ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 2, с. 218-231
УДК 551.510
ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА В РОССИИ В 2003-2006 гг.
© 2009 г. Н. Ф. Еланский
Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН 119017, Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: n.f.elansky@mail.ru Поступила в редакцию 12.03.2008 г., после доработки 27.05.2008 г.
Данный обзор содержит наиболее значимые результаты работ в области исследований атмосферного озона, выполненные в 2003-2006 гг. Он является частью Национального отчета России по метеорологии и атмосферным наукам, подготовленного для Международной ассоциации по метеорологии и атмосферным наукам (IAMAS). Отчет был рассмотрен и одобрен на XXIV Генеральной ассамблее
Международного геодезического и геофизического союза (IUGG) .
1. ТРОПОСФЕРНЫЙ ОЗОН 1. Наблюдения
В 2003-2006 гг. структура сети наблюдений приземной концентрации озона (ПКО) изменилась мало по сравнению с предыдущим периодом 19992002 гг. [1-3]. Регулярные измерения велись на фоновых станциях: Кисловодской высокогорной научной станции (КВНС) - Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (ИФА РАН) (43.7 N, 42.7 Е, 2070 м над ур. моря), Ловозеро-Полярного геофизического института РАН (68.0 N, 35.0 Е), Монды-Лимнологического Института РАН (51.2 N, 100.9 Е) и двух станциях Гидрометслужбы РФ, действующих по программе ЕМЕР, - Данки (54.5 N, 37.5 E) и Шепелево (59.6 N, 29.1 Е). Станции оборудованы однотипными газоанализаторами Dasibi, которые проходили регулярную калибровку по передвижному европейскому стандарту ENV 03-41M № 1298 и по национальному эталону Японии.
Продолжала действовать сеть научных станций, расположенных в городах и их окрестностях: Москва - ИФА РАН, Долгопрудный - Центральной аэрологической обсерватории, Томск - Института оптики атмосферы СО РАН и наблюдательные пункты в различных городах и индустриальных центров России [2-6]. Наиболее полные и качественные данные о концентрации озона и его предшественниках собраны в Московском мегаполисе. Кроме станций ИФА РАН и Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО), здесь действует сеть из примерно 25 наблюдательных пунктов Мосэко-мониторинга, входящего в систему Департамента
1 Перуджа, Италия 2-13 июля 2007 г. / Ред. И.И. Мохов, А.А. Криволуцкий. М.: МАКС Пресс, 2007. 179 с. (на англ. яз.) (Russian National Report. Meteorology and Atmospheric Sciences. 2003-2006. / Eds. I.I. Mokhov and A.A. Krivolutsky. National Geophysical Committee RAS. Moscow: MAX Press, 2003. 179 p.).
природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы [5, 7]. Для калибровок приборов, действующих на наблюдательных пунктах различной ведомственной принадлежности, использовался, как правило, стандарт Лаборатории экологического контроля (Санкт-Петербург). Газоанализаторы ИФА РАН и ЦАО калибровались по передвижному европейскому стандарту.
Для изучения особенностей пространственной и временшй изменчивости ПКО и его предшественников в атмосфере над территорией России проводились эксперименты TROICA (Transcontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere) с использованием передвижной железнодорожной лаборатории ТРОЙКА. В период 2003-2006 гг. проведено три эксперимента с участием специалистов из Германии, США и Финляндии, в ходе которых измерялись концентрации озона и других ключевых примесей от Москвы до Владивостока (дважды -в 2004 и 2005 гг.) и вокруг Московского мегаполиса (троекратный объезд и пересечение города в 2006 г.) [8-10]. Регулярно проводились наблюдения вертикального распределения озона в тропосфере на самолете-лаборатории АН-30 Института оптики атмосферы СО РАН (ИОА СО РАН). В ходе многочисленных полевых экспедиций изучались региональные особенности поведения озона и механизмы действия различных факторов на его изменчивость [11, 12].
Совершенствование приборов и методов измерения концентрации озона шло в основном по двум направлениям. Первое - создание автоматизированного измерительного комплекса, который регистрировал бы не только озон, но и другие параметры, необходимые для анализа и интерпретации данных: концентрацию газов предшественников, некоторые свойства аэрозолей, радиационные и метеорологические характеристики. Такой комплекс был отработан в ходе экспериментов TROICA. Им
1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005
80 70
>
Цб0
л и
§ 50
0
ЭН
1 40
о
СО
а30
20
10
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06
КВНС (2070 м ' над' ур. ' моря) о 1989-2006
Рис. 1. Среднесуточные и среднемесячные значения приземной концентрации озона на Кисловодской высокогорной станции за период наблюдений 1989-2006 гг. Сглаженные значения представлены полиномом 4-й степени. Линейный тренд равен - 0.65 ± 0.10% год-1.
оборудована передвижная лаборатория. В ограниченном виде он действует в непрерывном режиме на станции Москва. Его отличительной особенностью является регулярная (по отдельным параметрам автоматическая) калибровка приборов и доступ к данным измерений через систему Интернет в режиме on-line [9, 13]. Наблюдательная измерительная система создана также ИОА СО РАН [14].
