций и стимулированием дополнительного механизма вертикального перемешивания [23,43,50]. Одной из характеристик ОТ может служить величина разности минимальной суточной температуры, фиксируемой на метеорологических станциях города. Используя данные наблюдений на станциях Москвы (ВДНХ, Балчуг, МГУ, Тушино) в 2002-2006 гг. (5 лет), подготовлена выборка и проведен анализ случаев с разностью приземной температуры (ΔТ) между хотя бы двумя станциями не менее 5°С. Как хорошо известно, в подавляющем числе случаев наиболее выраженные внутригородские контрасты температуры (ΔТ>5°С) наблюдаются ночью, имевшие место единичные случаи (ΔТ>5°С) в дневное время зафиксированы при прохождении атмосферного фронта с ливневыми дождями. Получено, что случаи ΔТ > 5°С чаще всего (10-15%) наблюдались с мая по август, а также в феврале-марте; реже всего (6-7%) - с сентября по январь. По-видимому, особенности крупномасштабных процессов в отдельные годы влияют на частоту формирования больших контрастов в городе: количество случаев ΔТ > 5°С от года к году менялось почти в три раза (от 31 до 87 случаев). 21 Сезонные особенности повторяемости (ΔТ>5°С) отражены на рис. 1.1, где видно, что в теплый сезон характеризующая интенсивность острова тепла величина ΔТ почти 90 % составляет 5-6°С, величина ΔТ>8°С наблюдается менее чем в 1% случаев. В холодный сезон года частота значительных температурных контрастов в городе увеличивается; повторяемость ΔТ> 8°С составила в рассматриваемом временном ряде почти 30%. Таким образом, используя в качестве характеристики интенсивности городского острова тепла величину разности приземной температуры на метеостанциях города показано, что в теплый сезон наиболее выраженный городской остров тепла формируется чаще, достигая зимой максимальной интенсивности. 70.0 Повторяемость. % 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 5 6 7 8 9 >10 Величина, °С Теплый сезон Холодный сезон В целом за год Рисунок 1.1. Сезонная и средняя годовая повторяемость величины (ΔТ), рассчитанной по данным наземных наблюдений. Москва. 2002-2006 гг. Прежде, чем перейти к анализу вертикальных характеристик МТП-5, сошлемся на рис. 1.2, который убедительно показывает обоснованность использования нами термина «центр города» при интерпретации данных МТП5, установленного в районе Красной Пресни на здании вычислительного центра -ВЦ (до недавнего времени – здание Гидрометцентра, ниже в тексте МТП-5 на ВЦ или в Гидрометцентре – один измеритель). Здесь приведены данные о 22 величинах средней месячной температуры по наблюдениям на городских метеостанциях Балчуг, ВДНХ и по измерениям МТП-5 на крыше здания ВЦ. Видно, что различия между наземными наблюдениями и измерениями температуры прибором МТП-5 на нулевом уровне - незначительные. 25 2007 2009 2008 20 Температура, ºС 15 10 5 0 -5 -10 МТП-5 Пресня ВДНХ Балчуг октябрь июль апрель январь октябрь июль апрель январь октябрь июль апрель январь -15 Рисунок 1.2. Средняя месячная приземная температура на здании ВЦ (Пресня), метеостанциях Балчуг и ВДНХ. 2007 - 2009 гг. Рассчитано, что в среднем (2007-2009 гг.) температура на Пресне на 0.65ºС меньше, чем на метеостанции Балчуг и на 0.6 ºС больше, чем на ВДНХ, что в большой мере отражает особенности поля приземной температуры в Москве и, одновременно, свидетельствует о надежности данных, полученных по измерениям МТП-5 на Красной Пресне. Единая методика восстановления температурного профиля приборами МТП-5 обеспечивает высокую степень доверия и к измерениям в Долгопрудном, имеющим статус экспериментальных. 1.2.2. Сезонные и внутрисуточные величины разности температуры центр-пригород в слое 0-300 м. Величина разности температуры (как приземной, так и на некоторой высоте) между центром города и рецептором на окраине или в ближнем пригороде может служить одной из характеристик городского острова тепла. Не претендуя на полноту описания, мы использовали величину разности 23 температуры центр-пригород для изучения основных закономерностей формирования ОТ. По данным измерений профилей температуры МТП-5 в центре Москвы и в ближнем пригороде на территории Центральной аэрологической обсерватории г. Долгопрудный в 2004-2007 гг. изучались особенности пространственной структуры ОТ [19,49,51]. Были рассчитаны разности средней часовой температуры между центром и пригородом (ΔТЦ-П) на уровнях измерений (h), а также некоторые статистические характеристики температурных различий в разные сезоны. ΔТ(h)Ц-П= T(h)Ц – T(h)П, (1) где T(h)Ц – температура воздуха на уровне h в центре города, T(hi)П – температура воздуха на h в пригороде, г. Долгопрудный, h = 0, 100, 200, 300 м. Параметр ΔТ(h)Ц-П, как и обсуждавшая в разделе 1.2.1 величина (ΔТ), использовалась нами для изучения временных и пространственных характеристик городского острова тепла. В таблице 1.1 приведены модальные и средние распределения разности температуры между разнесенными пунктами, СКО и максимальные величины ΔТ(h)Ц-П для срединных месяцев четырех сезонов. Видно, что летом весь 300-м нижний слой в центре города устойчиво теплее пригородного, средняя и модальная величины ΔТ(h)Ц-П больше, чем в другие сезоны. Принципиально иное вертикальное распределение ΔТ(h)Ц-П зимой: в центре города над более теплым нижним слоем устойчиво наблюдается более холодный, чем в пригороде слой воздуха. Весной и осенью сигнал от воздействия города в основном ограничивается 150- метровым нижним слоем, хотя в отдельных случаях в эти сезоны величина ΔТ(h)Ц-П может достигать 3-5 °С. Кроме сезонной, величина ΔТ(h)Ц-П имеет выраженный суточный ход [19,49,51] с устойчивым минимумом в послеполуденное время и ночным максимумом (3-6 ч). Суточный ход разности температуры между центром и 24 ближним пригородом наиболее выражен в приземном слое; максимум наблюдается во вторую половину ночи, минимум с 13 до 17 ч (рис. 1.3). Таблица 1.1. Статистические характеристики разности средней часовой температуры между центром и пригородом в слое 0 - 300 м. Серединные месяцы сезонов, 2004-2007. СКО Среднее Мода Макс. СКО Макс. СКО 1,1 6,5 1,3 1,2 1,3 6,5 1,1 1,4 1,4 7,9 1,1 1,0 1,0 6,4 0,9 100 0,1 0,2 4,3 1,1 0,4 0,5 4,9 0,9 0,7 0,8 6,4 0,9 0,3 0,3 4,9 0,7 200 -0,5 0,2 3,0 1,2 0,1 0,0 3,7 0,9 0,5 0,7 5,7 0,9 0,1 0,0 3,7 0,7 300 -0,7 0,0 2,7 1,3 -0,1 0,3 2,4 0,9 0,4 0,2 5,7 0,9 0,0 -0,4 3,7 0,7 Мода Макс. Среднее Мода 1,3 м 0 Среднее Октябрь (N = 2139) СКО Июль (N = 1636) Макс. Апрель (N = 2042) Мода высота Среднее Февраль*(N = 1830) *-из-за аномально теплых январей в рассматриваемом периоде даны характеристики февраля Выше приземного слоя изменчивость ΔТ(h)Ц-П в среднем за год незначительная (на уровне погрешностей измерений МТП-5), но при рассмотрении отдельных месяцев величина ΔТ(h)Ц-П оказывается статистически значимой и имеет отличительные признаки, из них отметим наиболее характерные для сезонов. Как видно на рис. 1.4 в типичный зимний месяц февраль воздух в самом нижнем слое измерений в центре Москвы теплее, чем в пригороде, в течение всех суток; максимальные различия (ΔТ(0)Ц-П = 1,2-1,6°С) приходятся на темное время суток – с 18 до 10 ч; в течение четырех дневных часов (11-15 ч) ΔТ(0)Ц-П чуть меньше 1°С. Зимой на высоте около 100 м термические контрасты практически не выражены - в течение всех суток температура в центре города близка к температуре на окраине. В слое 200-300 м в темное время суток (с 22 до 9 ч) над центром города немного холоднее, чем на окраинах, примерно на 0,6-1,0°С. Это явление применительно к вертикальной структуре ОТ получило название «линзы холода». 25 1,5 1 С° 0,5 0 время суток, ч -0,5 1 3 0 м 5 7 100 м 9 11 13 15 17 19 21 23 200 м 300 м среднее 0-300 м Рисунок 1.3. Средняя за год разность температуры между центром и пригородом ∆Т(h)Ц-П в слое 0-300 м. 2007-2009 гг. Весной толщина слоя теплового влияния большого города увеличивается, в апреле, например, нижний в среднем 150 метровый слой атмосферы в течение суток в городе теплее, чем в окрестностях. Ночью температурные различия в приземном слое температуре примерно такие как и зимой (ΔТ(0)Ц-П=1,6-1,8°С), днем они уменьшаются до 0,5-0,8°С (рис.1.4). Особо отметим нехарактерный ни для какого другого месяца утренний «провал» в суточном ходе разности приземной температуры (штриховой контур на рис. 1.5): с 8 до 10 ч величина ΔТ(0)Ц-П по сравнению с ночной уменьшается в 4 раза, достигая суточного минимума (0,5°С). Основной причиной такого «провала» в суточном ходе ΔТ(0)Ц-П является, по-видимому, меньший, чем в пригороде, приток солнечной радиации в городе, как следствие того, что в апреле (один из самых «сухих» месяцев) с еще не защищенной растительным покровом подстилающей 26 поверхности в городской воздух попадает большое количество 2,0 2,0 1,6 1,6 Разность температуры, С° Разность температуры, С° мелкодисперсного аэрозоля. 1,2 0,8 0,4 0,0 -0,4 0м 100 м 200 м 300 м -0,8 3 6 9 12 0,8 0,4 0,0 -0,4 0м 100 м 200 м 300 м -0,8 -1,2 0 1,2 15 18 -1,2 21 0 3 6 9 Время суток, ч Февраль 15 18 21 15 18 21 Апрель 2,0 2,0 1,6 Разность температуры, °С Разность температуры, °С 12 Время суток, ч 1,2 0,8 0,4 0,0 -0,4 0м 100 м 200 м 300 м -0,8 1,6 1,2 0,8 0,4 0,0 0м 100 м 200 м 300 м -0,4 -0,8 -1,2 -1,2 0 3 6 9 12 15 18 21 0 3 6 Время суток, ч 9 12 Время суток, ч Июль Октябрь Рисунок 1.4. Суточный ход средней за месяц разности температуры между центром и пригородом ∆Т(h)Ц-П в слое 0-300 м. 2004-2007 гг. Данные наблюдений в метеорологической обсерватории МГУ указывают, что в этом месяце в дополуденное время наблюдается значительное увеличение аэрозольной мутности атмосферы [47]. Возможно, определенную роль в уменьшении притока солнечной радиации на подстилающую поверхность в городе играют и антропогенные газы, суточный максимум которых приходится именно на это время. Но следует отметить, значительного накопления газовых примесей в приземном слое из-за преобладающих умеренных скоростей переноса воздушных масс в апреле не происходит; эпизоды высокого загрязнения воздуха в этом месяце формируются редко. Еще одной особенностью термической структуры нижней атмосферы в апреле является ослабление (по сравнению с зимой) ночной «линзы холода» в 27 слое 200-300 м над центральной частью мегаполиса. Она обнаруживается только с 3 до 6 ч. Природа ее образования связана с принципиально различающимися условиями вертикального перемешивания в центре и на окраинах. Летом уже весь нижний 300-метровый слой над центром мегаполиса чаще всего теплее окрестностей. Горизонтальная неоднородность температуры достигает наибольшей за год величины; например, в июле средняя месячная величина ∆Т(0)Ц-П составляет 2°С, на высоте 100 м – 0,8°С (рис. 1.4). Во внутрисуточных изменениях вертикальной структуры летнего ОТ имеется отличительная особенность - нагревание слоя 100-300 м в утренние часы. Этот радиационный городской эффект обнаруживается после восхода солнца в нарастании со временем величины ∆Т(100-300)Ц-П при одновременном уменьшении величины ∆Т(0)Ц-П . На рисунке 1.4 этот период показан тонким контуром: за три часа (с 6 до 9 ч) ∆Т(0)Ц-П уменьшается на 0,4°С, а ∆Т(100300)Ц-П за это время увеличивается на 1°С. Аналогичного явления в другие сезоны не наблюдается. По-видимому, описанный радиационный эффект обусловлен процессами поглощения солнечной радиации городскими газовыми и аэрозольными примесями. Заметим, летом чаще, чем в другие сезоны в утренние часы наблюдаются слабые ветры и при слабоустойчивой термической стратификации в нижних слоях атмосферы происходит накопление примесей, сопровождающееся дымкой или мглой. Осенью температурные контрасты центр-пригород, следовательно, и ОТ меньше, чем в другие сезоны, что является следствием преобладания ветреной погоды, препятствующей формированию значительных градиентов температуры центр-окраина. Центр мегаполиса остается теплее окраины в нижнем 100-150 метровом слое (рисунок 1.4). Днем ∆Т(0)Ц-П меньше 1°С, в темное время разность приземной температуры между центром и пригородом увеличивается на десятые градуса (до 1,2°С). 28 Не претендуя на полноту описания изменчивости ОТ в Московском мегаполисе, приведенные данные отражают проявление сезонно различающихся факторов формирования ОТ и подтверждают, в частности, что зимой из-за заснеженной подстилающей поверхности ОТ формируется исключительно за счет антропогенного тепла – прямых потерь в разгар отопительного сезона и излучения тепла урбанизированной поверхностью, а в теплый сезон ОТ определяется теплообменом с подстилающей поверхностью и находится под влиянием воздушных загрязнений, что предполагает существенную зависимость термической структуры городского пограничного слоя от локальных характеристик местности и, соответственно, большую, чем зимой, пространственную изменчивость и внутрисуточную амплитуду ГОТ. Выше представлены результаты анализа данных дистанционных измерений профилей температуры с помощью приборов МТП-5. Отдельный интерес представляет сравнение дистанционных и контактных наблюдений, поскольку преобладает мнение о более высокой точности последних. Для таких сравнений были использованы синхронные данные наблюдений (2007 г) за температурой воздуха на высотной метеорологической мачте (ВММ) в Обнинске (высоты 2, 121 и 301 м), на телевизионной башне в Останкино (2, 128 и 305 м), а также данных МТП-5, установленного на крыше здания ВЦ. Для удобства данные приведены к высотам 0, 100 и 300 м [52]. Анализ данных в трех пунктах - центр, условно «городская окраина», невозмущенная большим городом местность - показал, что коэффициенты парной корреляции приземной температуры в трех пунктах зимой оказались высокими R=0,94-0,98, летом R=0,88-0,95. Корреляция температуры на высоте 300 м мало изменяется от сезона к сезону и составляет 0,97-0,98. Корреляция остатков (за вычетом суточных изменений) превышает 0,80. Для оценки теплового влияния Москвы на поле температуры рассчитаны для каждого месяца повторяемость разности средней часовой температуры на трех уровнях. Ниже детально обсуждаются особенности температурных 29 различий в слое 0-300 м между тремя пунктами в феврале и августе – в самом холодном и в самом теплом месяцах рассмотренного 2007 г. В феврале разность приземной температуры между центром Москвы и Обнинском в основном положительная, в 80% центр теплее Обнинска. Ночью в среднем в районе Красной Пресни на 3,5°С теплее, чем в Обнинске, и почти каждую третью ночь (30%) ∆Т(0) Красная Пресня-Обнинск составляет 5-12°С Повторяемость, % (рис. 1.5). Неожиданным оказалось, что район Красной 50% Т(М ТП) - Т(Останкино ) 40% Т(М ТП) - Т(Обнинск ) 30% Т(О ста нк ино ) - Т(Обнинск ) 20% 10% 0% -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 ΔT, °C *) МТП - место стационарного МТП-5 на Красной Пресне Повторяемость, % 25% 20% Т( МТП ) - Т( Останк ино ) Т( МТП ) - Т( Обнинск ) Т( Останк ино ) - Т( Обнинск ) 15% 10% 5% 0% -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ΔT, °C Рисунок 1.5. Распределение разности приземной часовой температуры воздуха между тремя пунктами в феврале (вверху) и августе (внизу). 30 Пресни в феврале ночью в 60% случаев немного холоднее района Останкино, но более чем на 2°С лишь в 2%. Днем в феврале Красная Пресня теплее Останкино в 70% случаев (в основном меньше чем на 2°С). В августе по сравнению с февралем наблюдаются более значительные внутрисуточные изменения разности приземной температуры между пунктами. Практически каждую ночь Пресня теплее Обнинска и Останкино: примерно в 35% случаев у земли температура воздуха в центре Москвы на 5°С и более выше, чем в Обнинске. Днем величина разности приземной температуры между Пресней и Обнинском в 55% случаев положительная, но почти каждый третий день (35%) днем в районе Пресни на 1-3°С прохладнее, чем в Обнинске. Заметим, что в период 12-15 ч примерно в 70% случаев в районе Пресни оказывалось в среднем на 1,7°С холоднее, чем в районе Останкино. Одним из объяснений может стать предположение о влиянии топографических особенностей района Красной Пресни и лучшей локальной проветриваемости на ландшафтно-неоднородной местности. На высоте 300 м в феврале в районе Останкино температура ниже, чем в других пунктах; практически всегда по сравнению с Обнинском и примерно в 80% по сравнению с районом Пресни (рис. 1.6). Повторяемость разности температуры Останкино- центр более 1°С - около 40 %, Останкино- Обнинск почти 90%. В августе на высоте 300 м различия в температуре между тремя пунктами более чем на 2 градуса редки (повторяемость разности того и другого знака не более 10%), но в районе Останкино температура на высоте 300 м чаще бывает выше, чем в Обнинске и на Пресне. При этом в центре города ночью в августе теплее, чем на городской периферии и в Обнинске, днем различия между тремя пунктами несущественны (около 0,3°С). Городской остров тепла - динамичное во времени и пространстве явление, масштаб его влияния, по-видимому, ограничен десятками километров, Но благодаря его существованию жители Московского мегаполиса находятся в 31 климатических условиях, сравнимых с местностью на 500-700 км южнее широты города; фенологический феномен - на 1-2 недели более раннее цветение растительности в мегаполисе – является образной иллюстрацией изменения термического режима городской агломерации под воздействием антропогенных факторов. Т(МТП) - Т(Останкино) 40% Т(МТП) - Т(Обнинск) Т(Останкино) - Т(Обнинск) 30% 20% 10% 0% -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 ΔT, °C Т( МТП) - Т( Останкино) Повторяемость, % 30% Т( МТП) - Т( Обнинск) Т( Останкино) - Т( Обнинск) 20% 10% 0% -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 ΔT, °C Рисунок 1.6. Распределение повторяемости разности средней часовой температуры воздуха на высоте 300 м между тремя пунктами в феврале (вверху) и августе (внизу). Спутниковые наблюдения в отсутствии соизмеримой с масштабами термической неоднородности в мегаполисе наблюдательной сети являются одним из эффективных средств визуализации ОТ. Любезно предоставленные 32 сотрудником ФГБУ НИЦ «Планета» В. Кровотынцевым спутниковые (ИК) снимки двух зимних эпизодов дают яркое представление о мощности теплового излучения Московского мегаполиса и конфигурации городского острова тепла (рис.1.7). а б в а) 30 января (правая граница - примерно 40º в.д., верхний левый угол- Финский залив. б) увеличенный район, выделенный на (а) лиловым контуром, в) 31 января г 23:30 10 февраля синоптическая карта 11 февраля Рисунок 1.7. ИК спутниковые снимки (NOAA 10,8 мкм) 30 - 31 января (а,б,в), внизу 10 февраля (г). 2012 г. Внутри цветных контуров- темное пятно – остров тепла Москвы. Предоставлено НИЦ «Планета» Вверху представлены ИК изображения 30-31 января 2012 г., на которых на фоне заснеженной поверхности в отсутствии облачности отчетливо просматриваются контуры теплового излучения Москвы и пригородов. На рис.1.7 (г) представлено ИК- изображение острова тепла 10 февраля 2012 г. в ситуации редкого по повторяемости синоптического процесса - мощном затоке 33 субстратосферного воздуха в тылу прошедшего с Черного моря на северовосток ЕТР южного циклона. Именно благодаря сухому холодному воздуху стало возможно идентифицировать пятно антропогенного тепла Московского мегаполиса. Суммируя результаты проведенных исследований городского острова тепла, следует отметить, что в определенной мере они расширили представления о происходящих в городской атмосфере процессах, но, очевидно, остаются неполными, в первую очередь, из-за ограниченных технических возможностей наблюдений, соответствующих масштабу атмосферных процессов в городском пограничном слое. 1.3 Характеристики термической устойчивости в Московском регионе Большая часть приведенных в разделе 1.2 характеристик сезонного и суточного цикла острова тепла объясняется особенностями термического перемешивания в мегаполисе. При анализе термического перемешивания мы использовали определения устойчивости, предложенные Паскуиллом, позднее применительно к задачам рассеивания примесей в атмосферном пограничном слое усовершенствованные Тернером и Н.Л. Бызовой [24]. В соответствии с международной классификацией рассматриваются 7 классов устойчивости. В их числе: очень неустойчивая, умеренно неустойчивая и слабо неустойчивая стратификация; столько же классов устойчивой стратификации, и разделяющая их безразличная стратификация. Н.Л. Бызовой по данным ежедневных измерений на ВММ в Обнинске было получено частотное распределение вертикальных градиентов температуры в слое 2-120 м в зависимости от класса устойчивости (таблица 1.2). Термическая стратификация определяет интенсивность турбулентности и толщину слоя перемешивания. Атмосферный пограничный слой (АПС) является буферной зоной, в которой сохраняются и накапливаются тепло, влага, а также загрязняющие примеси [23,43]. По знаку и величине вертикального 34 градиента температуры (γ °С/100м) оценивается способность воздушной частицы к вертикальному перемещению. В удаленном от насыщения воздухе адиабатические изменения температуры с высотой подчиняются сухоадиабатическому закону (уравнение Пуассона), при этом γ =0.98°С/100м. В насыщенном воздухе (γ=0.6°С/100м) процесс влажноадиабатический. Подъем воздуха осуществляется в слое с положительной энергией неустойчивости, где градиенты температуры больше сухоадиабатических. Восходящие движения прекращаются там, где отрицательная энергия неустойчивости компенсирует положительную. В неустойчивом АПС преобладают процессы очищения приземного слоя от примесей, а устойчивость подавляет обмен и создает условия для увеличения концентраций загрязняющих веществ [43]. Уже в первых наших работах по исследованию механизмов формирования ГОТ [8-11] были выявлены специфические черты вертикального перемешивания в московском мегаполисе, отличавшиеся от классических представлений об устойчивости пограничного слоя (ниже мы используем дефиницию «вертикальный градиент температуры» как разность температуры между нижерасположенным уровнем и рассматриваемым, приведенную к размерности градус на 100 м). Так, на годовой выборке первых измерений МТП-5 (2000-2001 гг.) было получено, что в центре города средние за месяц вертикальные градиенты температуры положительны во все сезоны и ночью и днем, что свидетельствует о преобладании благоприятных условий для развития турбулентности и вертикального перемешивания. По-видимому, заключения о преобладающем неустойчивом состоянии нижней части городского пограничного слоя могут быть расширены за счет учета части (около 25 %) класса слабой неустойчивости (таблица 1.2) с градиентами температуры меньше влажноадиабатических, учитывая, что в ночные часы влажность воздуха в 35 основном превышает 90%, а градиент температуры часто превышает влажноадиабатический. Таблица 1.2. Повторяемость (% от числа случаев определения класса) значений вертикального градиента температуры в слое 2-120 м [24]. 35 Умеренно неустойчивая 66 33 48 15 1 Слабо неустойчивая 113 11 23 41 9 9 7 Безразличная 142 9 40 38 8 5 Слабо устойчивая 69 19 42 19 18 2 Умеренно устойчивая 76 4 18 18 42 18 Очень устойчивая 106 1 5 7 28 59 <-3.5 30 -1,6…-3,5 35 -0,6…-1,5 26 0,5…-0,5 Очень неустойчивая 1,5…0,6 N 2,5…1,6 Градиент температуры, °С/100 м 3,5…2,6 Класс устойчивости (классификация Тернера-ИЭМ) 3 Предварительные выводы о преобладании термической неустойчивости в городе были подтверждены результатами более поздних исследований. В таблице 1.3 представлены средние величины вертикального градиента температуры в слое 0-600 м по измерениям МТП-5 в центре города в отдельные годы (2007-2009 гг.), а в таблице 1.4 приводятся данные с разделением на отдельные месяцы. 36 Таблица 1.3. Средний годовой вертикальный градиент температуры γг (ºС/100 м) в центре города. 2007-2009 гг. слой (м) 0-100 0-200 0-300 0-400 0-500 0-600 2007 1,22 1,01 0,87 0,77 0,72 0,69 2008 1,10 0,87 0,72 0,65 0,61 0,59 2009 1,12 0,95 0,81 0,72 0,68 0,65 среднее 1,15 0,95 0,80 0,71 0,67 0,65 Таблица 1.4 Средний за месяц градиент температуры γм (ºС/100) и стандартное отклонение СО (º/100 м). Центр города. 2007-2009 гг. слой 0-100 γм СО 0-200 γм СО 0-300 γм СО 0-400 γм СО 0-500 γм СО 0-600 γм СО январь 1,35 0,32 0,98 0,44 0,72 0,52 0,56 0,51 0,48 0,49 0,46 0,46 февраль 1,44 0,46 1,08 0,43 0,81 0,44 0,63 0,40 0,53 0,38 0,50 0,36 март 1,22 0,47 1,01 0,40 0,87 0,36 0,80 0,31 0,76 0,28 0,74 0,25 апрель 1,18 0,56 1,03 0,46 0,93 0,41 0,87 0,35 0,83 0,30 0,79 0,27 май 1,05 0,72 0,91 0,59 0,83 0,51 0,77 0,43 0,74 0,37 0,72 0,33 июнь 1,25 0,60 1,10 0,51 0,99 0,46 0,90 0,39 0,86 0,34 0,83 0,31 июль 1,08 0,55 0,93 0,48 0,84 0,43 0,77 0,36 0,74 0,32 0,74 0,29 август 0,88 0,65 0,77 0,58 0,69 0,51 0,65 0,44 0,64 0,38 0,65 0,34 сентябрь 0,84 0,58 0,76 0,53 0,71 0,48 0,67 0,41 0,65 0,36 0,63 0,32 октябрь 0,99 0,41 0,84 0,39 0,72 0,38 0,67 0,34 0,63 0,30 0,60 0,27 ноябрь 1,19 0,25 0,99 0,33 0,81 0,38 0,73 0,35 0,68 0,32 0,65 0,29 декабрь 1,32 0,38 1,02 0,38 0,76 0,38 0,61 0,36 0,53 0,34 0,49 0,32 37 Одной из характеристик влияния городской среды на термическое перемешивание служит различие температурных градиентов между центром и ближним пригородом (рис. 1.8). Повторяемость величин градиентов температуры в слое 0-100 м в центре города и в пригороде рассчитана по данным синхронизированных наблюдений в целом за период 2007-2009 гг. Це нтр Москвы. СБД 2007-2009 гг 5000 Пригород. СБД 2007-2009 гг. 5000 44% 39% 4000 Число наблюдений Число наблюдений 4000 3000 23% 20% 2000 23% 2000 16% 1000 1000 5% 0 3000 0% 0% 0% 0% 1% 1% -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 6% 5% 1% 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 0% 3.0 3.5 3% 1% 1% 1% 2% -3 -2 -1 5% 4% 1% 0% 0% 0% 0 1 2 3 градиент, С/100 м градиент, °С/100 м. Рисунок 1.8. Повторяемость величин вертикального градиента температуры (в градациях) в слое 0-100 м в центре города (слева) и в пригороде, г. Долгопрудный (справа). С учетом данных последних лет (2004-2009 гг.), получено, что повторяемость γ(0-100м)>γса в центре Москвы составляет 85-95%, в Долгопрудном – почти в два раза меньше. Повторяемость γ < 0°С/100 м (приземная инверсия) в центре Москвы в среднем около 1%, в Долгопрудном – около 20 % (18% в период 2007-2009 гг. и 23% в 2004-2007гг). 1.3.1. Сезонное распределение и внутрисуточные вертикальных градиентов температуры Вертикальный градиент температуры в характеристики нижнем 100-метровом (приземном) слое имеет ярко выраженную сезонную и внутрисуточную изменчивость [19,49]. Рисунок 1.9 иллюстрирует суточный ход градиента температуры в приземном слое в центре и в пригороде (г.Долгопрудный) в серединные месяцы четырех сезонов (зимнее распределение представлено данными в феврале из-за значительных аномалий погоды в январях 38 рассматриваемого периода); расчеты проведены по наиболее полным рядам синхронных измерений в разнесенных пунктах в период 2004-2007гг. Зимой в пригороде ночью вертикальный градиент температуры меньше 0 (рис. 1.9а), что указывает на устойчивую приземную инверсию температуры, которая сохраняется с полуночи до 8 ч утра, после чего переходит в приподнятую 3 3 Долгопрудный 1 0 -1 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 3 Москва 2 1 0 -1 1 0 -1 -2 0 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 18 20 22 Москва 2 1 0 Среднее +СКО -2 весна зима 3 3 Долгопрудный 2 1 0 -1 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 3 2 Москва 1 0 16 18 20 22 Величина градиента температуры, °С/100 м 2 Величина градиента температуры, °С/100 м 2 3 -1 Среднее +СКО -2 -2 Среднее +СКО Долгопрудный 1 0 -1 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 3 2 Москва 1 0 -1 -1 лето Долгопрудный 2 Величина градиента температуры, °С/100 м Величина градиента температуры, °С/100 м 2 -2 Среднее +СКО осень Рисунок 1.9. Средний за месяц градиент температуры γм в центре (Москва) и пригороде (Долгопрудный) в срединные месяцы сезонов. 39 и полностью разрушается к 11 ч. В приземном слое к этому времени уже развиваются конвективные процессы температуры, превышающий γса. и формируется вертикальный градиент Cтоль радикальные внутрисуточные преобразования термического состояния нижнего 100-метрового слоя на окраинах мегаполиса (от сильной устойчивости до сильной неустойчивости) происходят на фоне практически неизменной термической неустойчивости в центре города. Термическая горизонтальная однородность в слое 100-300 м над всем мегаполисом устанавливается только на короткое время - с 11 до 16 ч.С учетом приведенных данных о градиентах температуры в слое 0-300 м, можно высказать предположение о природе отмеченной в разделе 1.2.1 ночной «линзы холода» над центром мегаполиса. По-видимому, определенную роль в появлении отрицательной разности температуры между центром и окрестностями на высотах 200-300 м играют радиационные процессы - выхолаживание над городским куполом, в котором скапливаются антропогенные примеси. Еще одним фактором более низкой температуры над городским куполом являются различия в условиях вертикального обмена: ночью слой 150-300 м за городом – это слой температурной инверсии, а над центром города - слой с сохраняющейся термической турбулентностью (городская конвекция), обеспечивающей перемешивание приземного воздуха с вышележащим более холодным с сопутствующим очищением от городских загрязнений. Значительная деформация термической структуры городского пограничного слоя атмосферы зимой, очевидно, является одним из механизмов внутригородского переноса примесей, физически обеспечивая метеорологическую обусловленность увеличения загрязнения воздуха от центра к окраинам, если он не подавляется (или не гасится) интенсивным преобладающим зимой переносом. Весной формируются самые большие в году вертикальные градиенты температуры: в приземном воздухе в городе они достигают 2,2°С/100м, в окрестностях – 1,8°С/100м, большую часть суток (с 9 до 23 ч) превышают сухоадиабатический градиент и в вышележащем слое (рис. 1.10 б). По данным 2004 -2007 гг. получено, что в центре Москвы γ > γса наблюдается более чем в 40 80% случаев, в Долгопрудном - в 35% случаев. Повторяемость γ < 0°С/100 м в центре Москвы - около 2%, в Долгопрудном - около 22%. Весной городская «линза холода» в слое 200-300 м ослабевает (по сравнению с зимней); в основном она наблюдается с 3 до 6 ч утра. В утренние часы в центре города (рис. 1.9 б), как и в зимний сезон, нижний 100-150 метровый слой атмосферы находится в неустойчивом состоянии; а на окраине города в это время еще существует приземная инверсия температуры. Такое пространственное различие в условиях термического перемешивания перед утренним пиком автотранспортного потока ухудшает условия для рассеивания примесей на окраинах города и способствует оттоку загрязнений из приземного слоя в центре. Для лета характерно уменьшение вертикального градиента температуры в центре мегаполиса по сравнению с апрелем (рис. 1.9 в), при том, что солнечной радиации поступает больше. Например, в 8 ч утра средний градиент температуры в слое 0-100 м составляет в центре города в апреле 1,4°С/100 м, а в июле 1,2°С/100 м, в Долгопрудном – 0,9°С/100 м - в оба месяца. В слое 200-300 м градиент температуры в центре Москвы еще меньше, чем в апреле - на 0,3°С/100 м (в апреле 0,8°С/100 м, в июле 0,5°С/100 м). На наш взгляд, главной причиной летнего уменьшения вертикальных градиентов температуры является в первую очередь повышенное содержание водяного пара и загрязняющих примесей. Можно отметить, что в июле верхняя граница слоя перемешивания с вертикальным градиентом температуры не меньше γса поднимается до высот 200-300 м на час позже, чем в апреле. Так называемый «прорыв пограничного слоя» [43,56] и быстрое рассеивание накопленных утром примесей в июле наблюдается около 10 ч. После этого температурные контрасты центр-окраина в нижнем слое атмосферы уменьшаются, но горизонтальная неоднородность с величиной 0,5-1,0°С сохраняется и во время интенсивного вертикального перемешивания, приводящего к «сближению» газового состава приземного 41 воздуха. Известно, что на послеполуденное время приходится главный минимум загрязнения приземного городского воздуха. Осенью в центре мегаполиса ночной γ в слое 0-100 м больше, чем в июле и составляет 0.7°С/100 м (рис.1.9 г); в пригороде приземный слой стратифицирован устойчиво, инверсия менее продолжительная, чем в июле, в основном наблюдается с 1 до 8 ч утра с максимальным градиентом 0.3°С/100 м в 5-7 ч утра (в июле 0.9°С/100 м в 4 ч). Днем (9-19 ч) в центре города вертикальный градиент температуры превышает сухоадиабатический (как и в июле); в пригороде таким он бывает в течение 5 ч (с 11 до 16 ч), но и при максимальном развитии конвективного перемешивания он меньше, чем в центре города. Влияние города сказывается лишь в нижнем 100-метровом слое, существенного изменения структуры термического поля в слое 200-300 м на территории мегаполиса не происходит. 1.3.2 Особенности образования и повторяемости температурных инверсий температуры Особое внимание к температурным инверсиям обусловлено их влиянием на процессы вертикального обмена в ПСА, в первую очередь, на рассеивание примесей. Инверсия температуры образуется при охлаждении земной поверхности вследствие радиационного излучения (радиационные инверсии) и при натекании теплого воздуха на холодную подстилающую поверхность (адвективная инверсия, включая фронтальную). Формированию инверсий также способствуют нисходящие движения в антициклонах (инверсии оседания). В большом городе с существенно трансформированным энергетическим балансом при подстилающей высокой поверхности неоднородности термическая теплофизических устойчивость нижних свойств слоев атмосферы также значительно различается по территории города, особенно выражена ее неоднородность в ночное время, что находит отражение в 42 различиях характеристик инверсии на территории с различной степенью урбанизации и внутри мегаполиса [49,53,54]. Используя данные синхронных часовых измерений профилей температуры в 2007 г на метеорологической мачте в г. Обнинске и измерений приборами МТП-5 в районе Красной Пресни и в г. Долгопрудный, проведено сравнение характеристик инверсий в трех пунктах. Важным результатом проведенного анализа является совпадение средней повторяемости приземных инверсий по данным радиозондирования 1959 - 1968 гг. (около 26%) [55] и полученных при анализе данных МТП-5 (24%) в пункте Долгопрудный. Это совпадение во многом снимает вопрос о репрезентативности и достоверности измерений с помощью МТП-5. Получено, что в невозмущенной мегаполисом местности (г. Обнинск) температурные инверсии наблюдаются примерно в 46% случаев, из них в 35% наблюдалась приземная инверсия. В ближнем пригороде Москвы (г. Долгопрудный) инверсии образуются реже, чем в Обнинске; средняя за год повторяемость инверсий составила около 30%, приземных - около 24%. В центре Москвы приподнятые инверсии наблюдаются значительно чаще приземных, частота приземной инверсии температуры в центре мегаполиса не превышает 3-5 %, что в 5-8 раз меньше повторяемости в пригороде. Совпадение приподнятых инверсий в центре мегаполиса с такой же инверсией в пригородах наблюдается почти в 30% случаев, городская приподнятая инверсия в 60-70% сопровождается приземной инверсией температуры в пригородах. В центре Москвы повторяемость инверсий всех типов в рассмотренный период оказалась примерно в 4 раза меньше, чем в удаленной местности (Обнинск) и примерно в 3 раза меньше, чем в Долгопрудном; т.е., среднее отношение частоты образования инверсии в невозмущенной мегаполисом местности (Обнинск), пригороде и центре Москвы 4:3:1. Из этого соотношения 43 можно сделать вывод, что г.Долгопрудный (ближний северный пригород) находится под влиянием теплового шлейфа Москвы. В качестве одного из редких примеров образования приземной инверсии в центре мегаполиса и окрестностях (Долгопрудный, Звенигород) на рис.1.10 представлен суточный ход температуры в слое 0-600 м по измерениям МТП-5 31 марта 2001г. Видны характерные различия температурной инверсии, которая в Москве сформировалась на 3 -5 часов позже, чем в пригороде и за городом, ее величина при максимальном развитии (30С) была на 10С меньше, чем в Долгопрудном и на 60С меньше, чем в Звенигороде (90С). Разность приземной температуры между Центром Москвы и Звенигородом (ΔТ) составила ночью 50С, а днем ΔТ уменьшилась почти до 2 0С. На высоте 600 м ночью разность температуры была около 1 0С, причем за городом в инверсионном слое было теплее. Можно еще раз отметить сверхсуходиабатические градиенты температуры в слое 0-100 м, наблюдавшиеся в дневное время во всех трех пунктах. Здесь уместно подчеркнуть, что приведенные в климатическом справочнике характеристики инверсий [55], полученные по данным радиозондирования (Долгопрудный) не могут использоваться в качестве характеристики термических условий перемешивания внутри Москвы. 0m 100m 200m 300m -12 З вен игород 31.03.2001 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 14:00 13:00 12:00 11:00 10:00 9:00 8:00 7:00 6:00 5:00 4:00 3:00 2:00 1:00 0:00 400m 500m 23:00 23:00 21:00 21:00 22:00 20:00 20:00 22:00 19:00 19:00 23:00 22:00 21:00 20:00 19:00 18:00 -10 18:00 -8 18:00 -6 17:00 -4 17:00 0 17:00 -2 16:00 2 16:00 4 16:00 6 15:00 8 15:00 14:00 13:00 12:00 11:00 10:00 9:00 8:00 7:00 6:00 5:00 4:00 3:00 2:00 1:00 0:00 температура [C0] Д о л го п р у д н ы й 3 1 .0 3 .2 0 0 1 15:00 14:00 13:00 12:00 11:00 10:00 9:00 8:00 7:00 6:00 5:00 4:00 3:00 2:00 1:00 0:00 Tемпература [C0] Температура [C0] 44 М о с к в а 3 1 .0 3 .2 0 0 1 10 8 6 4 2 -2 0 -4 -6 -1 0 -8 -1 2 600m Рис. 1.10. Температура в 600-метровом слое в трех разнесенных пунктах при ясной тихой погоде вблизи центра антициклона 31 марта 2001г. 45 1.4 Изменения термической структуры АПС в загрязненном воздухе Измененный газовый состав городской атмосферы с повышенным содержанием аэрозоля, прямые потери тепла и тепло химических процессов влияют на радиационные процессы в городском атмосферном пограничном слое. Количественные характеристики суммарного антропогенного влияния, выраженные различиями между суточным ходом температуры в городе и в окрестностях в нижних слоях атмосферы, а также в неоднородности термической устойчивости в мегаполисе, показаны выше. Здесь обсуждаются проявления воздействия значительного загрязнения воздуха в редких эпизодах, обусловленных НМУ или природными пожарами. 1.4.1 Сравнительный анализ температурных изменений в чистом и загрязненном воздухе. По данным синхронных измерений МТП-5 в 2001 - 2002 гг. проведены сравнения термических характеристик в нижнем 600-метровом слое в Москве и на полевой базе ИФА РАН в Звенигороде с привлечением данных непрерывных измерений концентраций некоторых газов (NO2, CO и O3) [11]. (Звенигород небольшой город на расстоянии 50 км к западу от Москвы; в нем практически отсутствуют крупные промышленные предприятия, транспортный парк невелик, а топография местности способствует хорошему проветриванию города, что является оптимальным для сравнений городского острова тепла и невозмущенной местности). Рассчитаны следующие параметры по данным МТП-5: 9 -среднее часовое изменение температуры на уровне h ΔTh(t) h=0, 100, 200, 300, 400, 500, 600 м 9 среднее за месяц часовое изменение температуры ΔTмh(t) 9 разность средней часовой температуры в слоях ΔTΔh(ti) 9 средняя за месяц разность температуры в слоях ΔTмΔh(t) 9 разность часовой температуры Москва- Звенигород ΔTh М-Зв (ti) ΔTh(ti) = Th(ti+1) - Th(ti), где i=0,1,2,…23 – номер часа; 46 Th(ti) – средняя температура за i-ый час на уровне ΔTΔh(ti) = Th(ti) – T0(ti) ΔTh М-Зв (ti) = Th М(ti) - Th Зв(ti) Анализ показал, что в периоды неблагоприятных для рассеивания примесей метеорологических условий и при адвекции загрязняющих веществ наблюдается наиболее выраженный отклик температурного поля на антропогенные воздействия. Такие условия наблюдались в августе 2002 года: из-за продолжительной засухи уже в конце июля в регионе появились многочисленные очаги пожаров. От предыдущего года этот месяц отличался повышенным содержанием загрязняющих веществ. На рисунке 1.11 показаны осредненные за месяц изменения температуры ΔTмh(t), полученные по данным МТП-5 в центре Москвы и Звенигороде в августе 2001 и 2002 гг. Там же показана средняя часовая приземная температура (tприз). Видно, что в суточном ходе ΔTмh(t) имеются характерные особенности, в частности, «соседствующие» участки с максимальным разбросом и сближением ΔTмh(t). Эти экстремумы находятся внутри восходящей кривой приземной температуры и ее плоского дневного максимума. Веерное и разного знака значения ΔTмh(t) в утренние часы (7-10ч) показывает, что при прогреве приземного слоя в обычных условиях еще продолжается понижение температуры в слое выше 300 м, но в городе нагревание слоя ниже 300м происходит почти в 2 раза медленнее, чем за городом, а тепловая волна достигает верхних уровней почти на 1 ч позже, чем в Звенигороде. Обращает на себя внимание то, что в обоих пунктах начало повышения температуры на высоте 600 м отмечается с момента убывания величины приращения температуры в нижнем слое (в городе 0-100 м, за городом- 0-200 м) - около 11 ч. 47 24 2,0 22 1,5 T [ОС] 24 Август 2001 г. Звенигород 22 20 1,0 20 0,5 18 0,5 18 0,0 16 0,0 16 -0,5 14 -0,5 14 -1,0 12 -1,0 12 T [ОC] dT [град/час] 2,0 Август 2001 г. Москва 1,5 1,0 -1,5 0:00 2:00 4:00 6:00 10 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 T [ОC] 26 dT [град/час] 2,5 Август 2002 г. Москва dT [град/час] -1,5 0:00 2:00 4:00 6:00 10 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 T [ОС] 26 dT [град/час] 2,5 Август 2002 г. Звенигород 24 2,0 1,5 22 1,5 22 1,0 20 1,0 20 0,5 18 0,5 18 0,0 16 0,0 16 -0,5 14 -0,5 14 -1,0 12 -1,0 12 -1,5 10 -1,5 10 2,0 -2,0 0:00 2:00 4:00 6:00 8 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 -2,0 0:00 2:00 4:00 6:00 Время [чч:мм] 0m 100 m 24 8 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Время [чч:мм] 200 m 300 m 400 m 500 m 600 m T приз. Рисунок1.11. Средние за месяц часовые изменения температуры (ΔTмh(t)), приземная температура (Tприз) ) в Москве и Звенигороде. Август 2001(верх), август 2002 (внизу) Примерно в 12 часов происходит конвективный «прорыв» АПС [43] и весь 600-метровый слой становится неустойчивым. На рисунке 1.11 это проявляется в равномерности скорости нагревания всех слоев. Одинаковая по скорости и знаку (положительному) на всех уровнях величина ΔTмh(t) в период 13-17 ч является отражением повсеместной интенсивной конвекции. Можно заметить, что существенных межгодовых различий в средней месячной приземной температуре не отмечалось (несмотря на отличия в преобладающих синоптических процессах в 2001 и 2002 гг.). Но задымленность августа 2002 г. [51] специфически сказалась на структуре ПСА: обычно до 10 - 11 часов температура воздуха в слое 400-600 м еще продолжает понижаться, но в августе 2002 г. в загрязненном воздухе после восхода солнца до высот 500 м 48 температура повышалась, как следствие поглощения лучистой радиации накопленными примесями от пожаров и НМУ Отдельный интерес представляет сравнение эволюции поля температуры при локальном загрязнении городского воздуха и в «условно» чистом воздухе. В качестве примера, для типичной «чистой» ситуации использованы синхронные измерения в Звенигороде и Москве 4 августа 2002 г (с выраженным северным переносом воздушных масс на восточной периферии антициклона); а для ситуации с «локальным» загрязнением - 20 июля 2002 г (центр антициклона со слабыми ветрами во всем АПС- ситуация, не предполагающая распространение городского шлейфа на большое расстояние). На рисунке 1.12 показаны профили среднечасовых приращений температуры ΔTh(t) для «характерных» временных интервалов 4-6, 8-10, 14-16 и 21-22 ч (второй и четвертый – внутрисуточные максимумы загрязнения приземного воздуха). H [м] 600 H [м] 600 500 500 400 400 300 300 200 200 100 100 0 -2,5 T [OC] -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 а) 0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 О T [ С] 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4-6 ч Москва 8-10 ч Москва 14-16 ч Москва 21-22 ч Москва 4-6 ч Звенигород 8-10 ч Звенигород 14-16 ч Звенигород 21-22 ч Звенигород б) Рисунок 1.12. Профили среднечасовых приращений температуры ΔTh(ti) в Москве и Звенигороде а) в «чистом» воздухе 4 августа 2002 г. б) в «грязном» воздухе 20 июля 2002 г. В дневное время в чистом воздухе (4.08) существенных различий в термических преобразованиях АПС в центре и за городом нет (рис. 1.12). Но в 49 городе в слое 300-600 м вертикальные градиенты температуры немного больше загородных и превышают 1°С/100 м, как видно на рис.1.13, где показана среднечасовая разность между температурой на уровне измерений и приземной температурой (dT= Т(h) -Т(0)). Ночью даже в ситуации «чистого» воздуха имеются существенные отличия между двумя пунктами (рис. 1.13а,б); в Москве всю ночь 4.08 сохранялась термическая неустойчивость (с 5 до 7 ч близкая к нейтральной), а в Звенигороде - приземная инверсия до 300 м. Т.е. и в отсутствии «шапки» загрязнений приземный городской слой находится в состоянии турбулентного перемешивания, генерируемого излучением городской поверхностью (дорожные покрытия, здания и т. д.) в условиях парникового эффекта, связанного с повышенным содержанием водяного пара в городском воздухе. DT[C] DT[C] 2 2 1 1 0 0 -1 -1 -2 -2 -3 -3 -4 -4 -5 -5 -6 -6 -7 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 а) -7 0:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 б) DT[C] DT[C] 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 0:00 2:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Время [чч:мм] 0 м 1 00 м 20 0 м 0:00 в) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 0:00 Время [чч:мм] 30 0 м 400 м 5 00 м г) 6 00 м Рисунок 1.13. Суточный ход ΔTΔh(ti) - разности температуры в слое (h -0) (а, б) в чистом воздухе 4 августа в Москве (слева) и Звенигороде (справа), (в, г) при НМУ 20 июля. 2002 г. 50 Эпизод ночного штиля 20 июля иллюстрирует деформацию поля температуры при ясном небе под воздействием сугубо городских факторов (рис. 1.13 в, г). За городом при малооблачной погоде еще до полуночи сформировалась радиационная инверсия (в максимуме до 9°С) и охватила весь 600-метровый слой; в центре Москвы этой ночью стратификация была близка к безразличной. Скорость ночного выхолаживания в Звенигороде до высоты 300 м была в два раза больше чем в Москве . Утром скорость нагрева у земли в чистом загородном воздухе составила 3-3,5°С/час, а в городе - 1-1,7°С/час. Очевидно, более медленный прогрев городского приземного слоя связан с ослаблением в «замутненном» воздухе притока солнечной радиации, а нагревание вышележащих слоев вызвано поглощением радиации парниковыми газами и аэрозолем. К 11 ч в ПСА, как в буферном слое, видимо, накапливается достаточное количество тепловой энергии для его последующего «прорыва». В результате слоистая утром структура АПС преобразуется в конвективнонеустойчивую. В ходе нарастающего вертикального перемешивания содержание загрязняющих примесей в городском воздухе уменьшаются до уровней, уже не оказывающих влияния на радиационные процессы в ПСА; в послеполуденные часы (13-17 ч) интенсивность прогрева всех слоев в городе и в удаленной местности практически одинаковая - 0,3-0,5°С/час (рис 1.13б). С заходом солнца по мере усиления термической устойчивости АПС возрастает роль аэрозоля и парниковых газов; в данном примере скорость выхолаживания в Звенигороде в 23 ч составила 2°С/ч, в Москве 1°С/ч (рис.1.13б). Еще одной иллюстрацией влияния загрязнений на радиационные процессы служит рис 1.14, где показана разность среднечасовой температуры между Москвой и Звенигородом на высоте 0, 100, 300 и 600 м в чистом воздухе (а) и локально загрязненном (б). 51 DT[C] DT [C] 9.0 9.0 8.0 8.0 7.0 7.0 6.0 6.0 5.0 5.0 4.0 4.0 3.0 3.0 2.0 2.0 1.0 1.0 0.0 0.0 -1.0 -1.0 -2.0 -3.0 0:00 -2.0 3:00 6:00 9:00 12:00 Время [чч:мм] 15:00 18:00 21:00 0:00 0м а) 100 м -3.0 0:00 3:00 300 м 6:00 9:00 12:00 Время [чч:мм] 15:00 18:00 21:00 0:00 б) 600 м Рисунок 1.14. Разность температуры ΔTh М-Зв (ti) а) 4 августа, б) 20 июля. 2002 г. Отметим, что ночью и ранним утром в загрязненном городском воздухе (рис.1.14б) в слое выше 300м имела место «линза» холода, под которой в городе теплее, чем за городом на 4-8 °С. После 10 ч утра, благодаря конвективному перемешиванию, температурные контрасты размываются. В чистом воздухе (рис.1.14а) ночью городской остров тепла существенно слабее: в приземном слое различия город- сельская местность составляют 2-3 °С, а днем – меньше 1°С. 1.4.2 Влияние процессы в АПС загрязнений от природных пожаров на термические Каждые 2-3 года в последнем десятилетии московский регион оказывался под влиянием загрязнения атмосферы от лесных и торфяных пожаров. Эпизоды адвекции продуктов горения биомассы, вызывавшей ухудшение качества воздуха со значительным превышением уровней, формирующихся за счет городских местных источников при НМУ, становились своего рода природными экспериментами для изучения различных аспектов воздействия загрязнения на окружающую среду и здоровье населения. Такие ситуации нами использовались для количественных оценок и деформации поля температуры в мегаполисе под влиянием обусловленного и усиленного пожарами фактора (сильного загрязнения атмосферы). 52 Летом 2002 г. пожары торфяников привели к крупномасштабному задымлению центральной части Европейской территории России, временами дальность видимости снижалась до 100-300 м. [51,11,57]. Наличие в атмосфере продуктов горения способствовало изменению радиационного баланса атмосферы и, соответственно, сказалось на термических характеристиках АПС. Были проведены сравнения вертикальных профилей температуры, измеренных синхронно с помощью двух профилемеров МТП-5, установленных в центральной части Москвы (Красная Пресня) и на Звенигородской научной станции ИФА РАН. 16 августа и 8 сентября (одни из самых загрязненных дней) в послеполуденные часы вместо обычных сухоадиабатических градиенты были равны 0.5-0.6°С/100 м, что более характерно для погодных условий с низкой плотной облачностью. Ночное выхолаживание нижних слоев в загрязненном воздухе происходило заметно медленнее. При максимальном развитии инверсии разность температуры, к примеру, в слое 0-200 метров в чистом воздухе составляла 6°С, а в загрязненном – 3.5 - 4.0°С. Из-за изменения баланса лучистого обмена в загрязненном воздухе радиационная приземная инверсия была менее интенсивной[11,57]. Устойчивость такой реакции на значительное загрязнение воздуха продуктами горения пожаров подтверждается примером 5 сентября, когда в Москве отмечался самый сильный смог за весь период пожаров 2002 г.. Вынос продуктов горения торфяных пожаров в этот день осуществлялся с юго-востока и востока области со скоростью около 20 км/ч. Звенигород находился в створе прошедших через Москву воздушных масс и видимость утром ухудшалась до 500 метров. На рис.1.15 показаны изменения температуры в смоговой ситуации, а в качестве фона – динамика температуры в не задымленном воздухе - 1 сентября 2002г. 53 а) 4:00 6:00 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Время [чч:мм] 0 100 200 300 T[ОC] 30 29 28 27 26 dT [град/час] 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 О T[ C] dT [град/час] 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 -2,5 -3,0 0:00 2:00 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 б) -2,0 -2,5 -3,0 0:00 400 25 24 23 22 21 20 19 2:00 4:00 6:00 18 17 16 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Время [чч:мм] 500 600 T приз. Рисунок 1.15. Часовые изменения температуры в Звенигороде а) в загрязненном продуктами горения пожаров воздухе 5 сентября 2002 г., б) в относительно чистом воздухе 1 сентября 2002 г. Видно, в грязном воздухе 5 сентября наблюдалось более существенное часовое приращение температуры во всех слоях ПСА (на 1.5 °С). Максимум повышения температуры в приземном слое в незамутненном воздухе 1 сентября наступил около 9 ч, а 5 сентября - около 11 ч. К тому же, в чистом воздухе после 15 ч температура в ПСА уже не повышалась, а при смоге нагревание ПСА продолжалось до 17 ч. Очевидно, 5 сентября сыграло свою роль наличие приподнятой температурной инверсии, величиной до 2°С на верхней границе АПС, которая сохранялась в течение всех суток и способствовала максимальному загрязнению находящегося под ней воздуха. Главным эффектом влияния повышенного содержания продуктов горения биомассы в атмосфере является усиление термической устойчивости, при этом наиболее значительное изменение радиационного баланса наблюдалось с ростом высоты в АПС, следуя, очевидно, за вертикальным профилем загрязнений (максимум – примерно на верхней границе слоя перемешивания). Получено, что в августе-сентябре 2002 г. воздействие сильного загрязнения на термические процессы в нижней атмосфере в Звенигороде по сравнению с мегаполисом проявилось более значительно: уменьшение вертикальных 54 градиентов температуры (почти в 2 раза) по сравнению с чистыми днями в Звенигороде составило 0.2- 0.4 ºС/100м, в центре города примерно 0,2 ºС/100м. Отметим, что в центре города усиление устойчивости наблюдалось только в утренние часы; днем, благодаря более активной городской турбулентности, даже при высоком загрязнении температурные градиенты практически не изменились (оставались адиабатическими). В Звенигороде в дневное время (13 19 ч) градиент температуры был в диапазоне 0,5-0,7ºС/100м, что соответствует градиенту не в наблюдавшейся малооблачной погоде, а при сплошной облачности (подобие известного эффекта «аэрозольной зимы»). Было установлено, что из-за более позднего (в среднем на 2 часа) прорыва АПС увеличился период, когда атмосфера находилась в устойчивом состоянии. Полученные результаты по наблюдениям в 2002 г были подтверждены и расширены на основе данных лета 2010 г, оставшимся в истории экологически самым неблагоприятным с экстремально высоким загрязнением воздуха в Москве [58,59,120,96]. Одним из следствий влияния сильного загрязнения на радиационные процессы в АПС летом 2010 г стало специфическое изменение характеристик температурных инверсий; в московском регионе их продолжительность по сравнению с обычной увеличивалась почти в 2 раза (в центре Москвы до 6 - 8 часов, на окраинах - до 10 - 14 часов), при этом существенных аномалий величины инверсии не отмечено. Другим показателем воздействия загрязнений является уменьшение городского острова тепла. В августе 2010 градиенты приземной температуры центр – пригород оказались меньше обычных почти в 2 раза, что, очевидно, привело к ослаблению позитивной в обычных условиях функции острова тепла – стимулировать процессы очищения воздуха от загрязнений посредством формирования локальных циркуляций и активизации конвективных процессов [58,59]. В многократно зафиксированных рекордах приземной температуры в Москве присутствует доля длинноволнового излучения загрязненных слоев 55 нижней атмосферы. Дополнительный нагрев нижней атмосферы вследствие поглощения радиации загрязнениями стал причиной уменьшения вертикальных градиентов температуры, т.е., усиления термической устойчивости АПС. Можно предположить, что в августе в окрестностях мегаполиса большая термическая устойчивость имела отчасти и положительный эффект: ослабление термического вертикального перемешивания в какой-то мере сдерживало приток загрязнений из верхней части АПС. Иначе в мегаполисе: конвекция, вынуждаемая аккумулируемым городом теплом, лишь усиливала приток загрязнений из дымовых шлейфов. По-видимому, жители Москвы испытывали не только большую гипертермию, чем население в окрестностях, но и более значительное воздействие загрязнений, усугублявшихся городскими выбросами и продуктами фотохимических реакций в более загрязненном воздухе. (Результаты исследований взаимного влияния сильного загрязнения и атмосферных процессов в АПС более подробно обсуждаются в разделе 2.4). Краткие выводы • С использованием разработанной методологии пространственно- временной диагностики термического состояния атмосферного пограничного слоя по измерениям профилей температуры в слое до 600 м прибором МТП-5 разработаны «Методические рекомендации по использованию данных профилемеров МТП-5» и Справочное пособие «Характеристики температуры в нижнем 600-метровом слое атмосферы по данным профилемеров МТП-5», утвержденные ЦМКП Росгидромета и рекомендованные для практического применения. • По данным измерений МТП-5 в разнесенных пунктах Московского региона выявлены сезонные особенности изменения термического режима в находящейся под воздействием антропогенных факторов городской атмосфере. Зимой тепловое воздействие города чаще всего обнаруживается в 56 нижнем 100-метровом слое, выше купола тепла образуется «линза холода». В теплый сезон процессы теплообмена в городской атмосфере сложнее, чем зимой; тепловое воздействие города обнаруживается в нижнем 300-500 метровом слое, остров тепла формируется чаще, чем зимой. • Показаны характерные отличия термической неустойчивости в центре мегаполиса, поддерживаемой в холодный сезон потерями тепла отопительных систем, а в теплый сезон - радиационным излучением теплоемких поверхностей городского ландшафта. Установлено, что повторяемость вертикальных градиентов температуры величиной больше 9.8ºС/1км в центре мегаполиса зимой около 90 %, в пригороде 45% (2:1), летом соответственно 60% и 40% (1.5:1), свидетельствуя, что в теплый сезон процессы теплообмена в городской атмосфере сложнее, чем зимой, в определенной мере термическую неустойчивость подавляет парниковый эффект. • Во все сезоны эффекты антропогенного влияния на городскую атмосферу минимизируются в послеполуденное время и усиливаются в темное время суток. Достигающая максимума ночью температурная неоднородность в мегаполисе, по величине сравнимая со значениями градиента температуры в зоне атмосферного фронта, и преобладающая термическая неустойчивость стимулируют усиление самоочищения городской атмосферы посредством активизации внутригородского переноса и рассеивания примесей. • По результатам анализа повторяемости температурных инверсий как фактора, препятствующего очищению приземного воздуха от примесей, получено, что отношение частоты образования инверсии любого типа в невозмущенной мегаполисом местности (Обнинск), ближнем пригороде (Долгопрудный) и в центре мегаполиса имеет вид 4:3:1. Повторяемость образования приземной инверсии в центре Москвы в среднем составляет около 1%, в пригороде – около 20 %. • В синоптических ситуациях со слабым переносом и с фоновой термической устойчивостью (НМУ) внутригородские циркуляции, 57 вынуждаемые контрастами температуры, становятся механизмом переноса и рассеивания примесей, а также предпосылками для увеличения загрязнения от центра мегаполиса (из зоны термической неустойчивости) к окраинам. • Главным эффектом сильного загрязнения атмосферы в периоды лесных пожаров является усиление термической устойчивости АПС вследствие прямого поглощения радиации продуктами горения биомассы; следуя за вертикальным «инверсионным» профилем загрязнений, наиболее значительные температурные аномалии наблюдаются с увеличением высоты. 