Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современное состояние, анализ и оценка антропогенного загрязнения атмосферы озера Байкал 14
1.1. Современные методы и аппаратура для исследования загрязнения атмосферы 14
1.2. Физико-климатические условия оз. Байкал 28
1.3. Антропогенное загрязнение атмосферы оз. Байкал 41
1.4. Экспериментальные исследования загрязнения атмосферы 46
1.5. Математическое моделирование распространения загрязняющих веществ в Байкальском регионе 61
ГЛАВА II. Аппаратура, методика измерений концентраций газовых и аэрозольных примесей, метеорологических параметров 68
2.1. Автоматизированный комплекс контроля загрязнения при земного слоя атмосферы 68
2.2. Методика измерений концентраций газовых примесей 1С
2.3. Методы отбора и анализа проб аэрозолей 91
ГЛАВА III. Особенности пространственно-временного распределения газовых примесей в атмосфере южного побережья и акватории оз. Байкал 93
3.1. Исследование ветровых потоков на южном побережье оз. Байкал 93
3.2. Пространственно-временное распределение газовых примесей на южном побережье оз. Байкал 106
3.3. Пространственно-временная изменчивость озона и оксидов азота в приводном слое атмосферы озера Байкал 115
3.4. Вертикальное распределение концентрации озона и температуры в приземном слое атмосферы юго-восточного по бережья оз. Байкал 128
ГЛАВА IV. Пространственная структура аэрозолей южного побережья и акватории Байкал 134
4.1. Химический состав атмосферных аэрозолей 134
4.2. Перенос аэрозолей 146
Заключение 150
Список использованной литературы
- Современные методы и аппаратура для исследования загрязнения атмосферы
- Автоматизированный комплекс контроля загрязнения при земного слоя атмосферы
- Исследование ветровых потоков на южном побережье оз. Байкал
- Химический состав атмосферных аэрозолей
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В современных условиях быстрого развития промышленности, роста городов и освоения новых районов усиливается воздействие на окружающую среду. Оно, в частности, проявляется в резком возрастании вредных выбросов, поступающих в атмосферу от антропогенных источников. Атмосфера является одной из основных систем окружающей среды; ее чистота - необходимое условие сохранения здоровья людей. Это отражено в Конституции РФ, Законе РФ об охране атмосферного воздуха.
Загрязнение атмосферы - один из главных факторов антропогенной нагрузки на оз. Байкал. Формирование химического состава атмосферы и распространение примесей в котловине оз. Байкал связаны со специфическим характером циркуляции воздушных масс, наличием устойчивой инверсионно;: стратификации атмосферы над акваторией озера в течение большей части года. Регион все еще недостаточно и неравномерно изучен в отношении техногенного загрязнения атмосферы. Определение качественного и количественного состава примесей в воздухе, выявление механизмов переноса загрязігений, исследование закономерностей формирования полей загрязненности атмосферы озера становятся одними из важнейших задач устойчивого развития региона.
Существующая система мониторинга загрязнения атмосферы в сети Росгидромета, основанная на отборе проб с их последующим лабораторным анализом, уже не отвечает современным требованиям с точки зрения трудозатрат, оперативности и возможности автоматических непрерывных измерений. В этой связи актуальное значение для совершенствования системы мониторинга приобретают работы, направленные на развитие средств автоматического контроля газового загрязнения атмосферы. Данные разработки являются актуальными и представляют большой научный и практический интерес.
Цель диссертации - разработка измерительного комплекса и методики выполнения измерений для исследования особенностей пространственно-временного распределения концентраций газовых и аэрозольных примесей в атмосфере южного побережья и акватории оз. Байкал с целью оценки состояния
5 воздушной среды.
Были поставлены и решены следующие задачи;
разработка автоматизированного измерительного комплекса регистрации и обработки данных измерений концентраций газовых примесей;
разработка методики постановки натурного эксперимента для определения приземной концентрации газовых примесей;
исследование распределения основных метеорологических параметров атмосферы Южного Байкала;
экспериментальные исследования пространственно-временного распределения газовых и аэрозольных примесей в приземном слое атмосферы оз. Байкал.
Научную новизну характеризуют следующие полученные результаты:
Разработан измерительный комплекс для автоматизации непрерывных, синхронных измерений концентраций озона, оксидов азота, оксида углерода и обработки результатов измерений для оценки количественных характеристик и корреляционных связей распределения данных газов.
Разработана и экспериментально обоснована методика выполнения измерений приземной концентрации газовых примесей с использованием автоматизированного комплекса контроля загрязнения атмосферы.
Создана новая база данных аэрозольно-газовых и метеорологических полей приземного слоя атмосферы Байкальского региона, содержащая данные мониторинга на основе многолетнего ряда наблюдений, начиная с 1998 г.
