CC BY
81
УДК 504.3.054
Крюкова С.В.1, Симакина Т.Е.2 ©
1 2
’ Канд. физ.-мат. наук, Кафедра экспериментальной физики атмосферы, Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ САНКТ-
ПЕТЕРБУРГА
Аннотация
В данной статье изучено влияние метеорологических параметров на изменчивость концентраций четырех загрязняющих веществ (оксидов углерода и азота, диоксида азота и взвешенных частиц) в воздушном бассейне Санкт-Петербурга в холодный и теплый периоды года. Установлены сезонные отличия корреляционных связей между концентрациями загрязняющих веществ и температурой воздуха, влажностью и параметрами ветра.
Ключевые слова: загрязнение атмосферы, метеорологические параметры, корреляционный анализ.
Keywords: atmosphere pollution, meteorological parameters, correlation analysis.
Введение
Одной из главных проблем современности уже многие годы является проблема загрязнения атмосферы. Наиболее значительные изменения качества атмосферного воздуха наблюдаются в крупных городах [1,2]. В результате деятельности человека (роста населения, увеличения автотранспорта и потребления энергии) в атмосферу попадает большое количество различных вредных веществ. Пространственная и временная изменчивость загрязнения воздуха в местах интенсивного антропогенного воздействия подвергается влиянию метеорологических условий региона, источников выбросов, топографических особенностей местности. Главную роль среди этих факторов играют метеорологические параметры, обусловливая, по современным оценкам, более 70% изменчивости примесей, находящихся в воздухе промышленных мегаполисов [3]. Именно метеорологическими факторами можно объяснить возникновение экстремумов в уровне загрязнения на фоне квазистационарного характера источников выбросов, включая автомобильный транспорт [3]. Сложные взаимосвязи метеорологических параметров с различными процессами переноса загрязняющих веществ (ЗВ), их химической трансформации, а также сухого и влажного удаления из атмосферы изучаются многими авторами [4-6]. Данная статья посвящена выделению и оценке вклада метеорологических факторов (температуры, влажности, параметров ветра) в загрязнение атмосферы Санкт-Петербурга. Рассматривается сезонная динамика концентраций основных ЗВ в холодный и теплый периоды 2010 года.
Исходные данные
Исходным материалом являются данные наблюдений автоматической станции экологического контроля № 4, расположенной на территории РГГМУ по адресу Малоохтинский проспект, дом 98. Данные предоставлены Комитетом по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности (КПООС) г. Санкт-Петербурга. Станция находится вблизи крупной транспортной автомагистрали. Массив наблюдений содержал концентрации оксида
© Крюкова С.В., Симакина Т.Е., 2015 г.
углерода (CO), оксида азота (NO), диоксида азота (NO2) и твердые примеси (РМю), а также метеорологические параметры - температуру и относительную влажность воздуха, скорость и направление ветра. Данные охватывали два периода года: три холодных месяца - январь, февраль, март и три теплых - август, сентябрь, октябрь. Дискретность измерений составляла 20 минут.
При характеристике загрязненности воздуха средние значения концентраций загрязняющих веществ за трехмесячный период сравнивались со среднесуточной предельно допустимой концентрацией (ПДКсс), которая, в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями, является одной из основных характеристик токсичности примесей.
Средняя концентрация оксида углерода за холодный период 2010 г. составила 0,72
3 3
мг/м (0,24 ПДКсс), за теплый период - 0,51 мг/м (0,17 ПДКсс). Средний уровень оксида и диоксида азота составил 78 мкг/м , 51 мкг/м (1,30 ПДКсс и 0,28 ПДКсс соответственно) в холодный период и 40 мкг/м3, 29 мкг/м3 (0,69 ПДКсс и 0,73 ПДКсс соответственно) в теплый. Концентрация пыли (РМ10) в среднем составила значение 27,6 мкг/м3 (0,20 ПДКсс) в холодный период и 20,7 мкг/м (0,13 ПДКсс) в теплый.
Методы и результаты исследования
Для исследования влияния метеорологических параметров на загрязнение воздуха в теплый и холодный периоды были получены средние значения концентраций ЗВ в разных диапазонах температур воздуха, относительной влажности, направления и скорости ветра. Выявление силы связи между исследуемыми переменными выполнено путем корреляционного анализа. В табл. 1 представлены среднесезонные значения парных коэффициентов корреляции между метеорологическими параметрами и концентрациями ЗВ, причем значимые коэффициенты при уровне значимости 0,05 выделены жирным шрифтом, при уровне значимости 0,01 - звездочкой.
