ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 1, с. 74-84
УДК 551.510.534(470.312.318)
КОНЦЕНТРАЦИЯ ПРИЗЕМНОГО ОЗОНА В ОБНИНСКЕ В 2004-2010 гг. © 2013 г. В. Н. Арефьев, Ф. В. Кашин, Л. И. Милехин, В. Л. Милехин, Н. В. Тереб, Л. Б. Упэнек
Научно-производственное объединение "Тайфун", 249038 Обнинск, Калужская обл., ул. Победы, 4 E-mail: TEREB@typhoon.obninsk.ru Поступила в редакцию 10.10.2011 г., после доработки 30.01.2012 г.
Приведены результаты измерений в 2004—2010 гг. концентрации приземного озона в центре Европейской России. Коэффициент вариации для средних часовых, месячных и годовых величин его концентрации составляет 78, 26 и 12% соответственно. Отмечена связь повышенных (>60 мкг/м3) и минимальных (<12 мкг/м3) средних часовых концентраций озона с наличием температурной инверсии в нижнем 300-метровом слое атмосферы. 67% от общего за 2004—2010 гг. числа зарегистрированных случаев повышенных средних часовых концентраций пришлось на 2010 г. Максимальная средняя часовая концентрация 218.5 мкг/м3 зарегистрирована в 17 часов 1 августа 2010 г. Средняя годовая концентрация озона в климатически значимом диапазоне изменений средних часовых концентраций от 12 до 60 мкг/м3 в линейном приближении возросла за период наблюдений на ~45%. Спектральный анализ средних месячных концентраций приземного озона выявил составные колебания с периодами от 3 до 60 месяцев. Для аппроксимации временной динамики озона использована статистическая модель, которая удовлетворительно описывает его экспериментальные средние месячные и средние годовые концентрации.
Ключевые слова: атмосфера, приземный озон, временная изменчивость, спектральный анализ.
Б01: 10.7868/80002351513010021
ВВЕДЕНИЕ
Контроль приземного озона, играющего важную роль в ряде атмосферных процессов [1—4], осуществляется в Европе и Америке на сети станций фонового мониторинга [5], а также в России, но в основном в индустриальных центрах [3, 6— 11]. В настоящей статье приводятся результаты измерений в 2004—2010 гг. концентрации приземного озона на исследовательской станции ФГБУ НПО "Тайфун" в наукограде Обнинск, расположенном в 105 км к юго-западу от г. Москвы (55.1° N 36.6° Е; население немногим более 105 тыс. чел.; крупные промышленные предприятия отсутствуют). При анализе этих результатов использованы данные о температуре, давлении, влажности, скорости и направлении ветра, регистрируемые на Высотной метеорологической мачте ФГБУ НПО "Тайфун" [12].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Для измерений концентрации приземного озона использовался хемилюминесцентный анализатор озона 3.02П1 компании "ОПТЭК", который дважды поверялся по европейскому стандарту (Епу 03-41М № 1298) и один раз на заводе изготовителе после ремонта (ноябрь 2006—июнь 2007 гг.).
Его погрешность Z составляет 20% в интервале концентраций, превышающих 30 мкг/м3, и 6 мкг/м3 при концентрациях менее 30 мкг/м3 [13]. С апреля 2010 г. измерения проводились оптическим анализатором озона фирмы Thermo Scientific (Model 49i) [14], также прокалиброванным по европейскому стандарту. Результаты единичных измерений усреднялись за один час. Для оценки возможности использования результатов измерений двумя приборами в одном временном ряду были осуществлены специальные параллельные измерения этими приборами в период с 20 марта по 4 апреля 2010 г. Из результатов, приведенных на рис. 1, видно, что отклонения показаний двух приборов носят случайный характер, а их среднее квадратичное отклонение друг от друга не превышает 0.5% от средней за период сравнения концентрации озона. Поэтому результаты измерений двумя приборами можно считать совпадающими и, следовательно, анализировать их можно совместно в одном временном ряду.
С января 2004 г. по декабрь 2010 г. было получено около 45 тысяч средних часовых концентраций озона (Хч, мкг/м3) в приземном воздухе, представленных на рис. 2 вместе с приземной температурой (t, °C). Учитывая особенность 2010 г. — действие блокирующего антициклона с
середины июня до середины августа и горение с весны до поздней осени лесов и торфяников [15] — данные этого года далее будут иногда выделяться из общего анализа всех данных. Изменения концентрации озона часто сопоставляют с вариациями метеопараметров [16—26]. Коэффициенты парной корреляции озона с атмосферным давлением, абсолютной влажностью, со скоростью и направлением ветра малы. Наибольший коэффициент корреляции у концентрации приземного озона с температурой приземного воздуха на высоте 2 м (г = 0.41) и несколько меньше с температурами на высотах 120 м (г = 0.35) и 300 м (г = 0.31).
Положительные линейные тренды озона Хч и приземной температуры t, показанные на рис. 2 штриховыми прямыми, описываются уравнениями регрессии для озона и температуры соответственно:
Хч [мкг/м3/год] = (18.2 ± 0.2) + (3.09 ± 0.05) х Д, (1) t [°С/год] = (4.24 ± 0.10) + (0.40 ± 0.02) х Д, (2)
где — номер года измерений, = 1 — год 2004.
На рис. 3 представлена функция распределения часовых концентраций озона с шагом, равным удвоенной погрешности измерений.