58 В работе используются данные мониторинга на постах АСКЗА ГПБУ «Мосэкомониторинг»; ниже приводится схема расположения мониторинга. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Балчуг Шаболовка Казакова Марьино Зеленоград 6 Зеленоград 11 Зеленоград 15 МАДИ Бирюлево Кутузовский1 Кутузовский2 МГУ http://www.mosecom.ru/ 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Бутлерова Лосиный о. Косино Вернадского Чаянова Толбухина Вешняки Долгопрудная Полярная Черемушки Туристская Спиридоновка 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 Останкино П. Посад Звенигород Кожухово Капотня пл.Гагарина Хамовники Чура Н. Масловка Гурьевский пр. Головачева Кожухова пр. станций 59 ГЛАВА 2. ВКЛАД КРУПНОМАСШТАБНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ И ЛОКАЛЬНЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В ФОРМИРОВАНИЕ ЭПИЗОДОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ В начале 1950-х годов ВМО начала осуществлять новаторскую деятельность по координации наблюдений за составом атмосферы и его анализу. Сбор данных о парниковых газах и аэрозолях, а также о метеорологических параметрах стал основой для исследований изменяющегося химического состава атмосферы и создания научной основы для предсказания воздействия погодных условий на качество воздуха и оценки обратного влияния компонентов воздуха на погоду и климат [61,62,63]. Полученные аналитически и в ходе натурных экспериментов результаты исследований воздушного загрязнения стали основой для создания большого числа моделей загрязнения атмосферного воздуха разного класса сложности, в т.ч. включающие аэрозольные блоки и блоки химических взаимодействий веществ [63,64,65,66,67,68,69,70]. 2.1. Факторы формирования и систематизация эпизодов загрязнения воздуха При очевидном прогрессе моделирования загрязнения воздуха следует признать, что для повышения успешности моделей загрязнения наряду с обеспечением начальными данными решающее значение имеет учет еще малоизученных процессов в городской атмосфере и специфических городских механизмов рассеивания примесей [31,32,71], в первую очередь, в эпизодах высокого загрязнения приземного воздуха [59,72,73,74,64,75,76,77,78,79]. В условиях, благоприятных для накопления в воздухе примесей, происходит не только значительное увеличение загрязняющих веществ в приземном воздухе, но и образование не содержавшихся в выбросах и более токсичных по сравнению с эмиссиями компонентов [62,80]. В отличие от погодных аномалий последствия эпизодов загрязнения из-за множества сопровождающих факторов, 60 из-за синергизма загрязняющих веществ трудно документируются, хотя многочисленные эпидемиологические исследования доказали, что повышенные и высокие уровни загрязняющих примесей ассоциируются с острыми или хроническими эффектами воздействия на здоровье и живую природу, а также с наступлением преждевременной смерти [81,80,82,83,84,85,86,87,88,89,90]. Именно случаи наиболее значительного загрязнения с высокими концентрациями примесей (эпизоды загрязнения) в приземном воздухе являются главным объектом наших исследований как обоснованный подход к изучению усиленных эффектов прямых и обратных влияний при качественно и количественно меняющемся составе атмосферы в мегаполисе. Следует подчеркнуть, что проведение исследований малоизученных процессов в пограничном слое техническим стало средствам возможным только мониторинга, благодаря современным осуществляющих контроль загрязняющих веществ на сети «Мосэкомониторинг», а также измерениям профилей температуры МТП-5 в центре и на окраинах мегаполиса. В других регионах нашей страны аналогичные системы пока отсутствуют. Кратко перечислим метеорологические факторы, влияющие на загрязнение воздуха [23,61,62], которые обеспечивают расчеты ингредиентов в любых моделях и также используются в авторской синоптико-статистической методике (описанной в главе 3) идентификации метеорологического параметра загрязнения. • Перенос в атмосфере. Поведение примесей во многом определяется полем ветра. Движения воздуха вызывают как рассеяние, так и упорядоченный перенос примеси. Под действием ветра примесь рассеивается по направлению и, благодаря турбулентному обмену, в поперечном и вертикальном направлениях. Чем больше скорость ветра, тем больший путь проходит примесь от места выброса и тем меньше становится ее концентрация. Скорость ветра определяет также интенсивность вынужденной конвекции, создаваемой в 61 пограничном слое сдвигом ветра и взаимодействием воздушного потока с элементами шероховатости подстилающей поверхности. • Температурная стратификация влияет на интенсивность турбулентности и толщину слоя перемешивания, которые определяют рассеяние примесей по вертикали и, следовательно, скорость замены загрязненного воздуха более чистым из верхних слоев. При сильной неустойчивости и развитом слое перемешивания создаются лучшие условия для рассеяния примесей; худшие условия возникают при инверсии температуры, когда турбулентность подавлена, вертикальные движения значительно ослаблены. • Солнечная радиация определяет интенсивность фотохимических процессов, которые могут привести к образованию вторичных токсичных примесей; она становится решающим фактором в эпизодах загрязнения в теплый период. • Осадки, за редким исключением, играют очищающую роль. • Тип воздушной массы не является значимым фактором локального загрязнения воздуха; при смене воздушных масс изменение газового состава приземного воздуха, если не формировался эпизод загрязнения, значительно меньше, чем флуктуации уровня загрязнения под влиянием местных источников и практически не идентифицируется на сети рутинного мониторинга. Более выраженным фактором макромасштабного атмосферного воздействия на содержание примесей являются разделяющий воздушные массы атмосферный фронт, влияние каждого типа фронта специфически проявляется в сигнатуре концентраций различных газовых и аэрозольных загрязняющих веществ [59,91,92,93]. • Городской остров тепла способствует формированию внутренних городских циркуляций типа бриза, тем самым, дополнительных механизмов внутригородского переноса примесей [8,11,33,49,62,23,94]. В зависимости от особенностей ландшафта и городской застройки эти циркуляции в теплый 62 сезон могут значительно усложняться под воздействием внутренних «островов холода» (парковые зоны, крупные водные объекты). Многообразие специфических городских процессов, зависимость от химических взаимодействий при переносе и удалении поступивших в атмосферу примесей, реакции загрязнителей с природными и городскими поверхностями, нерегулярность эмиссий – лишь часть союзничающих и конкурирующих факторов, способных к совместному резонансному действию по стимулированию как самоочищения атмосферы, так и его подавления. Следствием совокупности процессов, направленных на накопление примесей в атмосфере, является эпизод загрязнения воздуха. Под эпизодом понимается загрязнение приземного воздуха с нарушением национальных, международных нормативов качества [95,63,81] или со значительным превышением фонового уровня (в 1.5-2 и более раз), фиксируемое на представительном ряде станций сети мониторинга и сопровождаемое комплексом неблагоприятных для очищения воздуха метеорологических условий. На рис.2.1 дается иллюстрация идентификации эпизодов загрязнения в рядах данных наблюдений на одной из городских станций АСКЗА на примере 2012 г (январь-август). В двух верхних окнах приводятся концентрации NO2, NO и O3 в указанный интервал наблюдений; отметим, что здесь нет данных других традиционных маркеров качества воздуха - СО и РМ10, поскольку содержание этих веществ в приземном воздухе оставалось на низком уровне (меньше 0.5 ПДК). В нижнем окне рис. 2.1 отображены ряды концентраций NO2, NO и O3 (в долях ПДК), превысивших уровень 0.5ПДКм.р.; отчетливо просматриваются сгруппированные по времени события практически синхронных повышений концентрации двух-трех ингредиентов. В среднем окне рис. 2.1 приводятся идентифицированные эпизоды загрязнения: 1) 5-6 апреля - самые значительные превышения и NO, и NO2 при низком уровне O3, 2) 24-25 мая - приближающееся к «эпизоду» событие, но его следует интерпретировать как «псевдоэпизод» ,поскольку 63 только один маркер - первичный NO –превысил «критический» уровень (0.5ПДКм.р.), 3) 31 июля- 2 августа - озон достиг уровня, характерного для ситуаций с интенсивной фотохимической наработкой «антропогенного» озона, чему предшествовало (с небольшим временным опережением) увеличение концентрации NO, т.о. этот эпизод загрязнения можно идентифицировать как приближение к фотохимическому смогу. 600 мкг м‐з NO2 200 мкг м‐з NO 500 160 400 120 300 доли ПДКм.р. 1.4 1 NO2 2 NO 1.2 O3 1.0 3 0.8 0.6 6 апреля 25 мая 13.8 29.7 14.7 29.6 14.6 30.5 15.5 30.4 15.4 31.3 16.3 1.3 15.2 31.1 16.1 В 1.1 0.4 1 августа 28.8 29.6 14.7 29.7 13.8 15.5 30.5 14.6 31.3 15.4 30.4 Б 31.1 15.2 1.3 16.3 28.8 13.8 29.7 14.7 29.6 14.6 30.5 15.5 30.4 15.4 31.3 1.3 16.3 15.2 0 31.1 0 1.1 40 16.1 100 1.1 16.1 80 200 А O3 64 Рисунок 2.1. Временные серии концентрации а) NO2 и NO, б) O3 (горизонтальные линии – ПДКм.р.); в) временные серии NO2,NO и O3 в долях ПДКм.р. (≥ 0.5ПДКм.р.), зд. цифрами обозначены идентифицированные по комплексу превышений ПДК «эпизоды загрязнения»; в нижнем окне – синоптические карты в идентифицированных эпизодах загрязнения. Январь август 2012 г. Можно обратить внимание на однокомпонентный «эпизод» (вторая декада февраля), обусловленный повышенными уровнями приземного озона вследствие интенсивного перемешивания на западной периферии антициклона (выноска на рис. 2.1.б) в зоне мезоструйного течения и притока тропосферного озона. В нижнем окне рис. 2.1 приводятся синоптические карты идентифицированных эпизодов загрязнения, и они показывают адекватность установленным событиям ухудшения качества воздуха. Необходимо подчеркнуть, что применение строгих количественных критериев для идентификации «эпизода загрязнения» затруднено по целому ряду причин: • из-за высокой пространственной неоднородности полей загрязнения на территории мегаполиса; • из-за неоднозначности оценки ситуации при использовании нормативов ПДКм.р. и ПДКс.с.. К примеру, в 2011 г. повторяемость концентраций NOx и СО выше ПДКм.р составила 1-3 % (вблизи магистралей 4-7%), а частота превышений ПДКс.с. - на порядок больше: повторяемость средней суточной концентрации NO2 - около 35%, у автодорог около 20%, концентрации NO(с.с.) - 4 %, вблизи транспортных источников 40 %; • вследствие нарушения характерной структуры полей загрязнений скользящей по дням недели цикличности эмиссий, 65 • из-за эффектов значительных количественных и качественных преобразований состава приземного воздуха при малых изменениях качества воздуха; • вследствие выраженной сезонности конкурирующих и союзничающих механизмов рассеивания примесей и химических взаимодействий газовых и аэрозольных примесей; • из-за случайных или непериодических воздействий, например, дальний перенос примесей или влияние природных пожаров; и т.д. Очевидно, многообразие неопределенностей в сложных процессах городского загрязнения/очищения воздуха предполагает и допускает упрощенную или достаточно грубую идентификацию эпизодов загрязнения, учитывая, что наиболее значительные из них формируются в определяемых с высокой надежностью неблагоприятных метеорологических условиях. Также отметим, что случаи значительного загрязнения приземного воздуха рассматриваются нами в контексте экологической опасности. Повторяемость таких событий невелика, но каждый эпизод представляет реальную угрозу здоровью людей и опасен возможными удаленными негативными последствиями без выраженной текущей симптоматики заболеваний. Имеются результаты представительных исследований связи роста респираторных и сердечно - сосудистых заболеваний, а также преждевременной смертности с повышенными уровнями озона, твердых частиц (РМ10) во время эпизодов жары [82,83,84,85,86]. По данным многочисленных эпидемиологических и токсикологических обследований установлено, например [81], что при возрастании усредненной за 8 ч концентрации озона с 70 до 100 мкг м-3 отмечается рост ежедневного числа летальных исходов (на 1-2 %). Убедительные примеры влияния озона на живые организмы и объекты окружающей среды, а также внушительный список литературных ссылок по теме приводится в работе [80]. Количественные оценки заболеваний органов дыхания под влиянием загрязнения воздуха по данным отечественных 66 исследований связи приводятся в работе [87]. В работах, посвященных анализу последствий аномалий лета 2010 г. в Центральной России, приводятся количественные показатели увеличения обращаемости за медицинской помощью и негативного влияния сильного загрязнения на здоровье людей [82,90,96]. Сфокусированное в работе внимание на изучении эпизодов воздушного загрязнения и их метеорологической обусловленности является актуальным и с позиций выполнения одной из главных задач Росгидромета, сформулированной как «заблаговременное предупреждение об ухудшении качества воздуха, представляющего угрозу окружающей среде и населению». В зарубежных научных публикациях анализ эпизодов высокого загрязнения воздуха (ozone episode, fine particle episode, NO2 and particulate matter episodes, air pollution episodes) занимает значительное место [72,73,74,64,75,76,97,98,112]. По анализу пиковых концентраций различных загрязнителей воздуха в 13 городах Европы показано [75,78], что аэрозольные эпизоды преобладают весной и в зимнее время, эпизоды высокого содержания диоксида азота могут сформироваться и зимой, и летом, озоновые эпизоды – летом. Описанные в работе [73] эпизоды с высокими концентрациями РМ10 в Осло в январе 2003, в Хельсинки в апреле 2002, в Лондоне в феврале 2003 и в Милане в декабре 1998 также интересны с точки зрения предпосылок их появления. Описано, что все перечисленные эпизоды наблюдались при высоком атмосферном давлении, во всех случаях была сильная инверсия температуры (в Осло и Милане инверсия главным образом вызвана адвекцией более теплого воздуха, в Лондоне и в Хельсинки – формировалась радиационная инверсия); подчеркивается, что слабый ветер не обязательно хороший индикатор эпизода. Тот же самый результат был также получен при изучении других семи PM10 эпизодов. В работе [73] анализ сопровождается комментарием, что авторы использовали более обширный набор данных, содержащий информацию о 21 эпизоде в семи городах 6 стран. Самые яркие 67 эпизоды были вызваны удаленными и частично различными местными эмиссиями. Зарубежный опыт изучения событий сильного загрязнения атмосферы показывает, что зимние эпизоды в европейских странах формируются в основном в малоградиентных барических образованиях с ослабленным переносом и перемешиванием в нижней тропосфере; в эпизодах наблюдаются чаще всего высокие концентрации оксидов азота, угарного газа и аэрозоля [73,75]. Из известных нам публикаций, летом в Европе и США чаще всего наблюдаются озоновые эпизоды, им сопутствуют аномально жаркая погода, в т.ч. «волны жары», когда складываются благоприятные условия для активного протекания фотохимических процессов, необходимых для роста концентраций озона со значительной антропогенной составляющей [99,100]. Самые серьезные летние аэрозольные эпизоды в Европе связаны либо с распространением шлейфов природных пожаров, либо с выносом мелкодисперсного африканского аэрозоля. На многих европейских станциях годовой максимум РМ10 приходится на весну; при возможности определять состав мелкодисперсного аэрозоля, отмечается, что сезонный максимум отчасти обусловлен проведением сельскохозяйственных работ: пахота и связанное с ней пыление, а также внесение жидких удобрений становится причиной роста аэрозольного загрязнения [101]. В нашей стране принятая за рубежом терминология (эпизод загрязнения) пока не нашла широкого применения; мы воспользуемся ею при анализе ситуаций с высокими (или приближающимися к ним) концентрациями загрязняющих городской воздух веществ, различая эпизоды загрязнения: ¾ природного (пыльца, почвенный, биогенный аэрозоль) и антропогенного происхождения (SO2, NOX, CO, О3, а также РМ10, РМ 2.5 и др); ¾ формирующиеся за счет дальнего переноса или местных источников; как частный и наиболее опасный тип - распространение шлейфов продуктов 68 горения биомассы из очагов лесо-торфяных пожаров, при сжигании сухостоя и стерни на сельскохозяйственных угодьях; ¾ зимние (NOX, CO, РМ10, редко SO2), весенние (чаще аэрозольные¸ пыльца) и летние (озоновые или смешанного типа). В настоящем разделе обсуждаются малоизученные физические процессы и явления в ситуациях значительного загрязнения воздуха в Московском мегаполисе с использованием комплексных данных наземных и высотных наблюдений на автоматизированной сети контроля загрязнения ГПБУ «Мосэкомониторинг», на телебашне Останкино (ОТБ), по дистанционным измерениям профилемеров МТП-5 в разнесенных пунктах мегаполиса (Центр Москвы, Долгопрудный, Звенигород). 2.2 Общие признаки и специфические сезонные различия метеорологической обусловленности высокого загрязнения приземного воздуха в Московском регионе Рассматриваются особенности загрязнения воздуха и определяющие их атмосферные процессы в эпизодах загрязнения различного происхождения и в разные сезоны года с целью установить и систематизировать общие закономерности и специфические черты изменчивости загрязнения при неблагоприятных для очищения воздуха метеорологических условиях. 2.2.1 Влияние атмосферных процессов на динамику и уровень загрязнения приземного воздуха в зимних эпизодах [77]. Московский регион находится в зоне умеренного метеорологического потенциала загрязнения [55]. Благодаря преобладающим условиям рассеивания, высокое загрязнение воздуха в зимние месяцы формируется редко (1-3 эпизода 69 за зиму). Анализ наиболее значительных зимних эпизодов загрязнения проводился по данным 2005, 2006 и 2007 гг., также использованы данные наблюдений в зимних эпизодах 2012 и 2013 гг. В качестве маркеров переноса и загрязнения приземного воздуха использованы доминирующие зимой в городском воздухе угарный газ и окислы азота (СО и NOх). Февраль 2005 г. Эпизоду предшествовало вторжение ультраполярной воздушной массы. 4 февраля утренний пик загрязнения воздуха совпал с ослаблением скорости переноса; концентрации СО, NO и NO2 выше ПДКм.р. наблюдались лишь в некоторых «примагистральных» районах города (рис 2.1). В отличие от загородной приземной нижняя граница температурной инверсии в центре города ночью и утром располагалась на высоте около 100 м (табл. 2.1). После 12 ч подинверсионный слой перемешивания увеличился до 150-200 метров, и, несмотря на затишье, на всех станциях отмечено уменьшение концентраций примесей. К 16 ч в нижних слоях городской атмосферы установился штиль; на высоте 300 м (Останкино) ветер ослабел до 2-3 м/с. Таблица 2.1. Нижняя граница инверсии температуры (м) через 3 ч по измерениям МТП-5 в центре Москвы и пригороде (Долгопрудный). 2005 г 4 февраля 5 февраля пункт 0 3 6 9 12 15 18 21 0 3 6 9 12 центр 150 100 100 100 100 150 200 100 50 0 0 0 0 0 0 50 150 0 0 0 0 0 0 пригород 150 15 18 21 100 >600 200 150 50 >600 0 0 С заходом солнца нижняя граница инверсии стала опускаться. На фоне затухающей турбулентности сформировался второй, главный максимум загрязнения воздуха 4 февраля. «Оседание» загрязняющих примесей в 70 инверсионном слое способствовало резкому подъему уровня загрязнения в приземном слое: в 21 - 24 ч на большей части города концентрация СО превысила обычный уровень примерно в 3 раза, NO2 - в 2 раза (рис.2.1). Если в прилегающих к автомагистралям районах при сложившихся метеорологических условиях такой всплеск загрязнения был закономерным, то высокие уровни загрязнения в обычно «чистых» районах стали следствием сочетания неблагоприятных метеорологических факторов. Отметим, что 4 февраля преобладали восточные ветры, что создавало предпосылки для большего загрязнения воздуха в подветренных – западных - районах Москвы (рис.2.2). Вечером на станции МГУ концентрация СО почти в 4 раза превысила обычный фон, на юго-западе города (ст. Вернадского) - в 5 раз. Но самым высоким уровень СО (значительно выше, чем во многих примагистральных районах) оказался в жилой зоне на западной окраине (ст. Толбухина). Концентрация NO2 в максимуме там также была одной из самых высоких. Вероятно, свою роль сыграло опускание шлейфа городских загрязнений в зоне размывания границ городского острова тепла. Судя по наблюдениям за профилями температуры в окрестностях, на городских окраинах в 18 ч образовалась приземная инверсия, в то время как в центре города нижняя граница инверсии находилась еще на высоте 200 м (таблица 2.1). Концентрации ок сида углерода в период НМУ в феврале 18 16 14 12 10 8 6 4 2 а 0 03.02.2005 03.02.2005 04.02.2005 04.02.2005 05.02.2005 05.02.2005 06.02.2005 06.02.2005 07.02.2005 пл. Сухаревская ул. Балчуг ул. Шаболовка ул. Казакова Марьинский парк Зеленоград мр 15 МАДИ Бирюлево МГУ Бутлерова Лосиный остров Глебовкая Новокосино пр. Вернадского ул. Толбухина ул. Чаянова Вешняки Долгопрудная Коптевский Народного ополчения Полярная Черемушки Туристская Спиридоновка Среднее 71 18 16 85 м Wind direction 305 м 14 Wind speed, м/s 12 10 8 6 4 2 0 б 0 3 6 9 12 15 18 21 0 3 6 9 12 15 18 21 3 february 4 february 0 3 6 9 12 15 18 21 5 february 0 3 6 9 12 15 18 21 0 6 february Рисунок 2.2. Концентрация СО на станциях АСКЗА и средняя по городу (жирная красная линия) (а), скорость и направление ветра на ОТБ (б). 3-6 февраля 2005 г. Показательны данные загородной станции Зеленоград. Утром при инверсии там было отмечено небольшое повышение уровня загрязнения; вечерний максимум совпал со временем установления «штиля» и образования приземной инверсии. Но вечерний пик формировался, очевидно, уже с участием московских загрязнений; он оказался выше местного фона почти в 3 раза и в 2 раза выше, чем в это же время на восточной окраине Москвы. Синхронные флуктуации концентрации СО в Зеленограде и на западной окраине Москвы во время ночного максимума указывают на общие управляющие механизмы распространения примесей в так называемой «застойной» ситуации. Следующей ночью 5.02 приземная инверсия образовалась уже и в центре мегаполиса. Западные окраины города по-прежнему оставались в самом загрязненном угарным газом (СО) воздухе, а концентрация NO2 (ст. Толбухина) была такой же, как в примагистральных районах в центре города (ст. Сухаревская). Но наибольшие концентрации NO2 образовались вблизи магистралей в северо-западном секторе города (ст.Полярная и Н.Ополчения). При этом на южной окраине Москвы даже рядом с автотрассами уровень NO2 был низким. Под утро разброс температуры по территории города при штиле достиг 10ºС (в центре -14 ºС, на окраинах – до -24ºС). Заметим, что ветреной 72 ночью 4 февраля разность температуры между центром и окраинами не превышала 2ºС. Следовательно, наблюдавшееся специфическое распределение концентраций 5 февраля было обусловлено циркуляциями в острове городского тепла. Утренний рост загрязнения в мегаполисе начался около 7 ч на примагистральных территориях и продолжался до 11 ч; «волна» максимума загрязнения воздуха перемещалась от магистралей к жилым районам. Смещение утреннего пика на более позднее время характерно для выходных дней (5 февраля – суббота). Только после 10 ч приземная инверсия начала разрушаться (табл.2.1), начался спад уровня загрязнения. Днем при том же юго-восточном переносе более загрязненным оказался северо-западный сектор города (ст. Н.Ополчения, ст. МАДИ, ст.Полярная). Там (очевидно, вблизи оси городского шлейфа загрязнений) концентрации примесей еще продолжали повышаться, а наибольший во всем эпизоде пик СО пришелся на 15 -18 ч - период самого слабого ветра при слое перемешивания в центре города не меньше 200 м и оседающей нижней границе инверсии в окрестностях. К ночи 6.02 ветер в нижней части ПСА начал усиливаться и разворачиваться на юго-западный. «Облако» самого загрязненного воздуха, очевидно, переместилось на север Москвы, и там (ст. Полярная) концентрация NO2 в 21 ч достигла экстремально высокого в эпизоде уровня. Окончание эпизода (снижение уровня загрязнения до фонового) произошло вечером 6.02 под воздействием крупномасштабной атмосферной циркуляции - благодаря усилению ветра до 12-15 м/с. В продолжавшемся около 2 суток эпизоде наиболее чувствительным индикатором воздействия атмосферных процессов на загрязнение приземного воздуха оказалась концентрация СО. Анализ показал высокую корреляцию СО с NO и с NO2 на удаленных от источников станциях. По данным ст. Толбухина коэффициент корреляции (R) СО с NO составил 0.98, СО с NO2 0.94, что подтверждает преобладающий на подобных территориях механизм 73 формирования уровня загрязнения за счет адвекции примесей. Связь малоактивного СО и короткоживущего NO в зоне выбросов (вблизи автомагистралей) оказалась слабее (ст.Народного Ополчения R =0.83). Для такого типа территорий получено возрастание коэффициента корреляции NO с NO2 с «запаздыванием» до 2 ч (ст.Н.Ополчения R =0.92), что не характерно для жилых районов и указывает на лишь локальную активность процессов химического преобразования оксида азота в диоксид. В жилых районах высокая концентрация NO в зимних условиях ночью вряд ли могла стать результатом фотохимической диссоциации NO2. При малом содержании окислителей в загрязненном воздухе, очевидно, ослабевает реакционная способность NO, и не испытывающая преобразования примесь переносится от источника на значительно большие расстояния, чем это бывает при наличии солнечной освещенности и поступающего в отсутствии инверсии озона из тропосферы. Других похожих по уровню и продолжительности зимних эпизодов высоких концентраций в последние годы в Москве не наблюдалось. Некоторые аналоги имели место ровно год спустя. Январь 2006 г. В Москве установились тридцатиградусные морозы. Cкорость ветра в ПСА не превышала 5-7 м/с; несколько суток держалась охватившая более чем километровый слой температурная инверсия величиной 10-12ºС. По данным МТП-5 в центре города ночью и утром вертикальный градиент температуры в слое 0-200 м превышал сухоадиабатический (ночью 18.01 он приближался к 2ºС/100м), в Долгопрудном была инверсия с нижней границей 50 -100 м. По-видимому, с усилением морозов резко возрастают городские выбросы тепла, что препятствует образованию приземной инверсии; в эти дни ее нижняя граница не опускалась ниже 250 – 300 м, и уровень загрязнения воздухам оставался низким. Нехарактерная для этого времени года и суток интенсивность термической турбулентности оказала подавляющее влияние и на развитие городского острова тепла: контраст температуры центр города - окрестности у земли не превышал 2-3º. Активное вертикальное 74 перемешивание в центре города подтвердили и данные акустического локатора в Замоскворечье (ИФА РАН). Примером «зимней конвекции» в городском пограничном слое могут также служить приведенные на рис. 2.3 изменения температуры в нижнем 600метровом слое по данным измерений МТП-5 в декабре 2012 и январе 2013 г. В правом столбце показаны профили температуры в близкое к полуночи время с восстановленной от приземной температуры сухой адиабатой. Видно, что в ночном АПС в нижнем 300-400 метровом слое сформировались условия для интенсивного о перемешивания, вертикальные градиент температуры в нижнем 100 метром слое составлял 1.6-1.7 ºС/100 м. Так называемая «зимняя конвекция» в приземном слое, вынуждаемая потоками антропогенного тепла, в периоды сильных морозов неоднократно наблюдалась и в другие годы, и это дает основание утверждать, что она является эффективным механизмом очищения городского воздуха в зимнее время от загрязняющих примесей. Явления «зимней конвекции», фиксируемые Доплеровским локатором, описаны в работах [71,102]. а) 18-19 декабря 2012 г. б) 0 ч 19 декабря 2012 г в) 23-25 января 2013 г. г) 0 ч 25 января 2013 г 75 Рисунок 2.3. Температура в слое 0-600 м (а, в) и отмеченные на левых рисунках красной линией срочные профили температуры в 00 ч (б, г) по измерениям МТП-5 в центре Москвы (зд. зеленая прямая – адиабата) Зима 2007 г. Анализ флуктуаций уровня загрязнения в Московском регионе и обуславливающих их метеорологических условий в период 26 января - 26 февраля позволил получить подтверждение полученным ранее выводам и некоторые новые результаты. Например, перенос загрязненного воздуха из Москвы при неблагоприятных условиях для рассеивания примесей (при термической устойчивости и слабом ветре в АПС) оказался единственной причиной превышения ПДКм.р. СО в г. Зеленограде 26 января; в Москве в этот день повышение уровня загрязнения городского воздуха совпало с утренним пиком выбросов автотранспорта и максимальным развитием инверсии (около 9 ч утра), когда в центре города нижняя граница инверсия опустилась до 100 м и достигла редкой даже для зимнего времени величины 5ºС. Представляет отдельный интерес скорость формирования высокого загрязнения. В январском эпизоде и двух других эпизодах в феврале 2007 г. достижение уровня ПДК вблизи автомагистралей утром произошло за 3-4 часа, а второй вечерний максимум сформировался примерно на 1 час быстрее. Такого же порядка (3-4 часа) времени необходимо и для разрушения эпизода, т. е. понижение уровня загрязнений до фоновых значений. Анализ ситуации 12 февраля показал, что ночью через Москву перемещался термически однородный центр антициклона, в нижнем километровом слое ветер был северный 3-5 м/с. Интенсивность городского острова тепла достигала 9º (на окраинах температура понижалась до -22º). Очевидно, усиление обогрева города способствовало большим потерям тепла и повлияло на термическую стратификацию – в центре города до 8 ч в нижнем 500 метром слое она была близка к безразличной, что, по-видимому, стало препятствием для накопления загрязнений в приземном воздухе. Исключение северная часть города (ст. Туристская, Долгопрудная, Останкино), которая в 76 отличие от находившихся в тепловом шлейфе города южных районов могла оказаться под влиянием приземной инверсии. Общее повышение уровня загрязнения в городе (до 1-2 ПДК) началось около 8 ч при установлении в центре города инверсии (до 2º) и продолжалось до 11 ч, пока инверсия не начала разрушаться. В 12 ч толщина слоя перемешивания увеличилась до 300 м, что обеспечило интенсивное рассеивание примесей и очищение приземного воздуха от утренних накоплений. Значительные различия термической структуры в зимнем пограничном слое в центре мегаполиса и на удаленной от него фоновой территории можно проиллюстрировать ярким примером отличий температурной инверсии в синоптических условиях, благоприятных для ее развития (малоградиентное барическое поле, ясная тихая морозная погода), по наблюдениям на высотной метеорологической мачте в Обнинске и по измерениям профилей температуры прибором МТП-5 в центре Москвы 21-22 февраля 2013 г. (рис.2.4) Можно заметить, что в центре Москвы инверсия сформировалась только около 5 ночи и продержалась до 10 ч утра, а в Обнинске ее продолжительность была почти в 3.5 раза больше – 17 ч; образовавшись в 19 ч, радиационная инверсия сохранялась до 12 ч следующих суток ВММ Обнинск. Температура ºС (красная линия 2 м, зеленая -121 м, синяя -300 м ) МТП-5 Центр Москвы Температура ºС (черная линия 2 м, красная -100 м, зеленая светлая -200 м, зеленая -300 м ) Синоптическая карта 22.02.13 0 h ВСВ (красный маркерМосква) Рисунок 2.4. Температура в слое 2-300 м в Обнинске и в центре Москвы (время существования инверсий показана фиолетовой стрелкой). 21-22 февраля 2013 г. 77 Сокращая приведенные в статье [Кузнецова и др., 77] обсуждения, приведем наиболее важные для практических целей полученные результаты: - в зимних эпизодах, обусловленных неблагоприятными метеорологическими факторами, внутренние городские циркуляции оказывают значимое влияние на процессы переноса примесей в масштабе города: в центре города чаще всего концентрация NO, СО достигает максимума позже, чем на городской окраине, где средняя концентрация в максимумах всегда выше, чем в центре города. - высокие уровни загрязнения воздуха формируются при слабом ветре в нижних слоях атмосферы (1-3 м/с) обязательно при приземной или приподнятой температурной инверсии с нижней границей не выше 150 м. Высокие концентрации загрязняющих веществ при штиле в АПС сохраняются, пока слой перемешивания не превышает 200 м. При отсутствии одного из названных определяющих факторов значительного накопления загрязняющих примесей в приземном воздухе повсеместно не происходит; загрязнение носит «очаговый» характер, в удаленных от источников выбросов городских районах концентрации примесей существенно не увеличиваются. - в термически неоднородном нижнем слое при слабом ветре в АПС формируются городские шлейфы загрязнений, способствующие аномальному распределению концентраций в городе, а именно, при устойчивой стратификации на подветренных удаленных от источников окраинах города уровень загрязнение воздуха оказывается значительно выше, чем в центральной части города, при этом на наветренных окраинах даже вблизи источников выбросов он остается невысоким. - тепловое воздействие большого города на процессы в АПС возрастает при усилении морозов: чем сильнее морозы, тем больше «потерь» городского тепла, которые активизируют механизмы перемешивания и переноса примесей, что, в результате, препятствует росту уровня загрязнения приземного воздуха. 2.2.2. Характерные особенности эпизодов загрязнения и сопутствующих метеорологических условий в теплый период 78 Возрастающая в теплый сезон химическая активность атмосферы существенным образом влияет на процессы в городском воздухе; коротковолновая радиация, повышение температуры играют важную роль в образовании вторичных, иногда и более токсичных, чем предшественники, веществ (озон – один из них) [80, 23, 81]. Но, как и в холодный сезон, для накопления примеси в больших концентрациях в приземном воздухе необходимы условия для подавления процессов самоочищения атмосферы, что происходит при временном совпадении ослабления переноса в нижнем 7001000 м слое и термической устойчивости (с вечера до утра). Конкурирующим механизмом является дневная конвекция, из-за продолжительного светового дня сокращающая период потенциального накопления примеси в приземном воздухе. (Отметим еще раз, зимой главный конкурент процессам накопления примеси - характерный интенсивный крупномасштабный перенос). Эпизоды аэрозольного загрязнения. Сложность изучения режима и изменчивости взвешенных частиц [63,81] РМ10 обусловлена во многом свойствами загрязнителя, этого антропогенную многокомпонентного природу (первичные эмиссии от имеющего и транспорта и промышленности), и биогенное происхождение (например, образование вторичных органических аэрозолей из терпенов), а также состоящего из продуктов вторичных химических преобразований в атмосфере - неорганических и органических (например, ароматических углеводородов) аэрозолей. На содержание аэрозоля в приземном слое влияют множество процессов - нуклеация, коагуляция, салтация, седиментация и вымывание [66,67,103]. Используя терминологию зарубежных исследователей, обозначим события повышения уровня РМ10 как аэрозольные эпизоды, и все другие явления, где в качестве маркера используется РМ10 – аэрозольными. Аэрозольные эпизоды – наименее изученная часть проблемы загрязнения городского воздуха в Москве, с одной стороны, из-за малой продолжительности контроля РМ10, с другой – из-за существенных отличий 79 свойств и изменчивости аэрозоля от хорошо изученных газовых компонентов загрязнения (CO, NOx, O3). К сожалению у нас в стране не измеряется самая опасная (из-за высокой респирабельности) составляющая аэрозоля - мелкая фракция (РМ2.5). В зарубежной литературе аэрозольным эпизодам уделяется большое внимание в связи с признанием мелкодисперсного аэрозоля одним из самых опасных загрязнителей воздуха [73,74,76,100]. Некоторые сведения об изменчивости в Москве массовой концентрации аэрозоля с размерами частиц меньше 10 мкм (РМ10) приведены в работах [56,105,106,107]. Анализ данных наблюдений на АСКЗА за последние 6 лет показал, что в основном аэрозольные эпизоды формируются в теплый период, начиная со времени схода снежного покрова, и разделяются на сформированные локальными источниками и за счет адвекции [59,108]. Последние связаны с дальним переносом либо почвенного аэрозоля из районов засухи или пыльных бурь (аэрозоль природного происхождения), либо с распространением шлейфов загрязнений продуктами природных пожаров. Некоторое общее представление об изменчивости РМ10 в Москве позволяет получить рисунок 2.5, где представлен временной ход усредненной за сутки концентрации РМ10 в три летних месяца 2007 г. на пяти станциях АСКЗА [108]. Видно, что в июне, когда преобладали благоприятные для очищения воздуха условия (нижнее окно рис.2.5), содержание РМ10 на станциях города изменялось в пределах в основном 20-40 мкг м-3, что можно принять за «фоновый» уровень аэрозольного загрязнения в Москве. В июле отмечалось три эпизода аэрозольного способности загрязнения, атмосферы связанных (НМУ). В с этих ослаблением рассеивающей кратковременных эпизодах концентрации РМ10 повышались не больше, чем до 60 мкг м-3 и чаще всего - на станциях юго-восточного сектора Москвы. Следовательно, такой уровень РМ10 возможен только за счет местных источников. Рисунок 2.5 показывает, что имеется тесная связь эпизодов PM10 с максимумом температуры. Значительная положительная корреляция между 80 июнь Концентрация РМ10, мкг м-3 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Мар.парк Зеленоград МГУ Косино Останкино 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 День месяца июль Концентрация РМ10,мкг м-3 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Мар.парк Зеленоград МГУ Косино Останкино 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 День месяца Концентрация РМ10,мкг м-3 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 август Мар.парк Зеленоград МГУ Косино Останкино 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 27 24 21 18 15 12 9 6 3 Температура Скорость ветра 1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 18 15 12 9 6 3 0 V (м/с) Т (0С) День месяца Дни (от 1 июня 2007 г.) Рисунок 2.5. Средняя суточная концентрация РМ10 (мкг м-3) летом 2007 г. на станциях АСКЗА «Мосэкомониторинг». Нижнее окно - максимальная температура приземного воздуха и скорость ветра на и.п. 925 гПа; жирные стрелки - прохождение холодного фронта, штриховка - период лесных пожаров на востоке Московской области 81 вариациями температуры и измерениями PM10 на европейских станциях в летние месяцы была найдена путем численного анализа также в работе [66]. Существование этой корреляции может быть объяснено тем, что, как правило, периоды высокой (блокирующей) температуры ситуацией, сопровождаются способствующей антициклонической накоплению атмосферных загрязнений. Установлено, что в ряде случаев максимум концентрации PM10 достигается непосредственно перед или в момент прохождения холодного фронта, т.е., ветровой подъем аэрозоля при усилении ветра перед фронтом в теплом секторе барических образований может вызывать опасное аэрозольное загрязнение; после прохождения холодного фронта отмечается улучшение качества воздуха, т.е. холодные атмосферные фронты являются позитивным фактором с экологической точки зрения.Проведенный анализ данных лета 2007 г показал [108], что наибольшее содержание РМ10 наблюдалось на станциях, расположенных в восточном секторе Москвы, что, по-видимому, отражает влияние не только местных источников, но и подветренное положение относительно преобладающего городского переноса. Эпизоды загрязнения CO и NOx. В теплый сезон эпизоды загрязнения угарным газом (СО) с превышением критических (ПДК) величин в Москве формируются, как и зимой, редко. В наблюдавшихся периодах летних НМУ (2010-2012 гг.) содержание СО в приземном воздухе увеличивалась, превышая «фоновый» уровень в 1.5-2 раза, но случаи превышения СО ПДКм.р. (5 мг м-3) имели место в единичных случаях и в основном по наблюдениям на примагистральных станциях АСКЗА. Можно утверждать, опираясь в т.ч на данные сетевых измерений Федеральной службы и ГПБУ «Мосэкомониторинг», что загрязнение воздуха Москвы угарным газом в летний сезон не является актуальной проблемой. По-видимому, ужесточение требований к качеству автомобильного топлива имеет явный положительный результат, обеспечивший приближение загрязнения СО к уровню в европейских столицах. 82 Летние эпизоды в условиях высокой фотохимической и химической активности атмосферы сложнее зимних, в первую очередь, из-за участия в ухудшении качества воздуха значительно количества первичных и вторичных загрязнителей, хотя наши представления о химических процессах в загрязненных мегаполисах весьма ограничены [109]. Вклад отдельных малоизученных компонентов, например, летучих органических соединений (ЛОС), формальдегида, еще предстоит изучить (ссылки на опасность и актуальность этого загрязнителя имеются в работах [110,111]). На рисунке 2.6 приводится типичный пример летнего эпизода загрязнения с характерной М-образной сигнатурой при максимальном развитии эпизода (31.07-01.08). 2500 NO2 NO 200 О3 2000 1500 РМ10 150 СО 1000 100 500 50 0 03.08 6: 03.08 0: 02.08 18: 02.08 12: 02.08 6: 02.08 0: 01.08 18: 01.08 12: 01.08 6: 01.08 0: 31.07 18: 31.07 12: 31.07 6: 31.07 0: 30.07 18: 0 ‐50 СО, мкг м‐3 250 30.07 12: NOx, O3, PM10, мкг м‐з 300 ‐500 Рисунок 2.6. Изменения концентрации газовых и аэрозольных составляющих летнего эпизода загрязнения. 30 июля -1 августа 2012 г. По результатам анализа летних эпизодов загрязнения (2002-2012 гг.) в Москве схема динамики составляющих компонентов представляется следующим образом: - эпизод чаще всего начинает формироваться вечером и достигает к полуночи максимума за счет роста уровня NOх, РМ10 и СО; - ночью уровень загрязнения понижается, но остается повышенным; - утром эпизод усиливается тем же набором ингредиентов (NOх, РМ10 и СО), достигая максимума интенсивности (8 - 10 ч). С этого времени с возрастанием солнечного излучения увеличивается фотохимическая активность атмосферы на фоне быстрого развития конвективного перемешивания, способствующего с одной стороны рассеиванию 83 примесей и, соответственно, уменьшению приземных концентраций первичных загрязнений в приземном воздухе, но при этом в химических реакциях происходит образование вторичных загрязняющих веществ (озон, формальдегид и т.п.);- после полудня в противофазе с резким понижением уровня NOх, РМ10 и СО повышается концентрация озона за счет вертикального обмена и фотохимической генерации с достижением максимума в 16 - 19 ч. При сохранении НМУ суточный цикл летнего эпизода смешанного типа повторяется, интенсивность эпизода возрастает, достигая экстремума на 2-3 сутки. На рис. 2.6 эпизод достиг максимальной интенсивности на 2-е сутки (1.08), его последующее развитие прервано было атмосферным фронтом, прошедшим через Москву ночью 2 августа. Таким образом, отличие летнего эпизода загрязнения от зимнего состоит в многокомпонентности и во внутрисуточной смене определяющих эпизод загрязнений как следствии повышенной химической активности в атмосфере, что необходимо учитывать в оперативной работе по прогнозированию загрязнения воздуха при использовании данных ведомственных (4-х разовых в сутки) измерений концентраций примесей, особенно в ситуациях, требующих составления штормовых предупреждений и передачи этой информации на предприятия для сокращения выбросов в атмосферу. 2.3 Влияние адвекции примесей на загрязнение городского воздуха. Имеются полученные с помощью моделирования и инструментально подтвержденные данные о том, что в определенных ситуациях при благоприятных для транспорта атмосферных условиях загрязнения могут переноситься на значительные расстояния (1000 км и более) и обнаруживаться в приземном воздухе в высоких концентрациях [72,73,113,114,115, 266,267]. Проведенные ИФА РАН измерения в трансконтинентальных экспедициях TROICA фиксировали резкие всплески СО, O3 и NOx на российском Дальнем Востоке и в Забайкалье, обусловленные дальним переносом примесей из Китая и Японии; также неоднократно идентифицированы протяженные шлейфы воздушных загрязнений Москвы и крупных индустриальных районов Сибири [116]. 2.3.1 Эпизоды загрязнений вследствие адвекции в зарубежной Европе 84 Наиболее часто в зарубежной литературе можно встретить описание эпизодов аэрозольного загрязнения или озоновых эпизодов. Особое внимание зарубежных исследователей к анализу эпизодов обосновано тем, что РМ10 (включая РМ2.5) и озон определены ВОЗ первыми в списке веществ, которые необходимо учитывать при оценке качества воздуха в населенных пунктах [81]. Характерными признаками эпизодов аэрозольного загрязнения (PM10 и РМ2.5) являются повышение уровня загрязнения на всех станциях мониторинга, обусловленное дальним переносом и усиленное местными источниками. В ряде работ показано, что вынос песчаного аэрозоля из Африки фиксируется в европейских странах, в т.ч. в Англии и в скандинавских странах Одним из уникальных масштабных эпизодов аномально высокого загрязнения воздуха последних лет стали события весны 2006 г. (конец апреля начало мая) [114,115]. Шлейф продуктов горения при массовом сжигании стерни на полях и сухой травы после схода снега в странах Балтии, в Белоруссии и в северо-западных областях России в период аномально теплой погоды распространился на Балтику и северную Европу. Необычно высокие концентрации СО зафиксированы в период с 25 апреля до 12 мая в обсерватории Цеппелина на о-ве Шпицберген (78°54' N, 11°53' E). Кроме того, на фоне сильной мглы, вызванной переносом аэрозоля, концентрация озона в приземном воздухе возросла до экстремально высокого уровня -до 160 мкг м-3ранее никогда не фиксировавшегося на о-ве Шпицберген. На рис. 2.7 приводятся модельные расчеты концентрации СО [113]. Дальний перенос загрязнений в Арктику осуществился по периферии стационарного антициклона с центром над севером ЕТР. Мощную инверсию оседания показали данные радиозондирования с характерной верхней границей на высоте 1,5- 2 км. Такая термическая структура в антициклоне способствовала переносу в подинверсионном слое примесей на большие расстояния; по–видимому, в шлейфах загрязнений происходила фотохимическая генерация озона, приведшая к чрезвычайно высоким для 85 заполярных широт концентрациям озона, воздействий которых местная биота не испытывала ранее. Рисунок 2.7. Модельные расчеты концентрации СО в эпизоде выноса загрязнений в Арктический бассейн [113] Другой яркий весенний эпизод аэрозольного загрязнения зафиксирован 17-22 марта 2002 во многих районах Финляндии [74,76]. Как показали спутниковые наблюдения и траекторный анализ, а также результаты анализа состава воздуха, загрязнение было вызвано высоким содержанием мелкодисперсного аэрозоля (PM2.5). Были установлены признаки эмиссии от сжигания биомассы (повышенные концентрации сульфатов, нитратов и аммония); главной причиной, как предполагают авторы, также было крупномасштабное выжигание сельскохозяйственных полей в Балтийских странах, Белоруссии, Украине и России. В зарубежной научной литературе результатам исследований дальнего переноса на региональном и межконтинентальном уровне (с применением самолетных измерений, моделирования и других средств мониторинга) посвящено большое количество публикаций. Одним из мощных механизмов этого экологически важного процесса и явления называется быстрый перенос газовых и аэрозольных частиц в конвейере теплого воздуха «warm conveyor belts» [например, 266,267,268]. 2.3.2 Идентификация адвекции загрязнений в Московском регионе Перенос химически активных определяющих качество городского воздуха примесей на большие расстояния ограничен временем жизни в 86 атмосфере. В этом контексте для Московского региона актуальность влияния удаленных источников невысокая; фиксируемый станциями фонового мониторинга дальний перенос газовых и аэрозольных примесей (чаще всего в малых концентрациях) в колебаниях уровня городского загрязнения является слабым трудно идентифицируемым сигналом. Случаи адвекции примесей, приведшей к значительному загрязнению городской атмосферы, при анализе данных наблюдений на сети АСКЗА с 2007 по 2012 год были обнаружены лишь в аэрозольных эпизодах, которые тем не менее хотя бы 1-2 раза в теплый период фиксируются в данных измерений. Рассмотрим один из ярких таких эпизодов в Москве, зафиксированный АСКЗА Мосэкомониторинг в июне 2010 г. [59]. Вначале отметим, что по измерениям концентрации атмосферного аэрозоля с размером частиц более 0,01 мкм в Центральной аэрологической обсерватории в Долгопрудном, как видно на рис.2.8, содержание аэрозоля в атмосфере оказалось сравнимым с загрязнением в отдельные дни периода пожаров в августе 2010 г. [117]. Рисунок 2.8. Данные измерений концентраций аэрозоля фракций более 0.1 мм и больше 0.01 мм (по пятидневкам – рабочим дням), полученные в ЦАО. 1 июня31 августа 2010 г. [117]. Стрелка указывает на обсуждаемый эпизод аэрозольного загрязнения в Москве 23-26 июня 2010 г. Неординарность ситуации состояла в том, что четверо суток (23-26 июня) в Москве средняя суточная концентрация РМ10 превышала ПДКс.с. (50 мкг м-3). Начало эпизода обозначил рост концентрации РМ10 23 июня на всех станциях мониторинга вопреки обычному суточному ходу около полудня (рис.2.9), хотя 0 (внизу). 21-27 июня 2010 г. CO 140 2000 120 100 1500 80 60 1000 40 0 30 V 503 m 280 20 220 160 15 100 40 10 -20 5 -80 Средняя по городу концентрация СО, мкг м-3 180 dd направление ветра, градусы PM10 28.06 0 27.06 12 для 27.06.10 16:00 27.06 0 неблагоприятные 27.06.10 8:00 27.06.10 0:00 26.06 12 O3 26.06.10 16:00 26.06.10 8:00 V 305 m dd 503 m 26.06.10 0:00 26.06 0 25.06 12 160 25.06.10 16:00 25.06.10 8:00 25.06.10 0:00 25.06 0 24.06 12 24.06 0 23.06 12 параметров 24.06.10 16:00 V 85 m dd 85 m 24.06.10 8:00 24.06.10 0:00 23.06.10 16:00 23.06.10 8:00 25 23.06.10 0:00 23.06 0 22.06 12 22.06 0 совокупности 22.06.10 16:00 22.06.10 8:00 22.06.10 0:00 21.06.10 16:00 21.06.10 8:00 по 21.06.10 0:00 V скорость ветра, м с-1 Средние по городу концентрации O3 и PM10, мкг м-3 87 очищения воздуха метеорологические условия сложились только к вечеру следующего дня - 24 июня (рис.2.10). 2500 500 20 0 340 -140 -200 Рисунок 2.9. Временной ход средней концентрации РМ10 и СО (верх), скорость и направление переноса в нижнем 500-метровом слое, телебашня Останкино 88 В течение суток 24 июня на всех станциях наблюдались высокие концентрации РМ10 70±20 мкг м-3 (фон 30 - 40 мкг м-3 на рис.2.9 21 июня): ночью, несмотря на выраженный перенос со скоростью 5-10 м с-1 в устойчиво стратифицированном АПС, днем - при конвективном перемешивании в слое более 2 км и ослаблении юго-восточного ветра до 3- 5 м с-1 (рис.2.9, 2.11). 12h 24 июня 12h 25 июня 12h 26 июня Рисунок 2.10. Синоптическая ситуация в аэрозольном эпизоде. Июнь 2010г. Траекторный анализ показал, что рост РМ10 происходил в воздушной массе, перемещавшейся из низовий Волги и Прикаспия, где уже в начале лета наблюдалась сильная почвенная засуха [118]. По данным радиозондирования относительная влажность в поступавшем воздухе была очень низкой (10-30%) при температуре на изобарической поверхности 925 гПа 22-26°С, что характерно для воздушных масс из южных широт. Для дальнего переноса почвенного аэрозоля с юга в центральные области России имелись самые благоприятные условия - умеренные скорости в нижней тропосфере (около 10 м с-1 ) и мезоструйные течения на периферии антициклона в отсутствие осадков. При таких условиях аэрозоль мог транспортироваться только за сутки на расстояние не менее 900 км. На то, что поступавшая воздушная масса содержала значительное количество аэрозоля, косвенно указывают и аномалии в профилях температуры по данным измерений приборами МТП-5. Отметим, что в незагрязненном воздухе ночью и утром на высоте 400-600 метров температура практически не меняется, а около 10 ч (летом) она понижается почти на 1 градус (рис.2.11, 89 тонкая стрелка 22 июня) из - за смешения с более холодным вышележащим воздухом при конвективном «прорыве» АПС [4,9]. 2м 35 100 м 200 м 300 м 400 м 500 м Температура, ºC 31 27 27.06.10 9:00 27.06.10 3:00 26.06.10 21:00 26.06.10 15:00 26.06.10 9:00 26.06.10 3:00 25.06.10 21:00 25.06.10 15:00 25.06.10 9:00 25.06.10 3:00 24.06.10 21:00 24.06.10 15:00 24.06.10 9:00 24.06.10 3:00 23.06.10 21:00 23.06.10 15:00 23.06.10 9:00 23.06.10 3:00 22.06.10 21:00 22.06.10 15:00 22.06.10 9:00 19 22.06.10 3:00 23 Рисунок 2.11. Температура в слое 0 -500 м в центре Москвы по данным измерений МТП-5. 22-27 июня 2010 г. (Тонкая стрелка - типовой ход температуры утром в слое 300-500 м, фигурные стрелки – нагрев этого слоя в загрязненном воздухе) В дни аэрозольного загрязнения начинался нехарактерный нагрев слоя 250 - 600 м примерно через 1 час после восхода солнца и продолжался до установления адиабатического градиента в нижней части АПС. Аномальное повышение температуры выражено на рис.2.11 (фигурные стрелки) в виде «утреннего горба» на изотермах. Видно, на высотах 400 - 600 м нагрев был на 1.5 - 2°С сильнее, чем на высоте верхней границы радиационной инверсии (около 300 м). Похожие явления при низких высотах солнца (20°) описаны, например, в работе [99] и связаны с поглощением коротковолновой радиации субстанцией, каковой в нашем эпизоде был, очевидно, переносимый с юговостока почвенный аэрозоль. Эффекты нагрева приподнятых над землей слоев 90 воздуха ранее фиксировались в Москве при высоком загрязнении воздуха, а также при переносе продуктов пожаров летом 2002 г [11,57]. Наибольшие концентрации РМ10 в эпизоде наблюдались в наветренном восточном секторе региона. Различия РМ10 между станциями существенно сглаживались при скорости переноса в АПС 6 - 10 м с-1 и увеличивались при скорости 3-5 м с-1. При этом самые значительные разности концентраций РМ10 между городскими и загородными станциями наблюдались с 21 до 24 ч; в период, когда из окрестностей радиационная инверсия «перемещается» к центру города. Пик концентрации РМ10 в ночь с 24 на 25 июня пришелся на время (23-24 ч), когда инверсия температуры с окраин «дошла» до центра города (рис.2.12), а в нижнем 300-метровом слое юго-восточный ветер ослабел до 1-3 м с-1 (рис.2.9). В силу многих причин, мы можем высказать только предположения о факторах, определивших околополуночный пик РМ10. С одной стороны, нет достаточных оснований говорить, что вечернее нарастание уровня РМ10 обусловлено только местными эмиссиями, поскольку столь значительного скачка РМ10 в других эпизодах НМУ не наблюдалось, и при выраженном переносе в АПС при инверсии накануне в ночь на 24 июня аналогичного пика не образовалось. Не представляется возможным также оценить вклад процессов нуклеации или образования вторичных аэрозолей в значительный рост концентраций РМ10, хотя в работе [117] указывается на образование ядер конденсации. А если учесть, что рост РМ10 сменился спадом при появлении около 1 ч ночи сдвигов в профиле скорости ветра (рис.2.9)., то наиболее вероятной причиной увеличения приземных концентраций РМ10 могла быть седиментация скопившегося при штиле в инверсионном слое аэрозоля. Нельзя не принять во внимание, что при начавшемся спаде РМ10 концентрация СО, определяемая наземными источниками, продолжала расти до появления сдвиговой неустойчивости, которая, очевидно, и сыграла решающую роль в ночном изменении концентраций и СО, и аэрозоля. С 1ч до 3 ч ночи 91 (25.06) вблизи границы инверсии наблюдался сдвиг ветра (стрелка вниз на рис.2.12); в таких условиях, по - видимому, за счет вовлечения надиверсионного воздуха, где концентрации меньше, чем в слое инверсии, уровень РМ10 в приземном воздухе снизился. После исчезновения сдвигов скорости (около 3 ч) при устойчивой стратификации концентрация РМ10 в течение последующих 6 - 7 часов практически не изменялась - оставалась высокой и была сравнима с дневным уровнем 24 июня. Это, очевидно, указывает на то, что фактор дальнего переноса аэрозоля той ночью доминировал над процессами конденсации и коагуляции, приводящими уменьшению концентраций аэрозоля. градиент температуры С/100 м 3 Долгопрудный центр Москвы 2 1 0 -1 -2 -3 -4 3 разрушение инверсии 5:50 26.06.2010 10:00 26.06.2010 7:00 26.06.2010 4:00 26.06.2010 1:00 25.06.2010 22:00 25.06.2010 19:00 25.06.2010 16:00 25.06.2010 13:00 25.06.2010 10:00 25.06.2010 7:00 25.06.2010 4:00 25.06.2010 1:00 24.06.2010 22:00 24.06.2010 19:00 -5 5:50 разность скорости, м с-1 2 1 0 -1 -2 -3 -4 385 - 201 305 - 201 26.06.10 10:00 26.06.10 7:00 26.06.10 4:00 26.06.10 1:00 25.06.10 22:00 25.06.10 19:00 25.06.10 16:00 25.06.10 13:00 25.06.10 10:00 25.06.10 7:00 25.06.10 4:00 25.06.10 1:00 24.06.10 22:00 24.06.10 19:00 -5 Рисунок 2.12. Градиент температуры в слое 0 - 100 м (верх) по данным дистанционных измерений МТП-5 в центре Москвы и северном пригороде к 92 (Долгопрудный); внизу- сдвиг ветра по данным измерений на телебашне Останкино в дни с максимальным загрязнением в 24 – 26 июня 2010 г. Для адвекции аэрозоля сохранялись благоприятные условия: до 6 ч утра в слое 200-400 м преобладала скорость 5-6 м с-1, позже из-за ослабления ветра на высоте 300 м в профиле ветра образовалось два локальных максимума на высоте около 200 и 400 м (горизонтальная стрелка на рис.2.12). Следовательно, отсутствие ночной динамики приземных концентраций РМ10 после разрушения пика обеспечивалось притоком аэрозоля сверху в условиях термической устойчивости и сдвигов скорости в инверсионном слое. Важно подчеркнуть, что такое состояние ночного АПС (турбулентное перемешивание вследствие сдвиговой неустойчивости) препятствовало накоплению СО; обычный для города утренний максимум угарного газа вследствие смешения с чистым воздухом не сформировался. После ночной стабилизации концентрация РМ10 стала быстро уменьшаться только после диссипации сдвигов скорости и разрушения инверсии за городом, когда в центре мегаполиса слой перемешивания уже достиг 500 м (около 10 ч). Благодаря активной конвекции, днем уровень РМ10 понизился до характерного в мегаполисе. Отмеченная зависимость уровня РМ10 от сдвигов скорости в ночном устойчивом АПС нашла подтверждение при анализе процессов 26 июня. Также из-за адвекции аэрозоля при сдвигах скорости (до 3-4 м с-1) в слое радиационной инверсии ночью сохранялся высокий уровень РМ10 50-100 мкг м3 . Как и накануне, концентрация СО ночью и утром только уменьшалась. Некоторые отличия 26 июня состояли в том, что при образовании радиационной инверсии ветер был немного сильнее (штиля не наблюдалось), что, по–видимому, и не позволило около полуночным пикам СО и РМ10 достичь уровня предыдущей ночи. Эпизод высокого аэрозольного загрязнения закончился при изменении направления переноса с юго-восточного на югозападный в связи с приближением атмосферного фронта. 