Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Факторы, определяющие распределение приземного озона в атмосфере . 12
1.1 Процессы, влияющие на содержание озона в атмосфере 12
1.2 Особенности пространственного распределения озона. 13
1.2.1 Воздухообмен между стратосферой и тропосферой 15
1.2.2 Горизонтальная адвекция озона.и его предшественников 17
1.2.3 Воздухообмен между пограничным слоем и свободной тропосферой 19
1.3 Фотохимическое образование и сток приземного озона- 24
1.4 Сухое осаждение озона 26
1.5 Временная изменчивость приземного озона в континентальных районах. 27
1.5.1 Суточные вариации ПКО 28
1.5.2 Сезонные вариации ПКО 33
Глава 2. Аппаратура, методика измерений концентраций газовых примесей, метеорологических параметров 36
2.1 Автоматизированная система контроля загрязнения приземного слоя атмосферы. 36
2.2 Методика измерений концентраций газовых примесей 45
Глава 3. Экспериментальные исследования приземногоозона в атмосфере г. Улан-Удэ 54
3.1 Климатические особенности атмосферы г. Улан;- Удэ 55
3.2 Распределение концентрации озона и оксидов азота в приземном слоеатмосферы г. Улан-Удэ 68
3.3 Временные вариации озона в приземном слое атмосферы г. Улан-Удэ 74
3.3.1 Суточные вариации приземного озона 75
3.3.2 Сезонные вариации приземного озона 80
3.4 Вариации озона и ультрафиолетовой радиации УФ-Б в летний период 84
3.5 Спектральная оценка вариаций ПКО и УФ-Б 90
3.6 Связь ПКО с концентрацией оксидов азота и температурой воздуха в особых метеорологических условиях 92
3.6 Связь ПКО с общим содержанием озона 105
3.7 Влияние приземной инверсии на изменчивость ПКО 111
3.8 Наблюдения приземных концентраций озона, оксидов азота и моноксида углерода на автомагистралях Улан-Удэ 115
Заключение к главе 3 121
Глава 4. Приземный озон в атмосфере оз. Байкал 123
4.1. Наблюдения приземного озона в прибрежной зоне юго-восточной части оз. Байкал 124
4.1.1. Суточный ход приземной концентрации озона 125
4.1.2. Фотохимическое образование озона 132
4.1.3. Влияние стратификации на изменение концентрации озона вблизи подстилающей поверхности 142
4.1.4. Изменчивость концентрации озона при прохождении холодного фронта 147
4.2. Измерения концентрации озона, оксидов азота в приводном слое атмосферы оз. Байкал 149
4.3. Вертикальные потоки озона в приводном слое атмосферы вблизи береговой зоны оз. Байкал 160
Заключение к главе 4 171
Заключение 173
Список литературы 175
Приложение 186
- Воздухообмен между пограничным слоем и свободной тропосферой
- Методика измерений концентраций газовых примесей
- Распределение концентрации озона и оксидов азота в приземном слоеатмосферы г. Улан-Удэ
- Влияние стратификации на изменение концентрации озона вблизи подстилающей поверхности
Введение к работе
Озон является химически и радиационно-активным газом. Как сильный окислитель он определяет газовый состав атмосферы. В больших количествах озон воздействует разрушающе на многие материалы и живые ткани, обладает мутагенными и канцерогенными свойствами. Поэтому необходимо знать пространственно-временное распределение, долговременную изменчивость и условия формирования высоких значений приземной концентрации озона (ПКО).
Озон как радиационный фактор определяет температурный профиль и динамический режим атмосферы. Его изменения в атмосфере могут влиять на климат Земли. Определяемый озоном поток ультрафиолетовой радиации УФ-Б в тропосферу и на земную поверхность играет важнейшую роль в жизнедея- \ тельности растений и всего живого на Земле. Увеличение интенсивности УФ-Б может приводить к усилению выбросов легколетучих органических соеди- , нений, выделяемых растениями и изменять состав воздуха.
