научная статья по теме ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ГОРОДА МОСКВЫ ОКИСЬЮ УГЛЕРОДА СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИМ МЕТОДОМ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ГОРОДА МОСКВЫ ОКИСЬЮ УГЛЕРОДА СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИМ МЕТОДОМ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 5, с. 664-670

УДК 551.510.4:551.588.7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ГОРОДА МОСКВЫ ОКИСЬЮ УГЛЕРОДА СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

© 2007 г. Е. В. Фокеева, Е. И. Гречко, А. В. Джола, В. С. Ракитин

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: fokeeva@ifaran.ru Поступила в редакцию 04.09.2006 г., после доработки 30.01.2007 г.

Приведены результаты измерений с 1993 по 2005 гг. полного содержания окиси углерода в столбе атмосферы над городом Москвой и на Звенигородской научной станции (ЗНС). Одновременное измерение регионального фонового содержания в сельской местности на ЗНС и над Москвой позволили выделить городскую часть содержания СО. Полное содержание СО в городе испытывает существенные вариации ото дня ко дню, от значений, близких к фоновому, до значений, в 2.5-3 раза его превышающих. Количество дней с таким содержанием СО составляет 5% от общего числа дней измерений. Чаще всего они наблюдаются в холодный период года. В теплый период года в большинстве случаев наблюдаются небольшие превышения содержания СО над городом по сравнению с фоновыми. Вариации содержания СО в наибольшей степени определяются изменениями скорости ветра и температурными инверсиями. Высокие концентрации СО в 2002 г. обусловлены горением лесов и торфяников. На ЗНС в отдельные дни были зафиксированы такие высокие значения содержания CO, которые ранее не наблюдались. За 12 лет содержание CO в слое воздуха над городом не возросло.

ВВЕДЕНИЕ

Контроль загрязненности воздуха городов различными газами, в том числе окисью углерода, в настоящее время осуществляется в основном методами, сводящимися к измерениям содержания газа в локальных пробах воздуха [1]. Для получения средних величин и трендов, характеризующих загрязненность города, в этом подходе имеются определенные трудности: например, связанные с необходимостью достаточно большого числа пунктов наблюдения, с выбором мест их расположения, чтобы исключить влияние местных источников анализируемого газа и т.п.

В нашей стране для мониторинга и валидации спутниковых измерений окиси углерода (СО), а также для изучения загрязненности окисью углерода городов разработан и уже несколько десятилетий используется спектроскопический метод измерения полного содержания газа в толще атмосферы по поглощению ею солнечного излучения [2-6]. Главным достоинством метода является то, что получаемые результаты, усредненные по значительному пространству и толще атмосферы, практически не зависят от локальных и даже отдельных крупных источников примеси. Кроме того, метод позволяет путем сопоставления измерений содержания СО в двух пунктах наблюдений (один в центре, а другой вне города) определять ха-

рактеристики антропогенного загрязнения городского воздуха окисью углерода [4, 8-9].

Аппаратура и спектроскопический метод вместе с ранее полученными, начиная с 1974 г., результатами представлены в [2, 3, 7-10], в продолжающих их настоящей работе приведены результаты измерений в 1993 - 2005 гг. в центре Москвы и вне города полного содержания СО в атмосфере и их анализ с целью получения ряда характеристик (трендов, условий накопления, мощности источника) части содержания СО городского происхождения.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

В Москве измерения СО проводились в центре города в безоблачную погоду или в разрывах между облаками при небольшом балле облачности (как правило, с 10 до 12 ч дня). Одновременно проводились измерения вне города на Звенигородской научной станции ИФА РАН (ЗНС), расположенной в сельской местности в 60 км в западном направлении от Москвы [3]. Для анализа результатов измерений СО до 1998 г. использовались данные высотного метеокомплекса Останкинской телебашни, находящейся в 8 км от пункта наблюдения. Кроме того, эпизодически в 1990, 1993, и 1999 гг. измерения СО сопровождались измерениями профиля скорости ветра и высоты темпера-

Содержание, атм. см 0.4

0.3 0.2 0.1 0

Содержание, атм. см

1993 1995 1997 1999 2001

Время, год

2003

2005

Рис 1. Результаты измерений содержания СО в Москве 1993-2005 гг. 1 - средние дневные и 2 - фоновые значения, 3 и 4 - средние дневные и годовые значения городской части; 1 и 2 - левая, 3 и 4 - правая шкалы.

турной инверсии акустическим локатором - сода-ром [8-10].

Результаты измерений полного содержания СО в толще атмосферы над Москвой в виде средних дневных величин (Ц, атм см, т.е. толщина в см слоя газа, приведенного к нормальным условиям) представлены на рис. 1 вместе с осредненными за 19932005 гг. средними декадными значениями СО на ЗНС (Цф, атм см), которые можно считать фоновыми для Москвы. На этом же рис. 1 приведены характеризующие уровень загрязненности окисью углерода воздуха над городом части содержания

Частота, % 30

25 20 15 10 5 0

1

2

I

I

к

ги.П______

0.01 0.03 0.05 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15 0.17 0.19

А и, атм. см

Рис. 2. Распределение частот повторяемости АЦ в холодный (1) и теплый (2) сезоны года.

