Потенциал самоочищения атмосферы

кандидат географических наук, доцент кафедра метеорологии и охраны атмосферы

Замечание. Следует указать на недостатки таблицы - это совпадение верхних и нижних значений предлагаемых интервалов разбиения, а также явно прослеживающаяся система вложенности интервалов, что приводит к неоднозначности отнесения характеристик к тому или иному интервалу.

Как известно, на распространение примеси также влияют упорядоченные вертикальные движения, обусловленные неоднородностью подстилающей поверхности. В ряде работ при расчетах учитывают максимальные высоты смешивания [Viswanadham, Santosh, 1989; Gassmann, Mazzeo, 2000], пытаются связать топографию с климатическими особенностями [Yu, Cai, Xu, Song, 2018]. В отрицательных формах рельефа воздух застаивается, что приводит к накоплению вредных веществ вблизи подстилающей поверхности (особенно от низких источников выбросов). В связи с этим для районов со сложной орографией предложена методика расчета ПЗА с учетом теплобалансовых измерений [Grigorjan, 1987].

Для расчета ПЗА необходимы аэрологические данные, но сеть аэрологических станций на территории Российской Федерации очень редка. Поэтому ПЗА трудно использовать в оперативной практике, а повторяемость инверсий и застоев воздуха часто рассчитывают по эмпирическим формулам. Тем не менее значения ПЗА применяют во всех нормативных документах для учета климатических факторов при строительстве промышленных объектов, разработке территориальных комплексных схем охраны окружающей среды.

Необходимо отметить, что некоторые авторы [Lu, Deng, Liu, Huarg, Shi, 2012; Tyer, Ernest, 2013; Abiye, Akinoba, 2016] называют ПЗА коэффициентом вентиляции.

Почти одновременно авторами Т. С. Селегей и И. П. Юрченко [Селегей, Юрченко, 1990] предложен достаточно простой способ расчета метеорологического потенциала атмосферы (МПА). Этот метод учитывает факторы, способствующие как загрязнению атмосферы, так и ее самоочищению. В расчетной формуле используется информация, имеющаяся на любой станции сети Росгидромета, на основе которой можно рассчитать повторяемости: малых скоростей ветра 0-1 м/c и ветра более 6 м/c, осадков более 0,5 мм в сутки, а также дней с туманом. При МПА < 1 преобладают процессы, благоприятствующие очищению атмосферы. При МПА > 1, наоборот, распространены процессы, способствующие накоплению вредных примесей. Несмотря на одобрение специалистами представленного метода, его подвергают критике из-за несоответствия названия показателя его смыслу [Переведенцев, Хабутдинов, 2012] и недостаточной обоснованности вариативных интервалов показателя.

Практически тот же алгоритм пополнялся набором метеорологических величин, которые, по мнению предлагавших, позволяли более корректно учесть условия накопления и рассеяния примесей в атмосфере. Появилось название - «климатический потенциал самоочищения атмосферы» (КПСА) [Линевич, Сорокина, 1992; Сорокина, 1995]. В качестве факторов, способствующих накоплению примесей в атмосфере, использовались средние многолетние значения числа дней с туманом, относительной влажностью более 80 % и штилем, а вызывающих рассеяние, - число дней с ветром более 15 м/c и осадками > 5 мм. Преимущество метода состоит в нормировании, которое позволяет оценить роль каждого фактора в их совместном влиянии на загрязнение атмосферного воздуха.

Метеорологический параметр загрязнения (МПЗ) был предложен в работе И. Н. Кузнецовой [2012]. Параметр основан на учете интенсивности вертикального и горизонтального обменов, вымывания примесей осадками и конкретной синоптической обстановке. К сожалению, МПЗ является локальным параметром и может использоваться лишь для прогноза загрязнения воздуха в Москве и Московской области.

В 2015 г. Т. С. Селегей с соавторами [Селегей, Филоненко, Ленковская, 2015] решили усовершенствовать методику определения метеорологического потенциала атмосферы и изменить прежнее название на новое - «метеорологический потенциал загрязнения атмосферы» (МПЗА). На примере Западной Сибири было проведено уточнение интервалов вариации расчетного индекса по МПЗА, согласно которому: при МПЗА < 0,8 складываются неблагоприятные условия для рассеяния примесей; при 0,8 < МПЗА < 1,2 отмечается буферная зона или зона риска, в которой с одинаковой вероятностью могут иметь место процессы, способствующие как загрязнению, так самоочищению; показатели 1,2 < МПЗА < 2,4 и МПЗА > 2,4 соответствуют неблагоприятным и крайне неблагоприятным условиям для рассеяния примесей.

