CC BY
75
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2016, том 59, №11-12_
ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ
УДК 551.521.3, 551.583
Б.И.Назаров, Д.Альтхаузен*, Дж.Хофер*, С.Ф.Абдуллаев
ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ АТМОСФЕРЫ В РАМКАХ ПРОЕКТА
САБЕХ
Физико-технический институт им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан, Институт тропосферных исследований им. Лейбница, Германия
(Представлено членом-корреспондентом АН Республики Таджикистан Х.Х.Муминовым 15.12.2015 г.)
В статье проведено экспериментальное исследование и анализ вертикального профиля аэрозольного загрязнения атмосферы методом лазерного зондирования в рамках Германо-Таджикского совместного проекта Центрально-Азиатского пылевого эксперимента (CADEX) в г.Душанбе
Ключевые слова: лазер, лидар, пылевой аэрозоль, пылевая буря, пылевая мгла.
Республика Таджикистан расположена в глобальном пылевом поясе в непосредственной близости от таких основных источников пыли, как пустыня Аралкум (высыхающего Аральского моря), пустынь Кызылкум и Каракум, иранских пустынь Дашти Кабир и Дашти Лут, пустыня Сахара и пустыня Такла-Макан. Поэтому Таджикистан часто страдает от тяжелых последствий вторжения пыли из сопредельных государств. Кроме того, Центральная Азия (ЦА) и особенно Таджикистан сильно страдают в результате изменения климата. ООН включил Таджикистан в список первых десятков стран, наиболее уязвимых к изменению климата. Так, интенсивное таяние ледников в последние четверть века [1] оказывает существенное влияние на водные ресурсы Таджикистана и всей ЦА, а также и на такие трансрегиональные реки, как Амударья и Сырдарья, которые питаются талой водой ледников Таджикистана и ЦА. Поэтому исследования аэрозольного загрязнения атмосферы Таджикистана актуальны и важны для понимания проблем регионального и глобального трансграничного переноса минеральной пыли и ее влияния на изменение климата, экологию, радиационного баланса, образования облаков и т.д.
До настоящего времени было проведено успешно только несколько экспериментов, характеризующих свойства аэрозоля над ЦА. В сентябре 1989 г. на территории Таджикистана был проведен комплексный советско-американский эксперимент по изучению подъема пыли, химических, микрофизических и оптических свойств пылевого аэрозоля и, его влияния на локальные метеорологические условия и климат (САПЕКС-89) [2]. Эксперимент проходил в рамках советско-американского соглашения по охране окружающей среды, по плану УШ-й рабочей группы (проект 02.18.13 «Моделирование климата, потоки радиации и облака»).
Необходимость изучения аэрозоля почвенно-эрозионного происхождения следует из того, что этот тип аэрозоля считается важнейшим аэрозольным компонентом атмосферы и составляет по различным оценкам от 50 до 80% (по массе) полного количества аэрозоля [3-6]. Основными источниками аэрозоля являются пустыни, занимающие около 30% территории суши.
Адрес для корреспонденции: Абдуллаев Сабур Фузайлович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/1, Физико-технический институт АНРТ. Е-mail: sabur.f.abdullaev@gmail.com
В САПЕКС-89 проводились исследования химических и физических свойств минеральной пыли, собранной в 2 эпизодах пыльных бурь [2]. Во время этих пыльных бурь в 1989 г. оптическая толщина атмосферы достигала значения более 3.5 (при длине волны 550 нм). Несколько вертикальных профилей распределения пыли измеряли помощью самолета [7]. Были обнаружены также смешанные пыли и аэрозоли до высоты порядка 3 км. Тем не менее вертикальное распределение аэрозолей над Таджикистаном и особенно трансграничный перенос минеральной пыли над ЦА в настоящее время изучены недостаточно.
Впервые регулярные лидарные измерения по определению вертикального профиля аэрозолей проводились в Таджикистане с 17 марта 2015 г. по октябрь 2016 г. Они проводились в рамках Германо-Таджикского совместного проекта Центрально-Азиатского пылевого эксперимента (CADEX) в г.Душанбе.
Для изучения аэрозоля в рамках проекта CADEX развернута система для наблюдений: обновленная версия многоволнового лидара PollyXT (лидарная система, созданная Институтом тропосферных исследований им. Лейбница (TROPOS)) для исследования вертикального профиля аэрозолей, коэффициента обратного рассеяния и отношения деполяризации частиц [8,9]. CADEX призван обеспечить долгосрочные исследования вертикальных профилей коэффициента обратного рассеяния, коэффициента экстинкции и отношения деполяризации частиц.