СО только городского происхождения (АЦ = Ц -- Цф), исключая 2002 г., когда в окрестностях Москвы горели леса и торфяники.

Как видно из рис. 1, содержание СО над городом испытывает существенные изменения ото дня ко дню, от значений, близких к фоновому содержанию, до значений, в 2.5-3 раза его превышающих. Эти вариации определяются условиями накопления (выноса) СО, которые связаны, в свою очередь, с изменениями метеоусловий, в наибольшей степени - со скоростью ветра.

В зимний период на результаты измерений заметно влияние температурной стратификации: наличие приземных и приподнятых инверсий температуры в часы измерений. Наиболее высокие содержания СО наблюдаются во время продолжительных антициклональных ситуаций, способствующих накоплению СО городского происхождения в приземном слое. Значения и, в два и более раз превышающие фоновые, довольно редки, и дни с таким содержанием составляют всего 5%, а число дней с небольшим (до 20 %) превышением городского содержания над фоновым - 60%.

На рис. 2 приведены распределения частот повторяемости различных значений АЦ в холодный и теплый сезоны года по результатам измерений в 1993-2001 и 2003-2005 гг.

Частота повторяемости величин АЦ = = (0.15-0.20) атм см не превышает 2%, а АЦ > > 0.20 атм см - 0.5%. Для холодного периода харак-

Таблица 1. Статистические характеристики содержания окиси углерода

Год AU, атм см о,атм см n, дней

1993 0.032 0.022 56

1994 0.045 0.047 53

1995 0.025 0.023 37

1996 0.031 0.034 40

1997 0.030 0.021 27

1998 0.039 0.029 32

1999 0.041 0.046 45

2000 0.055 0.041 56

2001 0.037 0.028 55

2003 0.050 0.047 54

2004 0.033 0.022 61

2005 0.032 0.033 76

терно уменьшение числа дней с низкими значениями Аи < 0.05 атм см по сравнению с теплым и увеличение числа дней с более высокими значениями Аи, что, как показал анализ, объясняется, в частности, увеличением числа и времени существования температурных инверсий.

Для выявления тенденции изменения загрязненности воздуха окисью углерода за описанный период наблюдений были определены среднегодовые значения А и (рис. 1), которые слабо зависят от метеоусловий, так как усредняются Аи, получен-

ные в течение года при различных метеоусловиях. Некоторые статистические характеристики (стандартное отклонение а, число дней измерений п) среднегодовых значений Аи приведены в табл. 1.

Число экстремальных значений содержания СО в разные годы различно, и, видимо, это объясняет более высокие средние годовые величины Аи в 1994, 2000 и 2003 гг., что согласуется с результатами измерений концентрации окиси углерода в приземном воздухе Москвы [11], где приведены среднегодовые значения для 1999-2004 гг. Высокие концентрации СО в 2003 г. в [1] объяснены горением лесов в России. В целом среднее годовое содержание СО в атмосфере города за период 1993-2005 гг. практически не возросло и составило (0.037 ± 0.009) атм см., что согласуется с данными последних 5 лет измерений концентрации СО в Москве [11].

На рис. 3 приведены средние годовые значения А и в сопоставлении с А и без экстремальных значений (Аи > 0.110 атм см). Как видно из рис. 3, исключение экстремальных значений приводит к заметному уменьшению Аи в 1994, 1999, 2000 и 2003 гг., но общие тенденции изменений Аи от года к году остаются одинаковыми.

Важнейшим фактором, определяющим содержание СО над городом, является ветер. При сильном ветре происходит интенсивный вынос СО из города, а при слабом ветре и особенно при температурных инверсиях происходит его накопление. В табл. 2 для периода с 1993 по 1997 гг. приведены

AU, атм. см 0.06

□ 1 ■ 2

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Годы

Рис. 3. Средние годовые значения городской части содержания окиси углерода: усредненные по всем значениям - левые столбцы, без экстремальных значений - правые.

средние годовые скорости ветра V в слое 500 м, усредненные по всем дням в часы, когда проводились измерения содержания окиси углерода. Как видно из табл. 2, средняя скорость ветра мало изменяется от года к году. Наибольшая средняя скорость была в 1995 г., что может быть одной из причин минимального за весь период измерений среднегодового значения АЦ. Высокое содержание СО в 1994 г. при обычной скорости объясняется максимальным за все годы наблюдений количеством экстремальных дневных значений АЦ при наличии температурной инверсии.

Для дальнейшей оценки роли ветра в изменчивости содержания СО по данным измерений в 1996 г. был проведен анализ зависимости АЦ от скорости и направления ветра в нижнем слое атмосферы до высоты 380 м. Так как городская часть содержания обратно пропорциональна скорости ветра, для определения параметров линейной регрессии использовалась величина, обратная скорости ветра. В табл. 3 приведены коэффициенты корреляции Я2 линейной регрессии АЦ и 1/^ 1/Р*, ¿/V, ¿/V*, где V - средняя скорость ветра в слое 0-380 м; V* -средняя скорость в слое 85-380 м (в этом случае не учитывается ветер в приземном слое. Исключение из расчетов приземной скорости ветра было сознательным, так как опыт наблюдений показал отсутствие заметного

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.

Показать целиком