Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Актуальность проблемы и современные методы мониторинга приземного озона .8
1.1 Основные характеристики и источники приземного озона 8
1.2 Взаимодействие озона с газовыми примесями 11
1.3 Стандарты и критерии безопасного содержания озона в приземном воздухе 14
1.4 Системы наблюдения приземного озона 15
1.5 Мониторинг как средство обнаружения экологически опасных ситуаций 17
1.6 Основные методы прогнозирования концентраций озона в приземном воздухе 20
Глава 2. Характеристики метеорологических условий рассеивания примесей в московском регионе 25
2.1 Климатические характеристики переноса и вертикального перемешивания 25
2.2 Комплексные показатели рассеивающей способности атмосферы 31
Глава 3. Исследование связей метеорологических условий с изменчивостью концентраций основных газовых примесей в воздухе г. Москвы 37
3.1 Используемые данные 37
3.2 Изменчивость концентраций газовых примесей на территории города 39
3.3 Сезонные и внутрисуточные характеристики концентраций приземного озона 47
3.4 Сезонные и внутрисуточные характеристики концентраций предшественников приземного озона (СО, NO, N02) 49
3.5 Исследования связей концентраций приземного озона с газовыми примесями (СО, NO,N02) 57
3.6 О связях метеорологического потенциала загрязнения с концентрациями предшественников Оз 62
Глава 4. Идентификация метеорологических факторов, сопровождающих сезонные аномалии концентраций приземного озона 69
4.1 Анализ условий формирования высоких концентраций приземного озона в холодный сезон 70
4.2 Исследования метеорологических предпосылок эпизодов аномально высоких концентраций приземного озона в теплый сезон в зарубежной Европе 77
4.3 Анализ метеорологических условий в периоды аномально высоких концентраций приземного озона в теплый сезон в г. Москве 87
4.4 Идентификация метеорологического потенциала загрязнения приземным озоном (МПЗоз) 99
Глава 5. Исследования зависимости концентрации приземного озона от метеорологических характеристик и возможности ее прогнозирования на территории мегаполиса 103
5.1 Обоснование метода прогноза максимальных суточных концентраций приземного озона 108
5.2 Выбор предикторов 110
5.3 Разработка схемы прогноза с использованием регрессионного метода 112
5.4 Результаты авторской проверки разработанного метода прогноза максимальных уровней приземного озона в теплый сезон в г.Москве 122
Заключение 131
Список литературы 133
Приложения 142
- Основные методы прогнозирования концентраций озона в приземном воздухе
- Сезонные и внутрисуточные характеристики концентраций предшественников приземного озона (СО, NO, N02)
- Исследования метеорологических предпосылок эпизодов аномально высоких концентраций приземного озона в теплый сезон в зарубежной Европе
- Результаты авторской проверки разработанного метода прогноза максимальных уровней приземного озона в теплый сезон в г.Москве
Введение к работе
Актуальность работы определяется практическими потребностями своевременного предсказания наиболее опасных экологических ситуаций в мегаполисе связанных с высоким уровнем загрязняющих примесей и обусловленных комплексом неблагоприятных метеорологических усчовий Наблюдению и прогнозированию приземного озона в последнее время уделяется повышенное внимание Такой интерес вызван несколькими объективными причинами Во-первых, озон является токсичным загрязнителем атмосферы в высоких концентрациях оказывающий негативное воздействие на здоровье человека и растительность Второе, озон играет ключевую роль в химических и фотохимических процессах в тропосфере, обусловливая ее окислительную способность В-третьих, вызывает обеспокоенность наблюдаемый в обширных континентальных районах Северного полушария как общий рост тропосферного и приземного озона, так и эпизоды с его повышенными и высокими концентрациями В московском регионе также наблюдается тенденция учащения таких эпизодов
Важной частью обозначенных проблем являются данные наблюдений, их качество, временное и пространственное разрешение В московском регионе только в последние годы с началом непрерывных наблюдений за загрязнением воздуха (ЦАО, ИФА РАН ГПУ «Мосэкомониторинг») появилась возможность изучения изменчивости концентраций газовых составляющих, в том числе, приземного озона В представленной работе для систематических обобщений и изучения воздействий атмосферных процессов на изменчивость загрязняющих примесей на территории города впервые использованы данные непрерывных измерений на 32 станциях
Наблюдения на сети автоматизированных станций служат основой для реальных оценок качества воздуха, важным аспектом регулярного мониторинга является обнаружение эпизодов высоких концентраций 03, и их своевременное предупреждение В этой связи анализ случаев высокого уровня приземного озона имеет методологическую направленность цель которой установить синоптические предпосылки и изучить основные влияющие метеорологические факторы для разработки способов заблаговременного предсказания опасных для окружающей среды явлений
Одним из главных практических приложений данной работы является получение прогностических правил для расчетов максимальной суточной концентрации приземного озона как одной их самых токсичных примесей в городском воздухе, оказывающей прямое негативное воздействие на окружающую среду, в том числе на здоровье людей
Целью диссертационной работы являлись
Оценка влияния метеорологических условий на межсезонную и внутрисуточн}ю изменчивость концентраций газовых составляющих на городских территориях с разтичной техногенной нагрузкой
Получение представ чений о взаимной связи первичных и вторичных загрязняющих примесей на станциях города примагистрального смешанного влияния и на фоновых территориях
