Влияние метеорологических параметров на уровень загрязнения атмосферы

Главным климатообразующим фактором Восточной Сибири, определяющим неблагоприятный характер метеоусловий, является формирование в зимнее время азиатского антициклона, центр которого чаще всего размещается в Монголии и над Забайкальем. Характерными явлениями для такой синоптической ситуации являются ясная, безветренная погода, отсутствие осадков, туманы, образующиеся в процессе ночного выхолаживания подстилающей поверхности и сохраняющиеся в течение первой половины дня, многослойные мощные и интенсивные инверсии.

Если в приземном слое воздуха температура с высотой растет (условия инверсии температуры), то рассеивание примесей ослабевает. В случае мощных и длительных инверсий при низких неорганизованных выбросах (выбросы от автотранспорта и др.) концентрации примесей могут существенно возрастать.

Особенно опасно сочетание слабой скорости ветра и приземных инверсий температуры, что приводит к застою воздуха. При длительных застоях выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух накапливаются в городах, создавая опасный для здоровья человека уровень загрязнения воздуха. Слабые ветры в нижних слоях атмосферы в зимний период года сохраняются длительное время, что способствует увеличению концентраций загрязняющих примесей в воздушном бассейне городов.

Длительные периоды ясной погоды, имеющие место в зимнее время, способствуют сильному радиационному выхолаживанию подстилающей поверхности и формированию устойчивых инверсий. Особенности повторяемости инверсий проявляются в суточном ходе. Зимой и ночью частота приземных инверсий, а, следовательно, и вероятность застоев воздуха возрастает до 90%, меньше всего инверсий наблюдается днем – в летние месяцы в дневные часы их повторяемость снижается до 20%.

При туманах концентрации примесей могут сильно увеличиться за счет приземной инверсии и повышенной влажности воздуха. С туманами часто связаны зимние смоги, при которых в течение длительного времени удерживаются высокие концентрации вредных примесей в приземном слое воздуха.

Осадки также влияют на уровень загрязнения атмосферы, очищая воздух от примесей. После длительных и интенсивных осадков высокие концентрации примесей наблюдаются очень редко.

На рассеивание примесей в условиях города существенно влияют планировка улиц, их ширина, направление, высота зданий. В крупных городах при длительных прояснениях погоды (антициклональный тип погоды) нередко формируется городской «остров тепла» со своей структурой циркуляции атмосферы, направленной к центру. В результате образуется устойчивый поток воздуха к центру такого острова, и все вредные примеси сосредотачиваются в обширной, образовавшейся за несколько дней, области «острова тепла». Такие условия нередко создаются в зимнее время в промышленных городах, особенно в Сибири.

Метеорологический потенциал самоочищения атмосферы (МПСА)

Вследствие недостаточного количества атмосферных наблюдений на территории Иркутской области, не всегда возможно в полной мере оценить способность атмосферы к самоочищению. Данные по стратификации и атмосферной турбулентности почти полностью отсутствуют, а те, которые наблюдаются, не являются однородными рядами, и, следовательно, их сравнение и анализ невозможны. Тем не менее, в Иркутском Гидрометцентре имеется архив данных 86 метеорологических станций, содержащий стандартный набор метеорологических данных о температуре, ветре, осадках, давлении и других метеорологических явлений.

Определяющее значение в условиях формирования состояния воздушной среды над территорией городов юга Восточной Сибири имеют характеристики воздушного переноса и устойчивости приземного слоя атмосферы. Ухудшение экологической обстановки, связанное с увеличением загрязняющих веществ, особенно в нижних слоях атмосферы, находится в прямой зависимости от повторяемости слабых ветров и штилей (0–1 м/с), приземных и приподнятых инверсий температуры, туманов и малого количества осадков. С увеличением процентов слабых ветров и штилей, туманов, приземных и приподнятых инверсий температуры происходит ухудшение состояния воздушного бассейна.

Для оценки экологических условий территории широко используют метеорологический потенциал самоочищения атмосферы (МПСА). Это безразмерный комплексный показатель, который рассчитывается по формуле (1):

МПСА , (1)

где P_ш, P_T, P_о, P_в – повторяемость (%) штилей, туманов, числа дней с осадками ≥1,0 мм и скорости ветра ≥6 м/с соответственно [4].

Если МПСА больше 1, то в рассматриваемый период времени повторяемость процессов, способствующих очищению атмосферы, преобладает над повторяемостью процессов, способствующих накапливанию в ней вредных примесей. В этом случае создаются хорошие условия для рассеивания примесей в атмосфере. Если МПСА меньше 1 – наоборот, преобладает повторяемость процессов, способствующих накапливанию вредных примесей

Т.С. Селегей выделяет пять групп: при МПСА > 1,25 создаются благоприятные условия для рассеивания атмосферы, при 1,25 ≥ МПСА > 0,8 – относительно благоприятные, при 0,8 ≥ МПСА > 0,4 –относительно неблагоприятные, при 0,4 ≥ МПСА ≥ 0,25 неблагоприятные и при МПСА ≤ 0,25 – крайне неблагоприятные. Однако такая классификация не является утвержденной. По мнению некоторых исследователей загрязнения атмосферы, предложенные граничные условия районирования территорий по МПСА не выделяют всю гамму имеющихся нюансов [5,6].