Уменьшение озона в стратосфере, наблюдаемое в последние десятилетия, делают исследования связей ОСО (общее содержание озона) - УФ-Б-тропосферный озон особенно актуальными. Скорость фотодиссоциации озона в тропосфере J имеет наибольшую из" всех газов чувствительность к изменениям ОСО. Изменения J влияют не только непосредственно на баланс озона. Фотодиссоциация озона является ключевой реакцией в образовании другого важнейшего окислителя, ОН — радикала, который регулирует химическое производство озона и время жизни предшественников озона (NOX5 СО, СИ; и
ДР-)-
И моделирование газовых, радиационных потоков в атмосфере, и изучение механизмов фотохимической трансформации газовых примесей затрудняется из-за нерегулярного характера вариаций и неравномерного пространственного распределения тропосферного озона и других газовых составляющих, что в большей степени связано с действием антропогенных факторов.
Экспериментальные данные исследований тропосферного озона, подтверждают, что наиболее актуальной-проблемой последнего десятилетия является повышение концентрации озона в тропосфере северного полушария. В работе [SJ.Oltmans, A.S.Lefohn, H.E.Schell, D.S..Shadwick et. al., 1998г.] представленные результаты- многолетних наблюдений тропосферного озона за период с 1975-1997г.г. на станциях Всемирной метеорологической организации WMO в средних широтах Северного полушария показали, что концентрации озона увеличивались со скоростью 1,5% в год до середины 80-х годов. С конца 80-х и практически до 1996г. концентрация озона оставалась постоянной.
В Азиатском регионе Северного полушария (Япония) наблюдалось мед
ленное, но стабильное увеличение концентрации озона в течение 1980-
1995г.г. с положительным трендом 0,44 + 0,43% в год, а с 1996 г по настоя
щее время ее рост приостановился. *,
Дгиг Байкальского региона, который расположен в центре Азиатского материка в условиях резко континентального климата и высокой солнечной . освещенности, окруженного горными хребтами, основными факторами в формировании и перераспределении озона являются крупномасштабный стра-тосферно-тропосферный обмен, процессы синоптического масштаба и. мезо-масштаба, фотохимические и радиационные процессы. Вклад каждого из этих процессов на долговременную изменчивость озона в разных условиях наблюдения не равнозначен. Значительные вариации, связанные с фотохимической генерацией и деструкцией озона в приземном слое атмосферы типичные для городских условий не характерны для приводного слоя атмосферы, где основными факторами в формирования озона являются динамические и радиационные процессы. Поэтому установление связи вариаций ПКО с теми или иными динамическими и фотохимическими? процессами, с одной стороны, помогут получить значимые оценки долговременной изменчивости озона, характерные для данного региона, а с другой стороны, можно уточнить представления о природе и механизме действия этих процессов.
К сожалению, указанный регион не охвачен сетью наблюдений тропо
сферного озона и других малых газовых составляющих атмосферы (МГС).
Поэтому, долговременные экспериментальные наблюдения приземного озона
и других озонообразующих газов при помощи автоматизированной системы
измерения характеристик газовых примесей и метеокомплекса АМК-02 могут
оценить с заданной точностью и достоверностью долговременную изменчи
вость озона. В условиях формирования высоких значений ПКО, всесторонний
анализ выявленных причин изменчивости озона.в пространстве и во времени
позволит принять меры по предотвращению нарушения экологического рав
новесия, в окружающей природной среде Байкальского региона и озера Бай
кал, как участка Мирового наследия. Поэтому, представляется актуальным
изучение механизмов образования и изменчивости приземного озона в. Бай-
кальском регионе. \
В соответствии-с вышеизложенным, целью работы является выявление , особенностей пространственно-временных вариаций ПКО в Байкальском
регионе. В работе решались следующие задачи:
1. Разработка и создание измерительно-вычислительного комплекса для
регистрации и< расчета статистических характеристик пространственно-временного распределения приземного озона, оксидов азота, углерода в Байкальском регионе.
Анализ временных вариаций ПКО,- концентраций оксидов азота и метеопараметров по данным измерений за- период с 1999' - 2004 г.г. в г. Улан-Удэ; выявление процессов, определяющих формирование суточного и сезонного хода ПКО.
Оценка вклада ОСО и УФ-Б в сезонную изменчивость ПКО.
Анализ процессов, формирующих особый, режим образования озона в условиях летнего застоя воздуха в приземном слое атмосферы г. Улан-Удэ.