Впервые получены сведения о суточных вариациях приземных концентраций малых газовых примесей в атмосфере южного побережья и акватории оз. Байкал на основе экспериментальных данных. Установлена значительна., пространственная неоднородность распределения газовых примесей в атмосфере оз. Байкал, обусловленная физико-географическими условиями данной местности и влиянием локальных источников выбросов.
Впервые получено пространственное распределение аэрозолей в промышленных центрах и населенных пунктах южного побережья оз. Байкал.
б Автор защищает:
Разработанный измерительный комплекс контроля загрязнения атмосферы позволяет повысить качество экспериментальных данных, автоматизировать процесс их обработки и получать результаты в реальном масштабе времени.
Экспериментальные результаты исследований временной изменчивости приземной концентрации озона и оксидов азота в атмосфере южного побережья и акватории оз. Байкал. Выявлена суточная динамика концентраций данных примесей.
Экспериментально установленную значительную пространственную изменчивость концентраций газовых примесей в атмосфере оз. Байкал, которая зависит от физико-географических условий местности и локальных источников выбросов.
Результаты количественного анализа химического состава аэрозолей в атмосферном воздухе населенных пунктов Южного Байкала в разной степени подверженных воздействию антропогенных выбросов. Выявлено значительно" влияние антропогенных выбросов на состояние воздушной среды.
Достоверность полученных результатов обеспечена проведением контроля качества анализов в рамках двух аккредитаций аналитической лаборатории мониторинга загрязнения атмосферы на техническую компетентность и независимость в организации и обеспечении достоверности измерений в области экологического контроля промышленных выбросов и мониторинга атмосферного воздуха и соответствия требованиям ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025 в Системо аккредитации аналитических лабораторий Госстандарта РФ, ежегодным проведением поверки газоаналитнческого оборудования и регулярной калибровкой приборов с использованием поверочно-газовых смесей. Органом по аккредитации аналитических лабораторий ЦММ ГУ НПО "Тайфун" аттестована и регламентирована руководящими документами разработанная в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-1-6-2002 "Методика выполнения измерений приземной концентрации газовых примесей при помощи автоматизированной системы контроля загрязнения атмосферы".
В лаборатории проводился регулярный внутренний контроль качества результатов в соответствии с утвержденным Руководством по качеству.
Применение автоматизированного комплекса, аттестованной методики, периодическая иитеркалибрация газоанализаторов обеспечили необходимую точность измерения концентраций газовых примесей, что подтверждено результатами оценки погрешностей измерений. Достоверность результатов также обеспечена высокой статистической надежностью полученных оценок, основанных на большом объеме исходных данных.
Практическая значимость. Разработанный и апробированный в данной работе автоматизированный измерительный комплекс позволил существенно улучшить качество экспериментальных данных прн значительном сокращении трудозатрат по их обработке и анализу. Практика эксплуатации комплекса показала эффективность как общей концепции системы мониторинга, так и отдельных технических решений в реальных условиях.
Предложенный измерительный комплекс может служить основой для создания сети мониторинга загрязнения атмосферы.
Созданная в результате работ по мониторингу загрязнения атмосферы база данных позволяет обеспечить оперативное использование информации о пространственно-временном распределении аэрозольных и газовых примесей атмосферы, количественном и качественном составе поля концентрации загрязнения атмосферного воздуха для оценки влияния загрязнений на экосистему Байкальского региона и улучшения экологической обстановки, необходимую входную информацию для работ по моделированию загрязнения атмосферы.
Основная часть исследований и разработок по теме диссертации имели целевую практическую направленность и выполнялись в рамках следующих проектов: РФФИ № 97-05-96449, № 01-05-97240; "Климато-экологический мониторинг Сибири" РНТП "Сибирь"; ROLL № 113-3 Агентства США по международному развитию "Внедрение современных автоматизированных средств контроля качества воздуха в Байкальском регионе"; программы Президиума РАН № 16, 2002. "Мировой океан: Геология дна, геодинамика, биология моря и
8 экология". Блок VII. "Озеро Байкал - модель Мирового океана, природная лаборатория для исследования видообразования, климата и изменении окружающей среды". Направление I. "Исследование аэрозолей и газовых примесей в атмосфере Байкальского региона: разработка новых методов и оценка дальнего переноса из атмосферы над океаном".
Материалы работы используются в государственной программе Росгидромета "Организация регулярных наблюдений за содержанием приземного озона в Байкальском регионе" (лаборатория включена в Государственнуго сеть наблюдений за приземным озоном Росгидромета). На основе экспериментальных результатов разработаны рекомендации по сокращению промышленных выбросов и снижению риска здоровью населения в рамках программы "Социально-гигиенический мониторинг в Республике Бурятия".
