CC BY
18
Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2016. № 3(14). C. 53-63. ISSN 2079-6641
DOI: 10.18454/2079-6641-2016-14-3-53-63
УДК 551.510.535:551.501.8
МОНИТОРИНГ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ СИБИРИ: ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ БАЗЫ ДАННЫХ ОБ ОПАСНЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЯХ
П.М. Нагорский1, В. С. Яковлева2, К.Н. Пустовалов1, С. В. Смирнов1,
М. С. Черепнев2, Г. А. Яковлев3
1 Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, 634055, г. Томск, пр. Академический, 10 / 3,
2 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина 30,
3 Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа «Эврика-Развитие», 634050, г. Томск, пер. Юрточный 8, стр. 1.
E-mail: vsyakovleva@tpu.ru
Разработана методика тематической обработки данных многолетнего мониторинга метеорологических и радиационных величин в городской среде. Предложенная методика тематической обработки данных мониторинга предназначена для формирования и пополнения библиотеки данных о характеристиках полей ионизирующих излучений и объёмной активности радионуклидов, а также повторяемости и интенсивности экстремальных и опасных явлений.
Ключевые слова: ионизирующее излучение, естественный радиационный фон, мониторинг
(с) Нагорский П.М. и др., 2016
MSC 81V35
ENVIRONMENTAL MONITORING IN SIBERIA: APPROACHES TO CREATION OF DATABASE OF DANGEROUS WEATHER EVENTS
P.M. Nagorskiy1, V.S. Yakovleva2, K.N. Pustovalov1, S.V. Smirnov1, M. S. Cherepnev2, G.A. Yakovlev3
1 Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems SB RAS, 634055, Tomsk, Akademicheskaya st., 10/3., Russia,
2 National Research Tomsk Polytechnic University, 634050, Tomsk, Lenin st., 30 Russia,
3 Municipal budget educational institution, Secondary School "Eureka-Development", 634050, Tomsk, Yrtochny side st. 8, build. 1., Russia.
E-mail: vsyakovleva@tpu.ru
The method of subject adjustment of data of many years' monitoring of meteorological and radiation values in urban environment was developed. Proposed method of subject adjustment of monitoring data serves to creation and updating of database of ionizing radiation field characteristics and radionuclide volumetric activity as well as times of occurrences and intensity of extremal and dangerous events.
Key words: ionizing radiation, natural radiation background, monitoring
© Nagorskiy P.M., et al., 2016
Введение
Изменения окружающей среды и климата во многих регионах планеты, включая территорию Сибири, остаются недостаточно изученными как для прогноза вектора наблюдаемых изменений, так и для обоснованной оценки роли природных и техногенных факторов. Кроме того, в нынешнем переходном состоянии глобальной климатической системы опасные природные и техногенные явления проявляются, согласно данным МЧС России, с всё более возрастающей частотой.
Приоритетное направление развития технологии радиационного мониторинга городской среды на территории Сибири тесно связано с разработкой новых алгоритмов и методов контроля радиационных величин совместно с метеорологическими, атмосферно-электрическими и актинометрическими величинами и, параллельно, в совершенствовании моделей переноса газов и радионуклидов в изменяющихся средах. Это позволяет получать новые данные о структуре и динамике полей ионизирующих излучений и естественной радиоактивности в приземной атмосфере и поверхностном слое грунта, выявлять особенности и закономерности в их поведении, а также выявлять их взаимосвязи с метеорологическими процессами внутрисуточного, суточного и синоптического масштабов.
Одним из необходимых элементов такого мониторинга является постоянно пополняющаяся библиотека данных, включающая базы данных о характеристиках полей ионизирующих излучений и объёмной активности (ОА) радионуклидов в грунте и приземной атмосфере, атмосферно-электрических и метеорологических величинах, о повторяемости и интенсивности экстремальных и опасных явлениях (ОЯ), связанных с метеорологическими событиями в регионе с резко-континентальным типом климата в условиях его современных изменений.
