Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Растущая урбанизация – один из важнейших факторов изменения окружающей среды. Влияние мегаполиса, вызывая изменения тепло и влагообмена, ветровых потоков и пр., вносит коррективы в классические представления о процессах в атмосферном пограничном слое (АПС). Установить ответные сигналы на антропогенное воздействие удается по данным наблюдений с высоким пространственным и временным разрешением, какими являются, в частности, использованные в работе данные профилемеров МТП-5 и измерения концентраций загрязняющих веществ на автоматизированной сети наблюдений в Московском регионе.
Простейшим проявлением многофакторного антропогенного влияния на процессы в АПС является городской остров тепла (ОТ). Описания ОТ, в основном, выполненные по наземным наблюдениям или с помощью имитационного моделирования, представлены в целом ряде публикаций. Но актуальность исследований ОТ сохраняется, в т.ч. в связи с проблемами оценки климатических изменений и благодаря признанию того, что успешность развивающихся мезомасштабных моделей атмосферы и химических транспортных моделей зависит от глубины понимания процессов городского масштаба. По-видимому, отсутствие тенденции к росту загрязнения воздуха в Московском мегаполисе при резко возросшем в последние годы парке автомобилей имеет связь с происходящими изменениями процессов в городской атмосфере, стимулирующих активизацию самоочищения воздушного бассейна. Диагностировать такие процессы в определенной мере позволило сопоставление профилей температуры в нижнем 600-метровом слое по измерениям в разнесенных пунктах Московского мегаполиса; пока аналоги полученных для Московского региона характеристик острова тепла отсутствуют.
Практическая необходимость заблаговременного предсказания ухудшения состояния окружающей среды определила общую постановку задачи и сфокусированное внимание в каждом направлении исследований автора на изучении процессов высокого загрязнения воздуха и неблагоприятных для очищения воздуха метеорологических условий (НМУ). Хотя эпизоды значительного загрязнения воздуха регистрируются редко, их опасность связана и с высоким уровнем загрязнения, и с образованием более токсичных по сравнению с эмиссиями загрязняющих веществ (например, озон, формальдегид и т.п.).
Уровень загрязнения воздуха в мегаполисе практически всегда превышает фоновый; на сети регулярного мониторинга дальний перенос примесей в основном не фиксируется, за исключением ситуаций с природными пожарами и аэрозольных эпизодов. Изучение физических процессов, систематизация факторов и причин ухудшения качества воздуха, установление эмпирических связей между метеорологическими условиями и аномальным загрязнением воздуха составляют научную и методическую основу разработки методов прогнозирования экологически неблагоприятных ситуаций.
Проблема озонового загрязнения еще недавно считалась в России неактуальной, регулярные измерения приземного озона проводились только в Томске, в Долгопрудном и на Кисловодской высокогорной научной станции. Выполненные совместно с ИФА РАН исследования по наблюдениям в удаленном от антропогенных источников районе (КВНС) выявили связь значительных апериодических флуктуаций приземного озона с процессами синоптического масштаба. Появление регулярных наблюдений за приземным озоном на сети ГПБУ «Мосэкомониторинг» в Москве, зафиксированные в регионе летом 2002 г. высокие уровни озона при лесных пожарах стимулировали разработку статистических методов прогноза приземного озона. Эффективность разработанных совместно с ЦАО и ГГО утвержденных ЦМКП методов прогноза суточного максимума приземного озона подтвердило их применение при оперативном прогнозировании в чрезвычайных ситуациях летом 2010 г.
Статистические методы не исчерпали своих возможностей, но мировой уровень прогнозирования загрязнения воздуха сегодня определяют химические транспортные модели (ХТМ), которые позволяют восстанавливать поля концентраций загрязняющих веществ на территории с низкой плотностью измерений (или отсутствием) и прогнозировать многие компоненты загрязнения атмосферы. Но ХТМ (учитывая текущее разрешение моделей и грубое описание эмиссий) может стать надежным инструментом прогнозирования временной и пространственной изменчивости воздушных загрязнений только по результатам многофакторной верификации по данным реальных измерений концентраций загрязняющих веществ с высоким пространственным и временным разрешением. Актуальность освоения ХТМ также определяется возможностью решения на основе моделирования целого ряда научно - практических задач, например, для оценки загрязнения воздуха пока не контролируемыми веществами (РМ10, озон и т.п.), для определения влияния трансграничного переноса на региональное качество воздуха и мн. др.