Оценка обоснованности применения комплексного показателя метеорологического потенциала загрязнения (МПЗ) разработанного ранее и
используемого в оперативной практике для идентификации метеорологических условий рассеивания примесей в большом городе
Изучение природной изменчивости содержания озона в приземном воздухе, получение представлений о пространственных характеристиках приземного озона в Москве, выявление физических связей максимальных суточных концентраций озона с метеорологическими параметрами и типом атмосферной циркуляции сопоставление метеорологических процессов, сопутствующих высоким уровням озона в московском регионе и в зарубежной Европе
Разработка статистического метода краткосрочного прогноза максимальных концентраций приземного озона на территории Москвы
Научная новизна
Дана метеорологическая интерпретация межсезонной изменчивости концентраций загрязняющих примесей в городском воздухе на основе климатических данных о метеорологических параметрах, определяющих рассеивание примесей
Впервые получены количественные характеристики различий уровня загрязнения в отдельных районах большого города, отличающихся уровнем техногенных нагрузок в условиях интенсивного и слабого рассеивания примесей
Получено, исходя из характера распределения примесей по территории города, что в холодный сезон определяющим рассеивание фактором является скорость переноса в нижних слоях атмосферы, в теплый сезон основным управляющим механизмом является конвекция, т е вертикальный обмен
Полученные результаты существенно расширили понимание происходящих в большом городе процессов переноса загрязняющих примесей (СО, NO) и образования вторичных загрязнителей (N02 и 03) в различные сезоны года
Систематизированы метеорологические предпосылки формирования высоких уровней приземного озона в московском регионе, выявлены общие со странами зарубежной Европы признаки образования опасных концентраций приземного озона
Показаны и интерпретированы связи максимальных концентраций озона со средним городским уровнем СО N0 и N02 в утренние часы
Разработаны и прошли успешную проверку на независимой выборке прогностические уравнения максимальных концентраций озона для теплого периода в г Москве
Научная и практическая ценность
Подтверждена эффективность наблюдений автоматических станций контроля загрязнения атмосферы (АСКЗА) для регулярного мониторинга качества воздуха и идентификации экстремально высоких уровней концентраций загрязняющих примесей на территории г Москвы
Обоснована эффективность использования комплексного показателя метеорологических параметров дія прогнозирования условий рассеивания примесей на территории большого города с дискретностью 6 часов
Порученные в работе количественные характеристики изменчивости концентраций газовых составляющих в условиях интенсивного и слабого рассеивания примесей на і ородских территориях с различной техногенной нагрузкой могут быть использованы в практической работе прогностических подразделений Росгидромета и других служб- осуществтяющих мониторинг качества окружающей среды в больших городах
Апробирован метод расчета максимальных суточных концентраций озона в теплый период в районах города Москвы различающихся уровнем загрязнения приземного воздуха Предложенный метод вошел в методику регионального прогноза максимальных суточных концентраций приземного озона, утвержденную ЦМКП Росгидромета и внедряемую в оперативную практику ГПУ «Мосэкомониторинг»
Личный вклад автора
Автор принимал непосредственное участие во всех этапах исследований включая формирование базы данных, анализ качества и систематизацию данных, проведение статистического анализа, разработку региональной методики прогноза максимальных суточных концентраций приземного озона
На защиту выносятся:
-
Результаты исследований влияния метеорологических условий на сезонную, внутрисуточную изменчивость концентраций приземного озона и его предшественников на основе новых данных непрерывных наблюдений за малыми газовыми составляющими в Москве
-
Комплекс метеорологических характеристик, обуславливающих аномально высокие уровни приземного озона в московском регионе в холодный и теплый сезоны
-
Метод расчета максимальных суточных уровней приземного озона для разных типов городских территорий
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах в Гидрометцентре РФ ИФА РАН, Казанском государственном университете, а также на Международной конференции по измерениям. моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды «ENVIROMIS 2004» Томск, 2004. VIII Всероссийской конференции молодых ученых «Состав атмосферы и электрические процессы» Москва, 2004, X Всероссийской конференции молодых ученых «Состав атмосферы Климатические эффекты Атмосферное электричество» Москва, 2006. Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды «ENVIROMIS 2006» Томск 2006
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ Перечень публикаций приведен в конце реферата
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения пяти глав заключения и списка литературы Работа изложена на 159 страницах включая 60 рисунков 30 таблиц и 2 приложения Список литературы содержит 110 наименований и семь ссылок на интернет - сайты
Основные методы прогнозирования концентраций озона в приземном воздухе
По мере развития сети наблюдений за приземным озоном и накопления статистически значимых рядов данных начали разрабатываться схемы предсказания приземного озона. На первом этапе это были статистические методы прогноза средних суточных и максимальных за сутки концентраций озона в приземном воздухе.