Основная цель работы заключалась в разработке методик тематической обработки данных многолетнего согласованного мониторинга метеорологических величин и характеристик полей ионизирующей радиации, которые были зарегистрированы ИМ-КЭС СО РАН и НИ ТПУ, с целью формирования и пополнения библиотеки данных о характеристиках полей ионизирующих излучений и объёмной активности (ОА) радионуклидов, повторяемости и интенсивности экстремальных и опасных явлений.
Мониторинг ионизирующей радиации и метеовеличин
Мониторинг ионизирующей радиации реализуется с конца 2008 г. и его технология постоянно совершенствуется. Он включает в себя непрерывные автоматизированные с высокой частотой дискретизации (1-10 мин.) измерения характеристик полей а-, ß-, и у-излучения [1-3]. Параллельно, на базе Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (академгородок, г. Томск), ведется мониторинг метеорологических, актинометрических и атмосферно-электрических величин [4-6]. Параллельно измерения основных метеопараметров и характеристик турбулентности производятся с тактом в 1 минуту с помощью ультразвуковой метеостанции АМК-3, представляющей собой новое поколение метеорологических приборов [7]. Приходящая солнечная радиация измеряется пиранометром Kipp & Zonen СМ-11 и фотометром NILU-UV-6T. Схема, основные задачи и некоторые результаты обработки мониторинга атмосферно-электрических, актинометрических и метеовели-
чин, полей ионизирующих излучений и естественной радиоактивности в приземной атмосфере и поверхностном слое грунта суммированы в работах [8-12].
1. Основные этапы тематической обработки данных
На предварительном этапе были выявлены опасные явления, приводящие к существенным или аномальным изменениям определенных радиационных величин. Опасные явления, в конечном итоге, были разделены на три основные группы:
• грозы, шквалы, интенсивные ливневые осадки и другие ОЯ, связанные с прохождением фронтов и внутримассовыми явлениями;
• ОЯ, связанные с ограничением дальности видимости (туманы, мгла, дым пожаров и т.д.);
• аномальные по длительности периоды бездождья, экстремально высоких и низких температур, обусловленные блокирующими антициклонами.
Сравнение пространственно-временных вариаций радиационных и метеорологических величин в выделенных группах ОЯ показало, что они имеют принципиально различный характер. Это обстоятельство позволило предложить и реализовать методику обработки архивных данных мониторинга метеорологических величин и характеристик полей ионизирующей радиации, а также сформировать библиотеку данных о повторяемости и интенсивности ОЯ.
Представим далее последовательность операций, реализованную в методике обработки архивных данных мониторинга метеорологических величин и характеристик полей ионизирующей радиации. Она состоит из пяти этапов, первые три из которых могут выполняться в произвольном порядке, в том числе и параллельно.
I этап. На этом этапе проводилась обработка метеорологической информации по ближайшей станции Росгидромета (номер ВМО №29430, г. Томск). Данная метеостанция удалена на расстояние 6 км от пункта мониторинга.
Из данных по метеорологической информации, зарегистрированной во время мониторинга ионизирующей радиации по метеостанции г. Томска, составлялись базы данных, характеризующие группы отдельных ОЯ, перечисленных выше. Дополнительно в состав формируемой базы данных включалась следующая метеорологическая информация.
а) Состояние погоды между сроками (погода в течение трех часов, предшествующих сроку наблюдения):
- гроза с осадками или без них;
- ливневые осадки;
- дождь;
- морось;
- снег или дождь со снегом;
- туман или ледяной туман, сильная мгла.
б) Состояние погоды в срок наблюдения (погода в срок наблюдения или в течение последнего часа перед сроком наблюдения):
- гроза с осадками или без них, гроза в срок наблюдения, но без осадков;
- шквал или смерч;
- град, ледяная или снежная крупа с дождем или без дождя;
- ливневый дождь, ливневый снег или ливневый дождь со снегом;
- дождь, дождь со снегом или ледяной дождь;
- снег;
- морось или снежные зерна или дождь с образованием гололеда;
- туман или ледяной туман (видимость менее 1000м).
в) По интенсивности ОЯ классифицировались следующим образом: слабые; умеренные; интенсивные.