Результаты проведенных исследований пространственно-временного распределения аэрозолыю-газовых примесей в Байкальском регионе вошли в перечень важнейших НИР институтов СО РАН в 2000-2003 гг. в рамках РНТП "Сибирь". Результаты диссертации внедрены в Министерстве природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Бурятия, Территориальном управлении Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Республике Бурятия, о чем имеются соответствующие акты внедрения.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на III международной Верещагинской Байкальской конференции (Иркутск, 2000), VIII, X, XI Рабочих группах "Аэрозоли Сибири" (Томск, 2001, 2003, 2004), VIII, X, XI, XII Международных объединенных симпозиумах "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Иркутск, 2001; Томск, 2003, 2004, 2005), IV Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2001), III Международной школе молодых ученых и специалистов "Физика окружающей среды" (Томск, 2002), 8 International Seminar on the Regional Deposition Processes in the Atmosphere in The East Asia (Иркутск, 2002), международной конференции CITES-2003 "Вычислительно-информационные технологии для наук об окружающей среде" (Томск, 2003), международной конференции "Science for
9 watershed conservation: multidisciplinary approaches for natural resource management" (Ulan-Ude - Ulaanbaatar, 2004), международной конференции "Terrestrial and Climate Change in Mongolia" (Ulaanbaatar, 2005).
Личный вклад диссертанта в выполнении работы заключался в разработке измерительного комплекса и методики выполнения измерений, постановке и проведении экспериментов, обработке и интерпретации полученных данных, подготовке публикаций и докладов на конференциях, что отражено в совместных публикациях коллектива авторов. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации, и выносимые на защиту положения получены автором лично.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ; в том числе 2 в рецензируемых научных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения; изложена на 172 страницах, включая 45 рисунков и 21 таблицу. Список литературы содержит 143 наименования, в том числе 25 на английском языке.
Первая глава носит обзорный характер. Описаны современные методы и аппаратура для исследования загрязнения атмосферы. Рассматриваются интегрированные автоматизированные системы экологического мониторинга атмосферы. Описываются технические средства и информационные технологии функционирования этих систем.
Дается физико-климатическая характеристика района исследований. Рассматриваются природные особенности территории, климатообразующие факторы, режим и закономерности пространственного распределения климатических элементов региона.
Приведены данные об основных источниках загрязнения атмосферного воздуха оз. Байкал. Отмечена тенденция уменьшения выбросов вредных веществ промышленными предприятиями Южного Прибайкалья в связи с сокращением производства, приобретением и заменой очистного оборудования. Показано, что, несмотря на эту тенденцию, масса выбрасываемых примесей остается очень велика, Приведена оценка воздействия Байкальского целлюлозно-
10 бумажного комбината (БЦБК) на качество атмосферного воздуха. Газопылевые выбросы БЦБК следует отнести к одному из наиболее значительных источников загрязнения атмосферы, земной и водной поверхности на юге оз. Байкал.
Представлен обзор литературных данных о современном состоянии экспериментальных исследований по изучению пространственно-временного распределения аэрозольно-газовых примесей атмосферы оз. Байкал. Приведены результаты исследований аэрозолыю-газового загрязнения оз. Байкал Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН, ЛИН СО РАН, ИОА СО РАН, комплексной экспедиции "Байкал" СО РАН. Эти исследования показали, что южная котловина оз. Байкал загрязнена значительно сильнее остальной части Байкала.
Представлен обзор работ о современном состоянии исследований по математическому моделированию распространения загрязняющих веществ в Байкальском регионе. Рассматриваются математические модели, в которых были исследованы нестационарные и пространственно неоднородЕіьіе процессы распространения и трансфорхМации аэрозолей и газовых примесей, проведена количественная оценка степени влияния выбросов предприятий Иркутско-Черемховской промышленной зоны, Слюдянки и Байкальска на загрязненность атмосферы над озером.
Во второй главе приведены состав, описание, принцип работы, технические характеристики автоматизированного комплекса оперативного контроле загрязнения приземного слоя атмосферы. Комплекс предназначен для непрерывных измерений на стационарном пункте и при маршрутных наблюдениях, а также для сбора, хранения и обработки основных характеристик газовых примесей и метеорологических параметров. Автоматизированный комплекс представляет собой современную распределенную систему обработки данных, функционирующую в реальном масштабе времени.
Приводится описание базы данных аэрозольно-газовых и метсорологиче ских полей приземного слоя атмосферы Байкальского региона, созданной на основе комплекса. Описан алгоритм работы программного обеспечения комплекса.
Приводятся пределы допускаемой относительной погрешности измерений концентраций газовых примесей.
