ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 2, с. 245-254
УДК 551.510.42
ДОЛГОПЕРИОДНЫЕ ВАРИАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ И МИКРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИЗЕМНОГО АЭРОЗОЛЯ В ПОДМОСКОВЬЕ
© 2009 г. А. А Исаков, А. Н. Груздев
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: a.a.isakov@mail.ru Поступила в редакцию 31.08.2006 г., после доработки 10.06.2008 г.
В течение 2001-2006 гг. на Звенигородской научной станции Института физики атмосферы РАН с помощью проточных спектрополяриметра и нефелометра проведены измерения массовой концентрации приземного субмикронного аэрозоля М и его конденсационной активности %; выполнен анализ вариаций этих величин на масштабах от нескольких суток до нескольких месяцев. Показано, что за эти годы в центральной России участились случаи плотных и сверхплотных дымок. Это привело к изменению характера сезонной зависимости массовой концентрации аэрозоля М: в сезонном ходе М появились упорядоченные колебания с увеличивающейся год от года амплитудой. Именно за счет учащения случаев плотных и сверхплотных дымок в 2002-2006 гг. наблюдается значительный монотонный рост среднегодовых значений М. Среднегодовое значение М в 2005 г. выросло по сравнению с 2001 г. более чем в два раза (с 23 мкг/м3 до 56 мкг/м3). Для временного режима М и % свойственны вариации с периодами в окрестности 10, 20, 40-50 суток, а также наиболее долгопериодные вариации с периодами в пределах 70-100 суток. При этом изменчивость массовой концентрации имеет сильно перемежающийся характер. Кросс-спектральный анализ показал, что в целом вариации М когерентны с вариациями %. Если параметры М и % одновременно испытывают вариации с одинаковыми временными масштабами, то, как правило, вариации М на несколько суток запаздывают относительно вариаций %. Изучение механизмов связи между параметрами М и % требует специальных исследований, в том числе исследований состава аэрозоля.
ВВЕДЕНИЕ
Изменчивость приземного аэрозоля обусловлена разнообразными факторами, зависящими от географического положения места наблюдений и времени года (генерация, конкурирующие процессы выноса с поверхности земли и осаждения и т.п.). Важнейшую роль в изменчивости аэрозоля в центральной области России играет смена воздушных масс. Массовая концентрация аэрозоля в морской арктической воздушной массе, располагающейся в тыловой части холодного фронта арктического циклона может опускаться до значений ~5 мкг/м3. В замутненной континентальной воздушной массе теплого сектора циклона или тыловой части антициклона значения массовой концентрации аэрозоля значительно более высокие - десятки и сотни микрограмм в кубическом метре [1]. Соотношение суммарных длительностей нахождения точки наблюдения в той или иной воздушной массе во многом определяет и среднегодовое значение содержания аэрозоля в данной местности.
Временные вариации аэрозольных характеристик анализировались разными авторами. В [2] с помощью спектрального анализа было установлено
наличие вариаций прозрачности атмосферы с периодами от двух суток до двух месяцев и сделана попытка связать некоторые из периодичностей с метеорологическими процессами в атмосфере. В [3] на основе анализа рядов наблюдений характеристик приземного аэрозоля длиной в несколько месяцев для коэффициента рассеяния и "цуг" были обнаружены суточный ход из нескольких квазипериодических колебаний, связанных с синоптическим циклом. В [4] на основе более длинных рядов наблюдений получен годовой ход массовой концентрации субмикронного аэрозоля. Сезонный ход массовой концентрации приземного аэрозоля на Звенигородской научной станции (ЗНС) Института физики атмосферы РАН изучался в [5] по десятилетним рядам наблюдений. На основе комплексных наблюдений составляющих атмосферы в Сибири и Татарстане, включающих измерения массовой концентрации аэрозольных частиц, в [6] и [7] выявлен ряд закономерностей изменчивости аэрозольных характеристик. В [7] установлено наличие в содержании атмосферных примесей и метеопараметрах вариаций с периодом около 50 суток. Вариации с близким периодом обнаружены в приземном содер-
жании двуокиси азота (К02) на ЗНС [8]. Достаточно хорошее соответствие по времени пиковых значений содержания К02 в приземном слое и массовой концентрации приземного аэрозоля установлено в [9] для периода летних пожаров в Подмосковье в 2002 г.
В работе [1] мы проанализировали по данным измерений 2001 и 2004 гг. средний ход и вариации основных интегральных параметров аэрозоля: основной количественной характеристики - массовой концентрации М, параметров Ангстрема а и Хене-ла % (конденсационной активности аэрозоля). Параметр а характеризует крутизну спектрального хода коэффициента рассеяния, параметр % - реакцию частиц на изменение относительной влажности воздуха, т.е. качественный физико-химический состав. Параметр % может быть использован при решении задач облакообразования. Были выявлены колебания с характерными периодами от 7 до 90 суток. Там же обращено внимание на постепенное нарастание, начиная с 2002 г., среднегодовых значений массовой концентрации субмикронного аэрозоля М на ЗНС.
