Содержание к диссертации
Введение
1. Условия, влияющие на уровень загрязнения атмосферы 9
1.1. Обзор исследований по изучению оценки и методов прогноза уровня загрязнения атмосферы 9
1.2. Климатические условия, формирующие уровень загрязнения атмосферы 27
1.3. Метеорологические и синоптические условия загрязнения атмосферы 38
2. Характеристика выбросов антропогенных веществ и их влияния на уровень загрязнения воздуха в районе Воронежа .
2.1. Связь физико-географических условий и структуры промышленных районов города Воронежа с локальным уровнем загрязнения атмосферы 45
2.2. Характеристика и динамика суммарных выбросов в атмосферу загрязняющих веществ 52
2.3. Анализ работы основных источников загрязнения атмосферы в период экономического кризиса 60
3. Анализ метеорологических и аэросиноптических условий, определяющих накопление и рассеяние антропогенных примесей в воздушном бассейне 74
3.1. Закономерности пространственно-временного распределения антропогенных примесей 74
3.2. Исследование влияния аэросиноптических условий на концентрацию антропогенных примесей 85
3.3. Исследование влияния метеорологических условий на концентрацию антропогенных примесей 107
3.4. Исследование аэросиноптических и метеорологических условий, благоприятных для формирования высокого уровня загрязнения атмосферы 115
4. Разработка методики прогноза уровня загрязнения атмосферы 127
4.1. Характеристика исходных данных для составления краткосрочного прогноза концентрации загрязняющих веществ 127
4.2. Корреляционные связи между концентрациями загрязняющих веществ и метеопараметрами при различных классах синоптических ситуаций 129
4.3. Использование множественной линейной регрессии при разработке прогноза концентрации загрязняющих веществ на сутки 134
4.4. Оценка успешности разработанных прогностических уравнений 138
4.5. Сравнительный анализ успешности методов прогноза уровня загрязнения атмосферы 142
4.6. Практические рекомендации по применению разработанной методики прогноза 147
Заключение 163
Список использованных источников 170
- Обзор исследований по изучению оценки и методов прогноза уровня загрязнения атмосферы
- Связь физико-географических условий и структуры промышленных районов города Воронежа с локальным уровнем загрязнения атмосферы
- Закономерности пространственно-временного распределения антропогенных примесей
- Корреляционные связи между концентрациями загрязняющих веществ и метеопараметрами при различных классах синоптических ситуаций
Введение к работе
Современная экологическая обстановка характеризуется масштабностью загрязнения окружающей среды и высоким уровнем антропогенной нагрузки на природные объекты. Одной из важных задач по охране окружающей среды является защита воздушного бассейна от чрезмерного загрязнения в результате хозяйственной деятельности человека.
В проведённых ранее работах большое внимание уделялось диагнозу уровня загрязнения атмосферы, а именно, районированию территорий городов, регионов по степени экологической напряжённости на воздушный бассейн. Прогнозу же уровня загрязнения атмосферы уделялось мало внимания. В то время как прогноз позволяет предвидеть изменения уровня загрязнения атмосферы и дать время для принятия мер по предотвращению неблагоприятных последствий.
Актуальность исследования определяется тем, что при оценке предстоящего уровня загрязнения воздушного бассейна необходимо знать значение концентрации загрязняющего вещества в воздухе, для того чтобы принимать меры по уменьшению или увеличению выбросов данной примеси в атмосферу. В связи, с чем в работе разработана методика прогноза уровня загрязнения атмосферы с учётом физико-географических условий, классов синоптических ситуаций, сезонов года, локальных особенностей, которая позволяет повысить качество оценки геоэкологического состояния воздушного бассейна и разработать эффективные мероприятия по охране чистоты атмосферы.
Теоретическая значимость
В работе разработан способ прогнозирования уровня загрязнения атмосферы, позволяющий определить значения концентраций конкретных загрязняющих веществ, в зависимости от времени года, суток, аэросиноптических условий и параметров атмосферы.
Объектом исследования является экологическое состояние воздушной среды г. Воронежа.