Одним из самых ранних исследований по разработке метода прогноза максимальных концентраций приземного озона является работа Кларка и Карла 1982 года [Clark, 1982]. Авторами были получены уравнения множественной линейной регрессии для 27 пунктов северо-востока США, позволяющие рассчитывать максимальные концентрации приземного озона на следующие сутки. При выборе значимых расчетных уравнений были использованы в общей сложности тридцать пять метеорологических переменных, в том числе климатические данные о максимальной приземной температуре, направлении ветра, а также обратные траектории на 12 и 24 часа. В работе показано, что регрессионные уравнения лучше всего в прогнозе предсказывают средние максимальные значения.
В 1995 году канадские исследователи также предложили регрессионный метод предсказания максимальных уровней приземного озона для атлантических областей Канады, в том числе, для Ванкувера и Монреаля [Burrows, 1995]. В полученных этими исследователями прогностических уравнениях кроме метеорологических параметров использованы типы синоптических процессов, для чего была разработана специализированная классификация атмосферных процессов.
Голландские ученые [Delcloo, 2004] предложили статистический метод расчета максимальных суточных концентраций приземного озона. Ими разработаны регрессионные уравнения отдельно для весеннего, летнего и зимнего сезона. Основными предикторами, которые вошли в уравнение для летнего сезона, стали солнечная радиация, температура приземного воздуха и концентрации NOx.
Итальянские ученые впервые в регрессионных моделях прогноза максимальных уровней приземных концентраций озона предложили кроме метеорологических параметров (температура, относительная влажность, скорость ветра, солнечная радиация) концентрации радона в качестве индикатора динамического перемешивания в нижних слоях атмосферы [Carlo, 2007].
В России впервые статистический метод прогноза максимальных суточных концентраций приземного озона был предложен A.M. Звягинцевым в 1996 году. Метод основан на регрессионных связях с концентрациями озона в предшествующие прогнозу сутки, с максимальной дневной температурой воздуха и относительной влажностью воздуха в 15-16 ч местного времени [Звягинцев, 1996]. Автор отмечает, что метод эффективен, если антропогенные эмиссии предшественников озона меняются сравнительно слабо ото дня ко дню и от года к году, а их рассеяние обусловлено, главным образом, метеорологическими характеристиками. В 2001 году опубликована усовершенствованная схема этого метода [Звягинцев, 2001]. В последней версии метода наиболее значимыми предикторами являются прогнозируемая температура, отклонение уровня озона от нормы в предшествующий день, относительная влажность, индекс метеорологического потенциала загрязнения и скорость ветра. Эффективность метода оценивалась на данных нескольких германских станций, представляющих результаты наблюдений в Программу ЕМЕР, и наблюдений в Московском регионе. Сравнение прогнозов с данными наблюдений в Московском регионе в 2002 г. показало, что ошибка прогноза на 24 ч для периода с мая по сентябрь превышала величину 20 % от максимальной разовой ПДК (30 мкг/м3) не более, чем в 7 % случаев [Звягинцев, в печати].
В 1998 г. Безуглой и др. был предложен метод прогноза средних месячных концентраций приземного озона. Метод был разработан по данным германских станций; он основан на регрессионных связях средних месячных концентрации озона и соотношении диоксида и оксида азота [Безуглая, 1998]. Метод апробирован для Санкт-Петербурга, но дальнейшего развития этот подход не получил.
За рубежом в последнее время используют методы, основанные на сложном взаимодействии газовых составляющих с озоном. Основой для развития фотохимических моделей являются, в первую очередь, данные об эмиссиях и численные модели атмосферы с высоким пространственно-временным разрешением.
Сегодня в Западной Европе, США и Канаде прогноз приземного озона осуществляется при помощи транспортно-фотохимических моделей, учитывающих известные источники и стоки приземного озона. Одной из известных таких моделей является LOTOS [подробнее можно ознакомится в Тарасова, 2004]. Область моделирования этой модели составляет 10з.д., 60в.д., 35с.ш., 70с.ш., разрешение приблизительно 30x30 км. Решается уравнение неразрывности с учетом эмиссий, транспорта (адвекция по 3 направлениям, горизонтальная и вертикальная диффузия), химических превращений; сухого осаждения и вымывания. Перенос описывается метеорологическим полем (u,v), вводимым в модель каждые 3 часа. Сухое осаждение в LOTOS параметризуется моделью DEPAC с 10 классами подстилающей поверхности, полученными по данным землепользования. Фотохимическая схема описывается CBM-IV механизмом. Граничные условия вычисляются на основе ТМЗ модели (7,5шир.х10,0дол.) для 28 примесей и обновляется в модели каждые 6 часов.
На основе транспортно-фотохимических моделей оперативное прогнозирование приземного озона производится в Германии (модель EURAD) и США (ЕРА, AIRNOW). С помощью моделей дается широкий ассортимент прогностической продукции: средние часовые максимальные за сутки, осредненные за 8 часов, средние суточные концентрации. На рис. 1.6.1 представлены примеры таких прогнозов в виде карт и схем, которые рассчитываются на период до 72 часов от срока составления прогноза.
