ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 4, с. 538-546
УДК 551.510.41:551.510.42
ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ АНОМАЛЬНУЮ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОКИСИ УГЛЕРОДА В РАЙОНЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
© 2007 г. М. В. Макарова, В. С. Косцов, А. В. Поберовский
Санкт-Петербургский государственный университет 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1
E-mail: zaits@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 06.12.2006 г., после доработки 15.02.2007 г.
Проанализированы результаты измерений спектроскопическим методом общего содержания окиси углерода в районе Санкт-Петербурга в период лесных пожаров в августе-сентябре 2002 г. С помощью модели HYSPLIT рассчитаны траектории воздушных масс и получено распространение СО в мезомасштабе в период измерений. На основе расчетов по модели HYSPLIT и результатов измерений общего содержания окиси углерода получена оценка удельной интенсивности эмиссии СО в псковском лесном пожаре 28 августа-8 сентября 2002 г., которая составила 0.17-0.26 кг/м2. Данная оценка может быть использована для определения интегральной эмиссии СО в атмосферу за счет пожаров в лесах северо-запада РФ, а также для модельных расчетов полей концентрации СО в атмосфере. Оценка эмиссии СО при лесных пожарах, осуществленная для наземных измерений, может быть также реализована для спутниковых измерений в том случае, если они позволяют получать информацию о содержании СО в нижних слоях тропосферы (0-2 км).
1. ВВЕДЕНИЕ
Окись углерода (СО) является одной из важнейших газовых компонент, контролирующих окислительную способность тропосферы (посредством реакции с OH). СО является показателем антропогенной загрязненности воздуха и оказывает влияние на концентрацию озона в тропосфере [1]. В связи с важной ролью, которую играет окись углерода в тропосферной химии, исследование СО продолжает оставаться актуальной задачей. Осуществляются спутниковые программы MOPITT [2], SCIAMACHY [3] и др., в которых сделан особый акцент на измерениях содержания СО в тропосфере. В 2005 г. создана специальная рабочая группа, в задачи которой входит координация экспериментальных и теоретических исследований, посвященных атмосферной окиси углерода [4]. Продолжаются измерения CO на международных сетях наземных станций: NOAA и NDACC. Сеть NOAA проводит локальные газохроматографиче-ские измерения приземных концентраций различных газов, в том числе и СО, более пятнадцати лет [5]. Сеть NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change, ранее эта сеть именовалась NDSC) с 1991 г. осуществляет измерения характеристик аэрозольного и газового состава в стратосфере и тропосфере. При этом для восстановления общего содержания и элементов вертикального распределения концентрации СО на сети станций NDACC используются спектры высокого
разрешения, регистрируемые Фурье-спектрометрами [6]. На территории России спектроскопические измерения общего содержания СО в атмосфере ведутся в НИИФ СПбГУ [7], ИФА РАН [8] и ИЭМ [9]. Осуществляется программа комплексного исследования газового и аэрозольного состава атмосферы при помощи передвижной обсерватории ТРОЙКА (Транспортируемая обсерватория для исследования и контроля атмосферы) [10].
Экспериментальная информация используется для анализа пространственно-временной изменчивости СО в атмосфере, а также в той или иной мере усваивается атмосферными моделями различного пространственного масштаба и разрешения [4]. Совместный анализ экспериментальных данных и результатов моделирования позволяет выявить наиболее значимые факторы, определяющие изменчивость окиси углерода в атмосфере, а также оценить достоверность транспортно-фо-тохимических моделей и их прогнозов. Это особенно важно, поскольку современные модели, дополненные результатами сетевых и спутниковых измерений, подошли к возможности оперативного прогноза химического состава воздуха в региональном масштабе (например, модели М08А0Е, БОЬСНЕМ, СШМЕИЕ и др.) [11]. Методы "обратного моделирования", основанные на минимизации рассогласований между измеряемыми и моделируемыми значениями содержания СО, позволяют более точно определять интенсивности различных ис-
точников окиси углерода. Примером может служить совместное использование модели MOZART и результатов спутникового эксперимента MOPITT для 2000-2003 гг. [12].
Настоящая работа посвящена анализу изменения общего содержания окиси углерода в районе Санкт-Петербурга в период лесных пожаров в августе 2002 г.