г) Количество облачности, которое оценивается визуально как степень покрытия небосвода облаками по 10-бальной шкале и учитывает: форму облаков верхнего яруса; форму облаков среднего яруса; форму облаков вертикального развития; форму слоистых и слоисто-кучевых облаков; форму слоисто-дождевых и разорвано-дождевых облаков; высоту нижней границы облаков.
д) Количественные значения основных метеовеличин: направление, средняя и максимальная скорости ветра; осадки (осадки на метеостанциях Сибири измеряются дважды в сутки в сроки, ближайшие к 8 и 20 часам местного времени); атмосферное давление; температура атмосферы; температура поверхности; парциальное давление водяного пара; относительная влажность; температура точки росы; горизонтальная дальность видимости.
Отметим, что на метеостанциях на территории РФ приняты следующие сроки наблюдения за метеоявлениями: 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18 и 21 час местного декретного времени. Такой временной такт позволяет оценить только общую картину развития ОЯ и поэтому, вполне возможен пропуск тех ОЯ, время существования которых не превосходит трех часов или пространственный масштаб менее расстояния между метеостанцией и пунктом мониторинга. Коррекция метеорологических данных используемой станции Росгидромета была проведена на следующих этапах.
II этап посвящен тематической обработке данных о метеоявлениях, зарегистрированных наблюдателями-метеорологами ИМКЭС СО РАН с 10.00 по 19.00 местного времени. На этом этапе была использована база данных ИМКЭС СО РАН о метеорологических явлениях, включая ОЯ. Временное разрешение начала и окончания отдельных метеоявлений составляет ±2 минуты, что значительно меньше временного такта станций Росгидромета (3 часа). Список регистрируемых метеоявлений: гроза, град, ливневый дождь, дождь, морось, снег, ливневый снег, ливневый снег и дождь, мокрый снег, снежная крупа, ледяные иглы, поземок, метель низовая, гололед изморось, кристаллическая изморось, иней, туман, дымка, мгла. По интенсивности метеоявления также подразделялись на слабые, умеренные и интенсивные.
III этап. На данном этапе проводилась обработка данных мониторинга основных метеовеличин, зарегистрированных аппаратно с высоким временным разрешением (0.5-1 минута) в пункте регистрации ионизирующей радиации (ИМКЭС СО РАН, НИ ТПУ) и получены оценки вариаций следующих метеорологических величин, зарегистрированных с высоким временным разрешением: температура атмосферы -T, давление - p, относительная влажность - h, скорость и направление ветра -ш, а, температура поверхности - Tp и подповерхностные температуры - Ts на серии глубин; градиент потенциала электрического поля атмосферы - E, полярные электропроводности - L_, L+ атмосферного воздуха; приходящая солнечная радиация Pr в видимом и пяти каналах ультрафиолетового диапазонов; характеристики турбулентности.
В целом, первые три этапа обработки позволили провести выделение отдельных ОЯ и сформировать библиотеку ОЯ, учитывающую их повторяемость и интенсивность на протяжении года. Распределение по группам ОЯ в годовом цикле иллюстрируется рис. 1, где символы + и - означают наличие или отсутствие соответствующего ОЯ.
Экстремально высокие +
и низкие температуры
Ограничение
дальности видимости
Грозы, шквалы
Осадки
«Хорошая» погода
Рис. 1. Проявления опасных явлений в годовом цикле (2012 г.)
Представим оценки времени существования групп опасных явлений в годовом цикле (данные за 2012 год):
• периоды экстремально высоких и низких температур, обусловленные блокирующими антициклонами - 2,7 % (240 час/год);
• ограничение дальности видимости, связанное с дымом лесных пожаров, мглой, туманами - 2,6 % (230 час/год);
• грозы, шквалы и другие ОЯ, связанные с прохождением фронтов и внутримассо-выми явлениями - 0,55 % (50 час/год);
• выпадающие осадки (жидкие и твердые) - 17,7 % (1550 час/год);
• условия «хорошей» погоды - 23,3 % (2050 час/год).
Термин «хорошая» погода используется нами при оценке электрических свойств приземного слоя атмосферы. Предполагается, что скорость ветра не превосходит 6 м/с, отсутствуют осадки, иней, туман, дым, облачность нижнего яруса [13].