Отметим, транспортно-фотохимические модели позволяют рассчитывать концентрации сопутствующих загрязняющих ингредиентов, рекомендованных Всемирной организацией здравоохранения для оценки качества воздуха. Как правило, моделями рассчитываются индексы качества воздуха как по отдельным загрязняющим веществам (оксиды азота, мелкодисперсный аэрозоль, диоксид серы, оксид углерода), так и обобщенный индекс качества воздуха с пояснением степени опасности воздействия ожидаемого уровня на здоровье человека и окружающую среду.
Следует подчеркнуть, что в нашей стране отсутствует нормативная база для получения данных об источниках и объемах выбросов в атмосферу загрязняющих веществ. Именно это в значительной степени сдерживает развитие численных моделей для прогноза загрязнения воздуха в России. Как и зарубежные транспортно-фотохимические модели, так и появившиеся в последнее время отечественные модели [Егорова, Зубов, 2005] и [Коновалов, 2002] для расчетов на территории России используют в основном условную информацию об эмиссиях, что не дает основания с большой степенью доверия относится к модельным результатам.
Подводя итоги выполненного обзора, отметим:
1. Озон является одним из важных индикаторов качества воздуха.
2. Мониторинг концентраций приземного озона становится все более актуальной задачей; в нашей стране сеть мониторинга находится в начальной стадии развития.
3. Развитие численных методов прогнозирования приземного озона на основе современных транспортно-фотохимических моделей в нашей стране сдерживается отсутствием нормативной базы для сбора данных об эмиссиях загрязняющих веществ.
4. В сложившихся условиях наиболее целесообразным представляется разработка статистических методов предсказания концентраций приземного озона в российских регионах, где проводятся регулярные наблюдения за концентрациями озона и его предшественников.
5. На основе имеющихся рядов наблюдений концентраций приземного озона и его предшественников на территории Москвы, полученных в Центральной аэрологической обсерватории, ИФА РАН и ГПУ «Мосэкомониторинг», возможно проведение комплексного анализа сезонной и внутрисуточнои изменчивости озона, а также изучение влияния метеорологических условий на вариации концентраций озона и формирование аномально высоких его концентраций с целью предсказания. Именно этим задачам посвящена представленная диссертационная работа.
Сезонные и внутрисуточные характеристики концентраций предшественников приземного озона (СО, NO, N02)
Сезонная изменчивость концентраций газовых составляющих антропогенного происхождения, в первую очередь, определяется крупномасштабными атмосферными процессами, поскольку от сезона к сезону количество поступающих в городскую атмосферу выбросов меняется мало.
Внутрисуточные изменения содержания газовых составляющих предшественников озона, связаны с двумя независимыми переменными, первая из них -количество поступающих в атмосферу города выбросов, вторая - метеорологические условия рассеивания. Третий возможный фактор формирования городского загрязнения -перенос загрязнений из удаленных районов и пригородов - из-за незначительных масштабов или низкой повторяемости дальнего переноса воздушных масс с высокими концентрациями загрязняющих примесей (например, из очагов лесных пожаров) нами не рассматривались.
Характеристики оксида углерода. По данным наблюдений на 8 станциях АСКЗА в 2005-2006 гг. были рассчитаны средние месячные концентрации СО для каждого часа суток; результаты представлены на рис.3.4.1.
Хорошо видно, что изменчивость концентраций СО имеет ярко выраженные сезонные особенности. Наиболее высокие уровни СО наблюдаются в основном зимой. На магистральных территориях сезонные различия более выражены, чем на фоновых территориях (Лосиный остров), где в течение года удерживается низкий уровень СО.
Весной заметное повышение среднего уровня прослеживается только на станциях, расположенных вблизи автомагистралей.
Летом суточный ход концентраций СО на всех станциях более сглаженный, чем в остальные сезоны (рис.3.4.1). На фоновых и жилых территориях в этот сезон величины концентраций различаются лишь в часы максимумов, в остальное время их значения равнозначны по своей величине.
В холодный сезон при сходстве основных черт суточного хода загрязнения от месяца к месяцу можно заметить значительные различия в уровне концентраций. В феврале 2005 и 2006 гт. на станциях всех типов отмечены самые высокие значения концентраций СО (табл.3.4.1), сравнимые со значениями среднемесячных концентраций СО летом 2002 и осенью 2005 года, когда в город поступали продукты горения лесных пожаров.
Рассмотрим в деталях особенности суточного хода концентраций СО, как показано выше,-индикатора общего загрязнения воздуха.
В теплый сезон в суточном ходе имеются два выраженных максимума и минимума (рис.3.4.2). Главный утренний максимум на станциях всех типов приходится на 9-Ю часов утра и связан с увеличением уровня техногенных нагрузок. После 11 часов концентрации постепенно снижаются и к 15-17 часам достигают дневного или суточного минимума. Снижение концентраций в послеполуденные часы связано с конвекцией в максимально развитом слое перемешивания и с порывистым термическим ветром.
После 18-19 часов снова начинается увеличение концентраций (рис.3.4.2). Оно обусловлено сохраняющимися интенсивными выбросами при опускании нижней границы слоя перемешивания и ослаблении турбулентности в приземном воздухе из-за перехода к устойчивому термическому состоянию. Следствием эффекта взаимного действия этих двух факторов есть вечерний пик, который наблюдается летом на магистралях в 23-24 часа. В фоновых районах второй (вечерний) максимум обычно менее выраженный.