Организация и проведение измерений концентрации озона, оксидов азота и метеопараметров в приземном и приводном слое атмосферы оз. Бай-
кал, выявление основных факторов, влияющих на распределение и изменчивость озона в неоднородных условиях окружающей среды.
Научная новизна
Получены характеристики суточной и сезонной изменчивости концентрации приземного озона в г. Улан-Удэ за период 1999-2004 г.г. Выявлен суточный ход ПКО с характерным максимумом в 13:00 ч местного времени и сезонный ход с максимумом в конце весны - начале лета, минимумом поздней осенью и в начале зимы.
Впервые в условиях Байкальского региона установлено запаздывание ПКО от ОСО в среднем на 3 месяца, выявлены квазидвухлетние вариации ОСО и ПКО в весенний период.
В условиях летнего застоя установлены: квазипериодическая структура изменчивости среднедневных концентраций озона, оксидов азота и температуры воздуха с периодом от 3 до 5 дней; смещение максимумов спектральной плотности ПКО от максимумов УФ-Б до одного дня и 20 дней. Предложена модель краткосрочного прогноза ПКО.
По наблюдениям в летний период на побережье Байкала выявлены 2 режима суточного хода ПКО с максимумом в 13:00 ч. и минимумом в ночные часы, с более поздним максимумом в 18:00 ч и минимумом в утренние часы. Получены оценки фотохимического образования и вертикального распределения озона.
Впервые выявлены пространственные неоднородности распределения озона и оксидов азота в приводном слое атмосферы разных частей оз. Байкал. Оценена скорость сухого осаждения озона на водную поверхность.
Достоверность полученных результатов определяется:
оценкой и корректировкой погрешности измерений приборов, входящих в состав измерительного комплекса, регулярными поверками, установленными Государственной системой единства измерений;
внутренним оперативным контролем, выполняющим функции предупредительного контроля для принятия оперативных мер в ситуациях, когда погрешности (составляющие погрешностей) контрольных измерений не соответствуют установленным требованиям. В качестве средств контроля используются стандартные образцы, аттестованные смеси; рабочие пробы и генераторы калибровочных смесей.
статистической обеспеченностью данных измерений, характеристик газовых примесей и метеопараметров, а также использованием адекватных математических методов анализа и согласованностью; экспериментальных и расчетных данных.
Научная и практическая значимость работы >
Результаты исследований пространственно-временного распределения концентраций озона и* MFC в Байкальском регионе использованы в региональных прогностических моделях изменения газового состава- атмосферы под влиянием различных геофизических факторов.
Полученныерезультаты использованы для оценки экологической обстановки в г. Улан-Удэ, состояния воздушного бассейна оз. Байкал, помогут учитываться в целях определения ресурса туристско-рекрационной; зоны "Байкал" на . Восточном побережье озера.
Измерительный комплекс газовых характеристик приземного слоя: атмосферы может найти применение на станциях мониторинга газовых^ примесей в различных регионах.
Личный вклад автора
Основные результаты работы получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор принимал непосредственное участие в разработке и создании измерительного комплекса, программы автоматизации непрерывных измерений и регистрации содержания газовых примесей в приземном слое атмосферы, методики измерений, планировании и проведении экспериментов, анализе и интерпретации полученных экспериментальных данных.
Защищаемые положения.
Суточная изменчивость ПКО в г. Улан-Удэ за период с 1999 по 2004 год с максимумами в 13:00 и 0:00 ч и минимумами - в 3:00 и 21:00 ч местного времени близка к фоновой. Сезонные вариации максимальных значений ПКО в конце весны, начале лета наблюдаются при весенне-летней активизации динамических и фотохимических процессов в атмосфере г. Улан-Удэ. Минимальные значения ПКО в зимний период отмечаются при максимальной повторяемости приземных инверсий.
В годовом ходе смещение по фазе максимальных и минимальных значений ОСО относительно аналогичных значений ПКО близко к 1/4 периода их основных гармоник. Выявленные квазидвухлетние вариации ОСО и ПКО в весенний период значимы и свидетельствуют о существенной модулирующей роли крупномасштабной циркуляции в формировании режима озона.
В условиях летнего застоя воздуха в г. Улан-Удэ изменения среднедневных ПКО, концентрации оксидов азота модулируются колебаниями с характерным периодом от 3 до 5 дней. Максимумы спектральной плотности вариаций средних дневных ПКО смещены относительно максимумов интенсивности УФ-Б в области низких частот на период в 20 дней, в области высоких частот на период меньше одного дня.