Функция распределения, характеристики которой приведены в табл. 1, несколько отличается от нормальной: хотя значения Хчср, медианы М и моды т близки между собой, но положительный коэффициент асимметрии g3 свидетельствует, что правый хвост распределения длиннее левого, а положительный коэффициент эксцесса g4, величина которого близка к 3, — на его островершинность. Величина коэффициента вариации V = = 78% указывает на большую изменчивость часовых концентраций приземного озона.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
При проведении анализа данных наблюдений представляется целесообразным рассмотреть три диапазона изменений концентрации озона: повышенные Хч > 60 мкг/м3, превышающие вдвое и более среднюю суточную предельно допустимую концентрацию (ПДК = 30 мкг/м3 [27]), их количество составляет ~9% от всех измеренных средних часовых концентраций, низкие Хч < 22 =
= 12 мкг/м3--21% и средние от 12 до 60 мкг/м3 —
~70%.
Я
се &
Я о Я Я
о
а
120 90 60 80 0
34
в * Я&»
* <9
$5 ®
л
С'1-1
'1
- 1 — 2
В, Й
1
48
96 144 Время, ч
192 240
288
Рис. 1. Сравнение средних часовых концентраций озона, измеренных разными приборами: 1 — 491, 2 — 3.02П1 (время 1 час соответствует 12 часам 20 марта 2010 г.).
225
я
Я Я
се
р
н я
е я я
о
а
75
0
2004
2006 2008 Время, год
2010
Рис. 2. Средние часовые величины концентрации озона и температуры.
13
о о
м е
я р
о
н <ч
о П
25 г 20 15 10 5
0 36 72 108 144 180 216 Средние часовые концентрации озона, мкг/м3
Рис. 3. Функция распределения средних часовых концентраций озона.
Часовые концентрации
Суточный ход часовой концентрации приземного озона, полученный усреднением массивов средних часовых данных за год и за его отдельные сезоны, приведен на рис. 4. Изменения озона в
Таблица 1. Статистические характеристики вариаций средних часовых концентраций озона
Х ^чмин Х ^чмакс Х чср М т а g3 g4
45175 0.0 218.5 29.7 ± 0.1 26.3 30 23.1 1.5 4.1
Примечание. Х,мин, Х,макс и Хчср — минимальное, максимальное и среднее значения. ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА том 49 № 1 2013
г150
я
о Я Я
о
а
65 55 45 35 25 15
8 12 16 Время суток, ч
20 24
Рис. 4. Суточные изменения концентрации озона: 1 -зима, 2 — весна, 3 — лето, 4 — осень, 5 — год.
течение суток характеризуется наличием двух максимумов и двух минимумов. Максимумы концентрации озона широкие. Основной максимум наиболее выражен летом и весной и несколько смещен за местный полдень. Считается, что он обусловлен фотохимической активностью образования озона после восхода солнца при участии накопленных в приземном слое озонообразую-щих газов, но определенную роль при этом играет также приток богатого озоном воздуха из более высоких слоев тропосферы вследствие усиливающегося днем вертикального конвективного перемешивания [3, 4, 28—32]. Ночной максимум, наиболее выраженный зимой и осенью, может быть вызван относительно низким содержанием окиси азота в это время суток, когда концентрация N0 недостаточна для существенного уменьшения концентрации О3 в реакции образования N02 [33], или оседанием озона в ночные часы из верхних, более богатых озоном слоев атмосферы [34].
Появление утренних и вечерних минимумов концентрации озона связывают, в частности, с
увеличением в это время концентрации в воздухе окиси азота из-за увеличения интенсивности автомобильного движения [23, 32, 34, 35].
Повышенные средние часовые концентрации озона (X > 60 мкг/м3), представлены на рис. 5. Они разделены на два вида: 1138 случаев со средним значением (78.3 ± 1.0) мкг/м3 при существовании в приземном слое атмосферы инверсии температуры, на роль которой указывалось в [8], и при ее отсутствии 3014 случаев со средним значением (85.2 ± 1.1) мкг/м3). Доверительные интервалы указаны для доверительной вероятности 95%.
Повышенные концентрации озона относительно кратковременны. Как правило, они наблюдаются в конце лета (август и отдельные дни июля и сентября), а в последние три года и весной (апрель и отдельные дни мая). Причем при инверсии температуры величины концентрации озона более низкие, чем при ее отсутствии. Рисунок 6 демонстрирует примеры суточных изменений повышенных концентраций озона вместе с данными контроля температуры на высотах: 2, 120 и 300 м.
В 2010 г. повышенные концентрации озона наблюдались большую часть года с марта по ноябрь (рис. 5) и их величины (Хчср = 88.0 ± 1.2 мкг/м3) во многих случаях превышают высокие концентрации предыдущих лет, а количество — 936 случаев (Хчср = 79.9 ± 1.2 мкг/м3) при инверсии температуры и 1837 случаев (Хчср = 92.1 ± 1.7 мкг/м3) без инверсии — составляет ~67% от зарегистрированных за все годы высоких концентраций. Причины образования повышенных концентраций озона в 2010 г. подробно рассмотрены в [35], где они связываются с более высокой, чем в другие годы тем-
0
4
Номер месяца года 8 8 8 8 4 8 4 8 4 8
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Время, год
Рис. 5. Повышенные концентрации озона (1 и 2 — концентрация без и при инверсии температуры).
120 80 40
0
Август 2004
18 0 6 12180 6 12180 6 Август 2008
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.