Из-за сокращения пунктов и частоты аэрологического зондирования атмосферы учет информации о температурных инверсиях для расчета МПЗА не представляется возможным. В настоящее время аэрологическая сеть Росгидромета включает только 115 станций аэрологического зондирования1. Кроме того, по мнению авторов, использование информации об инверсионном распределении температуры нецелесообразно, так как факторы термического вертикального перемешивания примесей в приземном слое уже учтены через повторяемость штилей и число дней с туманом. Например, в Западной Сибири в 75-90 % случаев эти факторы сопровождаются инверсиями [Селегей, Филоненко, Ленковская, 2015].

Математические модели по определению потенциала загрязнения атмосферного воздуха весьма перспективны, но в настоящее время служба Росгидромета не способна наполнять такие модели оперативными данными. Поэтому наибольшее распространение получили методики, использующие доступную метеорологическую информацию, а потому легко адаптирующиеся для любой территории.

Дискуссия

Итак, проанализировав различные подходы к анализу рассеивающей способности атмосферы, видим, что путаницу могут вызвать не только аббревиатуры - ПЗА, МПА, КПСА, МПЗ, МПЗА, но и смысловая нагрузка каждой из них. В принципе, интерес представляют прежде всего процессы самоочищения, т. е. возможность атмосферы справляться с нагрузкой антропогенного и естественного происхождения. Это необходимо и для селитебных зон, и для особо охраняемых территорий и пр. Поэтому, возможно, более правильно было бы оперировать определением «потенциал самоочищения атмосферы» (ПСА), в котором само понятие «атмосфера» уже включает оперируемые метеорологические характеристики. Авторы статьи попытались более правильно математически обосновать постановку вопроса о потенциале атмосферы к самоочищению, сравнить с результатами расчета по другим формулам, провести анализ.

Исходные данные и их анализ

В качестве исходных данных для расчета потенциала рассеивающей способности атмосферы г. Иркутска были привлечены данные метеорологических наблюдений за период с 1966 по 2017 г., находящиеся в свободном доступе на сайте архива Всероссийского научно-исследовательского инсти- тута гидрометеорологической информации - Мирового центра данных (meteo.ru). Временные ряды были составлены по 8-срочным наблюдениям за скоростью ветра, атмосферными явлениями и количеством осадков. Для выделения числа случаев с туманами была использована характеристика «погода между сроками».

Рассматриваемый временной отрезок (52 года) был разбит условно на два периода по 26 лет каждый: 1966-1991 и 1992-2017. Анализ (рис. 1) показал, что за последний период (1992-2017) произошел сдвиг среднемесячной повторяемости штилей примерно на 6 % в сторону увеличения (см. рис. 1, а), соответственно, повторяемость сильных ветров (не менее 6 м/с) сократилась (см. рис. 1, б). Такой систематический сдвиг, вероятно, обусловлен, например, городской застройкой в окрестностях метеостанции, подросшими деревьями, т. е. характеристики ветра сильно зависят от локальных условий местности. Полученные результаты свидетельствуют о снижении способности атмосферы к самоочищению.

Авторы также проанализировали несколько другую ситуацию, отнеся к слабым ветрам интервал 0-3 м/с и к существенным - не менее 4 м/с (рис. 2), что привело практически к тем же выводам.

Рис. 1 Динамика повторяемостей (%) ветровых ситуаций в г. Иркутске за два периода: а) штилей (0-1 м/с); б) сильных ветров (> 6 м/с)

Рис. 2 Динамика повторяемостей (%) ветровых ситуаций в г. Иркутске за два периода: а) слабых (0-3 м/с) и б) существенных ветров (> 4 м/с)

Обусловленная Сибирским антициклоном штилевая ситуация имеет место в основном в зимний период, а циклоническая деятельность наиболее проявляется в апреле-мае, что наглядно демонстрируется для месяцев- представителей - января и мая (рис. 3, соответственно а, б).