Предметом исследования являются аэросиноптические и метеорологические условия загрязнения воздуха, определяющие концентрацию загрязняющих атмосферу веществ.
Целью работы является исследование влияния аэросиноптических и метеорологических условий на накопление и рассеяние антропогенных примесей в атмосфере и разработка методики прогноза концентраций загрязняющих веществ.
Достижение данной цели включает решение следующих задач:
выявлением закономерностей пространственно-временного распределения антропогенных примесей в связи с работой основных источников загрязнения воздушного бассейна;
анализом физико-географических, метеорологических и синоптических условий формирования уровня загрязнения атмосферы;
установлением метеорологических и синоптических условий формирования высокого уровня загрязнения атмосферы;
разработкой классификации синоптических ситуаций, определяющих процессы накопления и рассеяния антропогенных примесей в атмосфере;
выявление взаимосвязей между значениями концентраций антропогенных примесей и параметрами атмосферы;
разработкой прогноза концентраций антропогенных примесей при различных классах синоптических ситуаций в тёплый, переходный и холодный периоды;
формированием методических рекомендаций по оценке и прогнозированию уровня загрязнения атмосферы применительно к исследуемой территории.
Основным методом исследования выбран физико-статистический метод.
В качестве исходных данных использовались аэросиноптические материалы, дневники погоды за 1990-1999 г.г., данные по загрязнению атмосферного воздуха города Воронежа за 1990-1999 г.г. постов наблюдения № 1,7, 8, 9, 10, данные о выбросах, выработки и расхода электроэнергии предприятий города Воронежа (1989-2001 гг.). Рассматривалось около 42000 случаев замеров на определение антропогенных примесей в атмосфере.
В каждый случай вошли данные наблюдений концентраций по 10 антропогенным примесям (пыли (PL), сажи (SA), угарного газа (СО), оксида азота (NO), двуокиси азота (NO2), сернистого ангидрида (SO2), аэрозоля серной кислоты (H2SO3), аммиака (NH3), формальдегида (FO), фенола (FE)) и значения метеорологических величин (температуры воздуха (7), относительной влажности (/), направления (dd) и скорости ветра (v) у земли) за 7, 13, 19 часов. Дополнительно привлечены данные о параметрах задерживающих слоев (инверсий температуры) в эти дни.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые для г. Воронежа:
выявлены закономерности пространственно-временного распределения концентраций отдельных примесей в воздушном бассейне г. Воронежа;
выявлены метеорологические условия благоприятные рассеиванию и накоплению антропогенных примесей на территории г. Воронежа;
проведена типизация синоптических ситуаций, определяющих уровень загрязнения атмосферы;
определены процессы формирования максимальных концентраций антропогенных примесей в сезоны года;
предложены прогностические уравнения регрессии для определения концентраций отдельных примесей в различные сезоны года по классам синоптических ситуаций;
разработаны практические рекомендации по оценке и прогнозированию уровня загрязнения атмосферы.
На защиту выносятся:
- особенности пространственно-временного распределения концентра-
4г ций антропогенных примесей в воздушном бассейне города Воронежа;
метеорологические условия загрязнения воздушного бассейна определённые для каждой примеси;
классификация синоптических ситуаций, определяющих условия накопления и рассеяния антропогенных примесей в атмосфере;
- методические рекомендации по прогнозированию и оценке уровня за-
'Ш
грязнения атмосферы;
Практическая ценность.
Выполненная работа направлена на повышение качества оценки эколо
гического состояния территорий на основе использования новой методики
прогноза уровня загрязнения атмосферы в целях повышения эффективности
охраны чистоты воздушного бассейна г. Воронежа,
ф Достоверность полученных результатов обоснована использованием
большого объёма исходных данных (1989-2001 гг.), полученных в комплексной лаборатории Воронежского областного центра по гидрометеорологии и мониторингу природной среды, Управлении по охране окружающей среды при администрации города Воронежа, ОАО энергетики и электрификации «ВОРОНЕЖЭНЕРГО», ВАСО и аэропорта г. Воронежа; применением апробированных методов исследования, использованием стандартных критериев оценки успешности прогностических зависимостей, удовлетворительным согласованием в частных случаях полученных результатов с данными, рассчитанными по известным методикам, и достаточно высокими значениями критериев успешности для количественных прогнозов (г = 0,45 -г 0,95) и альтернативных прогнозов U = 70-г 91 %, при оценке разработанной методики на независимом материале.