Место проведения эксперимента находится в пригороде г.Душанбе, вблизи Физико-технического института им.С.У.Умарова АН Республики Таджикистан (ФТИ АН РТ), на полигоне атмосферного мониторинга лаборатории физики атмосферы. Его координаты 38°33'34" с.ш., 68°51'22" в.д., и высота составляет 864 м над ур. м. Дополнительный канал деполяризации на длине волны 355 нм для этого варианта (рис. 1) и изменение большинства электронных компонентов в существующей системе PollyXT, стандартные детали необходимы, чтобы обеспечить более высокие скорости счета [10,11].
Система PollyXT содержит лазер, излучающий свет на длинах волн 355, 532 и 1064 нм (рис.1). Приемник используемой системы имеет 8 каналов регистрации. С помощью этой системы вертикальные профили коэффициента обратного рассеяния определяются для всех трех излучаемых длин волн. Каналы на длинах волн 387, 607 и 407 нм позволяют регистрировать сигналы комбинационного рассеяния в ночное время, чтобы определить коэффициент экстинкции и профиль водяного пара. Еще два канала установлены для обнаружения кросс-поляризованного света на длинах волн 355 и 532 нм. Это позволяет измерить соотношение деполяризации частиц на этих длинах волн. Система имеет вертикальное разрешение 7.5 м и временное разрешение 30 сек.
Кроме того, солнечный фотометр CIMEL системы AERONET станции лаборатории физики атмосферы ФТИ АН РТ в г.Душанбе совмещен с лидарной системой PollyXT для проведения измерений оптических и микрофизических характеристик аэрозолей: аэрозольной оптической толщины, содержания водяного пара в вертикальном столбе атмосферы, параметра Ангстрема, распределения частиц по размерам, аэрозольной оптической толщины субмикронной и крупнодисперсной фракции аэрозолей. В работе задействованы пробоотборники РМ2.5 и РМ10 (Digitel DHA-80), а также устройства для определения скорости и направления ветра, температуры, распределения частиц по размерам
> 0.25 мкм, а монитор пыли Grimm Environmental Dust Monitor EDM-180 используется для измерения в реальном масштабе времени совместно с лидарным комплексом. В перспективе полученные результаты в рамках проекта CADEX будут использованы для создания региональной модели трансграничного переноса пыли COSMO-MUSCAT [12].
Рис.1. Схема лидарного комплекса PollyXT.
Эпизоды пылевой мглы в период 2014-2015 гг.
Таблица 1а
Дни Т W(cm) а(Л)
1020 нм 500 нм 340 нм
02.07.2014 1.393 1.516 1.619 2.275 0.122
25.07.2014 0.565 0.644 0.708 1.493 0.149
26.07.2014 0.449 0.537 0.627 1.679 0.233
30.07.2014 0.505 0.655 0.803 2.185 0.367
15.08.2014 0.941 1.055 1.123 1.481 0.141
28.09.2014 1.021 1.1 1.138 1.749 0.074
19.11.2014 1.047 1.209 1.387 0.961 0.412
20.11.2014 0.488 1.25 1.791 1.311 1.285
*27.12.2014 0.017 0.045 0.067 0.298 1.333
*01.01.2015 0.088 0.161 0.23 0.418 0.942
06.07.2015 1.106 1.208 1.247 1.655 0.088
21.07.2015 1.112 1.253 1.357 2.441 0.171
09.08.2015 1.212 1.378 1.43 1.383 0.129
Таблица 1б
Эпизоды пылевой мглы в период 2014-2015 гг.
Дни АОТ 500 нм N dTd dTn PM2.5 [мкг/м3]
общее субмикронная фракция крупнодисперсная фракция
02.07.2014 1.516 0.243 1.273 50 -4.6 3.4 632
25.07.2014 0.644 0.117 0.527 60 -2.9 2 268
26.07.2014 0.536 0.119 0.417 58 -3 0.6 224
30.07.2014 0.654 0.187 0.466 30 -6.5 6.2 273
15.08.2014 1.054 0.196 0.858 11 -7.6 4.6 440
28.09.2014 1.1 0.162 0.938 36 -5 3.2 458
19.11.2014 1.206 0.287 0.92 5 -4.8 3.8 504
20.11.2014 1.239 1.116 0.123 2 -8.9 0.8 521
*27.12.2014 0.382 0.049 0.333 8 19
*01.01.2015 0.078 0.033 0.045 14 67
06.07.2015 1.208 0.204 1.004 27 -5 7 503
21.07.2015 1.252 0.241 1.011 33 -7 3 522
09.08.2015 1.377 0.28 1.097 54 -5 6 574
Таблица 2
Эпизоды пылевой мглы в период 2015 г-.
