природные процессы и динамика геосистем ==
УДК 511.510.3
атмосферные аэрозоли над лесными экосистемами средней сибири1
© 2013 г. А.В. панов*, и. Хайнтценберг**, В. Бирмили**, Р. отто**, с. Чи***, М. Андреа***
* Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН ** Институт тропосферных исследований им. Лейбница, Лейпциг, Германия ***Институт химии им. М. Планка, Майнц, Германия
Поступила в редакцию 07.02.2012 г.
Приведены результаты мониторинга аэрозольных характеристик атмосферы над лесными экосистемами Средней Сибири на базе обсерватории "ZOTTO". Определены количественные и качественные характеристики атмосферных аэрозолей, показана их пространственно-временная изменчивость и источники происхождения. Оценено влияние пожарных эмиссий на продуцируемую аэрозольную компоненту. Показаны особенности циркуляции воздушных масс в районе исследований и представлена оценка вероятного влияния различных регионов на аэрозольный состав атмосферы.
Введение. Получение достоверных данных о характеристиках аэрозолей, закономерностях в процессах их образования и переноса в фоновых природно-климатических условиях является необходимым условием верификации существующих климатических моделей [1, 5].
Среднетаежная подзона Приенисейской Сибири наиболее удалена от крупных промышленных центров. В данном регионе климатическая роль аэрозолей атмосферы определяется исключительно естественными биосферными циклами, а влияние антропогенных факторов сравнительно невелико и обусловлено, главным образом, процессами мезомасштабного переноса аэрозолей из индустриальных районов [1, 5, 6, 11]. Однако существующая система мониторинга атмосферных аэрозолей в Сибири охватывает в основном территории ее западной и восточной частей, тогда как для Средней Сибири аэрозольная компонента до настоящего времени остается малоизученной
[5, 6].
Четырехлетний мониторинг атмосферных аэрозолей, осуществляемый на базе созданной в 2006 г. международной обсерватории "20ТТ0",
1 Работа выполнена при финансовой поддержке международного проекта МНТЦ № 2757 и проекта Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-исследовательской деятельности.
в среднетаежной подзоне Приенисейской Сибири, позволил провести интегральную оценку их характеристик, определить вероятные источники происхождения и выявить закономерности переноса. Представленные результаты в значительной мере дополняют существующие представления об аэрозольном составе атмосферы, формируемом в фоновых природно-климатических условиях среднетаежной подзоны Сибири и бореальной зоны Евразии в целом.
материалы и методы. Район исследований расположен в среднетаежной зоне Сибири в районе пос. Зотино (60 с.ш. 90 в.д.) Туруханс-кого района Красноярского края. Тип климата -континентальный, с суровой и снежной зимой и прохладным, влажным летом. Рельеф территории представлен чередованием уплощенных холмов, валов и грив. Геоморфология, литология и климат способствуют значительной заболоченности, составляющей около 60% территории. Структура растительного покрова в районе исследований определяется мозаикой лесоболотных биогеоценозов, приуроченных к различным элементам ландшафта [2, 3].
Измерительная мачта (304 м), лаборатория и газоаналитический комплекс для проведения мониторинга атмосферных составляющих были установлены в период с 2004 по 2006 г. Высота мачты позволяет исследовать относительно од-
нородную часть атмосферы - пограничный слой, что дает возможность интегральной оценки парниковых газов и аэрозолей, как формируемых биогеоценозами в зоне охвата мачты (~1000 км2), так и приносимых в район исследований в результате дальнего атмосферного переноса. Подробная информация по обсерватории и комплексу установленного газоаналитического оборудования представлена на электронном ресурсе (www. zottoproject.org), а также в работах [12, 14]. На обсерватории с 2006 г. проводится оперативный мониторинг широкого спектра приземных концентраций парниковых газов (C02, CH4, CO, 03, N0x), физико-химических характеристик аэрозолей атмосферы и с 2008 г. метеорологических показателей.
Для исследования аэрозолей поток атмосферного воздуха (40 л/мин) поступал в лабораторию по трубопроводам от двух воздухозаборников, расположенных на высотах 50 и 300 м. Концентрация аэрозолей измерялась анализатором дифференциальной подвижности частиц, посредством конденсационного счетчика TSI 3760А (TSI Inc., США). Измерения коэффициентов поглощения света атмосферными аэрозолями проводились посредством абсорбционного фотометра (PSAP) (Radiance Research., США). Измерения концентрации угарного газа в атмосфере осуществлялись с помощью СО анализатора (Aerolaser) (Aerolaser Gmbh., Германия). Подробное описание экспериментальной установки представлено в работах [8, 11]. Метеорологические параметры были взяты с метеостанции в п. Ворогово (WMO #23973) с координатами 61°00' с.ш. 89°45' в.д., расположенной на высоте 49 м над уровнем моря, в 40 км к северу от обсерватории и находящейся с ней в однородных природно-климатических условиях. Информация об оптической толще дымового аэрозоля и сульфатов в районе исследований предоставлена лабораторией NRL Monterey.