Таблица 1
Корреляционная матрица за холодный и теплый периоды года
\ЗВ Метео- параметры Холодный период Теплый период
СО NO NO2 РМю СО NO NO2 РМю
Температура -0,26 -0,19 -0,31* -0,45* -0,09 0,09 -0,14 0,26
Влажность -0,25 -0,15 -0,36* -0,18 0,06 0,21 -0,12 -0,08
Направление ветра 0,26 0,32* 0,03 0,10 0,24 0,08 0,11 0,28*
Скорость ветра -0,42* -0,45* -0,43* -0,47* -0,31* -0,57* -0,33* -0,37*
Таблица 1 дает представление о роли сезонного фактора в оценке силы связи. Так, заметно преобладающее количество коэффициентов корреляции между метеорологическими параметрами и концентрациями ЗВ в холодное время года по сравнению с теплым. Следует отметить, что каждое ЗВ имеет достоверную связь как минимум с одной метеорологической величиной, как в холодный, так и в теплый период. Оксид углерода является единственной примесью, на которую в холодный период оказывают достоверно подтвержденное влияние все четыре рассматриваемых параметра (температура, влажность, скорость и направление ветра).
Влияние температуры воздуха на уровень загрязнения представлено в табл. 2 и на рис.
1.
Таблица 2
Средние значения концентраций ЗВ в пределах разных диапазонов температур в холодный и
теплый периоды
Холодный период Теплый период
N Диапазон CO, NO, NO2, PM10, N Диапазон CO, NO, NO2, PM10,
Т,°С мг/м3 мкг/м3 Т,°С мг/м3 мкг/м3
мкг/м3 мкг/м3 мкг/м3 мкг/м3
1 -25--20 1,13 115,10 53,94 59,34 5 <0 0,45 51,76 28,37 13,57
2 -20--15 0,85 98,81 55,54 45,11 6 0-5 0,45 30,14 30,73 13,47
3 -15--10 0,79 97,67 54,35 32,33 7 5-10 0,56 39,02 29,28 23,36
4 -10--5 0,66 70,25 51,72 23,85 8 10-15 0,49 51,27 25,88 19,79
5 -5-0 0,64 59,54 50,37 18,06 9 15-20 0,54 42,55 31,54 22,22
6 0-5 0,75 78,85 44,56 24,35 10 20-25 0,46 18,21 25,74 25,24
7 5-10 0,80 77,45 48,37 29,62 11 25-30 0,53 26,98 31,52 38,53
12 >30 1,41 22,97 47,07 140,64
На рис. 1 по оси абсцисс указаны номера интервалов температур, соответствующие номерам диапазонов в табл. 2. Динамика концентраций ЗВ в холодный период показана сплошными кривыми, в теплый период - пунктиром соответствующего цвета.
Рис. 1. Средние значения концентраций ЗВ в пределах разных диапазонов температур в
холодный и теплый периоды
Как по графику, так и по таблице заметно, что уровень загрязнения в холодный период в основном превышает таковой в теплый. Исключением является интервал с температурой свыше +30 °С, когда концентрации оксида углерода и взвешенных веществ (РМ10) имели значительный скачок. В зимний период наибольшие загрязнения тремя из четырех рассмотренных ЗВ - оксидами углерода и азота, а также РМ10, - наблюдаются при температуре ниже -20 °С. Причем оксид азота при такой температуре превышает среднесуточную ПДК почти в два раза. С повышением температуры концентрации ЗВ уменьшаются монотонно вплоть до минимальных значений при температурах от -5 до 0 °С. Далее при повышении температуры выше 0 °С наблюдаются небольшие увеличения
концентраций ЗВ (кроме NO2) . Максимум и минимум концентрации диоксида азота смещен на 5 °С в сторону высоких температур. Наличие локального минимума свидетельствует о нелинейном характере связи концентраций с температурой.
В летний период картина изменчивости концентраций ЗВ имеет другой характер. Однозначной зависимости значений концентраций рассматриваемых ЗВ от роста температуры не наблюдается. Колебания концентраций с небольшой амплитудой можно видеть до температуры 30 °С.
