ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 3, с. 293-303
УДК. 551.51
ОЦЕНКА РАДИАЦИОННОГО ФОРСИНГА ДЫМОВОГО АЭРОЗОЛЯ ЛЕТНИХ ПОЖАРОВ 2010 г. НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЙ В МОСКОВСКОМ РЕГИОНЕ
© 2014 г. К. А. Шукуров, И. И. Мохов, Л. М. Шукурова
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН E-mail: karim.shukurov@ifaran.ru Поступила в редакцию 28.03.2013 г., после доработки 25.09.2013 г.
Сделаны оценки температурного и радиационного эффектов летних пожаров 2010 г. на основе измерений на Звенигородской научной станции (ЗНС) Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН в московском регионе. Температура приземного слоя воздуха во время задымления летом 2010 г. изменялась в противофазе с массовой концентрацией аэрозоля, а баланс теплового излучения в приземном слое воздуха — синфазно. Получено, что при экстремальном задымлении приземного слоя воздуха в августе 2010 г. снижение температуры приземного воздуха на ЗНС достигало 4 К с увеличением нисходящего потока теплового излучения в среднем на 20 Вт/м2 и снижением разницы между восходящим и нисходящим потоками теплового излучения в среднем на 24 Вт/м2.
Ключевые слова: аэрозольный форсинг, природные пожары, приземный аэрозоль, траекторный анализ.
Б01: 10.7868/80002351514020096
ВВЕДЕНИЕ
Крупные природные пожары приводят к задымлению воздушного бассейна над обширными территориями и изменению радиационного баланса целых регионов. Экстремальная задымленность атмосферы была отмечена на европейской территории России во время летних пожаров 2010 г., связанных с продолжительным блокированием зонального переноса в тропосфере средних широт [1]. Дымовой аэрозоль ослабляет приток солнечной радиации, вследствие чего температура воздуха в приземном слое в задымленные дни понижается по сравнению с температурой в условиях отсутствия задымления. В [2] сделаны оценки выхолаживания приземного слоя атмосферы вследствие сильнейшего задымления летом 2010 г. с использованием параметров атмосферного аэрозоля по измерениям на Звенигородской научной станции (ЗНС) ИФА РАН (55.7° N 36.8° Е). При этом использовались модельные расчеты для радиационного аэрозольного форсинга.
Прямые измерения аэрозольного форсинга и температурных вариаций, связанных с избыточным содержанием аэрозоля в атмосфере, осложнены необходимостью одновременного выполнения ряда условий. Во-первых, необходимо наличие на фоне общего задымления интервала времени (базового периода) с практически фоновым содер-
жанием атмосферного аэрозоля, относительно которого можно оценивать выхолаживание приземного воздуха из-за повышенного содержания аэрозоля. Во-вторых, режимы базового периода (дня) и в задымленные дни должны относиться к одной и той же воздушной массе, так как температура приземного воздуха при смене воздушных масс может существенно измениться и в отсутствие аэрозольных эффектов. В-третьих, необходимо, чтобы и базовый день, и дни с повышенной концентрацией аэрозоля были малооблачными.
В какой степени экстремально сильное задымление приземного воздуха в московском регионе в период 2—9 августа 2010 г. удовлетворяло отмеченным необходимым условиям? В этот период в условиях малоподвижного антициклона без смены воздушных масс загрязненный воздух переносился из областей лесных и торфяных пожаров, наиболее крупные очаги которых находились к востоку и юго-востоку от ЗНС. При этом 5 августа 2010 г. приземный воздух на ЗНС очистился (без смены воздушной массы) и содержание аэрозоля понизилось до уровня, близкого к характерному локальному уровню в это время года. Следует отметить, что в антициклонических условиях в период экстремального задымления 2—9 августа 2010 г., за исключением 3 августа, практически не было облачности.
Таким образом, летом 2010 г. в московском регионе реализовались условия, позволявшие непосредственно оценить эффекты атмосферного задымления в связи с пожарами. В данной работе оцениваются температурный и радиационный эффекты летних пожаров 2010 г. на основе измерений на ЗНС.
ПРИБОРЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Все измерения проводились в приповерхностном слое атмосферы (2—15 м). С 21 июня 2010 г. по 26 августа 2010 г. на ЗНС проводились детальные измерения нисходящего потока тепловой радиации в диапазоне длин волн 3.5—50 мкм, температуры воздуха, счетной и массовой концентраций аэрозоля в диапазоне размеров 0.3—10.0 мкм. Со 2 августа по 10 августа 2010 г. проводился отбор проб аэрозоля с диаметром частиц в диапазоне 0.7—1.0 мкм, химический состав которых анализировался методом ИК-спектроскопии.
Измерения счетной концентрации аэрозоля проводились на высоте 2 м над поверхностью несколько раз в течение светового дня с помощью серийного калиброванного фотоэлектрического счетчика частиц аэрозоля АЗ-10-0.3. Измерялись счетные концентрации аэрозоля в шести диапазонах размеров (диаметров) частиц: 0.3—0.4 мкм, 0.4— 0.5 мкм, 0.5—1.0 мкм, 1.0—2.0 мкм, 2.0—5.0 мкм и 5.0—10.0 мкм, что позволяет также анализировать функцию распределения аэрозольных частиц по размерам. Относительная погрешность измерений счетной концентрации — 20% во всех диапазонах размеров частиц.
