ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2011, том 47, № 6, с. 739-756
УДК 551.510.4:551.588.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОЖАРОВ В ИЮЛЕ-АВГУСТЕ 2010 г. НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКИСЬЮ УГЛЕРОДА АТМОСФЕРЫ МОСКВЫ
И ОКРЕСТНОСТЕЙ
© 2011 г. Е. В. Фокеева*, А. Н. Сафронов*, В. С. Ракитин*, Л. Н. Юрганов**,
Е. И. Гречко*, Р. А. Шумский*
*Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017, Москва, Пыжевский пер., 3 **Объединенный центр Земной Системной технологии, Мерилендский университет Балтимора,
Балтимор, МД, США E-mail: vadim@ifaran.ru, efokeeva@ifaran.ru, safronov_2003@mail.ru Поступила в редакцию 25.03.2011 г., после доработки 18.05.2011 г.
Работа посвящена изучению загрязнения атмосферы Центра европейской территории России во время пожаров лета 2010 г. Представлены результаты наземных (станции ИФА, МГУ и ЗНС) и спутниковых (MOPITT, AIRS спутников Terra и Aqua) измерений общего содержания и концентрации окиси углерода CO, а также данные MODIS спутников Terra и Aqua о пространственно-временном распределении лесных и торфяных пожаров. Проведено сравнение похожих ситуаций 2010 и 2002 гг. и выявлены причины более высоких уровней загрязнения в 2010 г. Применение траекторного анализа, детализированных космических снимков и модельных расчетов позволило выявить расположение и вклад торфяных пожаров в загрязнение воздуха над московским мегаполисом. Приводятся оценки эмиссий от пожаров, полученные двумя независимыми способами.
Ключевые слова: блокирующий антициклон, лесные пожары, торфяные пожары, окись углерода, спектроскопический метод, спутниковые методы, дистанционное зондирование, перенос примесей, оценка эмиссий.
1. ВВЕДЕНИЕ
Аномально жаркая погода летом 2010 г. явилась следствием блокирующего антициклона необычайной длительности и протяженности. Именно длительность и протяженность — главные отличия сложившейся в июне—августе синоптической ситуации от наблюдавшихся на европейской территории России ранее (1972, 1998, 2002 гг.) аналогичных засушливых периодов [1, 2]. Как обычно во время длительной засухи, почти во всех центральных областях сложилась пожароопасная обстановка. Во второй половине июля почти на всем пространстве Центральной части России образовались многочисленные очаги природных пожаров. И хотя общее число и площадь пожаров оказались сравнимы с другими годами, загрязняющий эффект от горения биомассы превзошел все предыдущие случаи. В частности, зафиксированные многими наблюдателями величины концентрации и содержания в атмосфере всевозможных вредных газов и аэрозолей достигали рекордных за все годы наблюдений значений [2].
Как известно, окись углерода (СО) — загрязняющая примесь, которая, наряду с аэрозолями, является хорошим индикатором всех процессов го-
рения. Время жизни СО в атмосфере, в зависимости от сезона, составляет от двух недель до трех месяцев, поэтому СО удобно использовать при изучении процессов переноса.
Целью нашей работы являлось изучение экстремального атмосферного загрязнения окисью углерода воздушного бассейна московского региона в период природных пожаров различными методами. Для изучения собственно загрязнения привлекались наземные и спутниковые измерения содержания СО, наземные измерения концентрации СО в Москве и Звенигороде. Для изучения пространственно-временного распределения пожаров, определения их типов и влияния на состояние воздуха в мегаполисе использовались спутниковые методики оценки площади и общего количества пожаров, их интенсивности и эмиссий. Модельные расчеты переноса воздушных масс и распространения загрязнения позволили выявить основные очаги пожаров, повлиявших на уровень загрязнения. Примененный комплексный подход позволил установить общие характеристики загрязнения воздуха окисью углерода в этот период, их связи с процессами переноса и оценить мощность эмиссий от природных лесных
и торфяных пожаров, а также показать заметное влияние последних на общий уровень загрязнения СО.
2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ, НАБЛЮДЕНИЙ И РАСЧЕТОВ
2.1. Наземные измерения общего содержания CO в атмосфере и его приземных концентраций
Для спектроскопических измерений в толще атмосферы в центре города (ИФА им. А.М. Обухова РАН, 55.739° N 37.6233° Е, далее - ИФА) и на Звенигородской научной станции, (55.738° N 36.882° Е, 53 км к западу от ИФА, далее просто ЗНС) использовались два практически одинаковых комплекса на основе дифракционного моно-хроматора разрешением 0.2 см-1 со следящей за солнцем системой. Содержание окиси углерода определялось по спектрам поглощения солнечного излучения в инфракрасной спектральной области (2153-2160 см-1) [3, 4]. Для обработки спектров использовалась стандартная процедура нелинейных наименьших квадратов, реализованная в MATLAB и учитывающая линии поглощения и вертикальные профили других газов (Н2О, О3, ^О, СО2), а также вертикальные профили температуры и собственно СО. Для расчетов в фоновых условиях или в условиях невысоких загрязнений использовался стандартный вертикальный профиль СО NCAR (тот же самый, что используется в расчетах МОР1ТТ [5]) с приземной концентрацией 120 ррЬ, убывающий с высотой до 80 ррЬ на уровне тропопаузы.