Апробация работы. Основные положения, научные и эксперименталь-
ные результаты докладывались и обсуждались на конференциях, семинарах и
совещаниях: Всероссийской научной конференции «Современные методы подготовки специалистов и совершенствование систем и средств наземного обеспечения авиации» (Воронеж, 1997); Всероссийской научной конференции «Совершенствование наземного обеспечения авиации» (Воронеж, 2002, 2003); Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (Пенза, 2003); VI-Международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, 2003); III-Международной научной практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2003). Материалы диссертации используются при преподавании дисциплин: «Экология», «Безопасность жизнедеятельности» в Воронежском военном авиационном инженерном институте; «Региональная экология», «Прикладная экология», «Экологическое картографирование» в Воронежском государственном педагогическом университете, а также в деятельности «Управления по охране природы по Воронежской области». По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 4 работы без соавторов; материалы исследования отражены в четырёх научно-исследовательских работах II и III категорий Воронежского военного авиационного инженерного института.
Личный вклад автора заключается в сборе и статистической обработке исходных данных, в проведении исследований по теме диссертационной работы, анализе результатов, формулировании выводов и разработке практических рекомендаций по оценке и прогнозу уровня загрязнения атмосферы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 7 приложений. Объем работы составляет 181 страницы машинописного текста, включает 35 таблицы и 170 рисунков. Список литературы, использованной в работе, состоит из 120 наименований на русском и иностранных языках.
1. УСЛОВИЯ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УРОВЕНЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Обзор исследований по изучению оценки и методов прогноза уровня загрязнения атмосферы
Интенсивное развитие промышленности, транспорта, энергетики и других отраслей народного хозяйства приводит к повышению загрязнения воздуха в городах. Определённые погодные условия (наличие штилей, слабых ветров, приземных и приподнятых инверсий, туманов) также способствуют накоплению вредных примесей в воздухе. Проблема чистого воздуха является одной из самых острых и сложных задач на современном этапе. В настоящее время разработаны и апробированы методы оценки метеорологического потенциала загрязнения атмосферы, прогноза уровня её загрязнения над городами, районами и регионами. В их основе лежат синоптико-статистические, физико-статистические и в отдельных случаях гидродинамические методы. Наиболее интенсивные исследования по оценке уровня загрязнения атмосферы проводились и проводятся Главной Геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова (ГГО). В начале исследования были связаны с изучением результатов моделирования турбулентной диффузии от отдельных источников при изменении скорости ветра и коэффициента обмена. В основу моделирования загрязнения воздуха было положено численное решение уравнения атмосферной диффузии. Первые результаты моделирования были использованы Гениховичем Е.Л. и Оникулом Р.И. для расчёта загрязнения атмосферы выбросами характерными для ТЭС [20]. Ими были разработаны формулы для расчёта концентрации в зависимости от геометрической высоты источника. Отдельно рассматривались случаи аномально опасных условий погоды, в том числе приподнятых инверсий, температуры, штилей, туманов и т. п. Продолжительность таких условий сравнительно невелика. Поэтому предусматривалась разработка их прогноза и принятие мер по временному сокращению вредных выбросов в эти периоды [9, 18,101].
Расчётом загрязнения воздуха при аномально-опасных условиях интенсивно занимался Берлянд М.Е.. В работах Берлянда М.Е. с Оникулом Р.И., Рябовой и Кончаном оценивалось влияние туманов на загрязнение воздуха [20]. В исходном уравнении диффузии ими принималось во внимание поглощение примеси водяными каплями с учетом их распределения по размерам. Дополнительно решались уравнения, описывающие изменения температуры и влажности в тумане. В результате определялись распределение его водности, и изменение концентрации примеси. Показано, что в развитых туманах капли почти полностью поглощают поступающие от источника примеси.
