УДК 551.524.3+[551.510.534:551.51Q.522](470.63)
Инверсии температуры и их влияние на концентрацию приземного озона в окрестностях Кисловодска
И. Н. Кузнецова*, Н. Ф. Еланский**, И. Ю. Шалыгина*, Е. Н. Кадыгров***, А. Д. Лыков***
В г. Кисловодск и его окрестностях в экспедиционных условиях в апреле — мае 2000 г. с помощью дистанционного профилемера МТП-5 проводилось измерение температуры в нижнем 600-метровом слое атмосферы. Подтвержден вывод о решающей роли инверсионных слоев в формировании ночного минимума концентрации приземного озона в предгорной местности с котло-винообразным рельефом. В районе Кисловодской высокогорной научной станции инверсии температуры чаще всего имели адвективную природу. Обнаружено влияние ветрового режима на содержание озона в приземном воздухе. Экспедиционные наблюдения подтвердили вывод о том, что в этом районе изменчивость концентрации озона в приземном слое атмосферы аналогична ее изменчивости в свободной атмосфере и что существуют два основных механизма, регулирующих содержание озона, — адвективный перенос и вертикальный перенос из верхних слоев атмосферы.
Введение
На Кисловодской высокогорной научной станции Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН (43,7° с. ш., 42,7° в, д., 2070 м над уровнем моря) более 12 лет проводятся наблюдения за содержанием озона в приземном слое атмосферы, которые сопровождаются стандартными метеорологическими наземными наблюдениями. С 1998 г, подобные наблюдения проводятся в г. Кисловодск для контроля влияния антропогенного загрязнения на изменения концентрации озона в приземном слое атмосферы в районе научной станции. Весной 2000 г. здесь проводились комплексные исследования состава атмосферы в рамках международного эксперимента TROICA-6 (Transcontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere) [4]. Уникальность экспедиционных наблюдений состояла в проведении серии одновременных измерений большого числа газовых и аэрозольных примесей, метеорологических и радиационных характеристик атмосферы последовательно в парковой зоне г. Кисловодск (920 м над уровнем моря) и на Кисловодской высокогорной научной станции. Кроме того, впервые на кавказском высокогорье проведено вертикальное зондирование
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации.
** Институт физики атмосферы Российской академии наук.
*** Центральная аэрологическая обсерватория.
температуры нижних слоев атмосферы. Для этого использовался отечественный дистанционный радиометрический комплекс МТП-5 [1], позволяющий практически непрерывно с высоким разрешением по вертикали (50 м) измерять вертикальное распределение температуры в нижнем 600-метровом слое. Одна из научных задач экспедиции состояла в изучении связей изменчивости концентрации приземного озона с устойчивостью пограничного слоя, в частности с инверсиями.
Климатические характеристики инверсий в пограничном слое, наиболее полно обобщенные в работе [2], рассчитаны по данным 4-разового радиозондирования, проводившегося, как правило, вблизи крупных городов. Весь кавказский регион в [2] представлен шестью пунктами, четыре из которых находятся в прибрежных районах Черного и Каспийского морей. С помощью анализа данных экспедиции предполагалось получить ответ на вопрос, насколько обосновано использование такого рода данных для горных регионов со схожими и отличающимися орографическими условиями при выполнении модельных и других оценок влияния метеорологических факторов на содержание озона в приземном воздухе.
Использованные данные
Комплексные наблюдения за составом атмосферы в парковой зоне Кисловодска проводились с 14 по 29 апреля, на Кисловодской высокогорной станции — с 30 апреля по 15 мая 2000 г.
В настоящей работе анализируется связь между устойчивостью нижнего 600-метрового слоя атмосферы и концентрацией озона в приземном слое в предгорьях и на высокогорье. Основное внимание уделено ночным условиям, наиболее благоприятным для появления инверсионных слоев, препятствующих вертикальному обмену. Изменчивость концентрации озона в инверсионных условиях — малоизученная часть проблемы изменения общего содержания озона под влиянием метеорологических факторов, тем более в регионе с редкой сетью аэрологического зондирования.
К анализу привлекались данные о синоптической ситуации, траекториях воздушных масс в нижней тропосфере, а также экспедиционные наблюдения за метеорологическими величинами у поверхности земли (направление и скорость ветра, относительная влажность, температура, давление, солнечная радиация), которые велись с помощью автоматизированной метеостанции СКАН-1 и отдельных метеодатчиков Института химии Макса Планка (ИХМП). Непрерывные измерения концентрации озона в приземном воздухе осуществлялись с помощью двух однотипных газоанализаторов Б А81В1-1008118, БА81В1- 1008АН (точность измерений ±1 млрд-')• Режим работы приборов — непрерывный круглосуточный; время единичного измерения 10 с.