Статистическая обработка результатов проводилась с использованием математического пакета OriginPro 8. Обратные 144-часовые 3D траектории переноса воздушных масс рассчитывались для набора данных по аэрозольным характеристикам за четырехлетний период наблюдений (20062009 гг.) с использованием PC версии HYSPLIT -траекторной модели, предоставленной лабораторией ARL NOAA [10]. Расчет траекторий производился из набора метеорологических полей GDAS, имеющих 3-часовой период измерений, пространственное разрешение порядка 1° и профиль уровней давления (1000, 925, 850 гПа и т.д.).
Алгоритм кластерного анализа траекторий базировался, главным образом, на подходе Дорлинга [9] с использованием метода ^-средних. В общей сложности было проведено около 3000 кластерных итераций, в результате которых получено 10 кластеров 144-часовых обратных траекторий переноса воздушных масс в район обсерватории.
Результаты и обсуждение. Установлено, что за четырехлетний период наблюдений (20062009 гг.) микрофизические показатели аэрозолей, как интегральные, так и сезонные, демонстрируют более высокие значения на высоте 50 м (табл. 1). Среднее отношение счетной концентрации аэрозолей на высоте 50 м к их содержанию на уровне 300 м (^0/К300) составляет 1.3, а отношение
4000
3000-
5 о
2000- — J
1000-
I—I—НН—Г"Г"Т'"1—I—h
янв фев мар аир май тон июл авг сен окт ноя дек Месяц
Рис. 1. Сезонный ход счетной (М, см-3), объемной концентрации аэрозолей (V, мкм3 см-3), и коэффициенты поглощения при I = 570 нм (а м-1). Квантили (25, 50 и 75%).
янв фев мар апр май июн июл авг сен окт ноя дек
Рис. 2. Основные метеорологические параметры в районе исследований.
объемных концентраций (У50/У300) равно 1.0. Данный факт может свидетельствовать о том, что на 50 м оцениваются аэрозоли, формируемые, главным образом, приземными источниками, а 300-метровый уровень частично отражает их ме-зомасштабный перенос. Это также говорит о том, что в районе исследований имеются перманентные источники аэрозолей в атмосферу.
Годовой ход концентрации аэрозолей демонстрирует сравнительно невысокие концентрации в осенний период, более высокое их содержание зимой и два максимума в весенний и летний периоды (рис. 1).
Так, в зимне-весенний период (декабрь-март) изменение температурной стратификации атмосферы способствует нарастанию приземной концентрации аэрозолей, обусловленной, главным образом, их локальным транспортом из близле-
жащих населенных пунктов (п. Зотино, п. Воро-гово и др.) в период отопительного сезона. Минимальные температуры в районе исследований держатся в период с декабря до середины февраля (рис. 2), на время которого приходится пик отопительного сезона.
Это подтверждают как увеличенные концентрации СО в атмосфере (рис. 3), так и повышенные значения объемной концентрации аэрозолей и коэффициенты поглощения света аэрозольными примесями (а ) (рис. 1), наблюдаемые в этот период и свидетельствующие о высоком содержании в атмосфере крупнодисперсных фракций аэрозолей, а именно частиц сажи.
Также возможен региональный перенос загрязненного воздуха из индустриальных центров. Если при развитой конвекции летом влияние индустриальных центров простирается на десятки километров и не отражается на атмосферном составе в районе станции, то в условиях устойчивой стратификации в зимний период зона влияния промышленных центров распространяется на многие сотни километров и обсерватория может попадать в зону влияния таких загрязнений регионального масштаба.
Значительные всплески счетной концентрации аэрозолей в апреле (рис. 4б, в), варьирующие по величине за годы наблюдений, но формирующие стабильно повышенный среднегодовой уровень в этом месяце (рис. 1), обусловлены явлением арктической дымки. Данное явление возникает в результате дальнего переноса аэрозолей из индустриальных районов Евразии в Арктику, их скоплением там, связанным с особенностями циркуляции атмосферы над Арктикой в зимний
— 2006 — 2007 — 2008 — скользящее среднее (2 мес.)
¿А •»г 1л 1 г
! \ ^Чи^^т V ^__ -ьЖ
янв фев март апр май июнь июль авг сен окт ноя дек
Рис. 3. Сезонный ход концентрации СО в атмосфере.
а)
б)
N. см '
4000 3000 2000 1000 0
2007
— н = 50
— н = 300
1л
05.04 09.04 13.04 17.04 21.04 25.04 29.04 03.05 07.05 13.05
В)
N. см"
80006000400020000-
2008
— Н = 50
— Н = 300
08.04 10.04 12.04 14.04 16.04 18.04 20.04 22.04 24.04 26.04
Рис. 4. Распространение и оптическая толща сульфатных аэрозолей в районе обсерватории (а) и повышения концентраций аэрозолей в 2007 г. (б) и 2008 г. (в) в период возникновения арктической дымки.
период, и дальнейшим переносом в весеннее время в районы умеренных широт [7]. Так, в районе исследований приход аэрозолей с Арктики наблюдается поздней весной, а именно в апреле-начале мая. При этом данные по концентрации сульфатных соединений в атмосфере (рис. 4а) и более сглаженный весенний пик объемной концентрации аэрозолей (рис. 1) свиде
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.