Дальнейшее развитие моделирования загрязнения воздуха велось по линии более детального учета типа и характеристик источников, оценки их суммарного действия и др. Берляндом М.Е. и др. разработана методика расчета рассеивания примесей от линейных источников с учетом особенностей начального подъема для прямоугольных устьев, характерных для аэрационных фонарей и вентиляционных шахт [20]. Берляндом М.Е. с Гениховичем Е.Л. и Оникулом Р.И. получено решение нестационарной задачи о распространении примеси от наземных источников [20]. Оникул Р.И. и Хуршудян Л.Г. теоретически исследовали перенос в атмосфере тяжелой примеси, поступающей с почвы.
Важным направлением работ по атмосферной диффузии явилось исследование взаимосвязи между загрязнением атмосферы и изменениями климата, в том числе климата города. Полученные результаты позволили впервые теоретически оценить интенсивность городского "острова тепла", определить изменения скорости ветра и коэффициента обмена, а также их влияние на образование туманов в городах [14]. В работе Берлянда М.Е. и др. [10] была развита теория рассеивания и поглощения радиации и выполнены оценки изменений глобального загрязнения атмосферы по данным 10-летних наблюдений за прямой и рассеянной радиацией на ряде актинометрических станций. Обобщение указанных исследований представлено в учебном пособии [20].
Работы последнего времени включают моделирование осаждения примеси на подстилающую поверхность, совершенствование методов расчета концентраций, осредненных за длительные периоды, уточнение используемых моделей структуры пограничного слоя и расчет загрязнения воздуха в фиксированные моменты времени.
Наряду с исследованиями по атмосферной диффузии изучались метеорологические и синоптические условия формирования высокого уровня загрязнения с целью возможности прогноза загрязнения атмосферы. Изучению условий образования высокого уровня загрязнения воздуха посвящен ряд работ Безуглой Э.Ю., Сонькина Л.Р., Ивановой Е.И., Елекоевой Л.И., Ивлевой Т.П., Храпаченко В.А. и т.д. [10, 78, 86, 88 и др.]. В работах Безугловой в основном исследуется влияние метеорологических условий на изменение в приземном слое содержания основных антропогенных примесей (пыль, СО, S02, N02) [5,6, 8].
В работах Сонькина Л.Р., Ивановой Е.И., Елекоевой Л.И., изучается физико-статистическая связь между загрязнением атмосферы и метеоропараметрами с целью прогноза загрязнения атмосферы. Оценивалось влияние каждого метеопараметра на степень загрязнения и полученные результаты использовали для составления прогноза загрязнения [38,39,78].
Прогноз загрязнения воздуха является одной из важнейших задач проблемы обеспечения чистоты атмосферы. Разработка такого прогноза ведется в двух направлениях: гидродинамический прогноз, основанный на математических моделях, и физико-статистический прогноз, в котором используются материалы наблюдений за загрязнением воздуха. В России развиваются оба эти направления.
В настоящее время в практику широко внедряются гидродинамический метод прогноза загрязнения воздуха от отдельных источников и физико-статистический метод прогноза от многих источников или в целом по городу.
Методика физико-статистического прогноза разработанная в руководстве по прогнозу загрязнения атмосферы основана на изучении зависимостей между метеорологическими характеристиками и параметрами загрязнения воздуха. Для описания загрязнения воздуха в целом по городу введен параметр Р = т/п, где т — число наблюдений с концентрациями, превышающими в 1,5 раза среднесезонные значения за какой-то промежуток времени, п — общее количество наблюдений за тот же промежуток времени. При этом рассматриваются три группы загрязнения воздуха: 1) .Р 0,35 (высокое загрязнение воздуха), 2) 0,2(КР 0,35 (повышенное загрязнение воздуха), 3) Р 0Д0 (относительно пониженное загрязнение воздуха). Наибольший интерес представляет, естественно, прогнозирование случаев с Р 0,35, повторяемость которых около 10%.