Также приведены принцип работы газоанализаторов комплекса, методика измерений и методика контроля точности результатов.
Приведены результаты совместного межлабораторного эксперимента по оценке точности результатов измерений в области мониторинга загрязнения атмосферы между двумя независимыми аналитическими аккредитованными лабораториями. Данный эксперимент показал, что погрешности метода непрерывной регистрации концентраций газовых примесей (БНЦ СО РАН) сопоставимы с погрешностями метода предварительного накопления определяемого компонента газовой примеси (Бурятский ЦГМС).
Описаны методы отбора и анализа проб аэрозолей.
Третья глава посвящена рассмотрению особенностей пространственно-временного распределения газовых примесей в атмосфере южного побережья и акватории оз. Байкал,
Для изучения крупномасштабного распределения основных метеорологических параметров атмосферы Южного Байкала обработаны фондовые материалы ежедневных данных за трехлетний период двух станций (Бабушкин, Танхой). Получены данные суточных, месячных, сезонных и годовых вариацн." скорости и направления ветра. Выявлено, что в течение года на южном побережье оз. Байкал преобладают ветры со скоростью 1-5 м/с (повторяемость 76 %). Потоки преобладающего ветра имеют в основном юго-западное, западное и северо-западное направления, с которыми происходит перенос и распространение загрязняющих атмосферу веществ из региона Иркутско-Черемховской промышленной зоны.
С использованием модели реанализа NCEP/NCAR HYSPLIT4 и архивных метеорологических данных NOAA проведены исследования основных направлений распространения загрязнения от БЦБК. Был обработан архив FNL ежедневных данных прямых траекторий воздушных масс от БЦБК за 2002-2004 гг. В результате осреднения данных по месяцам, сезонам года выделены наиболее часто встречающиеся типы траекторий с учетом их направления и длины. Ус-
12 тановлено, что выражен явный северо-западный перенос воздуха в данном районе.
Для изучения пространственно-временного распределения аэрозольных и газовых примесей в пограничном слое атмосферы акватории оз. Байкал в летний период 2000-2004 гг. проведены комплексные синхронные исследования концентраций атмосферных примесей в двух диаметрально расположенных пунктах наблюдения побережья (пос. Боярск - юго-восточное побережье, пос. Большие Коты - западное побережье). Также для исследования динамики изменчивости газовых и аэрозольных примесей в атмосфере над акваторией о^ера проводились измерения с борта научно-исследовательских судов (НИС) ЛИН СО РАН "Г. Титов" (2002 г.) и Т.Ю. Верещагин" (2003 г.).
На основе большого цикла измерений концентраций малых газовых составляющих атмосферы Байкальского региона экспериментально установлена сильная изменчивость во времени и пространстве концентраций газовых примесей. Выявлены суточные вариации концентраций озона и оксидов азота на юго-восточном, западном побережьях и на акватории оз. Байкал. При маршрутных корабельных наблюдениях по всей акватории озера получены пространственные распределения среднечасовых концентраций озона и диоксида азота в приводном слое атмосферы. При однородных метеорологических и синоптических условиях дневные средние концентрации озона и диоксида азота в восточной части Южного Байкала выше значений концентраций этих примесей в западной части в 1,6 и 2 раза, соответственно. Установлено неоднородное пространственное распределение примесей над акваторией оз. Байкал и над его прибрежной зоной. Обнаружено, что среднесуточные значения концентраций диоксида азота на западном берегу в 2,5 раза выше, чем на юго-восточном и в 5 раз выше, чем над водной поверхностью. Среднесуточные концентрации озона над водной поверхностью в 1,5 раза выше, чем в прибрежной зоне. На западном побережье оз. Байкал среднесуточная концентрация озона в 1,4 раза выше, чем на юго-восточном. С вероятностью 95 % можно считать, что средняя концен-трация 0з находится в пределах [03] ~ 23,9 ± 1,3 I мкг/м , средняя [N02] « 16,5 ± 1.6 мкг/м3.
В четвертой главе приведены результаты анализа ионного и химического состава аэрозолей атмосферы населенных пунктов южного побережья оз. Байкал. Данные о концентрации мелкодисперсных аэрозолей были получены как в местах, подверженных воздействию техногенных выбросов, так и на удаленных территориях с минимальным влиянием антропогенной нагрузки. Распределение ионного состава аэрозолей характеризуется сильной пространственной неоднородностью. Суммарная массовая концентрация ионов аэрозолей в Баикальске значительно выше, чем в других населенных пунктах: по сумме катионов превышает в среднем в 46 раз сумму катионов в Улан-Удэ, а по сумме анионов - в 14 раз. Значения аэрозольных составляющих в населенных пунктах южного побережья оз. Байкал, удаленных от промышленных источников, существенно ниже, чем в г. Улан-Удэ и г. Баикальске. При северо-западных и юго-западных направлениях ветра отмечается увеличение концентрации аэрозолей в пробах воздуха, полученных в пос. Боярск, что связано с переносом со стороны БЦБК и Иркутско-Черемховского промышленного комплекса. Полученные данные показывают, что результаты мониторинга позволяют осуществить идентификацию источников поступления аэрозольных загрязняющих примесей на акваторию оз. Байкал через атмосферный канал в процессе трансграничного переноса воздушных масс.