93 Аналогичные по интенсивности эпизоды аэрозольного загрязнения были зафиксированы в феврале 2012 и 2013гг., в апреле 2011, 2012 и 2013 гг., в мае 2006 и 2012 гг., в августе 2011 и 2012 гг. Очевидно, нельзя не учитывать, а необходимо усилить внимание к тому, что районы с длительным периодом отсутствия осадков и почвенной засухой, а также пустыни и полупустынные ландшафты являются источником дальнего переноса почвенного аэрозоля. Хорошо документированы явления выноса песчаных частиц из Сахары; его фиксируют в Европе и в Атлантике на удалении тысяч км от материка. На территории России имеются предпосылки для масштабного аэрозольного загрязнения: при выносе мелкодисперсного аэрозоля из Прикаспия или из Среднеазиатских пустынь Поволжье, юг Урала и Западной Сибири по-видимому нередко оказываются в шлейфе почвенного аэрозоля, а при выносе аэрозоля из северного Китая и Монголии в зоне его распространения находятся Забайкалье и юг Дальнего Востока. Но в нашей стране, частично из-за отсутствия наблюдений за мелкодисперсным аэрозолем, таким событиям пока не уделяется должного внимания. Примером экологически опасного дальнего переноса биогенного аэрозоля может служить эпизод распространения пыльцы в апреле 2012 г., когда в Московском регионе фиксировались «зеленые» облака, повсеместно наблюдалось оседание пыльцы на поверхностях. Заметим, что в это время отмечен всплеск аллергических заболеваний уязвимых групп населения (по данным сотрудников биофака МГУ). Эпизод был обусловлен фенологическими особенностями цветения березы, но оказался возможным благодаря «сочетанию комплекса неблагоприятных факторов, включая погодные условия – умеренный перенос сухой воздушной массы в теплом секторе циклона. Признавая, что ежегодное весенне-летнее цветение ухудшает самочувствие и приносит ущерб здоровью многим тысячам людей, за рубежном не только ведется мониторинг содержания пыльцы в воздухе, но сегодня активно разрабатываются специализированные модели (или как блоки в ХТМ) для прогнозирования переноса пыльцы разных растений. На рис. 2.13 показаны модельные расчеты полей концентраций пыльцы, предоставленные S.Nickovic [119]. Видно, что перемещение пыльцы в относительно узком секторе циклона сопровождалось большими концентрациями, а после прохождения фронта с 94 дождями и при смене направления переноса воздушных масс с юго-западного на северо-западный содержание вызывающей аллергию пыльцы в приземном воздухе резко уменьшилось. Последнее объясняется тем, что сменившийся перенос стал воздушную массу из областей, где преобладают хвойные и смешанные леса. 00 ч ВСВ 26.04.2012 12 ч ВСВ 26.04.2012 00 ч ВСВ 27.04.2012 Рисунок 2.13. Модельные расчеты концентрации пыльцы (# m-3) через 6 часов с 18 ч 25.04 до 0 ч 27.04.2012 [S. Nickovic, Geneva]. Внизу – синоптические карты 26-27 апреля 2012 (слева показан квадрат с расчетами концентрации пыльцы) 95 Таким образом, при малой повторяемости формирования эпизодов загрязнения воздуха в Московском регионе за счет адвекции примесей следует признать их экологическую опасность. Учитывая результаты проведенных исследований, необходимо осуществлять специализированный мониторинг физических предпосылок и благоприятных для переноса аэрозоля атмосферных условий с целью заблаговременного предсказания возможности таких событий. 2.4 Анализ процессов в АПС в периоды сильного загрязнения атмосферы продуктами природных пожаров Масштабное загрязнение атмосферы природными пожарами в России происходит ежегодно; в густонаселенных центральных областях европейской России в последнее десятилетие наблюдается каждые 2- 3 года (июль-август 2002, октябрь 2005, август 2007, июль-август 2010 г.) при аномально теплой погоде с предшествующей засухой. Осенние пожары - самые редкие; пример влияния загрязнения продуктами горения торфяников и лесов в октябре 2005 г. приводится на рис. 2.14, где в качестве маркера шлейфа загрязнений концентрация оксида углерода в Москве в период лесо-торфяных пожаров 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 10.10.05 10.10.05 11.10.05 11.10.05 12.10.05 12.10.05 13.10.05 пл. Сухаревская ул. Балчуг ул. Шаболовка ул. Казакова Марьинский парк Зеленоград мр 15 МАДИ Бирюлево МГУ Бутлерова Лосиный остров Глебовкая Новокосино пр. Вернадского ул. Толбухина ул. Чаянова Вешняки Долгопрудная Коптевский Народного ополчения Полярная Черемушки Туристская Спиридоновка Среднее Рисунок 2.14. Часовая концентрация СО (мг м-3) на станциях АСКЗА «Мосэкомониторинг» в период природных пожаров 10-12 октября 2005 г. (красная жирная линия - средняя по городу концентрация СО). 96 использована концентрация угарного газа. На рисунке кроме станционных данных отображен временной ход средней по городу концентрации СО (красная жирная линия). Видно, что даже средняя по городу концентрация СО трое суток превышала ПДКм.р. (5 мг м-3), при этом на отдельных станциях СО превышал ПДКм.р. почти в 3 раза. Можно заметить, что в послеполуденные часы содержание СО резко понижалось, очищение приземного воздуха обеспечивала конвекция. Самым сильным загрязнение было в вечерние и утренние часы (близкие к пиковым транспортным потокам). При этом наибольшие приземные концентрации зафиксированы на станциях мониторинга в центре и на подветренной периферии Москвы (преобладал перенос с юго-востока). Эпизод достаточно убедительно демонстрирует эффект увеличения в шлейфе пожаров загрязнения над городом, сильнее выраженный в подветренной относительно преобладающего переноса части мегаполиса. Результаты исследований воздействия природных пожаров на атмосферу с разными акцентами широко представлено в зарубежных и отечественных публикациях [57,120,121,122,123,124,125,126,127,115,128]. Несмотря на популярность предмета исследований и внушительное количество публикаций, нами проводились исследования мало освещенных аспектов загрязнения атмосферы от природных пожаров, имевших место в последние 10 лет. Отметим, что после массовых пожаров и задымления летом 2002 г, менее масштабные и продолжительные лесные пожары в середине августа 2007 г широко не обсуждались в научных публикациях. Однако, редкое явление «природного эксперимента» заслуживает внимания, по крайней мере, для получения количественных показателей влияния загрязнения от пожаров на городское загрязнение. Нами установлено [108], что в августе 2007 г эпизоды высокого содержания РМ10 сопровождались повышением средней суточной концентрации РМ10 на нескольких станциях города до 60-90 мкг/м3, в Косино до 120 мкг м-3. Поскольку распространение шлейфов совпало с установлением 97 НМУ, рост уровня городского загрязнения наблюдался за счет двух источников - городских эмиссий и переноса продуктов горения ветрами юго-восточного сектора из районов пожаров, который диагностировался с помощью траекторного анализа. Эпизоды высоких концентраций РМ10 в августе 2007 г. сопровождались также зафиксированным на сети мониторинга в Москве резким увеличением концентраций СО и приземного озона. В удаленном от города Зеленограде в августе средний фон РМ10 повысился на 15-20 мкг/м3 по сравнению с уровнем при «нормальных» условиях (июнь). Шесть дней в этом месяце средняя суточная концентрация РМ10 превышала ПДКс.с., на отдельных станциях 10-15 дней, в Косино, где, по-видимому, существует мощный локальный источник аэрозольного загрязнения, 23 календарных дня. Анализ эпизода самого сильного загрязнения атмосферы в первой декаде августа 2010 г направлен на изучение усиленных сигналов в АПС под воздействием резко измененного газового и аэрозольного состава атмосферы [59]. Экстремальное августовское загрязнение воздуха в Москве началось ночью 2 августа при переходе ветра с северо-восточного на юго-восточный (рис.2.15). Инверсия величиной до 5-7 ºС не стала препятствием для повышения уровня РМ10 и СО в приземном воздухе; под утро верхняя граница инверсии находилась на высоте 600-700 м (рис. 2.16), ниже сформировалось струйное течение низкого уровня (СТНУ) со скоростью на оси 9-10 м с-1, ставшее, очевидно, своего рода транспортером для переноса загрязнений из района пожаров. На перемешивание в СТНУ указывают пульсации температуры в слое 400-500 м (рис. 2.16, фигурная стрелка), зафиксированные профилемерами МТП-5. Около 11 ч 2 августа уровень загрязнения достиг пиковых значений и оказался почти в 10 раз больше, чем накануне, произошло это после конвективного прорыва АПС. Последующее резкое уменьшение загрязнения определилось изменением направления переноса на юго-западное и 98 прохождением через Москву атмосферного фронта с усилением ветра в АПС до 15-18 м с-1 (рис. 2.15). 1-3ч CO 25 12 ч 12 ч 20 12 ч 0.9 6 - 7ч 0-1ч 11-13 ч 15 11 ч 0.6 10 11 ч 0.3 5 V 85 m V 305 m V 503 m dd 503 m 30 V скорость ветра, м с-1 10.8 9.8 9.8 8.8 8.8 7.8 7.8 6.8 6.8 5.8 5.8 4.8 4.8 3.8 3.8 2.8 2.8 1.8 0 1.8 0.0 340 280 25 220 20 160 100 15 40 10 -20 -80 5 -140 09.08.10 16:00 09.08.10 8:00 09.08.10 0:00 08.08.10 16:00 08.08.10 8:00 08.08.10 0:00 07.08.10 16:00 07.08.10 8:00 07.08.10 0:00 06.08.10 16:00 06.08.10 8:00 06.08.10 0:00 05.08.10 8:00 05.08.10 16:00 05.08.10 0:00 04.08.10 8:00 04.08.10 16:00 04.08.10 0:00 03.08.10 8:00 03.08.10 16:00 03.08.10 0:00 02.08.10 8:00 02.08.10 16:00 02.08.10 0:00 01.08.10 8:00 01.08.10 16:00 -200 01.08.10 0:00 0 dd направление ветра, градусы средняя концентрация РМ10, мг м-3 РМ10 средняя концентрация СО, мг м-3 1.2 Рисунок 2.15. Средняя городская концентрация РМ10 и СО (верх), скорость и направление ветра в нижнем 500-метровом слое, телебашня Останкино (внизу). 1-10 августа 2010 г. К утру 3 августа ветер в АПС ослабел до 1-2 м с-1; образовалась радиационная инверсия и сохранялась примерно до 10 ч, достигнув на окраинах величины 4 ºС (рис.2.16). В центре города нижняя граница инверсии (1ºС) была 99 на высоте 100-150 м. По-видимому, такая термическая структура при штиле оказалась благоприятной для накопления в подинверсионном слое собственных городских примесей. Рост приземных концентраций РМ10 и СО прекратился около 11 ч - после разрушения инверсии, но днем существенного очищения воздуха не произошло - появился юго-восточный ветер. Усиление этого ветра привело к резкому подъему уровня загрязнения воздуха в Москве в ночь на 4 августа (рис.2.15). Отметим, пик загрязнения пришелся на время существования СТНУ с максимумом скорости 10-12 м с-1 (на 350 м) в устойчиво стратифицированном АПС. О сдвиговой турбулентности в зоне СТНУ свидетельствуют значительные пульсации температуры по данным МТП-5 (рис.2.16). Рост уровня загрязнения продолжался, пока существовали вертикальные сдвиги скорости (до 7 ч утра). Кроме СТНУ локальные максимумы скорости этой ночью наблюдались на высоте 1.2 км (10 м с-1) и на высоте 1.9 км (13 м с-1).\ Днем мезоструйное течение со скоростью на оси 12 м с-1 сохранялось только в верхней части (выше 1,5 км) термически неустойчивого АПС; уровень загрязнения приземного воздуха немного понизился, но в наполненной продуктами горения воздушной массе концентрации примесей остались высокими. Следующий всплеск приземного загрязнения (около полуночи 5 августа), вероятно, также был обусловлен переносом загрязнений из верхних слоев АПС: он совпал с появлением в инверсионном слое локальных максимумов скорости до 8 – 10 м с-1. Но произошел заток незагрязненного дымами воздуха из югозападного сектора (180 - 230 градусов), днем (11 - 19 ч) при скорости 5 – 7 м с-1 в АПС содержание примесей в приземном воздухе приблизилось к фоновому уровню (рис. 2.15). Экстремально высокое загрязнение воздуха в Москве 6 - 7 августа, безусловно, связано с приближением очагов пожаров, но решающим фактором оказалось ослабление переноса: 6 августа сначала в нижней тропосфере 100 скорость ветра уменьшилась до 1-2 м с-1, а ночью 7 августа штиль установился уже в десятикилометровой толще атмосферы. 35 15 13 11 9 25 7 5 Т(2) 20 Т(100) Т(200) Т(400) Ряд1 Т(600) Ряд2 1 1 15 -1 2 -3 09.08.2010 18:00 09.08.2010 6:00 09.08.2010 12:00 09.08.2010 0:00 08.08.2010 18:00 08.08.2010 6:00 08.08.2010 12:00 08.08.2010 0:00 07.08.2010 18:00 07.08.2010 6:00 07.08.2010 12:00 07.08.2010 0:00 06.08.2010 18:00 06.08.2010 6:00 06.08.2010 12:00 06.08.2010 0:00 05.08.2010 18:00 05.08.2010 6:00 05.08.2010 12:00 05.08.2010 0:00 04.08.2010 18:00 04.08.2010 6:00 04.08.2010 12:00 04.08.2010 0:00 03.08.2010 18:00 03.08.2010 6:00 03.08.2010 12:00 03.08.2010 0:00 02.08.2010 18:00 02.08.2010 6:00 02.08.2010 12:00 02.08.2010 0:00 01.08.2010 18:00 01.08.2010 6:00 01.08.2010 12:00 01.08.2010 0:00 градиент: 1- центр Москвы, 2- пригород 10 3 Градиент температуры, ºC/100м Температура , ºC 30 -5 Рисунок 2.16. Температура в слое 0-600 м по данным МТП-5 в г. Долгопрудный 1-10 августа 2010г. (верх). Градиент температуры в слое 0-100 м (внизу) в пригороде и центре Москвы. (в центре – неполный прерванный ряд из-за поломки прибора в самый жаркий день) О мощности управлявшего ситуацией антициклона можно судить по тому, что тропопауза в эти дни поднялась на высоту 12 км. Рекордно высокие концентрации 7 августа наблюдались при большей, чем обычно, инверсии (до 7ºС), которая образовалась накануне в 19 ч и сохранялась почти до полудня (рис. 5, овальный контур); абсолютный максимум приземного загрязнения наблюдался при полном штиле при разрушении инверсии условиях смога эффект влияния загрязнений на (около 12 ч). В процессы в АПС, выразившийся в усилении термической устойчивости, проявился наиболее ярко. Днем уровень загрязнения в 2-3 раза понизился, но оставался чрезвычайно высоким. В последующие дни 8 и 9 августа пики РМ10 и СО, как 7-го числа, наблюдались около полудня (11-12 ч) после разрушения приземной инверсии и опережающей его диссипации сдвиговой неустойчивости. В ночное время при повышении влажности в приземном слое высокий уровень определялся 101 дисбалансом процессов выведения загрязнений (за счет коагуляции, конденсации, седиментации и др.) и адвекции примесей. Последний скачок загрязнения на фоне убывания лесных пожаров произошел ночью 10 августа при усилении скорости переноса в нижней тропосфере до 10-13 м с-1 (рис.2.15). В результате детального анализа эпизода получено, что максимальные приземные концентрации при адвекции продуктов горения биомассы лесных пожаров в августе наблюдались а) в основном в 11-12 ч при конвективном прорыве АПС, б) ночью при появлении в инверсионном слое локальных максимумов скорости или СТНУ. Дневная конвекция за счет вовлечения менее загрязненного воздуха их верхней части АПС способствовала почти двукратному снижению достигнутого ночью уровня (2-4, 6-10 августа). Одним из важных результатов, подтвердивший полученные при изучении менее выраженных эпизодов загрязнения атмосферы, является вывод, что в ночном термически устойчивом АПС сдвиговая неустойчивость, вызывая усиление вертикального обмена, в обычных условиях способствует очищению приземного воздуха; при сохранении ночью СТНУ обусловленный пиком городских эмиссий утренний максимум загрязнений значительно ослабевает или не проявляется в суточном ходе. Таким образом, при адвекции примесей (дальний перенос, шлейфы природных пожаров) сопровождающие ночную инверсию вертикальные сдвиги скорости ветра становятся, очевидно, основным механизмом переноса загрязнений в приземный слой. В завершение данного раздела отметим, что за рамками наших исследований остались события, связанные с нанесением значительного ущерба окружающей среде при ежегодном массовом сжигании стерни на сельскохозяйственных угодьях и сухостоя на лугах перед началом полевых работ весной и после уборки урожая осенью. Зафиксированные в северной Европе и Арктике весной 2006 г. рекордно высокие уровни загрязнения от сжигания сухостоя в северо-западных областях России и в странах Балтии [113,115], – лишь один из самых ярких такого рода эпизодов, привлекший 102 внимание широкого круга научной общественности. У нас в стране, несмотря на повторяющиеся каждой весной такие события, идентификация их вклада в загрязнение и ухудшение качества воздуха является по многим причинам нетривиальной задачей (не придается значения и не ведется мониторинга). Тем не менее, экологическая значимость этого ярко выраженного антропогенного воздействия на природу определяет необходимость мониторинга не только самих эпизодов, но и предпосылок их появления, в первую очередь, агро- и метеорологических условий. 2.5 О связи вертикальных профилей загрязнений со стратификацией температуры и скорости ветра Автор сочла важным представить в работе некоторые результаты анализа вертикального распределения загрязняющих веществ, обращая внимание на то, что по данным наземных измерений не может быть воссоздана полная картина качества воздуха в мегаполисе. К числу аргументов необходимости изучения и учета загрязнения в жизнедеятельном слое атмосферы относятся: стремительно растущая высотность застройки, необходимость верификации развивающихся химических транспортных моделей и пр. Высотные наблюдения за газовым составом атмосферы на стационарных мачтах в основном проводятся с целью мониторинга парниковых газов (см. глава 5), а в качестве примера контроля загрязнений в большом городе можно привести наблюдения в Париже на Эйфелевой башне. В Москве силами ГПБУ «Мосэкомониторинг» организованы наблюдения за основными газовыми примесями на телебашне Останкино. Некоторые сведения о вертикальном распределении загрязнений в Москве представлены в работе ИФА РАН [129]. Мы сосредоточили внимание на рассмотрении изменчивости вертикальных профилей в коротких эпизодах НМУ. Анализ проводился с использованием измерений концентрации примесей на АСКЗА «Мосэкомониторинг» и на телебашне Останкино (ОТБ), а также по данным профилемеров МТП-5 в центре Москвы, в Тушино и Долгопрудном. В качестве маркеров загрязнения использовались химически активные взаимозависимые 103 вещества NO и NO2, малореактивный СО, а также имеющий антропогенную и природную составляющую озон О3 (озон рассматривается в главе 4). Предварительно установлено, что усредненная часовая концентрация СО на высоте 2 м ОТБ (СО2м) хорошо согласуется со средней по городу концентрацией (СОс.г), рассчитанной по данным всех пунктов АСКЗА (коэффициент корреляции R=0.85), а концентрация СО на уровне 348 м ОТБ со смещением (запаздыванием) на 1 час хорошо связана с СО2м R=0,91). Анализ данных в январе 2010 г. (рис.2.17) показал, что между эпизодами загрязнения 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 Средняя конц CO 15.1 CO 0м 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 СО 348м Рисунок 2.17.- Временной ход концентрации СО (мг м-3): средняя городская, на высотах 2 м и 348 м ОТБ. 10-20 января 2010 г. (11-12 и 18-20 января) существенных различий концентраций в средней по городу, приземной и на высоте 348 м ОТБ нет; они становятся значимыми при ослаблении скорости переноса и появлении термической устойчивости. На рисунке 2.18 вместе с СО2м и скоростью ветра на высоте 305 м показаны характеристики приземной инверсии температуры по данным МТП-5 и по наблюдениям на ОТБ. Как видно, в эпизоде 10 января рост концентрации СО2м 104 начался в 5 ч при наличии приземной инверсии, но усиление ветра (до 7-8 м/с) стало препятствием для накопления СО. В ночь на 11.01 произошло ослабление переноса, при этом в 6 ч (минимум городского трафика) при инверсии температуры наблюдался суточный минимум СО2м. В 7 ч с небольшим запаздыванием относительно повышения уровня СО2м начала расти концентрация СО и на других высотах. Днем 11.01 при слабом ветре в слое до 500 м сохранялась инверсия; загрязнение приземного воздуха нарастало, а наибольшие концентрации в нижнем 300 метровом слое наблюдались в 12-18 ч. В ночь на 12.01 началось усиление ветра, и СО во всем слое уменьшилась. 10 10 9 9 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 Инв ОТБ Инв GMC Инв Tush CO 0м ОТБ 19.01.10 1:00 V ОТБ 305м 22.1 Рисунок 2.18. Концентрация СО2м (мг м-3) , скорость ветра на высоте 305 м (м с-1) и наличие инверсии температуры (Останкино- «Инв ОТБ» линия желтого цвета, в районе Гидрометцентра -Инв GMC- линия лилового цвета и Тушино -Инв Tush - синяя линия). (Y- шкала СО и V) 14-15 января инверсия в центре города не сформировалась, слабой и непродолжительной она была и на окраинах. Уровень городского загрязнения, несмотря на периодическое затишье, оставался низким (рис. 2.18). Самые высокие уровни загрязнения в эпизоде (18-19 января) наблюдались при сочетании штиля с глубокой инверсией, нижняя граница которой лишь на короткое время приподнималась днем 18.01 до 100 м. Около полуночи (19.01) сформировался пиковый уровень СО, на спаде которого утренний максимум оказался невыраженным, но с характерным для НМУ уровнем (рис. 2.18). 105 Вечерний максимум СО в устойчиво стратифицированном АПС не достиг величины предыдущего дня, очевидно, из-за разности скорости – в отличие от штиля вечером 19.01 скорость переноса (300 м ОТБ) увеличилась до 3-4 м с-1. Последовавший рост скорости переноса ночью 20.01 завершил эпизод загрязнения. Апрель 2010 г. Весной с увеличением солнечного излучения изменчивость газовых примесей находится под значительным влиянием фотохимических процессов. На рис. 2.19 показан временной ход приземной концентрации СО, NO и NO2 на ОТБ, где хорошо иллюстрируется прямая связь первичных загрязнений СО и NO (R=0,95) и слабая корреляция между NO и NO2 (R=0,4). Видно, что днем концентрация NO2, оставаясь на низком уровне, больше, чем NO, а ночью (6,7 и 10 апреля) – значительно меньше. 5 3] 0.5 NO, NO2 [мг/м 4.5 4 3 ] 0.45 0.4 СО 3.5 [мг/м 3 0.35 2.5 0.25 0.3 2 0.2 1.5 0.15 1 0.1 0.5 0.05 0 5.4 6.4 7.4 8.4 9.4 10.4 0 11.4 Дата CO ОТБ 0м NO ОТБ 0м NO2 ОТБ 0м Рисунок 2.19. Приземная концентрация СО, NO и NO2 (мг м-3) в районе телебашни Останкино. (СО -левая шкала Y, NO и NO2 - правая шкала Y). 5-10 апреля 2010 г. Пиковые концентрации СО2м (больше 2.5 мг м-3) в районе Останкино наблюдались при инверсии и при скорости ветра 1-3 м с-1. Резкое падение концентрации СО днем 6.04 произошло после разрушения инверсии и при 106 слабом ветре (рис.2.20), т.е. переход к термической неустойчивости в приземном слое при штиле способствует очищению воздуха; но еще больший эффект очищения наблюдается при сочетании двух факторов - разрушении инверсии на фоне усиления ветра (днем 7.04). 5 10 СО [мг/м3] V [м/с] V 305 м 4.5 Инв ОТБ CO ОТБ 0м 4 9 8 3.5 7 3 6 2.5 5 2 4 1.5 3 1 2 0.5 1 0 5.4 6.4 7.4 8.4 9.4 10.4 0 11.4 Дата Рисунок 2.20. Концентрация СО2м (мг м-3), скорость ветра на высоте 305 м и наличие инверсий температуры в нижнем 100 м слое по данным ОТБ (Инв ОТБ). В некоторых эпизодах загрязнения детально анализировалась временная динамика профилей концентраций СО, NO и NO2 совместно с изменениями температурной стратификации и вертикальным профилем ветра. На рис. 2.21 иллюстрируются такие связи на примере временного интервала с 5 до 11 ч 7 апреля 2010 г, помеченный на рис. 2.20 розовым маркером. Скорость ветра в этот период не испытывала резких изменений, на высоте 305 м (ОТБ) оставалась в пределах 3-4 м с-1.. (Из-за большого количества рисунков для удобства сделаны подрисуночные комментарии). 107 600 H[м] 600 500 400 300 200 100 0 H[m] 500 400 300 200 100 T[C] 3 0 4 GMC 0.0 0.5 1.0 1.5 CO 2.0 2.5 3.0 3.5 NO*10 07/04/10 5:00 4.0 4.5 5.0 7 8 9 ОТБ 07/04/10 5:00 07/04/10 5:00 NO2*10 07/04/10 5:00 6 DLG 11 07/04/10 5:00 07/04/10 5:00 5:00. Время минимума городского трафика. В центре города и на окраинах сформировалась инверсия температуры: в районе ОТБ ее величина превышала 3 ºС (верхняя граница - около 130 м). В профиле СО на уровне 130 м - слабый минимум, выше (до 350 м) - СО слабо увеличивалась. Концентрации NO и NO2 (низкие в приземном слое) уменьшались с высотой. H[м] 600 500 400 H[m] 600 500 300 400 200 300 100 0 200 100 T[C] 3 0 4 GMC 0.0 0.5 1.0 1.5 CO 2.0 2.5 3.0 3.5 NO*10 07/04/10 6:00 07/04/10 6:00 4.0 4.5 5.0 NO2*10 7 6 DLG 8 07/04/10 6:00 07/04/10 6:00 9 ОТБ 11 07/04/10 6:00 07/04/10 6:00 6:00. Мощность инверсии к этому часу в районе ОТБ достигла 4 ºС. Профиль концентрации СО изменился слабо; небольшое повышение концентрации NO у земли сопровождалось ростом концентрация NO2 на уровне 130 м (она увеличилась почти на величину приращения NO у земли). H[м] 600 600 H[m] 500 400 500 400 300 200 300 200 100 0 100 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 CO NO*10 07/04/10 7:00 07/04/10 7:00 NO2*10 07/04/10 7:00 T[C] 3 GMC 4 07/04/10 7:00 6 DLG 7 07/04/10 7:00 8 ОТБ 9 11 07/04/10 7:00 7:00. Начало интенсивного городского трафика сопровождалось повышением приземных концентраций СО и NO, концентрация NO2 не изменилась. На восходе (6:40) в городе и 108 пригородах инверсия еще сохранялась. H[м] 600 600 H[m] 500 400 500 400 300 200 300 200 100 0 100 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 CO NO*10 07/04/10 8:00 NO2*10 07/04/10 8:00 T[C] 3 4 GMC 07/04/10 8:00 6 7 DLG 07/04/10 8:00 8 9 ОТБ 07/04/10 8:00 11 07/04/10 8:00 8:00. Медленный прогрев приземного слоя. Величина инверсии в районе ОТБ уменьшилась до 2,5ºС. В приземном слое концентрации СО и NO увеличились (на 40-50 %), приращение NO2 было слабым. Рост концентрации СО наблюдался во всем 350 метровом слое (что указывает на процесс переноса вверх этой примеси), а содержание NO и NO2 на высоте 130 м уменьшилось, на высоте 350 м - с ночи и до 8 ч оно не менялось. Т.о., в приземном слое имел место процесс химического взаимодействия NO и NO2. H[м] 600 500 400 H[m] 600 500 400 300 200 300 200 100 0 100 0 0.0 0.5 1.0 1.5 CO 2.0 2.5 3.0 3.5 NO*10 07/04/10 9:00 4.0 4.5 5.0 NO2*10 07/04/10 9:00 07/04/10 9:00 T[C] 3 4 GMC 6 7 DLG 07/04/10 9:00 8 9 11 ОТБ 07/04/10 9:00 12 07/04/10 9:00 9:00. Ключевой временной период в процессах загрязнения и переноса примесей. Приземная инверсия в городе переходит в приподнятую (по данным ОТБ нижняя граница инверсии поднялась на высоту 200 м). Приземный воздух на пике автомобильных выбросов быстро пополняется загрязнениями, также увеличилась концентрация всех примесей в вышележащем слое. В подинверсионном слое (130 м) наблюдается минимум СО и слабый максимум в профиле NO2. 500 400 300 200 100 0 0.0 0.5 H[м] 600 500 400 300 200 100 0 H[m] 600 1.0 CO 07/04/10 10:00 1.5 2.0 2.5 3.0 NO*10 07/04/10 10:00 3.5 4.0 4.5 5.0 NO2*10 07/04/10 10:00 T[C] 3 GMC 4 6 07/04/10 10:00 7 DLG 8 9 11 12 ОТБ 07/04/10 10:00 13 14 07/04/10 10:00 10:00. К этому часу разрушилась городская инверсия, за городом – термическая устойчивость еще сохранилась. Концентрация СО в приземном слое уменьшилась в 3 раза, а в слое 100-350 м, напротив, 109 увеличилась, наиболее существенно - в верхней части (за счет переноса химически мало активной примеси в термически неустойчивом слое). Иное поведение оксидов азота. В нижнем 130 метровом слое наблюдается резкое уменьшение NO при росте концентрации NO2, и в этом слое устанавливается равновесная стратификация концентрации оксидов азота, при том, что максимум концентрации СО - на высоте 350 м. 500 400 300 200 100 0 0.0 0.5 H[м] 600 500 400 300 200 100 0 H[m] 600 1.0 CO 1.5 2.0 2.5 3.0 NO*10 07/04/10 11:00 3.5 4.0 4.5 5.0 NO2*10 07/04/10 11:00 07/04/10 11:00 T[C] 3 GMC 4 6 7 8 DLG 07/04/10 11:00 9 11 12 13 14 16 17 ОТБ 07/04/10 11:00 07/04/10 11:00 11:00. Установление термической неустойчивости в городском АПС. Благодаря конвекции, содержание всех загрязнителей в рассматриваемом слое уменьшилось, хотя слабые максимумы концентрации NO и NO2 наблюдались на высоте 130 м, а максимум концентрации СО, уменьшившись за последний час почти вдвое, оставался все еще на высоте 350 м. Примечание: На рисунках представлены концентрации NO и NO2 умноженные на 10 Рисунок 2.21. Профили концентрации СО, NO и NO2 (мг м-3) по измерениям на ОТБ, температура в на ОТБ, а также по данным МТП-5 в Долгопрудном (DLG) и на здании Гидрометцентра (GMC) в интервале 5-11 часов 7 апреля 2010 г. Проведенный анализ, не претендуя на статистически надежные выводы, показал различные механизмы временной изменчивости первичных загрязнителей NO и СО в приземном воздухе и формирования вертикального профиля в АПС при общей зависимости от внутрисуточного цикла эмиссий (в основном трафик). В отсутствии существенных сдвигов скорости ветра перенос угарного газа вверх тесно связан с температурной стратификацией, а отличающееся от СО формирование вертикальных профилей взаимозависимых NO и NO2 происходит также под влиянием и с участием химических преобразований. Одним из выводов является заключение, что данные измерений приземных концентраций в периоды внутрисуточного перестройки АСП лишь частично отражают качество воздуха. 110 КРАТКИЕ ВЫВОДЫ • Эпизоды загрязнения с превышением нормативов качества воздуха в Московском мегаполисе формируются редко - в среднем 1-3 в месяц (осенью – крайне редко). С целью идентификации причин образования и оценки возможности принятия мер для регулирования качества городского воздуха, используя в качестве диагностик различные признаки, выполнена систематизация эпизодов наиболее значительного загрязнения воздуха в Московском предложено мегаполисе; различать эпизоды загрязнения природного и антропогенного происхождения, зимние и теплого периода, сформированные за счет локальных источников или дальнего переноса. • Установлены характерные признаки наиболее частых, формируемых за счет городских эмиссий эпизодов загрязнения: - Зимние эпизоды образуются в основном из-за увеличения концентраций угарного газа (СО) и оксидов азота (NOх); летние эпизоды формируются продуктами вторичного загрязнения (NOх, О3) и аэрозольными компонентами (РМ10). - Достижение максимального уровня загрязнения обеспечивается сочетанием слабого ветра в нижней части АПС и термической устойчивости; в отсутствие одного из этих факторов не происходит значительного накопления загрязнений в приземном воздухе. Температурная инверсия не является стабильным фактором очищения городского воздуха от загрязнений. - При НМУ происходит значительная деформация характерной неоднородности поля концентраций из-за смещения в подветренную часть мегаполиса шлейфов загрязнения, аккумулирующих при продвижении городские выбросы; пространственная аномалия поля концентраций в мегаполисе свидетельствует об участии в ее формировании циркуляций. городских 111 • Диагностируемые параметров ответные по нетипичным сигналы на изменениям сильное метеорологических загрязнение атмосферы продуктами горения биомассы в периоды лесо-торфяных пожаров отличаются от фиксируемых при кратковременных НМУ и обнаруживаются а) в усилении термической устойчивости в дневное время (эффект «радиационной зимы»), б) в ночном ослаблении радиационного выхолаживания в задымленном и загазованном воздухе («парниковый» эффект). • Значительное увеличение взвешенных частиц в городском воздухе вследствие дальнего переноса связано с поступлением воздушных масс в теплом секторе антициклона из районов ветрового подъема почвенных частиц Поволжья и западного Казахстана при наличии мезоструйного течения в нижней атмосфере. Отличительным признаком таких событий является аномальный суточный ход РМ10 - отсутствие обычного послеполуденного минимума и сохранение в течение суток высокого уровня РМ10. • Установлено, что при адвекции примесей (дальний перенос, шлейфы природных пожаров) сопровождающие ночную инверсию вертикальные сдвиги скорости ветра являются механизмом переноса примеси из шлейфа, вызывая повышение приземных концентраций загрязнения. В обычных условиях стимулируемая сдвиговой неустойчивостью активизация турбулентного перемешивания в слое инверсии способствует очищению приземного воздуха, утренний максимум загрязнений, обусловленный пиком городских эмиссий, при наличии ночью СТНУ значительно ослабевает или не проявляется. • Показано, что вынуждаемая «потерями» городского тепла зимняя конвекция способствует процессам очищения приземного воздуха от загрязняющих примесей, препятствуя образованию температурной инверсии. 112 ГЛАВА 3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ПРОГНОЗ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА ЗАГРЯЗНЕНИЯ (МПЗ) В общей постановке задачи прогнозирования качества воздуха в городах установленный приоритет в ее практической реализации - предсказание наиболее опасного состояния окружающей среды [61,95] - определяет важность и актуальность прогнозирования способствующих ухудшению качества воздуха метеорологических условий. Доля неблагоприятных для очищения воздуха метеорологических условий в динамическом диапазоне атмосферных процессов в масштабах, влияющих на изменчивость содержания примесей в приземном воздухе, составляет в наших физико-географических условиях не более 10-15% (подробнее в разд.3.4); метеорологические неблагоприятные условия принято для называть очищения (НМУ). воздуха Несмотря на длительную историю использования в практике Росгидромета терминологии НМУ и значительное количество подготовленных методических рекомендаций их прогнозирования [130,95,132,133], методология идентификации НМУ допускает многообразие комплексов и количественных критериев формирующих НМУ параметров, исходя из целевого показателя, для определения которого они применяются [131,134,135]. Так, НМУ, обусловливающие превышение среднего сезонного уровня, не обязательно сопровождаются достижением пороговых уровней (ПДК); а в контексте степени неблагоприятного биологического воздействия более обоснованным целевым показателем признается беспороговая характеристика - риск для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду, с иными критериями степени опасности [136,137]. Также можно заметить, что рекомендованная методика НМУ [95,132, 133] не устанавливает ужесточения критериев метеопараметров при идентификации так называемых ЭВУЗВ (экстремально высокий уровень загрязнения воздуха), она не нацелена на компонентную идентификацию 113 конкретной примеси, не предполагает территориальной дифференциации, а в практической реализации чаще всего не учитывает внутрисуточную высокую изменчивость примесей в приземном воздухе и влияние специфических городских процессов переноса и рассеивания загрязняющих веществ в большом городе. Отсутствие строгих дефиниций в методологии определения НМУ частично является причиной «конфликтующих» данных о повторяемости НМУ в одной физико-географической зоне в близко расположенных городах. Так, например, в приведенных в [135] материалах по составлению предупреждений в городах центральных областей европейской части России указывается, что за год (2011 г.) таких предупреждений об НМУ в Калуге составлено 125 и это в 25 раз больше, чем в Москве (табл.3.1), в Иваново - 0, а в рядом расположенном Таблица 3.1 Соотношение составленных за год предупреждений об НМУ (1 степень опасности) в областных городах Центрального УГМС [135]. количество Города Москва Владимир Иваново Калуга Рязань Смоленск Тверь Тула Ясная Поляна * Ярославль Рыбинск *- не областной предупреждений предприятия для степень опасности передачи 1 2 3 предупреждения 5 0 0 21 11 0 0 7 0 0 0 15 125 0 0 0 27 0 0 8 20 0 0 0 13 0 0 3 36 1 0 15 39 6 0 5 19 0 0 23 5 0 0 16 114 г.Владимире -11, в Туле 36, а в 15 км от города (в Ясной Поляне) 39 и т.п. Определенным образом, приведенные показатели содержат некоторые признаки локальной зависимости НМУ от уровня техногенной нагрузки в конкретном пункте, но сравнительный анализ указывает на существующие проблемы идентификации НМУ. Привязка НМУ к конкретным различающимся техногенной нагрузкой географическим урбанизированным объектам и зависимость от колебаний уровня загрязнения, а также от количества пунктов контроля указывают на необходимость периодического усовершенствования методики идентификации НМУ, в том числе в части новых знаний о процессах загрязнения и влияющих на городское загрязнение метеорологических характеристик. Проведенные нами в последние годы исследования имеют целью создание методики определения НМУ в Московском регионе на основе выявленных связей загрязнения воздуха с метеорологическими параметрами с использованием новых данных непрерывных измерений концентраций загрязняющих веществ с учетом особенностей процессов, установленных по данным мониторинга термической структуры в городском пограничном слое атмосферы. 3.1. Актуальность задачи идентификации неблагоприятных для очищения воздуха метеорологических условий (НМУ) Как отмечено выше, для практических задач разработан и внедрен целый ряд ведомственных документов по прогнозированию НМУ и загрязнения воздуха, а также по предотвращению высоких уровней загрязнения воздуха в городах. Об актуальности прогнозирования НМУ свидетельствует и Приказ Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации № 899 от 17.11.2011 « Об утверждении порядка представления информации о неблагоприятных метеорологических условиях, требований к составу и содержанию такой информации, порядка ее опубликования и предоставления заинтересованным лицам». Приказ зарегистрирован в Минюсте России (регистрационный номер 23173 от 08.02.2012 r.) и вступил в силу с 30 марта 2012 г. [135]. В соответствии с Приказом информация о НМУ предоставляется в форме прогнозов НМУ на 1-3 суток первой, второй и третьей степени опасности. Степень опасности неблагоприятных метеорологических условий 115 (НМУ) определяется с использованием интегрального показателя загрязнения воздуха параметра «Р» [61,131], а также измеренных концентраций вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе. Кратко опишем определение параметра «Р». Для конкретных суток параметр Р определяется, как частота превышения концентрациями, измеренными на постах мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, полуторакратных значений, соответствующих среднесезонным концентрациям загрязняющих веществ: Р = m/n где n — общее количество измерений концентраций примесей в городе в течение одного дня на всех постах; m — количество наблюдений в течение этого же дня с концентрациями C, которые превышают среднесезонное значение Cср более чем в 1,5 раза (C > 1,5Cср). НМУ 1-ой степени опасности считаются при выполнении неравенства: P90< P≤Р98 где Р90 , Р98 – верхний 90-ый и 98-ой процентиль функции распределения параметра Р, построенной по данным наблюдений за период не менее двух и не более пяти последних лет. P ≥ P90 НМУ 2-ой степени опасности считаются при выполнении неравенства: P ≥ P98 Следует подчеркнуть, что в названном Приказе также говорится, при отсутствии наблюдений за загрязнением воздуха степень опасности НМУ определяется на основе анализа комплекса неблагоприятных синоптических ситуаций, метеорологических условий и характеристик конкретных источников выбросов, в таком случае информация о НМУ подготавливается и представляется 1 и 2 степени опасности (п.5, Приказ 899). Таким образом, комплекс метеорологических условий является своего рода «представительным» индикатором уровня загрязнения приземного воздуха. В системе Росгидромета в настоящее время применяются методы контроля и прогнозирования, основанные на 3-4-х разовых измерениях в сутки концентраций загрязняющих примесей. На рис. 3.1 приводится типовой суточный ход концентрации СО на городских станциях трех типов (в соответствии с классификацией, используемой в ГПБУ «Мосэкомониторинг», 116 http://www.mosecom.ru/ ): находящихся вблизи магистралей и под влиянием различных источников, в жилых зонах и на фоновой территории; здесь отмечено время отбора проб на сети Росгидромета для последующего лабораторного химического анализа. Как видно, по данным ведомственной сети недооценивается уровень загрязнения городского воздуха в периоды НМУ за счет пропуска утренних и вечерних максимумов, характерных для многих загрязняющих городской воздух примесей (NOx, PM10, CO и т.п.) и может быть пропущен суточный максимум приземного озона (чаще всего в 16-18 ч), если проводить контроль за этим ингредиентом. 5 мг/м3 4 3 CO 2 1 маг смеш жил 0 1 4 7 10 13 16 19 22 Рисунок 3.1. Типовой суточный ход концентрации СО при НМУ по измерениям на АСКЗА «Мосэкомониторинг». Стрелки - сроки отбора проб на сети Росгидромета К числу сдерживающих факторов для развития и совершенствования методов прогнозирования (не рассматривая вопросы методической основы) относятся редкая сеть наземных наблюдений, превышающая временные масштабы изменчивости загрязнений, дискретность отбора проб, а также ограниченный список контролируемых примесей, в частности, отсутствуют наблюдения рекомендованных ВОЗ для оценки качества воздуха аэрозольных частиц с эффективным аэродинамическим диаметром менее 10 мкм (РМ10) и прекращены наблюдения за приземным озоном. Планируемая модернизация сети мониторинга Росгидромета, очевидно, будет способствовать и значительному прогрессу методов анализа и 117 прогнозирования качества воздуха; иллюстрацией этого может служить пример Московского региона. Появление и функционирование новых технических средств мониторинга загрязнения и метеопараметров с пространственным и временным разрешением, соответствующим изменчивости процессов в АПС и переноса загрязнений (АСКЗА и приборы МТП-5, метеонаблюдения на телебашне Останкино) позволили по данным синхронизированных наблюдений провести комплекс исследований, направленных на существенное усовершенствование методики идентификации НМУ. Прежде чем перейти к обсуждению подходов для усовершенствования методики НМУ, рассмотрим характерные черты загрязнения приземного воздуха в городе и метеорологическую обусловленность изменений уровня городского загрязнения, установленные по данным вневедомственной сети мониторинга. 3.2 Сезонная и внутрисуточная изменчивость загрязнения приземного воздуха в Московском регионе Городские эмиссии определяют количество антропогенных выбросов в воздушное пространство, их интенсивность определяется суточными или сезонными изменениями производственной деятельности, а последующее поведение примеси в атмосфере зависит от условий рассеивания в пограничном слое и вымывания осадками, процессов синоптического масштаба, а также химической и фотохимической активности, приводящей к разрушению одних видов примеси и образованию вторичных загрязнений. В холодный сезон химическая активность атмосферы понижается и главными загрязняющими веществами становятся так называемые первичные загрязнения (NO, CO) и короткоживущие вторичные, например, NO2 [138]. В теплый сезон солнечная радиация способствует возрастанию химической активности атмосферы с образованием значительного количества вторичных загрязняющих веществ, некоторые из них являются более токсичными, чем предшественники, например, озон, формальдегид и т.п. [80,62,139]. 118 Совокупность названных факторов - эмиссии, перенос и атмосферная химия – обусловливают характерную сезонную и внутрисуточную цикличность во флуктуациях концентрации отдельных примесей и качества городского воздуха в целом. Зарубежные исследования и появившийся в последнее время целый ряд отечественных работ показывают, что кроме суточной и сезонной периодичности также значимыми являются недельные циклы [140,141,142,143,144,145]. На рис. 3.2 представлены типичные суточные изменения концентрации некоторых примесей в годовой реализации. Иллюстрации (рис.3.2), отражая общие закономерности изменчивости содержания в городском воздухе различающихся происхождением и свойствами примесей, в общем совпадают с результатами анализа данных наблюдений на станции ИФА РАН на территории МГУ [140,146] и на станциях АСКЗА [147]. Видно, что в холодный сезон в выраженном суточном ходе первичных и короткоживущих веществ (NOx, CO, PM) характерным является бимодальное (двугорбое) внутрисуточное распределение c утренним и вечерним максимумами. В теплый сезон уровень этих загрязнителей резко понижается, суточная амплитуда по сравнению с зимней уменьшается. 12 12 11 10 9 8 7 6 5 4 11 55-60 50-55 45-50 40-45 35-40 30-35 25-30 20-25 15-20 10-15 5-10 0-5 10 9 8 7 6 5 4 3 3 2 2 1 0 1 1 0 1 NO 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 NO2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 66-72 60-66 54-60 48-54 42-48 36-42 30-36 24-30 18-24 12-18 6-12 0-6 119 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 680-720 640-680 600-640 560-600 520-560 480-520 440-480 400-440 360-400 320-360 280-320 240-280 200-240 160-200 120-160 96-104 88-96 10 80-88 72-80 64-72 56-64 7 48-56 40-48 32-40 24-32 4 16-24 8-16 0-8 24 0 СО 3 6 9 12 15 18 1 24 21 О3 12 12 11 11 10 10 9 8 7 6 5 9 30-32 28-30 26-28 24-26 22-24 20-22 18-20 8 7 6 5 4 4 3 3 2 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 РМ10 27-30 24-27 21-24 18-21 15-18 12-15 9-12 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 РМ2.5 Рисунок 3.2. Суточно - сезонный типовой ход концентрации (мкг м-3) загрязняющих веществ в городском воздухе. Предоставлено А.М.Звягинцевым [148]. Ось Х- часы, ось Y- месяцы. И сезонный, и суточный циклы приземного озона (О3) находятся в противофазе с окислами азота и углерода; в холодный сезон суточная амплитуда слабо выражена, т.к. имеющий тропосферное происхождение при дефиците солнечного фотохимически излучения активный озон озон разрушается, имеет в теплый послеполуденный сезон максимум [80,140,149,150]. Таким образом, по совокупности признаков временной изменчивости основные загрязняющие городской воздух вещества группируются в два типа. В этом разделе диссертационной работы представляются результаты 120 исследований группы примесей с бимодальным суточным ходом (СО, NOx, РМ10), в главе 5 будут рассматриваться вопросы, связанные с озоновым загрязнением. 3.3. Пространственная неоднородность городской агломерации (г. Москва) воздушного загрязнения в Высокая неоднородность полей концентрации загрязняющих веществ в Московском мегаполисе – устойчивая характеристика загрязнения городского воздуха (http://www.mosecom.ru/); при НМУ максимальные концентрации загрязняющих веществ вблизи автомагистралей и в жилых районах могут различаться в несколько раз [92,151,152,77]. Локально флуктуации концентраций примесей определяются изменчивостью эмиссий, процессами переноса городского мезо- и микро масштаба; часть - нелинейными процессами химической трансформации загрязнений. Воздействие атмосферных процессов синоптического масштаба модулирует общие колебания уровня загрязнения приземного воздуха [104,153,154]. Изменчивость уровня загрязнения под влиянием процессов различного масштаба иллюстрируется корреляционной связью между концентрациями на станциях мониторинга, установленной по расчетам в период типичных атмосферных процессов и с учетом аномальных процессов, в частности, адвекции продуктов природных пожаров [59]. Используя в качестве маркера загрязнения концентрации РМ10 на АСКЗА в целом за лето 2010 г. и отдельно для периода до пожаров, рассчитаны коэффициенты парной корреляции срочных (R) и средних за сутки (R*) концентраций РМ10. В таблице 3.2 видно, до пожаров R = 0.4 – 0.6; за счет периода с пожарами R увеличился до 0.65-0.85 Таблица 3.2. Коэффициент корреляции (R) концентрации РМ10 на станциях АСКЗА «Мосэкомониторинг» летом 2010 г [59]. 121 пункт Характер-ка Марьин. парк 1 Зеленоград 11 2* период 2* 3 4 5 6* 7* 8 до пожаров 0,44 0,63 0,59 0,52 0,59 0,42 0,49 срочная все лето 0,63 0,84 0,85 0,8 0,78 0,65 0,79 средняя/сутки все лето 0,97 0,99 0,99 0,88 0,93 0,95 0,99 до пожаров 0,67 0,4 0,58 0,4 0,38 0,45 срочная все лето 0,76 0,77 0,87 0,29 0,9 0,8 средняя/сутки все лето 0,97 0,99 0,95 0,87 0,96 0,99 0,6 0,69 0,47 0,5 0,64 до пожаров МГУ Косино Спирид-ка Павл. Посад Звенигород Кожухово 3 4 5 6* 7* срочная все лето 0,85 0,87 0,45 0,7 0,86 средняя/сутки все лето 0,99 0,87 0,89 0,92 0,98 до пожаров 0,53 0,63 0,22 0,45 срочная все лето 0,95 0,39 0,67 0,97 средняя/сутки все лето 0,92 0,91 0,96 0.99 до пожаров 0,41 0,48 0,44 срочная все лето 0,33 0,77 0,94 средняя/сутки все лето 0,75 0,93 0,93 до пожаров 0,31 0,53 срочная все лето 0,49 0,28 средняя/сутки все лето 0,89 0,9 до пожаров 0,35 срочная все лето 0,65 средняя/сутки все лето 0,97 8 *- загородная станция 122 (между станциями в центре города ст. Спиридоновка и на расположенных на востоке города Косино и Кожухово - до 0.95). За счет периода пожаров корреляции РМ10 на загородных станциях Звенигород и Зеленоград также увеличились (с R=0.38 до R=0.9). Иначе - на станции Павловский Посад, расположенной на востоке от Москвы. Она чаще других находилась под влиянием шлейфов пожаров, и, в отличие от других, на этой станции коэффициенты парной корреляции (R) с пунктами мониторинга в целом за лето оказались в основном меньше, чем до распространения гари. Оценка связей средней за сутки концентрации РМ10 показала, что за счет периода пожаров корреляции средней за сутки концентрации также увеличились (R* = 0.85-0.99, до пожаров R* = 0.7- 0.8). Это указывает, что неоднородность поля концентраций в городе, обусловленная короткопериодными колебаниями локального загрязнения, при усреднении концентраций за сутки сглаживается. Одним из результатов анализа данных рассматриваемого периода является подтверждение полученного ранее вывода: средняя городская концентрация является чувствительной к воздействиям атмосферных процессов синоптического и мезомасштаба характеристикой и может использоваться в качестве маркера при изучении взаимных влияний атмосферных процессов и загрязнения приземного воздуха. Для иллюстрации пространственной неоднородности поля загрязнений в мегаполисе на рис. 3.3 приводятся средние суточные максимумы концентрации загрязняющих веществ (апрель-август 2012 г.), а на рис. 3.4 – примеры внутрисуточных изменений концентрации на станциях АСКЗА. Как видно (рис. 3.3), средняя концентрация СО и NO2 различается по территории города в 2-2.5 раза, а часть станций мониторинга показывает, что внутри города имеются районы, уровень загрязнения в которых сравним с загородными станциями (например, Зеленоград). Пространственная изменчивость в частных ситуациях – в отдельные дни – может значительно 123 превосходить сглаженные характеристики усредненных за значительный период концентраций. На рис. 3.4 представлена внутрисуточная динамика а б Рисунок 3.3. Средние суточные максимумы концентрации а) СО (мг м-3) и б) NO2 (мкг м-3) за период апрель - август 2012 г. на станциях АСКЗА Мосэкомониторинг. концентраций озона (слева) и диоксида азота (справа), здесь хорошо видна величина почти четырехкратной разницы между некоторыми городскими станциями максимальной (20 мин усреднение) концентрации NO2 в часы установления благоприятных для накопления примеси метеорологических условий (8-11ч, 22-24 ч). Рис.3.4 убедительно показывает, что с небольшими вариациями, обусловленными локальными факторами, внутрисуточные колебания уровня загрязнений на городских станциях регулируется общими процессами (ритмом трафика, суточным циклом метеорологических условий рассеивания и фотохимической активностью). Отдельные выбросы, отмеченные на рисунках контуром, также синхронизированы с общей модуляцией; «выбросы» NO2 утром и вечером (ст. 124 Чаянова, Вешняки, Полярная), превысив среднюю концентрацию по станциям почти в 2 раза, указывают лишь на влияние местных источников. А вот «выброс» О3 в Зеленограде несет информацию о других процессах - генерации озона в шлейфе загрязнений Москвы, достигнув станции – рецептора, антропогенный озон в московском шлейфе сформировал здесь в 20 ч второй дневной максимум в Зеленограде, величиной уже выше ПДКм.р. и позже обычного на 3 часа. 200 200 Косино Толбухина 175 кутузовский Полярная 175 150 зеленоград Туристкая 150 125 Звенигород Хамовники 125 100 100 75 75 50 50 25 25 0 0 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 0:00 О3 7 июля 2012 г. 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 NO2 1 августа 2012 г. (НМУ) Рисунок 3.4. Внутрисуточная изменчивость концентрации О3 и NO2 (мкг м-3) на станциях АСКЗА «Мосэкомониторинг» В определенной степени сложность изучения связей с состоянием городской атмосферы с загрязнением воздуха преодолима, если использовать для этого «интегральный» метеорологический параметр [131,134,61]. Прежде чем перейти к обсуждению этого вопроса, кратко рассмотрим климатические предпосылки условий, способствующих формированию НМУ. 3.4. Сезонные отличия влияющих на загрязнение воздуха метеорологических параметров Составляющие основу метода идентификации метеорологических предпосылок загрязнения воздуха параметры – средняя скорость переноса в АПС, высота слоя термического перемешивания, осадки – предопределяют и 125 объясняют значительную часть сезонной и внутрисуточной изменчивости содержания примесей в приземном воздухе. Высота слоя перемешивания (ВСП) имеет выраженный сезонный ход с максимумом в теплый сезон: в Москве по данным радиозондирования [55] средняя многолетняя величина слоя перемешивания (ВСП) от минимума в январе 0.65 км увеличивается до 2.2 км в мае-июне (табл.3.2). Суточный максимум ВСП практически совпадает с максимумом приземной температуры, наблюдается в основном в 15-16 ч; ночью слой перемешивания на территории без антропогенного влияния уменьшается до 0, за исключением ситуаций ночной неустойчивости (зона фронта, адвекция холодного воздуха). В мегаполисе под воздействием потоков антропогенного тепла ВСП значительно отличается от фоновой; характерная для города термическая неустойчивость поддерживает перемешивание в течение большей части ночи, особенно в отопительный сезон [8,50,11,49,51]. Содарные наблюдения, как и полученные нами результаты, указывают, что с усилением морозов при возрастающих городских потерях тепла интенсивность перемешивания увеличивается вследствие эффекта «зимней конвекции» [77,155]. Скорость переноса в АПС также имеет выраженный сезонный ход, обусловленный особенностями крупномасштабной циркуляции и сезонным перемещением высотной фронтальной зоны. В табл. 3.3 представлена рассчитанная нами усредненная за месяц скорость ветра на и.п. 925 гПа по данным радиозондирования (Долгопрудный) в период 2007-2011 гг., здесь же приводятся данные о скорости приземного ветра, и средняя многолетняя сумма осадков на метеостанции ВДНХ [25,47]. Как видно, сбалансированность в переходные факторов сезоны имеет вертикального место своего рассеивания рода (ВСП) и горизонтального (условно) переноса V. Этот «баланс» зимой и летом разрушается: факторами перенос – и уменьшение перемешивание одного становятся сопровождается конкурирующими ростом другого, соответственно, меняется их вклад в процессы загрязнения приземного воздуха. 126 По результатам наших исследований получено, что в области максимальных значений ВСП, V, R достаточно наличия одного из факторов, чтобы обеспечить интенсивные процессы самоочищения атмосферы и, соответственно, низкий уровень загрязнения городского воздуха. Таблица 3.3. Средняя высота слоя перемешивания (ВСП, км), средняя скорость ветра на и.п. 925 (V925, м-1) и приземного ветра (V10, м-1), месячная сумма осадков (R,мм). Москва. I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 1,1 1,7 2,1 2,1 2,0 1,7 1,4 1,0 0,7 0,7 9 9 8 8 7 8 8 9 10 10 ВСП 0,7 0,8 V925 10 V10 2,4 2,4 2,4 2,3 2,1 2 1,8 1,7 2 2,3 2,4 2,6 R 45 40 40 59 70 88 75 59 59 54 50 10 38 Но формирование высокого уровня загрязнения происходит при минимальных значениях ВСП, V и R. Синхронизация слабого переноса и подавленного турбулентного обмена в отсутствие осадков (НМУ) обеспечивает суммарный эффект – рост уровня и наиболее сильное загрязнение городского воздуха. В таблице 3.2 видно, что от зимы к лету скорость переноса в АПС и приземного ветра уменьшается почти в 1.5 раза. Более детальное представление об особенностях сезонного распределения скорости переноса в АПС, которую мы оценивали по данным скорости на и.п. 925 гПа (V925), можно получить по рассчитанной сезонной повторяемости градаций V925 . Как показано на рис.3.5, повторяемость интенсивного переноса (V925 ≥10 м с-1) составляет зимой примерно 60%, осенью около 50%, весной 40%, летом 33% (почти вдвое меньше, чем зимой). Слабые ветры в АПС (V925 ≤ 6 м с-1) чаще всего (≈ 45%) наблюдаются летом, повторяемость их в летние месяцы почти вдвое больше, 127 чем зимой (≈ 25%). Весной слабый ветер в АПС наблюдается весной примерно в 40%, осенью около 30%. В среднем за год повторяемость скорости переноса V925 ≤ 6 м с-1 составила 35%, V925 ≥10 м с-1 45%. 39% 37% 33% 33% 28% 28% 30% Процент набл. Процент набл. 39% 22% 19% 18% 17% 16% 22% 6% 6% 21% 17% 11% 11% 9% 8% 6% 3% 2% 1% 0% 0% 30% 3 6 9 12 15 3 18 6 9 12 15 0% 18 V (март-май) V (декабрь - февраль) Зима Весна 33% 38% 33% 26% 27% 23% 26% 22% Процент набл. Процент набл. 30% 30% 33% 21% 16% 13% 13% 13% 9% 7% 6% 5% 22% 16% 10% 11% 22% 20% 3% 3% 1% 0% 3 6 9 12 15 0% 1% 0% 18 3 6 лето 39% 26% 20% 17% 11% 37.5% 26% 19% 20.1% 19.4% 17.5% 13% 11% 9% 6% 6% 2% 0% 18 32% Процент набл. Процент набл. 31% 22% 15 осень 39% 28% 12 V (сентябрь-ноябрь) V (июнь-август) 33% 9 3 6 9 12 15 1% 18 0% 4.5% 1.0% 3 6 9 12 15 0.0% 18 V(июль), м/с V м\с (год) год июль Рисунок 3.5. Сезонная повторяемость (%) скорости ветра на и.