На основании статистического анализа обширного материала установлены связи параметра Р с некоторыми метеорологическими элементами, а также с сочетаниями неблагоприятных метеорологических условий, таких, как застой воздуха, приподнятая инверсия, опасная скорость ветра и др. Сформулированы прогностические правила по ряду городов России и показана их высокая оправдываемостъ.
Связь физико-географических условий и структуры промышленных районов города Воронежа с локальным уровнем загрязнения атмосферы
Под атмосферным загрязнением понимают присутствие в воздухе различных газообразных и твердых веществ, которые выбрасываются в воздушный бассейн в результате различного рода деятельности человека и оказывают неблагоприятное воздействие на живые организмы и растительность, ухудшают их жизненные условия или наносят материальный ущерб.
Выбросы делятся на высокие и низкие. Высокие выбросы, как правило, осуществляются через трубы и, следовательно, являются организованными. Низкие выбросы чаще всего бывают неорганизованными; к ним относятся выбросы из труб мелких котельных, печных труб и автомобильные выхлопы. Как правило за низкие источники принимаются объекты с высотой мене 30 м, высокие - около 100 м и более. В % городе Воронеже более 90 % всех источников имеют высоты менее 30 м., причем наибольший вклад в загрязнение воздушного бассейна вносит автотранспорт, приблизительно 80 % (рис. 2.2.) [34, 35]. Все эти факты доказывают, что уровень загрязнения в приземном слое атмосферы в большинстве случаев обусловлен как правило влиянием низких источников загрязнения. 41 Основными загрязняющими веществами в выбросах являются твердые частицы (пыль, сажа, металлы) и газообразные вещества (окись углерода, двуокись серы, окислы азота). Выбросы характеризуются массой соответствующего вещества, поступающего в атмосферу в единицу времени (г/с, кг/с, т/год). В городах выбросы пыли, окислов азота, двуокиси серы могут достигать десятков тысяч тонн в год, окислов углерода — даже сотен тысяч. Глобальные выбросы пыли составляют в год около 200 млн. т, окислов азота в пересчете на двуокись азота - 55 млн. т. В сумме это превышает 1 млрд т/год [8]. Рассмотрим краткие характеристики основных загрязняющих веществ, свойства которых изучаются на протяжении многих лет. Пыль в приземном слое атмосферы является одним из наиболее распространенных вредных ингредиентов. Содержание ее зависит от выбросов промышленных предприятий, ветровой эрозии почвы и др. Тот факт, что пыль оказывает вредное воздействие на живые организмы и растительный мир, является одной из основных причин, которые заставляют уделять серьезное внимание изучению загрязнения ею атмосферного воздуха. При сгорании угля образуются твердые частицы, диспергированные в воздухе, причем не только частицы золы (силиката кальция) и частицы углерода (сажа), но также частицы окислов металлов, таких, как окислы кальция и железа. Частицы окислов металлов могут реагировать с частицами кислотных туманов, состоящих из капелек серной кислоты. В результате образуются частицы сульфатов металлов. Наибольшая запыленность воздуха достигается в районах крупных источников выбросов (цементных и асфальтобетонных заводов, вблизи ТЭЦ, ГРЭС, предприятий металлургии и т. п.). На остальной части города уровень запыленности обычно зависит от местных условий, характера покрытий улиц, степени озеленения города и др. [8]. Сернистый газ является одной из наиболее распространенных примесей в атмосфере городов. Сернистый газ (двуокись серы) — невидимый, невоспламеняющийся