Следует отметить, что разработка МПА была проведена на основе материалов наблюдений на станциях, расположенных на территории Западной Сибири. Эта часть Сибири значительно отличается по ветровому режиму от условий г. Иркутска. Средняя скорость ветра в Иркутске небольшая и составляет, по многолетним данным, 2,3 м/с, в то время как для Томска и Огурцово она равна 3,6 и 3,8 м/с соответственно.

Попробуем сравнить ветровую ситуацию Иркутска с данными пунктов Томска и Огурцово, для которых проводились расчеты Т. С. Селегей и И. П. Юрченко (рис. 4).

Видим, что если для Иркутска следовать рекомендациям [Селегей, Юрченко, 1990] использования ветровой информации 0-1 м/с и не менее 6 м/с, то более половины данных вообще оказывается не учтенной (см. рис. 4, а). Если принять во внимание слабые ветра (0-3 м/с) и существенные (ощутимые) - от 4 м/с, то в расчетах будет участвовать весь диапазон данных о ветре (см. рис. 4, б).

Рис. 3 Многолетняя динамика повторяемостей слабых и сильных ветров: а) в январе, б) в мае

Рис. 4 Среднегодовое распределение скорости ветра по различным градациям

Предлагаемые варианты расчета потенциала самоочищения атмосферы

Согласно методике Т. С. Селегей и И. П. Юрченко, расчет ведется по формуле:

о в где Рш - повторяемость случаев со скоростью ветра 0-1 м/с, Рт - повторяемость дней с туманом, Ро - повторяемость дней с осадками более 0,5 мм,

Рв - повторяемость случаев со скоростью ветра > 6 м/с (%). Эффект накопления загрязняющих примесей в атмосфере усиливают туманы, в некоторых случаях увеличивая токсичность примесей. Как видим, одним из основных метеорологических параметров, способствующих накоплению вредных ингредиентов в слое воздуха, является повторяемость ветров малых скоростей (0-1 м/с). В качестве факторов, благоприятствующих очищению атмосферного воздуха, предлагается считать повторяемость дней с осадками и сильным ветром (не менее 6 м/с), способным вынести вредные примеси из очага загрязнения. Это обусловлено тем, что в промышленном городе обычно существует два максимума роста концентраций загрязняющих веществ: один при ветрах 0-1 м/с за счет выбросов многочисленных низких источников, другой при ветрах 4-6 м/с за счет выбросов высоких источников. Для осадков, способных очистить атмосферу от загрязнения, предлагается величина 0,5 мм и более в сутки, при которой возможно «прибить» придорожную пыль и другие аэрозоли.

Поскольку записанная таким образом формула характеризует условия накопления примесей, а не рассеяния, было решено для сравнения совместимости с нашими расчетами в формуле (1) поменять местами числитель и знаменатель, т. е. в качестве метеорологического потенциала атмосферы использовать величину 1/ МПА. Далее, основываясь на полученных результатах (см. рис. 4),

в качестве условий, неблагоприятных для рассеяния примесей, принять ветер 0-3 м/с, а благоприятствующих - ветер не менее 4 м/с. Следуя правилам теории вероятностей, предлагаемый индекс ПСА записать через обобщенную формулу сложения вероятностей с учетом таких понятий, как совместные и несовместные, зависимые и независимые события, относя, например, возможность совместных осадков Ро и существенного ветра Рв к независимым событиям, а возможность совместных слабых ветров Рсл и туманов Рт - к зависимым событиям с учетом условных вероятностей Рт/сл (вероятность возникновения туманов при условии, что был слабый ветер).

Поэтому формула для расчета ПСА несколько усложняется по сравнению с (1):

Сравним расчеты (табл. 2) для г. Иркутска, выполненные по формулам (1) и (2), принимая критерии, используемые в (1), т. е. Ре > 6 м/с,

Рсл = Рш .

Анализ показывает, что при правильной математической постановке задачи учет вклада дополнительных слагаемых в (2) для Иркутска очень мал. Поэтому для облегчения практических расчетов можно пользоваться (1).

Таблица 2 Среднемесячные значения: 1/МПА и ПСА в г. Иркутске за период 1966-2017 гг.