УДК 551.510.42;504.3.054;551.501.796
О СОДЕРЖАНИИ МАЛЫХ ГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ НАД МОСКВОЙ
© 2015 г. Н. Ф. Еланский*, М. А. Локощенко**, А. В. Трифанова***, И. Б. Беликов*, А. И. Скороход*
*Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3 **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, географический факультет
119234 Москва, Ленинские горы, 1 ***Международный университет "Дубна" 141982Дубна, Московская обл., ул. Университетская, 19 E-mail: loko@geogr.msu.su Поступил в редакцию 18.07.2013 г., после доработки 26.12.2013 г.
Обсуждаются результаты 11-летних непрерывных ежеминутных измерений состава приземного воздуха на совместной Экологической станции ИФА РАН и Географического факультета МГУ в Москве за период 2002—2012 гг. Показан устойчивый (порядка 1% в год) рост приземного озона и статистически значимое уменьшение окиси азота при остающихся почти неизменными уровнях двуокиси азота. Подробно исследованы достоверные закономерности суточного и годового хода пяти газовых примесей — O3, NO, NO2, CO и SO2. Проанализированы статистические связи содержания двуокиси серы с количеством использованного в городском отоплении резервного топлива (мазута), связь с которым самая сильная, а также со скоростью ветра в слое до 200 м и с температурой воздуха. Впервые на основе многолетних измерений исследовано влияние скорости ветра по данным содара "MODOS" в МГУ на приземное содержание газовых примесей, а также углекислого газа. Показано, что с увеличением скорости ветра содержание окислов азота и углерода в целом уменьшается, озона — растет, двуокиси серы — уменьшается, начиная с промежуточного значения (1—2 м/с) вследствие преобладания высоких источников этого газа. Обнаруженный дополнительный максимум содержания углекислого газа при больших значениях скорости ветра, возможно, связан с процессами дальнего переноса СО2.
Ключевые слова: малые газовые примеси, приземное содержание, многолетняя изменчивость, статистическая значимость, акустический локатор, влияние скорости ветра.
Б01: 10.7868/80002351515010034
1. ВВЕДЕНИЕ
Москва является самым северным мегаполисом мира, располагается на равнине и большую часть года хорошо проветривается воздушными потоками. Эпизодически возникают экстремальные ситуации, сопровождающиеся резким ухудшением качества воздуха. Подобные эпизоды отмечались летом 1972, 2002 и 2010 гг. [1—4]. Между тем условия, вызывающие повышенное накопление загрязняющих примесей в приземном воздухе, — слабый ветер и устойчивая стратификация — могут наблюдаться и в другие сезоны, в том числе зимой. При этом частота возникновения таких условий имеет тенденцию к увеличению [5—7].
В этой связи регулярные измерения состава нижней атмосферы, включая содержание ее ма-
лых газовых составляющих, чрезвычайно важны [8—10]. В Москве государственная сеть постов контроля загрязнения воздуха (Центральное УГМС, в прошлом — ЦВГМО и МосЦГМС-Р) существует с 1966 г.; ныне она насчитывает 16 постов в пределах столицы [11]. Это — единственная сеть, обладающая однородными рядами многолетних данных о загрязнении воздуха в Москве. Однако измерения на этих постах дискретны во времени — производятся лишь от одного до четырех раз в течение дня, что не позволяет подробно исследовать суточный ход тех или иных примесей.
Помимо федеральной сети, в Москве к 2002 г. сформировалась также ведомственная сеть станций Мосэкомониторинга. В последующем она постепенно расширялась, и к настоящему време-
ни число ее постов достигло 30. Измерения на них производятся круглосуточно в автоматическом режиме и охватывают большое число показателей, хотя на качестве данных сказывается оторванность сети Мосэкомониторинга от мировых калибровочных центров.
В феврале 2002 г. на территории Метеорологической обсерватории МГУ в юго-западной части Москвы начала работать Экологическая станция, созданная совместными силами Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН и Географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Здесь ведутся непрерывные ежеминутные измерения приземного содержания ключевых газовых примесей: озона, окислов азота и углерода, двуокиси серы, метана, аммиака, летучих органических соединений. Погрешность измерений 03, N0, М02 и 802 составляет ±1 млрд-1 (по объему), СО — ±50 млрд-1 и СО2 — ±1 млн-1. Измерительные приборы полностью соответствуют Государственному стандарту [12] и международным требованиям к измерительным системам, действующим на сети станций глобального мониторинга атмосферы ВМО (GAW WM0). Подробное описание используемых приборов приведено в [7, 13]. Выгодное местонахождение станции определяется как возвышенным характером местности, предотвращающим возможные застои воздуха, так и обширными зонами зеленых насаждений (Ботанический сад МГУ и парк) вокруг станции. В ближайших ее окрестностях отсутствуют интенсивные источники загрязняющих примесей. Поэтому полученные данные о составе приземного воздуха, который формируется здесь всей совокупностью городских выбросов, показательны для большей части города (кроме промышленных зон и крупных автомагистралей). В отличие от станций Мосэкомониторинга, Экологическая станция обеспечивалась эталонными смесями для калибровки газоанализаторов и газовых хроматографов, полученных как из Всероссийского НИИ метрологии им. Д.И. Менделеева, так и из мировых калибровочных центров, действующих в системе GAW WM0. Высокое качество данных и их привязка к глобальной сети станций мониторинга позволяет корректно оценить качество воздуха в Москве и проводить сравнения с другими крупными городами мира. В настоящей работе на основе одиннадцатилетних наблюдений уточняются сделанные ранее предварительные выводы о закономерностях временной изменчивости содержания в приземном воздухе Москвы основных газовых примесей и проясняются некоторые вопросы, связанные с влиянием на нее скорости ветра.
2. МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ МАЛЫХ ГАЗОВ В МОСКВЕ
Первое обобщение результатов измерений на Экологической станции за один год опубликовано в [14], за первые три года — в [13], отдельно для 802 — в [15]. На основе этих данных были выполнены исследования суточных вариаций концентрации примесей и влияния на их изменчивость некоторых метеорологических процессов [16, 17]. К настоящему времени достигнут качественно новый уровень накопленных данных, позволяющий рассмотреть сезонные и многолетние изменения состава воздуха в Москве, характерные для начала XXI века. На рис. 1 приведены среднегодовые значения приземного содержания пяти основных примесей с 2002 по 2012 гг., определяющих качество воздуха. В среднем за 11 лет содержание озона по наблюдениям на Экологической станции составило 14.4 млрд-1; окиси и двуокиси азота - соответственно 15.4 и 21.2 млрд-1; окиси углерода - 0.5 млн-1; двуокиси серы - 1.4 млрд-1. При исследовании многолетних изменений содержания этих газов нужно учесть, что имеющийся ряд данных охватывает особые условия 2002 и 2010 г., отмеченных продолжительными торфяными и лесными пожарами в летние месяцы вследствие аномальной жары. Эти два года стоят особняком в ряду прочих лет, что влияет на оценки долговременных трендов. Так, высокое (15.9 млрд-1) среднегодовое значение приземного озона в 2002 г., совпавшем по времени с началом работы Экологической станции, определило устойчиво отрицательный линейный тренд этой примеси на протяжении последующих шести лет, причем в первые годы коэффициент линейной регрессии достигал даже -2.0 млрд-1/год. Лишь с учетом данных 2009 г. многолетний тренд приземного О3 в Москве изменил знак (+0.02 млрд-1 /год), а с добавлением среднегодового значения за 2010 год (15.9 млрд-1) составил +0.14 млрд-1/год. Последние два года мало изменили эту величину: в целом за 11 лет приземный О3 растет здесь со скоростью +0.12 млрд-1 /год (т.е. +0.8 % в год с учетом его среднего значения за весь период).
Известно, что в среднем содержание озона как у земли, так и во всей тропосфере во второй половине XX века возрастало в средних широтах приблизительно на 1-2% в год [10]. Однако в последние десятилетия рост приземного озона в Европе замедлился, причем ныне на разных станциях отмечаются его разнонаправленные изменения [18, 19]. Начиная с 1990 г., лишь на 60% всех европейских станций отмечен статистически значимый положительный тренд приземного содержания О3. Скорость изменения этой примеси за период с 1990-1993 гг. по 2003-2005 гг. менялась в широких пределах: от -0.2 до +2.0% в год в целом по Европе и от +0.4 до +0.9% в год на большинстве
ч 25 л
ч
20
св Н О т се л о
о 15
<ч ч
л о
М О
я"
О т
О
10
3.0
2.5
2.0
1.5
я
ч
се
^ ч
3 °
а л
<о й
° н
1.0 |3 £ я м
о ^
<ч
0.5 Ч
2 0 0 2
3 0 0 2
4
0 0 2
5
0 0 2
чо
0 0 2
0 0 2
00
0 0 2
сл
0 0 2
0 2
0 2
0 2
Время, годы
Рис. 1. Среднегодовые значения приземного содержания основных газовых примесей в Москве за период 20022012 гг. 1 — Озон, 2 — окись азота, 3 — двуокись азота, 4 — двуокись серы, 5 — окись углерода.
станций Германии [18]. За более короткий период с 1996 по 2005 гг. содержание приземного О3, по данным 158 сельских станций Европы, менялось со скоростью от —4.1 до +6.0% в год [19].
Знак многолетних трендов этой примеси за последние десятилетия различен и в европейских городах. Если в Дуйсбурге, как и в сельской местности Северного Рейна—Вестфалии (Западная Германия), тренды содержания приземного озона за период 1983—2007 гг. положительные и характеризуются коэффициентами того же порядка, что и в Москве [20], то в Штутгарте (Южная Германия) за период с 1981 по 1993 гг. содержание О3 оставалось почти постоянным [21]. Во Флоренции же (Италия), напротив, в среднем за 1993— 2012 гг. отмечено слабое уменьшение приземного О3 [22].
Полученная нами оценка величины тренда данного газа (+0.8% в год) согласуется с данными европейской сети, поскольку лежит приблизительно в середине диапазона его современных изменений. Отметим, что величина коэффициента в уравнении линейного тренда уже приобрела определенную устойчивость, поскольку с добавлением последних
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.