В настоящее время имеются практически непрерывные ряды наблюдений М и % длиной 3.5 года (январь 2003 г. - июнь 2006 г.). Цель работы состоит в анализе вариаций этих двух основных интегральных параметров приземного аэрозоля в Подмосковье на масштабах от нескольких суток до нескольких месяцев и выявлении связи между вариациями этих параметров. Измерения выполнялись на Звенигородской научной станции ИФА с помощью спектрополяриметра и частично - нефелометра В.Н. Сидорова [5]. Станция расположена в сельской местности примерно в 50 км к западу от Москвы.
АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АЭРОЗОЛЯ
Спектрополяриметр регистрирует поляризационные компоненты индикатрисы рассеяния Б на углах 45°, 90° и 135° в спектральном диапазоне 0.40.75 мкм с шагом по длине волны 20 нм. Прибор оборудован низкотемпературным нагревателем для контролируемого подогрева и осушки исследуемого аэрозоля.
Измерения проводились практически ежедневно, и количество пропусков (по техническим причинам) составляло несколько дней в году. Время записи одной регистрограммы составляло 13 мин; обычно прописывался блок из пяти регистрограмм и рассчитывались среднесуточные значения параметров. На их основе рассчитывались средние за сутки значения параметров. При спектральном и вейвлетном анализе пропуски заполнялись путем интерполяции.
Массовая концентрация аэрозоля М оценивалась по величине индикатрисы рассеяния Б на угле 45° на длине волны 0.54 мкм по известной формуле М = 3000Б, где М выражается в мкг/м3, а Б -в км-1 ср-1. Формула является адаптацией известной формулы Горчакова с соавторами [10] при замене в аргументе коэффициента рассеяния а на легко измеряемую и линейно с ним связанную величину Б. Средняя точность определения М составляет около 20%. Использование величины М более привычно для занимающихся исследованием аэрозолей, нежели использование Б.
Оценка конденсационной активности (или параметра Хенела %) получалась коротким методом по двум значениям индикатрисы (Б1 и Б2), полученным при различных значениях температуры и соответственно относительной влажности воздуха (ЯН1 и КН2) в рабочей камере прибора [1]. Таким образом, % есть оптический отклик аэрозоля на уменьшение относительной влажности воздуха, полученное путем его нагрева. Параметр % по смыслу близок к характеристике конденсационной активности у, используемой в Институте оптики атмосферы СО РАН (в ИОА аэрозоль, наоборот, увлажняют [6]), и в диапазоне ИЬ 40%-80% он с ней практически совпадает [1]. Ошибки определения % обусловлены, в первую очередь, флуктуациями характеристик аэрозоля из-за его пространственно-временной неоднородности и составляют в среднем около 0.1. Параметр % по определению не зависит от численной концентрации частиц [1].
В [1] отмечалось, что качество данных % зависит от относительной влажности воздуха на момент измерений, поэтому, начиная с 2004 г., для получения более надежных оценок % измерения выполнялись утром или поздно вечером, когда относительная влажность достаточно высока. Измерения в 2003 г. часто выполнялись и днем. В этот год прохладное дождливое лето в Подмосковье позволило получить дневные данные о %. Наряду со спектрополя-риметром, большую часть времени в 2003 г. работал нефелометр В.Е. Сидорова, также оборудованный низкотемпературным нагревателем воздуха. Это позволило в ряде случаев заполнить пробелы данных в М и % данными нефелометра.
МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДАННЫХ
Для анализа данных измерений применялись различные методы. Метод скользящего осреднения позволяет отфильтровать высокочастотные составляющие изменчивости и сделать более наглядной картину низкочастотных вариаций. Спектральный анализ с помощью метода максимальной энтропии [11], обладающий повышенным спектральным разрешением, позволяет выявить периодичности с вре-
1 - М
2 - Скользящее среднее (и)
3 300 -
к
1"200 р
н
н е я н о к
« ^
я
о с с
^
100 -
Год
Рис. 1. Временные развертки среднесуточных значений массовой концентрации субмикронного аэрозоля М (1) и пят-надцатисуточного скользящего среднего (и) (2) в 2003-2006 гг.
менным масштабом, близким к длине ряда, и полезен для анализа низкочастотных вариаций. Вей-влетный анализ, дополняя спектральный анализ, позволяет выделить отдельные вариации и оценить их временной масштаб. В работе использован вей-влет Морле [12]. При выполнении вейвлетного анализа применялась авторегрессионная экстраполяция рядов на краях [13]. Для выявления взаимосвязи между М и % использован кросс-спектральный анализ [14]. Спектральная когерентность характеризует корреляцию между компонентами двух сигналов с одинаковой частотой, а фазовый спектр - фазовый сдвиг между этими компонентами.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Временная развертка ежедневных среднесуточных значений массовой концентрации М приведена на рис. 1; жирной кривой указано 15-суточное скользящее среднее. Обратим внимание на следующие особенности поведения среднесуточных значений М. В течение вс
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.