Данные измерений приземной температуры с помощью контактных термометров СКАН-1 и ИХМП использовались для калибровки профиле-мера МПТ-5. Отметим, что в Кисловодске приборы были установлены на крыше здания санатория "Пикет", что могло сказаться на их показаниях в сторону завышения температуры в ночное время по сравнению со значениями температуры на нижнем уровне профилемера из-за значительной
теплоемкости самого здания. Результаты аналогичного сравнения на Кис-ловодской высокогорной научной станции обнаружили расхождения температуры в ночные часы другого знака: температура на нижнем уровне профилемера была выше, чем по данным приборов, установленных над покрытой луговой растительностью поверхностью. Эта разность в условиях научной станции в большинстве случаев не превышала 1°С, в то время как в г. Кисловодск она иногда достигала 2—3°С. Отсюда следует, что все данные высокогорного этапа экспедиции методически выдержаны, а городские наземные измерения содержат небольшую антропогенную составляющую, обусловленную искусственной подстилающей поверхностью. Но эти обстоятельства не служат препятствием для анализа временных изменений задерживающих слоев по данным МТП-5 без дифференцирования инверсии на типы — приземная или приподнятая. Так как отклонения температуры нижнего уровня профилемера в ту или иную сторону соответствуют смещению нуля прибора, это не влияет на структуру вертикального профиля температуры.
Результаты и обсуждение
Во время экспедиционных наблюдений в Кисловодске синоптическая ситуация характеризовалась значительной изменчивостью: антициклон в начале работ был оттеснен черноморским циклоном. Последний проходил с выраженными теплым и холодным фронтами; почти двое суток район находился в его теплом секторе. Имели место период малоподвижного орографического фронта и сформированного в тылу циклона в относительно прохладном воздухе небольшого антициклона. На высокогорный период экспедиции пришлось два вторжения холодного воздуха с выпадением снега и установлением временного снежного покрова. Было два эпизода вторжения сухой и теплой воздушной массы из Средней Азии. Благоприятных условий для формирования "застойных" синоптических ситуаций, когда решающую роль в термическом режиме приземного атмосферного слоя играют локальные процессы, не наблюдалось. Разнообразие погодных условий позволило наблюдать не только изменчивость состояния пограничного слоя атмосферы в предгорье и на высокогорье под влиянием макропроцессов, но и обнаружить некоторые явления и эффекты, связанные с проявлением местных физико-географических особенностей или с дальним переносом.
Самостоятельный интерес представляют данные о стратификации температуры в окруженной горами местности. Следует отметить, что перепад высот между основанием котловины, в которой расположен Кисловодск, и окружающими ее вершинами колеблется от 100 до 300 м. В орографически похожем г. Ереван средняя многолетняя повторяемость ночных инверсий, рассчитанных по данным радиозондирования, в апреле составляет почти 65%, из них 32% — приподнятые инверсии с нижней границей на высоте 100—500 м. В г. Тбилиси повторяемость задерживающих слоев в этом месяце приближается к 60%, но в отличие от Еревана приподнятые инверсии с нижней границей до 500 м крайне редки. В общую повторяемость такого типа инверсий (32%) они дают только около 2% [2]. 42
В период экспедиционных наблюдений инверсии в Кисловодске отмечались каждую ночь (табл. 1), Следует отметить, что при общей большой климатической повторяемости инверсий в это время года 100%-ная повторяемость инверсий во время экспедиции — отражение не только локальных условий, но и крупномасштабных атмосферных процессов. В половине случаев инверсионные слои начинали формироваться вечером, чаще всего между 20 и 22 ч. Если инверсии не появлялись до полуночи, то в 70% случаев они начинали формироваться в интервале между 0 и 3 ч, а оставшиеся 30% случаев — не позже 5 ч, (Случай самого длительного задерживающегося слоя над г. Кисловодск, который сохранялся в течение 16 ч, был отмечен при прохождении центра циклона с 16 ч 21 апреля до 8 ч 22 апреля.)
Восход солнца за время экспедиции в Кисловодске сместился с 7 ч 30 мин к 7 ч местного времени. Инверсионные слои, как правило, полностью разрушались около 8 ч, и только в трех случаях это случалось на 1—1,5 ч позже. На выборке случаев без атмосферных фронтов (т. е. с исключением инверсий адвективных и смешанного типа) подтверждена известная закономерность: зависимость образования инверсии от скорости ветра. Данные показали, что если в период с 20 до 24 ч скорость ветра превышала 2 м/с, то задерживающий слой формировался в 1—2 ч ночи и сохранялся в среднем 5—7 ч. Если ветер вечером ослабевал до 0—2 м/с, то инверсии возникали уже в 21—22 ч и сохранялись при слабом ветре в течение 10—11 ч.
В качестве "неожиданных" результатов наблюдений экспедиции можно назвать особенности ночного ветрового режима. Так, весь период в ночное время в г. Кисловодск отмечался ветер северо-западного сектора, в то время как ведущий поток в нижней тропосфере менялся практически во всем спектре возможны
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.