Счетчик частиц АЗ-10-0.3 позволяет оперативно пересчитывать счетную концентрацию в стандартные массовые показатели содержания аэрозоля в воздухе РМ1.0 (частицы с размерами <1.0 мкм), РМ2.5 (<2.5 мкм), РМ5.0 (<5.0 мкм) и РМ10 (<10.0 мкм). Для пересчета счетной концентрации в массовую удельная плотность дымового аэрозоля принималась равной 1.05 г/см3 (близкой к плотности дегтя, древесной смолы и канифоли).
Для измерения концентрации аэрозоля отбиралась проба воздуха объемом 5 дм3, достаточная для получения в условиях задымления статистически устойчивой счетной концентрации даже для самой крупной фракции (5—10 мкм) измерявшихся частиц, которых в воздухе меньше всего. В условиях экстремального задымления при суммарной счетной концентрации дымового аэрозоля, превышавшей верхний предел измерений счетчика частиц (5 х 105 дм-3), пробоотбор осуществлялся с разбавлением (в пропорции 1 : 5) пробы чистым воздухом, полученным с помощью фильтров АФА-ВП.
Непрерывные измерения потока нисходящей тепловой радиации DLR (Вт/м2) в диапазоне длин волн 3.5—50 мкм выполнялись на высоте 15 м от поверхности с минутным осреднением в течение всего анализируемого периода с помощью автоматизированного ИК-радиометра Eppley PIR. С помощью этого ИК-радиометра регистрировались также значения баланса тепловой радиации B = DLR - ULR, где DLR и ULR - поток нисходящей и восходящей тепловой радиации на уровне прибора соответственно. Погрешность измерений DLR и B составляла 3 Вт/м2.
Измерения приземной температуры воздуха T (°C) проводились с минутным осреднением в течение всего анализируемого периода с помощью температурных датчиков, расположенных в непосредственной близости от ИК-радиометра также на высоте 15 м над поверхностью. Погрешность измерений T составляла 0.1 K.
Абсолютная влажность воздуха Ah (г/м3) оценивалась по температуре и относительной влажности воздуха, измерявшихся на высоте 2 м над поверхностью с помощью стандартных метеорологических приборов на метеостанции ЗНС.
С помощью каскадного импактора частицы аэрозоля с размерами частиц 0.7-1.0 мкм осаждались на германиевые подложки, и химический состав осажденного аэрозоля определялся методом ИК-спектроскопии. Забор воздуха осуществлялся на высоте 3 м над поверхностью.
При анализе использовались средние за 12-часовой световой день (с 07:00 до 19:00) значения приземной температуры воздуха Т, потока нисходящей тепловой радиации DLR, баланса тепловой радиации B, концентрации аэрозоля PM10 и абсолютной влажности воздуха Ah.
С помощью модели HYSPLIT [3, 4] для каждого часа светлого времени суток (с 07:00 по 19:00 местного времени) каждого из дней 2-10 августа 2010 г. рассчитывались обратные траектории воздушных масс на разных высотах (с шагом 100 м) в пограничном слое атмосферы до 1 км (всего 1188 траекторий). Все обратные траектории для указанного диапазона высот в пределах одного дня анализировались совместно - необходимо учитывать воздушный приток не только в приповерхностный слой, но и для всего слоя активного перемешивания, высота которого в дни задымления на ЗНС в среднем была около 1 км [2]. По массивам обратных траекторий воздушных масс для каждого дня 2-10 августа 2010 г. строились пространственные распределения (карты) вероятности прохождения обратных траекторий при разрешении 0.25 градуса по широте и долготе.
РМ10 (1), РМ1.0 (2), мг/м3 0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
15 Июл. 20 Июл. 25 Июл. 30 Июл. 04 Авг. 09 Авг. 14 Авг. 19 Авг. 24 Авг.
Дата (2010 г.)
Рис. 1. Вариации массовых концентраций аэрозоля РМ1.0 и РМ10 во время задымления в июле—августе 2010 г. на ЗНС ИФА РАН. Штриховыми линиями обозначены границы этапов задымления.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Задымление приземного воздуха, которое на ЗНС отмечалось с 20 июля по 19 августа 2010 г., проходило в три этапа, разделенных двумя сменами воздушных масс с очищением приземного слоя. В течение первого (с 20 июля по 1 августа) и третьего (с 10 августа по 18 августа) этапов было зафиксировано повышенное задымление воздуха (I и III на рис. 1). Экстремальное задымление на ЗНС отмечалось 2—9 августа (этап II на рис. 1) в условиях одной и той же воздушной массы. Дальнейший анализ относится именно ко второму этапу задымления. Максимальные значения PM10 (около 0.6 мг/м3) были зарегистрированы 8 августа, после чего задымление пошло на спад. Вместе с тем во время второго этапа задымления был один день, 5 августа, когда PM10 понизилась почти до типичных локальных значений (0.01—0.02 мг/м3) для этого сезона (см. рис. 1). Средняя за световой день аэрозольная оптическая толщина (АОТ) на длине волны 550 нм (т) в этот день не превышала 0.5, в то время как в дни задымления она достигала 4 и более [2, 5]. При этом на ЗНС фоновые значения т обычно не более 0.2 для летнего сезона.
Согласно результатам траекторного анализа воздушные массы, поступавшие в течение светового дня 5 августа 2010 г. в атмосферный слой над ЗНС, содержали мало аэрозоля потому, что ранее они обогнули с юго-запада
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.