Второе направление - разработка быстродействующего полупроводникового газоанализатора для измерений концентрации озона и некоторых других газов. Первый экземпляр такого озономет-ра изготовлен в Научно-исследовательском физико-химическом институте им. Л.Я. Карпова [15, 16]. Прибор обладает малым временем реагирования (десятые доли секунды) и малым размером чувствительного элемента (несколько миллиметров). Это позволяет использовать прибор для измерения турбулентных потоков озона (в перспективе - NOx, HCl и др. газов) и его сухого осаждения на подстилающей поверхности. В 2006 г. на станции Москва начались регулярные наблюдения турбулентных потоков озона.
В целом активность в области наблюдений приземного озона несколько возросла по сравнению с предыдущим отчетным периодом 1999-2002 гг. Благодаря регулярным калибровкам по международным стандартам достигнуто высокое качество данных, получаемых на станциях КВНС, Кисловодск, Москва, Долгопрудный, Ловозеро, Монды и с передвижной лаборатории (ТРОЙКА).
1.2. Распределение и временная изменчивость
На КВНС получен самый продолжительный в России ряд данных о концентрации озона в приземном воздухе (рис. 1). Наблюдавшееся с 1989 по 2002 г. снижение концентрации сильно замедлилось, но знак изменения не поменялся. Линейный тренд ПКО с 1989 по 2006 г. равен -1.35 ± 0.07% год-1, а с 1998 по 2006 г -0.75 ± 0.08% год-1 (рис. 1). Интересно, что и амплитуда сезонного хода имеет отрицательный тренд -1.3 ± 0.08% год-1. Таким образом сохраняются отличия от Альпийских высокогорных станций, где тренд озона в целом оставался положительным [6, 17, 18].
Слабое влияние антропогенных факторов и малоактивная горнодолинная циркуляция делают эту станцию удобной для изучения процессов дальнего переноса озона и его предшественников. В 2005 г. здесь начались непрерывные наблюдения приземной концентрации СО, N0, К02 и массовой концентрации аэрозолей. Такое дополнение позволило уточнить влияние разных регионов на изменчивость озона на КВНС [6, 17, 19]. В частности, было подтверждено уменьшение его концентрации при поступлении воздушных масс из Северной Африки, богатых минеральным аэрозолем. И, наоборот, увеличение концентрации в теплый сезон в воздухе, пришедшем из Центральной Европы и из Восточной Украины. Устойчивое увеличение концентрации, достигающее 20-25 ррЬ, вызывается фёнами, образующимися при обтекании воздушными потоками Большого Кавказского хребта [20]. Изменения озона, связанные с местными динамическими процессами и редкими вторжениями загрязненного воздуха с нижних уровней, выявлены и проанализи-
(а) (б)
Экспедиции TROICA-3, 8 Экспедиции TROICA-5, 7
Долгота, град. Долгота, град.
Рис. 2. Пространственное распределение концентраций СО, СО2, СН4 над континентом в холодный (а) и теплый период (б). Осреднение по 10° долготы.
рованы по данным наблюдений на 2-х высотных уровнях в окрестностях КВНС [6]. Показано, что концентрация озона на КВНС лишь в 15% времени подвержена слабому влиянию загрязнений, сосредоточенных в пограничном слое атмосферы. Наблюдения на КВНС, таким образом, дают информацию преимущественно о региональном и глобальном состоянии свободной тропосферы.
Изменения ПКО связаны также с метеорологическими процессами [21]. При прохождении холодных фронтов ПКО вначале уменьшается на несколько ppb, а затем в холодном сухом воздухе в течение нескольких часов резко возрастает на 510 ppb. Небольшое снижение ПКО наблюдается и после прохождения теплого фронта. Такое поведение связывается с опусканием стратосферного воздуха из области складки тропопаузы и развитием волновых возмущений на стримерах
На станции Ловозеро также накоплен большой объем данных, который позволяет выявить характерные особенности изменения ПКО в субарктических широтах. Целая серия работ посвящена влиянию на нее синоптических и метеорологических условий в разные сезоны [22-25]. В частности, показано, что сформированные над незамерзающей акваторией Северных морей воздушные массы обладают неустойчивой стратификацией и хорошо перемешаны по вертикали. Выход таких масс на Кольский полуостров, в том числе и за холодным фронтом, приводит к увеличению концентрации озона.
Метеорологические процессы вносят наибольший вклад в изменчивость ПКО на российских фоновых станциях. Регрессионная модель, построенная с использованием в качестве предикторов температуры воздуха, относительной влажности и
скорости ветра, объясняет, например, до 70% наблюдаемой изменчивости ПКО в Ловозеро [26]. Вклад фотохимических процессов для КВНС и Ловозеро не столь значителен и существенно слабее по сравнению с Европейскими станциями [25, 27]. Именно поэтому корреляция данных наблюдений с результатами расчетов по моделям CHIMERE и lOtOS для этих двух станций относительно мала, но при этом мала и расходимость расчетных и наблюдаемых значений [28, 29].
В 2004-2006 гг. проведены три эксперимента по наблюдениям состава атмосферыс помощью новой передвижной лаборатории ТРОЙКА (ВНИИ железнодорожного транспор
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.