В предрассветные часы при минимальном количестве выбросов, несмотря на самые слабые условия рассеивания, в суточном ходе концентраций СО на всех типах станций отмечается минимум.
В холодный сезон средний суточный ход концентраций СО имеет всего два экстремума (в отличие от летнего). Глубокий минимум концентраций СО наблюдается в ночное время (3-7 часов) (рис.3.4.3).
Неоднократно обсуждались причины формирования утреннего пика, зимой он наступает позже, чем летом. И наблюдается в 9-11 часов. Увеличение выбросов автотранспорта и самые слабые за сутки условия термического и динамического перемешивания в эти часы формируют уровень концентраций, который, чаще всего, в последующие дневные часы меняется незначительно как на примагистральных, так и на жилых территориях.
Вместе с тем следует отметить, что вблизи магистралей утренний максимум концентраций СО в 2-2.5 раза превышает ночной минимум, а в фоновых - лишь на 30-40%. Здесь еще раз отметим, что ведущими источниками загрязнения воздуха в мегаполисе являются выбросы автотранспорта. На специфическом суточном ходе концентраций СО холодного сезона сказывается и отсутствие днем характерного для лета термического ветра, и низкий слой перемешивания, и высокая повторяемость облачной погоды. Совокупность этих метеорологических факторов, очевидно, и определяет «растянутость» дневного максимума до 19-20 часов (рис.3.4.3).
Очевидно, меньшее содержание загрязняющих примесей в хорошо проветриваемом зимой приземном слое играет определенную роль в отсутствии существенного нарастания вечернего максимума. Концентрации СО к ночи начинают уменьшаться почти одновременно с уменьшением количества транспортных средств на магистралях города.
Можно отметить еще одну особенность суточного хода концентраций газовых составляющих - зависимость от дня недели. Характерные флуктуации отмечались многими исследователями [Локощенко, 2006], мы приводим лишь иллюстрацию одного январского эпизода (рис. 3.4.4). Видно, что в выходные уровень концентраций СО заметно ниже, чем в будни, и внутрисуточные изменения незначительны. Наиболее загрязненным приземный воздух чаще всего бывает со вторника по четверг.
В теплый сезон картина несколько меняется. Существенным корректирующим фактором становится миграция горожан за город в пятницу - субботу и их возвращение в воскресенье - понедельник. Такого рода исследования в нашу задачу не входили.
Характеристики оксида азота. В сезонной изменчивости концентраций оксида азота N0 прослеживаются те же основные закономерности, что и для СО: наиболее высокие значения концентраций этих двух первичных выбросов наблюдаются в феврале -марте (рис.3.4.5). Летом концентрации N0 гораздо ниже, чем в любой другой сезон, и это обусловлено не только доминирующим процессом рассеивания - конвекцией, но и наиболее активными в этот период процессами фотохимических преобразований, скорость которых во многом зависит от температуры окружающей среды [более подробную информацию можно найти в Ларин, 2003].
Суточный ход средней концентрации N0 в теплый сезон имеет меньшую, чем в холодный период, амплитуду, поскольку в ночные часы концентрации остаются невысокими из-за сокращающегося количества выбросов, а в дневные часы из-за воздействия на N0 двух основных механизмов - конвекции и фотохимических преобразований. Основной суточный максимум - утренний; в теплый период он приходится на 8-Ю часов. Второй вечерний максимум менее выраженный, особенно на фоновых станциях, обычно он формируется в 23-02 часа ночи.
В холодный сезон (по аналогии с СО) в суточном ходе концентраций N0 прослеживаются на станциях всех типов два главных экстремума: минимум приходится на предрассветные часы и совпадает с минимальным уровнем техногенных нагрузок. Максимум отмечается в 9-12 часов при нарастании выбросов и, немного снизившись, сохраняется в течение дня. На станциях примагистрального типа суточный ход в холодный сезон имеет более выраженные черты, чем на фоновых станциях и станциях смешанного влияния.
Исследования метеорологических предпосылок эпизодов аномально высоких концентраций приземного озона в теплый сезон в зарубежной Европе
В странах Западной Европы, благодаря программе ЕМЕР (Европейская совместная программа мониторинга и оценки переноса воздушных загрязнений на большие расстояния), широко развита и функционирует сеть мониторинга приземного озона. Эта сеть позволяет изучать и оценивать пространственно-временную изменчивость озона на обширных территориях.
В настоящем разделе рассмотрены эпизоды аномально высоких концентраций озона по наблюдениям в теплый сезон 1998-2001 гг. на 32-х равнинных станциях стран Западной Европы - Германия, Великобритания, Ирландия, Дания, Нидерланды, Финляндия, Швеция, Норвегия, Польша, Литва, Латвия. На 25-ти из рассмотренных станций (в таб. 4.2.1 приводятся характеристики расположения станций) за указанный период отмечались случаи, когда содержание озона превышало 160 мкг/м3 (ПДКм.р.-российский стандарт).
Для анализа было выбрано 8 эпизодов, когда аномально высокие концентрации отмечались не менее, чем на четырех близлежащих станциях.