Суточный ход концентрации озона в летний период наблюдения на побережье оз. Байкал определяется двумя режимами вариаций ПКО - с мак-
симумомв; 1 3:00 ч, минимумом в ночные часы и с более поздним максимумом в 18:00' ч и-минимумом: в утренние часы. Среднесуточные значения концентрации озона на побережье оз. Байкал в условиях неустойчивой атмосферы с параметром стратификации-0;7 < Ri < -0=2 в 1,5 раза меньше, чем в городских условиях, а максимум ПЕСО отстает от максимума концентрации озона в г. Улан-Удэ на 5 часов;
5., Пространственно-временная неоднородность концентрации озона и оксидов азота в.приводном слое атмосферы оз. Байкал. В Южном Байкале максимум ГЖО в послеполуденное время соответствует максимальной; высоте слояшеремешивания: В .Среднем Байкале основной вклад в формирование вечернего максимума ШКО вносит адвекция воздушных масс с прибрежной зоны. Локальное увеличение концентрации диоксида азота вблизи- источника; придонного метана подтверждает существенную роль фотохимии в его обра-: зовании. Скорость сухого осаждения озона на водную поверхность Байкала меняется от 0,0019 до 0j096 см/с и соответствует раннее проведенным наблюдениям в приводном слое атмосферы морских акваторий. В период активного развития волнового процесса; наблюдается увеличение скорости сухого осаждения озона.
Основные результаты исследования; были получены в работах по следующим проектам:
Г. «Изучение особенностей аэрозольных и газовых примесей в пограничном слое оз. Байкал». Грант РФФИ№ 97-06-96449.
2. «Исследование механизмов, формирования загрязнения атмосферного
воздуха южного побережья- оз. Байкал под воздействием удаленных и
близкорасположенных промышленных центров». Грант РФФИ;№ 01-05-
97240, № 05-05-97240
3. «Климатоэкологический мониторинг Сибири». Региональная научно-
техническая программа «Сибирь».
4. «Радиофизические методы контроля за состоянием пограничного слоя атмосферы и почвенно-грунтового комплекса». Экофонд Правительства Республики Бурятия; 1996г., 1998г., 1999г.
Материалы работы используются в Государственной программе Росгидромета "Организация регулярных наблюдений за содержанием приземного озона в Байкальском регионе", в "Комплексной экологической программе г. Улан-Удэ".
Апробация работы.
Материалы, изложенные в диссертации, представлены в 26 печатных работах, из них 9 работ опубликованы в рецензируемых научных журналах, а также докладывались на Всероссийских конференциях "Аэрозоли Сибири" в*;; 1999, 2003 г.г., на третьей Верещагинской Байкальской конференции в 2000 г., на VIII Международном объединенном симпозиуме. Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы, 2001 г., на 8 Международном семинаре по процессам регионального осаждения в атмосфере Восточной Азии в 2002 г., на Международном рабочем совещании TOR-2 по исследованию тропосферного озо-на в 2002 г. и др. региональных конференциях.
Воздухообмен между пограничным слоем и свободной тропосферой
В глобальном масштабе атмосфера получает большую часть той энергии, которая. потом управляет общей циркуляцией, через процессы обмена с земной поверхностью. Солнечное коротковолновое излучение проходит большую.часть атмосферы и напрямую нагревает земную поверхность. Вслед за этим посредством длинноволновой радиации и турбулентных потоков явного и скрытого тепла происходит конвективный и турбулентный обмен воздуха приземного слоя1 с воздухом свободной тропосферы. В результате интенсивность переноса энергии, момента, влажности и вещества между поверхностью земли и атмосферой зависит от геофизических свойств подстилающей поверхности и интенсивности солнечной радиации.