В приложении приведены копия аттестата аккредитации аналитической лаборатории, программные коды автоматизации измерений.
В заключении приведены основные результаты работы.
Автор искренне благодарен научному руководителю к.ф.-м.н. Г.С. Жам-суевой и к.ф.-м.н. А.С. Заяханову за постоянную помощь и поддержку работы. Неоценимую помощь оказали сотрудники лаборатории радиофизики Отдела физических проблем Бурятского научного центра СО РАН при выполнении экспедиционных и экспериментальных работ, за что автор выражает им сердечную благодарность.
Современные методы и аппаратура для исследования загрязнения атмосферы
Чистота атмосферного воздуха - один из важнейших показателей экологического состояния окружающей среды. В последнее время отмечается ухудшение экологической обстановки во многих промышленных регионах России [50]. Причины тому - не только в бесконтрольной техногенной деятельности, но и в отсутствии достоверных данных о состоянии окружающей среды. В этой связи важное значение имеет развитие средств экологического мониторинга газового загрязнения атмосферы. Наблюдения за экологическим состоянием окружающей среды и, в частности, атмосферного воздуха велись в нашей стране многие годы, однако делалось это, в основном, в ручном режиме (отбор проб воздуха - транспортировка в лабораторию — выполнение анализов - запись в журнал - оформление итоговых отчетов). Обычные методы контроля газовых примесей, основанные на отборе проб с их последующим лабораторным анализом, уже не отвечают современным требованиям с точки зрения трудозатрат, оперативности и возможности автоматических непрерывных измерений. В 70-х годах развитые страны Запада также столкнулись с этой проблемой и для ее решения начали активно использовать самые последние достижения микро-электроЕшки, вычислительной и измерительной техники. В результате стали появляться городские, а затем и региональные сети автоматических постов контроля загрязнения атмосферы, выросшие к настоящему времени в мощные информационно-измерительные системы, позволяющие оперативно получать достоверные данные о качестве воздуха и принимать на их основе необходимые решения по управлению экологической обстановкой. В настоящее время автоматизированные системы оперативного контроля воздушного бассейна созданы в отдельных городах США, .Японии, Канады, Болгарии, Ирландии, Италии, Швеции, Нидерландов, Франции, ФРГ и в целых регионах, например, район
Иль-де-Франс (Франция), шт. Нью-Джерси (США). В Японии каждая из 47 префектур имеет свою систему контроля, которые объединены в единую сеть по всей стране. Лидерами по созданию автоматизированных систем контроля являются фирмы " Environment SA" (Франция), "Thermo Environment Instruments", "Monitor Labs (США), "Toshiba", "Horiba" (Япония) и др.
В конце 80-х - начале 90-х годов XX века в России начал широко применяться передовой зарубежный опыт и дальнейшее его развитие. Госкомгидро-метом и Минприбором СССР была разработана система АНКОС-АГ для контроля загрязнения атмосферы в городских условиях, которая базировалась на отечественных приборах и вычислительной технике. Она была сдана в опытную эксплуатацию в Ленинграде, Кемерово, Казани, но из-за низкой надежности элементов и системы в целом, отсутствия финансирования широкого распространения АНКОС-АГ не получила, а работы по ее дальнейшей модернизации были остановлены.
Решение задач экологического мониторинга невозможно без применения современных средств измерений и связи, новых компьютерных технологий.
Автоматические станции контроля загрязнения атмосферного воздуха. Во многих крупных городах мира для принятия мер по улучшению экологической обстановки используются системы управления качеством атмосферного воздуха, позволяющие решать следующие задачи: I) получение оперативной информации о загрязнении атмосферного воздуха; 2) принятие решений (на основании полученной информации) по осуществлению природоохранных мероприятий; 3) моделирование возможных экологических ситуаций и прогнозирование уровней загрязнения; 4) планирование городской инфраструктуры, транспортных магистралей; 5) своевременное обеспечение исполнительных органов государственной власти, природоохранных организаций и населения информацией о качестве атмосферного воздуха.