IV этап. Тематическая обработка данных компонент ионизирующего излучения. Основной целью этого этапа было пополнение сформированной библиотеки ОЯ данными о состоянии и пространственно-временной динамике компонент ионизирующих излучений и их отношений во время конкретных ОЯ.
Поясним это на следующем примере (рис. 2 за 15-16.06.2012 г.). В летних условиях 15 июня 2012 года над пунктом мониторинга с 16-21 ч. проходило скопление внутримассовых СЬ, с которыми была связанна сильная гроза и очень сильный ливневой дождь. На следующий день, 16 июня с 7-12 ч. отмечалось прохождение над пунктом мониторинга облачной системы вторичного холодного фронта, во время которой в интервале 7-11:30 ч. отмечалось выпадение осадков в виде ливневого дождя вначале сильной, а затем слабой интенсивности. Всего за 12 часов выпало более 15 мм осадков.
В зимних условиях также возможно развитие грозовых явлений, которые не отмечаются ни визуально (за исключением формы облаков вертикального развития), ни стандартными метеорегистраторами. Они были зафиксированы только датчиками ионизирующей ионизации и флюксметром «Поле-2», регистрирующим вариации градиента потенциала электрического поля в приземном слое (рис. 3).
На этом рисунке приведены данные за 24-25 февраля 2013 года, когда, начиная с ~10 до 22 ч., отмечалось последовательное прохождение с небольшим интервалом фронта окклюзии и холодного фронта II рода и отмечалось объединение их облачных систем. С фронтом окклюзии были связаны осадки в виде обложного снега, а с холодным фронтом - ливневой снег, после прохождения которого зарегистрировано появление метели.
Согласно данным обработки, осадки (дождь и снег) играют главную роль в «быстрых» вариациях ионизирующей радиации (масштаб - меньше суточного) и приводят к ярко выраженным кратковременным скачкообразным увеличениям (всплескам) в характеристиках полей ионизирующих излучений и их отношений (трассеров) вплоть до порядка и более по величине. Вместе с тем, исследования связи между интенсивностью осадков и величиной всплеска мощности дозы у- излучения до сих пор не дали ожидаемых результатов - значимой связи не было выявлено [14,15].
Необходимо отметить следующее. Обработка данных на первых трех этапах приводит к тому, что полученная для конкретного ОЯ база данных имеет явно избыточный характер. Например, в сформированной базе ОЯ вариации температуры приземной атмосферы представлены двумя массивами данных: вариации температуры по метеостанции г. Томска с разрешением 3 часа и аналогичные вариации в пункте мониторинга ионизирующей радиации с тактом 0,5 минуты. Аналогичная ситуация наблюдается и в случае осадков: данные по метеостанции г. Томска, зарегистрированные с тактом 12 часов, данные, полученные наблюдателями-метеорологами с 10.00 по 19.00 местного времени, характерные вариации градиента потенциала электрического поля в области отрицательных значений, всплески компонент фона ионизирующей радиации, характерные изменения температурного хода и т.д.
На начальном этапе эта избыточность позволила достоверно определить те метеорологические и радиационные величины, которые могут быть индикаторами конкретного ОЯ. На последующих этапах она же позволила корректно минимизировать состав и количество измеряемых величин. В первую очередь, она позволила отказаться от использования прямых данных по грозам и осадкам, зарегистрированных наблюдателями-метеорологами с 10.00 по 19.00 местного времени, в пользу косвенных (компоненты фона ионизирующей радиации совместно с температурой и градиентом потенциала).
Формирование библиотеки ОЯ позволило перейти к следующему этапу обработки - совместной тематической обработке данных, зарегистрированных во время ОЯ.
V этап. Совместная тематическая обработка библиотеки данных мониторинга компонент ионизирующего излучения и метеорологических величин в предварительно выделенных интервалах, соответствующих конкретным типам ОЯ. На начальном этапе обработки ОЯ, приводящие к существенным или аномальным изменениям определенных радиационных величин, были разделены на 3 группы: а) ОЯ, связанные с прохождением фронтов и внутримассовыми явлениями; б) ОЯ, связанные с ограничением дальности видимости; в) ОЯ, обусловленные блокирующими антициклонами.