В равнинных условиях турбулентное перемешивание, обусловленное вихрями сравнительно небольшого масштаба, поднимают верхнюю границу пограничного слоя до уровня от 1000...2000 м в летний период [Ozone Data for the World, 1974-2001]. Из данных вертикального озонного зондирования атмосферы [Звягинцев, 2002] известно, что концентрация озона практически всегда возрастает (часто в несколько раз) от земли к верхней границе пограничного слоя; дальнейшее возрастание вплоть до тропопаузы идет гораздо медленнее. Поэтому интенсивный конвективный и турбулентный обмен между приземным слоем и свободной тропосферой в условиях высокой солнечной инсоляции должен сопровождаться повышением уровня озона до уровней, характерных для верхней границы пограничного слоя (фотохимическая генера- ция озона в этих условиях может обеспечивать некоторую долю от максимального значения; однако представляется, что в случае высоких (сверхадиа- . батических) градиентов температуры эта доля невелика).
Положительная корреляция между верхней границей слоя перемешивания w ПКО свидетельствует о преимущественно динамическом происхождении приземного поля озона-в атмосфере высоких широт [Демин, Белоглазов, Еланский, 2004]. Показано, что в случае превалирования процессов фотохимической генерации озона в приземном слое нужно было бы ожидать отрицательную корреляцию, так как в этом случае большей высоте слоя перемешивания соответствовали бы меньшие концентрации.
Из многих исследований известно [Fiedler, 2003], что в горных местностях регионального и меньшего масштаба существуют системы вторичного потока, которые переносят количество движения, энергию, влагу и вещество на различных масштабах, больших, чем обычная турбулентность. Проявлением этих систем потоков являются, например, конвективная облачность и грозовые облака вдоль горных гряд.
Несмотря на факт, что горы любого масштаба вызывают появление систем вторичных потоков, которые переносят энергию, влагу и вещество более эффективно, чем мелкомасштабная турбулентность, пока существует мало количественных оценок этого переноса.
Горы играют, таким образом, роль триггера в вертикальном обмене в определенной ограниченной области, и причиной того являются вторичные потоки, которые способствуют более раннему и интенсивному развитию конвекции по сравнению с равнинными условиями. Усиленный вертикальный обмен в горных районах вносит вклад в перераспределении загрязнений в атмосфере, потому что являются одним из динамических факторов выносов загрязнений в верхнюю тропосферу с последующим их дальним переносом.
Топографические особенности горных районов вносят коррективы в. конвективное и турбулентное перемешивание, в локальные термические и транспортные процессы субсиноптического масштаба и тем самым влияют, причем систематически, на режим, транспортируемых примесей [Еланский, Сеник, 1995]. Развивающиеся днем конвекция и турбулентное перемешивание поднимают границу пограничного слоя и переносят вверх к ее границе загрязнения из нижних слоев. В определенных условиях может сформироваться устойчивый перенос Оз и его предшественников в свободную тропосферу [Shapiro, 1980].
Действие горно-долинной циркуляции тоже приводит к обмену воздушными массами внутри пограничного слоя (а в отдельных случаях, связанных с особенностями топографии или синоптической ситуации, к переносу вещества в свободную тропосферу) [Сеник, Еланский и др., 2005]. Вертикальный обмен воздушными массами сопровождается также фотохимическими процессами: во время подъема воздуха из загрязненной долины активизируются фотохимические взаимодействия, так как изменяется радиационный режим [Lehning, 1998].
Методика измерений концентраций газовых примесей
Методика» выполнения измерений приземной: концентрации газовых npHMecew(03VN02r 3O) аттестована (Государственный реестр № Р0Є MJ.0001.512069 от 12:01.2000 г. ш21.01.2003 г.).
Технические требования и: правила измерения концентраций; газовых примесей: автоматическими газоанализаторами, входящими в состав: измерительного комплекса соответствуют F0GT 17.2:6.02 85, ИЄ0 7996:1985; И00 10313:1993І РД! 52.04.186-ІВ9: рганизация и порядокпроведения наблюдений; регламентируются. Руководством по: контролю загрязнения атмосферы. РД 52.04.186-89.