Следует отметить разность концентраций ЗВ в совпадающих диапазонах температур, это диапазоны с номерами 5, 6, 7, охватывающие интервал от -5 °С до + 10 °С. Разность значений концентраций на этом интервале обусловлена нетемпературными факторами, что подтверждает влияние сезонности на рассматриваемые процессы.
Сказанное иллюстрируют значения коэффициентов корреляции (см. табл.1). В холодный период значения коэффициентов для трех рассматриваемых ЗВ (СО, NO2, PM10) значимы, отрицательны и меняются от -0,26 до -0,45, что говорит о существовании тесной обратной связи между температурой и концентрациями ЗВ. Коэффициенты корреляции ниже уровня значимости в теплый период могут говорить не об отсутствии связи между ЗВ и температурой воздуха, а о более сложном, нелинейном характере этой связи.
Результаты оценки влияния влажности воздуха на концентрации ЗВ представлены в табл. 3 и на рис.2, в которых приводятся средние концентрации ЗВ, соответствующие различным диапазонам относительной влажности в холодный и теплый сезоны года.
Таблица 3
Средние значения концентраций ЗВ в пределах разных диапазонов влажности в холодный и
теплый периоды
Диапазон f,% Холодный период Теплый период
Загрязняющее вещество Загрязняющее вещество
CO, мг/м3 NO, мкг/м3 NO2 мкг/м3 PM10 мкг/м3 CO мг/м3 NO мкг/м3 NO2 мкг/м3 PM10 мкг/м3
до 40 0,76 79,53 57,44 17,09 0,23 12,19 11,12 24,47
40-60 0,85 80,18 55,78 22,96 0,56 32,11 32,44 20,07
60-80 0,76 82,58 53,01 30,71 0,47 33,02 29,38 18,57
>80 0,62 64,59 45,13 20,61 0,57 56,75 26,62 24,34
Рис. 2. Средние значения концентраций ЗВ в пределах разных диапазонов влажности в
холодный и теплый периоды
Максимум загрязнения, согласно анализу табл. 3 и гистограммам на рис.2, наблюдается в широком влажностном диапазоне. В холодный сезон влажность не играет
большой роли в колебаниях концентраций ЗВ: примерно одинаковый уровень загрязнения сопутствует значениям относительной влажности от минимально наблюдаемого в городе до 80%, уменьшаясь при влажности более 80%. Исключением является близкая к линейной зависимость диоксида азота от влажности, что отражает отрицательный значимый коэффициент корреляции г = -0,36 (см. табл. 1).
Нарастание уровня загрязнения при повышении влажности более заметно в теплый период. Однако в этот сезон значимые коэффициенты корреляции между ЗВ и влажностью отсутствуют.
Следует отметить разность динамики взвешенных частиц (РМ10) в зависимости от сезона: в диапазоне 60-80% в холодный сезон наблюдается максимум концентрации РМ10, в теплый в этом же влажностном диапазоне - минимум.
Исследование влияния параметров ветра на уровень загрязнения проводилось по 8 румбам и 3 градациям скорости. На рис. 3 приведены диаграммы распределений средних значений концентраций ЗВ при разных направлениях ветра. «Роза концентраций ЗВ» красного цвета соответствует теплому периоду, синего - холодному периоду года.
10^
СЗ СВ
/\50^
о
ЮЗ ЮВ
концентрация
СО,
Ю
•холодный
период
•теплый
период
СЗ.
ЮЗ
С
бо^-^крнцентрация N02
*СВ
холодный
период
теплый
Ю
период -----ПДКСС
СЗ
концентрация PM10
СВ
ЮЗ
ЮВ
Ю
холодный
период
теплый
период
С
З
В
С
З
В
З
Рис. 3. Средние значения концентраций ЗВ (в мкг/м3) в разных диапазонах направлений ветра
Преобладающими направлениями ветра в Санкт-Петербурге в холодный период 2010 г. были юго-восточное и юго-западное, в теплый - юго-западное [7]. Северные и западные ветры практически не наблюдались в городе в рассматриваемые сезоны. Как следует из диаграмм на рис. 3, преобладающее юго-западное направление сопровождается повышением уровня загрязнения по СО, NO и РМ10 в холодный период. В теплый сезон концентрациям не соответствует какое-то определенное направление ветра, что говорит о слабости связи этих величин.