В результате расчетов установлено, что использование профиля с повышенными приземными концентрациями в условиях сильного загрязнения позволяет уточнить величину измеренного содержания в сравнении с содержанием, полученным при использовании стандартного профиля а рюй [6]. В связи с этим в период 01.08-10.08 для расчетов использовался измененный вертикальный профиль СО: на нижнем уровне - измеренные на станциях МГУ и ЗНС приземные концентрации в часы спектроскопических измерений, а начиная с 3 км - концентрации, полученные АЖ8 (см. раздел 2.2) для конкретных дней измерений. Точность единичных значений содержания составляет ±7-8% при использовании стандартного профиля NCAR в условиях невысоких загрязнений [6].
Измерения приземной концентрации СО, представленные в настоящей работе, проводились в Москве (станция наблюдений состава атмосферы Географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова и ИФА им. А.М. Обухова РАН, 55.707° N 37.523° Е, далее МГУ) и на ЗНС с помощью газоанализаторов ТЕ488 (минимальное
регистрируемое значение 100 ppb, при погрешности ±10 ppb), "Thermo Envirinmental Instruments Inc."
2.2. Спутниковые методы определения общего содержания окиси углерода
В настоящей работе для сопоставления с наземными данными использованы результаты измерений общего содержании CO, полученные с помощью орбитальных спектрометров MOPITT и AIRS, регистрирующих спектры поглощения собственного теплового излучения Земли в области 4.6 мкм (для CO). Сенсор MOPITT, установленный на спутнике Terra (запущен в декабре 1999 г.) представляет собой ориентированный в надир корреляционный радиометр бокового обзора, полоса обзора 700 км, полное сканирование земной поверхности занимает примерно трое суток, разрешение по горизонтали 22 х 22 км [5]. Рассчитанное общее содержание зависит от заданных априори вертикальных профилей общего содержания, которые в новейшей базе данных MOPITT V4 [7], ftp://4ftl01.larc.nasa.gov/MOPITT/MOP03.004 учитывают климатические и сезонные особенности поведения фонового CO.
На запущенном в мае 2002 г. космическом аппарате Aqua установлен многоканальный ориентированный в надир дифракционный спектрометр бокового обзора AIRS, http://disc.gsfc.nasa. gov/AIRS/index.shtml.: поле обзора датчика 45 км, полоса сканирования шириной 1650 км в области от 3.7 до 16 мкм, число спектральных каналов 2378 [8, 9]. Сенсор способен ежесуточно охватывать около 2/3 земной поверхности, при этом ежедневно 100% области между 45° и 80° широты в обоих полушариях. Таким образом, AIRS способен отслеживать перенос примеси из районов интенсивных эмиссий [10].
Данные о содержании CO обоих спутниковых сенсоров представляют собой значения общего содержания (ОС) в вертикальном столбе атмосферы и концентрации примеси на нескольких высотных уровнях (от 0 до 12—13 км над ур. моря), причем, как отмечено [6, 11], в условиях высоких загрязнений измеренные на нижних уровнях концентрации могут оказаться сильно (на порядок) заниженными. Это вызвано низкой чувствительностью спутниковых сенсоров к приземному слою (ниже 3 км). При отсутствии пожаров отличия ОС от наземных измерений находятся в пределах ± 10%, в случае экстремальных эмиссий различия могут достигать 100—200% [6, 11]. Стандартное отклонение измеренных со спутников ОС составляет ±(5—30%) в зависимости от сезона и времени измерений.
2.3. Спутниковые методы исследования локализации пожаров и их эмиссий
Использование спутниковых средств и методов дистанционного зондирования для оценки площадей пожаров в наземных экосистемах дает возможность охватывать большие территории и оценивать масштабы изменений в лесах и других типах растительного покрова [12—14]. В локальном и региональном масштабе, основываясь на знании площади, пройденной пожаром, и учитывая тип растительности, можно с помощью различных методик оценить мощность частных эмиссий, т.е. эмиссий разных примесей от пожаров.
В данной работе анализ пожарной ситуации проводился на основе использования космических орбитальных данных MODIS спутников Terra и Aqua [15] в сочетании с использованием тра-екторного анализа и дисперсионного анализа hys-plit NOAA (http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIi:php) и детальных космических снимков местности, предоставляемых сервисом GoogleEarth.
В рассмотрение были включены следующие территории центрального федерального округа: Московская, Тверская, Рязанская, Липецкая, Калужская, Нижегородская, Тульская, Владимирская, Ярославская, Ивановская, Орловская, Смоленская, Пензенская, Тамбовская области и республика Мордовия.
Местоположение пожаров определялось по наборам данных MCD14ML (Global Monthly Fire Location Product), подготовленных Университетом Мэриленда (University of Maryland, Department of Geography), ftp-сервер fuoco.geog.umd.edu [16]. Набор представляет положение пожаров, температуру пикселя по инфракрасным каналам MWIR-21 (T21, 3.929-3.989 мкм) и MWIR-31 (T31, 10.780-11.280 мкм), радиационную мощность источника (FRP, F
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.