Эпизод 10-12 августа 1998 г. Во время этого эпизода погоду над Центральной Европой определял медленно перемещающийся на восток блокирующий антициклон с центром над севером Европы (рис.4.2.1, а). Ветер на рассматриваемой территории был слабый (1-5 м/с), дневная температура 25-28, на станциях в Великобритании 22-23. Отдельные случаи с высокими значениями озона на станциях в Германии были зафиксированы уже 8 августа. После вторжения холодной воздушной массы с Атлантики 9 августа концентрации озона в Германии находились в пределах сезонных значений. Но 11-12 августа в центральной Европе снова установился антициклон с ясной и тихой погодой (рис.4.2.1, в,г).
Теперь уже на пяти станциях были зафиксированы высокие концентрации приземного озона (в Германии, Великобритании, Нидерландах). Максимальные концентрации озона сформировались 11 августа; в Германии они достигли 219 мкг/м3 (станция DE02, таб. 4.2.1), в Нидерландах - 206 мкг/м и в Великобритании - 170 мкг/м (станция GB38). Подчеркнем, что высокие концентрации озона почти на всех станциях сохранялись и в вечерние часы.
Эпизод 29 июля - 6 августа 1999 года один из самых масштабных из всех рассмотренных, как по количеству охваченных станций (14), так и по продолжительности (9 дней). Все случаи зафиксированы на территории пяти стран - Германия, Великобритания, Нидерланды, Дания и Швеция. Во время этого эпизода атлантический антициклон медленно разрушался, отходя на северо-восток, а с Бискайского залива на Европу продвигалась система низкого атмосферного давления. Как и в других эпизодах, наблюдалась погода со слабым (1-5 м/с) юго-восточным ветром, температурой 22-26 (рис.4.2.3) (в Великобритании температура повышалась до 28). На Британских островах абсолютный максимум приземного озона в эпизоде - 222 мкг/м3 - зафиксирован 31 июля (GB38, Рис. 4.2.2). Отметим, высокие концентрации озона там сохранялись в вечерние и в ночные часы. Так, в 00 ч 1 августа они составляли 204 мкг/м . В предыдущие и последующие дни на этой станции концентрации озона оставались высокими до 20-21 ч, тогда как на других станциях Великобритании они отмечались лишь в послеполуденные часы и, за редким исключением, сохраняясь до 18 ч.
2 августа богатая озоном воздушная масса под влиянием приближающегося с запада циклона, сместилась на европейский материк, что повлияло на повышение уровня озона в Нидерландах и Германии, а затем в Дании и на юге Швеции. На территории Нидерландов максимум озона - 196 мкг/м - в эпизоде отмечался при юго-восточных ветрах 4 августа на станции NL10. В Германии и в Нидерландах максимальные уровни отмечались 3-5 августа. А 6 августа максимальные уровни были зафиксированы на территории Дании (187 мкг/м ) и юге Швеции (165 мкг/м ).
Следующий эпизод имел место в нехарактерное для высокого озона время года -осенью, 9-12 сентября 1999 г. В те дни обширный антициклон из центральной Европы медленно перемещался на Скандинавию (рис.4.2.4). Благодаря ему и слабым ветрам приземный воздух прогревался днем до 24-26С, что было аномально высоким температурным фоном для сезона в северной Европе. Высокие концентрации озона были отмечены в Германии, Дании, Великобритании и Нидерландах. В этих странах (как и в Московском регионе) увеличение содержания озона до высоких уровней в сентябре -явление крайне редкое. И только аномально теплая сухая и солнечная погода стала причиной активной фотохимической генерации озона. В Германии и Дании 9 сентября концентрация приземного озона достигла 162-165 мкг/м3; в Великобритании 11 сентября 184 мкг/м , в Нидерландах 12 сентября - 166 мкг/м . Все максимумы отмечались в послеполуденные часы.
Рассмотрим еще один (весенний) эпизод 11-17 мая 2000 г. Сформировавшийся над северной Атлантикой 10 мая антициклон медленно перемещался на восток, неся на материк сухую и солнечную погоду со слабыми ветрами в нижних слоях атмосферы. В Германии содержание озона в приземном воздухе увеличивалось до 202 мкг/м3 (станция DE26), в Дании - до 193 мкг/м3, на юге Швеции - на широте С.Петербурга- до 177 мкг/м3. Закончился этот эпизод прохождением выраженного холодного фронта с грозой и градом (слабый южный ветер сменился порывистым северо-западным, температура в течение суток понизилась на 7-9С). Следует подчеркнуть, что максимальные уровни в эпизоде были зафиксированы перед самым прохождением холодного атмосферного фронта - еще в теплом воздухе.
И в другом эпизоде высокого озона (9-10 июня 2000 г.) синоптические условия определял антициклон - его малоградиентная западная окраина (рис.4.2.5). Стояла очень теплая погода с дневным повышением температуры воздуха до +25,+29С. Территории, где были зафиксированы высокие уровни озона, находились под влиянием слабого переноса с ветрами южных направлений. Аномально высокие концентрации озона (163-180 мкг/м ) отмечены были 10 июня на четырех станциях в Германии; такой же уровень (181 мкг/м ) достигнут и на станции NL09 в Нидерландах. Максимальные концентрации озона во всех этих случаях отмечались в послеполуденные часы.