Цель работы:
Установить количественные показатели изменений процессов в городском атмосферном пограничном слое и загрязнения под воздействием сезонно - различающихся антропогенных факторов, изучить и систематизировать закономерности формирования высокого загрязнения воздуха в мегаполисе под влиянием крупномасштабных атмосферных процессов и локальных метеорологических условий; с учетом специфических особенностей процессов в городском АПС разработать методы прогноза экологически опасных ситуаций, связанных с НМУ, высоким загрязнением воздуха, в т.ч. озоном, на основе прогностических данных моделей атмосферы и химических транспортных моделей.
Для достижения указанных целей поставлены следующие задачи:
Разработка методической основы и подготовка методических рекомендаций для использования данных микроволновых измерений профилей температуры в слое 0-600 м приборами МТП-5 при анализе процессов в АПС, для получения режимных характеристик и выявления закономерностей пространственно - временной изменчивости термического состояния АПС.
Изучение метеорологической обусловленности высокого загрязнения воздуха, включая озоновое и аэрозольное загрязнение; систематизация признаков и установление регулирующих механизмов в эпизодах загрязнения приземного воздуха, сформированных за счет местных эмиссий и дальнего переноса примесей. Разработка методики идентификации НМУ на основе выявленных связей загрязнения городского воздуха с отдельными метеорологическими параметрами и комплексным показателем условий рассеивания примесей в мегаполисе.
Изучение влияния процессов синоптического и регионального масштаба на нехарактерную изменчивость концентрации приземного озона по наблюдениям в удаленном от антропогенных источников районе; анализ пространственной неоднородности поля приземного озона в мегаполисе, изучение ее временной и сезонной изменчивости, зависимости от процессов городского и регионального масштабов, разработка синоптико-статистической модели аномальных уровней приземного озона в мегаполисе.
Разработка системы прогнозирования экологически неблагоприятных ситуаций с использованием данных численных моделей атмосферы и химических транспортных моделей; разработка методической основы постобработки модельных прогнозов загрязнения для практического использования результатов моделирования.
Положения, выносимые на защиту и их новизна
Количественные показатели изменения термической структуры городского атмосферного слоя атмосферы под воздействием антропогенных факторов, установленные сезонные и внутрисуточные характеристики городского острова тепла в Московском мегаполисе, впервые полученные по данным микроволнового зондирования в нижнем 600-метровом слое, на основе впервые разработанных методических рекомендаций. Выявленные специфические городские явления - преобладающая термическая неустойчивость над мегаполисом, воздействие внутригородских циркуляций, вынуждаемая потерями антропогенного тепла конвекция - впервые интерпретируются с позиций усиления механизмов самоочищения городской атмосферы посредством активизации внутригородского переноса и рассеивания примесей.
Разработанный метод определения метеорологических условий загрязнения, включая неблагоприятные условия для очищения воздуха от примесей (НМУ), основанный на результатах проведенных исследований связей атмосферных процессов и загрязнения воздуха в мегаполисе, систематизации причин и факторов формирования высокого газо-аэрозольного загрязнения за счет влияния локальных источников и дальнего переноса примеси. Представленная обусловленность увеличения в теплый сезон повторяемости НМУ, способствующих повышению уровня загрязнения и увеличению пространственной неоднородности полей загрязняющих веществ. Впервые по данным мониторинга загрязнения воздуха в мегаполисе показаны различия механизмов влияния сдвигов скорости ветра в ночном устойчивом АПС, способствующих очищению приземного воздуха в обычных условиях и, наоборот, - повышению загрязнения приземного слоя при адвекции примесей (дальний перенос, шлейфы природных пожаров).
Разработанная синоптико-статистическая модель приземного озона в Московском регионе, основанная на идентификации метеорологических условий, сопутствующих «аномальным» уровням приземного озона, включая формирование высоких концентраций за счет антропогенного и тропосферного озона. Впервые по данным сетевых измерений продемонстрирована значительная пространственная неоднородность поля приземного озона в мегаполисе с увеличением концентрации озона от примагистральных районов к подветренным окрестностям, а также - связь летнего максимума приземного озона с увеличением повторяемости НМУ.
Интерпретация и система постобработки модельных прогнозов концентраций загрязняющих веществ химической транспортной модели, впервые продемонстрированные на результатах сопоставления данных мониторинга в Московском регионе с первичными и скорректированными модельными расчетами концентраций.