Дата т(Л)/ Л, нм W, см а (Л) N
1020 870 670 500 440 380 340
27.03.2015 2.644 2.601 2.552 2.545 2.553 2.561 2.580 1.760 0.027 1
10.04.2015 0.316 0.310 0.304 0.310 0.314 0.320 0.325 0.507 0.072 2
10.06.2015 0.557 0.577 0.588 0.610 0.622 0.633 0.645 1.312 0.110 7
11.06.2015 0.425 0.453 0.462 0.487 0.500 0.522 0.533 1.233 0.150 60
12.06.2015 0.378 0.405 0.414 0.442 0.458 0.485 0.499 1.343 0.178 44
15.06.2015 0.439 0.467 0.481 0.511 0.529 0.557 0.575 1.655 0.189 61
16.06.2015 0.244 0.268 0.278 0.310 0.330 0.363 0.385 1.476 0.311 59
06.07.2015 1.106 1.149 1.178 1.208 1.220 1.231 1.247 1.655 0.088 27
07.07.2015 0.673 0.709 0.730 0.763 0.778 0.800 0.813 1.681 0.137 54
08.07.2015 0.479 0.508 0.526 0.565 0.586 0.618 0.639 1.694 0.209 44
16.07.2015 0.412 0.451 0.497 0.596 0.649 0.727 0.780 2.395 0.535 11
18.07.2015 0.413 0.442 0.475 0.552 0.595 0.655 0.703 2.627 0.437 14
21.07.2015 1.112 1.157 1.194 1.253 1.281 1.321 1.357 2.441 0.171 33
22.07.2015 0.717 0.753 0.791 0.863 0.902 0.958 1.004 2.541 0.272 37
23.07.2015 0.489 0.517 0.543 0.601 0.634 0.686 0.724 2.456 0.301 43
24.07.2015 0.485 0.514 0.541 0.608 0.648 0.710 0.757 2.707 0.341 30
25.07.2015 0.399 0.425 0.450 0.517 0.557 0.620 0.667 2.551 0.398 31
26.07.2015 0.358 0.381 0.405 0.467 0.503 0.560 0.602 2.397 0.411 37
27.07.2015 0.375 0.398 0.421 0.481 0.515 0.570 0.607 2.216 0.383 42
08.08.2015 0.559 0.594 0.627 0.695 0.730 0.789 0.826 1.869 0.350 47
09.08.2015 1.212 1.276 1.329 1.378 1.392 1.417 1.430 1.383 0.129 54
10.08.2015 0.396 0.423 0.446 0.494 0.520 0.565 0.587 1.479 0.303 58
21.08.2015 0.370 0.396 0.415 0.468 0.497 0.551 0.578 1.454 0.342 58
11.10.2015 0.889 0.915 0.945 1.004 1.035 1.077 1.106 1.968 0.181 18
12.10.2015 0.274 0.290 0.303 0.337 0.355 0.389 0.400 1.558 0.299 34
13.10.2015 0.107 0.116 0.122 0.140 0.148 0.167 0.169 0.715 0.397 13
14.10.2015 0.258 0.275 0.287 0.318 0.334 0.366 0.376 1.325 0.295 47
23.10.2015 0.264 0.330 0.464 0.675 0.772 0.881 0.955 1.270 1.256 4
31.10.2015 0.464 0.456 0.454 0.473 0.485 0.510 0.520 1.060 0.110 2
В табл. 1а, 1б и 2 приведены некоторые эпизоды пылевой мглы за период 2014-2015 гг. с полным указанием аэрозольной оптической толщины (при Я =1020, 500 и 340 нм), влагосодержания (W, см), параметра Ангстрема (а (Я)), субмикронной, крупнодисперсной и общей фракции аэрозольных частиц на длине волны 500 нм, количества проведенных измерений за день максимального значения дневного похолодания и ночного потепления, а также массовой концентрации твердых взвешенных частиц аэрозоля (РМ2.5). Высокие значения АОТ, РМ2.5 и низкие значения параметра Ангстрема (а) указывают на вторжения пылевой мглы и аэрозольного загрязнения атмосферы. Тревожным является продолжительность пребывания пыли в атмосфере г. Душанбе из-за рельефа местности, характеризующегося замкнутым пространством, окруженным горами, высота которых превышает высоту пылевого слоя в атмосфере (рис. 2).