п. 925 гПа. 2007-2011 гг. 128 Очевидно, приведенные данные не могут свидетельствовать, что условия проветривания города в теплый сезон хуже, чем зимой, поскольку летом в процесс рассеивания примесей «включаются» другие факторы: конвективное перемешивание и процессы фотохимических преобразований загрязняющих веществ. Можно отметить сезонные различия регулирующих метеорологических факторов. В Московском регионе зимой и в первую половину весны доминирующими механизмами очищения приземного воздуха от примесей является интенсивный перенос, летом - конвективное перемешивание, осенью – осадки в сочетании с интенсивным переносом. Конкурирующими самоочищения факторами, понижающими интенсивность атмосферы, в холодный сезон являются термическая устойчивость, летом – ослабленный крупномасштабный перенос как следствие смещения высотной фронтальной зоны в высокие широты. Выраженная сезонность влияющих на очищение городского воздуха атмосферных условий находит отражение в приведенных в табл. 3.4 данных о сезонном распределении случаев высоких (≥ 0.8ПДКм.р.) концентраций СО, NO и NO2 на станциях АСКЗА всех типов (городских и примагистральных). Таблица 3.4 Среднее в месяц число случаев превышения 0.8ПДКм.р. концентрации СО, NO и NO2 на станциях мониторинга АСКЗА. 2011-2013. январь 13 февраль 26 март апрель 46 79 май 74 июнь июль 36 44 август 80 сентябрь 96 октябрь 22 ноябрь 9 декабрь 17 Видно, что в холодный сезон в условиях отсутствия фотохимических реакций на всех типах станций случаев высокого загрязнения в несколько раз меньше, чем в теплый сезон. Уменьшение таких событий в июне - июле, как и максимумы в апреле и сентябре являются в большей степени отражением 129 особенностей использованной циркуляционных факторов и погодных условий в непродолжительной выборке, что вполне согласуется с данными о сумме идентифицированных в Москве календарных дней с НМУ в каждый месяц, отображенными на нижеприведенном рисунке: чаще всего НМУ формируются с июля по август (в этот же период отмечался резкий рост НМУ и в 2010 г.), реже всего – с ноября по январь. 2010 г число случаев 20 2011-2012 15 10 7 4 5 1 1 3 2 7 3 5 4 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 месяц Рисунок 3. Число календарных дней с НМУ в Москве Осадки. Сезонные особенности макромасштабной циркуляции определяют частоту выпадения осадков, на их интенсивность существенное влияние могут оказывать локальные условия. В Московском регионе очищение воздуха осадками является устойчивым климатическим фактором только в осенние месяцы с характерной для них самой низкой повторяемостью НМУ. Как видно на рис.3.6.б, самые большие концентрации наблюдаются в сухую (без осадков) погоду, самые большие осадки сопровождаются низкими концентрациями СО. При изучении связей концентраций отдельных загрязняющих веществ с набором метеорологических параметров (рассматривалось около 20 предикторов, включая: лапласиан геопотенциала и температуры у земли и на и.п.925 гПа, температура приземная и на 925 гПа, адвективные характеристики температуры, вертикальный градиент температуры в слое 0 - 925 гПа) рассчитывались коэффициенты парной корреляции, в т.ч. с различными временными лагами. В табл. 3.5 приводятся некоторые из них, в основном, как иллюстрация малой эффективности установления прямых связей концентрации 130 отдельных веществ с отдельными характеристиками состояния атмосферы. Как видно в табл. 3.5, концентрации СО и NO2 имеют наиболее выраженную зависимость от скорости ветра на и.п. 925 гПа. Таблица 3.5. Коэффициенты корреляции концентрации СО и NO2 (22 ч) с метеорологическими параметрами (21 час). Холодный сезон 2004-2005 гг. Загрязняющее ∆T 925 гПа вещество H T (1000-925) V ∆T (12ч) Осадки (мм) СО 0,25 0,10 -0,03 -0,45 -0,27 -0,17 NО2 0,20 0,19 -0,02 -0,32 -0,19 -0,21 На рис. 3.6 иллюстрируется связь химически мало активного угарного газа СО с некоторыми измеряемыми метеорологическими характеристиками (теплый сезон 2004-2005 гг.). 8 12 7 10 6 5 8 4 6 3 4 2 2 1 м/с 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101 11 21 31 4151617181920 а мм 0 0 б 1 2 3 4 5 6 7 8 131 8 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -10 -8 -4 -6 -2 7 6 5 4 3 2 1 0 0 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 в г Рисунок 3.6.Концентрация СО (мг м-3) и а) скорость ветра на и.п. 925 гПа, б) количество осадков, в) изменение температуры на и.п.925 гПа за 12 ч (ºС), г) дефицит точки росы на и.п.925 гПа (ºС) Для примеров использованы измерения СО на станциях АСКЗА, находящихся в жилой зоне и под влиянием смешанных источников (наблюдения на станциях «магистрального» типа не использовались). На рис. 3.6 видно, что связь СО со скоростью переноса в АПС, с осадками, термическими изменениями проявляется только в узких секторах изменчивости величин и является не детерминированной, а условной. Известно и подтверждается данными реальных измерений в Москве, что изменчивость загрязнения городского воздуха имеет многопараметрическую зависимость от метеорологических условий. В таблице 3.6 представлены коэффициенты корреляции метеорологическим концентрации параметром, так СО и называемым, NO2 с комплексным метеорологическим параметром загрязнения (МПЗ), которому посвящен следующий раздел (3.5). То, что для большинства станций коэффициенты корреляции СО↔МПЗ больше, чем NO2↔МПЗ, еще раз указывает, что СО является более чувствительным маркером загрязнения на воздействия атмосферных процессов, чем химически активный продукт реакций NO2. Практически только на одной 132 станции (ул. Долгопрудная,) корреляция МПЗ с NO2 оказалась выше, чем с СО, что объяснимо особенностями расположения этого пункта мониторинга: станция находится на северной окраине города - в преобладающем в этом сезоне шлейфе городских загрязнений. Таблица 3.6. Коэффициенты корреляции МПЗ с концентрациями СО и NО2 в холодный сезон на станциях АСКЗА. Москва. 2004-2005 гг. 4ч Станции АСКЗА СО 16 ч NO2 СО 22 ч NO2 СО Сутки NO2 СО NO2 Бутлерова -0,45 -0,35 -0,36 -0,39 -0,50 -0,33 -0,39 -0,32 Вернадского -0,40 -0,19 -0,38 -0,31 -0,58 -0,36 -0,45 -0,28 Толбухина -0,51 -0,16 -0,48 -0,39 -0,62 -0,14 -0,51 -0,20 Долгопрудная -0,52 -0,70 -0,58 -0,64 -0,67 -0,70 -0,56 -0,65 МГУ -0,49 Главным - результатом -0,51 - исследований -0,59 - связей -0,49 маркеров - воздушного загрязнения с отдельными метеорологическими характеристиками и с комплексным метеорологическим параметром (МПЗ) является вывод о преимуществах последнего и целесообразности применения его в прогностической схеме. 3.5. Метод расчета метеорологического параметра загрязнения В целом ряде работ [например, 61,95,131,136] также отмечается, что в определенной степени сложность установления связей загрязнения воздуха при выраженной пространственной неоднородности полей концентрации в химически активной городской атмосфере при ограниченности наших знаний о химических механизмах множества протекающих реакций большого количества веществ преодолима, если использовать «интегральный» параметр загрязнения (обобщенный для городских станций мониторинга). Так же как и 133 общий для города метеорологический параметр, отражающий характерное состояние городского атмосферного пограничного слоя и процессы синоптического масштаба. Безусловно, применение для города в целом одного метеорологического параметра загрязнения предполагает ряд допущений и упрощений, но принятые нами упрощения в основном «смещены» в область параметров атмосферы, исключающих условия для накопления примесей и большие концентрации вредных веществ. Идея использовать метеорологический предиктор в статистической схеме краткосрочного прогноза загрязнения была высказана и реализована еще в 80ых гг. прошлого столетия в Гидрометцентре и позже получила широкое применение при разработке региональных методов прогноза загрязнения воздуха в российских городах [61,131]. Первоначально предполагалась альтернативная оценка метеорологических условий рассеивания (МУР) либо накопления (МУН) примесей по трем составляющим - циркуляционный фактор, вертикальное перемешивание и скорость в слое перемешивания [130,95]. Выраженные баллами МУР или МУН позже были заменены термином «метеорологические условия загрязнения» (МУЗ). В работах Главной геофизической обсерватории (ГГО) для схем прогноза загрязнения был предложен «синоптический» предиктор, связывающий относительный показатель загрязнения воздуха (Р) с синоптическими ситуациями, разделяя их на секторные части барических образований, например, западная периферия антициклона, южная часть циклона и т.п. [61,131]. Для климатических оценок влияния метеорологических условий рассеивания примесей широко используется разработанный в ГГО параметр ПЗА - потенциал загрязнения атмосферы [55]. Также известны и нашли региональное применение метеорологических близкие предпосылок к ПЗА рассеивания комплексные примесей: показатели МПА - метеорологический потенциал атмосферы [134]. Основными характеристиками 134 для такого рода оценок являются повторяемость приземных инверсий и слабой скорости ветра, повторяемость застоев воздуха и туманов. Недостатком названных показателей является отсутствие в расчетах факторов вертикального перемешивания и интенсивности крупномасштабного переноса, что, очевидно, приводит к завышению оценки условий, неблагоприятных для очищения приземного воздуха от загрязняющих примесей. Основанием для проведенного усовершенствования методики прогноза МУЗ [130] послужили результаты исследований физических процессов в городской среде с использованием современных средств мониторинга в Московском регионе. Перечислим главные из них: ¾ Установленные специфические особенности термической структуры городского пограничного слоя и обусловленные термической неоднородностью процессы внутригородского переноса, полученные по данным измерений в разнесенных пунктах температурного профилемера МТП-5; ¾ Наблюдающаяся сезонная и внутрисуточная изменчивость газовых и аэрозольных примесей, преобладающих в воздухе города, где основным источником является автотранспорт, ¾ Два основных типа суточного хода загрязняющих веществ: бимодальный (имея в виду моды времени формирования максимумов) с утренним и вечерним максимумами, характерный для первичных и короткоживущих примесей, и одномодальный (послеполуденный) тип суточного хода загрязнений фотохимического происхождения (О3, а также не рассматривавшийся в работе из-за недостатка данных формальдегид); ¾ Установленные факторы и сезонные признаки формирования эпизодов загрязнения приземного воздуха; ¾ Устойчивые связи изменения среднего городского уровня под воздействием процессов синоптического масштаба, более выраженные, чем с локальными флуктуациями; ¾ Обнаруженные эффекты влияния сдвиговой неустойчивости (сдвигов скорости ветра) на загрязнение приземного воздуха локальными источниками и при адвекции примесей в АПС; ¾ Установленные более тесные корреляционные связи комплексного метеорологического параметра, чем отдельных атмосферных характеристик, с уровнем загрязнения в городе и его изменениями. 135 Предложенный метод идентификации метеорологических условий загрязнения ( анализ/прогноз), как уже подчеркнуто выше, ориентирован описание атмосферного влияния на короткопериодные (6-12 часов) колебания содержания первичных и короткоживущих вторичных загрязнений и заключается в количественном определении комплексного метеорологического параметра загрязнения (МПЗ) в динамическом диапазоне его изменчивости с соответствующим средним (характерным) уровнем фотохимически неактивных загрязнений (в основном CO и имеющий с ним тесную корреляцию PM10). Лишь следуя традиции и учитывая, что на сети Росгидромета в статистических схемах широко используется синоптический предиктор, в новой схеме сохранены синоптические описания (табл. 3.7). В соответствии с полученными в ходе исследований представлениями о регулирующих механизмах и процессах изменчивости метеорологических в условий атмосфере разделен весь диапазон на градации, предполагающие три типа рассеивания загрязняющих веществ (по сути очищения воздуха): слабое, умеренное и интенсивное. В ходе опытного тестирования для каждой градации метеорологических условий установлены наборы и сочетания трех характеристик (скорость переноса в АПС, вертикальное перемешивание и осадки), соответствующие характерному руководствуясь среднему при уровню этом загрязнения высокой приземного надежностью воздуха, идентификации экстремальных градаций: а) условий, способствующих накоплению примесей, б) условий, обеспечивающих интенсивное очищение воздуха от примесей. Таблица 3.7 Определяющие МПЗ метеорологические характеристики и синоптическое описание метеорологического параметра загрязнения. 136 Характеристик а интенсивност и рассеивания (очищения) Скорость ветра в АПС Синоптическая ситуация: главные признаки Термическая устойчивость, осадки. Слабое (НМУ) II Слабая в нижнем 1-1.5 км слое V(0 – 850)= 2-5 Умеренная в приземном слое V0 =1-3, умеренное в слое 0.5 -1.5 км V925- 850 = 6-7 Малоградиентное барическое поле Сильная в слое 0.5 -1.5 км V925850 ≥8 0.5 инверсия температуры 1 с нижней границей не выше 150м устойчивая стратификация близкая к изотермии стратификация температуры в нижнем 300-метром слое. Без осадков 2 Малоградиентная периферия барического образования средний слой перемешивания не выше 300 м или близкая к изотермии стратификация в слое до 300м 3 с выраженным направлением переноса периферия антициклона 4 теплый сектор циклона, без осадков 5 возможны слабые непродолжительные осадки периферия антициклона и слабые осадки (0.1- 3 мм/12 ч ) 6 теплый сектор циклона, моросящие осадки 7 - центр (подвижного) циклона со слабыми ветрами - средний слой перемешивания (ночью и утром - в период 5 - 9 ч, днем - в период 14 18ч) выше 300 м при любой скорости переноса 8 резкая смена воздушной массы (на 925 гПа изменение температуры за 12 ч в холодный период ≥3°С, в теплый период ≥ 4°С 9 Градиентная периферия барического образования III интенсивное МПЗ (м с-1) Поступление загрязненного воздуха из удаленных районов природных пожаров, крупных аварий и др. чрезвычайных событий, устанавливаемое по спутниковым изображениям, с помощью траекторного анализа переноса из зафиксированных очагов горения и др. I Балл с выраженным направлением переноса, сменой воздушной массы или сильные ос адки - зона атмосферного фронтаповсеместно умеренные или 10 сильные осадки (больше 3 мм/12ч) средняя скорость в ПСА >10 м с-1 11 137 В таблице 3.7 приводится схема определения метеорологического параметра загрязнения. Внутри каждой из трех главных градаций эмпирически выделены уточняющие подгруппы МПЗ с количественной идентификацией (баллом МПЗ), возрастающим в направлении увеличения интенсивности очищения воздуха от загрязняющих примесей. Детализация и присвоение баллов каждому подтипу МПЗ ориентированы на использование их в статистических моделях расчета загрязнения, если таковые применяются для прогноза загрязнения воздуха, но практически оказывается достаточным разделения всего набора метеорологических условий, влияющих на загрязнение городского воздуха, на три группы. Первый тип МПЗ представляет худшие условия для очищения приземного воздуха от примесей – «условно» неблагоприятные метеорологические условия (НМУ). МПЗ с баллами 1 и 2 - это условия, способствующие на территории большого города повышению уровня загрязнения до опасного и приближающегося к нему (или сохранению высокого уровня) за счет воздействия городских выбросов. Такой уровень загрязняющих примесей, как показали наши исследования, может сформироваться в Московском регионе только при наличии приземной инверсии температуры при слабой скорости переноса в АПС (в нижнем 300500 метровом слое атмосферы при скорости не больше 5 м/с). Важно отметить, что появление сдвигов ветра в слое инверсии является фактором, препятствующим накоплению в приземном воздухе загрязнений. В первую градацию МПЗ отнесены также ситуации с выраженной термической неоднородностью в мегаполисе (МПЗ =2): отсутствие инверсии в центральной части города при устойчивой стратификации на окраинах. Как показано в работах [49,51], из-за влияния городских источников тепла стратификация температуры в центре большого города устойчивой бывает в редких ситуациях (повторяемость приземной инверсии в центре Москвы в среднем 1-2%). Деформированная структура термического поля в мегаполисе определяет специфические условия для распространения примеси: самые 138 высокие концентрации могут образоваться в удаленных от прямых источников районах (жилых) как результат опускания в тепловом шлейфе загрязнений в циркуляции, вызываемой внутригородскими контрастами температуры [151,152,77]. В силу аритмичности городских эмиссий в отдельные дни недели, так и в разные сезоны допускается, что при МПЗ=2 концентрации приоритетных примесей на большей части города значительно превышают средний фон (в 2-3 раза) и приближаются к уровню 0.8ПДК. Заметим, что 20-ти процентный допуск принимается с учетом его совпадения с инструментальными погрешностями измерений основных примесей [95]. Наименьший балл (МПЗ =0.5) предназначен для описания ситуации с поступлением воздушной массы, содержащей продукты природных пожаров (табл. 3.7). С такими событиями связаны самые высокие и экстремальные уровни загрязнения воздуха; для идентификации этой группы МПЗ применяется траекторный анализ, спутниковые данные об очагах горения и распространении дымовых шлейфов. Второй тип МПЗ (3 - 7 баллов) описывает атмосферные условия между слабым и интенсивным рассеиванием примесей, когда на большей части города содержание примесей в приземном воздухе может повыситься относительно фона, не достигая критических уровней. Достаточным условием для этого типа МПЗ сочетание слабоустойчивой стратификации температуры (или приподнятой инверсии с нижней границей не выше 300 м) со слабым, но выраженным направлением переноса. По наблюдениям в московском регионе такие условия могут наблюдаться в теплом секторе на малоградиентной периферии барических образований. Третий тип МПЗ описывает условия очищения воздуха за счет интенсивного вертикального и горизонтального обмена, смены воздушных масс и вымывания примесей осадками (табл. 3.7), что предполагает самый низкий уровень загрязнения на всей территории города. Строго говоря, рассматриваемая типизация МПЗ разделяет весь диапазон метеоусловий на два типа рассеивания примесей, один исключает высокие и 139 приближающиеся к ним уровни загрязнения (третий тип МПЗ), другой с высокой вероятностью предполагает их формирование (первый тип МПЗ). Но выделение промежуточного типа МПЗ вполне оправдано, поскольку дает возможность использовать его в статистических прогностических схемах загрязнения воздуха на различающихся техногенной нагрузкой типовых территориях города. Отдельно отметим, что в рассматриваемой типизации атмосферных процессов в отличие от ее предшественниц не выделяется так называемого «опасного» направления переноса. Это объясняется тем, что за последние годы резко изменилась структура городских эмиссий. Если 20-30 лет назад в Москве основной вклад в загрязнение вносили выбросы промышленных предприятий, сконцентрированных в юго-восточном секторе города, то сегодня более 80% в городское загрязнение воздушного бассейна дает рассредоточенный по городу автотранспорт. Кроме того, выходящие из города многочисленные загруженные автомагистрали изменили географию выбросов, и выделение «опасного» переноса остается целесообразным только в сверхкраткосрочном прогнозе загрязнения от отдельных источников (или группы источников). На рисунке 3.7 иллюстрируется эффективность применения комплексного показателя метеорологических условий загрязнения (МПЗ). Концентрации СО, Москва, АСКЗА. Август 2007 8 6 10 Концентрация, мг/куб.м. y = 0,030x2 - 0,686x + 4,529 R² = 0,725 СО (мг м-3) 12 8 4 6 2 4 0 2 0 5 10 МПЗ (балл) 0 1/8 3/8 5/8 7/8 9/8 11/8 13/8 15/8 17/8 19/8 21/8 23/8 25/8 27/8 29/8 31/8 Рисунок 3.7. Временной ход СО (мг м-3), иллюстрирующий резкие колебания уровня загрязнения на станциях города (слева), связь усредненной по станциям АСКЗА концентрации СО с баллом МПЗ (справа). Август 2007 г. 140 По данным мониторинга в августе 2007 г, в котором имели место практически все типы атмосферных процессов (НМУ, интенсивное рассеивание, резкая смена воздушных масс и распространение шлейфов продуктов горения лесов в восточном Подмосковье), приводится оценка связи МПЗ с одним из самых устойчивых маркеров загрязнения городского воздуха – со средней городской концентрацией СО. Получено, что при полиномиальной аппроксимации связей коэффициент детерминации (R2) составил 0,72. Следует признать, что на расширенной выборке (весь год) за счет наблюдавшегося резкого уменьшения частоты типов МПЗ 1 группы, показатель связи (R2) названных параметров оказался не столь успешным (R2≈ 0.3). Важно отметить, что диагностика МПЗ проводится по стандартной метеорологической информации с привлечением данных вертикального зондирования температуры и ветра, а прогнозирование - с использованием прогностических величин метеорологических параметров (термической устойчивости и стратификации ветра, факта и количества осадков), полученных по прогностическим данным численных моделей атмосферы с высоким временным и вертикальным разрешением в пограничном слое атмосферы. В принятых на сети Росгидромета схемах прогноза проводится оценка осредненных за 12 часов условий (ночь, день или сутки в целом) [130,132], что, очевидно, не позволяет метеорологических условий учитывать и особенности специфику суточного внутрисуточных хода изменений концентраций примесей. Отчасти поэтому во многих прогностических центрах завышается число идентифицированных случаев неблагоприятных метеорологических условий [135], и, соответственно, передаваемых на городские предприятия предупреждений о необходимости сокращения выбросов. В реальности количество эпизодов с высокими уровнями загрязнения воздуха, как и повторяемость НМУ, незначительно (мало), за исключением городов, расположенных в плохо проветриваемой местности. В московском регионе частота первого типа МПЗ (НМУ) низкая (3-5%, резко возрастает 141 только в периоды устойчивых аномалий крупномасштабной циркуляции и пожароопасной ситуации, например, лето 2010 г.). Очевидно, что в физикогеографических условиях, схожих с Московским регионом, метеорологический параметр загрязнения определяется набором близких метеорологических характеристик, хотя связь выраженного баллом МПЗ с уровнем загрязнения конкретного города из-за специфики эмиссий может иметь региональные отличия и особенности. Два максимума (утренний и вечерний) и чередующиеся с ними минимумы в суточном ходе загрязнения воздуха в городе указывают на необходимость оценки влияющих атмосферных процессов в масштабе, сравнимом с изменчивостью загрязнения, т.е., разделения суток на четыре соответствующие интервала. Такая детализация отсутствовала в ранней методике идентификации полученными при МУЗ; анализе ее целесообразность эпизодов загрязнения подтверждается воздуха в Москве результатами: высокие концентрации сохраняются в течение 2-5 часов, в исключительно редких случаях - до 7 часов. В соответствии с усовершенствованной типизацией МПЗ разработан упрощенный алгоритм (учитывая возможности численных моделей, МПЗ 1 и 2 идентифицируются по среднему градиенту температуры) и реализована технология автоматизированного расчета прогностических полей МПЗ. На рис. 3.8 представлены прогнозы МПЗ для географического региона ЦФО для ночного, утреннего вечернего и ночного (следующих суток) 6-часовых периодов, рассчитанные с использованием метеорологических величин, полученных из численной модели атмосферы COSMO-RU7. Здесь иллюстрируются расчеты МПЗ для обсуждавшегося в гл. 2 эпизода загрязнения воздуха в Москве – 1 августа 2012 г. Приведенные визуализированные расчеты наглядно отражают внутрисуточную динамику метеорологических предпосылок загрязнения приземного воздуха, которые находятся в полном согласии с рис. 2.6. А именно, ночью 1 августа в Москве наблюдались НМУ (МПЗ=1-2), которые сохранялись и утром (рис. 3.8), днем метеоусловия с 142 умеренной интенсивностью (МПЗ = 5-8) способствовали очищению воздуха от примесей. Вечером 1 августа создавались предпосылки формирования благоприятных для накопления загрязнений метеорологических условий (МПЗ=2-4). Однако приближавшийся с северо-запада холодный атмосферный фронт ночью 2 августа, как это хорошо видно на синоптической карте на нижнем правом рис. 3.8, оттеснил зону НМУ от Москвы на юго-восток. Анализируя представленные на нижних рисунках (рис.3.8) расчетные величины МПЗ и синоптическую ситуацию (малоградиентное барическое поле на периферии антициклона), можно отдельно отметить, насколько велики различия условий рассеивания примесей в теплом секторе и в тыловой части фронтальной зоны. Благодаря фронту и смене воздушной массы (что выражено рассчитанными величинами МПЗ 8-11), в Москве уже ночью 2 августа произошло разрушение эпизода загрязнения, т.е. очищение воздуха от загрязняющих веществ. Ночь 1 августа Утро 1 августа День 1 августа 143 Вечер 1 августа Ночь 2 августа Приближение фронта к Москве Рисунок 3.8. Прогноз МПЗ для областей ЦФО (Москва ) для 6-ти часовых периодов 1 - 2 августа 2012 г., рассчитанный по прогностическим данным COSMO-RU7. Расположенная внизу рисунков шкала МПЗ от 1 до 11. Справа внизу - карта погоды 0 ВСВ 2 августа 2012 г. На ведомственной сети прогнозирование загрязнения воздуха пока осуществляется статистическими методами [95,132,133,135]. Можно заметить, что статистические подходы используются не только у нас в стране, но и в некоторых странах за рубежом [153,154]. При всех недостатках статистических методов их ориентация на предсказание наиболее неблагоприятных ситуаций достаточно узкого спектра обусловливающих их метеорологических условий прогнозируются достаточно успешно, большая часть проблемы состоит в обоснованности и полноте учета возможных факторов влияния. Есть основания предполагать, что при использовании численных методов прогноза загрязнения на этапе интерпретации модельных расчетов разработанный метод идентификации неблагоприятных метеорологических условий окажется востребованным. Описанная усовершенствованная типизации МПЗ является основой для прогнозирования загрязнения воздуха в Москве; в течение последних пяти лет она используется в оперативной практике Лаборатории метеорологических условий загрязнения Гидрометцентра России и Московского центра по мониторингу окружающей среды, а также в ГПБУ «Мосэкомониторинг». КРАТКИЕ ВЫВОДЫ Методы идентификации НМУ, используемые в оперативной практике прогнозирования нуждаются в развитии и усовершенствовании с учетом новых результатов исследований процессов в городском воздухе по данным дистанционных средств мониторинга. Актуальность прогнозирования НМУ закреплена Приказом Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации № 899 от 17.11.2011. При отсутствии данных измерений предупреждения об НМУ могут составляться на основе метеорологического 144 прогноза, в Московском регионе в частности, используя обсуждавшуюся в настоящем разделе методику расчета МПЗ. • Установлены общие пространственные и временные закономерности изменчивости концентраций первичных и короткоживущих загрязняющих веществ (NOх, CO, PM10) в мегаполисе, выраженные в бимодальном внутрисуточном распределении концентраций с возрастающей амплитудой при НМУ и ее практическом отсутствии при метеорологических условиях интенсивного рассеивания. • К воздействию атмосферных процессов мезо и макро-масштаба средняя городская концентрация является более чувствительной характеристикой, чем концентрация на отдельных станциях, что позволяет для диагностики метеорологического влиянии в качестве маркера процессов загрязнения городского приземного воздуха использовать усредненную по городу концентрацию. • Описаны главные сезонные механизмы, регулирующие очищение воздуха от примесей: зимой преобладающая термическая устойчивость компенсируется интенсивным переносом, летом повышенная повторяемость слабого переноса конкурирует с интенсивным конвективным перемешиванием. Характерное преобладание зимой циклонического типа погоды (ветренная с осадками) и малоградиентных барических полей (с ослабленным переносом) летом являются предпосылками увеличения повторяемости НМУ и эпизодов загрязнения в теплый сезон. Характерные для осени частая смена воздушных масс, интенсивный перенос и осадки обусловливают низкую повторяемость НМУ в этот сезон. • Разработан синоптико-статистический метод расчета метеорологического параметра загрязнения (МПЗ), основанный на учете физических процессов в городском атмосферном пограничном слое и процессов синоптического масштаба. Метод обеспечивает снижение числа ложных тревог за счет объективной оценки метеорологических параметров с использованием прогностических данных численных моделей атмосферы. • Разработан алгоритм расчета МПЗ на основе прогноза мезомасштабной модели атмосферы и реализована автоматизированная прогнозирования для областей Центрального Федерального округа. технология 145 ГЛАВА 4. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПРИЗЕМНОГО ОЗОНА ПОД ВЛИЯНИЕМ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ В УДАЛЕННОМ ОТ АНТРОПОГЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ РАЙОНЕ Справочно. Озоновый слой – часть атмосферы земной поверхности до высоты 70-80 км, где практически обнаружим озон. Менее 1 % озона находятся в мезосфере, 10-15 % в тропосфере, остальное – в стратосфере (синоним - озоносфера) , где озон образуется из молекулярного кислорода под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца, поглощение озоном УФ излучения приводит к нагреву стратосферных слоев воздуха. В соответствии с современными представлениями только 20-25% озона в тропосфере имеет стратосферное происхождение, соответственно, 75-80 % общего баланса озона в тропосфере определяется вкладом фотохимических процессов (образование и деструкция озона в реакцих метана, окиси углерода, окислов азота и углеводородов с радикалами гидроксила). В значительно загрязненном воздухе действует механизм образования озона за счет окисления углеводородов в присутствии NOx [80, 68]. Озон, поглощая в стратосфере коротковолновое ультрафиолетовое излучение, играет ключевую роль в жизни атмосферы. В пограничном атмосферном слое содержание озона в основном на насколько порядков меньше, чем в озоносфере. Отличаясь значительными короткопериодными флуктуациями (межсуточными и внутрисуточными), в теплый сезон при достаточном солнечном излучении содержание озона в приземном воздухе может увеличиваться в несколько раз относительно фоновых уровней за счет так называемого антропогенного озона – продукта фотохимических реакций в загрязненном воздухе. В определенных метеорологических условиях, а также при массовых лесных пожарах, концентрации озона могут резко увеличиваться, превышая пороговые уровни [84,159,160,80,161 и др.]. Зафиксированные на зарубежной сети мониторинга приземного озона, имеющую более продолжительную, чем в нашей стране, историю наблюдений, озоновые эпизоды и их анализ [167,169,170,171,232] свидетельствовали о значительной метеорологической составляющей формирования высоких уровней, тем самым, 146 о перспективности исследований метеорологической обусловленности формирования экологически опасных ситуаций. Особое различных внимание аспектов к проблеме которого приземного посвящено в озона, исследованиям диссертации две главы, обусловлено, в первую очередь, тем, что вследствие высокой токсичности (1 класс опасности [94]) озон рекомендуется учитывать при определении качества воздуха в населенных пунктах. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) включила озон в список приоритетных пяти загрязнителей воздуха для регулярного мониторинга содержания загрязняющих веществ [81 ]. Начало наших исследований метеорологической составляющей изменчивости приземного озона было стимулировано участием в Проектах по грантам РФФИ (проект 01-05-64402 и 01-05-64138), а также Международного научно-технического центра (проект N 1235) и INTAS (грант 01-0016), при выполнении которых использовались данные непрерывных измерений концентрации приземного озона в удаленных от антропогенных источников районах – в районе Кисловодска (КВНС, РАН ИФА) и на Кольском полуострове (ст. Ловозеро, РАН ИФА и ст.Апатиты, Полярный ПГИ РАН). Исследования влияющих на озон атмосферных процессов на фоновых территориях, некоторые результаты которых приводятся в настоящей главе, позволило создать методологическую основу для изучения озона в регионе с высокой антропогенной нагрузкой – в Московском мегаполисе. Актуальность исследований изменчивости содержания озона в приземном воздухе в густонаселенном районе Московского мегаполиса возросла в связи с зафиксированными эпизодами высоких концентраций озона летом 2002 г. [159,96,172]. Ставя целью заблаговременное предсказание опасных для окружающей среды озоновых эпизодов, была сформулирована задача разработать научно-обоснованные подходы для прогноза таких событий, учитывая возможность использования данных развивающейся автоматизированной сети контроля загрязнения атмосферы в городе Москве (АСКЗА «Мосэкомониторинг») и данных ведомственных наблюдений в 147 ближнем пригороде мегаполиса (ЦАО). Выполнение поставленной задачи проводилось в рамках НИР Плана Росгидромета совместно с ЦАО (Звягинцев А.М.); результаты представлены в главе 5. Фундаментальные выводы о содержании и изменчивости озона в тропосфере были сделаны еще в 80-ых годах предыдущего столетия. Основоположником отечественной научной школы изучения озона в атмосфере является А.Х.Хргиан; им и его учениками были подготовлены первые в нашей стране монографии, посвященные озону в атмосфере [173,174]. В 2010 г. профессором Беланом Б.Д. опубликована монография «Озон в тропосфере», при написании которой проведено масштабное обобщение зарубежных и отечественных научных публикаций практически по всем аспектам проблемы озона в нижней атмосфере и полученных в последние 30 - 40 лет результатов исследований [80]. Очевидным событием для исследователей в области изучения атмосферы, включая озон - как элемент системы, оказалась книга К. Моханакумара [156], ставшая широко доступной после ее перевода на русский язык. Обе монографии значительно расширяют представления об озоне в атмосфере; в то же время отмечается, что до сих пор имеется «много проблем, требующих своего решения для понимания процессов изменчивости озона». Среди них называются близкие к тематике наших исследований - смоговые ситуации, механизмы обмена между пограничным слоем и свободной тропосферой, а также механизмы формирования весеннего максимума приземной концентрации озона в [80]. Более 30 лет назад в Гидрометцентре проводились исследования, нацеленные на использование данных об озоне в качестве прогностических признаков поведения южного циклона на европейской части России [175]. По измерениям приземного озона в Томске была построена модель распределения озона в циклоне и антициклоне [176], исследовались изменения озона при прохождении атмосферных фронтов. Аналогичные исследования проводились по наблюдениям в Москве [177,91], в городах Европы [178] и США [179,180]. 148 Для наших исследований, основной целью которых является изучение атмосферных условий формирования представляющих экологическую опасность уровней озона. Значительный шаг вперед в отечественных исследованиях изучения и понимания управляющих содержанием озона в приземном воздухе процессов был сделан благодаря организации регулярных наблюдений малых газовых составляющих в районе Кавказских Минеральных вод на Кисловодской высокогорной научной станции (КВНС) Институтом физики атмосферы им. Обухова РАН. Мониторинг приземного озона на КВНС осуществляется с 1989 года. В сотрудничестве с ИФА РАН выполнен ряд работ, посвященных изучению влияния атмосферных процессов регионального масштаба и дальнего переноса на содержание приземного озона в районе КВНС г. Кисловодска [181,182,183,185,186,187]. КВНС расположена в 18 км к юго-западу от Кисловодска на высоте 2070 м в регионе с устойчивым климатом и слабыми антропогенными источниками предшественников озона. Кисловодская высокогорная научная станция занимает уникальное положение в мировой системе мониторинга концентрации приземного озона, находясь практически в свободной тропосфере [158]. Режим озона на КВНС характеризуется малыми сезонными вариациями, стабильным суточным ходом с минимумом в околополуденные часы, отсутствием или малым химическим образованием в течение дня. Межсуточные и долговременные флуктуации обусловлены циркуляционными факторами и связаны с особенностями крупномасштабных атмосферных процессов. Последние предопределяют свойства приходящих воздушных масс и их фотохимическую историю, интенсивность вертикального обмена, адвекцию озона и взаимодействующих с ним примесей. Изменчивость приземного озона под влиянием этих событий на КВНС, большую часть времени находящуюся над планетарным пограничным слоем, может значительно превышать естественную, формируемую суточным и сезонным ходом метеорологических параметров и эмиссией предшественников [188]. 149 4.1. Влияние метеорологических условий на содержание изменчивость приземного озона в окрестностях Кисловодска [182]. и Данные наблюдений на высокогорных станциях, удаленных от крупных источников загрязнения, позволяют анализировать такие процессы, как вертикальный обмен озоном между приземным воздухом и свободной тропосферой и стратосферой, адвективный перенос озона из различных регионов, а также изменчивость озона в меняющихся локальных условиях термического перемешивания, влажности и ветрового режима. Первым для автора диссертации материалом для исследований влияния метеорологических условий на содержание и изменчивость озона в приземном воздухе стали данные, полученные весной 2000 г.(14 апреля-16 мая) в рамках международного эксперимента TROICA-6 (Transcontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere) в г. Кисловодске и его окрестностях. Уникальность экспедиционных наблюдений состояла в проведении серии одновременных измерений большого числа газовых и аэрозольных примесей, метеорологических и радиационных характеристик атмосферы последовательно в парковой зоне г. Кисловодска (870 м над уровнем моря) и на КВНС [189], что позволило провести анализ флуктуаций приземного озона в условиях широкого диапазона термической устойчивости (в частности, при инверсиях) и переноса, при прохождении атмосферных фронтов и смене воздушных масс. Отметим, данные о термической стратификации в регионе впервые были получены по измерениям профилемером МТП-5. В городе Кисловодске по данным экспедиционных наблюдений радиационные инверсии отмечались в 70 % случаев с верхней границей инверсии на высоте 200-250 м, реже - 450 м. Именно высокая повторяемость термически устойчивого состояния в местности с котловинообразным рельефом объясняет ночной минимум концентрации приземного озона в Кисловодске, особенно глубокий в теплый сезон и смещенный на раннее утро (на время разрушения температурной инверсии) зимой. Эти характерные черты режима приземного озона в Кисловодске и на КВНС, а также различия 150 суточного хода на двух различающихся станциях иллюстрирует рис.4.1, заимствованный из находящейся в открытом доступе публикации [188 ]. Рисунок 4.1. Суточные изменения концентрации приземного озона относительно среднего за месяц уровня на станции Кисловодск (870 м) и КВНС (2070 м): (а) август и (b) декабрь [188] Преобладающая величина (около 70%) радиационной (ночной) инверсии в городе в конце апреля составила 1-2.5°С; в зоне теплого атмосферного фронта и в теплом секторе циклона величина инверсии температуры возрастала до 3 6°С. Иллюстрация влияния атмосферного фронта на суточный ход приземного озона приводится в упомянутой выше работе [188]; на рис. 4.2 видно, что влияние теплого фронта проявилось в аномально низких концентрациях озона в утренние часы (8-11 ч) как следствие ослабленного вертикального перемешивания. Обычно, около 9 ч утра инверсия разрушается и параллельно с ростом концентрации NOx и активизацией турбулентного перемешивания уровень приземного озона повышается. Одним из результатов анализа экспедиционных наблюдений стало заключение, что в закрытой горами Кисловодской котловине ветровой режим в ночное время имеет ярко выраженную специфику. Она, в частности, может проявляться в возникновении местной циркуляции, которая при небольших скоростях ветра (2-4 м/с) в ранние ночные часы препятствует возникновению задерживающих слоев за счет стока с более холодного северо-западного хребта 151 и подъема воздуха в юго-восточной части котловины (где и проводились измерения МТП-5). В течение всего периода экспедиции ночью отмечался ветер северо-западного сектора, в то время как ведущий перенос в нижней тропосфере менялся практически в полном диапазоне направлений ветра. Рисунок 4.2. Концентрация озона до прохождения фронта (19 апреля 2000 г.) и в зоне теплого атмосферного фронта (20 апреля 2000 г.) [188] По данным МТП-5 в инверсионных слоях ночью временами фиксировались ярко выраженные волновые возмущения; они либо совпадали с самым активным процессом адвекции либо появлялись за несколько часов (8-10 час) до прохождения атмосферного фронта (как перед похолоданием, так и перед адвекцией тепла). Днем волновой процесс в АПС подавляется конвективным перемешиванием. Наблюдения за озоном в районе КВНС представляют фундаментальный интерес не только с точки зрения изучения механизмов формирования уровней озона и его флуктуаций в чистом высокогорном воздухе [189]. Многолетний ряд данных мониторинга приземного озона на КВНС является источником оценки тренда; в отличие от европейских высокогорных станций здесь наблюдается отрицательный тренд приземного озона [190,191,183]. По этим причинам изучение влияния отдельных факторов на изменчивость высокогорного озона представляет особый интерес. Метеорологический режим на КВНС отличается от кисловодского более интенсивным проветриванием, высокой повторяемостью туманов и облаков. Во 152 время экспедиции в районе КВНС инверсии температуры (фактор влияния на концентрацию озона) фиксировались в 10 из 16 суток (примерно в 60 % случаев). При этом только дважды (при слабом ветре до 3 м/с) удалось оценить характеристики радиационных инверсий. Все другие случаи инверсий были связаны с прохождением теплых атмосферных фронтов. Привлечение данных о направлении и скорости ветра позволило сделать вывод, что малая повторяемость приземных инверсий связана с особенностями ветрового режима высокогорья, имеющего характерную для горной местности особенность. Учащенные экспедиционные наблюдения фиксировали высокую неустойчивость направления приземного ветра в районе КВНС: часто в течение 1 часа отмечалась смена направления на противоположное, как следствие влияния и горно-долинной циркуляции, и горного массива (к югу в нескольких десятках километров расположен Главный Кавказский хребет). К примеру, сухой и теплый воздух нередко поступал при юго-западном ветре, а адвекция холода (несвязанное с суточным циклом понижение приземной температуры) отмечалась при южном ветре у земли. При смене направления ветра отмечались изменения концентрации озона того и другого знака (почти 10 млрд-1), что в отсутствие условий для генерации озона и притока тропосферного озона могло быть связано только с адвекцией воздуха с более высоким или низким содержанием озона без разрушения приземной инверсии. Анализ случаев затока сухого воздуха с юго-востока 5 мая (построены траектории HYSPLIT), что еще при наличии температурной инверсии около 3 ч ночи (на рис. 4.3.а указано зеленой стрелкой) концентрация озона на КВНС стала повышаться (рис.4.3.б - зеленая стрелка), с 4 ч 153 а) 90 70 5 50 -5 30 Oз H T NO 20:00 16:00 12:00 8:00 4:00 0:00 20:00 16:00 12:00 8:00 4:00 -15 0:00 10 б) T (ºС), NO (ppb) O3 (ppb), H (%) 15 Рисунок 4.3. Ход температуры в слове 0-600 м по измерениям МТП-5 5 мая 2000 г. (а), Концентрация озона (О3), оксида азота (NO, умноженная на 102), приземная температура (Т) и относительная влажность (Н) (б). 5 - 6 мая 2000 г. до 11 ч она удерживалась в пределах 50 - 60 ppb (примерно 100 - 120 мкг м-3) – нехарактерном диапазоне величин. Очевидно, при перемещении над районами каспийских нефтегазовых разработок происходит насыщение воздушной массы предшественниками озона; на КВНС такой воздух приходит уже с высокими концентрациями озона. На поступление сухого и теплого воздуха указывают аномальные для ночного времени изменения температуры и влажности (повышение и понижение соответственно). Как видно на рис. 4.3.б к 11 ч относительная влажность уменьшилась до 15%. Следует обратить внимание на процесс конвективного перемешивания, определяющий дневной уровень приземного озона; в рассматриваемом случае 154 понижение концентрации озона началось с повышением высоты слоя перемешивания. В полдень (минимум О3) разность температуры в слое 0 - 600 м составила 7 градусов, что указывает на состояние термической неустойчивости и поступлении воздуха с вышележащих слоев тропосферы, где содержание озона было меньше, чем в распространявшемся с юго-востока шлейфе. В период экспедиции кратковременные затоки среднеазиатского воздуха, прошедшего над южным Каспием, зафиксированы дважды - 5-6 и 12-13 мая. В обоих случаях при наличии инверсии температуры в нижнем 50-100-метровом слое в ночные часы концентрации озона составляли 55-60 млрд-1. Таким образом, был получен важный научный результат: существование инверсии не является фактором разрушения озона, если над процессами разрушения озона (осаждения и стока на поверхности) доминирует адвективный перенос. Во время экспедиции радиационные инверсии на КВНС образовывались в 2023 ч, сохранялись до 7-8 часов утра; имели вид тонкого (в основном до 100-150 м) слоя с величиной инверсии 0.5-1.5°С. Данные экспедиции позволили сделать предварительный вывод о незначительной роли приземных инверсий в ночных колебаниях озона на КВНС. И фронтальные инверсии, по-видимому, не могут внести значимые поправки в тренд озона, во-первых, из-за редкого появления и их небольшой продолжительности; во-вторых, что более существенно, в зонах фронтальных разделов интенсивное вертикальное перемешивание препятствует образованию устойчивого дефицита озона у земли. Исключение составляют случаи длительного пребывания в регионе атмосферного фронта (орографического или окклюзии), когда приоритетным становится процесс разрушения озона на облачных каплях (влажное разрушение) и на подстилающей поверхности (сухое осаждение), а многослойные облачные инверсии лишь сдерживают обычный приток тропосферного озона. Анализ экспедиционных данных на КВНС позволил проследить главные регулирующие режим озона механизмы: обмен со свободной тропосферой и адвекция, то есть, зависимость от свойств приходящих воздушных масс. 155 4.2. Воздействие процессов синоптического масштаба на приземный озон [181]. В контексте зависимости многолетнего тренда озона от особенностей крупномасштабных процессов по данным наблюдений на КВНС в период 19981999 гг. изучались флуктуации концентрации озона при прохождении циклонов и антициклонов, т.е. изменчивость приземного озона под воздействием процессов синоптического масштаба. Синоптический анализ дополнялся траекторным с использованием расчетов переноса в нижней тропосфере и в приземном слое по Лагранжевой модели переноса HYSPLIT. В рассмотренный период число циклонов, определявших на Северном Кавказе погоду, было 36, антициклонов – 17. Отметим, в зимний период на КВНС преобладал циклонический тип погоды, в теплый период - малоградиентные барические поля. Известно, что вечерний максимум и более высокие, чем днем, высокие концентрации ночью обеспечиваются в высокогорье стоком озона из свободной тропосферы [189,190,188]. Выше отмечалось, что для открытого плато, где расположена КВНС, образование радиационных (ночных) инверсий – явление редкое. В процессе анализа данных измерений озона получено, что характерный для КВНС суточный ход приземного озона (полуденный минимум и ночной/вечерний максимум, рис.4.1) наиболее ярко проявляется в малоподвижных антициклонах и малоградиентном барическом поле – при слабом переносе воздушных масс. Проведенный анализ данных наблюдений на КВНС в 1998-1999 гг. позволил идентифицировать процесс увеличения концентрации приземного озона при нисходящих упорядоченных движениях в антициклонах, благодаря которому в нарушение суточного хода днем появляется нехарактерный максимум или существенно усиливается обычный максимум в ночное время. По результатам проведенного анализа установлено, что наиболее существенные флуктуации озона на КВНС происходят при смене воздушных масс, при выраженной адвекции и в зоне атмосферных фронтов, т.е. - под влиянием процессов синоптического масштаба. Поскольку имели место 156 случаи значительных колебаний уровня озона и «внутри» воздушных масс одного происхождения, детально анализировалась динамика озона в воздушных массах, приходящих из Средней и Малой Азии, из северной Африки, из промышленных районов Европы и с ЕТР. Оказалось, что озон является достаточно надежным индикатором происхождения воздушной массы и условий ее перемещения. Так, при поступлении сухой теплой воздушной массы из тропических широт происходит либо аномальный рост уровня озона, либо нехарактерное понижение концентрации приземного озона. В первом случае режим озона на КВНС нарушается адвекцией воздушных масс, содержащих предшественники и наработанный в шлейфе загрязнений озон. Второй тип чаще всего отмечался при поступлении воздушной массы из пустынных регионов, очевидно, содержащей большое количество песчаного аэрозоля воздуха. (Известно, на поверхности аэрозольных частиц минерального происхождения происходит сток озона). Для иллюстрации влияния различных факторов рассмотрим эпизод 10-13 апреля 1998 г. В начале эпизода перенос воздушных масс на Кавказ осуществлялся в теплом секторе обширного многоцентрового циклона, один из центров которого перемещался по средиземноморскому бассейну (рис. 4.4); судя по траекториям, приходящий из Северной Африки воздух переносился в нижней тропосфере с большими скоростями, что, повидимому, предохраняло его от насыщения влагой и озоногенерирующими примесями. Температура на станции поднималась выше +20°С (так тепло в высокогорье бывает редко даже летом), влажность воздуха, уменьшаясь почти до 30 %, подтверждала тропическое происхождение воздушной массы. Уже в первый день адвекции теплого воздуха (10.04) был нарушен обычный суточный ход озона: около полудня произошел кратковременный (3 часа) всплеск до 53 ppb (на верхнем рис.4.4 - голубая стрелка), что могло быть связано с заносом узкого шлейфа загрязненного воздуха. В следующие два дня (11-12.04), судя по траекториям, поступал воздух из Северной Африки, где 9-10 апреля проходил холодный атмосферный фронт, 157 сопровождаемый подъемом в воздух песчаных частиц. В сухом тропическом воздухе 12 апреля, когда был отмечен максимум приземной температуры (+23С) 11 апреля 12 апреля 13 апреля 14 апреля Рисунок 4.4. Временной ход концентрации приземного озона (ppb), температуры и влажности на КВНС 10-15 апреля 1998 г. Синоптическая ситуация и обратные траектории воздушных частиц (горизонтальная проекция и вертикальные профили), маркеры приходящих на КВНС воздушных масс 11-14 апреля 1998 г. 158 и минимум влажности (около 35%) в эпизоде, концентрация озона понизилась до 32 ppb (красная стрелка на рис.4.4). Концентрация озона оставалась низкой (около 35 ppb) пока не произошла смена воздушных потоков (утром 13 апреля). Средиземноморский циклон изменил траекторию и начал перемещаться на северо-восток, затянув сухие воздушные массы из стран Ближнего Востока, где, с большой вероятностью, в атмосферу поступает значительно количество антропогенных примесей, в т.ч. в промышленных районах и местах газовонефтяной добычи. Когда шлейф из указанных районов дошел до Северного Кавказа (траектория 13 апреля на рис.4.4), при влажности около 40% концентрация озона превысила 50 ppb, оставаясь на этом уровне до конца суток. В этом эпизоде озон был маркером различных примесей в сходных по происхождению тропических воздушных массах. В последний день эпизода 14 апреля через Кавказ проходил холодный атмосферный фронт, что видно по всем характеристикам на рис. 4.4: синоптическая ситуация, понижение температуры, рост влажности. И отчетливо видна сигнатура холодного фронта в ходе концентрации приземного озона, которая более детально обсуждается в разделе 4.4 настоящей главы. На рис. 4.4 красным овалом выделен характерный для нее «падение-всплеск», и надо подчеркнуть, что именно за счет тропосферного притока озона концентрация в приземном слое повысилась почти до 70 ppb – характерного для свободной тропосферы уровня. Подтверждением полученных выводов служат изменения концентраций озона при поступлении на станцию воздушных масс с востока. Так, 1-4 мая 1998 г. район находился сначала на южной, потом на западной периферии холодного антициклона. Пока поступали воздушные массы из Казахстана, концентрации озона находились в основном в пределах 40-50 ppb. 3 мая влажность к полудню понизилась до 38 %, пришел воздух ( очевидно, запыленный) из среднеазиатских пустынь и стал причиной 159 аномального суточного хода озона: в 19 часов вместо максимума концентрация озона понизилась почти на 10 ppb. По изменению направления ветра (с восточного на юго - восточный) сделано предположение, что утренний всплеск уровня озона (до 60 ppb) 4 мая был обусловлен шлейфом озоногенерирующими примесей, который был подхвачен потоком из каспийских районов нефтегазовых разработок. На основании проведенного синоптического анализа и данных измерений на КВНС в 1998-1999гг. составлена схема изменения приземного озона при прохождении через КВНС циклонов различного происхождения (рис. 4.5): -В зоне теплого атмосферного фронта, сопровождаемого увеличением облачности и влажности, а также фронтальной инверсией, концентрация озона уменьшается. -После прохождения фронта в теплом секторе циклона поведение озона определяется характеристиками воздушных масс: ¾ при рассеянии облаков в теплом воздухе умеренных широт и в субтропической воздушной массе восстанавливается характерный уровень озона (рис. 4.5.а). ¾ при наличии облачности, относительной влажности воздуха более 80% происходит осаждение озона, тропосферный приток не восполняет дефицита озона и, замедляясь, продолжается спад озона (рис. 4.5.в). ¾ в тропическом воздухе с низкой влажностью и высокой температурой концентрации озона после фронтального понижения почти не изменяются и остаются пониженными и ночью, и днем, т.к. приходящий из пустынных районов Средней Азии, Аравийского полуострова и Северной Африки, а также из Прикаспия и Калмыкии воздух содержит минеральный аэрозоль и обеднен озоном (рис 4.5.