ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 1, с. 8-19
УДК 551.510.4:551.588.7,551.510.42
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ МОСКВЫ И ПЕКИНА
ОКИСЬЮ УГЛЕРОДА И АЭРОЗОЛЕМ
© 2015 г. Г. С. Голицын*, Е. И. Гречко*, Генчен Ван**, Пусай Ван**, А. В. Джола*, А. С. Емиленко*, В. М. Копейкин*, В. С. Ракитин*, А. Н. Сафронов*, Е. В. Фокеева*
*Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017, Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: efokeeva@ifaran.ru **Институт физики атмосферы АН Китая 100029 Пекин, Округ Чао Янг, п/я 9804 Поступила в редакцию 05.11.2013 г., после доработки 05.12.2013 г.
Представлены результаты измерений приземных концентраций субмикронного аэрозоля, сажи и содержания окиси углерода (CO) в толще атмосферы в 1992—2012 гг. в городах Пекин и Москва. Обсуждаются особенности долговременных вариаций исследуемых примесей в этих мегаполисах. Уровень загрязнения всеми тремя примесями в Пекине существенно выше по сравнению с Москвой. С 1992 по 1999 гг. в Пекине наблюдался рост среднемесячных значений концентраций сажи и аэрозоля. Начиная с 2000 г., произошло их существенное уменьшение. С 2007 по 2011 гг. концентрация сажи уменьшалась, а субмикронного аэрозоля — увеличивалась. Городская часть содержания CO Пекина в среднем в 1996—2003 гг. была в 1.4 раза выше, чем в 2006—2012 гг. В Москве в 2006—2012 гг. наблюдалось снижение антропогенной части содержания CO. Высокие концентрации аэрозолей и содержания окиси углерода, сопоставимые с достаточно типичными для Пекина, наблюдались в Москве только в период природных пожаров 2010 г. С использованием статистических методов кластерного анализа обратных траекторий показано, что основные источники загрязнения воздуха Пекина расположены в 100—500 км к югу.
Ключевые слова: мегаполисы, окись углерода, сажа, субмикронный аэрозоль, спектроскопический метод, дистанционное зондирование, обратные траектории, перенос примесей.
Б01: 10.7868/80002351515010046
1. ВВЕДЕНИЕ
Мониторингу состава атмосферы и контролю качества воздуха в крупных городах в настоящее время придается большое значение во всем мире. Концентрации окиси углерода, субмикронного и сажевого аэрозоля являются важными параметрами качества атмосферного воздуха. Основной источник их поступления в атмосферу — антропогенная деятельность, причем в крупных городах-мегаполисах мощности выбросов этих веществ весьма значительны. Антропогенные окись углерода, сажа и субмикронный аэрозоль образуются в результате процессов сжигания различных видов топлива, в том числе, являются продуктами работы автомобильных двигателей. Так как время жизни СО в атмосфере составляет от 2 недель до 3 месяцев, то эта примесь способна переноситься на большие расстояния, что делает ее хорошим трассером для изучения процессов атмосферного переноса. Окись углерода играет важную роль и в
фотохимических процессах в атмосфере [1—3]. Существенный вклад аэрозолей, особенно сажи, в радиационный форсинг также делает необходимым изучение изменений концентраций аэрозолей.
Последние 20 лет стремительного разрастания мегаполисов приводят к повышению антропогенной нагрузки на окружающие мегаполисы регионы. В особенности это относится к Пекину, поскольку экономика Китая развивается быстрыми темпами. Настоящая работа является продолжением исследований атмосферного загрязнения Москвы и Пекина окисью углерода, субмикронным аэрозолем и сажей, начатых в 1992 г. Результаты измерений, выполненных в период с 1992 по 2007 гг., проанализированы в работах [4—9]. Показано, что использование спектрального метода определения содержания СО в вертикальном столбе атмосферы в сочетании с синхронными измерениями в приземном слое концентраций сажи и субмикронного аэрозоля оказалось эффективным
для изучения атмосферного загрязнения мегаполисов Москвы и Пекина. Поэтому совместные измерения этих примесей были продолжены и в последующие годы.
В [4—6] представлен анализ дневных ходов содержания СО в Москве и Пекине. В [4, 5, 10, 11] уделялось внимание анализу влияния скорости и направления ветра в Москве и Пекине на содержание СО и на характер и амплитуду дневного хода. Форма суточного хода в 2006—2012 гг. существенно не изменилась; изменились уровни концентрации сажевого и субмикронного аэрозолей и величины содержания СО. Характерный для Пекина суточный ход концентрации субмикронного аэрозоля и сажи с утренним и вечерним максимумами и дневным минимумом был проанализирован в работах [8, 9]. Для Пекина в [7—9] отмечалась высокая корреляция (Я > 0.9) концентраций субмикронного аэрозоля и сажи в разные годы. Высокие значения корреляции этих фракций аэрозоля наблюдались и в 2001—2011 гг. В [4—6] проанализированы различные типы изменения содержания окиси углерода в толще атмосферы в сопоставлении с изменениями концентрации субмикронного аэрозоля в приземном слое в течение конкретных дневных измерений.