Рис.2. Вертикальный профиль коэффициента обратного рассеяния, полученного с помощью лидарного комплекса PollyXT - TROPOS в период пылевой мглы в рамках проекта CADEX.
Важным климатообразующим фактором над территорией Таджикистана является циркуляция атмосферы с преобладающей воздушной массой умеренных широт. На севере она граничит с холодным арктическим воздухом, формирующимся в Арктическом бассейне, а на юге с сильно прогретым тропическим воздухом. Эти воздушные массы разделяются арктическими и полярными фронтами, положение которых не является постоянными. В результате чего Таджикистан, как и вся ЦА, периодически оказываются под влиянием как холодного арктического воздуха, так и жаркого тропического (рис.3).
2.5 3 3.5 4 4.5 Time (in days)
Рис. 3. Обратная траектория воздушных масс при формировании пылевой мглы 09 августа 2015 г.
В средней и верхней тропосфере над ЦА, как и над другими районами СНГ, преобладает широтный перенос воздушных масс. Усиление западно-восточной циркуляции на полушарии приводит также к поступлению влажных океанических масс воздуха в Таджикистан (рис. 3.).
В долинах Таджикистана ПМ может быть результатом ПБ. Такая ПМ задерживается горами высотой более 2000 м и сохраняется от нескольких суток до недели (например, в августе 2001 г. пылевая мгла продолжалась 29 дней). За последние 20-30 лет число ПБ в Таджикистане уменьшилось, и пылевая мгла чаще поступала из других районов: с запада, юго-запада, а также с юга. Интенсивность (горизонтальная видимость) застоявшейся ПМ («афганца») носит хорошо выраженный суточный ход. Перед восходом солнца пылевая мгла сгущается у поверхности Земли (рис.4а.), резко ухудшая видимость до 1-4 км. С прогревом долинных ветров пылевая мгла по склонам гор приподнимается вверх, о чём свидетельствуют горные и высокогорные метеоданные об ухудшении видимости на их уровнях. Высота пылевого слоя может достигать 3-3.5 км (рис.2), причем вертикальное распределение частиц имеет несколько максимумов и минимумов, например в случае пылевого вторжения 9 августа 2015 г. горизонтальная дальность видимости по слоям имеет разные значения. Хотя источники вторжения пылевых потоков различаются вместе с динамикой оптической толщины и параметра Ангстрема (рис.4б.), вертикальное распределение коэффициента обратного рассеяния аэрозоля при лазерном зондировании атмосферы указывает во всех эпизодах на послойное изменение потока и различие в горизонтальной дальности видимости по слоям.
1.5Í 14
1.45 1.4
1J5
u
1,25 li iiiin и.....imiii.........11 iiii mi и ii и и....... 0.1
ae f-i ^ — se 4 ■« — — — >e «r< »Л »-
TI т n — — — T, r. Ti т n f, ík
NNeírtet^eefrS — NNfl
Время, 09.08.2015г.
Рис.4. а) Динамика дневного хода АОТ при пылевой мгле 09 августа 2015 г.; б) Динамика дневного хода водяного пара и параметр Ангстрема при пылевой мгле 09 августа 2015 г.
В заключении необходимо отметить, что пылевые вторжения на территории Таджикистана имеют дальний источник образования (пустыни Аралкум, Кызылкум и Каракум, иранские пустыни Дашти Кабир и Дашти Лут, пустыня Сахара и, возможно, пустыня Такла-Макан). Вертикальный профиль аэрозоля пылевых вторжений имеет неравномерное распределение с несколькими экстремумами, что в свою очередь дает основание считать, что горизонтальная дальность видимости по слоям в атмосфере Таджикистана отличается друг от друга. Высота пылевого слоя может достигать 3-3.5 км (что меньше высоты гор, окружающих г. Душанбе), и ПМ может оставаться в атмосфере достаточно долгое время. Параметр Ангстрема во время пылевых вторжений изменяется в диапазоне от 0.074 до 0.412, что свидетельствует о преобладании крупнодисперсной фракции, тогда как при чистой атмосфере он составляет 0.942-1.98, что говорит о преобладании субмикронной фракции в атмосфере.