с). ¾ приход загрязненного воздуха из промышленных районов Южной Европы, Ближнего Востока и нефтегазовых разработок Каспия – вызывает повышение концентраций озона на КВНС (рис 4.5.d). В ночные часы адвекция 160 воздуха из этих районов и наработанного там озона обнаруживается в устойчиво стратифицированном воздухе, когда практически исключается вертикальный перенос. Днем в загрязненном шлейфе в нарушение суточного хода концентрации озона на КВНС также повышаются за счет генерации озона. В отличие от устойчивого потока тропического воздуха, узкие шлейфы антропогенных примесей редко достигают высокогорья. Рисунок 4.5. Схема изменения озона а) в циклонах умеренных широт, b) в медленно перемещающемся черноморском циклоне,c),d) в средиземноморском циклоне при адвекции тропического континентального воздуха, d) в циклонах при адвекции загрязненного воздуха. На врезках справа по оси Y- изменения концентрации озона (ppb) в частях циклона, обозначенных цифрами на рисунках 1- тыл циклона, 2 –зона холодного фронта, 3 – перед холодным фронтом, 4- теплый сектор циклона, 5- зона теплого фронта, 6 - перед теплым фронтом. Двойная стрелка – характерный диапазон приземного озона при указанном направлении переноса 161 - С приближением выраженного холодного фронта наблюдаются короткопериодные резкие колебания концентрации озона, обусловленные конвективным перемешиванием; за счет притока тропосферного озона в нисходящих конвективных струях в целом уровень озона повышается. При прохождении зоны холодного фронта некоторое время сохраняются повышенные концентрации озона, затем начинается интенсивный спад за счет влажного осаждения озона на водном аэрозоле, который продолжается, пока влажность воздуха остается близкой к насыщению . -По мере удаления холодного фронта в тыловой части циклона восстанавливается нормальный суточный ход озона с характерными сезонными концентрациями. При прохождении циклона в стадии заполнения резких изменений концентраций приземного озона на станции не наблюдается, ровному ходу озона способствуют низкие облака и высокая влажность; при высокой влажности суточная амплитуда приземного озона от сезона к сезону меняется мало: в холодное время года в среднем до 10 ppb, летом до 15 ppb. 4.3 Вклад дальнего переноса в сезонные вариации концентрации приземного озона на КВНС [183] Начатые в работе [181] исследования были продолжены в направлении получения количественных оценок влияния дальнего переноса на формирование сезонных вариаций и трендов концентрации приземного озона на КВНС. По данным представительной выборки (1991-1996 гг.) проведен траекторный анализ по результатам расчетов двумерных обратных траекторий длительностью 4 суток, предоставленных Норвежским Институтом Исследований Атмосферы (NILU) с использованием программы расчета траекторий системы EMEP и метеорологических данных, обеспеченных проектами EMEP/MSC-W Норвежского Метеорологического Института [183 ]. Рассчитанные траектории были сгруппированы в сектора, внутри которых оценивались средние метеорологические параметры (температура и 162 влажность в пункте измерения), концентрация озона, максимальная удаленность точек траектории (по прямой) от КВНС. Учитывая особенности суточного хода приземного озона, для анализа сформированы отдельные выборки «ночных» (0 ч и 6 ч) и «дневных» (12 ч и 18 ч) наблюдений для 6 секторов: 1 (СВ) – северо-восточный (0-90 градусов), 2 (ЮВ)- юго-восточный (91-160 гр.), 3 (Ю) – южный (161-205 гр.), 4 (ЮЗ) - юго-западный (206-270 гр.), 5 (СЗ) – северо–западный (271-315 гр.), 6 (С) – северный (316-359 гр.). Качественными признаками выбранных секторов являются следующие: Северо-восточный сектор учитывает перенос воздушных масс в район КВНС из Кисловодска и предгорий Кавказа, а также районов газоразработок Северного Каспия. Сектор выделен для изучения влияния загрязнения от локальных и региональных источников на озон в высокогорье. В юго-восточном секторе происходит перенос либо загрязненного воздуха из районов Каспийских нефтеразработок, либо сухого воздуха из Казахстана и Туркмении. Этот сектор ограничен с юга Главным Кавказским хребтом. В южном секторе поступает опускающийся с Главного Кавказского хребта чистый сухой воздух из Закавказья и пустынь Малой Азии. В юго-западном секторе поступает влажный субтропический воздух со Средиземноморья, а также сухой тропический воздух из пустынных районов Северной Африки. В северо-западном секторе учитывается перенос загрязненного воздуха из Южной Украины и Западной Европы, частично ограниченный с юга Главным Кавказским хребтом. В северном секторе происходит перенос воздуха из Восточной Украины и Центральной России. Этот сектор чаще всего связан с ультраполярными вторжениями холодного воздуха. Анализ расчетов показал, что в разных секторах переноса вклад фотохимических и динамических процессов в сезонные вариации различен. В летние месяцы концентрация приземного озона определяются 163 преимущественно фотохимической генерацией озона в умеренно загрязненном воздухе из районов Северного Каспия, Южного Урала и Поволжья. Месяц наступления летнего максимума определяется соотношением фотохимических процессов генерации и разрушения озона в восточном секторе переноса и адвекцией озона из Украины и Центральной Европы. Глубина сезонного минимума связана с разрушением озона в воздушных массах, приходящих с северо-востока. Соотношение положительных и отрицательных отклонений от многолетних среднемесячных значений для различных секторов определяет форму многолетнего сезонного хода на станции. Анализ внутригодового распределения повторяемости переноса воздушных масс позволил установить характерные особенности переноса воздушных масс в районе КВНС. Летом преобладает перенос из первого (СВ) сектора; а южные сектора (Ю и ЮЗ) имеют малую повторяемость, что является следствием влияния климатического барического минимума – иранской барической депрессии, КВНС летом чаще всего находится на ее северной периферии. Перестройка атмосферных процессов на зимний режим происходит в сентябре – октябре, после чего в течение 6 месяцев преобладает южный и юго-западный перенос. Поступление воздушных масс умеренных широт из Западной Европы (СЗ) реже всего наблюдается в феврале-апреле и в октябре, но и в другие месяцы его относительный вклад не превышает 15%. Влияние переноса воздушных масс из каждого сектора на вариации концентрации приземного озона оценивалось для каждого месяца путем сравнения средней многолетней величины без учета разбиения на сектора и средней концентрации, рассчитанного для каждого сектора. Для выявления особенностей условий формирования режима приземного озона внутри каждого сектора анализировались влажность и температура. В первом (СВ) секторе и в дневных и в ночных условиях сезонный максимум озона приходится на июль и практически совпадает со средним сезонным максимумом (рис.4.6). Это связано, очевидно, с тем, что в условиях 164 максимальной освещенности и температуры, а также одной из самых низких в году влажности воздуха в приходящих из районов Северного Каспия, Южного Урала и Поволжья потенциально загрязненных воздушных массах в дневных условиях происходит активная фотохимическая генерация озона. С учетом высокой повторяемости данного сектора и самых высоких дневных значений концентрации озона (по сравнению с другими секторами), влияние данного сектора является определяющим время/месяц формирования летнего максимума. Не менее сильное влияние на форму сезонного хода, несмотря на невысокую повторяемость, оказывает глубокий октябрьский минимум. Его величина значительно меньше среднего сезонного минимума и в дневных, и в ночных условиях (рис.4.6).. Это связано с высокой влажностью воздуха как следствие частого расположения на Северном Кавказе малоподвижной зоны фронта, и, значит, преобладания облачной погоды, благоприятная для активного стока и разрушения озона. В ночных условиях концентрация приземного озона оказывается ниже, чем днем, что нетипично для КВНС. По характеру сезонных вариаций ЮВ сектор похож на СВ, но с менее глубоким в октябре понижением среднемесячной величины концентрации озона. Воздушные массы, приходящие в этом месяце в основном из Средней Азии и Каспия, являются более теплыми и сухими (50-60%), кроме того, сказывается влияние стоковых ветров. Все это способствует удержанию озона на уровнях, близких к средним сезонным значениям (рис.4.6). 165 аа) 65 NE S NW "night" monthly mean surface O3, ppbv 60 55 50 45 40 35 30 25 б) 1 2 3 4 5 6 7 m onth 8 9 10 11 NE S NW 65 "day" 60 monthly mean surface O3, ppbv SE SW N 12 SE SW N 55 50 45 40 35 30 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 month Рисунок 4.6. Средняя месячная концентрация приземного озона при выделенных секторах переноса воздушных масс а) ночь, б) день. В третьем (Ю) секторе ночные концентрации озона значительно превышают дневные в течение всего года, что является типичным для высокогорного района КВНС; с августа по декабрь концентрации приземного озона выше, чем во всех остальных секторах (табл.4.1). Режим озона определяется частыми затоками чистого обогащенного озоном воздуха из свободной тропосферы. По-видимому, значительный вклад в изменчивость концентрации озона в данном секторе вносят фёновые эффекты. 166 В четвертом (ЮЗ) секторе поступают субтропические воздушные массы, проходящие над акваториями Черного и Средиземного морей. Но на КВНС они доходят, перевалив через Главный Кавказский хребет. Основной источник озона в данном секторе – это озон из свободной тропосферы. Однако конкурирующие с адвекцией процессы разрушения во влажном морском или в сухом, насыщенном минеральным аэрозолем, воздухе приводит к тому, что значения концентрации озона практически во все сезоны мало отличаются от средних (табл.4.1). Единственной особенностью этого сектора является смещение сезонного минимума на сентябрь в отличие от всех других секторов, что, очевидно, связано с высокой повторяемостью в этом месяце прихода сухого воздуха из субтропического пояса. Таблица 4.1. Величины отклонений (ppb) усредненной за месяц концентрации приземного озона в секторе от средней многолетней месячной величины концентрации озона, полученной без разделения на сектора. КВНС. [183] день ночь NE SE S SW NW N NE SE S SW NW N СВ ЮВ Ю ЮЗ СЗ С СВ ЮВ Ю ЮЗ СЗ С Январь - 3.30 1.58 -0.92 -0.95 -2.13 - 3.85 0.24 -1.16 0.69 - Февраль 4.56 -2.84 2.73 1.82 0.47 -3.21 - -3.25 1.82 1.95 -0.13 -2.42 Март 0.21 -2.18 1.30 0.93 -0.73 - -2.53 -1.97 0.43 1.51 -4.66 - Апрель -6.72 -0.15 2.34 -2.38 5.27 - -0.73 -0.13 -0.18 -1.11 7.68 - - -1.61 -1.44 1.40 2.82 2.18 - -3.10 1.19 -0.98 1.56 4.82 Июнь 0.39 1.62 3.07 -3.73 -1.88 3.88 0.04 0.75 1.86 0.59 -2.65 2.03 Июль 1.36 0.68 - - -10.45 -3.03 -0.19 2.10 -4.10 - -4.31 -2.19 Август 1.60 -0.08 7.81 - 7.49 1.55 -0.52 1.12 10.24 4.76 4.20 2.69 Сентябрь -0.68 2.77 7.36 -1.84 2.90 - - 4.70 8.57 -3.31 -3.69 - Октябрь -6.63 3.89 4.93 6.40 0.75 0.31 -10.07 7.05 7.01 3.79 -2.37 -4.88 Ноябрь -1.81 -1.98 2.82 -0.32 -0.37 9.24 -0.45 -4.24 2.71 -0.12 -8.12 2.20 Декабрь -2.18 4.76 2.58 0.72 -3.09 -1.74 - 2.88 3.06 1.31 -5.68 2.31 Май В пятом (СЗ) секторе на КВНС приходят воздушные массы умеренных широт; сезонный ход концентрации приземного озона формируется как за счет 167 переноса загрязнений, так и за счет адвективного озона, наработанного в Центральной Европе и Южной Украине. В сезонном ходе имеется два максимума - апрель и август (рис.4.6), на КВНС эти максимумы формируются в основном за счет адвекции обогащенного озоном воздуха и фотохимической генерации озона in situ при участии загрязнения из Украины. В шестом (С) секторе при интенсивном переносе наблюдается адвекция хорошо перемешанной холодной насыщенной озоном воздушной массы с севера ЕТР. При таких синоптических условиях за холодными атмосферными фронтами нередко происходят субстратосферные вторжения озона. Зона атмосферного фронта переваливает через Кавказский хребет в основном в ноябре, поэтому только в этом месяце на станции в данном секторе регистрируется максимум концентрации озона. В остальные месяцы ярко выраженных эффектов от северных вторжений не наблюдается (табл.4.1). Как следует из проведенного анализа, обусловленное особенностями крупномасштабных атмосферных процессов перераспределение повторяемости секторов дальнего переноса может повлиять на тренд концентрации приземного озона на КВНС. Так например, в июле увеличение повторяемости северо-западного и уменьшение повторяемости юго-восточного секторов может привести к уменьшению среднемесячных значений концентрации приземного озона. В августе эффекты уменьшения северо-западного и юго-восточного секторов складываются, что может сформировать значительный отрицательный тренд концентрации озона на КВНС. 4.4 Анализ атмосферных процессов в эпизодах стратосферных вторжений Впервые наше внимание привлекли события стратосферных вторжений в связи с фактами резкого увеличения суммарной бета - активности по данным мониторинга на радиометрической сети Росгидромета [192,194,193]. С использованием данных наблюдений за приземным озоном в г Апатиты (Полярный физический институт РАН) изучались подобные явления, имевшие место на Кольском полуострове [195,196]. 168 По данным измерений концентраций озона на КВНС изучалось изменение концентрации приземного озона за счет стратосферных поступлений, проникающих в нижние слои атмосферы при прохождении выраженного холодного атмосферного фронта [184]. Одно из первых значительных обобщений событий увеличения содержания озона в приземном воздухе за счет переноса озона из высоких слоев атмосферы описан в работе [197]. Сегодня хорошо изучено и описано во многих работах, что в бароклинных фронтогенетических зонах, на холодной стороне струйных течений развиваются глубокие нисходящие движения, проявляющиеся в процессе образования складок тропопаузы. Например, в [198] показано, что стратосферные вторжения могут вызывать всплески озона до 70-90 ppb в целом по всей территории Альпийской горной системы; хотя большая часть стратосферного озона достигает станций сильно разбавленная тропосферным воздухом. На примере динамики приземного озона на КВНС 12-17 ноября 2001 г. детально проанализированы синоптические и циркуляционные условия резких колебаний уровня озона (12-13 и 16-17 ноября), связанные с перемещением холодных атмосферных фронтов. Установленные характерные изменения концентрации озона «падение-всплеск», связанные с холодными фронтами, предложено рассматривать как сигнатуру холодных фронтов в озонометрических данных [184]. Процесс уменьшения озона в приземном воздухе в зонах фронтальной облачности обусловлен высоким влагосодержанием, а резкий рост концентрации озона после прохождения зоны фронта - в тыловой холодной воздушной массе – происходит при ясной или малооблачной погоде при уменьшении влажности воздуха. Оба эпизода с выраженной сигнатурой концентрации озона холодного фронта однозначно идентифицируются на графике временного хода О3 в рассмотренный период на рис. 4.7. Так, ночью 12 ноября в зоне холодного фронта во влажном, близком к насыщению воздухе (относительная влажность Н близка к 100%) под влиянием влажного осаждения и стока концентрация 169 озона понизилась до 7 ppb. Рост озона начался с небольшим опережением притока менее влажного воздуха, но пик озона совпал по времени с минимумом относительной влажности (40% и в отсутствии условий для фотохимической генерации концентрация озона увеличилась до 45 ppb, когда наполненная субстратосферным воздухом тропосферная воронка, как подробно описано в [184], уже миновала район КВНС. Спутниковый снимок с МETEOSAT-5 в полосе пропускания водяного пара (рис.4.7.б) отображает в виде темной полосы (низкое содержание водяного пара), меандрирующую от Средней Волги через западный Кавказ на север Турции, вторжение богатого озоном субстратосферного сухого, в том числе и в район КВНС. Случай 16 ноября более сложен. Воздух, имевший контакт со стратосферой и обусловивший рост концентраций озона на КВНС, был связан не с первой, а со второй волной холода. Но и в этом случае имело место четкое проявление в озонометрических данных сигнатуры холодного атмосферного фронта: резкое уменьшение концентрации озона (до 8 ppb) в зоне фронта при а б Рисунок 4.7. Концентрация приземного озона, температура и относительная влажность на КВНС 11 - 17 ноября 2001 г. (а). Снимок с МETEOSAT-5 в полосе пропускания водяного пара 02:30 ВСВ 12 ноября; здесь отмечен район Минеральных вод (на снимке М.В.) (б). [184] 170 относительной влажности более 90% ночью (в нехарактерное для типового суточного цикла время), которое сменилось процессом наполнения приземного слоя озоном (концентрация увеличилась до 43 ppb, т.е на 35 ppb примерно за 12 ч). И в этом эпизоде (как и 12ноября) можно отметить некоторое запаздывание уменьшения влажности относительно тенденции увеличения содержания озона, при том что сместившийся к полуночи минимум влажности (около 55%) совпал по времени с озоновым пиком (рис. 4.7.а). Кратковременный всплеск концентрации озона сменился ее падением до 30-35 ppb в условиях адвекции холодного воздуха и повышения влажности до 90-100 %. Отмечается, что в обоих случаях (12 и 16 ноября) складки тропопаузы с признаками гидродинамической неустойчивости прошли над КВНС непосредственно после прохождения холодного фронта. Для получения представления, рассматриваемых эпизодах, откуда поступал воздух в были построены с использованием модели HYSPLIT по данным реанализа изэнтропические траектории. Обратные 5суточные траектории частиц, приходящих на различные высоты над КВНС и вблизи нее, показали, что поступавший 12 и 16 ноября на КВНС воздух опускался с верхнетропосферных уровней. На рис 4.8 видно очень быстрое опускание воздуха в слое сильных ветров (в струйном течении) над Атлантикой 9 ноября (с 8-10 до 3-5 км) и последующее замедленное перемещение вниз. Хорошо просматривается, что над Европой частицы перемещаются почти горизонтально, приближаясь к изучаемому району с северо-запада. При многих похожих атмосферных условиях в рассматриваемых эпизодах имеются некоторые отличия. Так, 16 ноября опускание воздуха происходило особенно быстро в предшествующие приходу на КВНС двое трое суток, кроме того, перенос обогащенного озоном воздуха происходил из более высоких слоев атмосферы – с высоты 8-10 км из сместившейся в южные 171 широты (на Средиземноморье и север Африки) холодной и сухой субполярной воздушной массы. Рисунок 4.8. Горизонтальные (вверху) и вертикальные проекции 5-дневных входящих обратных траекторий в 12 ВСВ 12 ноября 2001 г. (слева) и 12 ВСВ 16 ноября 2001 г. (справа) на 200 м над уровнем земли в точках, координаты и высоты которых указаны на панелях вертикальных проекций [184] Явные субстратосферные вторжения, вызывающие повышение уровня приземного озона, явления редкие в высокогорье, еще реже они фиксируются 172 на равнинных станциях. Тем не менее, такие редкие явления зафиксированы в некоторых трансконтинентальных экспедициях ИФА РАН TROICA [199]. КРАТКИЕ ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4 • Впервые в регионе с низкой антропогенной нагрузкой – в предгорьях Северного Кавказа - с использованием данных измерений МТП-5 получены инструментальные подтверждения отличий термической структуры АПС на открытом высокогорном плато КВНС и в Кисловодской котловине. Высокая повторяемость радиационных инверсий в районе Кисловодска и практическое отсутствие их на КВНС, обратная картина частоты штилей являются не только показателем различий в метеорологическом режиме во многом объясняет различия озонового режима в районе двух станций мониторинга озона. • Воздействие процессов синоптического масштаба определяет наиболее существенные флуктуации озона на КВНС, наблюдающиеся при смене воздушных масс, при выраженной адвекции и в зоне атмосферных фронтов. Нехарактерные изменения типичного суточного цикла приземного озона в высокогорье являются индикатором дальнего переноса газовых примесей и аэрозоля; вынос запыленного воздуха из Северной Африки и пустынных районов Азии вызывает понижение концентрации озона на КВНС, заток воздуха из районов нефтяных и газовых разработок – резкое увеличение приземного озона до нехарактерных уровней. • Представлены оценки вклада различных секторов дальнего переноса в формирование сезонных вариаций концентрации приземного озона на КВНС. Выявлены сезонные отличия влияния переноса воздушных массах; в частности, преобладающий в июле северо-восточный перенос потенциально загрязненных воздушных масс из районов Северного Каспия, Южного Урала и Поволжья определяет время/месяц формирования летнего максимума, а в октябре при северо-восточном переносе уровень озона ниже среднего многолетнего. 173 Увеличение повторяемости переноса из секторов с понижением уровня озона может оказывать влияние на тренд концентрации приземного озона на КВНС. • На примере эпизодов резких колебаний уровня приземного озона в высокогорье Северного Кавказа в ноябре 2001 г. показан вклад субстратосферного или близкого к нему по свойствам воздуха при смещении высотной фронтальной зоны в субтропические широты, сопровождаемой нисходящими потоками сухого холодного воздуха по циклонической периферии струйных тропосферных течений. Описана и проиллюстрирована специфическая сигнатура «падение-всплеск» содержания озона, обусловленная холодным атмосферным фронтом и постфронтальным затоком сухого холодного воздуха с верхнетропосферных уровней. • Результаты исследований различного масштаба атмосферных процессов, влияющих на изменчивость и режим приземного озона в регионе с низкой техногенной нагрузкой (высокогорье Северного Кавказа, КВНС), позволили получить методологическую основу для изучения метеорологической обусловленности изменчивости озона в Московском мегаполисе – в регионе с высокой антропогенной нагрузкой. 174 ГЛАВА 5. ПРОСТРАНСТВЕННО – ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПРИЗЕМНОГО ОЗОНА В МОСКОВСКОМ РЕГИОНЕ, МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ПРОГНОЗ АНОМАЛЬНО ВЫСОКИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ С 2002 г. (после проведения нами цикла исследований связей озона с атмосферными процессами по данным наблюдений на КВНС) в Московском регионе начала функционировать сеть регулярных автоматизированных измерений концентраций «Мосэкомониторинг» озона в [http://mosecom.ru.]. приземном Совпало, воздухе что ГПБУ регулярные наблюдения начали проводиться именно в год, когда вследствие засухи и массовых природных пожаров в Московском регионе наблюдались продолжительные эпизоды высоких концентраций озона [159]. Своевременный мониторинг в регионе природного бедствия показал актуальность исследований озонового загрязнения, учитывая и то обстоятельство, что ежегодно на территории России возникают обширные очаги горения лесов и торфяников. Заметим, что в России отсутствует сеть мониторинга приземного озона; регулярные наблюдения носят «точечный» характер, они проводятся ИФА РАН в районе Кисловодска с 1989 г. [188 ], ИОА СО РАН в г. Томске - с 1991 г. [http://meteo.iao.ru.] и на территории Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета в г. Долгопрудном с 1991 г. [200]. В последние годы организованы регулярные наблюдения и в Обнинске[161,162]. За рубежом внимание на проблему озонового загрязнения приземного воздуха было обращено задолго до начала наблюдений за озоном в России. В Европе сеть наблюдений за приземным озоном стала развиваться с 1980-х гг. В настоящее время здесь функционирует около 10 тысяч пунктов наблюдений приземного озона; эпизоды с высокими концентрациями озона в Западной Европе наблюдаются ежегодно. Одними из самых сильных за всю историю наблюдений были эпизоды во время аномально жаркой погоды в июлесентябре 2003 г. [84,201]. Многочисленные зарубежные и отечественные исследования показывают, 175 что высокие концентрации озона в приземном слое (ниже - озоновые эпизоды) возникают при определенных атмосферных процессах [171,167,168,157,202,203,204]. Главным направлением наших исследований стало изучение связей изменчивости концентраций озона с синоптическими ситуациями и метеорологическими параметрами с целью предсказания условий увеличения озона в приземном воздухе до уровней, опасных для окружающей среды. При анализе были использованы все имеющиеся в Московском регионе источники данных о концентрациях приземного озона (ЦАО, ИФА РАН и ГПБУ «Мосэкомониторинг»). Большая часть наших исследований в Московском регионе проведена совместно с сотрудниками ЦАО. Следует отдельно подчеркнуть, в 1996 г. они первыми в России разработали статистическую регрессионную модель максимальных суточных концентраций приземного озона [204], получившую развитие за счет использования более продолжительных рядов наблюдений и включения в расчетные схемы новых предикторов [200,205,206]. 5.1. Сезонные и внутрисуточные особенности изменений концентрации озона в приземном воздухе в Московском мегаполисе Данные автоматизированной сети контроля загрязнения атмосферы (АСКЗА) ГПБУ «Мосэкомониторинг» позволили существенно продвинуться в понимании процессов загрязнения воздуха в мегаполисе, в т.ч. озоном. В этом разделе представлены основные закономерности сезонного и внутрисуточного изменения уровня приземного озона на станциях вблизи магистралей и в жилых районах Москвы и ближних пригородов; основные результаты получены при выполнении Государственного контракта «Научное обоснование допустимых уровней содержания озона в атмосферном воздухе города Москвы» в 2012 г. Приведенные в этом разделе результаты исследований получены по данным мониторинга на АСКЗА в период 2008-2012 гг. Сезонные особенности. В годовом ходе приземного озона на территории 176 Московского мегаполиса четко выделяются два характерных озоновых режима - осенне-зимний (сентябрь-февраль) и весенне-летний (март-август), определяемые солнечным циклом. Летний тип озонового режима совпадает с периодом максимальной высоты Солнца (между весенним и осенним равноденствиями). Как видно на рис.5.1 для зимнего режима характерны: низкий уровень озона (15-20 мкг м-3), минимум в ноябре-декабре и незначительная пространственная изменчивость (различия в уровне озона между в примагистральных и жилых районах всего 3-5 мкг м-3). Годовой максимум приземного озона (март-май) определяется годовым максимумом озона в атмосфере и обусловлен большей частью наибольшей активностью вертикального перемешивания [207,156]. Вторичный (июльский) максимум формируется в период активных фотохимических процессов в атмосфере на фоне повышения повторяемости метеорологических условий, благоприятных для накопления в приземном слое предшественников. Т.е. в общих чертах годовой ход приземного озона в Москве совпадает с ходом озона на зарубежных континентальных равнинных станциях [80]. 50 Оз, мкг м-3 40 30 20 10 Кутузовский 1 Хамовники ав гу ст се нт яб рь ок тя бр ь но яб рь де ка бр ь ль ию нь ию м ай ап ре л ь м ар т ян ва рь ф ев ра ль 0 Марьинский парк Туристская Рисунок 5.1. Средний годовой ход концентраций О3 на магистральных станциях (Кутузовский-1 и Хамовники) и в жилых районах Москвы (ст. Марьино и ст. Туристская). 2008-2012 гг. (без данных июль-август 2010 г.) 177 Более полное представление об изменчивости уровня озона можно получить из рис. 5.2. Видно, что с апреля по август величина изменчивости озона сравнима со средним многолетним уровнем, что свидетельствует о значительной нестабильности поля озона в мегаполисе. 100 Среднее±Ст.откл. 80 60 40 Д екабрь Н оябрь О ктябрь Сентябрь И ю ль И ю нь М ай Апрель М арт 0 Ф евраль 20 Январь КонцентрацияО3, м кгм -3 Среднее Август Рисунок 5.2. Годовой ход приземного озона в Москве (удаленная от автотрасс станция Туристская). 2011 г. Суточный ход. В зимний сезон в условиях ослабленного вертикального перемешивания в термически устойчивой атмосфере при преобладании в Московском регионе облачной погоды содержание озона в приземном воздухе в течение суток на всей территории мегаполиса изменяется мало. На рис. 5.3 показан типовой суточный ход концентрации озона в январе, рассчитанный по данным измерений на станциях в жилой зоне города и вблизи автотрасс. Видно, что в зимние месяцы в суточном ходе приземного озона на городских станциях, различающихся интенсивностью техногенной нагрузки, и в среднем уровне, и в среднем квадратическом отклонении – различия незначительны, хотя несколько большие флуктуации отмечаются, во-первых, в жилых районах, во-вторых, ночью - на станциях обоих типов. В теплый сезон, как и зимой, в различных частях города суточный ход приземного озона имеет общий вид (рис.5.4). Но в отличие от зимнего слабовыраженного ночного суточного максимума (20-23 мкг м-3) летом наибольшие суточные концентрации наблюдаются в период с 14 до 19 час; в 178 б) а) Рисунок 5.3. Типовой зимний суточный ход концентрации приземного озона на станциях а) Марьино (станция смешанного влияния в жилой зоне), б) Хамовники (станция магистральная). Январь, 2008-2012 гг. этом же интервале находятся максимальные отклонения, причем СКО на магистральных станциях (около 20 мкг м-3) на 5-10 мкг м-3 меньше, чем в жилой зоне. Суточный максимум в жилых районах города (75- 80 мкг м-3) на 10-20 мкг м-3 больше, чем вблизи магистралей. а) б) Рисунок 5.4. Типовой (летний) суточный ход концентрации приземного озона (мкг м-3) на станциях а) Марьино, б) Хамовники. Июль, 2008-2012 гг. Ночью вблизи автотрасс приземного озона немного больше (20-23 мкг м3) , чем в жилых районах с меньшей техногенной нагрузкой (10-15 мкг м-3). Т.е. содержание озона в приземном воздухе вблизи автотрасс характеризуется большей инертностью, чем в жилых районах, для него характерна меньшая суточная и годовая амплитуда; максимальные суточные концентрации вблизи магистралей более низкие по сравнению с удаленными от магистралей районами, включая периоды НМУ 179 В контексте главной цели наших исследований «выявление условий формирования опасных для здоровья концентраций приземного озона» проведен статистический анализ концентраций по наблюдениям на АСКЗА в последние 5 лет. Перед обсуждением результатов представим принятые в зарубежной и отечественной практике гигиенические нормативы (ГН) приземного озона, представленные в табл.5.1 [81,94,209,210,211 ]. Таблица 5.1. Предельно допустимые концентрации озона (мкг м-3), установленные как гигиенические нормативы в зарубежных странах и в России. Время усреднения 1ч 8ч 24 ч РФ США1 ЕС1 Великобритания ВОЗ 150 180/2403 1204 1005 100 1602 30 1 – в отдельных штатах США и ЕС установленные показатели могут быть уменьшены; 2 – время усреднения 0.4 ч; 3 – 180 мкг м-3 - информационный уровень (для информации населения через все доступные СМИ) и 240 мкг м-3 - уровень тревоги (для принятия определенных решений властями); 4 – не более 25 раз в среднем за год при усреднении за каждые 3 года, следующих подряд; 5 – не более 10 раз за календарный год. Как видно, в нашей стране используются два ГН – для средней суточной концентрации (ПДКс.с.=30 мкг м-3) и максимальной разовой (ПДКм.р.=160 мкг м3 ). Отечественный ГН максимальной концентрации озона строже, чем в странах зарубежной Европы и в США [208,94]. Обобщая данные об установлении гигиенических нормативов, следует отметить, что самой аргументированной и обоснованной, а также самой распространенной сегодня в мире характеристикой является усредненная за 8 ч максимальная за сутки концентрация приземного озона, аналога такого ГН в нашей стране нет. Следует подчеркнуть, что для усредненной за 8 ч концентрации рекомендации ВОЗ были ужесточены путем снижения безопасного уровня с 120 (2000 г.) до 100 мкг м-3 (2005 г) на основании результатов статистически репрезентативных 180 исследований, в частности, установлении роста ежедневной смертности на 1-2 % при возрастании усредненной за 8 ч концентрации озона с 70 до 100 мкг м-3 [81]. По результатам расчетов, представленных на рис 5.5 и 5.6, в жилых районах Москвы и пригородов Московского мегаполиса повторяемость концентраций не меньше ПДКм.р. составляет от 1 % до 2%. Рисунок 5.5. Гистограмма распределения (кумулятивный тип) максимальных суточных концентраций озона (ст. Марьинский парк). 2008-2012 гг. Вблизи автомагистралей повторяемость величин максимальной за сутки концентрации озона (O3max), превышающей ГН (160 мкг м-3) немного меньше, чем в жилых районах – менее 1%. Поскольку такие концентрации возможны исключительно в теплый сезон, на рис. 5.6 для одной из транспортных станций показано распределение концентраций озона именно в этот период. Отметим, что внутри мегаполиса средний многолетний уровень озона несколько меньше, чем в пригороде (табл. 5.2); величина среднего градиента город-окрестность (∆О3мах) зимой чуть больше 5 мкг м-3, в теплый сезон – примерно 15 мкг м-3. 181 Рисунок 5.6. Распределение максимальных за сутки концентраций озона вблизи автотрасс в теплый сезон (ст. Кутузовский-1). 2008-2012 (апрель-август). Для полноты представлений о неоднородности поля концентраций приземного озона максимальной приведем рассчитанные средние многолетние величины суточной характеристиках концентрации содержится озона О3мах., составляющая хотя локального в средних влияния близкорасположенных источников загрязнений и особенностей ландшафта (наличие водных объектов, высоких деревьев, плотность застройки, положение относительно преобладающего переноса в атмосферном пограничном слое и т.п.). Таблица 5.2. Разности средних максимальных суточных (∆О3 мах) между данными по наблюдениям на станции Марьино и станциями Туристская, Новокосино, Зеленоград и Звенигород. 2008-2012 гг. ∆О3 мах мкг м-3 станция год зима лето Туристская 6 16 3 Новокосино 7 15 10 Зеленоград -11 -2 -13 Звенигород -13 -6 -14 182 Как следует из приведенных в табл. 5.3 данных, характерным диапазоном средних за период 2008-2012 гг. максимальных суточных концентраций О3 на магистральных станциях является 50-55 мкг м-3 (медиана – около 50 мкг м-3); повторяемость величин ≥ 160 мкг м-3(т.е. выше ПДКм.р ) – менее 1%. На станциях жилого сектора города характерный диапазон максимальных суточных концентраций озона 60-65 мкг м-3, на загородных станциях уровень озона на 10-15 мкг м-3 больше (около 75 мкг м-3). Таблица 5.3. Характеристики максимальных суточных концентраций О3мах. 2008-2012 гг. Повторяемость ≥ 160 мкг м-3, (%) Станция среднее СКО число случаев N (1827) медиана 0,8ПДКм.р. ПДКм.р. 0,8ПДКм.р. ПДКм.р. Марьинский парк 65 34 61 4,5 0,5 74 8 1633 МГУ 60 39 53 6,1 2,0 97 32 1590 Лосиный остров 59 36 54 3,7 0,7 36 7 964 Новокосино 57 37 52 3,9 1,2 59 18 1514 Туристская 59 37 53 3,2 1,5 52 25 1617 Спиридоновка 59 41 53 7,8 1,9 120 29 1545 Полярная ул. 52 25 51 0,4 0,0 2 0 537 Зеленоград мр 15 75 43 70 6,6 2,5 95 36 1450 Звенигород 77 38 72 7,6 2,7 121 43 1585 Павловск.Посад 67 33 63 4,1 1,3 34 11 828 Кутузовский 1 52 26 49 1,0 0,4 16 7 1557 Кутузовский 2 51 24 49 0,8 0,4 13 6 1579 Пл.Гагарина 64 29 61 2,2 0,7 28 9 1295 Хамовники 52 27 48 1,7 0,5 23 7 1323 183 р.Чура (с 2009 г) 71 35 67 6,0 2,3 59 23 985 Нижняя Масловка 55 20 51 0,8 0,3 6 2 735 Кожух. проезд 56 26 54 0,5 0,0 3 0 557 Курсивом отмечены примагистральные станции мониторинга Корреляционный анализ позволяет установить тесноту связи колебаний уровня озона на станциях под воздействием общих атмосферных процессов: вертикального и горизонтального переноса различного масштаба, а также фотохимических преобразований в городском воздухе. В таблице 5.4 представлены коэффициенты парной корреляции максимальных суточных концентраций О3мах. Таблица 5.4. Коэффициенты парной корреляции максимальной за сутки концентрации приземного озона (О3мах). АСКЗА. 2008-2012 гг. (N= 1200-1827, *) N =730-985). № 2 Марьин.парк Кутузовский 1 МГУ Лосиный о-в* Новокосино Зеленоград 15 Туристская Спиридоновка Павл. Посад * Звенигород Пл. Гагарина 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0,68 0,5 0,82 1 0,5 0,58 1 0,61 1 Хамовники р.Чура Н.Масловка 13 14 15 О3мах 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0,75 0,69 0,67 0,79 1 0,71 0,77 0,54 0,63 0,69 1 0,82 0,72 0,6 0,74 0,71 0,82 1 0,71 0,58 0,68 0,8 0,7 0,62 0,65 1 0,5 0,46 0,46 0,52 0,5 0,44 0,5 0,47 1 0,78 0,75 0,57 0,71 0,74 0,86 0,81 0,65 0,47 1 0,73 0,62 0,45 0,66 0,57 0,77 0,71 0,64 0,69 0,73 1 0,83 0,83 0,63 0,74 0,79 0,84 0,85 0,72 0,45 0,85 0,76 0,85 0,85 0,64 0,71 0,8 0,87 0,85 0,72 0,46 0,87 0,89 0,66 0,78 0,58 0,64 0,8 0,74 0,6 0,74 0,77 0,71 1 0,91 0,86 1 0,85 1 Курсивом отмечены примагистральные станции мониторинга. (Ст. с номером 3 Кутузовский-2 удалена). Примечательно, что в противоположных секторах Москвы - на станциях Туристская (с-з) и Марьино (ю-в) корреляция максимальных суточных уровней озона высокая R.= 0.82, еще более синхронизированы колебания уровней озона на станциях в пригородах (Зеленоград-Звенигород R.= 0.86) и вблизи автотрасс 184 (R.= 0.8 -0.9). Отдельно отметим, что меньшие (но значимые!) коэффициенты корреляции на некоторых станциях (R.=0.5-0.7) являются по-видимому в меньшей степени реакцией на локальные воздействия, а в основном указывают на проблемы с контролем измерений (пропуски, технические сбои и т.д.). Полученные результаты (представленные здесь частично) статистического анализа данных измерений приземного озона на АСКЗА в последние 5 лет (2008-2012 гг.) указывают на то, что значительная доля изменчивости приземного озона на территории мегаполиса регулируется общими процессами, и это является обоснованием для выявления этих процессов с целью предсказания тех из них, которые обусловливают наиболее опасные уровни приземного озона. 5.2. Оценки связей концентрации озона с метеорологическими параметрами Исходя из современных представлений о фотохимическом происхождении высоких концентраций приземного озона, наши исследования сконцентрированы на изучении сопутствующего и необходимого для озонового загрязнения комплекса метеорологических параметров, влияющих на накопление прекурсоров и выполняющих роль катализаторов оксидов азота, тем самым - на интенсивность фотохимического образования озона. Изучение связей концентраций приземного озона с метеорологическими условиями осложняется высокой неоднородностью поля приземных концентраций в мегаполисе, определяемой значительным пространственным рассредоточением городских источников загрязнений. Высокая неоднородность поля озона в больших городах и пригородах имеет место во многих зарубежных мегаполисах, в частности, в США [203], в Японии[212], в Индии [213]. На рис. 5.7 показан пространственный разрез (северо-запад – центр - юговосток Московского мегаполиса) усредненных за период 1.06-18.07 2010 г. максимальных суточных концентраций озона и оксидов азота (на станции 185 Туристская в этот период наблюдения за NO не проводились). Учитывая, что в этот период преобладал юго-восточный перенос в АПС, самые высокие концентрации озона - в подветренной части мегаполиса, а в наветренной они больше, чем в центре города, где концентрация оксидов азота немного меньше, чем на юго-востоке города. Видно, что в центре города (ст. Спиридоновка) концентрации озона самые низкие, что на северо-западной окраине Москвы (Туристская) концентрация первичных выбросов NO примерно равна концентрации в расположенном на северо-западе от Москвы пригороде (Зеленоград). Анализ продолжительных рядов измерений приземного озона (ЦАО, ИФА РАН, Мосэкомониторинг) в период с 2002 г. показал, что в «нормальных» метеорологических условиях, к числу которых относятся выраженный перенос 180 180 1.06-18.07 2010 160 3 120 100 NO 80 60 NO2 120 100 40 20 Зел-ад Турис-ая Спир-ка Мар.парк 0 Б 1 - 11 июля 140 120 Концентрация, мк/м 3 3 Концентрация, мк/м В NO 100 80 Спир-ка Мар.парк NO2 60 20 Спир-ка Мар.парк Г О3 80 20 Турис-ая NO 100 40 Зел-ад 11 - 13 июля 120 40 0 Турис-ая 160 О3 140 60 Зел-ад 180 180 160 NO 60 20 0 NO2 80 40 А 20 - 26 июня О3 140 О3 Концентрация, мк/м Концентрация, мк/м 3 140 160 0 NO2 Зел-ад Турис-ая Спир-ка Мар.парк Рисунок 5.7. Средние максимальные суточные концентрации О3, NO, NO2 (мкг м-3) в Московском регионе. а)1.06-18.07, б)20-28.06, в)1-11.07, г) 13-18.07. 2010 г. (красная линия- О3, зеленая- NO2, синяя с маркерами- NO). 186 в АПС со скоростью ветра не меньше 5 м с-1и отсутствие положительных температурных аномалий, уровень приземного озона значительно ниже критических величин (ПДКм.р.) и опасности для окружающей среды не представляет. По нашим расчетам (последние 5 лет) 85-88% изменчивости концентраций приземного озона в Москве находится в интервале до 100 мкг м3 , 95-97% - до 120 мкг м-3. Принимая за критерий редкого явления верхнюю 3- 5%-ую повторяемость, аномально высокой концентрацией будем называть величину концентрации, превышающую 120 мкг м-3 озона. При этом важно разделять факторы, регулирующие аномально высокий уровень озона. По результатам наших исследований к их числу следует отнести не только фотохимические процессы генерации озона в загрязненном городском воздухе, но и перенос озона из свободной тропосферы. При определенных условиях адвекция из тропосферы может привести к ситуации с нарушением, например, принятых за рубежом нормативов (усредненная за 8 часов концентрация больше 100 или 120 мкг м-3). Ставя цель получить представление о вкладе природных и антропогенных факторов в формирование аномально высоких концентраций, проведен анализ ситуаций и атмосферных условий, при которых максимальные уровни озона в приземном воздухе формируются в основном за счет тропосферного озона. При постановке задачи учитывалось, что зимой фотохимическое производство озона в наших широтах отсутствует, а в теплый сезон вклад фотохимии становится незначительным при интенсивном вертикальном обмене. Значительные сдвиги скорости ветра являются частью условий, когда не происходит необходимого накопления предшественников для фотохимического производства озона, а в приземный слой поступает богатый озоном тропосферный воздух. Анализ данных измерений на АСКЗА в 2009 и 2011 гг. позволил установить (табл.5.5), что при скорости ветра в АПС 12-17 м с-1, т.е. за счет переноса из свободной тропосферы: - зимой концентрации приземного озона повышаются до 70-90 мкг м-3; 187 -весной (март-апрель, период максимума ОСО) концентрации приземного озона повышаются до 115-145 мкг м-3, летом - до 90-100 мкг м-3. В противоположном секторе динамического диапазона атмосферных процессов, влияющих на уровень приземного озона, находятся благоприятные для фотохимической генерации озона условия: слабый перенос в нижней тропосфере и высокий температурный фон. Озоновые эпизоды за счет антропогенного озона в Московском регионе формируются исключительно в теплый сезон – с мая по август. Таблица 5.5. Максимальная концентрация приземного озона (мкг м-3) при скорости ветра в АПС 12-17 м с-1 на магистральной станции (Кутузовский), в жилой городской и загородной зонах (Туристская и Зеленоград соответственно). 2009, 2011 гг. январь Кутузовский 1 2009 63 2011 93 Зеленоград мр 15 Туристская Февраль Кутузовский 1 89 56 69 58 43 102 Зеленоград мр 15 Туристская Март Кутузовский 1 63 31 85 70 88 107 Зеленоград мр 15 Туристская 130 104 109 86 Апрель Кутузовский 1 Июль Кутузовский 1 Зеленоград мр 15 Туристская Август Кутузовский 1 Зеленоград мр 15 Туристская Сентябрь Кутузовский 1 Зеленоград мр 15 Туристская 100 52 87 71 63 69 94 82 123 97 25 43 31 73 Кутузовский 1 53 24 76 0 58 46 Зеленоград мр 15 150 116 Туристская 145 81 Туристская Май Зеленоград мр 15 2011 Октябрь Зеленоград мр 15 Кутузовский 1 2009 Ноябрь 54 Кутузовский 1 36 30 90 Зеленоград мр 15 46 0 188 Туристская 75 Туристская Июнь 25 54 Декабрь Кутузовский 1 73 Кутузовский 1 52 46 Зеленоград мр 15 100 Зеленоград мр 15 71 0 Туристская 88 Туристская 40 60 В ходе анализа ситуаций с высоким уровнем приземного озона на АСКЗА установлено, что необходимым условием озонового загрязнения является высокий фон температуры приземного воздуха: +26, 27 ºС и выше (или от 18 ºС на и.п.925 гПа, на которой в масштабах мегаполиса отсутствует выраженная пространственная неоднородность температуры). Эти данные подтверждают ранее полученные результаты, например [200,159,204]. Многокомпонентность образования озона неопределенности в в и нелинейность мегаполисе формировании фотохимических обусловливают аномально большую высоких реакций долю концентраций приземного озона – лишь часть ситуаций с высоким фоном температуры и слабым ветром в АПС сопровождаются фотохимическим смогом. На рис. 5.8 (слева) показана зависимость О3мах от скорости переноса в АПС при температуре приземного воздуха не менее 27 ºС. Видно, что в городском воздухе самые высокие концентрации озона наблюдаются при скорости ветре меньше 5 м с-1, но значительная часть таких метеорологических условий не обеспечивает повышения уровня озона до критических величин, т.е., доминирует деструктивный эффект активной химии в загрязненной городской среде. Не нарушая физических закономерностей озонового загрязнения, при тех же атмосферных условиях в окрестностях мегаполиса уровень озона выше, чем в городе как следствие установления в АПС необходимого для активной фотохимии равновесия прекурсоров. На рис. 5.8 (справа) представлена зависимость максимальной суточной концентрации от скорости в АПС по наблюдениям в Звенигороде и Зеленограде; видно, что концентрации больше 120 мкг м-3 здесь наблюдаются в жаркую погоду при скорости до 10-12 м с-1. 189 Рисунок 5.8. Связь скорости ветра (и.п. 925 гПа) и О3мах на городских станциях (слева) и пригородных (справа). Лето 2010 г. (без пожаров) и 2011 г. Благодаря более активным процессам конвективного перемешивания над городским ландшафтом и выносу в верхнюю часть АПС прекурсоров озона, там, по-видимому, устанавливается динамическое равновесие между предшественниками озона и продуктами реакций [80,165]; в результате фотохимической генерации в слое над землей концентрации озона могут оказаться больше, чем в приземном слое (более подробно это будет обсуждаться в разделе 5.6). На связи озона с метеорологическими условиями в значительной мере оказывают влияние озонообразующие вещества в городском воздухе; к числу последних относятся летучие органические соединения (ЛОС) и выполняющие каталитическую функцию оксиды азота [80,94]. Оценка связи озона с диоксидом азота показала, что коэффициент корреляции между ними составляет 0.5-0.6, а связь О3мах с оксидом азота (первичным загрязнителем) практически отсутствует, что вполне укладывается в представления о химических свойствах NO, его высокой реактивности и малой продолжительности жизни в атмосфере [165,80,214]. Важным результатом исследований является и то, что подтверждена устойчивая связь О3мах с влажностью воздуха в часы максимального прогрева приземного воздуха (R≈-0,6). Наиболее тесная прямая связь О3мах максимальной температурой (R≈0,7-0.8), что находится в соответствии с выводами многих научных исследований [167,84,156], в т.ч. отечественных - [204,200,80,206]. 5.3 Метеорологических условия и прогноз аномальных уровней приземного озона в Москве Выше показано, что эпизоды с аномально высокими концентрациями озона возникают в определенном диапазоне величин метеорологических параметров. Установление соответствия сопутствующих озоновым эпизодам атмосферных условий дает основание выделить комплекс метеорологических 190 параметров с характерным уровнем приземного озона, не используя в явном виде характеристики интенсивности фотохимических процессов. Такой подход широко используется при построении стохастических моделей редких природных процессов, в т.ч. при разработке методов прогноза загрязнения воздуха [63]. По существу разработанная нами метеорологическая модель приземного озона для московского региона является синоптико – статистической, поскольку ее основу составляют установленные связи атмосферных процессов (синоптической ситуации) с формированием имеющих малую повторяемость концентраций озона, т.е. аномальных уровней. Как всякое нарушение равновесия в природных системах такие процессы экологически опасны. Хорошо известно, что дефицит озона приводит к резкому ослаблению окислительных свойств атмосферы, а избыток озона - увеличение до превышающей природный уровень концентрации создает условия для проявления его токсических свойств. Озон в высоких концентрациях, воздействуя на органы дыхания, вызывает необратимые изменения в легких, разрушает резину, лакокрасочные покрытия и полимеры, окисляет металлы [80,156]. Сделаны выводы о негативном влиянии высокого озона на урожайность сельскохозяйственных культур [215], об ответственности озона вместе с некоторыми другими загрязнениями за угнетение и гибель растительности в зоне антропогенного влияния, где уровень загрязнения превышает предел выносливости многих растительных сообществ [80]. С учетом существующих представлений о пороговом воздействии озона, о его источниках и стоках, установленных особенностях сезонной и внутрисуточной изменчивости, сформулируем концептуальные положения синоптико-статистической модели приземного озона, предназначенной для идентификации аномальных уровней озона: - главными механизмами, ответственными за наполнение озоном приземного воздуха в часы суточного максимума, являются перенос озона из свободной тропосферы и фотохимическая генерация; 191 - антропогенный озон становится конкурентом для доминирующего поступления тропосферного озона (по воздействию на приземный уровень) в условиях ослабленного перемешивания в АПС с сопутствующим накоплением предшественников озона, необходимых для значительного фотохимического производства озона; - динамическому диапазону аномально высоких максимальных концентраций приземного озона соответствует различающийся по сезонам ряд и комплекс метеорологических параметров. - метеорологическая модель представляет собой систему комплексной оценки нелинейно определенная воздействующих комбинация которых метеорологических количественно факторов, представляется метеорологическим параметром загрязнения озоном (МПЗоз). Для количественного загрязнения озоном индексирования применена метеорологических полученная на основе условий установленных эмпирических связей неравномерная шкала условных единиц МПЗоз (от 0.1 до 1). Каждому индексированному типу МПЗоз соответствует комплекс метеорологических параметров и тип синоптической ситуации. Принято, что обеспечивающий средний сезонный уровень концентраций озона комплекс атмосферных условий во все сезоны индексируется числом МПЗоз=0,4. В холодный период с климатически низким содержанием озона в приземном воздухе самые существенные повышения концентрации озона до 50-90 м-3 мкг с многократным превышением фоновых значений (положительные аномалии), наблюдаются (табл. 5.6): а) в зоне активного атмосферного фронта (холодного или фронта окклюзии); в теплом секторе глубокого циклона при наличии там мезоструйного течения. Характерными признаками являются порывы ветра у земли от 10 м с-1, часто сопровождаемые метелью и выпадением снега. б) в эпизодах субстратосферных вторжений. В теплый период отрицательные аномалии озона, обусловливающие ослабление окислительной способности атмосферы, являются следствием 192 интенсивной деструкции озона или стока в периоды устойчивой дождливой влажной погоды в зоне малоподвижных фронтов, в центре циклона (табл. 5.6). Кодируется указанный тип погодных условий самым низким индексом МПЗоз=0,1. Таблица 5.6. Условия, способствующие аномально высоким концентрациям приземного озона, и соответствующая кодировка МПЗоз в холодный период. сопутствующие явления озон холодный период С(мкг/м3) 50-80 уровень повышенный Средний сезонный Синоптич. процессы осадки, явления скорость ветра в АПС зона снег, метель быстродвижущегося атмосферного фронта : холодного или фронта окклюзии, сопровождающегося порывистым сильным ветром. Л б за исключением вышеназванных условий Код 15-17 м/с и больше, у земли порывы 10 м/с и более 0.6 менее 12-13 м/с 0.4 В теплый период так же, как и в холодный сезон, повышенные уровни озона формируются при активизации вертикального перемешивания при усилении ветра в АПС более чем до 11-13 м с-1 , в т.ч., в зоне атмосферных фронтов. Условия, обеспечивающие интенсивный транспорт озона из верхних тропосферных уровней и повышение концентраций озона в приземном воздухе, выделены в отдельную группу МПЗоз=0,6 (табл. 5.7). В теплый период необходимым условием положительной аномалии озона является повышенный или высокий фон озонообразующих газов. Группа метеорологических условий, сопровождающихся ростом концентраций приземного озона за счет активизации фотохимических процессов, разделена на две: МПЗоз=0.7 предполагает повышение уровня озона до критических уровней (меньше ПДКм.р.), МПЗоз=0.9 – достижение и превышение опасного уровня (больше ПДКм.р). В таблице 5.7 представлена схема идентификации синоптических условий и метеорологических параметров «метеорологической» модели аномалий приземного озона в Москве. 193 Самый высокий индекс МПЗоз=1 присвоен ситуациям, связанным с переносом загрязненного воздуха из районов лесных/торфяных пожаров в периоды аномальной сухой и теплой погоды. Лесные и торфяные пожары в центре ЕТР в последние десятилетие неоднократно оказывали заметное негативное влияние на качество воздуха в московской области и мегаполисе (2002, 2007, 2010 гг.). Среди озоногенерирующих веществ в дымовых газах идентифицировано более 50 легколетучих соединений (метан, бензолы, альдегиды и алкены, спирты, карбонильные соединения и др.); многие углеводороды сразу же включаются в фотохимические процессы, и поэтому в дымовом шлейфе наблюдается резкое повышение концентрации озона [80,164,232]. Таблица 5.7. Соответствие аномально низких и аномально высоких уровней приземного озона синоптическим условиям и метеорологическим параметрам. Москва. н и з к и й 110-159 160-240 ≥ 160* 30-100 а н о м а л ь н о в ы с о к и й моросящие выше 80 от умеренных - до сильных выше 80 дожди холодного фронта (в следующие сутки) 55-70 слабые Теплый сектор антициклона или циклона перед холодным фронтом (март- апрель: ночью и днем) 50-65 Теплый фронт на периферии циклона 2 Центр циклона с выраженной фронтальной зоной Холодный фронт, тыловая часть фронтальной зоны при прохождении Тыловой фгребень после прохождения 3 4 5 100-135 выше 80 1 6 7 Теплый сектор антициклона или циклона, малоградиентное барич. поле в период устойчивой аномально теплой погоды Малоградиентное барическое поле, аномально теплая погода длительностью не менее 1 суток, ночью и ранним утром - 25-50 МПЗ оз о Синоптические процессы скорость в АПС м с-1 а н о м а л ь н осадки уровень Сопутствующие явления отн.влаж-ть % не более 30 Сут.мах, мкг м -3 теплый сезон любая 0.1 10-15 без осадков, у земли пор. малооблачно ≥10 переменная облачность, 3-6 отдельные дождь, грозы 0.6 0.7 25-50 без осадков 3-6 0.9 до 50 без осадков до 10 1.0 8 Перенос воздушной массы в нижней атм-ре из района горящих природных пожаров (периферия антициклона или б ) средн.сезон. другие синоптические ситуации 0.4 194 В Московском регионе в период пожаров формировались смоговые ситуации с высокими концентрациями озона. В 2002 г. в приземном слое концентрации озона повышались до 276 мкг м-3 [159]. В 2010 г. зафиксированы экстремально высокие концентрации озона: 6 августа на ст.Зеленоград 508 мкг м-3, на ст.Звенигород 403 мкг м-3, на ст.Долгопрудный 344 мкг м-3; наибольшая 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1.8 1.8 1.8 2.8 2.8 3.8 3.8 3.8 4.8 4.8 5.8 5.8 6.8 6.8 6.8 7.8 7.8 О3, мкг м-3 концентрация в пределах МКАД составила 328 мкг м-3 [163,96,58,166]. Туристская Марьинский парк Звенигород Рисунок 5.9. Приземная концентрация озона (мкг м-3) в Москве и окрестностях в период смога от лесных пожаров 1-7 августа 2010 г. Временную динамику максимальной суточной концентрации озона, измеренной различными приборами на станциях ИФА-РАН (территория МГУ, Ленинские горы) и в ЦАО (г.Долгопрудный), можно проследить на рис. 5.10 . Рис. 5.10. Максимальная за сутки концентрация озона (млрд-1) на ст. ИФА-РАН МО МГУ (желтый маркер) и в ЦАО, г. Долгопрудный (синий маркер). 11 июля-20 августа 2010 г. (1млрд-1≈ppb примерно 2 мкг м-3). 195 Как видно, и в период пожаров, когда адвекция доминировала над локальными процессами фотохимической генерации озона, в городе (ИФАРАН) уровень приземного озона чаще всего был немного ниже, чем в ближнем пригороде, т.е. эффект деструкции озона в воздухе мегаполиса проявляется и при региональном загрязнении атмосферы. Наряду с траекторным анализом для прогнозирования динамики ситуации на основе стохастической модели одним из эффективных средств повышения точности прогноза является спутниковая информация. Рис. 5.11, где представлены спутниковые снимки TV MODIS, наглядно показывает сложную структуру поля задымления, предсказать его изменения в ближайшие часы или сутки выполнимо при сочетании спутниковой диагностики и прогноза метеопараметров. Рисунок 5.11. Задымление 1 августа (слева) и 6 августа (в центре), MODIS (звездочка- Москва, синий овал - Н.Новгород). Справа – карта погоды 6 августа 2010 г. при экстремально высоком уровне озона в Московском регионе. При распространении продуктов горения лесов наблюдаются не только количественные изменения состава воздуха, но и временные сдвиги суточных экстремумов загрязнения. Анализ озоновых эпизодов 2010 г. показал: интенсивное производство озона в насыщенном газами-предшественниками воздухе способствовало увеличенному периоду озонового загрязнения и по критерию 8-часовых скользящих, и по ПДКм.р. [159,163,166,161,162]. Если в суточном ходе характерное время начала разрушения дневного максимума озона в городе приходится на 18 ч (за городом – 19 ч), в период интенсивных пожаров (до 6 августа) оно сдвигалось на 19-20 ч (за городом – на 21-22 ч). Второй отличительной особенностью внутрисуточного хода приземного озона 196 при интенсивных пожарах оказалось раннее появление повышенных концентраций озона - вместо типичного времени – около 14 ч – в 11-12 ч, что совпадает по времени с разрушением радиационной инверсии и конвективным прорывом пограничного слоя атмосферы[54]. Все это указывает на высокую степень опасности озонового загрязнения при пожарах, обусловленную и высокими концентрациями (в 2-3 раза выше обычного) и увеличенным (почти в 2 раза) периодом их воздействия, следовательно, и обоснованность присвоения ситуациям с распространением продуктов природных пожаров, включая озон, наиболее высокого индекса МПЗоз=1. 5.4. Региональная синоптико – статистическая модель приземного озона Описанная выше (раздел 5.3) синоптико-статистическая модель была построена на данных наблюдений за концентрациями приземного озона в городе Москве. Ориентированные исследования последних лет с использованием наблюдений не только на городских, но и на удаленных от Москвы загородных станциях ГПБУ «Мосэкомониторинг» (Звенигород и Зеленоград) и в Обнинске показали, что в условиях образования высоких уровней озона в окрестностях мегаполиса имеются специфические отличия. В таблице 5.8 показан полный ряд идентифицированных случаев аномально Таблица 5.8. Повторяемость (ч.с.) озоновых эпизодов с высокими концентрациями приземного озона О3 (≥0.8ПДКм.р.) в Москве и окрестностях. год 2002 2003 2004 2005 2006 Кол-во 9 2 1 1 6 дней *Москва,/Звенигород и Зеленоград/ Обнинск 2007 2008 2009 2010 2011 3 1 0 20/35/9* 2/7/0* высоких концентраций озона в городе с 2002 г, в окрестностях с 2009 г., которые указывают на то, что чаще всего высокие уровни озона наблюдаются в ближних пригородах (30-50 км), чем в Москве, а реже всего на удалении (более 100 км) от города. 197 Установлено, что высокие уровни озона на удаленных от границ мегаполиса на 40-50 км (ст. Звенигород и Зеленоград) наблюдаются при переносе в атмосферном пограничном слое из восточного и юго-восточного м к г/м 3 м к г /м 3 секторов, т.е. исключительно в московских шлейфах (рис.5.12). 200 200 150 150 100 100 50 50 0 0 МахЗагород. 40 80 120 160 200 240 280 320 dd 360 dd 0 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 МахЗагород. б) а) Рисунок 5.12. Связь максимальных суточных концентраций О3 на удаленных от мегаполиса станциях (Зеленоград, Звенигород) с направлением переноса в АПС (и.п.925 гПа): а) концентрация О3 до 0,8ПДКм.р. (меньше 128 мкг м-3), б) концентрация О3≥0,8ПДКм.р.. Лето 2010-2011 гг. (Ось Х – направление переноса (dd) в градусах). В ближних окрестностях, как и в Москве, повышенные и высокие концентрации наблюдаются при определенном типе погодных условий: в жаркую сухую малооблачную погоду. Но в отличие от мегаполиса диапазон «опасной» скорости переноса в АПС (при которой наблюдаются озоновые эпизоды) намного шире до 8 -12 м с-1 (в Москве – не больше 5 м с-1) . Значительным шагом в понимании регионального загрязнения озоном стали исследования с использованием данных наблюдений в Обнинске, начатых в 2010 г с помощью современной измерительной аппаратуры. В аномально жаркое лето 2010 г здесь наблюдалось всего 3 случая с уровнем приземного озона больше ПДКм.р. и 9 календарных дней с концентрацией 0.81ПДКм.р. (ситуации с влиянием пожаров исключены). В 2011 г. зафиксирован только один случай О3мах близкой к ПДКм.