С помощью модели HYSPLIT рассчитаны траектории воздушных масс и распространение СО в атмосфере от очага лесного пожара, расположенного в Псковской и Новгородской областях. Как результат расчета эволюции струи СО от источников с известным местоположением и площадью при учете измерений общего содержания СО непосредственно в шлейфе, получена оценка интенсивности эмиссии СО от рассматриваемого источника (в данном случае таким источником был псковский лесной пожар 4-6 сентября 2002 г.). Обсуждается возможность использования аналогичного подхода к оценке эмиссий СО при лесных пожарах при наличии спутниковых измерений содержания СО в нижней тропосфере.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Спектроскопические измерения общего содержания окиси углерода (для которого в дальнейшем будем использовать обозначение Q) постоянно проводятся в НИИ физики Санкт-Петербургского государственного университета, начиная с 1995 г. [7]. Полученный массив данных позволяет проводить анализ изменчивости этой атмосферной компоненты в различных временных масштабах - от дневного хода до тренда [7]. Для окиси углерода характерны значительные сезонные колебания с максимумом в феврале-марте, имеющие амплитуду около 25% от среднего значения Q. Изменения Q в масштабах нескольких суток обычно составляют не более 5%, однако в нескольких случаях были зарегистрированы и существенно большие значения изменчивости. Погрешность среднедневных значений общего содержания составляет 1-4% [7]. Анализ таких случаев позволяет выявить наиболее важные факторы, ответственные за наблюдаемые вариации общего содержания СО. Отметим, что рассматриваемые нами изменения обычно происходят в течение 2-5 дней, что существенно меньше времени жизни СО в атмосфере [1], поэтому маловероятно, что причиной этих изменений служат химические процессы в атмосфере.
3. МОДЕЛЬ HYSPLIT
Модель HYSPLIT (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) - законченная вычислительная система, созданная совместными усилиями сотрудников NOAA и Australia's Bureau of
Meteorology [13]. HYSPLIT позволяет проводить как простые расчеты траектории движения элемента воздушной массы, так и моделирование процессов распространения и осаждения примеси в атмосфере (при использовании дополнительных дисперсионных модулей). Расчеты с использованием модели HYSPLIT могут быть осуществлены как через Интернет (при посредстве системы READY на сайте http://www.arl.noaa.gov/ready), так и на персональном компьютере (для чего необходимо загрузить исполняемый файл модели HYSPLIT и метеорологические базы данных с того же сайта). Во избежание чрезмерной вычислительной загруженности сервера, интернет-версия модели имеет ряд ограничений.
4. ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ
ЭМИССИИ ОКИСИ УГЛЕРОДА ПРИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРАХ
Анализ наземных спектроскопических измерений общего содержания СО, проведенных при определенных специфических атмосферных условиях и дополненных результатами моделирования (HYSPLIT), а также необходимой спутниковой и метеорологической информацией, в ряде случаев позволяет не только уверенно указать фактор, оказавший влияние на результаты измерений, но также получить количественные оценки этого фактора. Период мощных лесных пожаров конца августа-начала сентября 2002 г. с интенсивной эмиссией СО в атмосферу, рассматривающийся нами как яркий пример связи аномальных изменений общего содержания окиси углерода с процессами адвекции, дает возможность оценить интенсивность действующих в это время источников СО.
Подробно рассмотрим изменения общего содержания окиси углерода (Q), наблюдавшиеся в районе Санкт-Петербурга 28 августа-9 сентября 2002 г. Выбор периода обусловлен наличием мощных источников окиси углерода - сильных лесных пожаров на территории России (как в Сибири, так и на Европейской части РФ). В таких условиях процесс адвекции должен существенно сказываться на наблюдаемых значениях Q. В августе-сентябре 2002 г. они были повышенными из-за большого количества лесных пожаров на всей территории России (и в Европе, и в Сибири). Спектроскопические измерения СО конца августа-начала сентября 2002 г. включают в себя один день измерений (6 сентября) непосредственно в дымовой струе от очагов лесных пожаров Ленинградской, Псковской и Новгородской областей. Известное местоположение пожаров позволяет с помощью дисперсионного блока HYSPLIT провести моделирование распространения струи примеси в атмосфере. Сравнение результатов моделирования с результатами измерений общего содержания окиси углеро-
да в струе позволяет дать оценку интенсивности эмиссии СО при лесных пожарах.
Наземные спектроскопические измерения проводились в выбранный период в течение семи дней: 28 августа, 2, 3, 4, 6, 8 и 9 сентября, их результаты приведены в табл. 1. Рекордное значение (0.63 ± ± 0.05) х 1019 мол/см2 (за весь период спектроскопических наблюдений в районе Санкт-Петербурга) было зарегистрировано 6 сентября 2002 г. Общее содержание СО для 28 августа и 8 сентября меньше рекордного значения примерно в два раза. Еще более низкие значения общего содержания получены 2, 3 и 4 сентября, однако и эти значения нельзя назвать фоновыми (по сравнению, например, с результатами измерений Q за тот же период 2000 или 2001 гг.).
При помощи модели ИУ8РЫТ для всех указанных дней измерений были рассчитаны пятисуточ-ные обратные траектории движения воздушных масс для пункта проведения спектроскопических измерений Q (Санкт-Петербург - Петродворец, 59.88°1Ч, 29.83°Е) на высотах 50, 1500 и 3000 м над ур. моря. Термин "обратная траектория" здесь и далее означает кривую, описываемую при движении элементарным объемом воздуха перед приход
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.