Система управления качеством атмосферного воздуха - это комплекс технических средств, состоящий из автоматических станций контроля загрязнения атмосферного воздуха и центра сбора и обработки информации. Стацио 16 парные автоматические станции контроля загрязнения атмосферного воздуха устанавливаются в жилых зонах населенных пунктов» санитарно-защитных зонах промышленных предприятий и обеспечивают непрерывное круглосуточное измерение, регистрацию, обработку и передачу данных в центр сбора и обработки информации. Передвижные станции производят измерения по заданным маршрутам.
Например, в Санкт-Петербурге система управления качеством воздуха состоит из 11 автоматических стационарных станций контроля загрязнения атмосферного воздуха и автоматических метеостанций, разработанных ЗАО "НПО ЭКРОС". Центральный управляющий компьютер системы находится в Информационном центре Управления по охране окружающей среды Администрации Санкт-Петербурга. Регистрация измеряемых параметров производ"тся персональным компьютером, обеспечивающим сбор, обработку, хранение и последующую бесперебойную передачу измеренных данных в центр контроля. Связь с центром осуществляется через модем. Благодаря такой системе коммуникаций можно в один и тот же момент времени отследить показания множества экологических постов, расположенных в различных географических точках. В измерительный комплекс станции установлены приборы как отечественного, так и зарубежного производства: 1) газоанализатор СО (модель К-100 или 300Е Teledyne-API); 2) газоанализатор NOINOi (Р-310 или 200Е Teledyne-API); 3) газоанализатор S02 (С-310 или 100Е Teledyne-API); 4) газоанализатор HiS (СВ-320 или 101 Teledyne-API); 5) анализатор пыли ("Даст" или F-701 VEREWA); 6) газоанализатор озона (3.02П или 400 Teledyne-API); 7) газоанализатор аммиака (Н-320 или 201Е Teledyne-API); 8) метеостанция М-49М или С-5 SAM S1019RB; 9) регистратор данных- персональный компьютер. В состав измерительного комплекса также входит автоматическая метеостанция, определяюща;: температуру и относительную влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра.
Автоматизированный комплекс контроля загрязнения при земного слоя атмосферы
С целью автоматизации непрерывных, синхронных измерений концентраций озона, оксидов азота, оксида углерода и обработки результатов измерений для оценки количественных характеристик и корреляционных связей распределения данных газов был создан автоматизированный комплекс регистрации и обработки концентраций газовых примесей. Данные измерений автоматизированной системы используются для исследования особенностей суточной и сезонной изменчивости концентраций озона, оценок степени трансформации и фотолиза оксидов азота при фотохимических процессах.
Автоматизированная система контроля загрязнения атмосферы предн?-значена для: 1) непрерывного измерения приземной концентрации оксида углерода, оксида и диоксида азота, озона в атмосфере на стационарном пункте; 2) измерения концентраций указанных примесей в отдельных пробах воздуха, доставляемых к автоматизированной системе контроля загрязнения; 3) измерения концентраций примесей при проведении маршрутных и подфакельных наблюдений во время комплексных, оперативных и эпизодических обследований атмосферы населенных пунктов; 4) автоматизации процессов измерений, сбора, хранения и обработки основных характеристик газовых примесей; 5) получения информации при определении источников загрязнения.
Концепция информационных технологий автоматизированной системы контроля загрязнения атмосферы основана на требованиях к системам реального времени. В систему входят:
1. Измерительный комплекс, состоящий из газоанализаторов, сопряженных с персональным компьютером (рис. 2.1). Средства измерений и их основные технические характеристики приведены в табл. 2.1.
2. Информационно-вычислительный комплекс на базе IBM PC совмести мого компьютера, включающий в себя устройство ввода-вывода аналоговой и цифровой информации (табл. 2.2) и унифицированное программное обеспечение.
Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) L-154 (ЗАО "Л-КАРД", і. Москва, http://www.lcard.ru) является быстродействующим и надежным устрой ством для ввода-вывода аналоговой и цифровой информации в персональных IBM-совместимых компьютерах. Плата L-154 предназначена для опроса приборов и преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму для персональной ЭВМ, а также для ввода/вывода цифровых ТТЛ линий и управления одним выходным аналоговым каналом (цифро-аналоговый преобразователь).
Плата L-154 позволяет: 1) осуществлять многоканальный ввод с аналоговых каналов с частотой до 70 кГц на канал; 2) осуществлять асинхронный ввод с различных аналоговых каналов; 3) управлять Цифро-Аналоговым Преобразователем; 4) осуществлять работу в двух режимах (в программном режиме и в режиме генерации прерываний IRQ); 5) управлять цифровыми линиями в асинхронном режиме.