р. (156 мкг м-3). Из всех рассмотренных случаев кратко опишем ситуации с самыми высокими уровнями озона (163-171 мкг м-3) в Обнинске, которые наблюдались 10-12 июля 2010 г. (до лесных пожаров) при переносе в АПС с северо-востока 198 на периферии антициклона; днем температура воздуха повышалась до +31º. Озоновому загрязнению в Обнинске, максимумы которого наблюдались в послеполуденные часы, в ночное время предшествовали СТНУ и приземная температурная инверсия 2-5ºС в слое до 300 м. Анализ данных на станциях в Москве показал, что в эти дни содержание озона в приземном воздухе было невысоким. Следовательно, в Обнинске июльский озоновый эпизод имел не адвективную природу, а был результатом фотохимической генерации озона в шлейфе московских загрязнений при высоком уровне ультрафиолетового облучения. Отдельно надо подчеркнуть роль нижнеуровневого струйного течения, благодаря которому, по-видимому, создавались благоприятные условия для транспорта из Москвы озоногенерирующих веществ. В озоновом эпизоде 2 июня 2011 г., когда концентрация в воздухе Обнинска приближалась к критическому уровню (156 мкг м-3), сложилась благоприятная для активной фотохимической генерации озона ситуация: установилась жаркая (+27ºС) и сухая погода, ночью сформировалась инверсия температуры величиной 9ºС (по данным ВММ -в слое до 300 м). Но в отличие от эпизода 2010 г в малоградиентном антициклоне (рис. 5.13) при такой ночь день Рисунок 5.13. Синоптическая ситуация, благоприятная для регионального озонового загрязнения. 2 июня 2011 г. 199 значительной радиационной инверсии ночью мезоструйное течение не сформировалось. По-видимому, это стало главной причиной того, что в дошедшем до Обнинска московском шлейфе количество прекурсоров было меньше, чем в рассмотренном выше эпизоде 2010 г., и концентрация озона в приземном воздухе лишь приблизилась к ПДКм.р. (160 мкг м-3), в то время как в московском регионе О3мах в этот день уровень озона повышался до 165 мкг м-3. Рассмотренные случаи позволяют сделать вывод, что в Обнинске озоновые эпизоды формируются вследствие адвекции озоногенерирующих веществ и озона из московского региона. Обязательными факторами появления озоновых эпизодов являются благоприятные для активной фотохимии погодные условия (солнечная радиация, тепло, низкая влажность), позволяющие а) предшественникам озона достигнуть в нижних слоях атмосферы необходимых для фотохимии соотношений, б) транспортировать их и озон в удаленные районы. СТНУ играют часто определяющую роль в формировании высоких уровней за пределами мегаполиса, на это ссылаются в частности, в работах [229,227]. Для оценки влияния озона кроме критерия ПДКм.р, ВОЗ рекомендуется еще один показатель – максимальная за сутки усредненная за 8 ч концентрация озона (О3мах8) [81]; по уточненным на основании результатов массовых медицинских исследований в последние годы считается, что содержание озона О3мах8>100 мкг м-3 представляет угрозу здоровью людей. По данным имеющихся измерений в Обнинске проведен анализ этой характеристики (О3мах8 ) в летний период 2010 г. до пожаров (1 июня- 18 июля) и 2011 г. Оказалось, что число случаев превышения пороговых величин О3мах8>100 мкг м-3 в Обнинске составило в 2010 г. - 16, в 2011 г. -9. Т.е. повторяемость нарушения этого критерия качества воздуха в аномально жарком и сухом 2010 г. составила 33% (до пожаров), а летом 2011 г. – около 10 % (в среднем 18%). Хотя Обнинск чаще попадал под влияние шлейфа Москвы (рис. 5.14), по-видимому, в 2011 г. отсутствовали другие необходимые для озоновых эпизодов факторы. 200 Можно заметить, что на рис.5.14 выделяется наибольшей частотой северо-восточный перенос, а также восточный - юго-восточный перенос. Не исключено, что при юго-восточном ветре повышенный уровень озона в Обнинске формируется в шлейфе загрязнений от имеющей высокую нагрузку транспортной развязки (автомагистраль), возможно также влияние Серпухова, небольшого города с предприятиями химической, текстильной и металлургической промышленности, расположенного почти в 60 км на юговостоке от г.Обнинска. лето 2010 г лето 2011 г 20 30 СЗ С 20 СЗ СВ 0 В В ЮВ Ю СВ 5 З 0 ЮЗ 15 10 10 З С ЮЗ ЮВ Ю Рисунок 5.14. Повторяемость направлений ветра на высоте 300 м по данным измерений на высотной метеорологической мачте в Обнинске. Лето 2010,2011 гг. Результаты анализа условий формирования повышенных и высоких концентраций озона (О3мах8 -25 сл., О3мах - 3 случая) позволили сгруппировать сопровождающие и обусловливающие их характерные признаки в три типа; при составлении типизации учитывались данные об УФР, облачности, температуре и ветре в АПС, синоптическая информация, а также данные измерений оксидов азота в пункте мониторинга в г.Обнинске. Четко сгруппировались 3 типа признаков озонового загрязнения в Обнинске (табл.5.9), другие - содержат единицы случаев и требуется уточнение признаков на более представительной выборке. Так, в частности, один случай повышения озона явно не связан с фотохимическим приращением озона, а обусловлен притоком тропосферного озона в зоне активного холодного атмосферного фонта. 201 Таблица 5.9. Классификация признаков высоких уровней приземного озона (О3мах≥0.8ПДКм.р или О3мах8≥ 100 мкг м-3) в Обнинске. (V300 – скорость ветра на высоте 300 м на ВММ) Уровень озона ти п 1 2 3 Синоптическая ситуация Малоградиентно е барическое поле Южная, югозападная периферия антициклона (редко северная периферия южного циклона) Южная, юговосточная периферия антициклона (редко северная периферия южного циклона) Перенос в АПС скоро сть ветра (м с1 ) V300 ≈ 1-3 Тмах ºС УФР макс (мВт м-2) Облачност ь ≥3000 переменная Москва пригоро д Слабый О3мах переменны 0.8-1.0ПДКм.р й О3мах ≥ ПДКм.р О3мах ≥ ПДКм.р Юговосточный шлейф О3мах <ПДКм.р . 70% 25-32 О3мах ≥ПДКм.р V300≥ 7, вкл., СТНУ ≥3000 переменная О3мах8 О3мах 85% 26-33 О3мах (65% <0.8ПДКм.р <ПДКм.р V300≥ 7, ≥ 0.8ПДКм.р) вкл., СТНУ ≥3000 переменная Северовосточный шлейф (Москвы) Обнинск О3мах8 27 Наибольшее содержание предшественников озона отмечалось в первой группе признаков (тип1): концентрация NO 16 мкг м-3, NO2 78 мкг м-3. Максимальные концентрации оксидов азота в утренние часы в группе 3 и 2 небольшие и примерно равные (NO 3-11 мкг м-3), а диоксида азота в группе 2 примерно на 10 мкг м-3 меньше, чем в группе 3 (соответственно NO2 30-58 мкг м-3 и 40-70 мкг м-3). Полученные результаты анализа метеорологических условий озонового загрязнения в московском мегаполисе и в Обнинске позволили усовершенствовать методику определения метеорологического параметра загрязнения озоном МПЗоз (табл.5.7) за счет расширения границ области 202 применения и учета новых предикторов, а также сформулировать основы региональной синоптико-статистической модели озонового загрязнения, схема которой представленная в таблице 5.10. Разработанная синоптико-статистическая модель озонового загрязнения основывается на данных наблюдений за озоном на сети Мосэкомониторинг, в ЦАО и частично на станции ИФА РАН на территории МГУ, а также на начатых в 2010 г. измерениях озона в Обнинске. «География» станций, как видно, не охватывает все секторы мегаполиса и ближайших окрестностей, что не позволяет изучить особенности озонового загрязнения при всех направлениях переноса в регионе. При этом возникает целый ряд вопросов: • каков вклад локальных источников загрязнения на пути распространения московского шлейфа; • какова протяженность московского шлейфа с достаточным для процессов активной генерации озона количеством загрязняющих веществ – предшественников озона; • каково соотношение образованного в воздухе Москвы озона и наработанного в фотохимических реакциях при переносе загрязненного воздуха на подветренные территории. Сегодня дефицит натурных данных в окрестностях мегаполиса не позволяет получить ответы на эти и многие другие вопросы вопросы. Любые Таблица 5.10. Соответствие атмосферных процессов и метеорологических характеристик аномально высокому озоновому загрязнению (I, III) в Москве, в ближних пригородах и на удаленных территориях 203 тип на высоте и.п. 925 гПа диапазон концентраций приземного озона облачность ближние (балл) окрестности направление скорость Обнинск Москва -1 на СЗ переноса (м с ) от Москвы Синоптическая ситуация: малоградиентное барическое поле, утром инверсия температуры, Тмах. ≥27ºС V(н.) ≤5 V(д.) ≤ 3 I.1 малооблачно ( ≤ 3) неустойчивое В, ЮВ ночью,утром мезоструя МПЗ индекс О3мах≥ 0.8ПДКм.р. 0.9 О3мах≥ 0.8ПДКм.р. СВ О3мах≥ 0.8ПДКм.р. СВ О3мах8≥100 Синоптическая ситуация: западная, юго-западная, северная периферия антициклона, редко-теплый сектор циклона; утром инверсия температуры, Тмах ≥27ºС; возможны локальные кратковременные дожди Обнинск: южная, юго-восточная периферия антициклона, редко теплый сектор южного циклона, Тмах (Обн). ≥25 ºС О3мах≥ I.2 О3мах8≥100* В, ЮВ 0.8ПДКм.р. 0.8ПДКм.р. V(н., д.) ≤ О3мах < ≤ 5-7 О3мах ПДКм.р СЗ, З, Ю переменная ≤ 0.8ПДКм.р (до 5 - 6) ночью, утром СТНУ О3мах ≤ 0.8ПДКм.р О3мах8≥100 СВ (85%) V(д.) 7-10 Синоптическая ситуация: теплый сектор циклона (антициклона) перед атмосферным фронтом; как правило, окончание периода (I) II переменная V(н.) ≤ 5 преимуществен О3мах ≤ ПДКм.р редко до 7 V(д.) 10 - но О3мах8≥100 13 ЮВ, Ю, ЮЗ Синоптическая ситуация: чаще всего периферия антициклона или теплый сектор циклона, малоградиентное барическое поле, без осадков III любая любая из сектора ≥ ПДКм.р горения 0.7 0.6 1.0 экспериментальные наблюдения, в частности, результаты, полученные в трансконтинентальных экспедициях TROICA ИФА РАН, представляют и 204 практический, и научный интерес. В контексте актуальности регионального загрязнения и влияния удаленных источников примечателен зафиксированный в одной из экспедиций эпизод озонового загрязнения на российском Дальнем Востоке (концентрация озона превысила 300 мкг м-3), который, по мнению авторов [216], был обусловлен дальним переносом предшественников и озона. Без инструментального подтверждения трудно восстановить целостную схему озонового загрязнения в московском регионе; но с высокой степенью доверия разработанная на географически ограниченном материале синоптикостатистическая модель может быть использована для своего рода «реконструкции» наиболее опасных ситуаций, что имеет особую ценность на этапе внедрения в практику численных моделей загрязнения, предполагающих расчеты концентраций приземного озона с высоким разрешением и по времени, и в пространстве. 5.5. Статистические методы прогноза максимальной за сутки концентрации приземного озона. Главная цель наших исследований – своевременное предсказание опасных для окружающей среды изменений качества воздуха. Как известно, озоновые эпизоды формируются за счет антропогенного озона, а его фотохимическая генерация в условиях достаточной солнечной облученности и сопровождающих процессов деструкции зависит от количества и соотношения прекурсоров - углеводородов и окислов азота [80]. Эту зависимость крайне сложно описывать, тем более прогнозировать не только из-за нелинейности и многофакторности процессов, но и вследствие большой неопределенности в конкретных условиях Московского мегаполиса эмиссий озонообразующих органических соединений и окислов азота. В определенной мере задача упрощается, если ставится цель прогноза не всего диапазона изменчивости явления, а его части, в нашем случае – аномально высоких концентраций озона, понимая под аномалией значительное превышение а) среднего сезонного уровня, б) установленных критериев опасных величин концентрации. В такой 205 постановке задачи разработка синоптико-статистической модели вполне оправдана, а количественный параметр модели (МПЗоз) в качестве предиктора уже нашел применение в статистических моделях озона. На раннем этапе эволюционирующего представления о закономерностях озонового загрязнения приземного воздуха в мегаполисе, с участием автора разработаны синоптико-статистические модели для прогнозирования максимальных суточных концентраций озона. Отметим, первая в России статистическая модель максимальной суточной концентрации приземного озона была разработана еще в 1996 г. А.М. Звягинцевым и др. [217,204] по данным наблюдений за приземным озоном в ближнем пригороде Москвы (г. Долгопрудный). В качестве предиктанта и предикторов в той модели использованы отклонения от «норм». Позже по данным наблюдений в последующие годы Звягинцевым А.М.регрессионная модель была усовершенствована за счет расчетов «норм» и регрессионных коэффициентов. Усовершенствованная модель основана на установленных статистических связях озона с различными метеорологическими параметрами. В частности, (по данным наблюдений ИФА РАН - МГУ в 2002-2005 гг.) для прогноза максимальной суточной концентрации озона с апреля по сентябрь получена формула, учитывающая всего 3 характеристики-предиктора: аномалию максимальной суточной концентрации озона в предыдущий день(∆С(d-1)); величину аномалии максимальной температуры воздуха на день прогноза(∆ Т(d)); величину аномалии относительной влажности на день прогноза(∆ Т(d)). Успешность этого метода прогнозирования оценивалась по наблюдениям на АСКЗА «Мосэкомониторинг» в период апрель-сентябрь 2007 г. Качество прогноза для станции МГУ - ГПУ «Мосэкомониторинг» проиллюстрировано на рис.5.15.а по данным августа 2007 г. – месяца, когда на ряде московских станций и в г. Долгопрудном [218,219] наблюдались концентрации приземного 206 озона, близкие к предельно допустимым. Видно, что на станции МГУ прогнозы близки к данным наблюдений. а) 250 80 Ошибки прогноза О3 (мкм/м3) статистической модели 60 200 40 150 20 0 100 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 -20 -40 50 прогноз с МПЗоз 0 2.6 б 9.6 16.6 прогноз без МПЗоз 23.6 30.6 7.7 14.7 -60 измерения 21.7 -80 28.7 Ошибка прогноза О3 без МПЗ Ошибка прогноза О3 с МПЗ оз в Рисунок.5.15. а): Максимальная суточная концентрация озона (1) ст. МГУ «Мосэкомониторинг», нормы озона каждого дня (2), методический прогноз (3); б) измеренные и рассчитанные по статистической модели максимальные суточные концентрации (О3 мкг/м3) с учетом параметра МПЗоз и без него; в) расчетные ошибки. Москва. Июнь-июль 2010 Было установлено, что учет в прогнозе МПЗоз приводит в среднем к небольшому завышению, а неучет - к занижению максимума О3; самые большие ошибки расчетов пришлись на диапазон наибольших уровней приземного озона – на конец июля, когда начинали распространяться шлейфы продуктов горения природных пожаров (рис.5.15 б, в). Но следует отметить, 207 что зафиксированные в это время в регионе концентрации превышали приведенные на рис.10 величины, т.е. учет МПЗоз «настраивает» на экстремальные уровни озона. В пользу его включения в схему статистического прогноза свидетельствует рассчитанный коэффициент детерминации уравнения связи прогноз – измерения, с учетом МПЗоз R2=0.88, без учета R2=0.81. Не вдаваясь в детали статистической модели максимальной суточной концентрации озона, описанной во многих научных публикациях, отметим, что в усовершенствованный вариант модели был включен предиктор МПЗоз, оказавшийся эффективным при тестировании статистической модели на данных 2002 и 2005 гг. В частности, получено, что если без учета МПЗ в 2002 г. удалось предсказать 4 из 8 случаев превышения ПДКм.р., то с его учетом непредусмотренных высоких концентраций не было. Базовые положения этой модели с учетом опыта зарубежных и отечественных исследований основой разработки для [160,202,221,222,217,172,169,170,223] метода синоптико-статистического стали прогноза максимальных суточных концентраций в теплый сезон на характерных территориях Москвы (примагистральные, смешанного влияния, жилые районы) [205]. Для каждого типа территории по выборке данных АСКЗА в 2002-2006 гг. получены статистически значимые авторегрессионные уравнения. Метод основан на текущих измерениях уровней озона и прогнозах метеопараметров, а также синоптической обстановки. В общем виде уравнения для расчета максимальной суточной концентрации озона выглядят следующим образом: Озмах = a1O3мах(d-1) + a2МПЗоз + a3Tмах + a4RH+…. a5С+ а0, где O3мах (d-1) – суточный максимум озона в предшествующие прогнозу сутки; МПЗоз- метеорологический параметр загрязнения озоном; RН – минимальная относительная влажность воздуха; С – концентрация /изменение СО, NO, NO2 в утренние часы (6-9 ч); а0, a1, … a5 – регрессионные коэффициенты. 208 Наиболее значимыми предикторами для прогноза максимальной суточной концентрации приземного озона на 1-2 суток вперед оказались прогнозируемые температура, относительная влажность, а также уровень озона в предшествующие сутки. Включенный в модель количественный показатель МПЗоз является одним из самых информативных предикторов. Отметим, что в этой методике впервые в качестве регрессоров использованы концентрации оксида углерода и оксидов азота [205]. Как показали результаты тестирования на независимой выборке, качество прогноза, основанного на полученных регрессионных соотношениях, превосходит качество «климатического» и «инерционного» прогнозов; по сравнению с «инерционным» прогнозом метод снижает дисперсию ошибки прогноза в 1,5- 2 раза. Полученные прогностические уравнения отражают большую часть влияющих на содержание озона в приземном воздухе факторов, но из-за меняющего газового состава в городах регрессионные коэффициенты необходимо уточнять на выборке, расширенной последующими наблюдениями как минимум за 1,5-2 года. Обе методики прогнозирования суточных максимумов концентрации приземного озона в Москве в целом и для типовых территорий мегаполиса Москвы, разработанные с участием автора диссертационной работы, одобрены Центральной методической рекомендованы комиссией для по прогнозам Росгидромета оперативного и применения http://method.hydromet.ru/methods/pollut/ozon/ozon.html (в апреле 2007 г, ) Заметим, что в среднем ошибки прогнозов суточных максимумов приземного озона в Москве на основе статистического и синоптикостатистического методов соответствуют диапазонам неопределенности результатов современных химических транспортных моделей при проверке их чувствительности в различных сценариях изменения входных параметров [224,70,233]. Очевидно, для оценки качества прогностических моделей, основанных на прямом моделировании атмосферного переноса и 209 фотохимических превращений, целесообразно проводить их сравнение с простыми малопараметрическими моделями, подобными описанным выше. 5.6. Об изменчивости озона в атмосферном пограничном слое Наш интерес к вертикальному распределению озона в АПС и его изменчивости определяется необходимостью понимания протекающих физических и химических процессов в жизнедеятельном слое атмосферы с точки зрения качества воздушной среды в мегаполисе с возрастающим числом высотных зданий и сооружений, а также возможностью влияния озона в химически активном пограничном слое на концентрацию приземного озона. Основное количество знаний о вертикальном распределении озона получено сегодня с помощью озонозондов или самолетного зондирования. Уже достаточно документировано, что в свободной атмосфере слои с повышенным содержанием озона формируются из газов прекурсоров в процессе дальнего переноса [80]. В ряде зарубежных работ [227,225,226,228], а также в [80,196] описаны случаи появления высоких ночных концентраций за счет оседания из вышележащих слоев, где днем происходила активная фотохимическая генерация озона. На возможность появления ночных максимумов озона обращалось внимание уже почти 20 лет назад [227]. В работе [229] анализировались вторичные ночные максимумы озона (Эссен, Германия). Установлено, что они связаны либо с прохождением фронтов, либо наблюдаются при появлении СТНУ (LLJ), которое сопровождается значительным увеличением вертикальной скорости ветра во всем устойчивом пограничном слое, активизацией вертикального перемешивания за счет сдвиговой неустойчивости, что в итоге приводит к переносу озона из вышележащих слоев, где могут сохраняться остаточные слои с дневной фотохимической наработкой озона, в приземный слой. Динамика озонового загрязнения в АПС в силу ограниченности средств измерения вертикального профиля озона изучена меньше, чем приземного 210 озона. Поэтому редкие данные экспериментальных измерений концентраций озона в АПС представляют особый интерес. К примеру [230], по измерениям на высотной башне до 600м в Северной Каролине, юго-восток США в летний период 1993-1997 гг. зафиксированы эпизоды высоких концентраций в АПС при выносе загрязненного воздуха из промышленных городов востока страны. В качестве яркой иллюстрации актуальности рассматриваемого аспекта озонового загрязнения приведем одну из серий измерений вертикального распределения озона в нижнем слое тропосферы (рис.5.16), проведенными Wöste L. в районе Нью-Йорка (Pinnacles State). Здесь присутствует важная для нас информация о формировании в послеполуденное время в приподнятом над землей слое 300-500 м максимума озона (около 100 ppb или примерно 200 мкг м-3); также видно, что в ночном АПС и утром сохраняется инверсионный профиль озона. Рисунок 5.16. Лидарные измерения озона (ppb) в слое до 1600 м. Нью-Йорк. 14.07.2002. (http://www.ipicyt.edu.mx/IANABIS/Documentos/Woste.pdf) Заметим, что в США на целом ряде высотных мачт проводятся регулярные наблюдения за парниковыми газами, но наблюдения в основном ведутся за окислами углерода (CO2, CO). Приводится список мачт с координатами Grifton, North Carolina 35.53 °N 77.38 °W Erie, Colorado 40.05 °N 105.01 °W Park Falls, Wisconsin 45.95 °N 90.27 °W Beech Island, South Carolina 33.41 °N 81.83 °W San Francisco, California 37.76 °N 122.45 °W West Branch, Iowa 41.72 °N 91.353 °W 211 Walnut Grove, California Moody, Texas 38.26 °N 121.49 °W 31.32 °N 97.33 °W Единственным источником доступных нам данных об озоне в АПС оказалась мачта в Boulder (Boulder Atmospheric Observatory). И с точки зрения вероятности появления высоких концентраций озона, в ряду данных нашелся такой эпизод с резким ростом на высоте 300 м концентраций озона (до 120 ppb или примерно 240 мкг м-3) - до уровней, несвойственных озону в свободной тропосфере, но характерных для фотохимического смога (рис.5.17). По – видимому, ночью в условиях подавленного вертикального перемешивания, в район Boulder пришел воздух, с наработанным фотохимическим озоном из промышленного района. Рисунок 5.17. Серия измерений концентрации озона (ppb) на высоте 300 м 2425 июня 2006 г. на мачте Boulder, США (http://www.esrl.noaa.gov/psd/technology/bao/) Еще одним средством наблюдений за озоном в АПС является измерение на самолетах. Результаты таких наблюдений представлены, например, работе [231], где показано, что на фоновой территории в Ирландии до высоты 3 км и на расстоянии до 150-200 км заметно влияние на озон эмиссий промышленных районов. В работе [225] показано, что по данным бортовых измерений 18 научно-исследовательских рейсов в районе Калифорнии изучалось вертикальное распределение озона и других газов в планетарном пограничном 212 слое и выше. Было установлено, что региональные источники и дальний перенос (адвекция) озона могут вызывать повышение приземного озона через механизм опускания озона, что создает сложную ситуацию в части соблюдения стандартов качества воздуха. На Тайване с помощью привязных шаров летом 2002 г проводился эксперимент по измерению озона, двуокиси серы, окиси азота, окиси углерода, биогенных летучих органических соединений совместно с измерениями метеорологических характеристик [221]. Были зафиксированы высокие концентрации озона в первой половине дня на высоте 100-600 м над уровнем земли, которые сопровождались повышенными концентрациями двуокиси азота и двуокиси серы, но не окиси углерода. Интерес к высотному озону обусловливает построение статистических моделей для расчета концентраций в АПС по данным наземных измерений. В работе [226] описывается простая регрессионная модель, представляющая собой две матрицы из 24 уравнений (R2=0,56 для каждого часа дня при ясном и облачном небе), обеспечивающая точность результатов вертикального профиля (до 1800 м) с погрешностью ±13,5 на основе входные данных текущего дня 1часовых концентраций приземного озона (США, Северная Каролина и Теннесси). В нашей стране в Томске в Институте оптики атмосферы РАН уже много лет проводятся сезонные серии самолетных измерений озона и некоторых других газов, что позволило получить средние месячные профили озона в тропосфере, включая АПС. В монографии [80] показано, что распределение О3 в АПС имеет хорошо выраженный суточный ход, обусловленный фотохимической генерацией озона в шлейфе поступающих из приземного слоя озонообразующих веществ. Озоновый максимум по результатам самолетных измерений в среднем многолетнем профиле (в районе Томска) находится примерно на высоте 700 м над землей. Несмотря на достаточно чистые фоновые условия в регионе, в общем числе бортовых измерений наблюдались 213 эпизоды высоких концентраций в АПС, т.е. интересующих нас инверсионных профилей озона [80]. В последние годы начаты измерения концентрации озона в нижнем слое атмосферы и в Московском регионе; ГПБУ «Мосэкомониторинг» осуществляет регулярные измерения озона на нескольких уровнях телебашни Останкино (http://www.mosecom.ru). Отсутствие подобных высотных измерений озона в других пунктах, которые могли бы использоваться для сопоставления с московскими данными, порождает много вопросов к качеству измерений на телебашне. Кроме того, есть основания предполагать влияние мощных излучений телевизионного комплекса на повышение озона вблизи тела телебашни Останкино. Мы делаем попытку анализа уникальных данных измерений в Останкино, рассчитывая обнаружить локальные механизмы переноса и образования озона в атмосферном пограничном слое. Поскольку у земли измерения озона в районе Останкино не проводятся, для сравнительной качественной оценки мы использовали данные наблюдений на городской станции Туристская (северо-запад примерно в 10 км от Останкино) и на загородной ст. Звенигород. Анализ выборочных данных в период преимущественно жаркой и сухой солнечной погоды 1.06. – 20.07 2010 г. и рассчитанного по ним среднего суточного хода показал, что в вертикальном профиле озона над городом на высоте 130 м в период 12-21 ч формировался локальный максимум концентрации О3 (рис.5.18). В среднем суточном ходе на этой же высоте в течение суток концентрация озона больше, чем в приземном слое в городе и за городом, также больше, чем на высоте 248 м. Содержание озона в слое 130-248 м становится одинаковым утром - примерно в 8-9 ч., когда происходит конвективный прорыв АПС. Приведенные данные позволяют грубо определить вертикальный градиент озона с учетом горизонтального градиента (город – пригород), который является следствием деструкции озона внутри города. Во время максимального содержания озона в АПС на высоте 130 м наблюдается локальный максимум со средней величиной 150 мкг м-3, очевидно, здесь 214 происходит активная фотохимическая генерация озона. С высотой концентрация понижается - на 120 м на 20 мкг м-3 (примерно 13 % от максимума). 130 23:00 22:00 21:00 20:00 11:00 9:00 8:00 10:00 7:00 6:00 5:00 4:00 3:00 б) 2:00 23:00 0 22:00 21:00 20:00 19:00 18:00 17:00 16:00 15:00 14:00 13:00 12:00 9:00 11:00 8:00 10:00 7:00 6:00 5:00 4:00 3:00 2:00 1:00 0:00 Среднее Среднее±0.95 Дов. интервал 10 170 160 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 23:00 22:00 20:00 21:00 19:00 17:00 18:00 11:00 9:00 10:00 8:00 7:00 6:00 5:00 4:00 3:00 2:00 1:00 0 г) 0:00 10 16:00 Среднее Среднее±0.95 Дов. интервал 20 14:00 15:00 3 Концентрация О3, мкг/м 23:00 22:00 21:00 20:00 19:00 18:00 17:00 16:00 15:00 14:00 13:00 11:00 10:00 9:00 8:00 7:00 6:00 5:00 4:00 3:00 h 248 140 Среднее Среднее±0.95 Дов. интервал 2:00 Останкино 150 h 130 12:00 13:00 Останкино 1:00 в) 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0:00 Концентрация О3, мкг/м 3 а) 30 20 Среднее Среднее±0.95 Дов. интервал 10 40 1:00 20 50 19:00 30 60 18:00 40 70 17:00 50 80 16:00 60 90 15:00 70 14:00 80 100 13:00 3 Концентрация О3, мкг/м 90 0 Туристская 110 100 12:00 3 110 Концентрация О3, мкг/м 120 Звенигород 0:00 120 12:00 130 Рисунок 5.18. Усредненный суточный ход концентрации озона у земли а) на загородной станции Звенигород, б) на городской станции Туристская и в, г) на высотах 130 м и 248 м на телебашне Останкино. 1.06. – 20.07.2010 г. Также наблюдается понижение концентрации по направлению к земле: разность средней концентрации озона на высоте 130 м (Останкино) и на наземной станции Звенигород составляет 40 мкг м-3 (27% от О3 на 130 м), различия «Останкино высота 130 м) ↔ Туристская» составили около 70 мкг м-3. В значительной величине разности озона на двух наземных станциях (город, окрестности), по–видимому, отражаются проявления как минимум двух действующих в одном направлении механизмов: с одной стороны, в загрязненном городском воздухе весьма существенны процессы деструкции озона, во-вторых, именно в городском шлейфе озоногенерирующих загрязнений наблюдается пространственный максимум озона. 215 Очевидно, вертикальный градиент озона в АПС и положение высотного максимума имеют высокую изменчивость, находясь во многом в зависимости от метеорологических условий и типа погоды. Обсуждаемые результаты и показатели пространственных различий получены, как отмечалось выше, в период продолжительной аномальной погоды - «волн жары» в начале лета 2010 г., и, по-видимому, они представляют «экстремальные» характеристики. Рассмотрим некоторые детали в одном из эпизодов озонового загрязнения 9 июля 2010 г.), в этот день максимальные суточные концентрации на некоторых городских станциях (Косино, МГУ–ИФА) и в Звенигороде превысили ПДКм.р.(163-165 мкг м-3). Озоновому эпизоду способствовала синоптическая ситуация – малоградиентное барическое поле (рис.5.19), жаркая (до +34) сухая погода, слабый юго-восточный перенос, что, видимо, обеспечивало процессы активной фотохимической генерации озона. 110 300 О3 NOx 280 260 Туристская 240 220 О3 NO NO2 100 90 80 200 70 180 160 60 140 50 120 40 100 30 80 60 20 40 10 0 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 20 Рисунок 5.19. Слева: синоптическая ситуация (вблизи оси барического гребня в теплом секторе, днем до +34); в центре - концентрация приземного O3 на АСКЗА, справа - приземные концентрации O3 и NOx (мкг м-3) на ст. Туристская. 9 июля 2010 г. В таких аномальных погодных условиях можно проследить специфическую динамику озона и оксидов азота (NO, NO2) по данным наблюдений на телебашне и на наземной станции Туристская (рис.5.20). Дневное увеличение концентрации О3 у земли и на высоте 130 м стартовало практически с нулевых 0 216 значений, т.е. в утренние часы (8 -9 ч) при устойчивой стратификации в нижнем 130 метровом слое сток и деструкция озона способствовали полному обеднению приземного слоя. Синхронно с утренним увеличением приземного озона начался рост концентрации на высоте 248 м, опережающий по скорости приращение в нижележащем слое. Дневной максимум у земли (около 150 мкг м-3) наблюдался в 16-18 ч, на высоте 248 м – немного позже (около 19 ч), превысив приземную концентрацию почти в 2 раза. На этой высоте (248 м) изменения озона характеризуются гладким нарастающим ходом, в отличие от высоты 130 м, где с 12 до 19 ч концентрация О3 испытывала значительные флуктуации и изменялась от 140 до 220 мкг м-3. На рис. 5.20 видно, что внутренний слой (высота 130 м) являлся своего рода буферной зоной, через которую не только переносились вверх загрязнения, но где уже в утренние часы развивались активные фотохимические процессы. Об этом убедительно свидетельствует резкое 300 O3 Останкино 130 м 280 NOx О3 NO NO2 260 240 220 110 100 90 80 200 70 180 160 60 140 50 120 40 100 110 300 O3 280 NOx Останкино 248 м 260 100 О3 NO NO2 240 220 200 90 80 70 180 160 60 140 50 120 40 100 80 30 80 30 60 20 60 20 10 23:00 22:00 21:00 20:00 19:00 18:00 17:00 16:00 15:00 14:00 13:00 12:00 11:00 9:00 8:00 10:00 7:00 6:00 5:00 0 4:00 20 3:00 0 2:00 23:00 22:00 21:00 20:00 19:00 18:00 17:00 16:00 15:00 14:00 13:00 12:00 11:00 9:00 10:00 8:00 7:00 6:00 5:00 4:00 3:00 2:00 1:00 0 0:00 20 40 1:00 10 0:00 40 0 Рисунок 5.20. Временной ход концентрации О3 (левая ось Y) на телебашне Останкино (на высотах 130- слева, 248 м - справа), концентрация оксидов азота у земли на ст. Туристская (правая ось Y). 9 июля 2010 г. (Все концентрации - в мкг м-3). убывание озона в 8-9 ч на высоте 130 м при выносе туда NO (максимум NO у земли 23 мкг м-3) с последующим его окислением в NO2. Утренний максимум концентрации NO у земли наблюдался в 7 ч, на высоте 130 м – около 8 ч, на высоте 248 м - еще на час позже. 217 На высоте 248 м ночью концентрации озона тоже резко уменьшилась, но длившийся менее двух часов процесс «гибели» озона сменился в условиях нарастающего генерацией конвективного озона, перемешивания по-видимому, при активной фотохимической благоприятном соотношении концентраций органических соединений (предшественников пероксидных радикалов-RO2) и оксидов азота (NOx) происходило наполнение пограничного слоя антропогенным озоном. В рассматриваемом эпизоде озонового загрязнения отдельного внимания заслуживают ночные изменения концентраций загрязнений в нижних слоях АПС. Как видно на рис. 5.20, с полуночи до примерно 4 ч в приземном слое происходило накопление первичного NO (на ст. Туристская до 100 мкг м-3). Концентрация NO на высотах 130 м и 248 м оставалась очень низкой; концентрация NO2 изменялась в диапазоне 70-90 мкг м-3, а на высоте 248 м концентрация NO2 только уменьшалась. Такой динамике содержания примесей в АПС в слое термической устойчивости, по всей вероятности, способствовали малые по величинам, но значимые сдвиги скорости ветра. На рис.5.21 видно, что до 3 ч ночи во всем 500-метровом слое по данным измерений на телебашне . Рисунок 5.21. Скорость ветра в нижнем 500-метровом слое (данные измерений на телебашне Останкино). 9 июля 2010 г. Останкино установилось практически затишье (1-2 м с-1). Но уже к 4 ч ветер немного усилился (до3 - 3.5 м с-1), а на высоте 128 м появился локальный 218 максимум скорости до 5 м с-1, который в последующие 2 часа перемещался сначала на высоту 201, позже поднялся еще на 50 м. Как подтверждают данные измерений скорости на высоте 503 м, эти динамические процессы происходили внутри нижней части ночного АПС, не затрагивая верхние уровни. Порождаемая различиями скорости движения на разных высотах сдвиговая турбулентность, очевидно, и была тем фактором перемешивания, который способствовал вертикальному переносу примесей ночью 9 июля 2010. Можно заметить, уровень приземного NO (ст. Туристская) с 4 до 6 ч уменьшился в 4 раза, а концентрация NO2 мало изменилась, очевидно, за счет притока сверху, т.к. на высоте 130 м она уменьшилась почти в 3 раза. Благодаря турбулентности в слое сдвиговой неустойчивости, в эти часы повысилась концентрация NO2 и на высоте 248 м, следствием чего стало разрушение озона и, соответственно, уменьшение концентрации. О решающей роли струйного течения нижнего уровня в формировании ночного максимума озона есть немало указаний в научных публикациях, например [227,228]. На высоте 130 м также синхронизированы процессы скачкообразного нарастания озона при опускании более чистого и обогащенного озоном воздуха сверху. В качестве подтверждения реальности полученных выводов, на рис. 5.22.а приводится заимствованный из работы [225] рисунок, на котором схематично представлен «инверсионный» профиль озона, идентифицируемый как «антропогенный» (www.stadtentwicklung.berlin.de/umwelt/umweltatlas/). В работе [234] путем анализа вертикального распределения озона по данным озонного зондирования было показано, что в озонных эпизодах над АПС образовывался слой толщиной 1-2 км с аномальным (отрицательным) градиентом отношения смеси озона. В работе [235] существование такого слоя подтверждено самолетными наблюдениями над приатлантическим побережьем США в регионе 34.7-44.6оN и 68.4-81.6оW в дни, когда наблюдались такие эпизоды (рисунок 5.22.б). На рис.5.22.б представлены вертикальные профили озона (значения медианы, 25% - ного и 75% - ного квартиля), полученные по утренним 219 измерениям (255 профилей) в среднее время 9:30 по местному времени и послеполуденные (295 профилей) – около 13:30. На рис. 5.22.б фотохимически образованный озон представляет разность между кривыми 4 и 1 за период 9:3013:30. а б Рисунок 5.22. а) Схема вертикального профиля концентрации озона (ppb), б) вертикальное распределение озона по данным самолетных измерений над атлантическим побережьем США (34.7-44.6оN, 68.4-81.6оW) . (1, 2 и 3 утренние значения медианы, 25 %-ного и 75 %-ного квартиля; соответственно; 4, 5 и 6 - то же для дневных значений) 220 КРАТКИЕ ВЫВОДЫ При отсутствии сетевых наблюдений актуальность озонового загрязнения подтверждена зафиксированными эпизодами высоких концентраций приземного озона на вневедомственных станциях: ИФА РАН, в г. Москве, ИОА СО РАН в г. Томске, ЦАО в г. Долгопрудный. Используя данные измерений на АСКЗА В Москве в последние 5 лет, выявлена высокая возрастающая в смоговых ситуациях пространственная неоднородность поля приземного озона. В среднем различия в уровне О3 «центр города↔окрестности» 20-30 мкг м-3, в отдельных случаях - более 50 мкг м-3. Суточные максимумы О3 вблизи магистралей меньше, чем в удаленных от прямых источников районах, где суточная и годовая амплитуда концентрации озона больше по сравнению с прилегающими к автодорогам территориями. Летний максимум озона формируется за счет увеличения повторяемости метеорологических условий, обеспечивающих интенсивное фотохимическое производство озона. На летние месяцы приходится основное число озоновых эпизодов; в жилых районах Москвы и пригородов повторяемость высоких концентраций (не меньше ПДКм.р.) в среднем 1-2 %. Установлено, что за счет вертикального переноса концентрация озона в приземном воздухе повышается: а) зимой до 70-90 мкг м-3; б) весной (мартапрель, период максимума ОСО) - до 115-145 мкг м-3, в) летом - до 90-100 мкг м-3. Эти величины являются «базисными» при оценке в суточном максимуме доли антропогенного озона как баланса произведенного в фотохимических реакциях озона и его деструкции в химических реакциях. На основе установленных связей изменчивости приземного озона с термическими и динамическими процессами в АПС, а также синоптическими ситуациями сформулирована синоптико-статистическая модель приземного озона как система метеорологических комплексной факторов, оценки воздействующих определенная комбинация на озон которых количественно представляется индексируемым метеорологическим параметром загрязнения озоном (МПЗоз) 221 Показателем эффективности разработанного метода определения МПЗоз служат результаты тестирования разработанных с участием автора двух методик прогнозирования суточных максимумов концентрации приземного озона в Москве, в которых МПЗоз. является одним из самых информативных предикторов. Обе методики утверждены ЦМКП и рекомендованы для внедрения. Показано, что на территории с низким уровнем техногенной нагрузки повышенный уровень озона фиксируется в шлейфе московских загрязнений на расстоянии около 100 км (Обнинск); в шлейфе городских загрязнений пространственный максимум озона формируется на удалении от Москвы 40 50 км. Для озоновых эпизодов на «фоновой» территории обязательны благоприятные для активной фотохимии погодные условия (высокая интенсивность солнечной радиации, высокий температурный фон, низкая влажность воздуха). СТНУ играют ключевую роль в образовании высоких уровней О3 за пределами мегаполиса. Приведенные иллюстрации изменчивости озона по измерениям на телебашне в слое до 250 м в целом находятся в согласии с экспериментальными данными зарубежных исследователей, в частности, с обнаруженным в вертикальном профиле при определенных условиях максимумом озона внутри АПС. 222 ГЛАВА 6. ВЕРИФИКАЦИЯ ЧИСЛЕННЫХ ПРОГНОЗОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИЗЕМНОГО ВОЗДУХА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ Традиционные у нас в стране статистические методы прогнозирования загрязнения воздуха значительного развития в последние время не получили [61, 236]. Современный мировой уровень прогнозирования загрязнения воздуха определяют модели переноса загрязняющих веществ, предусматривающие с различной степенью детализации химические преобразования веществ в атмосфере. В основном, это ¾ дисперсионные модели, описывающие перенос пучков «частиц» загрязненного воздуха от источника к рецепторам. Наиболее известные дисперсионные модели FlexPART, HYSPLIT широко используются и в нашей стране при расчете глобальных переносов долгоживущих и малореактивных примесей, при оценках трансграничного переноса загрязняющих веществ; ¾ химические транспортные модели (ХТМ), в которых концентрация вещества в узле сетки в момент времени определяется адвекцией, химическими реакциями, вымыванием, сухим осаждением веществ и их эмиссией с подстилающей поверхности. Одни ХТМ представляют собой гидродинамическую модель атмосферы, включающую химический блок (например, WRF/Chem [237], GEM-AQ [68], COSMO/ART [239], EnviroHIRLAM [240] и др.). Другой тип вычислительных комплексов базируется на модели атмосферы, обеспечивающей химическую транспортную модель метеорологическими данными, например, ETA-CMAQ [241], EURAD-RIU, ALADIN-CAMx [70], MM5/WRF-CHIMERE [242,243,244]. Интенсивному развитию численных моделей загрязнения способствовало принятие законодательного регулирования качества воздуха в 1970-х годах в США и в 1990-х годах в Европе [245], а также опережающее развитие мезомасштабных моделей атмосферы, необходимых для обеспечения 223 ХТМ метеорологическими данными с высоким пространственным разрешением. В одной из редких обзорных публикаций «A review of operational, regional-scale, chemical weather forecasting models in Europe» [70] в деталях описаны используемые в европейских странах (в т.ч. Греция, Чехия, Испания, Португалия, Швеция, Финляндия, Дания) 18 моделей загрязнения воздуха, приводятся сравнительные характеристики и особенности моделей и т.д. Авторы отмечают, что ХТМ развиваются медленнее, чем традиционные метеорологические модели, что отчасти обусловлено редкой и недостаточной сетью наблюдений за химическим составом и аэрозолями, а также отсутствием устоявшихся механизмов обмена данными. Подчеркивается, что существует проблема представления выходных данных ХТМ конечным пользователям. Поднимается важный вопрос о переходе от детерминированных прогнозов ХТМ к вероятностным на базе ансамблевого прогноза. Авторами широко используются понятия chemical weather forecasting и chemical weather forecasting models - модели прогноза химической погоды. Очевидно, термин «химическая погода» имеет полное основание быть использованным и в нашей практике. За рубежом - в США и странах Западной Европы - химические транспортные модели разрабатывались большими научными коллективами в рамках национальных и международных Проектов. Одна из немногих отечественных наиболее разработанная и известная транспортная химическая модель (автор А.Е.Алоян) ориентирована на исследовательские задачи и не предназначена для практического использования [69]. Развитию моделирования загрязнения воздуха за рубежом способствует не только работа больших коллективов исследователей, но и инструментальная база для верификации моделей. К примеру, только в Европе сеть наблюдений за приземным озоном насчитывает более 1000 станций (в густонаселенных районах и на фоновых территориях), измерения РМ10 регулярно проводятся на ??? станциях. У нас в стране современные средства измерения загрязнения 224 воздуха обеспечивают контроль качества воздуха пока только в Москве, С.Петербурге и Сочи. Сегодня наблюдается быстрый процесс международной интеграции в области прогнозирования качества воздуха. Так, объединение усилий нескольких стран в рамках международного проекта CITEAIR (Common Information to European Air) позволило реализовать масштабную задачу оценки и прогнозирования качества воздуха для различных регионов Европы. В режиме реального времени можно получить информацию о содержании наиболее опасных воздушных загрязнителей (озона, диоксида азота и мелкодисперсного аэрозоля) и характеристику качества воздуха во многих европейских городах на сайте http://www.airqualitynow.eu/. На сайте http://www.airnow.gov/index/ приводится индекс качества воздуха практически для любого населенного пункта США. Признано, что задача охраны воздуха от загрязнения антропогенными примесями не ограничивается государственными границами. Немало разработанных за рубежом химических транспортных моделей находится в общем доступе, в т.ч., обсуждаемая ниже ХТМ CHIMERE. Однако даже хорошо известные зарубежные модели требуют значительных усилий для адаптации их в конкретной вычислительной среде и верификации расчетов в условиях грубых или приближенных исходных данных о локальных источниках эмиссий. 6.1. Объективные предпосылки для разработки технологии прогнозирования загрязнения воздуха в Московском регионе на базе химической транспортной модели Толчком (стимулом) для постановки задачи об использовании химической транспортной модели для практических целей в системе Росгидромета стали работы И.Б.Коновалова и др. [247,248], которые показали реальность применения ХТМ CHIMERE (www.lmd.polytechnique.fr/chimere) для 225 российских условий. ХТМ CHIMERE является эйлеровой мультимасштабной моделью, предназначенной для исследования и прогноза загрязнения атмосферы на городских и континентальных масштабах. Следует подчеркнуть, что реализация химической транспортной модели CHIMERE применительно к центральной части европейской части России стала возможной благодаря сотрудничеству Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) и Межуниверситетской лаборатории атмосферных систем (Франция). Полигоном для адаптации протестированной на данных отечественных измерений модели мог стать только регион, где имеются необходимые для верификации ХТМ наблюдения с высоким пространственным и временным разрешением. Таким полигоном стал Московский мегаполис, где проводятся непрерывные измерения концентраций газовых примесей и мелкодисперсного аэрозоля на АСКЗА ГПБУ «Мосэкомониторинг» (www.mosecom.ru). В 2008-2009 гг. в рамках инициативных исследований при поддержке грантов РФФИ 08-05-1345 офи-ц (руководитель Кузнецова И.Н.) и 08-05-00969a была сформулирована архитектура пилотной системы анализа и прогноза качества воздуха в Московском регионе с использованием транспортной химической модели CHIMERE и данных автоматизированной сети контроля за загрязнением воздуха «Мосэкомониторинг». Это совпало с периодом успешной адаптации в вычислительной среде Гидрометцентра России численной модели атмосферы WRF ARW (www.wrf-model.org), способной обеспечить ХТМ CHIMERE прогнозами метеорологических характеристик удовлетворительного качества [8]. Наличие трех положительных факторов (сравнимые с зарубежными аналогами наблюдения, мезомасштабная модель атмосферы и ХТМ) обеспечило начало активных работ по созданию технологии модельных расчетов полей концентраций загрязняющих веществ (РМ10, О3, NOx, CO, SO2 и др.), которые проводились при активной поддержке и участии д. ф.- м. н. Коновалова И.Б. в основном сотрудником Гидрометцентра России Зариповым 226 Р.Б. Технические стороны вычислительного комплекса WRF ARW/ CHIMERE описаны в нескольких научных публикациях [128,127,249,250,108]. Работы по созданию модельного комплекса продолжены в рамках НИР Плана НИОКР Росгидромета (2011-2013 гг.) уже параллельно с внедрением системы COSMO [251] и развитием входящего в нее блока химической транспортной модели COSMO-Ru7-ART [239,252,253]. Таким образом, появилась возможность проводить работы по верификации двух ХТМ в Московском регионе, которые могут стать основой для ансамблевого прогноза качества воздуха, актуальность и обоснованность которого подчеркиваются в упоминавшемся выше Обзоре ведущих европейских специалистов [70]. 6.2. Тестирование модельных расчетов концентраций загрязняющих веществ по данным измерений в Московском регионе. На начальном этапе создания региональной системы численного прогноза загрязнения первое тестирование на данных наблюдений в Московском регионе проводилось ХТМ CHIMERE, использующей метеорологические данные модели MM5-V3 [247,108]. Автор принимала участие в постановочной части исследований, а также в части верификации моделей. Уже первые результаты верификации адаптированной в вычислительной среде Гидрометцентра России химической транспортной модели CHIMERE по наблюдениям приземного озона и РМ10 в Московском регионе показали преимущество модельных расчетов перед инерционным прогнозом. Кроме того, были выявлены систематические модельные погрешности; главной причиной систематики авторам представлялось низкое качество данных об эмиссиях [250,249]. Антропогенные эмиссии углеводородов, оксидов азота и угарного газа заданы на основе данных EMEP (URL: www.emep.int), взятых с разрешением 0.50x0.50 (рис.6.1). Отсутствие данных по эмиссиям на сетке с высоким разрешением является принципиальной проблемой, ограничивающей применимость модели на городских масштабах в нашей стране. Частичное 227 решение этой проблемы состоит в дополнительном перераспределении эмиссий на более мелких масштабах при использовании характеристик, коррелирующих с интенсивностью эмиссий. В качестве такого рода “суррогатных” данных использовались данные GLCF (URL:http://glcf.umiacs.umd.edu) по типу землепользования с разрешением 1x1 км2. Для перераспределения эмиссий использовались возможности, предусмотренные в стандартном интерфейсе CHIMERE. СО NOx Рисунок 6.1. Эмиссии EMEP 2007 г. для центра ЕТР ( www.emep.int) В частности, для территорий городского типа к эмиссиям EMEP применялся масштабный фактор 12, оцененный разработчиками модели на основе анализа имеющихся данных для Парижского региона. Следует подчеркнуть, что данный подход не позволяет корректно отразить реальное расположение мощных источников эмиссий, ассоциированных с крупными промышленными предприятиями и автомагистралями. В связи с этим обстоятельством, дальнейшее увеличение разрешения модели без использования соответствующих (по разрешению) данных по эмиссиям представляется нецелесообразным. Поскольку вопрос об эмиссиях является одним из самых актуальных для работы ХТМ, приведем ссылки на сайт www.ceip.at/fileadmin/inhalte/emep/ , где иллюстрируется временная динамика 228 расчетов эмиссий от разрешения 150х150 км2 в 90-х гг. до 0.1ºх0.1º в настоящее время (рис. 6.2). Рисунок 6.2. Временная динамика пространственного разрешения кадастра EMEP в области центральной Европы (www.ceip.at/fileadmin/inhalte/emep/) Для нашего первого тестирования [250,108] модельных расчетов РМ10 (CHIMERE с данными реанализа и ММ5) использовались наблюдения аэрозоля в Московском регионе летом 2007 г. Получено, что коэффициент корреляции между модельными и измеренными величинами достаточно высокий: на городских станциях в среднем за лето R=0.74-0.84, максимальный коэффициент корреляции наблюдается в августе (R=0.77-0.9), а минимальный - в июне (R=0.17-0.54). Сравнение расчетных и наблюдавшихся концентраций РМ10 показало, что ХТМ значительно занижает средние суточные концентрации РМ10. С учетом выявленных достаточно тесных корреляционных связей между модельными и измеренными концентрациями РМ10 Коноваловым И.Б. была проведена общая линейная коррекция расчетов. Для большинства станций примененная линейная коррекция оказалась достаточно результативной. Самые лучшие результаты после коррекции получены для загородной станции Зеленоград, что локализует проблему – требуется уточнение городских 229 эмиссий. На рисунке 6.3 приводятся рассчитанные и измеренные концентрации 125 100 75 50 25 0 125 100 75 50 25 0 27 24 21 18 15 12 9 6 3 Модель Измерения 1 8 15 22 Зеленоград 29 36 Модель Измерения 1 8 15 22 43 50 57 64 71 78 85 50 57 64 71 78 85 МГУ 29 36 43 Температура Скорость ветра 1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 18 15 12 9 6 3 0 V (м/с) 0 Т ( С) Концентрация РМ10 (мкг м-3) Концентрация РМ10 (мкг м-3) РМ10 для двух городских и загородной станций. Дни (от 1 июня 2007 г.) Рисунок 6.3. Средняя суточная концентрация РМ10: рассчитанная по модели CHIMERE и измеренная. В нижнем окне - температура и скорость ветра на и.п. 925гПа (стрелками отмечено прохождение атмосферных фронтов; штриховкой – периоды переноса воздуха из районов лесных пожаров). 1 июня - 30 августа 2007 г. Отметим, что контраст между августом и другими месяцами заметно сильнее в измерениях, чем в модели, что, очевидно, связано с неучтенными эмиссиями от лесных пожаров. При этом ХТМ CHIMERE вполне удовлетворительно описывает процессы накопления аэрозоля в воздухе при затишье и очищении воздуха при смене воздушных масс и прохождении 230 атмосферных фронтов. Следует отметить, что согласно отдельно проведенному анализу, выделяющийся повышенным уровнем РМ10 продолжительный период в августе (средние суточные концентрации РМ10 превышают 70 мкг/м3) в значительной мере был обусловлен поступлением загрязненной продуктами горения лесных пожаров воздушной массы. Эпизод прерывался и закончился прохождением атмосферных фронтов с дождями, что вполне адекватно отражено в модельных расчетах. В целом установленное различие между измерениями и модельными расчетами отражает современное состояние моделирования атмосферных аэрозолей [233,254,67,224], но в то же время свидетельствует о необходимости дальнейших усилий по адаптации ХТМ CHIMERE к условиям региона. Следующим шагом проверки возможности ХТМ CHIMERE для оценки качества воздуха в Московском мегаполисе стала верификация модельных расчетов приземного озона. При этом Зариповым Р.Б. было обеспечено подключение в качестве источника метеорологической информации для ХТМ численной модели атмосферы WRF ARW. Численные эксперименты с использованием системы WRF ARW /CHIMERE подробно описываются в работе [249]. Успешность численного моделирования приземного озона оценивалась для периода июль-август 2006 г. по данным измерений на 2 станциях мониторинга (ЦАО и МГУ). Стандартная ошибка модельного восстановления (с использованием реанализов) максимальной суточной концентрации приземного озона оказалась около 25 мкг м-3, корреляция модель - наблюдения 0.73-0.84. Было установлено, что при успешном описании тенденции в случаях повышения уровня озона CHIMERE в основном завышает максимальную суточную концентрацию озона. Предварительные установленные на показатели ранних этапах качества модельных прогнозов, разработки технологии численного прогнозирования с помощью ХТМ CHIMERE, в основном подтверждены полученными результатами тестирования в отдельные месяцы 2011 - 2013 гг. по расширенному списку ингредиентов (CO, NO2, O3 и PM10). В таблицах 6.1- 231 6.5 приводятся осредненные по станциям города общие статистические характеристики успешности модельного прогноза; используются следующие показатели: средняя ошибка (BIAS), абсолютная ошибка (ABS), среднеквадратическое отклонение (RMS), коэффициент корреляции модель наблюдения (R). По приведенным в табл.6.1 показателям качества модельного прогноза максимальной и средней за сутки концентрации угарного газа (СО) видно, что при низком существующем уровне СО (obs ) в Москве (400-500 мкг м-3, т.е. меньше 0.2ПДКс.с.) ХТМ во все четырех рассмотренных периодах немного завышает среднюю суточную концентрацию и при этом систематически занижает суточный максимум концентрации СО. Таблица 6.1 Усредненные по станциям города статистические показатели качества прогнозов ХТМ концентрации CO, мкг м-3 (obs- измеренная, calc – рассчитанная модельная концентрация) февраль Char CO 617 H Max Mean 8H obs 539 987 539 724 2012 г. calc BIAS 652 969 652 834 113 -18 113 110 июль 15 августа 2012 г. RMS ABS 428 627 320 491 310 462 255 358 CO Char 967 H Max Mean 8H obs 517 1134 517 722 calc 469 885 469 657 BIAS RMS ABS -48 -249 -48 -65 452 761 300 484 328 554 255 364 Апрель-июль 2013 CO Days 1400 04-05 1241 06-07 Char Max Mean Max Mean Obs 1103 473 1015 459 Calc 840 508 929 496 BIAS -263 35 -86 36 RMS 846 267 735 308 ABS 567 223 559 257 Приведенные в табл.6.2 данные результатов верификации модельных расчетов концентрации PM10 указывают, что при низком в среднем уровне PM10в Москве (меньше 0.5ПДКс.с.) химическая транспортная модель CHIMERE занижает среднюю суточную концентрацию PM10 примерно на 10 мкг м-3, а суточный максимум PM10 занижается примерно на 30 мкг м-3. Таблица 6.2 Усредненные по станциям города статистические показатели качества прогнозов ХТМ концентрации PM10 (мкг м-3). 232 февраль PM10 Char obs 23 38 23 168 H Max Mean 2012 г. calc BIAS 27 44 27 июль 15 августа 2012 г. RMS ABS 4 5 4 18 25 13 PM10 13 18 10 Char obs calc 28 64 28 325 H Max Mean BIAS 21 37 21 RMS ABS -7 -27 -7 22 46 14 14 33 11 Апрель-июль 2013 PM-10 04-05.13 CHIMERE 06-07.13 Char Max Days Mean Char Max Mean Obs 73 31 Obs 61 28 Calc 36 21 Calc 31 17 BIAS -37 -10 BIAS -30 -10 RMS 58 17 RMS 52 17 ABS 43 13 ABS 38 13 R 0.41 0.57 R 0.37 0.48 За исключением холодного периода, в который для модельных ошибок характерно небольшое завышение в прогнозе средних за сутки концентраций PM10 при абсолютной ошибке около 10 мкг м-3, что сравнимо с аналогичной характеристикой в теплый период. По результатам верификации в различные периоды установлено, что ХТМ значительно занижает концентрации NО - рассчитанные концентрации, как видно в табл.6.3, почти в 2 раза меньше наблюдаемых. Таблица 6.3. Усредненные по станциям города статистические показатели качества численных прогнозов концентрации NО (мкг м-3). февраль NO Char obs 499 H Max Mean 8H 2012 г. calc 37 96 37 62 BIAS 17 46 17 34 -20 -50 -20 -27 июль 15 августа 2012 г. RMS ABS 53 95 37 64 32 67 27 44 NO Char obs 986 H Max Mean 8H calc 20 69 20 37 BIAS 7 30 7 16 RMS ABS -12 -40 -12 -21 36 80 22 48 18 54 16 30 Апрель-июль 2013 NO Days CHIMERE 1252 04-05 1025 06-07 Char Max Mean Max Mean Obs 89 24 74 22 Calc 31 9 36 9 BIAS -59 -15 -37 -13 RMS 118 26 76 22 ABS 70 18 53 16 При этом необходимо подчеркнуть, что качество прогноза средней по городу концентрации диоксида азота (вторичного загрязнителя) вполне удовлетворительное – средняя ошибка прогноза NО2 близка к 0 (табл.6.4). Вместе с тем нельзя не заметить существенные величины стандартного отклонения и абсолютной ошибки, что свидетельствуют о неустойчивости моделирования . 