Достоверность результатов.
Выводы, представленные в диссертационной работе, обеспечены корректностью постановки проводимых исследований, обоснованы количественными расчетами с использованием данных открытого доступа с применением стандартных методов анализа. Достоверность выводов подтверждается удовлетворительными результатами сравнения расчетов с данными инструментальных измерений и согласуется с выводами, полученными другими отечественными и зарубежными исследователями.
Практическая значимость.
Разработанная автором диссертации методика анализа процессов в АПС по измерениям отечественным прибором МТП-5 стала основой «Методических рекомендаций по использованию данных профилемеров МТП-5» и Справочного пособия «Характеристики температуры в нижнем 600-метровом слое атмосферы по данным профилемеров МТП-5», утвержденных ЦМКП Росгидромета, значимость которых определяется возможностью диагностировать и учитывать в прогнозах метеорологических условий и загрязнения специфические процессы в городском воздухе, а за счет снижения числа ложных тревог НМУ повысить успешность этих прогнозов.
Разработанный автором метод идентификации метеорологических условий загрязнения (включая НМУ) с учетом наблюдений, прогнозов мезомасштабных моделей атмосферы и данных МТП-5 используется в оперативной работе по прогнозированию метеорологических условий и загрязнения в ФГБУ «Гидрометцентр России», ФГБУ «Центральное УГМС» Росгидромета и ГПБУ «Мосэкомониторинг».
Разработанная синоптико-статистическая модель приземного озона используется в ФГБУ «Гидрометцентр России» в качестве первого приближения в ситуациях, предполагающих повышение концентрации приземного озона до опасных уровней. Разработанная методика расчета метеорологического параметра озонового загрязнения активно использовалась для прогнозирования качества воздуха в период пожаров летом 2010г.
Разработанные с участием автора «Методика прогноза максимальных уровней приземного озона в г. Москве с заблаговременностью 48 ч» и «Методика прогнозирования суточных максимумов концентрации приземного озона» успешно прошли оперативные испытания, одобрены ЦМКП Росгидромета и используются в оперативной практике в ФГБУ «Гидрометцентр России».
Разрабатываемая при личном участии диссертанта методика интерпретации модельных расчетов концентрации загрязняющих веществ является инструментом мониторинга качества численного прогноза воздушных загрязнений; разработанная методология постобработки модельных расчетов служит основой статистической коррекции с целью приближения точности модельных расчетов к требованиям пользователя.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на заседаниях секции Учёного совета Гидрометцентра России, на семинарах в Институте Физики атмосферы РАН, в Главной Геофизической Обсерватории, НТС МосЦГМС, на 26-32-м Апатитском семинаре "Физика авроральных явлений" (Апатиты, 2003 - 2009), а также на международном рабочем совещании "Tropospheric Ozone Research -2" (Москва, 2002 г.), Четырехгодичных симпозиумах по озону (Греция, 2004; Трёмсё, Норвегия, 2008), Генеральной ассамблеи Европейского союза по наукам о Земле (2004, 2010, 2011 гг.), Всероссийских конференциях «Научные аспекты экологических проблем России» (Москва, 2001, 2006), 3-м Международном симпозиуме по управлению качеством воздуха в городском, региональном и глобальном масштабах (Стамбул, 2005), Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды ENVIROMIS (Томск, 2002, 2004 гг.), 4-й научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (Москва, 2004), 5-й, 6-й и 7-й Международных конференциях по климату городов (Лодзь, Польша, 2003, Гетеборг, Швеция, 2006; Йокогама, Япония, 2009), 14-й, 15-й, 18-й и 19 Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2008, 2009, 2011, 2012); Всероссийской конференции «Исследование процессов в нижней атмосфере при помощи высотных сооружений» (Обнинск, Россия, 2008), AGU Fall Meeting, 13–17 December 2010 - San Francisco, USA. Международной научной конференции по региональным проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды (Казань, октябрь 2012 г.).
Публикации.
Автором в соавторстве и самостоятельно опубликовано более 100 печатных работ. По теме диссертации основные результаты опубликованы в 31 статье в входящих в перечень ВАК научных изданиях (включая 4 статьи в международных журналах из системы цитирования Web of Science), в 9 статьях в иных научных изданиях, а также в 52 тезисах докладов в изданиях трудов конференций.
Структура и объем диссертации.
