CC BY
14
УДК 551.511.42.001.572(571.14)
НАЗЕМНЫЙ И СПУТНИКОВЫЙ МОНИТОРИНГ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В РАЙОНЕ НОВОСИБИРСКОГО ЭЛЕКТРОДНОГО ЗАВОДА
Татьяна Владимировна Ярославцева
ФБУН «Новосибирский НИИ гигиены» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 630108, 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
Ирина Алексеевна Соловьёва
Сибирский центр ФГБУ «НИЦ «Планета», 630099, Россия, г. Новосибирск, ул. Советская, 30, заместитель директора, тел. (383)222-33-07, e-mail: sol@rcpod.ru
Обсуждаются методы совместного анализа данных наземных и спутниковых наблюдений загрязнения снежного покрова от пылящих точечных, линейных и площадных источников. Анализируются ореолы выноса пыли от высотных труб, производств по дроблению и переработке угля, карьерных выработок, технологической трассы в окрестностях Новосибирского электродного завода. С использованием моделей реконструкции предложены методы поиска связей между оцифрованными изображениями ореолов и данных контактных наблюдений.
Ключевые слова: атмосфера, снежный покров, мониторинг, загрязнение, аэрозоль, пылевые выпадения, спутниковые наблюдения, тона серого цвета, функциональная связь, модель реконструкции.
GROUND-BASED AND SATELLITE MONITORING OF ATMOSPHERIC POLLUTION IN AREA OF NOVOSIBIRSK ELECTRODE PLANT
Tatyana V. Yaroslavtseva
FGUN «Novosibirsk Scientific Research Institute of Hygiene» of Rospotrebnadzor, 7, Parhomenko St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)330-61-51, e-mail: tani-ta@list.ru
Vladimir F. Raputa
Institute of the Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 6, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Chief Researcher, phone: (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
IrinaA. Solov'eva
Siberian Center FGBU «SRC «Planeta», 30, Sovetskay St., Novosibirsk, 630099, Russia, Deputy Director, phone: (383)222-33-07, e-mail: sol@rcpod.ru
Methods for joint analysis of ground and satellite observations of snow cover contamination from dusting point, linear and area sources are discussed. The aureoles of dust removal from high-altitude pipes, coal crushing and processing plants, quarry workings, technological
route in the vicinity of the Novosibirsk electrode plant are analyzed. Using reconstruction models, methods are proposed for searching for links between digitized images of halos and data of contact observations.
Key words: atmosphere, snow cover, monitoring, pollution, aerosol, dust precipitation, satellite observations, gray tone, functional connection, reconstruction model.
Введение
Прямые экспериментальные исследования процессов атмосферного загрязнения требуют привлечения значительных экономических и технических ресурсов [1-3]. По этой причине они носят ограниченный и разовый характер. Использование природных планшетов существенно расширяют возможности мониторинговых исследований загрязнения окружающей среды антропогенными и природными источниками.
В условиях Сибири одним из наиболее надежных природных планшетов является снежный покров как при проведении контактных, так и дистанционных наблюдений [4, 5]. В пробах снега гораздо проще и надежнее определяется многокомпонентный состав выбросов вредных примесей, накопленных за длительный промежуток времени. На спутниковых снимках достаточно высокого пространственного разрешения отчетливо фиксируются выпадения на снежный покров аэрозолей промышленного происхождения [5] и отражает атмосферную динамику процессов их переноса от источника. Использование моделей реконструкции полей выпадений примесей создает возможности эффективной количественной интерпретации данных наземного и спутникового мониторинга снежного покрова [6-9].
Целью работы является анализ процессов атмосферного загрязнения пылящими источниками в районе Новосибирского электродного завода (НЭЗ) с использованием наземных и дистанционных наблюдений.
Объекты и методы исследований
Удобным методом визуализации пространственной картины выпадения пыли являются спутниковые снимки снежного покрова в окрестностях промышленного предприятия. На рис. 1 и рис. 2 представлены соответственно спутниковые снимки от 24 января и 18 февраля 2018 г. окрестностей НЭЗ.
Объектами исследования являются выпадения загрязняющих веществ от основных источников НЭЗ, выносы пыли от карьера, предприятий по переработке угля, технологической трассы.
Для реконструкции полей аэрозольных выпадений использовалась зависимость
g(t,9) = в1 r~вг exp
£3
(1)
r
Рис. 1. Оцифрованный в тонах серого цвета спутниковый снимок окрестностей НЭЗ от 24 января 2018 г. (ИСЗ «Landsat-8»)
Рис. 2. Оцифрованный в тонах серого цвета спутниковый снимок окрестностей НЭЗ от 18 февраля 2014 г. (ИСЗ «Landsat-8»)
Соотношение (1) получено из уравнения баланса массы тяжелой неоднородной примеси в атмосфере [7, 9].Оценка неизвестного вектора параметров в в выражении (1) проводится по данным наблюдений поверностной концентрации осадка методом наименьших квадратов.
Результаты и обсуждения
На рис. 1 отчетливо прослеживаются на снежном покрове обширные пылевые выносы от предприятия по переработке угля на пос. Линево. Эта зона высокого загрязнения сформировалась при ветрах северных направлений в период сильных морозов. Шлейф загрязнения, видимый на космическом снимке, мог сформироваться за довольно длительный бесснежный период времени.
На рис. 2 представлены поля выпадений пыли при ветрах южного направленности также довольно длительной повторяемости. Анализ рис. 2 показывает, что выносы пыли от карьера охватывают большие территории и протяженностью, составляющей в северном направлении несколько километров. В зону влияния выносов попадает пос. Ургун. Из рис. 2 вытекает, что в зоны интенсивных выносов пыли от предприятий по переработке угля оказались пос. Ев-сино и Новосибирская птицефабрика.