Рис. 2. Временная динамика развития ОЯ первой группы (летние условия, 2012 г.).
Рис. 3. Временная динамика развития ОЯ первой группы (зима, 2013 г.)
Характерным признаком ОЯ первой группы является появление всплесков ионизирующей радиации и изменение отношения между уровнями различных компонент радиационного фона (рис. 2, 3). Амплитуда всплесков может быть выше уровня невозмущенного радиационного фона на десятки и сотни процентов. Отношение между отдельными компонентами фона ионизирующей радиации также может возрастать
(убывать) на десятки процентов. Наибольшие амплитуды всплесков ионизирующей радиации зарегистрированы во время развития грозовых явлений.
Таким образом, признаком, сигнализирующим о появлении ОЯ первой группы, является устойчивое повышение уровней в - и у- компонент фона ионизирующей радиации не менее чем на 10-15% на временном масштабе от 5-10 минут до получаса.
Характерными признаками ОЯ второй и третьей групп является появление ярко выраженных колебаний с суточным периодом и межсуточного тренда. Амплитуда этих колебаний может быть выше вариаций невозмущенного радиационного фона суточного периода на десятки процентов. Таким образом, общим признаком, сигнализирующим о появлении ОЯ второй и третьей групп, является устойчивое повышение уровней в - и У- компонент фона ионизирующей радиации не менее чем на 10-15%.
Характерная динамика отдельных компонент фона ионизирующей радиации во время экстремально низких температур и во время длительного отсутствия осадков при переходе температуры атмосферы от отрицательных значений к положительным во время схода снежного покрова приведена на рис. 4. Здесь: верхние панели а-г -зима 2012 г., а нижние панели д-з - весна 2013 года. На рис. 4 приведена только часть трассеров, временная динамика остальных имеет аналогичный характер.
Рис. 4. Согласованные вариации полей ионизирующих излучений и метеовеличин. Слева - направо: вариации уровня - фона (а, д); отношение компонент радиационного фона (трассеры) на отдельных высотах (б, е); температуры атмосферы Т и земной поверхности Тр (в, ж); количество выпавших осадков (г,
з).
Поскольку характерные времена развития ОЯ, связанных с экстремально низкими температурами и бездождьем составляют не менее нескольких суток, исходные данные были подвергнуты фильтрации, в результате которой периоды менее 12 часов были отфильтрованы (для у- фона на рис. 4 д приведены неотфильтрованные данные). Не смотря на отличающиеся временные вариации компонент фона ионизирующей радиации в приведенных случаях, временная динамика различных трассеров
оказывается идентичной: а) появляются колебания с суточным периодом; б) межсуточная динамика имеет вид гауссоиды (вначале значение трассера возрастает, затем - убывает).
Совпадение реакции ионизирующей радиации на появление ОЯ второй и третьей групп связано с тем, что ряд таких ОЯ наблюдаются только совместно. Это относится, в первую очередь, к дыму, мгле от мощных лесных пожаров, весьма характерных в летних условиях на территории Сибири, поскольку основным фактором, приводящих к их появлению, являются аномальные по длительности периоды бездождья и экстремально высокие температуры, обусловленные блокирующими антициклонами. Анализ компонент вариаций фона ионизирующей радиации показал, что для а - фона задымление приводит к существенному падению уровня фона, а для у- фона - к его плавному возрастанию.
Заключение
В целом, предложенная методика тематической обработки данных скоординированного многофакторного мониторинга городской среды на территории Сибири позволяет получать новую аналитическую информацию, необходимую для выявления характерных особенностей вариаций ионизирующей радиации, находящихся под воздействием метеорологических и (или) техногенных факторов. В свою очередь, изучение динамики ионизирующих излучений, в частности, радоновых полей, позволит уточнить стационарную и вариативную компоненты ионизации атмосферы, а также ту роль, которую они оказывают на атмосферно-электрические и климатические особенности городских территорий.