В том же месяце в Европе наблюдался еще один эпизод высокого озона в приземном воздухе (18-22 июня 2000 гЛ - один из самых уникальных по совокупности его характеристик: по продолжительности и по охваченной событиями территории, по числу станций, отметивших высокий уровень, по экстремально высокой концентрации и по аномалии суточного хода.
Свое начало этот эпизод получил в Великобритании, когда острова находились вблизи центра антициклона (рис.4.2.6); 18 июня здесь (станция GB32) были зафиксированы концентрации порядка 176 мкг/м3. Позже антициклон стал двигаться в центральную Европу; синоптическая ситуация над Британскими островами изменилась -под влиянием атлантического циклона увеличилась облачность и влажность; ветер, хотя и сохранил южную составляющую, но значительно усилился. С изменением характера атмосферных процессов (рис.4.2.6) содержание озона на островах уже оставалось на уровне сезонных колебаний - высоких концентраций не формировалось. При этом в большинстве стран Европы отмечалась жаркая погода, днем температура воздуха местами поднималась до 30С и выше; практически всюду были слабые южные ветры. Содержание озона в приземном воздухе превысило критические отметки на 16 станциях на территории Германии, Дании, Нидерланд, Норвегии, Швеции, Польши и Литвы. Эпизод как единое явление продолжался 5 дней. Самым продолжительным эпизод высокого озона был в Германии: на станциях De02 и De07 высокие уровни отмечались 4 дня, на станции De09 20 июня был отмечен европейский максимум концентраций - 229 мкг/м3. На германской станции DeOl наблюдался редкий для озона аномально высокий уровни озона в ночное время; высокие концентрации образовались 19 июня в послеполуденные часы и сохранялись до 01 ч 20 июня (174 мкг/м3). В течение ночи и до 7 ч утра содержание озона не опускалось ниже 115 мкг/м3, после чего уровни концентраций снова начали расти. Такое необычное явление на береговой станции имело место при поступлении со скоростью 5-7 м/с теплой воздушной массы с европейского материка. В ночные часы температура воздуха была около +22С, (днем +23С), над районом наблюдений располагалось мезоструйное течение нижних уровней. Очевидно, турбулентное перемешивание в зоне струйного течения способствовало приходу богатого озоном воздуха из верхней части пограничного слоя к земной поверхности, но определенный вклад, скорее всего - решающий, внесла температурная стратификация, она, в силу бризовой циркуляции суша - море - была неустойчивой.
Результаты авторской проверки разработанного метода прогноза максимальных уровней приземного озона в теплый сезон в г.Москве
Испытания метода прогноза максимальных уровней приземного озона в теплый сезон в Москве проводились на данных непрерывных наблюдений АСКЗА и ИФА РАН в 2006 году. Сформирована база данных метеорологических параметров, вошедших в расчетные уравнения. Всего было выбрано четыре уравнения, по одному для каждой из расчетных станций, показавшему лучшие результаты в результате проверки на зависимой выборке. Вначале была проведена оценка качества данных независимой выборки приземного озона и предшественников (рис. 5.4.1). Из девяти станций наблюдений за приземным озоном для формирования независимой выборки были выбраны шесть - ул. Спиридоновка, Кутузовский пр., Марьинский парк, ул. Туристическая, и две станции МГУ (данные на трех станциях в 2006 г. признаны некачественными).
Напомним (глава 4), в апреле - сентябре 2006 г. в Москве были зафиксированы два эпизода аномально высоких концентраций приземного озона; в указанном периоде также отмечались ситуации с аномально низким содержанием озона в приземном воздухе. Таким образом, наблюдения в теплый сезон 2006 года оказались практически идеальными для испытания нового метода, поскольку в этот год отмечалось многообразие метеорологических условий, обуславливающих как аномальные, так и средние сезонные уровни концентраций приземного озона.
Анализ парной корреляции отобранных данных Оз показал хорошее соответствие данных на станциях МГУ ИФА - МГУ ЭКО (г=0,97), МГУ ИФА - Кутузовский пр. (г=0,94), МГУ ИФА - Марьинский парк (г=0,91), МГУ ИФА - ул. Спиридоновка (г=0,90), (таб.5.4.1) Коэффициенты корреляции данных на станциях Новокосино, Лосиный остров, Зеленоград с данными на других станциях не превьшіают 0,49-0,7, эти станции и были исключены из испытаний.
Итак, на независимой выборке оценивались индивидуальные уравнения (3, 5, 8, 12), полученные на данных станций МГУ, Кутузовский, Марьино, Новокосино. Одновременно по этим уравнениям проводились расчеты для других станций-Туристическая, МГУ ИФА РАН и Спиридоновка, вводя предикторы, определявшиеся по данным наблюдениям на каждой их этих станций (максимум озона накануне, содержание предшественников озона в утренние часы).