Информационно-вычислительная система выполняет все функции, связанные с обработкой данных: I) опрос газоанализаторов измерительного комплекса; 2) управление режимами измерений; 3) выполнение операций по первичной обработке измерительных данных; 4) ведение локальной базы данных.
На программное обеспечение (ПО) комплекса возложены задачи, решаемые в реальном масштабе времени, как чисто технического (работа с аппаратурой), так и информационного характера. Для реализации ПО была выбрана многозадачная операционная среда MS Windows 95 фирмы Microsoft, позволяющая запускать в пределах физической памяти компьютера любое число параллельных процессов обычных DOS-программ. Все процессы работают в режиме разделения времени и являются совершенно равноправными и независимыми друг от друга, работают циклически и обмениваются сообщениями друг с другом (рис. 2.2).
Исследование ветровых потоков на южном побережье оз. Байкал
Для изучения механизмов распространения и возможных путей переноса атмосферных загрязнений в конкретный район необходимы сведения о местных особенностях атмосферной циркуляции воздуха. Циркуляция на Байкале является результатом взаимодействия различных ветровых потоков. Основными из них являются ветровые потоки, связанные с общециркуляционными процессами и местной циркуляцией, которая обусловлена характером приземного поля атмосферного давления над акваторией озера [47]. Рассматриваемый нами регион - южное побережье оз. Байкал - имеет сложный рельеф, который влияет на циркуляцию атмосферы. Расположенный на юге и юго-востоке горный хребет Хамар-Дабан является орографическим препятствием для воздушных масс, перемещающихся с запада на восток. Поэтому в Прибайкалье в большую часть года условия благоприятствуют для формирования областей повышенного давления и ветровые потоки могут отклоняться от преобладающего направления [40].
Исследование ветровых потоков на ст. Бабушкин. Для характеристик" ветровых условий юго-восточного побережья оз. Байкал были привлечены и обработаны фондовые данные 8640 измерений на ст. Бабушкин за трехлетний период (1995-1998 гг.) [20]. Город Бабушкин расположен в 20 км от научного стационара Бурятского научного центра СО РАН "Боярский" (рис. 3.11),
На рис. 3.1 приведены повторяемости направления ветра для 8 румбов в течение года. Во все месяцы года в г. Бабушкин преобладают ветры западного, юго-западного и юго-восточного направлений. Максимальную повторяемость в течение года имеют ветры западного направления (42 %), минимальную - южного направления (4 %). На рис. 3.2 приведен годовой ход средней скорости ветра, полученный по материалам станции за трехлетний период. В годовом ходе скорости ветра мак «шальные скорости ветра отмечаются в осенний период (ноябрь - 4,8 м/с) її в летнее время (июнь - 4,0 м/с). Минимум наблюдается в феврале (2,4 м/с) и в июле (2,4 м/с). Средняя годовая скорость ветра в г. Бабушкин составляет 3,5 м/с.
В табл. 3.1 приведены годовая и среднемесячная скорости ветра и вероятности различных скоростей ветра по направлениям в среднем по месяцам за период 1995-1998 гг. Наибольшие средние скорости ветра наблюдаются при северо-западном ветре (январь - 7,5 м/с, ноябрь - 7,6 м/с). Повторяемость штилей наиболее высока в феврале (35 %) и в июле (27 %), снижается в ноябре и декабре до 3-7 %.
Суточный ход скорости ветра в г. Бабушкин проанализирован за каждые 3 часа за трехлетний период. Среднемесячная скорость ветра во все сезоны года достигает максимальных значений во все сезоны года в 15 ч (рис. 3.3). В зимнее время минимум наблюдается в 9 ч, в остальные сезоны года - в 12 ч.
Для решения многих практических задач необходимы данные о вероятностях различных скоростей ветра по румбам. В г. Бабушкин отмечаются ветрн умеренные, до 62 % дуют ветры со скоростью 1-5 м/с (рис. 3.4). При этом скорость ветра 0-1 м/с наблюдается при всех направлениях, ее повторяемость составляет 22 %. Скорость ветра 2-5 м/с также наблюдается при всех направлениях, повторяемость ее при 2-3 м/с составляет 18 %, при 4-5 м/с - 22 %. Еще меньше повторяемость скорости ветра 6-9 м/с и составляет 26 %. Ветры со скоростью 10-15 м/с редки, при 10-11 м/с повторяемость составляет 9 %, при 12-13 м/с - 2 %, 14-15 м/с - 1 %. Эти ветры в основном наблюдаются при северозападных направлениях. Ветры, скорость которых выше 15 м/с, не отмечались.