233 Таблица 6.4 Усредненные по станциям города статистические показатели качества модельных прогнозов концентрации NО2 (мкг м-3). февраль NO2 Char obs 53 75 53 63 588 H Max Mean 8H 2012 г. calc BIAS 52 76 52 66 -1 1 -1 3 июль 15 августа 2012 г. RMS ABS 28 28 20 26 22 24 17 22 NO2 Char obs calc 37 69 37 48 1240 H Max Mean 8H BIAS 40 72 40 55 2 3 2 7 RMS ABS 24 32 16 23 18 25 14 18 Апрель-июль 2013 NO2 CHIMERE 04-05 Days 1403 1292 06-07 Особый интерес Char Max Mean Max Mean Obs 81 44 66 37 Calc 72 41 76 42 представляет BIAS -8 -3 10 5 качество RMS 36 20 38 20 прогноза ABS 29 16 30 17 содержания и изменчивости концентраций приземного озона в теплый период, поскольку его временные и пространственные вариации в мегаполисе во многом определяются предшественниками, в т.ч. не обсуждающимися здесь ЛОС и рассматриваемыми выше оксидами азота, а также метеорологическими условиями (солнечная радиация, температура, влажность и т.п.), которые должны быть адекватно рассчитаны в модели. Очевидно, моделирование химически активного и зависимого от предшественников приземного озона в большей степени зависит от точности модельного расчета влияющих параметров и условий. По результатам сравнения модельных расчетов ХТМ с данными измерений на городских станциях АСКЗА в отдельные периоды 2011-2013 гг. установлено систематическое завышение величины и средней суточной концентрации, и суточного максимума О3, и максимальной за сутки усредненной за 8 часов концентрации приземного озона (табл.6.5). Таблица 6.5 Усредненные по станциям города статистические показатели качества модельных прогнозов концентрации О3 (мкг м-3) 234 февраль O3 Char 264 H Max Mean 8H obs 2012 г. calc 25 46 25 35 BIAS 30 52 30 44 5 7 5 9 июль 15 августа 2012 г. RMS ABS 24 22 16 21 19 18 13 17 O3 Char 570 H Max Mean 8H obs calc 39 76 39 63 BIAS 60 97 60 88 21 21 21 25 RMS ABS 33 32 25 33 27 28 23 29 Апрель-июль 2013 O3 COSMO 04-05 06-07 O3 CHIMERE 04-05 06-07 Days 592 592 592 598 598 598 Char Max Mean 8H Max Mean 8H Obs 74 42 63 69 35 58 Calc 45 19 35 57 24 45 BIAS -29 -22 -28 -12 -11 -13 RMS 43 30 41 27 20 26 ABS 37 28 35 21 17 21 Days 592 592 592 598 598 598 Char Max Mean 8H Max Mean 8H Obs 74 42 63 69 35 58 Calc 87 59 79 93 59 85 BIAS 13 17 16 24 24 27 RMS 35 28 35 33 30 35 ABS 29 24 30 28 27 30 Здесь же уместно отметить, что усредненные показатели качества модельных расчетов не позволяют получить полное представление о способности ХТМ не пропускать самые опасные - высокие - концентрации озона, когда сильнее всего проявляются токсичные свойства озона. По результатам тестирования ХТМ в различные временные интервалы (февраль 2012г., июль-август 2012 г., апрель-июль 2013 г.) выявлено, что при удовлетворительном в целом качестве модели ХТМ (CHIMERE): • суточный максимум занижается по всем веществам (за исключением озона в теплый период), • средняя суточная концентрация СО завышается • средняя суточная концентрация NО и PM10 занижается, в холодный период средняя суточная концентрация PM10 немного завышается; • из всех рассматриваемых загрязнений с наименьшими погрешностями ХТМ прогнозирует NО2. • модель описывает меньшую, чем наблюдается пространственную изменчивость полей загрязнений в мегаполисе. 235 6.3 Интерпретация модельных расчетов концентраций загрязняющих веществ и методология их постобработки. Результаты тестирования химической транспортной модели по данным станций мониторинга АСКЗА указывают, что в текущей конфигурации ХТМ CHIMERE удовлетворительно описывает лишь часть изменчивости загрязнения воздуха в мегаполисе, а выявленные особенности модельных расчетов по отдельным веществам и мозаичная оправдываемость прогнозов по пространству являются следствием ряда причин, к числу главных из них относятся: ¾ Пространственная и количественная неточность полей эмиссий загрязнений при высокой неоднородности источников загрязнений и особенностей городского ландшафта. На рисунке 6.4 в качестве примера показаны поля эмиссий (СО, NO), рассчитанные по встроенной в ХТМ CHIMERE программе. Видно смещение максимумов антропогенных эмиссий на юго-восток Москвы (это характерно для всех примесей), что не отражает реальную картину выбросов в мегаполисе, где основным источником загрязнения воздуха является автотранспорт на густой городской сети автодорог и выходящих из мегаполиса автомагистралей. а б Рисунок 6.4. Пример конфигурации полей антропогенных эмиссий СО (а) и NO(б) EMEP, представленных на модельной сетке CHIMERE. 236 ¾ Различие масштабов атмосферных процессов в большом городе и описываемых численными моделями (в текущей конфигурации метеорологическая модель WRF имеет шаг по горизонтали около 14 км, ХТМ около 10 км). Для расчетов полей концентраций в мегаполисе было бы корректнее использовать «городские» модели атмосферы и «городские» модели загрязнения. Но даже в мировой практике такие модели сегодня только разрабатываются, а их применение пока ограничивается многими факторами (вычислительные ресурсы, достоверные данные об эмиссиях, проблемы параметризации и т.д.). ¾ Представление модельных расчетов. Химической транспортной моделью производится расчет средней концентрации в ячейке модельной сетки, центрированной относительно узла вычислительной сетки. Для практического использования модельных прогнозов существует несколько известных решений: а) применение методов интерполяции на пункт внутри ячейки, б) присвоение величины концентрации в пункте значения в ближайшем узле модельной сетки, в) отождествление всех пунктов внутри одной ячейки. Выбор того или иного способа представления модельных расчетов во многом определяется постановкой частной задачи; в создаваемой технологии используется билинейная интерполяция на пункт АСКЗА., при том что есть понимание, что механический даунскейлинг транслирует ошибки модели на локальный прогноз. Однако, практика показывает, что статистические методы даунскейлинга при определенных условиях дают хорошие результаты [259]. ¾ Ошибки прогноза метеорологических характеристик, используемых ХТМ для расчета полей концентраций: поля ветра в нижних слоях атмосферы, высоты слоя и интенсивности вертикального перемешивания, а также влияющих на расчет многих химических реакций облачности и солнечной радиации, температуры и влажности воздуха. Требования к точности и пространственной детализации модельных расчетов определяются конкретными задачами, которые условно можно 237 разделить на: а) исследовательские с целью выбора оптимальных конфигураций (настроечных параметров), б) практические, предполагающие в текущей конфигурации ХТМ применение коррекции модельных расчетов с целью минимизации модельных погрешностей. Задачей автора диссертации является разработка методологии постобработки модельных расчетов концентраций загрязняющих веществ, нацеленной на минимизацию модельных погрешностей и обеспечение точности прогноза загрязнения приземного воздуха в Московском мегаполисе для практического использования модельных расчетов. Выполнение этой задачи сопровождается установлением систематических модельных погрешностей и выявлением их причин, что должно способствовать усовершенствованию и развитию ХТМ. Система оценок успешности прогнозов концентраций загрязняющих веществ является важным инструментом для изучения качества модельных расчетов [267]. Если для прогностических моделей атмосферы разработаны и применяются согласованные международные показатели успешности прогноза метеорологических характеристик и имеется уже многолетняя практика объективного оценивания в Гидрометцентре России, то для оценки численного прогноза концентраций загрязняющих веществ сегодня руководящие документы отсутствуют. В зарубежных научных публикациях чаще всего приводятся результаты оценки качества прогнозов химических транспортных моделей в виде усредненных по территориям показателей (иногда и по погодным условиям). В одной из последних публикаций на эту тему [233] представляются результаты сравнения расчетов (SO2, NO2, O3 и PM10) с наблюдениями по двум ХТМ (CAMx и CHIMERE) для европейского региона (4 крупных географических областей, отдельно для городских и станций «сельского» типа). Ниже приводятся иллюстрации из этой работы, отражающие в виде боксовых диаграмм мастерство (свойства) двух химических транспортных моделей рассчитывать суточный ход часовой концентрации озона в теплый сезон на 238 станциях двух типов (рис. 6.5) и временную динамику наблюдаемой и рассчитанной по моделям концентрации РМ10 (рис. 6.6). а) б) Рисунок 6.5. Усредненный (04 - 09.2006) суточный ход приземного озона средний (а) «сельского типа», (б) городские станции. Прямоугольник - 25-75-ый квантиль распределения концентраций на всех станциях. Наблюдения - серый, ХТМ CAMx – оранжевый, зеленый ХТМ CHIMERE светлый [233] Рисунок 6.6. Усредненная за сутки средняя по станциям двух регионов концентрация РМ10 (в) NWE и (с) SE: наблюдения - серый/черный, CAMx – оранжевый/красный, зеленый CHIMERE светлый/темный. Каждый прямоугольник представляет 25 - 75-ый квантиль распределения концентраций для данного часа на всех станциях/линия медиана [233] 239 В этой же работе описаны стандартные статистические показатели, использованные для оценки успешности модельных расчетов концентраций (рис. 6.7), которые в основном совпадают с показателями, рекомендованными Руководящим документом [255] для оценки прогнозов погоды. В создаваемой технологии для Московского региона предусмотрена процедура оценки модельного прогноза концентраций (CO, NO, NO2, O3, PM10), предполагающая расчет (в среднем по городу и для станций АСКЗА) аналогичных [233, 255] статистических показателей: средняя ошибка модельного прогноза (BIAS), абсолютная ошибка (ABS), среднеквадратическое отклонение (RMS), коэффициент корреляции модель - наблюдения (R). Примеры таких оценок приводятся в таблицах 6.1. - 6.5. Рисунок 6.7. Использованные в работе [233] статистические показатели успешности прогноза концентраций загрязняющих веществ Важно понимать, что общепринятые статистические показатели успешности прогноза дают лишь общее представление о качестве модельного прогноза – систематических погрешностях и тенденциях модельных ошибок на территории мегаполиса. Однако их информативность для принятия практических решений в системе оперативного прогнозирования загрязнения воздуха часто оказывается недостаточной [257] и служит мотивировкой для постобработки модельных прогнозов, полученных на основе расчетов по 240 химическим транспортным моделям. Подобный подход является широко принятой практикой коррекции модельных прогнозов [258,259,256]. Исходя из условий, определяемых задачами практического использования модельных расчетов для оперативного прогнозирования загрязнения воздуха в Московском мегаполисе, сформулирована методология и разработана система постобработки модельных расчетов концентраций загрязняющих веществ. Ниже (п.1-4) в общем виде она представлена как последовательное выполнение набора процедур и расчетов, производимых по прошедшим «контроль» интерполированным на станции мониторинга данным модельных прогнозов и измеренным там концентрациям, и, соответственно, рядам отклонений «прогноз-измерение»: 1. Определяется необходимость и целесообразность коррекции модельных расчетов каждого загрязняющего вещества. Для веществ с низким наблюдаемым уровнем, преобладающие ошибки прогноза которых не могут привести к ложным тревогам (прогноз ≥0.8ПДК) или к значительному числу пропусков высоких концентраций (прогноз <0.8ПДК), достаточно учета систематической ошибки, чтобы значительно минимизировать погрешности прогнозирования. К числу таких загрязнений воздуха в Москве относятся СО (табл. 6.1) и РМ10 (табл.6.2, а также рис. 6.8). Решение о целесообразности введения поправки на систематическую ошибку принимается, если абсолютная ошибка близка к средней, при этом требования к повышению точности модельного прогноза можно локализовать в диапазоне попадания в градацию наблюдаемых опасных величин концентраций - приближающихся и выше ПДК. Также, к примеру, не нуждаются в постобработке модельные расчеты приземного озона в холодный сезон из-за его незначительного и безопасного для окружающей среды содержания в приземном воздухе. 241 2. Определяется модельных расчетов необходимость на и отдельных целесообразность станциях. При коррекции существующем разрешении модельных эмиссий и модельных расчетов требования к высокой точности прогнозов объективным для отдельных возможностям ХТМ; пунктов должны применяемый пока соответствовать «механический» даунскейлинг, высокая неоднородность источников загрязнения воздуха априори предполагают возможность появления значительных локальных модельных ошибок. На общем фоне оценок «проблемные» станции выделяются знаком и величиной систематического отклонения, величиной «выбросов» и т.д. Установление станций, прогноз для которых необходимо корректировать, существенно облегчает статистический анализ с применением диаграмм размаха (рис.6.9) и графиков рассеяния (рис.6.10). Примечание. Требующие значительной коррекции станции: на рис. 6.8.а – ст. Долгопрудная, Бирюлево, рис.6.8.в- Останкино, на рис. 6.9.а и 6.9.б- ст.Косино, Вешняки и пр. На этом этапе важно установить «географическую» закономерность модельных ошибок и идентифицировать станцию (одну или две) с наименьшими погрешностями модельных прогнозов. В последующем после процедуры локальной коррекции (при необходимости этой операции) эту станцию можно признать базовой или «выверенной» [258]. К примеру, для коррекции средней суточной концентрации NO2 такой базовой станцией может быть признана станция «Чура» (рис.6.9.а), а для РМ10, как видно на рис.6.9.б, ст.«Кожухово» с наименьшими величинами и разбросом модельных ошибок. б -60 Зеленоград мр 6 Зеленоград мр 11 Зеленоград мр 16 Долгопрудная Полярная ул. Туристская Останкино МАДИ Н. Масловка Чаянова Спиридоновка ул. Казакова ул. Звенигород Кутузовский 1 Толбухина Хамовники Вешняки Косино Кожухово Пл. Гагарина Шаболовка ул. Кожуховский пр. МГУ Черемушки Вернадского пр. Марьино Бутлерова Гурьевский пр. Бирюлево Все станции -3 NO2 cc, мкг м 242 а 100 80 60 40 20 0 -20 -40 Obs BIAS (Chim) RMS (Chim) ABS (Chim) в Рисунок 6.8. Показатели ошибок модельного прогноза и средние концентрации СО (а), NO2 (б), РМ10 (в) на станциях города. Холодный период. 243 40 0 -20 -40 -60 Марьино Кожухово Косино Спирид-ка Останкино -100 Зеленоград а) МГУ Медиана 25%-75% Размах без выбр. -80 Шаболовка РМ10с.с., мкг м -3 20 б) по шкале Х – номера станций мониторинга*) Рисунок 6.9. Статистические характеристики модельных ошибок (прогнозизмерение) средней суточной концентрации РМ10 (а) и NO2 (б) *)1 Зеленоград мр 6 9 Н. Масловка 17 Хамовники 25 р.Чура 2 Зеленоград мр 11 10 Чаянова 18 Вешняки 26 Черемушки 3 Зеленоград мр 16 11 Спиридоновка ул. 19 Косино 27 Вернадского пр. 4 Долгопрудная 12 Казакова ул. 20 Кожухово 28 Марьино 5 Полярная ул. 13 Звенигород 21 Пл. Гагарина 29 Бутлерова 6 Туристская 14 Кутузовский 1 22 Шаболовка ул. 30 Гурьевский пр. 7 Останкино 15 Кутузовский 2 23 Кожуховский пр. 31 Бирюлево 8 МАДИ 16 Толбухина 24 МГУ 244 3. Определяется структура ошибок модельного прогноза различных загрязняющих веществ на станциях. Проводится наиболее эффективный для этих целей графический анализ (рис.6.10): • распределения ошибок в градациях, что позволяет детализировать диапазон модельных погрешностей распределения для и одновременно обоснованного оценить применения «нормальность» в последующем статистической коррекции; • рассеяния ошибок в диапазоне наблюдаемых концентраций для понимания мастерства модельного прогноза а) предсказывать высокие уровни, б) иметь промахи целей, в) давать «ложные тревоги»; • попадания в градацию повышенных и высоких концентраций, обусловленных неблагоприятными для рассеивания метеорологическими условиями (НМУ). Косино 16 12 10 Число набл. Число набл. 22% 16% 8 10% 6 4 5% 5% 2 7% 3% 2% 0% 0 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 0% 20 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 20 25% -30 -10 0 10 20 0 30 11% 5% 4% 0% -20 -10 180 700 160 600 140 500 120 20 30 40 50 0% 60 МГУ Диаграмма рассеяния 13.8513+0.5409*x 160 120 100 М ГУ МГУ 300 10 Ошибка прогноза РМ10, мкг м Диаграмма рассеяния, Измерения 20.354+0.1045*x Диаграмма рассеяния 800 400 0 в Кожухово Var4 = 17.5486+1.5449*x 2% 0% -3 б Косино Косино 0% -20 19% 18% 4 4% 2% 0% 12 8 13% 11% 16 Ошибка прогноза РМ10, мкг м-3 а 80 80 60 200 40 40 100 20 0 -100 -20 42% 24 Ошибка прогноза РМ10, мкг м-3 0 0 20 40 60 80 100 120 140 1 0 100 200 300 400 500 0 600 Косино Кожухово г 28 46% Число набл. 29% 14 МГУ Кожухово 18 д 0 40 80 120 1 Кожухово е Рисунок 6.10. Пример пространственной неоднородности распределений модельных ошибок прогноза средней суточной концентрации РМ10 (а-в), связи измеренной и модельной средней суточной концентрации NO2 (г-е). 245 4. Проводится статистическая коррекция модельных расчетов. По совокупности результатов анализа причин и условий появления модельных погрешностей каждого вещества, учитывая территориальную неоднородность характера их распределения, для получения корректирующих правил применяются а) локальная коррекция, б) «портретная» коррекция с применением диагностической верификации. Локальная коррекция. Установленную связь прогноз – наблюдения методом подбора аппроксимации с наибольшим коэффициентом детерминации для каждой станции (группы типовых станций) определяются правила коррекции; корректирующее расчетное уравнение связи используется для пересчета модельных величин (рис. 6.11.в). «Портретная» коррекция с применением диагностической верификации основана на использовании преимуществ локального модельного прогноза на станции с наименьшими модельными ошибками. Такая станция (или 2-3 станции), при необходимости для которой проводится локальная коррекция, принимается за «выверенную» [258]. Устанавливаются диагностические количественные зависимости станции с «выверенной», которые применяются для уточнения прогноза первичных прогностических данных с использованием прогнозов на «выверенной» станции (рис.6.11.г). Учитывая главную задачу оперативного прогноза загрязнения «предсказывать наиболее опасные ситуации – с приближением к высоким уровням и превышением ПДК, корректирующие уравнения можно устанавливать только для таких диапазонов. 246 ЛОЖНЫЕ ТРЕВОГИ 120 80 Ошибка модельного прогноза модельный расчет, мкг -3 100 60 40 НМУ 20 начальный прогноз мод.прогноз с коррекцией 0 0 20 40 измерения 60 40 0 -40 -80 -120 0 80 а 20 40 80 100 120 140 160 Измерение 180 160 160 80 140 120 120 100 80 60 40 20 0 100 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Изм ерения, Кожухово 80 60 модель,мкг м-3 модельный расчет 140 60 40 20 40 синий- начальный прогноз зеленый -с коррекцией 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 0 160 0 Измерения, Кожухово в 60 б 180 прогноз с коррекцией 80 20 40 60 80 г Рисунок 6.11. Примеры графического анализа: структура ошибок прогноза модели (а, б), и эффективность коррекции в) локальной, г) «портретной Имея главной целью – заблаговременное предсказание ухудшение качества воздуха приземного воздуха в многомиллионном Московском мегаполисе - особое внимание уделяется эпизодам загрязнения. На рис. 6.12 показаны модельные расчеты и наблюдавшиеся концентрации в одном из летних эпизодов загрязнения при НМУ (август 2012 г.). 247 CO 5000 концентрация СО, мкг м‐з 200 1 3 160 3 140 1 mod 120 2 mod 2 mod 3 mod 3000 1 180 1 mod 4000 N02 2 концентрация NO2, мкг м‐3 6000 2000 1000 2 3 mod 100 80 60 40 20 120 100 80 60 40 20 03.08 0:00 02.08 18:00 02.08 6:00 02.08 12:00 02.08 0:00 01.08 18:00 01.08 6:00 01.08 0:00 31.07 18:00 31.07 6:00 31.07 12:00 31.07 0:00 01.08 12:00 1 РМ10 180 0 2 160 3 140 1 mod 120 2 mod 3 mod 100 80 60 40 20 1-Толбухина, 2-Туристская, 3-Зеленоград 03.08 0:00 02.08 12:00 02.08 18:00 02.08 6:00 02.08 0:00 01.08 12:00 01.08 18:00 01.08 6:00 01.08 0:00 31.07 12:00 31.07 18:00 31.07 6:00 31.07 0:00 30.07 12:00 30.07 18:00 30.07 6:00 г 30.07 0:00 03.08 0:00 02.08 18:00 02.08 12:00 02.08 6:00 02.08 0:00 01.08 18:00 01.08 12:00 01.08 6:00 01.08 0:00 31.07 18:00 31.07 12:00 31.07 6:00 31.07 0:00 30.07 18:00 30.07 12:00 30.07 6:00 0 30.07 0:00 в 30.07 18:00 200 концентрация РМ10, мкг м‐3 140 концентрация О3, мкг м‐3 1-Вернадского, 2-Долгопрудная,3-Вешняки 1 2 3 1 mod 2 mod 3 mod О3 30.07 6:00 б 1-Долгопрудная, 2-Толбухина, 3-Вешняки 160 30.07 0:00 03.08 0:00 02.08 18:00 02.08 6:00 02.08 12:00 02.08 0:00 01.08 18:00 01.08 6:00 01.08 12:00 01.08 0:00 31.07 18:00 31.07 6:00 31.07 12:00 31.07 0:00 30.07 18:00 30.07 6:00 30.07 12:00 30.07 0:00 а 30.07 12:00 0 0 1-Шаболовка,2-Марьино,3-Зеленоград Звенигород Рисунок 6.12. Временной ход измеренных (линии без маркеров) и рассчитанных (линии с маркерами) модельных концентраций (мкг м-3) CO, NO2, О3 и PM10 на станциях городского типа и на загородной станции Зеленоград. 30.07-2.08.2012 г. Визуализация модельных и измеренных концентраций (рис.6.12) указывает на характерные особенности модельных прогнозов: а) модельные расчеты отражают значительный перепад уровней загрязнения по территории города, б) ХТМ в основном адекватно описывает утренний максимум и недооценивает вечерний пик (CO, NO2), в) ночные концентрации на городских станциях моделью завышаются, наиболее существенные различия концентраций модель ↔ измерения характерны для концентраций NO2, О3 и PM10, г) в эпизоде НМУ модельные концентрации PM10 и О3 оказались 248 завышенными, NO2 и СО – заниженными, д) меньшие модельные погрешности получены на станциях восточного сектора города, что связано с особенностями полей эмиссий в Московском регионе, используемых в модели WRF/CHIMERE, максимум которых «привязан» к юго-восточной части мегаполиса (рис.6.4). Эффективность применения постобработки модельных прогнозов оценивается путем сопоставления с первичными модельными расчетами и наблюдениями, используя в т.ч. таблицы сопряженности. Устранимыми недостатками статистической коррекции на основе постобработки модельных прогнозов является отсутствие длительных рядов для формирования «обучающей» и независимой выборки. Другим постобработки осложняющим модельных фактором расчетов для является применения методики нестабильность текущих конфигураций моделей на этапе достаточно быстрого их развития, когда с нерегулируемой частотой производится модификация отдельных блоков, настроечных параметров и замена отдельных параметризаций. Учитывая все это, для своевременного обнаружения выраженных тенденций качества прогнозирования необходимо проведение регулярного мониторинга качества модельного прогноза, включающего сравнение с показателями оценок в предшествующие периоды,. Отметим, что обсуждаемая методология постобработки модельных прогнозов с применением статистической коррекции использована при разработке представленной для рассмотрения ЦМКП в ноябре 2013 г. «Методики моделирования загрязнения атмосферного воздуха в г. Москве с учетом химических преобразований загрязняющих веществ в атмосфере, данных экологического мониторинга, мезомасштабных моделей». Включение в оперативную технологию расчетов концентраций загрязняющих веществ по COSMO-Ru7-ART под руководством проф. Г.С.Ривина [252,253] позволяет проводить тестирование двух химических 249 транспортных моделей, установленных на вычислительной базе Гидрометцентра России, ставя целью установление не только погрешностей этих моделей, но и возможности их совершенствования для создания надежного инструмента прогнозирования качества воздуха в Московском мегаполисе и решения научных задач. Кроме того, в ближайшем будущем предполагается апробировать ансамблевый и/или мультимодельный прогноз, исходя из предположения, что погрешности отдельных моделей (в т.ч. после постобработки) случайны и распределены нормально,. а информативный сигнал заключен в среднем по ансамблевому расчету. 6.4. Применение ХТМ для оценки вклада трансграничного переноса в загрязнение атмосферы (на примере Дальневосточного региона) Этот раздел И.Б.Коноваловым содержит (ИПФ РАН, материалы Н.Новгород) совместных с исследований д.ф.-м.н. с целью продемонстрировать результативность применения химической транспортной модели для решения имеющей и научную, и практическую значимость задачи: оценку влияния дальнего переноса антропогенных примесей на региональное качество воздуха. Важность этой проблемы отражена в ряде межправительственных соглашений в области природоохранной политики [260], а также в многочисленных научных публикациях (напр., [67, 261, 262]). Метод анализа и исходные данные. С небольшим опережением нашей работы в открытой печати появилась публикация, в которой с помощью ХТМ CHIMERE представлены оценки влияния трансграничного переноса примесей из отдельных стран Европы на качество воздуха в Испании [263]. Примененный метод в мировой научной практике является довольно традиционным при решении аналогичных задач [264]. Целью наших исследований была апробация методики определения количественного вклада трансграничного переноса 250 антропогенных примесей, рассчитываемого по ХТМ CHIMERE, в региональное загрязнение атмосферы на территории России. Проведены расчеты переноса на юг Хабаровского края примесей из Китая (PM10, O3 и NOx); технология расчетов по ХТМ CHIMERE подробно описана в работе [246]. Расчеты выполнены с горизонтальным разрешением 10x10; для обеспечения ХТМ CHIMERE метеоданными использовалась метеорологическая модель WRF-ARW. Расчеты метеорологических полей проводились с применением технологии "nudging" (притягивание) состояния модели к данным реанализа через 6 часов. Для задания эмиссий использовались данные кадастра EDGAR (http://edgar.jrc.ec.europa.eu), содержащего, в частности, оценки суммарных годовых эмиссий для всех стран мира. Эти оценки основываются на данных национальных статистик потребления горючих материалов различными секторами экономики и транспортом, а также данных по производству энергии. Из-за отсутствия информации о характере сезонных изменений интенсивности выбросов в Китае, в расчетах эмиссий сезонные вариации отсутствуют, что могло привести к некоторому занижению рассчитанного уровня загрязнения атмосферы зимой и завышению летом. Для общего представления имеющихся в глобальном кадастре EDGAR данных на рис.6.13 приводится визуализация годовых эмиссий СО. Рисунок 6.13. Эмиссии СО базы данных EDGAR. 2008 [http://edgar.jrc.ec.europa.eu/edgar_album/v42/CO] 251 Для 2007 г рассматривалось два сценария модельных расчетов переноса -с учетом эмиссий в Китае ("базовый") и без их учета. Чтобы убедиться в достаточной репрезентативности полученных для 2007 г. оценок трансграничного переноса, были выполнены расчеты и для 1997 г. Выбор именно этого года обусловлен тем, что известный индекс ESPI [265], характеризующий изменчивость пространственного распределения осадков в регионе явления Эль-Ниньо, имел в 1997 и 2007 гг. преимущественно разные знаки. Последнее обстоятельство позволяет предположить, что межгодовые различия в характере и интенсивности трансграничного переноса в регионе российского Дальнего Востока, связанные с изменениями атмосферной циркуляции в азиатско-тихоокеанском регионе, в рассмотренные годы должны были в максимальной степени реализоваться. Временную эволюцию повышения уровня загрязнения (PM10) за счет переноса из Китая в выбранном для иллюстраций п. Хабаровск показывает рис. 6.14 (вверху слева 2007 г., справа 1997 г.), на котором показаны модельные концентрации в ячейке модельной сетки, ближайшей к центру Хабаровска. О вкладе антропогенного загрязнения из Китая в локальное загрязнение в п. Хабаровск указывает разность между временными сериями базового расчета и расчета без учета эмиссий Китая. На том же рисунке представлены статистические распределения величины приращения РМ10 в Хабаровске за счет переноса антропогенного аэрозоля из Китая. Приведенные иллюстрации указывают на высокое сходство разделенных десятилетием данных: величина прироста локального уровня РМ10 за счет антропогенного зарубежного аэрозоля примерно в 80 % случаев в оба года не превышала 5 мкг м-3., хотя в отдельных случаях величины прироста в 1997 г. заметно превышали максимумы в 2007 г. Т.о., полученные для 2007 г. оценки заведомо не являются экстремальными. Как в 1997, так и в 252 нулевые эмиссии в Китае PM10 (мкг/м3) 60 базовый расчет 40 20 0 0 а) 100 200 300 номер дня (от 1 января 2007 г.) нулевые эмиссии в Китае базовый расчет PM10 (мкг/м3) 60 40 20 0 0 б) 300 200 300 225 225 200 200 Число набл. 250 175 150 125 100 175 150 125 100 75 75 50 0 78% 275 250 25 300 номер дня (от 1 января 1997 г.) 79% 275 Число набл. 100 10% 50 6% 2% 0% 0 5 10 15 25 1% 20 1% 25 0 30 35 40 45 50 11% 0 2% 5 10 15 1% 20 1% 25 0% 30 1% 0% 35 40 Приращение РМ10, мкг м-3 -3 Приращение РМ10, мкг м в 6% 0% г Рисунок 6.14. Средняя суточная концентрация РМ10 (мкг м-3) в Хабаровске (а, б) с учетом переноса аэрозоля из Китая (красная линия) и без учета (синяя линия). Внизу - распределение величины приращения РМ10 за счет переноса антропогенного аэрозоля из Китая в Хабаровск. 2007г. (а, в) и 1997 г. (б, г). 0% 45 50 253 2007 г. с повторяемостью опасного явления (2-3%) адвекция аэрозоля из Китая вызывает увеличение аэрозольного загрязнения в Хабаровске более чем на 20 мкг м-3; именно такие случаи (ниже они будут называться эпизодами) нами рассматривались с точки зрения метеорологической обусловленности. Оказалось, что наибольшее число эпизодов РМ10 имеет место в холодный период: чаще всего в феврале-марте, а также октябре- ноябре; летом адвективный вклад меньше по величине. Совсем другую картину прироста концентраций вследствие трансграничного переноса загрязнений демонстрируют расчеты озона и оксидов азота (рис.6.15). Так, в холодный сезон 2007 г. баланс «озон с учетом эмиссий в Китае – озон без учета эмиссий в Китае » слабо отрицательный, в среднем за месяц с ноября до марта -1,-2 мкг м-3 (в отдельные дни до -10,-12 мкг м-3), т.е., адвекция воздушной массы из Китая в это время года вызывает небольшое понижение уровня озона. В теплый сезон вклад дальнего переноса меняется на положительный; в среднем за месяц этот вклад составляет 3- 5 мкг м-3 (в июне 9 мкг м-3), достигая 20-35 мкг м-3, причем, наибольшее приращение суточного максимума за счет адвекции наблюдается в ситуациях, близких к опасным по содержанию озона, когда его концентрация превышает ПДКм.р. (160 мкг м-3) или приближается к ней (больше 0.8 ПДКм.р.). Оксиды азота переносятся на значительные расстояния только в холодное время года при снижении химической активности в атмосфере. Хотя модельные приращения оксидов азота по величинам в 2007 г оказались небольшими (1-4 мкг м-3), они часто сравнимы с фоновым уровнем (рис. 6.15). Т.е. адвекция оксидов азота из Китая является в холодный период важным фактором регионального загрязнения атмосферы. В теплый сезон в Хабаровске загрязнение воздуха оксидами азота возрастает по сравнению с зимним в несколько раз; с учетом несущественного вклада дальнего переноса оксидов 254 азота, можно сделать вывод, что уровень загрязнения оксидами азота формируется, в основном, местными источниками. Сезонные отличия результатов приращений PM10, NOx и O3 объясняются различной химической природой этих примесей. Значительные приращения концентрации PM10 определяются долгоживущими аэрозольными компонентами, имеющими как первичное, так и вторичное происхождение. 160 O3 (мкг/м3) 120 80 40 нулевые эмиссии в Китае базовый расчет 0 а 0 100 200 300 номер дня (от 1 января 2007) 16 нулевые эм иссии в Китае базовый расчет NOx (мкг/м3) 12 8 4 б 0 0 100 200 300 ном ер дня (от 1 января 2007 г.) Рисунок 6.15. Максимальная суточная концентрация О3 (а) и средняя суточная концентрация NOx (б) с учетом переноса загрязнений из Китая в Хабаровск (красная линия) и без учета (синяя линия). 2007 г. Время жизни NOx в атмосфере сильно ограничено (особенно летом) прежде всего за счет реакции с гидроксил радикалом (OH), приводящей к 255 образованию азотной кислоты (HNO3). Вследствие этого перенос NOx на значительные расстояния оказывается возможным только во время холодного сезона. Эффективное образование озона в переносимом из Китая шлейфе загрязнения возможно под воздействием интенсивного солнечного излучения преимущественно в летних условиях и при наличии достаточно высоких концентраций как углеводородов, так и оксидов азота. Однако, поскольку в летних условиях имеющийся в шлейфе "запас" NOx быстро истощается, то фактически избыток озона, определяемый китайскими эмиссиями, образуется в основном в непосредственной близости от источников (т.е. в Китае) и затем уже переносится на российский Дальний Восток, по мере переноса разрушаясь вследствие химических процессов и процесса осаждения. Синоптические условия формирования аэрозольных и озоновых эпизодов. Исследуемый регион характеризуется выраженным муссонным климатом, где ветровой режим формируется под сильным влиянием топографических особенностей региона. Так, в среднем за год климатическая повторяемость приземных ветров от южного до западного направлений составляет около 60 %, ветров северо-восточного сектора – 30%. С сентября до мая преобладают ветры юго-западные и западные (50-60%, в ноябре 70%). В летние месяцы чаще всего и почти с равной повторяемостью (около 20%) наблюдаются либо северовосточные, либо юго-западные ветры. Максимальная повторяемость штилей (17%) приходится на январь (http://pogoda.ru.net/climate/31735.htm). Для подтверждения репрезентативности модельных расчетов и результатов исследований рассчитана повторяемость направления ветров в 2007 и 1997 гг. Было установлено, что характер переноса в выбранные для анализа годы практически совпал с климатическим: первая мода приходится на югозападный сектор, вторая - на северо-восточный. Синоптический анализ показал, что «эпизоды» РМ10 наблюдались в подавляющем числе случаев в теплых секторах континентальных циклонов, перемещавшихся из Монголии или из Забайкалья на восток; значительно реже 256 – при перемещении воздушных масс по близкой к центру периферии субтропических антициклонов. Очевидно, для выноса аэрозоля из северного Китая на Дальний Восток необходим комплекс метеорологических условий, ослабляющих перемешивание и препятствующих выведению примесей из загрязненного слоя. Такие благоприятные условия частично обеспечивает термическая устойчивость, характерная для теплых секторов циклонов и антициклонов при адвекции теплого сухого воздуха. Таблица 6.6 Перенос и синоптические условия при наибольших концентрациях озона в Хабаровске с учетом антропогенных эмиссий (расчет), величина приращения озона за счет адвекции загрязнений (адвективная добавка) из Китая. 2007 г. дата расчет (мкг м-3) адвективная добавка (мкг м-3) направление переноса в слое до 1.5 км синоптическая ситуация 1 19 апреля 142 8 Ю Западная периферия тихоокеанского антициклона, адвекция теплого воздуха 2 20 апреля 133 5 Ю Западная периферия антициклона – теплый сектор южного циклона 3 1 июня 136 18 Ю 4 2 июня 141 15 Ю Северо-западная антициклона (центр +28º,+30º 5 3 июня 140 9 Ю 6 11 июня 149 26 Ю 7 12 июня 174 36 Ю 8 16 июня 143 7 Ю 9 17 июня 145 16 Ю 10 3 июля 133 5 З,ЮЗ 11 4 июля 158 4 Ю периферия Япония), днем Теплый сектор циклона (центр северовосток Китая), днем +28º,+29º Северная периферия антициклона (центр Японское море), днем около +30º Теплый сектор циклона (центр северовосток Китая), днем 32º 257 12 14 июля 132 8 З,ЮЗ 13 15 июля 140 4 З,ЮЗ Западная периферия антициклона – теплый сектор южного циклона, днем +32º,+35º С помощью траекторного анализа получено подтверждение участия переноса воздушных масс из Китая, следовательно, и адвекции примесей в формировании уровня аэрозольного загрязнения в районе Хабаровска. Для каждого случая пиковых средних за сутки концентраций РМ10 построены обратные траектории воздушных частиц в слое до 1.5 км от п. Хабаровск с использованием траекторной (http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php). модели Получено, что HYSPLIT во всех эпизодах наиболее высоких средних суточных концентраций РМ10 приходившая в Хабаровск воздушная масса перемещалась над районами северного Китая. Озоновые эпизоды. Анализировались наибольшие рассчитанные суточные максимумы приземного озона в Хабаровске в 2007 г.: О3 ≥ 130 мкг м-3, т.е.выше 0.8 ПДКм.р.(табл.6.6). Такие события группируются в 2-3-х суточные эпизоды; примерно в 75% (10 из рассмотренных 13 случаев) крупномасштабную циркуляцию определял антициклон, в 3 случаях - циклон над Китаем. Наибольшие суточные максимумы озона (11-12 июня, 4 июля) по расчетам имели место при выносе в Приамурье тропического воздуха в теплом секторе циклона. В эпизоде 11-12 июня оказалось и максимальное приращение суточного максимума О3 за счет зарубежных эмиссий (26-36 мкг м-3), и экстремальный уровень озона (до 174 мкг м-3 – выше ПДКм.р.). Примерно такого порядка приращения озона (20-30 мкг м-3) за счет адвекции получены в эпизодах наиболее сильного озонового загрязнения и в первых числах июля 1997 г. с дневным максимумом приземного озона больше 160 мкг м-3. 258 КРАТКИЕ ВЫВОДЫ 9 Положительные результаты апробации химической транспортной модели для центральных областей Европейской части России, наличие сети мониторинга загрязняющих веществ в Москве и эксплуатируемые в Гидрометцентре России мезомасштабные модели атмосферы мотивировали постановку задачи создания технологии для прогнозирования загрязнения воздуха в Московском регионе на основе ХТМ. 9 По результатам тестирования ХТМ по измерениям концентраций загрязнений воздуха в мегаполисе продемонстрирована необходимость коррекции модельных прогнозов. Основными причинами ошибок модельного прогноза концентраций загрязняющих веществ на станциях мониторинга являются а) различия масштабов атмосферных процессов наблюдаемых в мегаполисе и описываемых численными моделями, б) грубое представление и сезонные особенности используемых для модельных расчетов городских эмиссий, в) высокая зависимость от ошибок метеорологического прогноза. 9 Предлагается система интерпретации модельных расчетов и разработана методология постобработки модельных прогнозов как система статистической коррекции, которая при устойчивости конфигураций ХТМ и обеспеченности рядов для ее проведения способна обеспечить качество прогноза концентраций загрязняющих веществ, необходимое для практического использования модельных расчетов. • Продемонстрированы результативность и эффективность применения ХТМ CHIMERE для оценки влияния трансграничного переноса на региональное качество воздуха на примере модельных расчетов вклада антропогенных примесей, поступающих с воздушными массами из Китая в дальневосточный регион России. - Установлено, что вклад адвективного (дальнего) переноса в региональный уровень загрязнения оценивается в 15-25 %. 259 - Полученные результаты модельных расчетов концентраций О3, РМ10 и NOx для выбранного рецептора указывают на выраженные сезонные особенности вклада адвективных антропогенных загрязнений: юг Дальнего Востока испытывает наиболее значительное воздействие переноса из Китая аэрозоля - весной и осенью, озона – летом, оксидов азота – в холодный сезон. - Наиболее благоприятными метеорологическими условиями для формирования эпизодов загрязнения на юге Хабаровского края со значимым вкладом переноса из Китая является адвекция субтропического воздуха в теплых секторах циклонов и по западной периферии антициклонов. 260 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Все исследования, обсуждение и результаты которых представлены в диссертации, имеют целью систематизировать и получить новые знания о физических процессах в находящемся под влиянием антропогенных факторов городском атмосферном пограничном слое для практического применения полученных выводов и расчетных методов при выполнении главной задачи прогнозировании обусловленного неблагоприятного ослаблением для окружающей рассеивающей среды способности состояния, атмосферы и сопутствующим значительным увеличением загрязнения воздуха. В полном диапазоне изменчивости состояния атмосферы условия для высокого загрязнения воздуха наблюдаются редко; тем важнее задача заблаговременно спрогнозировать такие ситуации и одновременно предельно снизить число «ложных тревог». Установленные особенности атмосферных процессов в мегаполисе, их влияние на процессы загрязнения приземного воздуха позволяют с применением разработанных автором методов идентификации и прогноза значительно повысить успешность предсказания неблагоприятных метеорологических условий, способствующих повышению загрязнения воздуха до опасных уровней. Учитывая современные тенденции в прогнозировании качества воздуха на основе химических транспортных моделей, в последние годы в Гидрометцентре России с участием диссертанта активно ведутся работы по внедрению технологии модельных расчетов концентраций загрязняющих веществ. Но чтобы стать надежным инструментом прогнозирования, при существующем разрешении и используемых данных об эмиссиях, ошибках модельных метеорологических полей численные модели должны быть верифицированы по данным конкретного региона с имеющейся спецификой. Для практического использования модельные прогнозы пока еще нуждаются в коррекции, и в диссертации продемонстрирована эффективность предложенной постобработки модельных расчетов. 261 При выполнении поставленных задач получен и в настоящей работе представлен ряд новых результатов, имеющих научную, методическую и практическую значимость. К числу главных методических результатов относятся: ¾ Подготовленные и утвержденные Центральной методической комиссией по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета Методические рекомендации по использованию данных отечественного прибора для мониторинга термического состояния МТП-5, с использованием которых получены имеющие научную и практическую значимость выводы о специфических процессах в воздушном бассейне Московского мегаполиса. ¾ Систематизация загрязнения приземного условий воздуха, формирования в т.ч. эпизодов озоном, составила высокого основу разработанных синоптико-статических методов прогнозирования. ¾ Разработанная схема постобработки модельных расчетов концентраций загрязняющих веществ служит методической базой для разработки методов статической коррекции численных прогнозов загрязнения в мегаполисе. Научные результаты получены диссертантом в области актуальных в мировой практике исследований антропогенного влияния на процессы в городском пограничном слое. К числу наиболее важных результатов относятся следующие выводы: 9 Совокупность антропогенных факторов вызывает значительные изменения термической структуры городского атмосферного слоя атмосферы. Преобладающая термическая неустойчивость в мегаполисе и температурная неоднородность, сравнимая при достижении максимума ночью с контрастами температуры самоочищения в зоне атмосферного городской фронта, атмосферы стимулируют посредством усиление активизации внутригородского переноса и рассеивания примесей. Более высокая по 262 сравнению с пригородом температура обнаруживаются в холодный сезон в нижнем 100-200 метровом слое, в теплый сезон – в слое до 300-500 метров. 9 Установлены сезонные различия формирования термической неустойчивости приземного воздуха в мегаполисе. Главными причинами ее преобладания в холодный сезон являются потери тепла отопительных систем; в теплый сезон лучистое излучение теплоемких поверхностей городского ландшафта в темное время суток поддерживает термическую неустойчивость, но в определенной мере ее ослабляет парниковый эффект. 9 Отношение частоты образования температурной инверсии любого типа в невозмущенной мегаполисом местности (Обнинск), ближнем пригороде (Долгопрудный) и в центре мегаполиса имеет вид 4:3:1. В среднем повторяемость образования приземной инверсии температуры в центре Москвы составляет около 1%, в ближнем пригороде - около 20 %. 9 Выполненная систематизация условий высокого загрязнения воздуха в Московском регионе подтвердила, что его формирование происходит в основном за счет городских эмиссий, но дальний перенос взвешенных частиц также может вызвать повышение уровня до критических величин. 9 Достижение максимального уровня загрязнения приземного воздуха в городе обеспечивается сочетанием слабого ветра в нижней части АПС и термической устойчивости (НМУ); в отсутствие одного из этих факторов не происходит значительного накопления загрязнений в приземном воздухе. Повторяемость эпизодов загрязнения в теплый сезон выше, чем зимой. В отличие от зимних, летние эпизоды загрязнения – многокомпонентные: вечером и утром формируются высокие концентрации в основном первичных и короткоживущих вторичных загрязнений, в послеполуденное время – образующихся в результате фотохимических процессов. 9 Диагностируемые по нетипичным изменениям метеорологических параметров ответные сигналы на сильное загрязнение атмосферы продуктами горения биомассы в периоды лесо-торфяных пожаров отличаются от 263 фиксируемых при кратковременных НМУ и обнаруживаются а) в усилении термической устойчивости в дневное время (эффект «радиационной зимы»), б) в ночном ослаблении радиационного выхолаживания в задымленном и загазованном воздухе («парниковый» эффект). 9 Сопровождающие радиационную инверсию вертикальные сдвиги скорости ветра способствуют очищению приземного воздуха, кроме ситуаций адвекции примесей (шлейфы природных пожаров, дальний перенос), когда активизируемое сдвигами ветра турбулентное перемешивание становится механизмом переноса примеси в приземный слой из шлейфа, вызывая повышение уровня загрязнения. 9 Разработан синоптико-статистический метод расчета метеорологического параметра загрязнения (МПЗ) с использованием данных численных моделей атмосферы, обеспечивающий успешность прогноза НМУ за счет учета особенностей процессов в городском пограничном слое атмосферы, и, тем самым, снижение ложных тревог. 9 Наиболее значительные непериодические вариации концентрации приземного озона в удаленном от антропогенных источников регионе в основном связаны с процессами синоптического масштаба и определяются свойствами приходящих воздушных масс. 9 В Московском регионе перенос тропосферного озона при интенсивном перемешивании может привести к повышению концентрации озона в приземном воздухе зимой до 70-90 мкг м-3, весной в период максимума ОСО до 115-145 мкг м-3, летом - до 90-100 мкг м-3. 9 Поле приземного озона в Московском регионе характеризуется значительной пространственной и временной неоднородностью с увеличением уровня озона: а) от примагистральных районов к подветренным окрестностям (в среднем на 20-30 мкг м-3, в летних эпизодах - более 50 мкг м-3), б) от холодного сезона к теплому. Летний максимум приземного озона обусловлен увеличением повторяемости НМУ. 264 9 Разработан синоптико-статистический метод прогноза аномальных уровней приземного озона в Московском регионе с применением количественного метеорологического параметра загрязнения озоном. При отсутствии наблюдений метод позволяет оценивать возможность аномальных изменений приземного озона. 9 По результатам тестирования химической транспортной модели по данным автоматизированного мониторинга загрязнения воздуха в Москве продемонстрирована необходимость коррекции модельных прогнозов концентраций загрязняющих веществ в мегаполисе. Разработана схема постобработки модельных прогнозов, и показано, что при существующем пространственном разрешении ХТМ, в условиях грубого описания городских эмиссий, высокой зависимости от ошибок метеорологического прогноза статистическая коррекция может обеспечить качество прогноза концентраций загрязняющих веществ, необходимое для практического использования модельных расчетов. Все проведенные исследования были сфокусированы на получении новых результатов и методических разработок для решения практических задач в области мониторинга качества окружающей среды. Представленная работа является законченным самостоятельным исследованием, направленным на решение крупной научной проблемы исследования процессов и прогнозирования неблагоприятных условий для окружающей среды в многомиллионном мегаполисе. Полученные новые результаты и разработанные новые методы дают основание считать, что выполненные исследования означают значительное продвижение в решении проблемы мониторинга качества окружающей среды и имеют социально-экономическое и народно-хозяйственное значение. 265 Вместе с тем, выполнение представленной работы позволило обозначить требующий расширения круг научных исследований; наиболее актуальными и перспективными направлениями являются: • исследования антропогенного воздействия на атмосферные процессы в мегаполисе; • изучение процессов загрязнения воздушного бассейна большого города с применением высотных измерений играющих ключевую роль в атмосферной химии газов; • верификация химических транспортных моделей и разработка методов интерпретации модельных прогнозов для получения надежного инструмента численного прогноза концентраций загрязняющих веществ в городах и на фоновой территории. 266 СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ в журналах, рекомендованных ВАК 1. Шакина Н.П., Кузнецова И.Н. Повышение суммарной бета- активности в приземном слое воздуха в результате стратосферных вторжений.Доклады Академии наук. Геофизика. 1997, т.356, № 3, с.390-392. 2. Шакина Н.П., А.Р.Иванова Кузнецова И.Н. Анализ случаев стратосферных вторжений, сопровождаемых повышением радиоактивности в приземном воздухе.- Метеорология и гидрология 2000, № 2, с.53-60 3. Кадыгров Е.Н., Кузнецова И.Н., Голицын Г.С. Остров тепла в пограничном слое атмосферы над большим городом: новые результаты на основе дистанционных данных.- Доклады Академии наук. Геофизика. 2002. Т. 385. № 4. С.541. 4. Кузнецова И.Н., Еланский Н.Ф., Шалыгина И.Ю., Кадыгров Е.Н., Лыков А.Д.Инверсии температуры и их влияние на концентрацию приземного озона в окрестностях Кисловодска.- Метеорология и гидрология. 2002, № 9, с. 40-48. 5. Звягинцев А.М., Кузнецова И.Н. Изменчивость приземного озона в окрестностях Москвы: результаты десятилетних регулярных наблюдений.Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2002. Т.38. № 4. с.486-495. 6. Tarasova O.A., Kuznetsov G.I., Elansky N.F., Senik I.A., Kuznetsova I.N. Impact of air transport on seasonal variations and trends of surface ozone at kislovodsk high mountain station.- Journal of Atmospheric Chemistry. 2003. Т 45. №3, рр.245-259. 7. Бондаренко Н.А., Богомолов А.В., Кузнецова И.Н., Хайкин М.Н. Дистанционное измерениепрофилей температуры пограничного слоя атмосферы в г. Оренбург.- Метеорология и гидрология, 2004, №12, с.97-98 8. среды Кузнецова И.Н., Хайкин М.Н., Кадыгров Е.Н. Влияние городской на температуру в пограничном слое атмосферы по данным микроволновых измерений в Москве и окрестностях.- Известия Российской 267 академии наук. Физика атмосферы и океана. 2004: т. 40, №5, с.678-688. 9. Звягинцев А.М., Беликов И.Б., Егоров В.И., Еланский Н.Ф., Крученицкий Г.М., Кузнецова И.Н., Николаев А.Н., Обухова З.В., Скороход А.И. Положительные аномалии приземного озона в июле-августе 2002 г. в Москве и ее окрестностях.- Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2004, Т. 40, № 1, с.75-86. 10. Шакина Н.П., Иванова А.Р., Кузнецова И.Н. Волны холода и их проявление в озонометрических данных кисловодской высокогорной научной станции.- Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2004. Т. 40. № 4. с.485-500 11. Хайкин М.Н., Кузнецова И.Н., Кадыгров Е.Н. Влияние высокой концентрации аэрозоля на термическую структуру пограничного слоя атмосферы.- Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2006. Т. 42. № 6. с.778-784. 12. Звягинцев А.М., Рудаков В.В., Кузнецова И.Н., Демин В.И. О временном ходе приземного озона в центре европейской россии в весеннелетний период 2004 г. - Метеорология и гидрология. 2006. № 4. с.41-46. 13. Khaikine M.N., Kuznetsova I.N., Kadygrov E.N., Miller E.A. Investigation of Temporal-Spatial Parameters of an Urban Heat Island on the Basis of Passive Microwave Remote Sensing".- Theoretical and Applied Climatology. 2005. Т. 84, рр.161-168. 14. Шалыгина И.Ю., Кузнецова И.Н., Нахаев М.И., Лезина Е.А., Звягинцев A.M. О прогнозировании приземного озона в большом городе (на примере Москвы) .- Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20. № 7. с.651-658. 15. Звягинцев A.M., Селегей Т.С., Кузнецова И.Н. Изменчивость приземного озона в г. Новосибирске.- Оптика атмосферы и океана. 2007. Т.20. № 7. с.647-650. 16. Кузнецова И.Н., Нахаев М.И., Шалыгина И.Ю., Лезина Е.А. Метеорологические предпосылки формирования зимних эпизодов высокого загрязнения воздуха в г. Москва .- Метеорология и гидрология. 2008. № 3. с.48- 268 59. 17. Демин В.И., Звягинцев А.М., Кузнецова И.Н. О действующих в российской федерации нормативах по содержанию озона в атмосферном воздухе.- Экология человека. 2009. № 1. с.4-8. 18. Kallistratova M.A., Kouznetsov R.D., Kuznetsov D.D., Kuznetsova I.N., Nachaev M., Chirokova G. Summertime low-level jet characteristics measured by sodars over rural and urban areas.- Meteorologische Zeitschrift. 2009. V. 18. №. 3. рp.289-295. 19. Звягинцев А.М., Беликов И.Б., Еланский Н.Ф., Кузнецова И.Н., Тарасова О.А., Шалыгина И.Ю. Статистическое моделирование максимальных суточных концентраций приземного озона.- Оптика атмосферы и океана. 2010. Т. 23. № 2. с.127-135. 20. Кузнецова И.Н., Зарипов Р.Б., Коновалов И.Б., Звягинцев А.М., Семутникова4 Е.Г., Артамонова А.А. Вычислительный комплекс «модель атмосферы - химическая транспортная модель» как модуль системы оценки качества воздуха.- Оптика атмосферы и океана. 2010. Т. 23. № 6. с.485-492. 21. Зарипов Р.Б., Коновалов И.Б., Кузнецова И.Н., Беликов И.Б., Звягинцев А.М. Использование моделей WRF ARW и CHIMERE для численного прогноза концентрации приземного озона.- Метеорология и гидрология. 2011. № 4. с.48-60. 22. .Коновалов И.Б., Бикманн М., Кузнецова И.Н., Глазкова А.А., Вивчар А.В., Зарипов Р.Б.Оценка влияния природных пожаров на загрязнение воздуха в регионе московского мегаполиса на основе комбинированного использования химическо-транспортной модели и данных измерений. Известия Российской академии наук.- Физика атмосферы и океана. 2011, том 47, № 4, с.496–507 23. Кузнецова И.Н., Коновалов И.Б., Глазкова А.А., Нахаев М.И., Зарипов Р.Б., Лезина Е.А., Звягинцев А.М., Бикманн М. Наблюдаемая и рассчитанная изменчивость концентрации взвешенного вещества РМ10 в Москве и Зеленограде.- Метеорология и гидрология. 2011. № 3. с.48-60. 269 24. Звягинцев А.М., О.Б. Блюм, А.А. Глазкова, С.Н. Котельников, И.Н. Кузнецова, В.А. Лапченко, Е.А. Лезина, Е.А. Миллер, В.А. Миляев, А.П. Попиков, Е.Г. Семутникова, О.А. Тарасова, Шалыгина И.Ю. Загрязнение воздуха на Европейской части России и в Украине в условиях жаркого лета 2010 года.- Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47. № 6. с.757766. 25. Звягинцев А.М., Блюм О.Б., Глазкова А.А., Котельников С.Н., Кузнецова И.Н., Лапченко В.А., Лезина Е.А., Миллер Е.А., Миляев В.А., Попиков А.П., Семутникова Е.Г., Тарасова О.А., Шалыгина И.Ю. Аномалии концентраций малых газовых составляющих в воздухе европейской части России и Украины летом 2010 г. .- Оптика атмосферы и океана том 24, 2011, № 7, с.582-588. 26. Konovalov I.B., Beekmann M., Kuznetsova I.N., Yurova A. and Zvyagintsev A.M.Atmospheric impacts of the 2010 Russian wildfires: integrating modelling and measurements of an extreme air pollution episode in the Moscow region.- Atmos. Chem. Phys., 11, 10031-10056, 2011 http://www.atmos-chemphys.net/11/10031/2011. 27. Глазкова А.А., Кузнецова И.Н., Шалыгина И.Ю., Семутникова Е.Г. Суточный ход концентрации аэрозоля (РМ10) летом в Московском регионе.Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, № 6, с.495–500. 28. Юрова А.Ю., А.В. Парамонов, И.Б. Коновалов, И.Н. Кузнецова, М.Бикманн. Прогноз интенсивности теплового излучения и эмиссий аэрозолей от лесных пожаров в Центрально-европейском регионе.- Оптика атмосферы и океана. 2013. Т.25. № 4. с.203-207. 29. Кузнецова И.Н. Влияние метеорологических условий на содержание РМ10 и СО в летних эпизодах 2010 года.- Физика атмосферы и океана, 2012. Т 48, №5. с.566-577. 30. Кузнецова И.Н., Кадыгров Е.Н., Миллер Е.А., Нахаев М.И. Характеристики температуры в нижнем 600-метровом слое по данным дистанционных измерений приборами МТП-5.- Оптика атмосферы и 270 океана,2012. Т. 25, № 10. с.877-883. 31. Кузнецова И.Н., И.Б. Коновалов, А.А. Глазкова, Е.В. Березин, М. Бикманн, E.-Д.Шульце. Оценка вклада трансграничного переноса в загрязнение атмосферы в дальневосточном регионе на основе применения химическотранспортной модели.- Метеорология и гидрология, 2013, № 3. с.17-29. 271 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Troitsky A.V., Gaykovich K.P., Kadygrov E.N., Kosov A.S., Gromov V.A. Thermal sounding of the atmosphere boundary layer in oxygen absorbtion band center. - IEEE Trans. on Geosciens and Remote Sensing, 1993, vol. 31, № 1, pp.116120. 2. Kadygrov E.N., Pick D.R. The potential for temperature retrieval from an angular- scanning single-channel microwave radiometer and some comparisons with in situ observations. -Meteorological Applications, 1998, vol. 5, Issue 4, pp. 393-404. 3. Вествотер Е.Р., Вязанкин А.С., Гайкович К.П., Кадыгров Е.Н., Моисеев Д.Ю. Радиометрический мониторинг температуры планетарного пограничного слоя атмосферы. -Метеорология и гидрология, 1999, № 3, с. 59-71. 4. Кадыгров пограничного Е.Н. слоя: Микроволновая метод, аппаратура, радиометрия результаты атмосферного измерений.-Оптика атмосферы и океана, 2009, т.22, № 7, с.697-704. 5. Kadygrov E.N. Operational aspects of different ground-based remote sensing observing techniques for vertical profiling of temperature, wind, humidity and cloud structure./ WMO,2006, IOM Report N 89, WMO/TD N 1309, Geneva, Switzerland, P. 38. 6. Вязанкин А.С., Кадыгров Е.Н., Мазурин Н.Ф., Троицкий А.В., Шур Г.