Из уравнений, полученных по данным станции Марьинский парк, для испытаний было принято уравнение, включающее максимум вчерашнего дня, метеорологический потенциал загрязнения, минимальную относительную влажность воздуха, концентрацию СО в 9 ч текущих суток; уравнение условно названо Смах(М): СМах(М) = 0.72CMax(d.,) + 52MPZ - 0.18Н + 9,8СО(9) + 0.49 (5.1)
Основной вклад в расчет по этому уравнению вносит максимум вчерашнего дня. Величина добавки за счет учета МПЗ составляет 16-26 мкг/м3. При самых низких индексах МПЗ вчерашний максимум Оз корректируется на 5 мкг/м3. Вклад относительной влажности не велик; при изменении влажности на 10% в соответствии с этим уравнением, концентрация озона изменяются на 2 мкг/м3. Величина вклада члена (СО(9)) в незагрязненном воздухе незначительна, но при НМУ и увеличении концентрации СО в 2-3 раза по сравнению с фоном, этот член уравнения дает прирост озона в прогнозе от 20 мкг/м3 и выше. Т.е., рассматриваемое уравнение «настроено» на повышение точности расчетов именно при неблагоприятных метеорологических условиях.
Из уравнений, рассчитанных по данным станции Новокосино, к испытаниям на независимом ряде принято уравнение, включающее максимум вчерашнего дня, разность минимальной и максимальной температур, МПЗоз, концентрацию N0 в 9ч текущих суток и свободный член, формально уравнение названо Смах(Н): Смах(Н) = 0,6 CMax(d.,) +3.01 AT + 94.4MPZ - 83.3U_NO (9) - 25.1 (8.1)
В этом уравнении основной вклад также несет вчерашний максимум, разность температур может скорректировать значения на величину от 3 до 45 мкг/м3. При переходе кода МПЗ от средне сезонных к повышенным значениям, добавка к значению концентраций может составить 28-47 мкг/м . Член уравнения, отвечающий за вклад предшественников озона при НМУ, может внести поправку до 17-33 мкг/м3.
Из уравнений, полученных для территорий примагистрального типа, выбрано уравнение, включающее 5 предикторов, в том числе, вчерашний максимум приземного озона, разность температур, МПЗ, концентрацию NO в 9 ч текущих суток, температуру на и.п. 925 гПа в 12 ч ВСВ. Уравнение условно названо Смах(К): Смах(К) = 0,36 CMax(d.,) +1,68AT-59,1N0(9) +49,9 MPZ+0,54T h(12)+ 21,8 (12.1).
Вклад вчерашнего максимума по этому уравнению, в отличие от выше названных, невелик. Разность температур может скорректировать прогностические значения максимального озона на 2-30 мкг/м3. При НМУ вклад параметра, определяющего концентрации предшественников, может вносит поправку до 25 мкг/м3. При изменении индекса МПЗоз от определяющих средние сезонные значения к индексу МПЗоз, определяющего высокие значения, величина добавки может составить 16-26 мкг/м3.
Поскольку во все перечисленные выше уравнения (5.1, 8.1, 12.1) входит предиктор - максимум вчерашнего дня, эти уравнения можно использовать для прогноза только на текущие сутки.
Из уравнений, рассчитанных по данным станции ИФА РАН - МГУ, выбрано уравнение, в которое не входит вчерашний максимум, с целью использования его в прогнозе на следующий день. В начальное значимое уравнение Смах(МГУ) кроме разности температур, МПЗ, минимальной относительной влажности, температуры на и.п.925 гПа входили еще два предиктора, определяющие вклад загрязнения, но вклад их был мал и было решено ими пренебречь. Смах(МГУ) = 1.67 AT + 102.2 MPZ - 0.42 Н + 0.78 Тт + 41,2 (3.1).
При испытании по уравнениям (Смах(М), Смах(Н), Смах(К)), учитывающим величину первичных загрязнителей, расчеты проводились в два этапа. Сначала расчет проводился с учетом загрязнения на расчетной станции, затем - с учетом среднего уровня загрязнения в городе. Оказалось, лучшие результаты для всех станций, получены в расчетах с учетом среднего городского загрязнения.
Важно отметить, что нормативных документов по оценке прогноза максимальных уровней приземного озона в России нет. В рамках НИР Росгидромета выполняются исследовании по разработке прогноза и оценки максимальных уровней приземного озона. Первые результаты этой работы были представлены на ЦМКП Росгидромета ведущими организациями ГТО, ЦАО и Гидрометцентром РФ, где были рекомендованы способы оценки прогноза максимальных уровней озона. Именно эти рекомендации использованы нами при оценке разработанного регионального метода прогноза: прогноз считается оправдавшимся, если величина отклонения прогностического значения от измеренного меньше 20% величины предельно допустимых концентраций, т.е. - 32 мкг/м3.
Как говорилось раньше, межсуточная изменчивость дневного максимума приземного озона невелика, природная изменчивость его в среднем составляет 71-81%, на станциях с малой изменчивостью концентраций (вблизи источников загрязнения или фоновых) - примерно 90%, что адекватно показателям оправдываемое «инерционного» прогноза, если под таким прогнозом понимать перенесение наблюдавшегося накануне максимума на сегодня, предполагая, что он повторится, если все другие управляющие факторы будут такими же, как и вчера.