газ-восстановитель. Сернистый газ хорошо поглощается снегом, влажной почвой, растениями. Основным источником выбросов сернистого газа в атмосферу являются процессы сжигания топлива [40, 90]. Соединения серы поступают в воздух в основном при сжигании богатых серой видов горючего, таких, как уголь и мазут. Будучи рассеянными в атмосфере посредством высоких дымовых труб, эти окислы становятся основной причиной кислотных дождей. Основное поступление SO2 происходит при сжигании угля (65%) и нефти (30%). От сгорания природного газа в атмосферу поступает незначительное количество сернистого газа. С этой точки зрения газ является экологически чистым топливом. Окись азота образуется в природе при лесных пожарах, однако высокие концентрации окислов азота в городах и в окрестностях промышленных предприятий связаны с деятельностью человека. Окислы азота образуются при сгорании любых видов топлива - природного газа, угля, бензина или мазута [74, 92]. При использовании трех основных видов ископаемого топлива сжигание природного газа (во всех видах применения) дает примерно 20% общего объема выбросов окислов азота, сжигание угля - 25%, а нефти - 47% [94]. Оксиды азота образуются в природе и как результат превращений органического азота. Энергетика и транспорт выбрасывают в атмосферу 36% из почти 60 млн. т ежегодных выбросов оксидов азота, т. е. в масштабах, сравнимых с естественным выделением соединений азота [74]. Окислы азота вступают в фотохимические реакции. Для фотохимических реакций требуется световая энергия. В результате образуются новые загрязнители воздуха, в том числе озон, альдегиды, а также необычные органические соединения. Примерно 90% окислов азота образуется в форме окиси азота (NO). Оставшиеся 10% приходится на двуокись азота (NO2). Однако в ходе сложной последовательности химических реакций в воздухе значительная часть окиси азота превращается в двуокись азота - гораздо более опасное соединение [7, 74]. Двуокись азота — коричнево-бурый газ, ядовитый, с неприятным запахом. Газообразный NO2 токсичен (2 класс опасности), является также сильным коррозионно-активным агентом. Предельно допустимая концентрация максимально разовая составляет 0,085 мг/м , среднесуточная 0,04 мг/м3. Окись углерода (СО) является одним из широко распространенных ингредиентов, обладает высокой токсичностью и сохраняется в течение длительного времени в атмосферном воздухе. Основной причиной попадания СО в атмосферу является недостаток кислорода при сжигании топлива. Вторая причина — восстановление СО2 до окиси углерода, что происходит лишь при высоких температурах, и не играет существенной роли в общем балансе поступления окиси углерода в атмосферу [74, 94]. Основным источником выбросов окиси углерода являются автотранспорт, промышленные предприятия (литейное производство, нефтеочистительные и целлюлозные заводы и др.) и различные процессы сгорания (сжигание твердых отходов, лесные и промышленные пожары и ДР-)[41].
Закономерности пространственно-временного распределения антропогенных примесей
Общеизвестно, что метеорологические и синоптические условия являются главными факторами, влияющими на загрязнение атмосферы, особенно в тех местах, где сильно развиты производительные силы (так называемое антропогенное влияние на окружающую среду). В зависимости от метеорологических и синоптических условий в одних случаях загрязнители рассеиваются или выпадают (оседают) на земную поверхность, а в других наоборот, они длительное время могут находиться в атмосферном воздухе при соответствующих аэросиноптических условиях [5].
