CC BY
68
УДК 551.511.42.001.572(571.14)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМОСНИМКОВ И НАЗЕМНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ДЛЯ АНАЛИЗА ПОЛЕЙ ДЛИТЕЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА ГОРОДА
Татьяна Владимировна Ярославцева
Новосибирский НИИ гигиены Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пархоменко, 7, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: tani-ta@list.ru
Владимир Федотович Рапута
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Обсуждаются результаты мониторинга загрязнения снежного покрова г. Кемерово взвешенными веществами. С использованием зимних спутниковых снимков, полученных в панхроматическом диапазоне, в соответствии с дискретной шкалой оттенков серого цвета, проиндексирована плотность тона изображения очагов загрязнения. Для зимних сезонов 2008-2011 гг. проведено сопоставление результатов компьютерной обработки космоснимков с результатами наземного мониторинга загрязнения снежного покрова. Установлено наличие корреляционных связей между оттенками серого цвета и содержанием твёрдых осадков в пробах снеготалой воды.
Ключевые слова: пылевое загрязнение, атмосфера, снежный покров, спутниковые снимки, корреляционный анализ.
USING SATELLITE IMAGERY AND GROUND SURVEILLANCE FOR THE ANALYSIS OF LONG-TERM POLLUTION FIELDS OF CITY SNOW COVER
Tatyana V. Yaroslavtseva
FBSI «Novosibirsk scientific research institute of hygiene» of Rospotrebnadzor, 630108, Russia, Novosibirsk, Parhomenko, 7, Ph. D., researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: tani-ta@list.ru
Vladimir F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Akad. Lavrentjeva, 6, Ph. D., chief researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
We discuss the results of the monitoring of Kemerovo snow cover pollution by suspended solids. Using satellite winter images obtained in panchromatic range, in accordance with the scale of discrete shades of gray, it was indexed image tone density of pollution sources. For the winter season 2008-2011 the results of satellite imagery computer processing and ground-based monitoring of snow contamination were compared. The presence of correlations between shades of gray and the content of solid precipitation in snow water samples.
Key words: dust pollution, atmosphere, snow cover, satellite images, correlation analysis.
На космических снимках городских территорий отчетливо проявляется осаждение на снежный покров аэрозолей антропогенного происхождения. На
них участки загрязненного снега выглядят как темные пятна и отражают атмосферную динамику процессов переноса пыли от источников [1-3]. В зимний период времени значительная часть территории города покрыта снегом и в следствие этого основные источники взвешенных веществ расположены над поверхностью земли и их выбросы носят организованный характер.
Контроль загрязнения атмосферы городов взвешенными веществами проводится на стационарных постах Государственной службы наблюдений за состоянием окружающей среды [4]. Поэтому при отборе проб снега по территории города следует отдавать предпочтение отбору вблизи постов, что создаёт возможности выявления корреляционных связей межсредового загрязнения [5, 6]. В дальнейшем это позволит проводить анализ длительного загрязнения атмосферного воздуха территорий города по спутниковым снимкам.
Мониторинг загрязнения снежного покрова города. Отбор проб снега преимущественно проводился в конце зимних сезонов 2009-2011 гг. вблизи городских постов контроля загрязнения атмосферного воздуха г. Кемерово. Схема расположения стационарных пунктов наблюдения за загрязнением (ПНЗ) атмосферного воздуха представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема размещения постов контроля атмосферного воздуха г. Кемерово на оцифрованном спутниковом снимке от 26.03.2006 г.
Пробы отбирались с помощью пластмассовой трубы на открытых площадках неповреждённого снежного покрова на всю глубину. Анализ снежных проб выполняли в лаборатории после их топления по схемам в зависимости от природы определяемых компонентов [7]. Перед определением неорганических компонентов растопленную пробу пропускали через бумажный и мембранный фильтры с диаметрами пор 3-5 и 0,45 мкм соответственно. Анализу подвергали и осадки, и фильтрат. В фильтрате определяли анионный состав, в том числе нитрат-, нитрит- и сульфат-ионы с использованием методики на основе капиллярного электрофореза. Результаты лабораторных исследований твёрдого осадка в пробах снеготалой воды приведены в таблице.
Таблица
Концентрация твёрдого осадка (г/л) в пробах снеготалой воды для зимних сезонов 2008-2011 гг.
Концентрация твёрдого осадка (г/л)
№ поста 2008/09 г. 2009/10 г. 2010/11 г.
1 0.194 0.109 0.097
2 0.139 0.101 0.135
8 0.120 0.093 0.095
10 0.086 0.078 0.112
17 - 0.188 0.144
19 0.074 0.050 0.029
20 0.112 0.051 0.068
26 0.056 0.045 0.043
Анализ спутниковых снимков. В работе использовались снимки ИСЗ, полученные в панхроматическом диапазоне (Ьа^Ба^ digitalglobe.com). В результате обработки снимка г. Кемерово от 26 марта 2006 г., заключающейся в дискретизации шкалы оттенков серого цвета, было получено оцифрованное изображение городских территорий (рис. 1, 2).