Сформированная библиотека данных о вариациях полей ионизирующих излучений и объёмной активности (ОА) радионуклидов, повторяемости и интенсивности экстремальных и опасных явлений может быть востребована в службах МЧС и здравоохранения, Росгидромете, а также в научных организациях, занимающихся проблемами городской среды обитания в условиях современных климатических изменений.
Работа выполнена при поддержке ФЦП № 14.575.21.0105 (RFMEFI57514X0105) Министерства образования и науки РФ.
Список литературы
[1] Нагорский П.М., Яковлева В. С., Черепнев М.С., Яковлев Г. А., "Радиационные величины как трассеры/индикаторы экстремальных явлений на территории западной Сибири", Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки, 1(12) (2016), 94-106.
[2] Яковлева В. С., Нагорский П.М., "Развитие технологии радиационного мониторинга в городской среде", Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки, 1(10) (2015), 65-71.
[3] Ryabkina K S, Kondratyeva A G, Nagorskiy P M, Yakovleva V.S., "Investigation of seasonal dynamics of в - and /-radiation fields vertical profile in the surface atmospheric layer", IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 135 (2016), 012036.
[4] Ипполитов И. И., Кабанов М. В., Нагорский П.М, Пхалагов Ю.А., Смирнов С. В., "Суточные вариации напряженности электрического поля в дымах от лесных пожаров", Доклады Академии наук, 453:2 (2013), 207-210.
[5] Pustovalov K.N., Kobzev A.A., Nagorskiy P.M., "Study of atmospheric surface layer electrical processes in case of varying intensity rain", SPIE, 9680 (2015), 96806L1-4.
[6] Нагорский П.М., Морозов В. Н., Смирнов С. В. Пустовалов К. Н., "Электродный слой в электрическом поле мощной конвективной облачности", Изв. ВУЗов Радиофизика, 56:11-12 (2013), 853-863.
[7] Азбукин А.А., Богушевич А.Я., Ильичевский В.С. и др., "Автоматизированный ультразвуковой метеорологический комплекс АМК-03", Метеорология и гидрология, 200б, № 11, 89-97.
[8] Яковлева В. С., Нагорский П. М., Черепнев М. С., "Формирование а-, в - и у- полей приземной атмосферы природными атмосферными радионуклидами", Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки, 1(8) (2014), 86-96.
[9] Пхалагов Ю.А., Ипполитов И. И., Нагорский П.М. и др., "Влияние аномальных атмосферно-оптических условий на изменчивость электрического поля", Оптика атмосферы и океана, 22:1 (2009), 25-30.
[10] Кобранова А. А., Морозов В. Н., Нагорский П.М., Пустовалов К. Н."Моделирование электрического состояния атмосферы в период зимних штормов", Изв.ВУЗов. Физика, 58:8/2 (2015), 220-223.
[11] Nagorsky P.M., Yakovleva V. S., Makarov E.O., Firstov P.P., Kondratyeva A. G., Stepanenko A. A., "Radioactive у/в tracer to explore dangerous technogenic phenomena", IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 135 (2016), 012031.
[12] Yakovleva V. S., Nagorsky P.M., Cherepnev M.S., Kondratyeva A.G., Ryabkina K. S., "Effect of precipitation on the background levels of the atmospheric в-and /-radiation", Applied Radiation and Isotopes, 118 (2016), 190-195.
[13] Донченко В. А., Кабанов М. В., Кауль Б. В., Нагорский П. М., Самохвалов И. В., Электрооптические явления в атмосфере, Изд-во НТЛ, Томск, 2015, 316 с.
[14] Burnett J.L., Croudace I.W., Warwick P. E., "Short-lived variations in the background gamma-radiation dose", Journal of Radiological Protection, 30:3 (2010), 525-532.
[15] Mercier J.-F., Tracy B. L., d'Amours R., Chagnon F., Hoffman I., Korpach E. P., Johnson S., Ungar R. K., "Increased environmental gamma-ray dose rate during precipitation: a strong correlation with contributing air mass", Journal of Environmental Radioactivity, 100:7 (2009), 527-533.
Поступила в редакцию / Original article submitted: 29.08.2016