При исследовании загрязнения атмосферы, оценке эффективности мероприятий по ее охране, нормировании промышленных выбросов, установлении размеров санитарно-защитных зон и решении многих других задач существенное значение имеет расчет осредненных концентраций [11, 12, 13, 28]. Теоретическое изучение межгодового, годового, суточного и пространственного изменения осредненных по времени и городской территории концентраций необходимо также для научно обоснованного проектирования предприятий, прогнозирования неблагоприятных условий рассеивания выбросов и их регулирования при наступлении этих условий [11]. Осредненные концентрации наиболее удобны для описания фактической и ожидаемой тенденции изменения загрязнения атмосферы при развитии промышленности, а также для изучения вариаций уровня загрязнения, связанных с годовым и суточным ходом метеорологических параметров, определяющих рассеивание примесей [16]. Расчетные оценки концентраций, осредненных за год, полугодия или сезоны для модельных источников по реальным распределениям определяющих метеопараметров в различных физико-географических условиях, необходимы при определении потенциала загрязнения атмосферы [11]. Расчету полей осредненных концентраций по параметрам источников и распределениям определяющих метеопараметров главным образом в крупных городах посвящено большое число работ в первую очередь, в США для Нью-Йорка, Лос-Анджелеса, Сент-Луиса и др. [103-104, 110-113, 116]. t . В данной работе расчет осредненных концентраций развивается в целях изучения пространственно-временной изменчивости основных характеристик поля осредненных концентраций примесей в приземном слое атмосферы города Воронежа. В представленной работе был проведён анализ пространственно-временного распределения концентрации антропогенных веществ, измеренных на пяти ПНЗ г. Воронежа. Проведён анализ годового и суточного хода концентраций примесей для каждого месяца года и ПНЗ. При этом в суточном ходе рассматривался дневной ход концентрации примесей, представленный в виде средней разницы концентрации примеси во вторую и первую половины дня для каждого ПНЗ и месяца (Aq,). Формула для определения Aq, имеет следующий вид где qu- концентрация примеси во второй половине дня, определяемая как среднее значение между q в 13 и 19 часов; qf - концентрация примеси в первой половине дня, определяемая как среднее значение между q в 7 и 13 часов; N— количество z-го месяца. В качестве исходных данных использовались данные по загрязнению . атмосферного воздуха (ТЗА - 1 д) г. Воронежа на ПНЗ-1, 7, 8, 9, 10 в период 1990-1999 гг. В результате проведенного анализа с помощью таблиц Excel и программы STATISTICA 6.0 [22, 93]были получены графики пространственно-временного распределения концентраций примесей. Проведем краткий анализ данных графиков с целью нахождения закономерностей пространственно-временного распределения концентрации для каждой примеси. Рассматривая годовой ход концентрации пыли можно установить, что повышенные значения в течение всего года, по сравнению с остальными ПНЗ, отмечаются на ПНЗ-1, 7, находящиеся в Левобережном районе (рис. 3.1.). Минимальные значения концентрации пыли соответствуют ПНЗ-10, который находится в центре города. При рассмотрении концентрации пыли по сезонам года максимальные значения по всем постам отмечаются в тёплый период года (май - октябрь), с резким увеличением в начале весны. Минимальные значения концентрации пыли зимой говорят, как уже указывалось выше, о значительном поступлении пыли от подстилающей поверхности непокрытой снегом. Рассматривая дневной ход концентрации пыли, практически во все месяцы и по всем постам концентрация во второй половине дня выше, чем в первой, из-за увеличения турбулентного обмена во второй половине дня (рис. 1 приложение 3). Максимальные повышения Aqf на ПНЗ-1, 8, 9 и 10 отмечаются в марте, июне - июле и сентябре; на ГТНЗ-7 только в июне. Минимальные Aqj на ПНЗ-1, 8, 9 и 10 - в апреле - мае, ноябре - декабрь. На ПНЗ-7 во второй половине дня наблюдается понижение концентрации ниже, чем в первой половине в январе - марте, октябре, декабре.
Корреляционные связи между концентрациями загрязняющих веществ и метеопараметрами при различных классах синоптических ситуаций
Предложенная методика прогноза учитывает большинство факторов, влияющих на загрязнение атмосферы антропогенными примесями, и поэтому должна быть подробно описана.
Сущность комплексного анализа состоит в изучении с помощью карт погоды и других материалов состояния атмосферы над рассматриваемым районом.