Исследования проведены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Германии (проект CADEX).
Поступило 15.12.2015 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Национальный план действий Республики Таджикистан по смягчению последствий изменения климата. - г. Душанбе, 2003, 264 с.
2. Советско-американский эксперимент по изучению аридного аэрозоля./ Под. ред. Голицына Г.С. -СПб.: НПО Тайфун, 1992, 208 с.
3. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И., Поздняков Д.В. Атмосферний аэрозоль. - Л.: Гидрометеоиз-дат, 1983, 224 с.
4. Ивлев Л.С. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1982, 368 с.
5. Кондратьев К.Я., Тер - Маркарян П.Е. Полный радиационный эксперимент - Л.: Гидрометеоиздат, 1976, 240 с.
6. Кондратьев К.Я., Жвалев В.Ф. Первый глобальный эксперимент ПИГАП "Аэрозоль и климат". -Л.: Гидрометеоиздат, 1976, 239 с.
7. Pachenko M.V., Terpugova S.A., Nazarov B.I. et al. - Optical investigations of dust storms during U.S.S.R.-U.S. experiments in Tadzhikistan, 1989. - Atmos. Environ., 1993, №27(16), рр.2503-2508.
8. Althausen D., Heinold B., Abdullaev S.F. еt al. Central Asian Dust Experiment (CADEX) DUST-2014.-International Conference on Atmospheric dust, Castellaneta Marina(TA), Italy-June 1-6, 2014
9. Julian Hofer, Dietrich Althausen, Sabur F. Abdullaev at all. Central Asian Dust Experiment (CADEX): Multiwavelength polarization Raman lidar observations in Tajikistan. - 27th International Laser Radar Conference Programme 2015, 5th - 10th July http: ilrc27.exordo.com.
10. Althausen D., Engelmann R., Baars H. et al. Portable Raman Lidar PollyXT for Automated Profiling of Aerosol Backscatter, Extinction, and Depolarization. - J. Atmos. Oceanic Technol., 2009, 26(11), рр.2366-2378.
11. Engelmann R., Ansmann A., Bühl J., Heese B., Baars H., Althausen D., et all. Observation of Arabian and Saharan dust in Cyprus with a new generation of the smart Raman lidar Polly. - Proceedings of the 27th ILRC, New York City, 2015.
12. Heinold B., Helmert J., Hellmuth O., et all. Regional modeling of Saharan dust events using LM-MUSCAT: Model description and case studies. - J. Geophys. Res. - Atmos., 2007, 112(D11).
Б.И.Назаров, Д.Алтхаузен*, Ч,.Хофер*, С.Ф.Абдуллаев
ОМУЗИШИ ДИСТАНЦИОННИИ АТМОСФЕРА ДАР ЧОРЧУБАИ ЛОИХДИ
СADEX
Институти физикаю-техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илмхои Цумхурии Тоцикистон, *Институти тах^кцкртх^ои тропосферии ба номи Лейбниц, Лейпциг, Олмон
Дар макола тахдикотдо оиди олудашавии атмосфераи ш.Душанбе дар самти амудй бо
истофода аз лидар дар чорчубаи барномаи хдмкории Олмону Тоцикистон тибки эксперименти
чангии Осиёи Марказй (CADEX) баррасй гардидааст.
Калимахои калидй: лидар, лазер, чанги аэрозоли, буурони чангй, буурони чангу губор.
B.I.Nazarov, D.Althausen*, J.Hofer*, S.F.Abdullaev REMOTE SENSING OF ENVIRONMENT IN THE FRAMEWORK
OF CADEX PROJECT
S.U.Umarov Physical-Technical Institute, Academy of the Republic of Tajikistan, *Leibniz Institute for Tropospheric Research, Leipzig, Germany
Vertical profiles of atmospheric particles are determined by laser sounding within the German-Tajik joint project "Central Asian Dust Experiment" (CADEX) in Dushanbe. As an example, the measurements on August 9th, 2015 are presented. The analysis indicates dust in the lower atmosphere. Key words: lidar, laser, dust aerosol, dust storm, dust haze.