Это позволило выделить ореолы пылевых выпадений примесей от основных очагов загрязнения города (косохимический завод, ТЭЦ, крупные автомагистрали). Преобладающий вынос примесей происходит в направлениях на север и северо-восток от источников.
Анализ таблицы и рис. 1, 2 показывает, что значения рассматриваемых параметров загрязнения от поста к посту меняются вполне согласованно в значительных диапазонах изменения концентрации осадков в снеге и тональности территорий города на спутниковом снимке. Например, сравнение фрагмента снимка, с находящемся на нём постом № 10 и относящегося к промышленной зоне города, с фрагментом снимка спального района (пост № 26) показывает значительную контрастность оттенков серого цвета. Аналогичная ситуация имеет место при сравнении концентраций осадков пробах снега на рассматриваемых постах.
Рис. 2. Фрагменты оцифрованного космоснимка г. Кемерово от 26.03.2006 г.
в окрестностях постов № 10, 8, 19, 26
Результаты и обсуждение. Численная обработка результатов наземных и спутниковых исследований загрязнения снежного покрова г. Кемерово проводилась в рамках линейного корреляционного анализа. На рис. 3 представлены корреляционные зависимости между осадком пыли в пробах снега и тонами серого цвета на спутниковом снимке для зимних сезонов 2008 - 2011 г.г. на ПНЗ г. Кемерово. По вертикальной оси представлена интенсивность тона вблизи поста, по горизонтальной оси концентрация осадка (г/л) в пробе снеготалой воды, также отобранной возле этого поста.
Рис. 3. Линейно-корреляционные зависимости между оттенками серого цвета на космоснимке г. Кемерово от 26.03.2006 г. и твёрдыми осадками в пробах снега для зимних сезонов: 2008-2009 гг. (а), 2009-2010 гг. (б), 2010-2011 гг. (в)
Максимальные значения тона и осадка в снеге достигаются для ПНЗ № 1, 2, 17, минимальное - для ПНЗ № 19, 26. Следует отметить, что ПНЗ № 1 расположен в центре города. Пост № 2 находится сравнительно не далеко от коксохимического завода и на направлении преобладающего от него сноса загрязняющих примесей через р. Томь. Отметим также, что пересечение всех трёх линий регрессий на рис. 3 происходит несколько выше начала координат. Этот факт может означать, что сравнительно небольшая по массе часть мелкодис-
персных фракций пыли при топлении снеговых проб переходит в растворённое состояние.
В целом, для всех трёх зимних сезонов уровень согласия измеренных концентраций осадка в снеготалой воде с данными тональности цвета на спутниковом снимке вполне удовлетворительный. Это позволяет сделать вывод о возможности создания для территорий города взаимно дополнительных систем наземного и дистанционного мониторинга и пересчета данных спутниковых наблюдений на загрязнение снежного покрова различных территорий г. Кемерово.
Заключение. Результаты линейного корреляционного анализа данных наземных и спутниковых наблюдений длительного загрязнения снежного покрова взвешенными веществами показали для территорий г. Кемерово достаточно высокий уровень согласия. Для рассмотренных зимних сезонов существует определённая стабильность размещения и функционирования основных источников выбросов взвешенных веществ в атмосферу города. Проведённое исследование показало возможность создания взаимно дополнительных систем мониторинга и получения на их основе более детальной оценки состояния длительного загрязнения снежного покрова города. Использование результатов сопряжённых исследований межсредового загрязнения атмосферного воздуха и снежного покрова на постах Росгидромета г. Кемерово позволит проводить оценки содержания в атмосфере взвешенных веществ по спутниковым снимкам и соответственно определять ингаляционные риски здоровью городского населения.
Работа выполнена при поддержке Программы РАН № 18.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Прокачева В.Г., Усачев В.Ф. Снежный покров как индикатор кумулятивного загрязнения в сфере влияния городов и дорог // Метеорология и гидрология. 2013. № 3. С. 94-106.
2. Василевич М.И., Щапов В.М., Василевич Р.С. Применение спутниковых методов исследования при оценке загрязнения снежного покрова вокруг промышленных предприятий в тундровой зоне // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 2. С. 50-60.
3. Дмитриев А.В., Дмитриев В.В. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса таяния снежного покрова в районе г. Омска по материалам 2007-2009 г. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 2. С. 34-41.
4. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. Л.: Гидро-метеоиздат, 1986. 199 с.
5. Рапута В.Ф., Коковкин В.В., Девятова А.Ю. Сравнительная оценка состояния длительного загрязнения атмосферы и снегового покрова г. Новосибирска на сети стационарных постов Гидрометеослужбы // Оптика атмосферы и океана. 2010. Т. 23, № 6. С. 499-504.
6. Ярославцева Т. В., Рапута В. Ф. Закономерности длительного загрязнения атмосферы и снежного покрова г. Новосибирска // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 1. - С. 28-33.
7. Василенко В.Н., Назаров И.М., Фридман Ш.Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. Л: Гидрометеоиздат, 1985. 182 с.
© Т. В. Ярославцева, В. Ф. Рапута, 2016