В процессе анализа исследуются распределение метеорологических величин и условий погоды на различных уровнях, а также расположение, перемещение, свойства и изменения основных синоптических объектов (воздушных масс, атмосферных фронтов и барических систем). В процессе анализа устанавливаются те закономерности, которые были и существуют в развитии синоптических процессов, и делаются выводы о предполагаемом их развитии. Цель анализа состоит в том, чтобы, исходя из положения и свойств синоптических объектов в прошлом и настоящем, найти их будущее положение, оценить их свойства и составить прогноз будущего синоптического положения. Анализ предшествует прогнозу и является его основой. Комплексный анализ барического поля имеет целью выяснение пространственной структуры барических систем и установление закономерностей их перемещения и эволюции [69, 70, 71, ]. Основными материалами, используемыми для комплексного анализа барического поля, являются приземные карты погоды, карты абсолютной топографии различных изобарических поверхностей и карты относительной топографии. Анализ атмосферных фронтов тесно связан с анализом воздушных масс и имеет целью определить географический тип воздушных масс и пространственную их структуру, положение и характеристики атмосферных фронтов. Кроме того, в процессе анализа необходимо выделить районы, занятые устойчивыми и неустойчивыми воздушными массами, по характеру наблюдающейся погоды. На основе комплексного анализа синоптических процессов протекающих в атмосфере при использовании правила ведущего потока, экстраполяционных методов разрабатывался прогноз синоптического положения на сутки. Сущность прогноза синоптического положения состоит в решении вопросов, касающихся положения и интенсивности развития основных синоптических объектов и определения тех из них, которые будут обусловливать погоду района базирования [75, 76, 77]. В основе экстраполяционных методов лежит предположение о постоянстве скорости и ускорения в процессе перемещения и эволюции синоптических объектов. При этом необходимо также знание о местоположении и эволюции синоптических объектов в предшествующие разработке прогноза моменты времени. Правило «ведущего потока» заключается в том, что центры циклонов и антициклонов перемещаются в направлении достаточно сильного и устойчивого воздушного течения на уровне 3 -г- 6 км над ними. Использование правила ведущего потока для прогноза перемещения барических образований реализуется с помощью метода геострофических траекторий. Данный метод в отличие от экстраполяционного предполагает постоянным на протяжении некоторого периода не ускорение (или скорость) движения барических систем, а распределение геопотенциала избранной изобарической поверхности. Он позволяет определить, откуда или куда переместилась (или переместится) частица воздуха в данную точку за сутки. При расчете перемещения барических образований на высотах используется экстраполяция, а также положение очагов падения и роста геопотенциала — изаллогипсы. При разработке прогноза возникновения барических образований основное внимание должно быть обращено на характер и структуру главных 150 атмосферных фронтов, так как абсолютное большинство циклонов и антициклонов возникает во фронтальных зонах. Циклоны чаще всего возникают в результате развития волновых возмущений, а антициклоны образуются в холодном воздухе в тылу развивающегося циклона; недалеко от линии фронта. Первым признаком, указывающим на возникновение циклона, является падение давления, а антициклона — рост давления. Поэтому очень важно внимательно проанализировать распределение барических тенденций в зоне основных фронтов. Перемещение и эволюция каждого отдельного участка атмосферного фронта определяются характером барического и изаллобарического полей; они связаны с распределением воздушных течений в свободной атмосфере и зависят от влияния местных физико-географических условий и суточного хода основных метеорологических элементов.
Для прогноза перемещения фронтов, как правило, используют карту АТ700- При этом полагают, что каждая точка фронта у поверхности земли перемещается в направлении проходящей над ней изогипсы со скоростью, равной 0,8 скорости ветра на уровне 700 гПа для теплых фронтов и 0,9 для холодных. Прогноз по текущим картам АТ700 дает хорошие результаты на срок 6—12 часов. При прогнозе на 18—24 часа необходимо использовать прогностические карты АТ7оо» а в случае их отсутствия фактические данные о ветре на уровне 3 км.
Прогноз перемещения воздушных масс определяется прогнозом положения атмосферных фронтов. Для прогноза последующей эволюции воздушной массы необходимо знать, каковы ее свойства в исходном районе и как они изменялись в течение последних 12—24 часов. Очень важно установить основные факторы, определяющие эволюцию воздушной массы, и оценить изменение ее основных характеристик в различные периоды прогноза. При этом главное внимание следует обратить на прогноз изменений температуры, влагосодержания и стратификации воздушной массы, так как их изменение является решающим в изменении погодных условий в воздушной массе.