Попарный корреляционный анализ данных с учетом модельных описаний позволил установить вид функциональных связей между наземными и спутниковыми наблюдениями уровней загрязнения. Показано, что для высотных труб НЭЗ характерна степенная связь (рис. 3а), для площадного имеет место линейная зависимость (рис. 3б).
Рис. 3. Зависимость между интенсивностью тонов серого цвета и выпадениями пыли от труб НЭЗ (а) и от площадного источника -предприятия по дроблению угля (б)
На снимках все цветовые градации были переведены в тона серого цвета. Дешифровка позволила привязать к выбранной шкале ореолы загрязнения от основных очагов. Сравнительный анализ данных экспериментальных исследований и спутниковых наблюдений показал, что концентрации пыли в снеге
с удалением от источника довольно быстро снижается и что связано с относительно небольшой эффективной высотой источников.
Заключение
Используемые подходы позволяют существенно оптимизировать выполнение наземного мониторинга загрязнения окрестностей промышленной площадки в зимнем сезоне. С использованием модельных описаний процессов выноса пыли от точечных и площадных источников, зимних спутниковых снимков и данных наземных исследований загрязнения снега могут быть численно восстановлены поля выпадений пыли и оценивания суммарного их выноса.
Работа подготовлена при поддержке проекта РФФИ (грант № 17-47-540342), госзадания 0315-2016-0004, проекта ПРАН№ 51 (0315-2018-0016).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бызова Н.Л., Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 278 с.
2. Горчаков Г. И., Копров Б. М., Шукуров К. А. Влияние ветра на вынос аэрозоля с подстилающей поверхности // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 2004. - Т. 40. -№ 6. - С. 759-775.
3. Cesari D., De Benedetto G.E., Bonasoni P., Busetto M., Dinoi A., Merico E., Chirizzi D., Cristofanelli P., Donateo A., Grasso F.M. et al. Seasonal variability of PM2.5 and PM10 composition and sources in an urban background site in Southern Italy. //Sci. TotalEnviron. - 2018. - 612. -P. 202-213.
4. 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.
5. Василенко В. Н., Назаров И. М., Фридман Ш. Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 182 с.
6. Щербатов А.Ф., Рапута В.Ф., Турбинский В.В., Ярославцева Т.В. Оценка загрязнения атмосферного воздуха пылью по данным снегосъемки на основе реконструкции полей выпадений // Анализ риска здоровью. -2014. - № 2. - С. 42-47.
7. Ярославцева Т. В., Рапута В. Ф. Модели оценивания аэрозольного загрязнения атмосферного воздуха от наземного площадного источника // Ползуновский вестник. - 2005. -№ 4 (Ч. 2). - С. 125-130.
8. Методы расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе // Утверждены приказом Минприроды России от 06.06.2017 № 273.
9. Рапута В.Ф., Шлычков В.А., Леженин А.А., Романов А.Н., Ярославцева Т.В. Численный анализ данных аэрозольных выпадений примесей от высотного источника // Оптика атмосферы и океана. - 2014. -Т. 27. - № 8. - С. 713-718.
REFERENCES
1. Byzova N.L., Ivanov V.N., Garger E.K. Jeksperimental'nye issledovanija atmosfer-noj diffuzii i raschety rassejanija primesi. - L.: Gidrometeoizdat, 1991. - 278 s.
2. Gorchakov G. I., Koprov B. M., Shukurov K. A. Vlijanie vetra na vynos ajerozolja s podstilajushhej poverhnosti // Izvestija RAN. Fizika atmosfery i okeana. - 2004. - T. 40. - № 6. -S. 759-775.
3. Cesari D., De Benedetto G.E., Bonasoni P., Busetto M., Dinoi A., Merico E., Chirizzi D., Cristofanelli P., Donateo A., Grasso F.M. et al. Seasonal variability of PM2.5 and PM10 composition and sources in an urban background site in Southern Italy. //Sci. TotalEnviron. - 2018. - 612. -P. 202-213.
4. Prokacheva V.G., Usachev V.F. Snezhnyj pokrov kak indikator kumuljativnogo zagrjaz-nenija v sfere vlijanija gorodov i dorog // Meteorologija i gidrologija. - 2013. - № 3. - S. 94-106.
5. Vasilenko V. N., Nazarov I. M., Fridman Sh. D. Monitoring zagrjaznenija snezhnogo pokrova. - L.: Gidrometeoizdat, 1985. - 182 s.
6. Shherbatov A.F., Raputa V.F., Turbinskij V.V., Jaroslavceva T.V. Ocenka zagrjaznenija atmosfernogo vozduha pyl'ju po dannym snegos#jomki na osnove rekonstrukcii polej vypadenij // Analiz riska zdorov'ju. -2014. - № 2. - S. 42-47.
7. Jaroslavceva T. V., Raputa V. F. Modeli ocenivanija ajerozol'nogo zagrjaznenija atmosfernogo vozduha ot nazemnogo ploshhadnogo istochnika // Polzunovskij vestnik. - 2005. - № 4 (Ch. 2). - S. 125-130.
8. Metody raschetov rasseivanija vybrosov vrednyh (zagrjaznjajushhih) veshhestv v atmo-sfernom vozduhe // Utverzhdeny prikazom Minprirody Rossii ot 06.06.2017 № 273.
9. Raputa V.F., Shlychkov V.A., Lezhenin A.A., Romanov A.N., Jaroslavceva T.V. Chislennyj analiz dannyh ajerozol'nyh vypadenij primesej ot vysotnogo istochnika // Optika atmosfery i okeana. - 2014. -T. 27. - № 8. - S. 713-718.
© Т. В. Ярославцева, В. Ф. Рапута, И. А. Соловьёва, 2018