В процессе изучения методов исследования самоочищения атмосферы других авторов, в том числе зарубежных, нами была преобразована формула для расчета МПСА (предложенная Т.С. Селегей) в следующий вид (2):

МПСА^* , (2)

где были добавлены новые переменные – P_г, P_гд, P_дм, P_мг – повторяемость (%) гроз, града, дымки и мглы соответственно. Данные по всем этим характеристикам доступны в архиве Иркутского Гидрометцентра.

Как факторы очищения были добавлены гроза и град, так как в момент их возникает сочетание метеорологических условий, способствующих очищению атмосферы от примесей (сильный ветер, сильные осадки, коагуляция капель, содержащих примеси и др.). Как факторы загрязнения были добавлены дымка и мгла, характеризующие застойное состояние атмосферы с преобладанием различного рода примесей.

Таким образом, МПСА* является более точным показателем самоочищения атмосферы, т. к. включает в себя большее количество факторов самоочищения.

 

База данных

Для расчетов МПСА* необходимы данные 86 метеостанций (рис. 1), опубликованные в Метеорологических ежемесячниках ФГБУ «Иркутское УГМС» за 2000–2013 гг. Метеорологический ежемесячник – издание, содержащее данные наблюдений метеорологических станций и постов за определенный месяц.

 

Наканно

Тайшет

Братск

Качуг

Иркутск

 

Рис. 1. Сеть метеорологических станций Иркутской области [3]

 

Формирование базы данных и анализ 86 станций является трудоемким процессом, в данный момент имеются результаты для 5 населенных пунктов (они обозначены точками на карте): Наканно (северный район), Братск (центральный район), Тайшет (западный район), Качуг (восточный район) и Иркутск (южный район).

 

Результаты

Вследствие того, что условия самоочищения атмосферы изменяются значительно в течение года, было принято решение рассчитать среднее МПСА* за каждый месяц года. Кроме того, расчеты МПСА по формуле, предложенной Т.О. Селегей, дают возможность сравнения результатов. Заключительный этап работы заключается в графическом отображении изменения МПСА* на территории Иркутской области в течение года.

На рис. 2 приведены гистограммы, отображающие значения МПСА* и МПСА в январе и июле для 5-ти выбранных нами станций за период 2000 – 2013 гг. Светлые столбики гистограмм соответствуют МПСА* в январе, более темные столбики – МПСА в июле.

 

 

Рис. 2. Полученные гистограммы МПСА* и МПСА

 

Заключение и выводы

В летнее время способность самоочищения атмосферы значительно выше, чем в зимнее время, из-за сильного ветра и сильных осадков. В зимнее время наблюдается в основном антициклонический тип погоды с частыми штилями, смогом и слабой повторяемостью сильных осадков. В Братске показатели МПСА* остаются высокими в течение всего года, что, главным образом, обусловлено высокой повторяемостью сильного ветра в течение всего года и сравнительно малой повторяемостью штилей.

Использование измененной формулы (2) по-разному повлияло на величину МПСА, где-то увеличив, где-то уменьшив ее значение. Такое представление является более точным. Наибольший вклад внесли повторяемость гроз и дымки. В отдельные годы существенное влияние оказало такое метеорологическое явление как мгла, снизив значение МПСА*.

Показатель МПСА может использоваться как в прогнозах самоочищения атмосферы, так и при оценках климатических особенностей отдельных географических районов. Он удобен в том отношении, что не требует сведений об измеренных значениях концентраций, а указывают лишь метеорологические характеристики, способствующие очищению атмосферного воздуха от примесей. Также для его расчета не требуются данные аэрологического зондирования, а используется простая метеорологическая информация, имеющаяся на любой метеостанции.

Проведенное исследование позводило на современных данных изучить метеорологические условия, способствующие очищению атмосферы от примесей и их накоплению по данным пяти метеорологических станций, расположенных на территории крупных промышленных центров Восточной Сибири.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2013 году / под редакцией Н.Л. Корзун – Главное управление природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Иркутской области, 2004 – 323с.

2. Винокуров М. А. Экономика Иркутской области/ М. А. Винокуров, А. П. Суходолов - Иркутск: Изд-во: БГУПЭ - 1998. Т. 1. - 203 с.

3. Официальный сайт ФГБУ «Иркутское УГМС». Доступен на: http://www.irmeteo.ru/

4. Латышева И. В. Современные особенности гидрометеорологического режима южного побережья оз. Байкал/ И. В. Латышева, В. Н. Синюкович, Е. В. Чумакова– Иркутск: Науки о Земле. - 2009. Т. 2, № 2. С. 117–133.

5. Отчет о научно-исследовательской работе: Разработать усовершенствованный комплексный метеорологический показатель рассеивающей способности/ Т.С. Селегей и др. – Новосибирск: Министерство природных ресурсов и экологии РФ. - 2014.

6. Селегей Г. Е. Метеорологический потенциал очищения атмосферы Сибирского экономического района / Г. Е. Селегей – Новосибирск: Зап.-СибНИГМИ. - 1989. Вып. 86. С. 84–89.

 

 

Кузавкова Зоя Олеговна,

аспирантка (1 год) ИГ СО РАН им. В. Б. Сочавы,

лаборатория теоретической географии.

Руководитель: проф., д.г.н. Коновалова Т. И.