Измерения концентраций оксидов азота (NO, NO2) производились газоанализатором Р-310-32 (ЗАО "ОПТЭК", г. Санкт-Петербург), представляющим собой газовый компаратор, в основу работы которого положен хемилю-минесцентный метод. Сущность этого метода состоит в том, что химическое взаимодействие молекул диоксида азота с датчиком сопровождается люминесценцией. Принцип действия газоанализатора - гетерогенная хемилюми-несценция (газ - "твердое тело"). Датчиком газа служит хемилюминесцент-ный твердотельный сенсор. Интенсивность хемилюминесценции пропорциональна содержанию диоксида азота в анализируемой газовой среде. Для определения концентрации оксида азота и суммы оксидов азота NO + N02 введен канал преобразования NO в N02, содержащий каталитический конвектор, нагреваемый до температуры 200 С. В этом режиме работы детектируется излучение, обусловленное суммарной концентрацией оксидов азота (NO + N02). Концентрация NO определяется по разности значений электрических сигналов, пропорциональных концентрации NO + N02 и концентрации N02. Уста- -новка "0" и калибровка газоанализатора осуществлялись источником микропотока автоматически по команде встроенного процессора. Забор воздуха осуществлялся непрерывной прокачкой. Метрологические характеристики газоанализатора обеспечиваются встроенным термодиффузионным калибратором. Газоанализатор работает в» автоматическом режиме измерений. Прибор Р-310-32 обеспечивает непосредственное отображение на цифровом табло текущей концентрации оксида и диоксида азота или усредненных значений за 20,40 или 60 минут измерений.
В приборе предусмотрена возможность подключения самопишущих приборов, например, потенциометров, установлен интерфейс RS-232, дополнительный токовый выход 0-5 мА (или 4-20 мА). Газоанализатор имеет встроенную программу "Автотест" для контроля работы элементов прибора. Газоанализатор имеет встроенный насос, термокаталитический конвертор окисления оксида азота в диоксид (NO — N02).
Для измерения концентрации озона применялся газоанализатор 3-02П1 (ЗАО "ОПТЭК", г. Санкт-Петербург), представляющий газовый компаратор, обеспечивающий высокую линейность функции преобразования сигнала. Для повышения линейности применяется сравнение сигналов от анализируемого газа с сигналом от образцовой газовой смеси, приготовляемой в приборе. Это позволило получить высокую точность измерения ±6 мкг/м3 при ПДКм.р. = 160 мкг/м . В основу работы анализатора положен эффект гетерогенной хемилюминесценции, возникающий в результате экзотермической реакции озона с окисляемыми химическими веществами композиции. Интенсивность свечения композиции, пропорциональная концентрации озона в газовой смеси; измеряется и преобразуется в цифровой сигнал, отображаемый на мониторе анализатора. Поступление анализируемой, пробы газа в хемилюминесцентный реактор обеспечивается встроенным микронасосом. В, приборе имеется встроенный калибратор озона, что обеспечивает автоматическую калибровку. Встроенный побудитель расхода прокачивает контролируемый воздух через противопылевой фильтр,,, хемилюминесцентный реактор, скруббер, ротаметр и выбрасывает его наружу. Затем по сигналу миниконтроллера электропневмоклапан перекрывает вход контролируемого воздуха и прокачивается образцовая газовая Йшвнруктивно газоанализатор выполнен в виде моноприбора, управление которым и. вычисление концентрации осуществляется микроконтроллером. На лицевой панели размещены жидкокристаллический индикатор для вывода меню управления прибором и измеренной концентрации, четыре кнопки общения с меню, тумблер включения, прибора и ротаметр. Сзади размещены штуцеры ввода-вывода анализируемого воздуха, разъемы последовательного интерфейса RS-232 для непрерывного вывода данных и токового 0-5 мА выхода.
Измерения концентрации озона также проводились хемилюминесцент-ным газоанализатором OA-350-2R Meloy Labs (США), принцип которого основан на взаимодействии озона с газом-реагентом — этиленом, в результате которого происходит свечение газа, интенсивность которого пропорциональна, концентрации озона. Данный газоанализатор- обладает высокой чувствительностью (2 ppb), точностью (±2 %) и селективностью. Калибровка озоно-метра проводилась калибратором "Monitor Labs" mod: 8500 (США).
Распределение концентрации озона и оксидов азота в приземном слоеатмосферы г. Улан-Удэ
Распределение озона в городском воздухе характеризуется существенной пространственно-временной неоднородностью. Это обусловлено неоднородностью распределения его источников, действием фотохимических процессов, протекающих с участием его предшественников (оксиды азота, моно-кснд углерода и другие МГС) в атмосфере, а также термодинамических процессов, определяющих перенос и диффузию воздушных масс в различных слоях атмосферы.