Н. Сравнение данных микроволнового радиометра и высотной метеорологической мачты при измерениях профиля температуры и структуры ее неоднородностей. -Метеорология и гидрология, 2001, № 3, c.34-44. 7. Кадыгров Е.Н., Миллер Е.А. Результаты сравнений профилей температуры, полученных с помощью дистанционных профилемеров и датчиков высотных метеорологических мачт. Тез. докладов Всерос. Научной конференции «Исследование процессов в нижней атмосфере при помощи высотных сооружений», 2008, Обнинск, с. 61-64. 8. Кадыгров Е.Н., Кузнецова И.Н., Голицын Г.С. Остров тепла в пограничном слое атмосферы над большим городом: новые результаты на 272 основе дистанционных данных. - Доклады Академии Наук, 2002, т. 385, № 4, с.541-548. 9. Kadygrov E.N., Kuznetsova I.N., Golitsyn G.S. Heat island in the boundary аtmospheric layer over a large city: new results based on remote sensing data.Doklady Earth Sciences. 2002, vol. 385 A, № 6, pp.688-694. 10. Khaikine M.N., Kuznetsova I.N., Miller E.A. Investigation of time-spatial parameters of urban heat island on the base of remote measurements in atmospheric boundary layer. In: Proceedings of 5th International Conference on Urban Climate, Lodz, Poland, 1-5 Sept. 2003 11. среды Кузнецова И.Н., Хайкин М.Н., Кадыгров Е.Н. Влияние городской на температуру в пограничном слое атмосферы по данным микроволновых измерений в Москве и окрестностях – Изв. РАН, Физика атмосферы и океана, 2004, т. 40, № 5, с. 678-688. 12. Golitsyn G.S., Koldaev A.V., Kadygrov E.N., Khaikine M.N., Kuznetsova I.N. Change of Atmospheric Boundary Layer Thermal Regime Induced by Aerosol as Measured by MTP-5.// Abstracts of Fourteenth ARM Science Team Meeting, March 2004, Albuquerque, New Mexico, USA, p. 28-29. 13. Кадыгров Е.Н., Хайкин М.Н., Кузнецова И.Н. , Нахаев М.И., Влияние аэрозоля на термический режим пограничного слоя атмосферы по данным микроволновых дистанционных измерений профилей температуры в Москве и пригороде. IV г2004: Всероссийская конференция «Физические проблемы экологии (экологическая физика)» Москва, 22-23 июня 2004 с.179-180. 14. Khaikine M.N., Kuznetsova I.N., Kadygrov E.N., Miller E.A. Investigation of Temporal-Spatial Parameters of an Urban Heat Island on the Basis of Passive Microwave Remote Sensing"Theoretical and Applied Climatology. 2005, vol.. 84. p.161. 15. Kadygrov E., Khaikine M., Kuznetsova I., Miller E. Investigation of urban heat island on the basis of stationary and mobile microwave systems for remote measurements of atmospheric temperature profiles Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 2005. т. 5832. p.503 273 16. Kadygrov E., Khaikine M., Kuznetsova I., Miller E. Investigation of urban heat island on the basis of stationary and mobile microwave systems for remote measurements of atmospheric temperature profiles. Proc. Of SPIE, Optical Technologies for Atmospheric, Ocean and Environmental Studies, vol. 5832, part two, 2005, Bellingam, Washington,pp.502-513. 17. Бондаренко Н.А., Богомолов А.В., Кузнецова И.Н., Хайкин М.Н. Дистанционное измерениепрофилей температуры пограничного слоя атмосферы в г. Оренбург. -Метеорология и Гидрология, 2004, №12. с.97-98. 18. Kadygrov E., M. Khaykin, E. Miller, I. Kuznetsova, M. Nakhaev. Study of urban heat island on the basis of stationary and mobile microwave temperature profilers data. Proc. of 6-th International conference on Urban climate, June 12-16, Goteborg, Sweden, 2006, pp. 160-163. 19. Нахаев М.И., Кузнецова И.Н., Хайкин М.Н. Средние годовые характеристики термической устойчивости в городском пограничном слое атмосферы по данным микроволновых измерений".- Труды Гидрометцентра России. 2007, Вып. 342. с.88-97. 20. Kuznetsova I.N., Khaikine M.N., Nakhayev M.I. "The mean yearly temperature lapse rates in the urban atmospheric boundary layer (ABL) on microwave sounding data." Research Activity, 2007, pp.2 21. Кондратьев К.Я., Матвеев Л.Т. // ДАН. 1999. Т.367. № 2. С. 253-256 Кондратьев К.Я., Матвеев Л.Т. Основные факторы формирования острова тепла в большом городе. -Доклады РАН, 1999, т.367, № 2, с. 253-256. 22. Комаров В.С., Баринова С.А., Матвеев Ю.Л. Изменение метеорологического режима городов Сибири под влиянием антропогенных факторов - Оптика атмосферы и океана, 2001, т. 14, № 4, с. 286-289. 23. Оке Т.Р. Климаты пограничного слоя. Л.: Гидрометеоиздат. 1982. С. 360. 24. Типовые характеристики нижнего 300-метрового слоя атмосферы по измерениям на высотной мачте./ Под ред. Н.Л.Бызовой. М.:Моск. отд. Гидрометеоиздата. 1982. С.69. 274 25. Климат, погода, экология Москвы. /Под ред. Ф.Я. Клинова. СПб.: Гидрометеоиздат. 1995. С. 438. 26. F. Beyrich et al., Сomparative-analysis of sodar and ozone profile measurements in a complex structured boundary-layer and implications for mixing height estimation // Boundary - layer meteorology, 1996. №81(1), pp. 1-9 27. Dupont E., Menut L., Carissimo B., Pelon J., Flamant P., 1999: Comparison between the atmospheric boundary layer in Paris and its rural suburbs during the ECLAP experiment.- Atmoc. Environ., 33, №. 6, pp. 979 -994. 28. Manley G. On the frequency of snowfall in metropolitan England. Q. J. Roy. Meteorol. Soc., 1958, No.84, pp..70-72. 29. Исаев А.А. Экологическая климатология.// - М.: Научный мир. 2003. С.472. 30. Лансберг Г.Е. Климат города. Л., Гидрометеоиздат, 1983, С.248 31. Grimmond C. S. B., Progress in measuring and observing the urban atmosphere. - Theor. Appl. Climatol., 2006: vol. 84, pp.3–22. 32. Sofiev M., M. Prank, S. Finardi, J. Vira, J. Soares, A. D’Allura, P. Radice, C. Silibello, I. Konovalov, M. Beekmann, I. Kuznetsova, A. Yurova, A. Zvyagintsev, A.S. Zakey, F. Solmon, F. Giorgi, A. Baklanov and MEGAPOLI modelling teams. Influence of Regional Scale Emissions on Megacity Air Quality. - MEGAPOLI Deliverable D5.5. Sofiev M., Prank M., Baklanov A. (Eds.) MEGAPOLI Scientific Report 11-12. Helsinki-Cpenhagen, 2011. 60 p. (http://megapoli.dmi.dk/publ/MEGAPOLI_sr11-12.pdf). 33. Sarrat C., Lemonsu A., Masson V., Guedalia D. Impact of urban heat island on regional atmospheric pollution.- Atmos.Environ., 2006, No. 40, pp.1743–1758 34. Shiguang Miao. An Observational and Modeling Study of Characteristics of Urban Heat Island and Boundary Layer Structures in Beijing - Journal of Applied Meteorology and Climatology. October 2007 35. Мохов И.И.Связь интенсивности “острова тепла” города с его размерами и количеством населенияДоклады Академии наук. 2009, т.427. № 4. с.530-533 275 36. Матвеев Л.Т., Матвеев Ю.Л., Формирование и особенности острова тепла в большом городе. - Доклады РАН, 2000, т. 370, с.249-252. 37. Collier C. G. The impact of urban areas on weather//Royal Meteorological Society. 2000. vol.132, N. 614 pp.1-25 38. Young-Hee Ryu and Jong-Jin Baik/ Quantitative Analysis of Factors Contributing to Urban Heat Island Intensity//Journal Of Applied Meteorology And Climatology VOLUME 51 P. 842- 854/ DOI: 10.1175/JAMC-D-11-098.1 39. Zoulia, I., M. Santamouris, and A. Dimoudi. Monitoring the effect of urban green areas on the heat island in Athens. -Environ. Monit. Assess., 2009: 156, pp.275–292. 40. Velazquez-Lozada, A., Gonzalez, J. E., and Winter, A., Urban heat island effect analysis in San Juan, Puerto Rico.- Atmos. Environ. 2006. vol. 40, pp.17311741. 41. Theo Brandsma аnd Dirk Wolters Measurement and Statistical Modeling of the Urban Heat Island of the City of Utrecht (the Netherlands)/ journal of applied meteorology and climatology 2012. JUNE. vol. 51 1042-1060. DOI: 10.1175/JAMCD-11-0206.1 42. Kim, Y.-H., and J.-J. Baik, Maximum urban heat island intensity in Seoul. - J. Appl. Meteor., 2002: vol. 41, pp.51–659. 43. Бызова Н.Л. Рассеяние примесей в пограничном слое атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1974. С. 191. 44. Бызова Н.Л., Гаргер Е.К., Иванов В.Н. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. С.278. 45. Fast J.D., Torcolini J.C., Redman R.В. Pseudovertical Temperature Profiles and the Urban Heat Island Measured by a Temperature Datalogger Network in Phoenix, Arizona Journ. of Appl. Meteorology, 2005 vol. 44, No.1 pp.3-17. 46. Берлянд М. Е., Кондратьев К. Я. Города и климат планеты.- Л.: Гидрометеоиздат, 1992. С.40 276 47. Справочник эколого-климатических характеристик г. Москвы (по наблюдениям Метеорологической обсерватории МГУ). - М.: Изд. МГУ.-2003.Том 1. 308 с. 48. Рубинштейн К.Г., Гинзбург А.С. Оценки изменения температуры воздуха и количества осадков в крупных городах (на примере Москвы)- Метеорология и гидрология.-2003.- №2- ,с.29-39. 49. Кузнецова И.Н., Нахаев М.И. Сезонные особенности термической структуры нижних слоев атмосферы в московском мегаполисе по данным микроволновых измерений температуры // В кн.:80 лет Гидрометцентру России. 2010. с.389 - 400. 50. Курбацкий А. Ф., Курбацкая Л. И. Моделирование дисперсии пассивной примеси от непрерывного источника над городским островом тепла- Метеорол. и гидрол., 2003. № 11. с.5-15. 51. Горчаков Г.И., Аникин П.П., Волох А.А., Емельяненко А.С., Копейкин В.М., Пономарева Т.Я. Исследования состава задымленной атмосферы Московского региона -Доклады РАН, 2003, т. 390, №2, с. 251-254 52. Кузнецова И.Н., Артамонова А.А., Нахаев М.И., Шалыгина И.Ю., Смирнова М.М. Сравнительный анализ данных высотных наблюдений (Обнинск, Останкино) и микроволновых измерений профилей температуры //Тез. докл. Всерос. научная конференция «Исследование процессов в нижней атмосфере при помощи высотных сооружений». 8-10 октября 2008 г. Обнинск, с.65-67. 53. Yushkov V P., Kuznetsova I.N. Comparison of nocturnal inversion characteristics obtained by sodar and microwave temperature profiler. -IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2008. doi: 10.1088/1755-1315/1/1/012047 54. Кадыгров Н.Е., Крученицкий Г.М., Лыков А.Д. Количественные оценки возмущений, вносимых мегаполисом в поле температуры атмосферного пограничного слоя- Изв. РАН, Физика атмосферы и океана 2007. т.43. с. 1-13. 55. Климатические характеристики условий распространения примесей в атмосфере/ Под. ред. Э.Ю.Безуглой. Л.: Гидрометеоиздат. 1983. С. 328. 277 56. Кузнецова И.Н., Кадыгров Е.Н., Миллер Е.А., Нахаев М.И. Характеристики температуры в нижнем 600-метровом слое по данным дистанционных измерений приборами МТП-5.-Оптика атмосферы и океана2012. т. 25, № 10. с.877-883 57. Хайкин М.Н., Е.Н. Кадыгров, И.Н. Кузнецова. Влияние высокой концентрации аэрозоля на термическую структуру пограничного слоя атмосферы. -Изв. РАН, Физика атмосферы и океана, 2006, т. 42, № 6, с. 778-784. 58. Кузнецова И.Н., Звягинцев А.М., Семутникова Е.Г. Экологические последствия погодных аномалий летом 2010года. //Анализ условий аномальной погоды на территории России летом 2010 года: сборник докладов совместного заседания Президиума Научно-технического совета Росгидромета и Научного совета РАН «Исследования по теории климата Земли» /Под ред. Н.П.Шакиной. Росгидромет, РАН. 2011. с.59-64. 59. Кузнецова И.Н. Влияние метеорологических условий на содержание РМ10 и СО в летних эпизодах 2010 года.-Изв. РАН, Физика атмосферы и океана», 2012. т. 48, №5. с. 21-32. 60. Stewart ID. A systematic review and scientic critique of methodology in modern urban heat island literature. International Journal of Climatology 31: 200– 217. DOI: 10.1002/joc.2141. 2011. 61. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы //Л.: Гидрометиздат, 1985, С. 277 62. Уорк К., Уорнер С.Загрязнение воздуха. Источники и контроль.// Изд- во Мир. Москва 1980г. С.534. 63. Мониторинг качества атмосферного воздуха для оценки воздействия на здоровье человека. // Региональные публикации ВОЗ, Европейская серия, №85, 2001, 293с. 64. Stern R., Builtjes, P., Schaap, M., Timmermans, R., Vautard, R., Hodzic, A., Memmesheimer, M., Feldmann, H., Renner, E., Wolke, R., Kerschbaumer, A., A model inter-comparison study focusing on episodes with elevated PM10 concentrations. -Atmos. Environ., 2008, vol. 42, рр. 4567–4588. 278 65. Hooyberghs J., Mensink C., Dumont G., Fierens F., Brasseur O. A neural network forecast for dailyaverage PM10 concentrations in Belgium.-Atmos. Environ. 2005. vol. 39. pp. 3279– 3289. 66. Konovalov I. B., Beekmann M., Meleux F., Dutot A., Foret G. Combining deterministic and statistical approaches for PM10 forecasting in Europe // Atmos. Environ., DOI: 10.1016/j.atmosenv.2009.06.039, 2009 (URL:http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosenv.2009.06.039). 67. Цыро С.Г. Исследование свойств аэрозольных частиц в атмосфере Европы с помощью региональной модели их формирования, трансформации и дальнего переноса -Метеорология и гидрология, 2008. № 5 с. 45–59. 68. Neary L., Jacek W. Kaminski, A. Lupu and J.C. McConnell. Developments and results from a Global Multiscale Air Quality Model (GEM-AQ) // Air Pollution modeling and its application. 2007. V. XVII. P. 403-410. 69. Алоян А.Е.Моделирование динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере - Москва. Наука.2008. С. 415. 70. Kukkonen J., Olsson T., Schultz D.M., Baklanov A., Klein T., Miranda A.I., Monteiro A., Hirtl M., Tarvainen V., Boy M., Peuch V.-H., Poupkou A., Kioutsioukis I., Finardi S., Sofiev M., Sokhi R., Lehtinen K.E.J., Karatzas K., San Jose R., Astitha M., Kallos G., Schaap M., Reimer E., Jakobs H., and Eben K.. A review of operational, region-scale, chemical weather forecasting models in Europe. – Atmos. Chem. Phys., 2012, vol. 12, pp. 1–87. 71. Kallistratova M.A., Kouznetsov R.D., Kulichkov S.N., Kuznetsov D.D., Yushkov V.P. Convective self-purification of the urban air basin as sodar shows in frosty winter time - International Symposium for the Advancement of Boundary Layer Remote Sensing, ISARS 2010",28-30 June 2010, Paris, France 72. Pohjola M.F., Rantamдki M., Kukkonen J., Karppinen A., Berge E. Meteorological evaluation of a severe air pollution episode in Helsinki on 27–29 December 1995- Boreal Env.Res. 2004. vol. 9. pp. 75–87. 73. Kukkonen J., Pohjola M., Sokhi R., Luhana L., Kitwiroon N., Fragkou L., Rantama M., Berge E., l Odegaard, Slordal L., Denby B., Finardi S. Analysis and 279 evaluation of selected local-scale PM10 air pollution episodes in four European cities: Helsinki, London, Milan and Oslo.-Atmospheric Environment.2005. vol. 39. pp. 2759–2773. 74. Kulmalad M., Koskentaloe T., Sillanpae M., Rantamae M., Niemia J., Tervahattub H., Vehkamae H. Characterization and source identification of a fine particle episode in Finland-Atmospheric Environment. 2004. vol. 38. pp. 5003–5012. 75. Sokhi, R. S., Luhana, L., Kukkonen, J., Berge, E., Slørdal, L.H., and Finardi, S.: Analysis and Evaluation of Air Pollution Episodes in European Cities, // in: Proceedings of the COST 715 Expert Meeting “Mixing height and inversions in urban areas”. Toulouse, France, 3–4 October 2001, Europ. Commission., Brussels, 65–74, 2002. 76. Niemi J. , Tervahattu H.,Vechmaki H and etc./ Characterization and source identification o fine particle episode in Finland. -Atmos. Environ.. 2004. vol. 38. pp. 5003–5012 77. Кузнецова И.Н., Нахаев М.И., Шалыгина И.Ю., Лезина Е.А. Метеорологические предпосылки формирования зимних эпизодов высокого загрязнения воздуха в г. Москва //Метеорология и гидрология. 2008, № 3,с4859. 78. Demuzere M., Trigo R., Arellano J., Lipzig N. The impact of weather and atmospheric circulation on O3 and PM10 levels at a rural mid-latitude site -Atmos. Chem. Phys., 2009. vol. 9. pp. 2695–2714. 79. Kallistratova M.A., Kouznetsov R.D. Low-Level Jets in the Moscow Region in Summer and Winter Observed with a Sodar Network.- Boundary-Layer Meteorol. 2012. vol. 143. pp. 159–175.DOI 10.1007/s10546-011-9639-8. 80. Белан. Б. Д. Озон в тропосфере /под ред. В. А. Погодаева; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т оптики атмосферы им. В. Е. Зуева. - Томск: Изд-во Инта оптики атмосферы, 2010, С. 487. 81. Рекомендации ВОЗ по качеству воздуха, касающиеся твердых частиц, озона, двуокиси азота и двуокиси серы. Глобальные обновленные данные. 2005 280 год.- Всемирная организация здравоохранения, Женева, 2006, С. 27. http://www.euro.who.int/Document/E87950.pdf. 82. Ревич Б.А. Волны жары, качество атмосферного воздуха и смертность населения Европейской части России летом 2010 года: результаты предварительной оценки - Экология человека. 2011. № 7 с. 3–9. 83. Martuzzi M., Mitiz F., Iavarone I., Serinelli M. Heath impact of PM10 and ozone in 13 italian cities.-World Health Organization, 2006. 84. Stedman J.R. The predicted number of air pollution related deaths in the UK during the August 2003 heatwave.- Atmos. Environ. 2004 vol. 38. № 8. pp. 10871090. 85. Fischer P, Brunekreef B, Lebret E. Air pollution related deaths during the 2003 heat wave in the Netherlands.-Atmos Environ. 2004. vol. 38. № 8 pp. 10831085. 86. Filleul L., Cassadou S., Médina S., Fabres P., Lefranc A., Eilstein D., Le Tertre A., Pascal L., Chardon B., Blanchard M., Declercq C., Jusot J.-F., Prouvost H., Ledrans M. The relation between temperature, ozone and mortality in nine French cities during the heat wave of 2003.- Environmental Health Perspectives. 2006. vol. 114. №. 9. pp. 1344-1347. 87. Унгуряну Т.Н., Гржибовский А.М. Внутригодовая динамика загрязнения атмосферного воздуха и обращаемости за медицинской помощью по поводу болезней органов дыхания -Экология человека. 2011. № 6. с. 37–42. 88. The European environment – state and outlook 2005. Copenhagen. EEA. P.576 . 89. Рахманин Ю.А. и др. Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду. Р.2.1.10.1920-04. – М. Минздрав РФ.2004. 90. Генихович Е.Л., Киселев А.В., Смирнова И.В., Чичерин С.С. К анализу последствий высокого загрязнения воздушного бассейна Москвы летом 2010 г. - Тр. Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова, 2012. вып. 565. с..79-88. 281 91. Kuznetsova, I.N.; Chakina, N.P.; Ivanova, A.R.; Zvyagintsev, A.M.; Elansky, N.F. Urban Meteorology and Urban Air Pollution // EGS-AGU-EUG Joint Assembly. Nice, France, 06-11 April 2003. EAE03-A-08494. 2004: 92. Yurova A.Y., Kuznetsova I.N. Gas composition variability of polluted city air inflienced by synoptic and mesoscale processes. In: Proceedings of 5th International Conference on Urban Climate,Lodz, Poland, 1-5 Sept. 2003 93. Tarasova O., Kuznetsova I., Kuznetsov G., Lezina E., Nakhaev M., Semutnikova E., Zvyagintsev A. Impact of convective precipitation on city air pollution under adverse meteorological conditions // 1st International Conference on Air Pollution and Combustion, Abstracts, 22-25 June 2005, Ankara, Turkey. 94. Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.1338-03 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест" (с дополнениями и изменениями N 2 ГН 2.1.6.1983-05). 95. Руководство по прогнозу загрязнения воздуха. РД.52.04.306-92 //СПб.:Гидрометиздат, 1993. С.104. 96. Звягинцев А.М., Блюм О.Б., Глазкова А.А., Котельников С.Н., Кузнецова И.Н., Лапченко В.А., Лезина Е.А., Миллер Е.А., Миляев В.А., Попиков А.П., Семутникова Е.Г., Тарасова О.А., Шалыгина И.Ю. Загрязнение воздуха на европейской части России и Украины в условиях жаркого лета 2010 г. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. т. 47. № 6. с. 757-766. 97. Vautard R., Beekmann M., Rouil L. Simulation of ozone during the August 2003 heatwave and emission control scenarios.-Atmos.Environ., 2005,vol..39. pp. 2957–2967. 98. Sollberg, S., A. Svide, Isaksen I.S.A., Codeville P., DE Backer H., Forster C., Orsilini Y. European surface ozone in the extreme summer 2003.-J. Geophys. Res., 2008: V. 113, D07307, doi:10.129/2007JD009098. 99. during Pace G., Meloni D., Sarra A. Forest fire aerosol over the Mediterranean basin summer 2003.-J. doi:10.1029/2005JD005986. Geophys. Res. 2005,vol. 110, D21202, 282 100. Hodzic S., Madronich B., Bohn В., Massie S., Menut L., Wiedinmyer C. Wildfire particulate matter in Europe during summer 2003: meso-scale modeling of smoke emissions, transport and radiative effects.-Atmos. Chem. Phys. 2007. vol.7, pp. 4043–4064. 101. Plass-Dülmer C., FrickeM. Spring Maximum in Aerosol – Where does it come from? //GAW Letter. 2007 № 40.(http://www.dwd.de/de/FundE/Observator/gaw/gaw.htm). 102. Kallistratova M.A., Kouznetsov R.D., Kuznetsov D.D., Kuznetsova I.N., Nachaev M., Chirokova G. Summertime low-level jet characteristics measured by sodars over rural and urban areas.-Meteorologische Zeitschrift. 2009. vol. 18. № 3. pp. 289-295. 103. Konovalov I.B. Nonlinear relationships between atmospheric aerosol and its gaseous precursors: Analysis of long-term air quality monitoring data by means of neural networks.- Atmospheric Chemistry and Physics. 2003. vol.3, pp. 607-621 (http://www.atmos-chem-phys.net/3/607/2003/ ). 104. Amos P.K., TaiLoretta J., Jacob J. Correlations between fine particulate matter (PM2.5) and meteorological variables in the United States: Implications for the sensitivity of PM2.5 to climate change.-Atmos. Environ. 2010. vol. 44. pp. 39763984. 105. Горчаков Г.И., Семутникова Е.Г., Антошин Б.А. Статистический анализ массовой концентрации грубодисперсного аэрозоля в г. Москве.- Оптика атмосф. и океана. 2007.т.20, № 6. с. 501-505. 106. Горчаков Г.И., Аношин Б.А., Семутникова Е.Г. Статистический анализ вариаций массовой концентрации грубодисперсного аэрозоля в г. Москве .Оптика атмосферы и океана. 2007. т.20, № 6 107. Горчаков Г.И., Семутникова Е.Г., Карпов А.В, Колесникова А.Б., Байкова Е.С., Задорожная О.С. Недельный цикл загрязнения воздуха в г. Москве: количественные характеристики и уточнение методики статистического прогноза концентраций примесей.- Оптика атмосферы и океана 2010, т.23, № 9. с. 784-792. 283 108. Кузнецова И.Н., Коновалов И.Б., Глазкова А.А., Нахаев М.И., Зарипов Р.Б., Лезина Е.А., Звягинцев А.М., Бикманн М. Наблюдаемая и рассчитанная изменчивость концентрации взвешенного вещества РМ10 в Москве и Зеленограде.- Метеорология и гидрология. 2011. № 3. с. 48-60. 109. Мекрюкова Е.В., Генихович Е.Л. К оценке эффективности различных химических механизмов при моделировании процессов трансформации загрязняющих веществ в атмосфере.- Тр. Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова, 2010. вып. 561. с. 84-91. 110. Безуглая Э.Ю., Загайнова М.С., Ивлева Т.П.Возможность оценки высоких концентраций формальдегида при изменении температуры воздуха // Тр. Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова, 2012. вып. 565. С.89-102. 111. Безуглая Э.Ю., Воробьева И.А., Полуэктова М.В.Исследования химических процессов в атмосфере по данным мониторинга в городах // Тр. Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова, 2010. вып. 561. С.164184. 112. Tressol M., Ordonez C., Zbinden R., Brioude J., Thouret V., Mari C., Nedelec P., Cammas J.-P., Smit H., Patz H.-W., Volz-Thomas A. Air pollution during the 2003 European heat wave as seen by MOZAIC airliners.- Atmos. Chem. Phys. 2008. vol.8. pp. 2133–2150. 113. Stohl1 A., Berg T., BurkhartJ. F., Forster C., Herber A., Hov O., Lunder C., McMillan W.W., Oltmans S., Shiobara M., Simpson D., Solberg S. Stebel K., Torseth K., Treffeisen R., Virkkunen K. and Yttri K. E.. Arctic smoke – record high air pollution levels in the European Arctic due to agricultural fires in Eastern Europe in spring 2006.- Atmos. Chem. Phys., 2007. vol. 7, pp. 511–534. 114. Myhre C., Toledano C., Myhre G., Stebel K., Yttri K.E., Aaltonen V., Johnsrud M, Frioud M., Cachorro V., Frutos A., Lihavainen H., Campell J.R., Chaikovsky A.P., Shiobara M., Welton E. J., and Tørseth K. Regional aerosol optical properties and radiative impact of the extreme smoke event in the European Arctic in spring 2006.- Atmos. Chem. Phys. Discuss., 2007. vol. 7, pp. 9519-9559. 284 115. Bossioli E., Tombrou M., Karali A., Dandou A., Paronis D., Sofiev M.Ozone production from the interaction of wildfire and biogenic emissions: a case study in Russia during spring 2006.- Atmos. Chem. Phys., 2012. 12, 7931-7953. 116. Панкратова Н. В., Еланский Н. Ф., Беликов И. Б., Лаврова О. В., Скороход А. И., Шумский Р. А.Озон и окислы азота в приземном воздухе северной евразии по наблюдениям в экспериментах TROICA.-Изв. РАН Физика атмосферы и океана. 2011. т. 47.№ 3. с. 343-358 117. Паршуткина И.П., Сосникова Е.В., Гришина Н.П., Стулов Е.А., Плауде Н.О., Монахова Н.А. Характеристики атмосферного аэрозоля в аномальном летнем сезоне 2010 года в Подмосковье.-Метеорология и гидрология. 2011. № 6. с. 5-12. 118. Страшная А.И., Максименкова Т.А., Чуб О.В. Агрометеорологические особенности засухи 2010 года в России по сравнению с засухами прошлых лет Труды Гидрометцентра России. 2011. Вып. 345. с. 194-214. 119. Nickovic S. A model for prediction of desert dust cycle in the atmosphere. - Jour. Geoph. Res. 2001. vol. 106, N. D16, August 27, pp. 18.113-18.129A. 120. Еланский Н.Ф., Мохов И.И., Беликов И.Б., Березина Е.В., Елохов А.С., Иванов В.А., Панкратова Н.В., Постыляков О.В., Сафронов А.Н., Скороход А.И., Шумский Р.А. Газовые примеси в атмосфере над Москвой летом 2010 г.Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. т. 47. № 6 121. Фокеева Е.В., Сафронов А.Н., Ракитин В.С., Юрганов Л.Н., Гречко Е.И., Шумский Р.А. Исследование влияния пожаров в июле–августе 2010 г. на загрязнение окисью углерода атмосферы Москвы и окрестностей.- Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. с. 47. № 6 122. Ситнов С.А. Оптическая толща аэрозоля и общее содержание оксида углерода над европейской территорией России в период массовых пожаров лета 2010 г.: взаимосвязь изменчивости загрязнений и метеорологических величин.Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. с. 47. № 6 . 123. Чубарова Н.Е., Горбаренко Е.В., Незваль Е.И., Шиловцева О.А.Аэрозольные и радиационные характеристики атмосферы во время лесных 285 и торфяных пожаров в 1972, 2002 и 2010 гг. в Подмосковье.- Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. т. 47. № 6 124. Звягинцев А.М., Блюм О.Б., Глазкова А.А., Котельников С.Н., Кузнецова И.Н., Лапченко В.А., Лезина Е.А., Миллер Е.А., Миляев В.А., Попиков А.П., Семутникова Е.Г., Тарасова О.А., Шалыгина И.Ю. загрязнение воздуха на европейской части россии и украине в условиях жаркого лета 2010 г. - Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47. № 6 125. Kuznetsova I.N., Elansky N.F., Zvyagintsev A.M., Tarasova O.A. Forest fires: advection of pollutants. An ACCENT/JRC expert workshop, 2006. Report 8. P. 98-100. 126. Г. И. Горчаков, М. А. Свириденков, Е. Г. Семутникова, Н. Е. Чубарова,Б. Н. Холбен, А. В. Смирнов, А. С. Емиленко, А. А. Исаков, В. М. Копейкин,А. В. Карпов, Е. А. Лезина, О. С. Задорожная Оптические и микрофизические характеристики аэрозоля задымленной атмосферы московского региона в 2010 году.- Доклады РАН, 2011, т. 437, № 5, с. 686–690. 127. Konovalov I.B., M. Beekmann, I.N. Kuznetsova, A.M. Zvyagintsev,A.Yurova. Atmospheric impacts of the 2010 Russian wildfires: integrating modeling and measurements of an extreme air pollution episode in the Moscow region // Atmospheric Chemistry and Physics. V.11. P. 10031–10056, 2011 (www.atmos-chem-phys.net/11/10031/2011/). 128. Коновалов И. Б., Бикманн М., Кузнецова И. Н. , Глазкова А. А. , Васильева А. В. , Зарипов Р. Б. загрязнение воздуха в регионе Оценка влияния природных пожаров на московского мегаполиса на основе комбинированного использования химическо-транспортной модели и данных измерений // Изв. РАН Физика атмосферы и океана. 2011. Т.47. №4 с. 496-507. 129. Горчаков Г.И., Семутникова Е.Г., Глядков П.С., Карпов А.В., Колесникова А.Б., Лезина Е.А. Вертикальные профили концентраций угарного газа и оксидов азота в пограничном слое городской атмосферы // Оптика атмосферы и океана.2009. Т.22, № 6. С. 787-794 286 130. Руководство по краткосрочным прогнозам погоды. Ч.1,Л., Гидрометеоиздат, 1986, с.550-565 131. Сонькин Л.Р. Синоптико-статистический анализ и краткосрочный прогноз загрязнения атмосферы // Л.Гидрометеоиздат. 1991.С.224. 132. Прогноз высоких уровней загрязнения воздуха в городах и регионах. Прогноз загрязнения воздуха на трое суток (Методические рекомендации) /СПб. Гидрометеоиздат, 2001. 32 с. 133. Система прогноза и предотвращения высоких уровней загрязнения воздуха в городах. /СПб, Гидрометеоиздат, 2004., С. 127 134. Селегей Т.С. Формирование уровня загрязнения атмосферного воздуха в городах Сибири.-Новосибирск, «Наука», 2005, С. 347. 135. Информационный бюллетень за 2011 год. Состояние работ по прогнозу загрязнения воздуха в городах Российской федерации. С.Петербург. 2012, с.72. 136. Мекрюкова Е.В., Генихович Е.Л. К оценке эффективности различных химических механизмов при моделировании процессов трансформации загрязняющих веществ в атмосфере.- Тр. Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова, -2010. вып. 561. с. 84-91. 137. Рахманин Ю.А. и др.Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду. Р.2.1.10.1920-04. – М. Минздрав РФ.2004. 138. Исидоров В.А. Химия атмосферы // СПб, Химиздат, 2001, С. 351. 139. Безуглая Э.Ю., Загайнова М.С., Ивлева Т.П.Возможность оценки высоких концентраций формальдегида при изменении температуры воздуха.Тр. Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова, 2012. вып. 565. с.89-102. 140. Еланский Н.Ф., Локощенко М.А., Беликов И.Б., Скороход. А.И., Шумский Р.А. Изменчивость газовых примесей в приземном слое атмосферы Москвы // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2007 Т.43.№2. с.1-14. 141. Горчаков Г.И., Семутникова Е.Г., Карпов А.В., Колесникова А.Б., Байкова Е.С., Задорожная О.С. Недельный цикл загрязнения воздуха в г. 287 Москве: количественные характеристики и уточнение методики статистического прогноза концентраций примесей.- Оптика атмосферы и океана. 2010. т. 23. № 9. с. 784-792. 142. Bäumer D., R. Rinke, and Vogel B. Weekly periodicities of Aerosol Optical Thickness over Central Europe – evidence of an anthropogenic direct aerosol effect.Atmos. Chem. Phys., 8, 83-90, 2008 doi:10.5194/acp-8-83-2008. 143. Flentje H., Fricke M., ThomasW., Ert G. Weekly cycle of aerosol parameters at the Met. Observatory Hohenpeissenberg // GAW Letter. Deutscher Wetterdienst. No. 45. October 2008 http://www.dwd.de/gaw/ 144. Véronique Pont, Jacques Fontan Comparison between weekend and weekday ozone concentration in large cities in France.-Atmospheric Environment, vol. 35, Issue 8, 2001, pp. 1527-1535 145. Jeremy E Diem Comparisons of weekday–weekend ozone: importance of biogenic volatile organic compound emissions in the semi-arid southwest USA.Atmospheric Environment,vol. 34, Issue 20, 2000, pp.3445-3451 146. Еланский Н.Ф., Локощенко М.А., Сарана Н.Н. и др. О суточном и годовом ходе загрязнения воздуха в Москве.- Вестн. МГУ. Сер. 5. География. 2006. №1. с. 29-35. 147. Горчаков Г.И., Семутникова Е.Г., Зоткин Е.В., Карпов А.В., Лезина Е.А., Ульяненко А.В. Вариации газовых компонент загрязнения в воздушном бассейне г. Москвы.- Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2006. т.42. № 2. с. 176-190. 148. Звягинцев А.М., Беликов И.Б., Еланский Н.Ф., Кузнецова И.Н., Романюк Я.О., Сосонкин М.Г., Тарасова О.А. Изменчивость концентраций приземного озона в Москве и Киеве.- Метеорология и гидрология. 2010. № 12. с. 26-35. 149. Tarasova O.A., Brenninkmeijer C.A.M., Joeckel P., Zvyagintsev A.M., Kuznetsov G.I. A climatology of surface ozone in the extra tropics: cluster analysis of observations and model results.-Atmos. Chem. Phys. 2007. vol. 7. pp. 6099-6117 288 150. Звягинцев А.М., О.А. Тарасова, Г.И. Кузнецов. Сезонно-суточный ход приземного озона во внетропических широтах.- Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. т. 44. № 4. с. 510-521./ 151. Кузнецова И.Н., Нахаев М.И., Лезина Е.А. Семутникова Е.Г, Хайкин М.Н. Особенности загрязнения воздуха Москвы при неблагоприятных метеорологических условиях в холодное время года. Межд. конф. по измерениям, моделированию и информац..системам: ENVIROMIS-2004, Тезисы докладов. 17–25 июля 2004, Томск 152. Горчаков Г.И, А.А. Исаков, Е.Н. Кадыгров, И.Н. Кузнецова, Б.А. Аношин, Е.А. Лезина, М.И. Нахаев. Анализ атмосферных процессов в эпизодах высокого газового и аэрозольного загрязнения воздушного бассейна московского региона. -Тезисы докладов 14-й рабочей группы " Аэрозоли Сибири", 2007, Томск, ИОА СО РАН, с18. 153. Demuzere M., Trigo R., Vila-Guerau A. The impact of weather and atmospheric circulation on O3 and PM10 levels at a rural midlatitude site.-Atmos. Chem. Phys. 2009. vol. 9. pp. 2695–2714. 154. Beslic I.,Cackovic V.,Klaic Z.,Vucetic V. Influence of weather types on concentrations of metallic components in airborne PM 10 in Zagreb, Croatia, Geof. Journ. by the Geophisical Institute, University of Zagreb, 2007, vol. 24, No. 2, pp. 93-107. 155. Kallistratova M.A., Kouznetsov R.D. Low-Level Jets in the Moscow Region in Summer and Winter Observed with a Sodar Network.- Boundary-Layer Meteorol. 2012. vol. 143. pp. 159–175.DOI 10.1007/s10546-011-9639-8. 156. Моханакумар К. Взаимодействие стратосферы и тропосферы. – Москва: изд-во Физматлит, 2011, С. 52 157. Еланский Н.Ф.Исследования атмосферного озона в России в 2003-2006 гг.- Изв. РАН. Физ. атмосф.и океана. 2009. т. 45. №2. с. 218-231. 158. Elansky N.F., Senik I.A., Kuznetsova I.N., Harris J.M . Ten-year measurements of surface ozone concentration at the Kislovodsk mountain observatory// Proc. Quadr. Ozone Symp. Sapporo, Japan, 3-8 July 2000. 289 159. Звягинцев А.М., И.Б. Беликов, В.И. Егоров и др. Положительные аномалии приземного озона в июле-августе 2002 г. в Москве и ее окрестностях.- Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2004. т. 40. № 1. с. 75-86. 160. Tarasova O. A., Karpetchko A. Yu. Atmospheric chemistry and physics accounting for local meteorological effects in the ozone time-series of Lovozero (Kola Peninsula). - Atmos. Chem. Phys., 2003, № 3, pp. 941–949. 161. В. Н. Арефьев, Ф. В. Кашин, Л. И. Милехин, В. Л. Милехин, Н. В. Тереб, Л. Б Упэнек. Концентрация приземного озона в обнинске в 2004–2010 гг. -Известия РАН. Физика атмосферы и океана. т. 49, № 1, Январь-Февраль 2013, с. 74-84 162. Н. В. Тереб, Л. И. Милехин, В. Л. Милехин, В. Д. Гниломедов, Д. Р. Нечаев, Л. К. Кулижникова, В. В. Широтов Содержание приземного озона в условиях аномального лета 2010 г. по измерениям в г. Обнинск.-Метеор.. и гидрол. 2013. № 5. с.14-25. 163. Звягинцев А.М., Блюм О.Б., Глазкова А.А., Котельников С.Н., Кузнецова И.Н., Лапченко В.А., Лезина Е.А., Миллер Е.А., Миляев В.А., Попиков А.П., Семутникова Е.Г., Тарасова О.А., Шалыгина И.Ю. Аномалии концентраций малых газовых составляющих в воздухе европейской части России и Украины летом 2010 г. - Оптика атмосферы и океана. 2011. т. 24. № 7. с. 582-588; 164. Stohl A., Berg T., Burkhart J.F., Fjaeraa A.M., Forster C., Herber A., Hov O., Lunder C., McMillan W.W., Oltmans S., Shiobara M., Simpson D., Solberg S., Stebel K., Stroem J., Torseth K., Treffeisen R., Virkkunen K., Yttri K.E. Arctic smoke – record high air pollution levels in the European Arctic due to agricultural fires in Eastern Europe in spring 2006.- Atmos. Chem. Phys. 2007. vol. 7. pp.511– 534. 165. Sillman S. The relation between ozone, NOx and hydrocarbons in urban and polluted rural environments.-Atmos. Environ. 1999. vol. 33. pp.1821-1845. 290 166. Еланский Н.Ф., Мохов И.И., Беликов И.Б., Березина Е.В., Елохов А.С., Иванов В.А., Панкратова Н. В., Постыляков О.В., Сафронов А.Н., Скороход А.И., Шумский Р. А. Газовые примеси в атмосфере над Москвой летом 2010 г.Изв. РАН. Физика атмосферы и океана.2011 т. 47 № 6. с. 729-743. 167. Cooper O.R., Moody J.L. Meteorological controls on ozone at an eleveted eastern United States regional background monitoring site.-J.Geophys.Res. 2000. vol. 105, N. D5, pp. 6855-6869. 168. Fishman J., Balok A. E. Calculation of daily tropospheric ozone residuals using TOMS and empirically imporved SBUV measurements: Application to an ozone pollution episode over the eastern United States.-J.Geophys.Res. D.-1999. vol. 105. N. 23. pp. 30.319-30.340. 169. Clark T.L., Karl T.R. Application of prognostic meteorological variables to forecasts of daily maximum one-hour ozone concentrations in the northeastern United States.- J. Appl. Meteorol. 1982. vol.21. № 11. pp.1662-1671. 170. Feister U., Balzer K. Surface ozone and meteorological predictors on a subregional scale.- Atmos. Environ. 1991. vol. 25A. № 9. pp.1781-1790. 171. Civerolo K., Hogrefe C., Lynn B., Rosenthal J., Ku Jia-Y., Solecki W., Cox J., Small C., Rosenzweig C., Goldberg R., Knowlton K., Kinney P. Estimating the effects of increased urbanization on surface meteorology and ozone concentrations in the New York City metropolitan region.- Atmospheric Environment, vol. 41, Issue 9, March 2007, pp.803-1818. 172. Звягинцев А.М., Беликов И.Б., Еланский Н.Ф., Какаджанова Г., Кузнецова И.Н., Тарасова О.А., Шалыгина И.Ю. Статистическое моделирование максимальных суточных концентраций приземного озона // Оптика атмосферы и океана, 2010. т. 23. № 2. 173. Хргиан А.Х. Физика атмосферного озона.- Л.: Гидрометеоиздат, 1973. С. 292. 174. Перов С.П., Хргиан А.Х., Современные проблемы атмосферного озона. Л.: Гидрометеоиздат, 1980, 288 с. 291 175. Уранова Л.А.Особенности распределения озона при выходе южных циклонов.- Метеорол. и гидрол.1980, N 1, с. 30-35 176. Белан Б.Д., Задде Г.О., Рассказчикова Т.М., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н. Модели распределения аэрозоля и некоторых газов в антициклоне и циклоне.- Оптика атмосф. и океана. 1999. т. 12. № 2. с.146-149. 177. Локощенко М.А., Еланский Н.Ф. Динамика загрязнения приземного воздуха при прохождении холодного фронта.- Изв. РАН. Физ. атмосф.и океана. 2006. т. 42. №2. с. 165-175 178. Звягинцев А.М. Аномалии приземного озона в Европе.- Изв. РАН. Физ. атмосф.и океана. 2004. т. 40. № 3. с. 387-396. 179. Hegarty J., Mao H.,Talbot R. Synoptic controls on summertime surface ozone in the northeastern United States.- J. Geophys. Res. 2007. vol. 112. D14306, doi:10.1029/2006JD 008170. 180. Hidy G.M. Ozone process insights from field experiments. Part 1: Overview - Atmos.. Environ., 2000. vol. 34. N.12-14. pp. 2001-2022 181. Kuznetsova I.N., N.F.Elansky and I.A.Senik. Measurements of the Tropospheric Ozone Concentration over the Kislovodsk High -Altitude Scientific Station: Synoptic-Scale Meteorological Processes As a Cause of Ozone Variations. Isvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, vol.37, Suppl. 1, 2001, pp. 120-S130. 182. Кузнецова И.Н., Еланский Н.Ф., Шалыгина И.Ю., Кадыгров Е.Н., Лыков А.Д. Инверсии температуры и их влияние на концентрацию приземного озона в окрестностях Кисловодска.- Метеор.. и гидрол. 2002. № 9. с. 40-49. 183. Tarasova O.A., Elansky N.F., Kuznetsov G.I., Kuznetsova I.N., Senik I.A., Impact of air transport on seasonal variations and trends of surface ozone at Kislovodsk high mountain station. J. Atmos. Chem. 2003. vol. 45. № 3. pp. 245-259. 184. Шакина Н.П., Иванова А.Р., Кузнецова И.Н. Волны холода и их проявление в озонометрических данных кисловодской высокогорной научной станции.- Изв. РАН. Физ. атмос. и океана. 2004. т. 40. № 4. с.485-500 292 185. Chakina N.P., Ivanova A.R., Kuznetsova I.N. Cold air outbreaks and their signature in the ozonometric data at the mountain station near Kislovodsk, Russia.Atmospheric Chemistry and Physics Discussion, 2004, vol. 4, pp. 267-297 . 186. Chakina N.P., Ivanova A.R., Kuznetsova I.N. The tropopause folding and Surface ozone variability1st EGU Assembly, Nice, 2004. Abstracts , 187. Shakina N.P., Ivanova A.R., Kuznetsova I.N. Cold surges and their manifestation in ozonometric observations at the Кislovodsk high-altitude scientific station.-Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 2004. vol. 40. № 4.pp.426-440. 188. Сеник И.А., Еланский Н.Ф., Беликов И.Б., Лисицина Л.В, Галактионов В.В., Кортунова З.В. Основные закономерности временной изменчивости приземного озона на высотах 870 и 2070 м в районе Кисловодска.- Изв. РАН. Физ. атмос. и океана. 2005. Т. 41. N 1. С. 78-91. 189. Elansky N.F., T.A. Markova, I.B.Belikov and E.A.Oberlander. Transcontinental Observations of Surface Ozone Concentration in the TROICA Experiment: 1 Space and Time Variability. - Isvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, vol.37, Suppl. 1, 2001, pp.24-S38. 190. Senik I.A. and N.F. Elansky. Surface Ozone Concentration Measurements at Kislovodsk Higt -Altitude Scientific Station: Temporal Variations and Trends.Isvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, vol.37, Suppl. 1, 2001, pp.110-S119. 191. Tarasova O.A., Senik I.A., Sosonkin M.G., Cui J., Staehelin J., and Prevot A.S.H. Surface ozone at the Caucasian site Kislovodsk High Mountain Station and the Swiss Alpine site Jungfraujoch: data analysis and trends (1990–2006).- Atmos. Chem. Phys.,2009.vol.9, pp.4157–4175; www.atmos-chem-phys.net/9/4157/2009/ 192. Н.П.Шакина, Кузнецова И.Н. Повышение суммарной бета-активности в приземном слое воздуха в результате стратосферных вторжений.- Доклады Академии наук Докл. РАН, Геофизика , 1997, т.356, № 3, с.90-392 193. Н.П.Шакина А.Р.Иванова Кузнецова И.Н. Анализ случаев стратосферных вторжений, сопровождаемых повышением радиоактивности в приземном воздухе.- Метеорол. и гидрол. 2000, № 2 с.53-60. 293 194. Kuznetsova I.N., N.P.Chakina. The tropopause topography as connected to high beta-activity events. 5General Assembly of the WCRP Programme "Stratospheric Processes and Their Role in Climate", Melbourne, 2-6 Dec.,1996 195. Ivanova A.R., Chakina N.P., Kuznetsova I.N. Stratospheric intrusion possible contribution to the ozone variability in the Kola Peninsula Quadrennial Ozone Symposium, 1-8 June 2004, Kos, Greece. Extended Abstracts, 882-883 196. Kuznetsova I.N., Chakina N.P., Ivanova A.R., Tarasova O.A. Horizontal and vertical transport as a cause of ozone extrema in the Kola Peninsula, Russia Quadrennial Ozone Symposium, 1-8 June 2004, Kos, Greece. Extended Abstracts, 895-896 197. Davies T. D., Schuepbach E. Episodes of high ozone concentrations at the earth surface resulting from transport down from the upper troposphere/lower stratosphere: a review and case studies. -Atmos. Environ., 1994, 28, 53-68. 198. Stohl A., Spichtinger-Rakowsky N., Bonasoni P., Feldmann H., Memmesheimer M., Scheel H. E., Trickl T., Hűbener S., Ringer W., Mandl M.,: The influence of stratospheric intrusions on Alpine ozone concentrations.- Atmos. Environ., 2000. vol. 34, pp.1323-1354. 199. Shakina N.P., A.R.Ivanova, N.F.Elansky and T.A.Markova. Transcontinental Observations of Surface Ozone Concentration in the TROICA Experiment: 2 The Effect of Stratosphere-Troposphere Exchange.- Isvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, vol.37, Suppl. 1, 2001, pp.39-S48. 200. Звягинцев А.М., Кузнецова И.Н. Изменчивость приземного озона в окрестностях Москвы: результаты десятилетних регулярных наблюдений.-Изв. РАН. Физ. атмос. и океана. 2002. т.38. N 4. с.486-495. 201. Solberg S., P. Coddeville, C. Forster, O. Hov, Y. Orsolini, and K. Uhse. European surface ozone in the extreme summer 2003.- Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2005. vol. 5. pp.9003–9038. 202. Dueñas C., Fernández M.C., Cañete S., Carretero J., Liger E. Stochastic model to forecast ground-level ozone concentration at urban and rural areas.Chemosphere, 2005. vol. 61, Issue 10, December, pp.1379-1389. 294 203. Civerolo K., Hogrefe C., Lynn B., Rosenthal J., Ku Jia-Y., Solecki W., Cox J., Small C., Rosenzweig C., Goldberg R., Knowlton K., Kinney P. Estimating the effects of increased urbanization on surface meteorology and ozone concentrations in the New York City metropolitan region.- Atmosph. Environ., 2007.vol.41. Is. 9. pp.1803-1818. 204. Звягинцев А.М., Крученицкий Г.М. Об эмпирической модели приземной концентрации озона вблизи Москвы (г. Долгопрудный).- Изв. РАН, Физика атмосферы и океана 1996. Т. 32. N 1. С. 96-100 205. Шалыгина И.Ю., Кузнецова И.Н., Нахаев М.И., Лезина Е.А., Звягинцев А.М. О прогнозировании приземного озона в большом городе (на примере Москвы).- Оптика атмосферы и океана. 2007. т.20. № 7. с.651-658. 206. Звягинцев A.M., Селегей Т.С., Кузнецова И.Н. Изменчивость приземного озона в г. Новосибирске.- Оптика атмосферы и океана. 2007. т.20. № 7. с.647-650. 207. Monks P.S. A review of the observations and origins of the spring ozone maximum.- Atmos.. Environ., 2000. vol. 34. I. 21. pp.3545-3561. 208. Демин В.И., Звягинцев А.М., Кузнецова И.Н. О действующих в российской федерации нормативах по содержанию озона в атмосферном воздухе. -Экология человека. 2009. № 1. с.4-8. 209. U.S. Environmental Protection Agency. National Ambient Air Quality Standards (NAAQS) (http://www.epa.gov/air/criteria.html). 210. The Air Quality Strategy for England, Scotland, Wales and Northern Ireland. - London: Defra. 2007. 56 p. (http://www.defra.gov.uk). 211. Ground-level ozone in the 21st century: future trends, impacts and policy implications. - The Royal Society Policy document 15/08, October 2008 RS1276. BK, London. 148 p. 212. Ooka R., Khiem M., Hayami H., Yoshikado H., Huang H., Kawamoto Y. Influence of meteorological conditions on summer ozone levels in the central Kanto area of Japan.-Procedia Environ. Scien., 2011. vol. 4. pp.138-150. 295 213. Singla V., Satsangi A., Pachauri T., Lakhani A., Kumari K. M. Ozone formation and destruction at a sub-urban site in North Central region of India.Atmosph. Res. 2011. vol. 101. I. 1–2.pp.373-385. 214. Белан Д.Б. Тропосферный озон. 3. Содержание озона в тропосфере. Механизмы и факторы, его определяющие.- Оптика атмосф. и океана.2008. т.21.№.7. с.600-618. 215. Fuhrer J, Skarby L, Ashmore MR. Critical levels for ozone effects on vegetation in Europe. -Environmental Pollution, 1997, pp.97-106. 216. Еланский Н.Ф., Моисеенко К.Б., Панкратова Н.В. Фотохимическая генерация озона в шлейфах антропогенных выбросов над Хабаровским краем.Изв. РАН, Физика атмосферы и океана2005. т.41. № 4. с.511-519. 217. Звягинцев А.М., Крученицкий Г.М. Об изменчивости приземной концентрации озона в окрестностях Москвы и ее связях с метеопараметрами.Оптика атмосферы и океана. 1996г. т.9. N 9. с.1267-1271. 218. Звягинцев А.М. Статистическое прогнозирование концентраций приземного озона в г. Москве.- Метеорология и гидрология. 2008. № 8. с.49-59. 219. Звягинцев А.М., Кузнецова И.Н., Шалыгина И.Ю. Статистические методы прогноза максимальных суточных концентраций приземного озона в Москве // Результаты испытания новых и усовершенствованных технологий, моделей и методов гидрометеорологических прогнозов (под ред. Г.К. Веселовой). М.: Гидрометцентр России. 2008в. Инф. сборник № 36. 220. Звягинцев А.М., В.В. Рудаков, И.Н. Кузнецова, В.И. Демин. О временнóм ходе приземного озона в центре Европейской территории России в весенне-летний период 2004 г.-Метеорология и гидрология. 2006а. № 4. с.41-46. 221. Kim GD, Davis WT, Miller TL. Prediction of the vertical profile of ozone based on ground-level ozone observations and cloud cover.-J Air Waste Manag Assoc. 2004 Apr;54(4): pp.483-94. 222. Paoletti E. Ozone and urban forests in Italy.-Environ Pollut. 2009 May;157(5):1506-12. Epub 2008 Nov 1. 296 223. Flaum J.B., Rao S.T., Zurbenko I.G. Moderating the influence of meteorological conditions on ambient ozone concentrations.- J. Air&Waste Manage. Assoc. 1996. vol. 46. pp.35-46. 224. Vautard R., Builtjes P.H.J., Thunis P., Cuvelier C., Bedogni M., Bessagnet B., Honore C., Moussiopoulos N., Pirovano G., Schaap M., Stern R., Tarrason L., Wind P. Evaluation and intercomparison of ozone and PM10 simulations by several chemistry transport models over four European cities within the CityDelta project.Atmos. Environ. 2007. vol. 41. Iss. 1. pp.173-188. 225. J. A. Neuman M. Trainer K. C. Aikin W. M. Angevine J. Brioude S. S. Brown J. A. de Gouw W. P. Dube J. H. Flynn M. Graus J. S. Holloway B. L. Lefer P. Nedelec J. B. Nowak D. D. Parrish I. B. Pollack J. M. Roberts T. B. Ryerson H. Smit V. Thouret N. L. Wagner. Observations of ozone transport from the free troposphere to the Los Angeles basin.-Journal Of Geophysical Research, VOL.117, D00V09, 15:10.1029/2011JD016919 226. Tseng K.H, Chen Ch.L., Lin M.D., Chang Ken-Hui, Tsuang Ben-Jei. Vertical Profile of Ozone and Accompanying Air Pollutant Concentrations Observed at a Downwind Foothill Site of Industrial and Urban Areas.- Aerosol and Air Quality Research, 2009,vol. 9: pp.21-434, Association for Aerosol Research ISSN: 16808584 227. Corsmeier U., Kalthoff N., Kolle O., Kotzian M., Fiedler F. Ozone concentration jump in the stable nocturnal boundary layer during a LLJ-event.Atmosph. Environ. 1997. vol. 3. Is. 13. pp.1977-1989. 228. Eliasson I., Thorsson S., Andersson -Sköld Y. Summer nocturnal ozone maxima in Göteborg, Sweden.- Atmosph. Environ, 2003. vol.37. I.19. pp.2615-2627. 229. Reitebuch O., Strassburger A., Emeis S., Kuttler W. Nocturnal secondary ozone concentration maxima analysed by sodar observations and surface measurements.- Atmosph. Environ. 2000. vol. 34. Is. 25 pp.4315-4329. 230. Aneja V.P., Mathur R., Arya P., Li Y., Murray G., Manuszak T.Coupling the Vertical Distribution of Ozone in the Atmospheric Boundary Layer Environ.Environ. Sci. Technol. 2000, vol. 34, № 11, pp.2324-2329 297 231. Purvis R. M., McQuaid J. B., A. C. Lewis, J. R. Hopkins and P. Simmonds Horizontal and vertical profiles of ozone, carbon monoxide, non-methane hydrocarbons and dimethyl sulphide near the Mace Head observatory, Ireland.Atmos. Chem. Phys. Discuss., 2005. vol.5, pp.12505–12530, www.atmos-chemphys.org/acpd/5/12505/. 232. Reisen F., Meyer C.P., Caw L., Powell J.C., Tolhurst K., Keywood M.D., Gras J.L. Impact of smoke from biomass burning on air quality in rural communities in southern Australia.- Atmosph. Environ. 2011. vol. 45. I.24. pp.3944-3953. 233. Pirovano G., Balzarini A., Bessagnet B., Emery C., Kallos G., Meleux F., Mitsakou C., Nopmongcol U., Riva G.M., Yarwood G. Investigating impacts of chemistry and transport model formulation on model performance at European scale.Atmospheric Environment. 2012. doi:10.1016/j.atmosenv.2011.12.052 234. Taubman B.F., Hains J.C., Thompson A.M., Marufu L.T., Doddridge B.G., Stehr J.W., Piety C.A., Dickerson R.R. Aircraft vertical profiles of trace gas and aerosol pollution over the mid-Atlantic U.S.: statistics and meteorological cluster analysis.- J. Geophys. Res. 2006.vol.111, D10S07; doi:10.1029/2005JD006196. 235. Morris, G.A., C. Boxe, V. Thouret, A.M. Thompson, B. Lefer, and B. Rappengluck, A summertime climatology of tropospheric ozone profiles over Houston, Texas (1994 – 2009).-Atmos. Chem. Phys., in preparation, 2010. 236. Генихович Е.Л., Филатова Е.Н. Объединенная модель атмосферной диффузии от совокупности источников- Проблемы физики пограничного слоя атмосферы и загрязнения воздуха./Под. Ред. С.С. Чичерина. С.-Пб. Гидрометеоиздат. 2002. с.58- 75. 237. Grell G.A., Pecjham S.E., Schmitz R., McKeen S.A., Frost G., Skamarock W.C. and Eder B. Fully coupled online chemistry model within the WRF model.Atmos. Environ. 2005. № 39. pp.6957-6975. 238. Neary L., Jacek W. Kaminski, A. Lupu and J.C. McConnell. Developments and results from a Global Multiscale Air Quality Model (GEM-AQ).- Air Pollution modeling and its application. 2007. vol.XVII. pp.403-410. 298 239. Vogel, B., Vogel H., Baumner D., [et al.] The comprehensive model system COSMO–ART – Radiative impact of aerosol on the state of the atmosphere on the regional scale.- Atmos. Chem. Phys. 2009.–Vol. 9. pp.8661–8680. 240. ENVIRO–HIRLAM: on–line coupled modelling of urban meteorology and air pollution/ Baklanov A., Korsholm U., Mahura A. [et al.]- Adv. Sci. Res. 2008. vol. 2., pp.41–46. 241. Otte T.L., Pouliot G., Pleim J. E., Young J.O., Schere K.L., Wong D.C., Lee Pius C., Tsidulko M., McQuenn J.T., Davidson P., Mathur R., Chuang H.Y, DiMego G. and Seaman N.L. Ncep notes: Linking the Eta model with the Community Multiscale.-Air Quality forecasting system. Weather and Forecasting. 2005. № 20. pp.367-384. 242. Meij A., Gzella A., Thunis P., Cuvelier C., Bessagnet B., Vinuesa J.F. and L. Menut. The impact of MM5 and WRF meteorology over complex terrain on CHIMERE model calculations.-Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2009. № 9. pp.23192380. 243. Vivanco M.G., Palomino I., Martin F., Palacios M., Jorba O., Jimenez P., Baldasano J.M. and Azula O. An evaluation of the performance of the CHIMERE model over Spain using meteorology from MM5 and WRF models.Computation Science and Its Application ICCSA 2009. Berlin. Springer, 2009. pp.107-117. 244. Menut L., Goussebaile A., Bessagnet B., Khvorostiyanov D., Ung A. Impact of realistic hourly emissions profiles on air pollutants concentrations modelled with CHIMERE.-Atmospheric Environment 2012. vol. 49. pp.233-244. 245. Цыро С. Г. Региональная модель формирования, трансформации и дальнего переноса аэрозольных частиц в атмосфере.-Метеорология и гидрология, 2008, №2, с.34-46. 246. Кузнецова И.Н., Коновалов И.Б., Глазкова А.А., Березин Е.В., Бикманн М., Шульце E.-Д. Оценка вклада трансграничного переноса в загрязнение атмосферы в Дальневосточном регионе на основе применения химическотранспортной модели.- Метеорология и гидрология. 2013. № 3. с.17-29. 299 247. Коновалов И.Б., Н.Ф. Еланский, А.М. Звягинцев, И.Б. Беликов, М. Бикманн. Валидация химически-транспортной модели нижней атмосферы Центрально-Европейского региона России с использованием данных наземных и спутниковых измерений.- Метеорол. и гидрология. 2009. № 4. с.65-74. 248. Konovalov, I.B., Beekmann M., Vautard R., Burrows J.P., Richter A., Nüß H., Elansky N. Comparison and evaluation of modelled and GOME measurement derived tropospheric NO2 columns over Western and Eastern Europe.- Atmos. Chem. Phys.2005. vol. 5. pp.169-190. 249. Зарипов Р.Б., Коновалов И.Б., Кузнецова И.Н., Беликов И.Б.,Звягинцев А.М.. Использование моделей WRF ARW и CHIMERE для численного прогноза концентрации приземного озона.- Метеорол. и гидрология, 2011, № 4, с. 48-60. 250. Кузнецова И.Н., Зарипов Р.Б., Коновалов И.Б., Звягинцев А.М., Семутникова Е.Г., Артамонова А.А., Вычислительный комплекс «модель атмосферы – химическая транспортная модель» как модуль системы оценки качества воздуха.- Оптика атмосферы и океана, 2010. т.23, № 6, с.485-492. 251. Вильфанд Р.М., Ривин Г.С., Розинкина И.А. Система COSMO–RU негидростатического мезомасштабного краткосрочного прогноза погоды Гидрометцентра России: первый этап реализации и развития.- Метеорология и Гидрология. 2010. № 8. с.6-20. 252. Ревокатова А.П., Суркова Г.В., Кирсанов А.А., [и др.] Прогноз загрязнения атмосферы Московского региона с помощью модели COSMO–ART - Вестник МГУ. Сер.: География. 2012. № IV. с.25–33. 253. Ревокатова А.П.Метод расчета эмиссии угарного газа для прогноза загрязнения воздуха в Москве.- Метеорология и гидрология, 2013, №5. с.43-55. 254. Schaap M., Otjes R. P., Weijers E. P.Illustrating the benefit of using hourly monitoring data on secondary inorganic aerosol and its precursors for model evaluation.- Atmos. Chem. Phys. Discuss., 2010.vol.10,pp.12341–12370, www.atmos-chem-phys-discuss.net/10/12341/2010/. 255. РД 52.27.284-91. Методические указания. Проведение производственных (оперативных) испытаний новых и усовершенствованных методов гидрометеорологических и гелиогеофизических прогнозов. Москва.1991. С.104. 256. Murphy A.H., B.G. Brown and Y.-S. Chen. Diagnostic verification of temperature forecasts. -Weather and Forecasting, 1989, vol. 4, pp.485 – 501. 257. Муравьев А.В. Стандартизованная система верификации долгосрочных метеорологических прогнозов (SVSLRF). В кн. Восемьдесят лет Гидрометцентру России, М:Триада ЛТД, 2010, с. 264-287. 258. Muravyev A., A.Bundel, D.Kiktev. Mesoscale forecasts verification in 2014 Olympic Games region: technology, results, prospects. Presentations from the 3rd FROST-2014 meeting (10-12 April 2013, Saint Petersburg, Russia) http://frost2014.meteoinfo.ru/media/present/3meeting/day3/2013_04.12_FROST_Mu ravev.pdf 259. Крыжов В.Н. Региональная коррекция глобальных сезонных прогнозов Гидрометцентра России для Северной Евразии.- Метеорол. и гидрология, 2012, №5. с.5-14. 300 260. Strategies and policies for air pollution abatement: 2006 review prepared under the Convention on Long-range Transboundary Air Pollution.- United Nations Publications, 2007, P.73 261. Rudich Y., Kaufman Y., Dayan U., Yu H., Kleidman R. G. Estimation of transboundary transport of pollution aerosols by remote sensing in the eastern Mediterranean. -J. Geophys. Res.,2008,vol.113,D14S13, doi:10.1029/2007JD009601. 262. Schaub D., Weiss A., Kaiser J., Richter A., Buchmann B., Burrows J. A transboundary transport episode of nitrogen dioxide as observed from GOME and its impact in the Alpine region.-Atmos. Chem. Phys., 2005, vol.5, pp. 23-37. 263. Vivanco M. G., Palomino I., Garrido J. L., Gonzalez M.B., Alonso G., Fernando M. Impact of the Transboundary Transport of Air Pollutants on Air Quality in Spain.-J.Environmental Protection, 2012, №3, pp. 167-1175. doi:10.4236/jep.2012.329135 (http://www.SciRP.org/journal/jep). 264. Transboundary acidification, eutrophication and ground level ozone in Europe in 2009. - Joint MSC-W & CCC & CEIP Report. EMEP Status Report 1/2011EMEP. 265. Curtis S., Adler R. ENSO indexes based on patterns of satellite-derived precipitation. -J. Climate, 2000, vol.13, pp.2786-2793. 266. Dickerson R. R, Li C., Li Z., Marufu L. T. et al.Aircraft observations of dust and pollutants over northeast China: Insight into the meteorological mechanisms of transport- Journal of Geophysical Research, 2007, vol.112, ISSUE D24, 27 DEC. 267. Cooper, O. R., et al. A case study of transpacific warm conveyor belt transport: Influence of merging airstreams on trace gas import to North America, , A case study of transpacific warm conveyor belt transport: Influence of merging airstreams on trace gas import to North America - Journal of Geophysical Research, 2004,V.109, Issue D23, 16 dec. 268. Alizadeh Choobari O., Zawar-Reza P., Sturman A. Atmospheric forcing of the three- dimensional distribution of dust particles over Australia: A case study. -Journal Research. 2012. doi:10.1029/2012JD017748 of Geophysical