В настоящее время по составу городских источников атмосферного загрязнения Москва и Пекин имеют большое сходство. Общее количество автомобилей на 2008 г. было примерно одинаково в обоих городах [4, 12]. Основные промышленные предприятия выведены из черты городов; городская энергетика работает на газе. Поэтому высокие уровни загрязнения атмосферы Пекина не могли быть объяснены спецификой метеорологических условий или аномальными городскими эмиссиями.
Задачей настоящей работы являлось изучение общих закономерностей и выявление отличий в характере атмосферного загрязнения Москвы и Пекина, а также определение локализации основных антропогенных источников эмиссий примесей в регионах.
2. АППАРАТУРА, МЕТОДИКИ И ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
2.1. Измерение содержания CO в толще атмосферы
Содержание СО в толще атмосферы измерялось по спектрам поглощения солнечного излучения в области 4.6 мкм с помощью идентичных дифракционных спектрометров среднего разрешения (0.2 см-1). Погрешность единичного измерения составляла 5-7% [4, 10, 13]. Антропогенная часть содержания для Москвы (Аи) определялась как разность измеренных в центре города (пункт ИФА) и на Звенигородской научной станции (ЗНС), расположенной в 55 км к западу от ИФА, общих содержаний СО: АЦ = и — Цф, где и — об-
щее содержание в городе, Цф — фоновое содержание, за которое принималось содержание на ЗНС.
В Москве измерения содержания СО проводились регулярно в течение всего года, а в Пекине — в течение месяца в осенний период, от 10 до 20 сеансов измерений.
Для Пекина в качестве фонового использовалось минимальное из измеренных в соответствующий период значений содержания. Среднее значение АЦдля Москвы для периода 1992—2012 гг. при использовании обоих способов определения фоновых значений оказалось одинаковым. Таким образом, использование минимальных значений содержания в качестве фоновых, при отсутствии фоновых измерений можно считать корректным.
Зависимость Аи СО от направления ветра для Москвы практически отсутствует [4]. Для Пекина, в отличие от Москвы, влияние направления ветра является определяющим при формировании уровня загрязнений [4, 5, 9].
2.2. Измерение концентрации субмикронного аэрозоля
Для измерения концентрации субмикронного аэрозоля использовался фотоэлектрический спек-трополяриметр (нефелометр) ФАН, предназначенный для измерения светового потока, рассеянного аэрозолем, и для определения степени поляризации рассеянного света. ФАН измеряет коэффициенты направленного рассеяния под углом 45° на трех длинах волн (410, 510 и 630 нм) и их ортогональные поляризационные составляющие под углом 90° для двух длин волн (450 и 520 нм). Распределение частиц по размерам определялось путем решения обратной задачи. В качестве базового был выбран итерационный алгоритм Твитти, модифицированный М.А. Свириденковым [14, 15]. Как показали исследования [14, 15], для концентрации наиболее надежные результаты получаются для диапазона размеров частиц 0.05—0.6 мкм. В тех случаях, когда измерения проводятся в автоматическом режиме, используется одна длина волны облучающего света (510 нм) и угол рассеяния 45 градусов. Объемная концентрация субмикронного аэрозоля в этом случае оценивается с помощью простого эмпирического соотношения: К(мм3/м3) = Б(км—1 ср—1), где V — объемная концентрация частиц, Б — коэффициент направленного рассеяния. Здесь ср (стерадиан) - единица измерения телесного угла в системе СИ. Переходное соотношение между коэффициентом направленного рассеяния и концентрацией субмикронного аэрозоля Мсбм = 1500 Б, где Мсбм — массовая концентрация, в мкг/м3 [14, 15].
В период с 1992 по 2011 гг. было проведено несколько циклов одновременных измерений Пе-кин—Синлун и Москва—ЗНС (Синлун — горная
обсерватория, расположенная в 150 км северо-восточнее Пекина). При этом использовались либо два идентичных нефелометра ФАН или нефелометр ФАН совместно с одноволновым нефелометром, измеряющим D(45°, 510 нм).
2.3. Измерение содержания сажи
Для определения содержания сажевой компоненты (Black Carbon — черный углерод) в атмосферном аэрозоле осуществлялся отбор проб с помощью аэрозольных пробоотборников на кварцевые волоконные фильтры или на фильтры АФА-ХП на основе перхлорвиниловых волокон. В Москве отбор аэрозоля из воздуха на фильтр для единичной пробы регулярно проводился в 1989—2013 гг. в период времени с 10 до 14 часов и круглосуточно в разные сезоны с помощью автоматического пробоотборника и эталометра AE-16. Содержание сажи в отобранной пробе аэрозоля определялось с помощью фотометра методом измерения ослабления света аэрозольным фильтром [8, 9]. Калибровка фотометра проводилась по набору кварцевых фильтров с известной поверхностной концентрацией сажи.
В Пекине отбор проб проводился круглосуточно, в течение 1—6 часов в зависимости от степени загрязнения атмосферы. Среднесуточные значения концентрации сажи в Пекине превышают дневные концентрации на 5—10% (при наличии утреннего и вечернего максимумов) [7-9].Сред-ний суточный ход концентрации сажи в осенний период в Москве имеет максимум значений в дневное время (концентрация сажи в период 10— 14 часов на 5—10% выше, чем среднесуточная) [9]; в Москве усреднение проводилось для дневного п
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.