ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 3, с. 304-313
УДК 551.576;551.521.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЫЛЕВОЙ МГЛЫ АРИДНОЙ ЗОНЫ © 2013 г. С. Ф. Абдуллаев, В. А. Маслов, Б. И. Назаров
Физико-технический институт им. С.У. Умарова 734063 Таджикистан, Душанбе, ул. Айни, 299/1, Академгородок E-mail: sabur.f.abdullaev@gmail.com Поступила в редакцию 13.01.2012 г., после доработки 05.04.2012 г.
Для выяснения закономерностей влияния пыльной мглы на тепловой режим приземного слоя воздуха изучены данные по измерениям температуры воздуха, полученные на метеорологических станциях Душанбе, Термеза, Байрам-Али, Репетека и Курган-Тюбе. Установлено, что до 90-х годов при мощных пыльных бурях резкое понижение дневной температуры воздуха и небольшое повышение ночной температуры приводили к снижению температуры в приземном слое воздуха. В более позднее время чаще наблюдается пылевая мгла длительностью от 3 до 8 дней с пульсирующим изменением горизонтальной дальности видимости, которая, в зависимости от ее мощности, приводит либо к нагреву, либо к охлаждению приземного слоя атмосферы.
Ключевые слова: атмосфера, климат, экология, пылевой аэрозоль, пылевая мгла, пыльная буря, поглощение, тепловое излучение, температура воздуха, метеорологические параметры, парниковый эффект, антипарниковый эффект.
Б01: 10.7868/80002351513030024
ВВЕДЕНИЕ
Атмосферный аэрозоль, наряду с парниковыми газами и облачностью, играет важную роль в радиационно-климатических процессах [1—11]. Ранее нами изучалось влияние пыльных бурь и пылевой мглы на температурный режим приземного слоя атмосферы [12—19]. Установлено, что пыльные бури приводят к снижению температуры воздуха в приземном слое атмосферы, однако однозначная интерпретация влияния пылевой мглы на температурный режим приземного слоя пока отсутствует. Напомним, что запыленный воздух дополнительно нагревается вследствие из-за нагрева взвешенных в нем частиц проходящим светом (эффект Воейкова). Из-за различия спектра падающего солнечного излучения и теплового излучения почвы и воздуха, а также селективности поглощения частицами аэрозоля и возникают различные тепловые (или температур -ные) эффекты. Для дальнейшего выяснения закономерностей влияния пылевой мглы на температурный режим приземного слоя мы изучили данные по температуре воздуха, полученные на метеорологических станциях Душанбе, Термеза, Байрам-Али, Репетека за период 2005—2011 г. и для Курган-Тюбе за период 2008—2011 г. Карта региона приведена на рис. 1. Выбор географических точек обусловлен тем, что все эти города располагаются примерно по маршруту распространения
пылевых вторжений, достигающих города Душанбе. Различие метеорологических характеристик в этих точках позволяет исследовать эволюцию пылевого облака, образующегося на юге Таджикистана, в Афганистане, Узбекистане или Туркмении. На снимках из космоса весь Центрально-Азиатский регион иногда покрыт пылевым облаком одновременно, свыше 110000 км2, однако к Душанбе пыль приходит только по цепочке долин с юга. Поэтому представляет интерес для статистического анализа значимости географических факторов на метеопараметры, связанные с пылевыми вторжениями.
КОЛИЧЕСТВО ЭПИЗОДОВ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПЫЛЬНОЙ МГЛЫ
По данным, полученным метеостанциями, мы проанализировали количество эпизодов пылевой мглы и их продолжительность, количество дней пылевой мглы, вариации суточного и сезонного хода продолжительности пылевой мглы с 2001 по 2011 г. для Душанбе и с 2005 по 2011 г. для Байрам-Али, Репетека (Туркменистан), Термеза (Узбекистан). По наблюдениям в Таджикистане установлено, что до 90-х годов ХХ века (включая пылевые эпизоды (ПЭ) 20 сентября 1989 г. и 15 октября 1990 г.) пылевые вторжения происходили в основном как сильные пыльные бури продолжительностью 6—8 часов с уменьшением горизонтальной
Рис. 1. Карта местности (1 — Байрам-Али, высота 240 м; 2 — Репетек, 185 м; 3 — Термез, 310 м; 4 — Айвадж, 320 м; 5 — Курган-Тюбе, 429 м; 6 — Душанбе, 822 м).
дальности видимости до 50 метров и с последующими осадками. Начиная с 90-х годов в основном наблюдается пылевая мгла длительностью от 3 до 8 дней с пульсирующим изменением горизонтальной дальности видимости и, что существенно, без осадков. Особенно характерны лето—осень 2001 г., ноябрь 2007 г. (с 5 по 24), август 2008 г. (с 4 по 15), август 2009 г. (с 25 по 29), когда происходили пульсирующие ПЭ с ухудшением горизонтальной дальности видимости до 200 метров. После таких продолжительных эпизодов пылевой мглы пыль осаждалась без осадков, что приводило к очень сильному загрязнению приземного слоя атмосферы.
На рис. 2а—2е приведены результаты статистического анализа данных метеонаблюдений. Можно видеть (рис. 2а), что изменение числа пылевых эпизодов по годам примерно одинаково для всех точек наблюдения. Годы с большей или меньшей пылевой активностью повторяются одновременно на всех метеостанциях. На рис. 2б видно, что продолжительность ПЭ в отмеченные годы имеет неравномерный характер, причем максимумы этих зависимостей смещены относительно друг друга. В случае Курган-Тюбе максимума вообще не имеется, и средняя продолжительность ПЭ остается примерно неизменной. Возможно, это объясняется особенностями географического положения города.