Химический состав атмосферных аэрозолей
Анализ переноса воздушных масс в акватории оз. Байкал на основе модели реанализа NCEP/NCAR. Для формирования сценариев атмосферной циркуляции можно воспользоваться ретроспективной гидрометеорологической информацией. Широкие возможности для этого дает база данных Reanalysis NCEP/NCAR [126], которая содержит систематизированную информацию по наиболее важным компонентам функции состояния атмосферы за последние 5vy лет. База данных реанализа представляет собой хорошо структурированную и организованную на современном уровне информационную систему, ориентированную на обеспечение научных исследований и практические применения в области физики атмосферы и экологии. Эта информация представлена в специфических форматах и стандартах, принятых во Всемирной метеорологической организации.
Пути перемещения воздушной массы рассчитываются с помощью паз-личных математических моделей, использующих метеорологические базы данных. В наших исследованиях использовались модель реанализа NCEP/NCAR HYSPLIT4 (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Model - гибридная ла-гранжевая модель интегрированной траектории одиночной частицы) [123, 125] и архивные метеорологические данные (архив FNL) National Oceanic and Atmospheric Administration (США). Архив FNL содержит информацию о метеорологических параметрах в двух полусферных сетках полярной стереографической проекции 129x129 с шагом 190,5 км на широте 60. Он содержит все основные метеорологические,.параметры на 14 уровнях от поверхности земли до 20 мбар. Модель расчета траекторий движения воздушной массы позволяет строить прямые и обратные траектории с учетом вертикальных перемещений. Максимальный срок расчета - 5 суток, шаг по времени -6ч [81].
Были проведены исследования основных направлений распространения загрязнения от Байкальского ЦБК (широта 51,32 с.ш., долгота 104,02 в.д.). С этой целью был обработан архив FNL ежедневных данных прямых траекторий переноса воздушных масс от БЦБК за 2002-2004 гг.
Траектории продолжительностью 24 ч рассчитывались на высотах 10, 500 и 1000 м. На высоте 10 м проводятся стандартные метеорологические наблюдения за скоростью и направлением ветра. Значения скорости ветра на этой высоте определяются процессами тепло- и массообмена в приземном слое атмосферы. Поэтому траектории на высоте флюгера наиболее точно отражают специфику изменения концентрации поллютантов при наземном мониторинге.
Высота 500 м отражает состояние пограничного слоя атмосферы, а высота 1000 м в некоторой степени характеризует динамику воздушных масс в свободной атмосфере (значение скорости ветра на этой высоте близко к величине скорости гсострофического ветра). Траектории на этих высотах в наибольшей степени отражают дальний транспорт примесей регионального и глобального масштабов.
В результате осреднения данных по месяцам, сезонам года выделены наиболее часто встречающиеся типы траекторий с учетом их направления и длины; установлено, что выражен явный северо-западный перенос воздуха (рис. 3.10). При сравнении полученных направлений переноса воздушных масс со среднегодовым направлением ветра на рис. 1.7, в видно, что обработанные спутниковые данные хорошо согласуются с многолетними данными метеорологической станции Байкальска за 1980-2000 гг. Рис. 3.10. Прямые траектории от БЦБК (2002-2004 гг.). и г \_/ Цифрами обозначены ме Байкальо сяцы года.
Озеро Байкал и прилегающие к нему территории как природный регион уязвим для антропогенных воздействий вследствие орографической изолированности Байкальской котловины, недостаточной в ней естественной вентиляции из-за наличия устойчивой инверсионной стратификации атмосферы над акваторией озера в течение большей части года и специфического характера циркуляции движения воздушных потоков над акваторией озера, что способствует длительному сохранению аэрозольных и газовых загрязнений в чаше Байкала. Взаимодействие циркуляционных и термических механизмов существенным образом определяет условия распространения различных взвесей над Байкаль ской впадиной.
Изучение озона в приземном слое атмосферы в последние десятилетия связано с его негативным воздействием на жизнедеятельность биоты, В настоящее время по данным Всемирной организации здравоохранения озон включен в первую пятерку основных загрязнителей общетоксического действия. Кроме того, развитие атмосферной химии в последние несколько десятилетий выявило, что озон играет ключевую роль в химических и фотохимических процессах в тропосфере, обуславливая и контролируя ее окислительную способность.
С другой стороны, наметившийся рост содержания озона в тропосфере от 1 до 3 % в год за счет фотохимических реакций с участием N0% и других газовых примесей привел к новому качеству озонометрических наблюдений. Произошел переход от ограниченных измерений концентраций озона, проводимых на отдельных станциях, к выполнению стандартизованных программ измерений на сетях станций мониторинга. Именно систематизация и анализ больших массивов данных результатов измерений позволяют делать некоторые, хотя и предварительные, заключения о концентрациях приземного озона и их изменчивости в пространстве и во времени [25, 128].
