научная статья по теме ИСТОЧНИКИ, СЕЗОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ И ТРАЕКТОРИИ ПЕРЕНОСА АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ НАД ЛЕСНЫМИ ЭКОСИСТЕМАМИ СРЕДНЕЙ СИБИРИ Математика

Текст научной статьи на тему «ИСТОЧНИКИ, СЕЗОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ И ТРАЕКТОРИИ ПЕРЕНОСА АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ НАД ЛЕСНЫМИ ЭКОСИСТЕМАМИ СРЕДНЕЙ СИБИРИ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 441, № 5, с. 689-693

= ГЕОГРАФИЯ

УДК 511.510.3

ИСТОЧНИКИ, СЕЗОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ И ТРАЕКТОРИИ ПЕРЕНОСА АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ НАД ЛЕСНЫМИ ЭКОСИСТЕМАМИ СРЕДНЕЙ СИБИРИ

© 2011 г. А. В. Панов, И. Хайнтценберг, В. Бирмили, Р. Отто, С. Чи, Г. К. Зражевская, А. В. Тимохина, С. В. Верховец, М. Андреа, А. А. Онучин

Представлено академиком Е.А. Вагановым 16.06.2011 г. Поступило 16.06.2011 г.

Получение достоверных данных о характеристиках аэрозолей, закономерностях в процессах их образования и переноса в фоновых природно-климатических условиях является необходимым требованием для верификации существующих климатических моделей [1, 2].

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—4]. Однако существующая система мониторинга атмосферных аэрозолей в Сибири охватывает в основном территории ее западной и восточной частей, тогда как для Средней Сибири аэрозольный компонент до настоящего времени остается малоизученным [2, 3].

Четырехлетний мониторинг атмосферных аэрозолей в среднетаежной подзоне Приенисей-ской Сибири, осуществляемый на базе международной обсерватории ZOTTO, позволил провести интегральную оценку содержания аэрозолей атмосферы, определить их источники и выявить закономерности в процессах переноса. Представленные результаты в значительной мере дополняют существующие представления об аэрозольном составе атмосферы, формируемом в фоновых

Институт леса им. В.Н. Сукачева

Сибирского отделения Российской Академии наук,

Красноярск

Институт тропосферных исследований им. Лейбница, Лейпциг, Германия Институт химии им. М. Планка, Майнц, Германия

Сибирский федеральный университет, Красноярск

природно-климатических условиях Средней Сибири и бореальной зоны Евразии в целом.

Район исследований находится в среднетаежной подзоне Приенисейской Сибири в районе п. Зотино (60° с.ш., 90° в.д.) Туруханского района Красноярского края. Тип климата — континентальный, с суровой и снежной зимой и умеренно теплым, 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, расположенных на различных элементах ландшафта [5, 6].

Измерительная мачта (304 м) и газоаналитический комплекс для проведения мониторинга атмосферных составляющих установлены в 2004— 2006 гг. Высота мачты позволяет исследовать относительно однородную часть атмосферы — пограничный слой, что дает возможность интегральной оценки парниковых газов над значительной территорией (~1000 км2). Подробная информация по обсерватории и комплексу установленного газоаналитического оборудования представлена на электронном ресурсе http://www.bgc-jena.mpg.de/bgc17 systems/projects/zotto/index.shtml, а также в работах [7, 8]. На обсерватории проводится оперативный мониторинг широкого спектра приземных концентраций парниковых газов (CO2, CH4, CO, O3, NOX), физико-химических характеристик аэрозолей атмосферы и 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 на основе конденсационного счетчика частиц TSI 3760А (TSI Inc., США). Измерения коэффициентов по-

690 ПАНОВ и др.

Таблица 1. Счетная и объемная концентрации атмосферных аэрозолей на профиле высот

Концентрация Квантиль, % Годичные значения Май-август Ноябрь-февраль

50 м 300 м 50/300 50 м 300 м 50/300 50 м 300 м 50/300

N, см-3 25 970 750 1.3 1040 890 1.2 860 630 1.4

50 1650 1290 1.3 1630 1390 1.2 1490 1190 1.3

75 2650 2140 1.2 2390 2110 1.2 2600 2070 1.3

V, мкм3 • см-3 25 2.8 2.3 1.2 3.0 2.5 1.2 3.4 2.8 1.2

50 5.0 5.0 1.0 5.1 4.7 1.1 5.4 4.8 1.1

75 8.7 8.7 1.0 8.9 7.9 1.1 9.8 8.3 1.2

глощения света атмосферными аэрозолями проводили посредством абсорбционного фотометра (PSAP) (Radiance Research., США). Подробное описание экспериментальной установки представлено в работах [4, 9].