Для выявления указанных факторов проводились измерения концентрации озона, оксидов азота и моноксида углерода в г. Улан-Удэ с пункта наблюдения в здании научного центра, расположенного в левобережной части р. Уда на юго-западе от центра города (рис. 3.8). С юга пункт наблюдения ограничен хребтом Цаган-Дабан, абсолютные высоты которого достигают уровня 813 м, превышение над долиной р. Уда составляет до 310 м.
Забор воздуха осуществлялся посредством тефлоновой трубки (1/4 inch OD Teflon Tubing) с высоты 10 м от уровня поверхности земли, воздухозаборник был вынесен на расстоянии 3 м от стены здания на уровне его крыши. На открытой площадке крыши здания на высоте 4 м были установлены на мачте датчики автоматизированной метеостанции АМК-02. Средства и методика измерений приведены в главе 2.
Местоположение пункта наблюдения предполагает минимальное воздействие факелов "промзоны" или его полное отсутствие на приземный озон в пункте измерения, особенно в летний период. Основным фактором, влияющим на изменчивость озона в приземном слое атмосферы, являются низкорасположенные источники (автотранспорт) и метеоусловия данного района.
Из исходных данных среднечасовых ПКО и концентраций других МГС, полученных по результатам измерений при помощи 4-ех канального автоматизированного комплекса за период с 1999 по 2004 г, был сформирован синхронный ряд наблюдений среднесуточных концентраций газовых примесей. В таблице 3.1 представлено распределение количества наблюдений по месяцам и по годам. На рис. 3.10 изображен график временных рядов среднесуточных концентраций приземного озона, полученные в г. Улан-Удэ за указанный период наблюдения. В дальнейшем, по числовым характеристикам эмпирических обеспеченностей (относительная и накопленная повторяемости) концентраций озона были рассчитаны статистические параметры и построены функции распределения.
На рис. 3.11 и 3.12 приведены интегральные и дифференциальные функции распределения среднесуточных ПКО, полученные за период наблюдения с 1999-2004 г.г. Из графиков видно, что распределение эмпирических рядов наблюдения среднесуточных концентраций озона близко к нормальному распределению.
Оценка соответствия эмпирической функции распределения ПКО нормальному закону проводилась по критерию А- (критерий Колмогорова). Критерий Колмогорова X оценивает близость фактического распределения к теоретическому (выраженному в интегральной форме) путем нахождения величины дисперсии D = макс.ЕРэ - РТ, т.е. максимальной разности накопленных частостей (вероятностей) сравниваемых распределений. Если наблюдения независимы и их число неограниченно возрастает, то вероятность нера венства D4n X стремиться к пределу lim P(D4n X) = ]Г (-\)ке 1кЬ = Р(Л0).
На графике из рис. 3.11 видно, что Дпах = 0,05, X » 1,25, тогда Р(Х)& 0,1 0,05 (уровень значимости), из таблицы значений Р(Х) и критерия согласия на 5% уровне значимости XQ = 1,358 [Исаев, 1988]. Откуда при X Х0, можно сделать заключение об удовлетворительном согласии теоретического и эмпирического распределения на 5% уровне значимости. Кривая 2 теоретического нормального распределения ПКО на рис. 3.11 была получена по формуле нормального распределения при средней
Влияние стратификации на изменение концентрации озона вблизи подстилающей поверхности
Основным каналом стока озона является его взаимодействие с подстилающей поверхностью (процессы химической и физической сорбции). На важную роль подстилающей поверхности для стока озона указывает, прежде всего, характер вертикального распределения озона в атмосфере - концентрация озона в тропосфере уменьшается по мере приближения к поверхности земли. Отклонения от такого вида вертикального распределения объясняется как действием локальных источников и стоков озона, так и стратификацией приземного слоя атмосферы. Приведенные в работе [Красненко Н.П. и др., 1994] исследования показали, что запирающие инверсионные слои в атмосфере, ветер, устойчивость пограничного слоя не играют существенной роли в накоплении озона. В экспериментах, проведенных в работе [Ровинский Ф.Я. и др. 1986] показано, что максимум приземной концентрации озона устанавливается над слоем инверсии в случае его переноса из более высоких слое атмосферы (природный источник). При наличии антропогенных источников озона его максимальная концентрация регистрируется под слоем инверсии.