Сезонное изменение длительности эпизодов пылевой мглы для каждой точки наблюдения (рис. 2в—2е) можно считать характеристическим:
оно индивидуально для каждой местности, поскольку зависит от расстояния от источников, от орографического окружения, включая высоту местности, и от соответствующей метеорологической ситуации, включая преобладающие ветра. Сезонные закономерности могут заметно различаться, причем разброс данных по годам не изменяет этой закономерности. Месяцы "чистой" атмосферы или "запыленные" месяцы остаются неизменными для каждой метеостанции. Такие климатические особенности — также следствие их географического положения. Максимальная продолжительность пыльной мглы для всех метеорологических точек наблюдалась в летнее время. Для количественной оценки синхронности пылевых эпизодов в Душанбе и других городах были вычислены соответствующие коэффициенты корреляции: Курган-Тюбе (0.703), Шаартуз (0.913), Бай-рам-Али (0.658), Репетек (0.788), Термез (0.766). Наибольшая синхронность с Душанбе наблюдается в поселке Шаартуз на южной границе Таджикистана около одноименной пустыни.
ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ ПЫЛЕВОЙ МГЛЫ
Оптические свойства пылевого аэрозоля прямо влияют на тепловой режим в запыленной атмосфере. На рис. 3а приведен фотоакустический (ФА) спектр частиц пылевого аэрозоля, характеризующий интенсивность акустического излучения при нагреве образца оптическим излучением (ксеноновая лампа). Преимуществом метода ФА
120
(а)
<ч
о д
о т
и
С
т
й
3 <ч о
4
3 С о
4 о
и
&
100
80
60
40
20
||
1
в Душанбе ■ Курган-Тюбе
□ Швартуз
□ Термез
□ Байрам-Али
□ Репатек
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2001 2003 2005 2007 2009 Годы
(в)
Продолжительность пыльной мглы в Байрам-Али
(б)
Общая продолжительность пыльной мглы 1200
1000 -
«
м
е р
В
800 600 400 200 0
Душанбе Термез Байрам-Али Курган-Тюбе
2005 2007 2009 2006 2008 Годы
(г)
Продолжительность пыльной мглы в Душанбе
2005
2006
2007
2008 2009
II IV VI VIII X XII I III V VII IX XI
Месяцы
400 г
м
е р
В
300 -
200 -
100 -
2005
2006
2007
2008 2009
II IV VI VIII X XII I III V VII IX XI
Месяцы
(д)
Продолжительность пыльной мглы в Курган-Тюбе
120
100 80 60
е р
В 40
20 0
2007
2008 2009
II IV VI VIII X XII I III V VII IX XI
Месяцы
(е)
Продолжительность пыльной мглы в Термезе
250
200 -
«
м
е р
В
150 -
100 -
50
2005
2006 ■ 2007
2008 2009
II IV VI VIII X XII I III V VII IX XI
Месяцы
Рис. 2. Статистика ПЭ: а — гистограмма числа ПЭ; б — общая продолжительность ПЭ по годам; продолжительность ПЭ по месяцам (в — Байрам-Али, г — Душанбе, д — Курган-Тюбе, е — Термез).
спектроскопии является тепловой механизм формирования сигнала, при котором параметры этого сигнала (амплитуда, фаза) пропорциональны только доле поглощенной энергии падающего светового излучения, а влияние оптического рас-
сеяния и дисперсии на формирование ФА сигнала пренебрежимо мало.
Применение этого метода к пылевому аэрозолю показывает, что он, так же как и озон, имеет полосы поглощения в ультрафиолетовой области
0
0
0
Т, % 100
100 100 100
100
80
60 -
40
4000
200
300
400
500
600
700
(б)
800 X, нм
Т, % 90
3500
3000 2700
2000
1500
1000
500
V, см
Рис. 3. а — Фотоакустический спектр частиц пылевого аэрозоля, собранных во время пылевой мглы; б — ИК-спектры проб частиц, осевших после пылевой мглы: 1 — 19.03.2010 Айвадж; 2 — 29.08.2009 Айвадж; 3 — 25.09.2009 Айвадж; 4 — 23.11.2007 Душанбе; 5 -15.08.2008 Душанбе.
(вблизи 0.22 мкм) и может задерживать УФ-ради-ацию. В инфракрасной области, где рассеяние света на частицах уже гораздо меньше, можно применять ИК-спектроскопию. Полученные методом КВг матрицы, спектры ИК-пропускания различных образцов частиц пыли показывают, что в окне прозрачности атмосферы (8-13 мкм) пылевой аэрозоль поглощает тепловое излучение так же интенсивно, как и в дальней ИК-области (рис. 3б). Некоторые отличия спектров различных образцов не нарушают этой закономерности.
Процедура обработки метеорологических данных в данной работе несколько отличалась от той,
которая использовалась в [12-19]. Однако, как и там, определялись среднедневные значения температуры Тй = (1/4)Т за период с 21 до 5 часов
и средненочные Тп = (1/4)Т за период с 8 до 19 часов, затем проводились экстраполирующие прямые, построенные по значениям температуры дней до и после пылевого эпизода, для средне-ночных и среднедневных температур. Экстраполирующие прямые для среднедневных значений температур построены по максимальным значениям дневных температур. Экстраполирующие прямые для средненочных значений температуры
проведены по соответствующим минимальным значениям ночных температур. Величина дневного похолодания определялась разностью среднедневных температур и экстраполирующей прямой максимальных дневных температур до и после пылевого
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.