Статистическую обработку результатов проводили с использованием математического пакета Origin Pro 8. Обратные 144-часовые SD-траекто-рии переноса воздушных масс были рассчитаны с использованием PC версии HYSPLIT — траектор-ной модели, предоставленной лабораторией ARL NOAA [10]. Расчет траекторий производился из набора метеорологических полей GDAS, имеющих трехчасовой 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 и др. [11] с использованием метода ^-средних. В общей сложности проведено около 3000 кластерных итераций.

Установлено, что за четырехлетний период наблюдений (2006—2009 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 (N50/N300) составляет 1.3, тогда как отношение объемных концентраций (V50/V300) равно 1.0. Данный факт свидетельствует о том, что приземные источники аэрозолей в целом являются доминирующими для района исследований, а формируемые ими аэрозоли представлены в основном мелкодисперсными фракциями. 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, обусловленному как их локальным транспортом из близлежащих населен-

ных пунктов (п. Зотино, п. Ворогово и др.) в период отопительного сезона, так и региональным переносом из индустриальных районов.

Повышенные значения объемной концентрации аэрозолей и коэффициенты поглощения света аэрозольными примесями (стар), свидетельствуют о высоком содержании в атмосфере крупнодисперсных фракций аэрозолей, а именно частиц сажи. Значительный всплеск счетной концентрации аэрозолей в весенний период (апрель) обусловлен явлением арктической дымки, образующейся в результате дальнего переноса аэрозолей из индустриальных районов Евразии. При этом соответствующий весенний пик объемной концентрации аэрозолей более сглажен. Это свидетельствует о том, что они представлены в значительной мере мелкодисперсными фракциями сульфатных аэрозолей [12]. Спад концентрации аэрозолей в мае можно объяснить минимальным влиянием антропогенных источников и температурных инверсий, в то время как подстилающая поверхность еще недостаточно прогрета для формирования аэрозолей.

В летне-осенний период значительная часть аэрозолей, как правило, имеет природное происхождение (почвенно-эрозионные процессы, растительность) [2—4]. Летом природным источником аэрозолей служат процессы формирования растительным покровом вторичных аэрозольных частиц за счет окисления летучих органических соединений [1, 13]. При этом преобладание слабоподвижных малоградиентных барических образований способствует накоплению тропосферного аэрозоля. Вместе с тем значительный вклад в содержание аэрозолей вносят и газоаэрозольные эмиссии, возникающие при лесных пожарах. В результате наблюдается резкое возрастание содержания крупнодисперсных частиц сажи в атмосфере, о чем свидетельствуют повышенные коэффициенты поглощения света аэрозолями в июле (квантиль 75%) (рис. 1). Таким образом, качественные характеристики аэрозолей позволяют выявить влияние лесных пожаров на аэрозольный компонент для территории Средней Сибири.

ИСТОЧНИКИ, СЕЗОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

691

В осенние месяцы общее снижение уровня аэрозолей обусловлено большим по сравнению с другими сезонами количеством дней с туманами и обложными осадками, способствующими очищению атмосферы и снижающими роль подстилающей поверхности в формировании аэрозолей [2—4].

Наряду с синоптическими флуктуациями долговременный мониторинг аэрозольных характеристик и проведенный кластерный анализ обратных траекторий [10, 11] позволили изучить процессы регионального (континентального) переноса воздушных масс в районе исследований и сопряженных с ним изменений аэрозольного состава атмосферы. Так, установлено, что воздушные массы, как правило, приходят в район обсерватории с западного и северного направлений в результате западных ветров, характерных для средних широт. Часть траекторий приходит в район обсерватории с Северной Атлантики (кластер 2), территорий Северной и Центральной Европы (кластеры 3 и 4) и южных регионов Европейской территории России (ЕТР) (кластеры 5, 6), а остальные приходят с акватории Северного Ледовитого океана (кластеры 1, 10) и его прибрежных территорий (кластеры 8, 9) (рис. 2, табл. 2).

Низкие концентрации аэрозолей (430—450 см-3) характерны для воздушных масс, переносимых с Северного Ледовитого океана и прибрежных территорий (район п-ова Ямал) — кластеры 1, 9 и 10. Средние концентрации (600—810 см—3) типичны для траекторий, идущих с западных направлений и охватывающих обширную территорию, простирающуюся от Северной Атлантики до Центральной Азии — кластеры 2, 3, 4, 6 и 7, а также воздушных масс, приходящих летом с прибрежной территории Северного Ледовитого океана (район п-ова Таймыр) — кластер 8. Повышенные концентрации (1220 см—3) характерны для воздушных масс, идущих летом через южные районы ЕТР и Республику Казахстан (кластер 6), где значительные территории заняты эрозионно нарушенными пахотными землями.

Максимальная частота встречаемости

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.

Показать целиком