На рис. 4.12 приведены осредненные за один месяц кривые вертикального распределения концентрации озона и температуры в зависимости от параметра В - аналог числа Ричардсона, характеризующий турбулентный режим приземного слоя [Матвеев Л.Т., 1976]: где АТ=Т2- Ті, Ті - температура на высоте zh Т2 - температура на высоте z2, С3 -скорость ветра на высоте z3, zj = Z3I2 - 2 м, z2 -2z3 = 8 м, z3 = 4 м, g = 9,8 м/с2. Величина и знак числа В определяется влиянием стратификации на турбулентный режим.
Ход кривой вертикального распределения температуры на рис. 4.12 а является характерным для неустойчивой стратификации, о чем свидетельствует параметр В = - 0,29. Такой тип стратификации в основном наблюдается в первой половине дня (11-12 ч) и во второй половине дня с 15 до 18 ч с числом случаев 21 за весь период наблюдения. При этом А[03] на уровне 10 м составил 3,5 мкг/м3. При неустойчивой стратификации в утренние часы по мере прогрева подстилающей поверхности начинается развитие конвективных восходящих потоков, которые способствуют усилению турбулентного перемешивания воздушных масс (ВМ) в слое атмосферы от 2 до Юм.
При высоте верхней границы слоя перемешивания, равной Юм, [Оэ] равна 23 мкг/м3, а у поверхности земли [03] уменьшилась незначительно до 19 мкг/м3. Во второй половине дня уменьшение инсоляции способствует к усилению интенсивности нисходящих потоков и повышению концентрации озона и сдвигу максимума концентрации озона на более поздний срок. Таким образом, конвективный поток при неустойчивой стратификации создает благоприятные условия для турбулентного обмена молекул 03 и выравнивает его концентрацию по высоте. На рис. 4.12 б кривая вертикального распределения температуры характеризует инверсионный тип стратификации в сочетании со штилем в нижнем приземном слое атмосферы. При этом параметр Б равен 1,69, что указывает на сильную устойчивость этого слоя. В слое инверсии турбулентность и вертикальные движения ослаблены или полностью исчезают, в случае особо сильной инверсии образуется так называемый "запирающий" слой.
Значения скорости ветра, измеренной на высотах 4 и 8 м, были равны 2 и 1 м/с соответственно. Данный тип стратификации в 14 случаях за период наблюдений установлен в вечернее время суток (21-22 ч) при температуре окружающего воздуха +17 С и юго-восточном направлении ветра. На высоте 12 м, в этих условиях при высокой влажности воздуха и отсутствии притока озона с верхних слоев атмосферы, происходит разрушение озона в темновых реакциях с окислами азота и другими примесями содержащихся в природных органических соединениях при выделении их лесными массивами. При сравнении кривых распределения [03] на рис. 4.12аи4.12б видно, что концентрация озона на высоте z = 12 м в вечернее время (21-22 ч) в 2 раза меньше, чем [03] в дневное время (рис. 4.12 а).
В вечерние и ночные часы также установлено влияние местных циркуляции на вертикальное распределение концентрации озона в приземном слое атмосферы. Взаимодействие местных циркуляции и основного потока в эти часы часто образуют штилевые слои, где скорость ветра уменьшается до 0-1 м/с. В этих слоях атмосферные примеси под влиянием диффузионных процессов концентрируются. На рис. 4.12 б показано, что в условиях изотермии концентрация-озона с высоты 12 м начинает плавно увеличиваться, достигая на высоте z = 6 м их абсолютной разности Д[03] = 4 мкг/м3.
В дальнейшем, попадая в потоки местных ветров (береговой бриз, горнодолинная циркуляция), озон переносится на акваторию озера, где происходит процесс его накопления. В противопотоке берегового бриза холодные ВМ с накопленным озоном поступают в приземный слой пункта наблюдения. В результате на побережье образуется внутренний слой, в пределах которого воздух оказывается более холодным и богатым озоном, чем над ним. Температура воздуха с высотой здесь падает, а на верхней границе слоя может возрастать. Таким образом, возникает приземная инверсия, высота и интенсивность которой зависит от времени суток, расстояния от берега и от разности температуры поверхности воды и суши. Нижняя граница такой инверсии располагается на сравнительно небольших высотах.