На диаграммы распределения значений NO и NO2 нанесена линия, соответствующая среднесуточной ПДК, она, имеет вид квазиокружности. Следует отметить превышение концентрациями NO и NO2 линии ПДК в зимний период.
Влияние скорости ветра на уровень загрязнения в холодный и теплый периоды отражает рис. 4, где представлены гистограммы средних значений концентраций ЗВ, рассчитанных в пределах трех диапазонов скоростей ветра.
Рис.4. Концентрации ЗВ в диапазонах разных скоростей ветра за холодный и теплый периоды
Хорошо видно, что концентрации ЗВ уменьшаются с увеличением скорости ветра, как в холодный, так и в теплый периоды. Это объясняется тем, что ветер усиливает турбулентный обмен в приземном слое атмосферы, что способствует перемешиванию примесей с окружающим воздухом и тем самым приводит к уменьшению их приземных концентраций. В свою очередь, при скорости ветра 0-2 м/с, создаются наиболее неблагоприятные метеорологические условия для рассеивания примесей, приводящие к повышению их концентраций в приземном слое воздуха [8].
Сказанное выше подтверждает табл.1, из которой следует преобладающее влияние скорости ветра на концентрации примесей по сравнению с другими метеопараметрами. Коэффициенты корреляции для всех загрязняющих веществ в паре со скоростью ветра оказались значимы (уровень значимости 0,01), их значения менялись от -0,31 до -0,57, что говорит о наличии тесной обратной связи между скоростью ветра и концентрациями ЗВ как в холодный, так и в теплый периоды года. Графически такую связь можно представить диаграммами рассеяния - рис. 5.
200
а:
|l00
Q-
I—
I
си
0
NO-скорость ветра
r=-0,45
“I-----1-----Г
12 3
скорость ветра,м/с
200
а:
I 100
Q.
I-
I
CU
0
NO-скорость ветра
12 3
скорость ветра,м/с
0
4
0
<2 100
=г 50
го
о.
I-
I
CU
0
NO2-cKopocTb ветра
‘V r=-0,43
А
0123 скорость ветра,м/с 4
РМ10-скорость ветра
r=-0,47
• •
V*/ .* . • •
NO2-CKopocTb ветра
100
50
го Q.
II
си
X
о
а:
РМ10-скорость ветра
12 3
скорость ветра,м/с
а) холодный период
б) теплый период
Рис.5. Диаграммы рассеивания концентраций ЗВ и скоростей ветра для холодного (а) и теплого
периодов (б).
0
4
Заключение
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.
Концентрация загрязняющих примесей в атмосфере Санкт-Петербурга зависит от сезона года. В холодный период концентрация всех ЗВ в целом выше, и наблюдается более тесная связь концентраций ЗВ с метеорологическими параметрами по сравнению с теплым периодом.
Установлено влияние температуры на концентрацию ЗВ. Уровень всех изученных ЗВ увеличивается при температуре ниже -25 °С. При высокой температуре (более +30 °С) резко увеличивается содержание в атмосфере оксида углерода и взвешенных частиц.
Влажность воздуха существенно не влияет на концентрацию ЗВ в холодный период. В теплое время года с увеличением влажности уровень СО и NO2 увеличивается в 2-3 раза, а NO - в 5 раз.
Максимумы ЗВ (кроме NO2) в холодный сезон соответствуют юго-западному ветру. Концентрация NO2 как в теплый, так и в холодный период года не зависит от направления ветра.
Наибольшее влияние на уровень примесей оказывает скорость ветра. Концентрации всех ЗВ уменьшаются с увеличением скорости ветра как в холодный, так и в теплый периоды.
Таким образом, рассмотренные метеорологические параметры в разной степени поддерживают высокий уровень ЗВ в воздушном бассейне Санкт-Петербурга. Учет метеорологической обусловленности колебаний уровня примесей позволяет объяснить и предсказать появление экстремально высоких загрязнений.
Литература
1. Зарубин, Г. П. Гигиена города / Г. П. Зарубин, Ю. В. Новиков. - М.: Москва, 1986. - 60 с.
2. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. - Л.: Гидрометиздат, 1986. - 200с.
3. Боков В.Н., Воробьев В.Н., Сарвирова Е.В. Влияние изменчивости ветра на внутригодовое распределение атмосферных примесей в Санкт-Петербурге // Ученые записки / РГГМУ - 2006. -№3. - С.95-103.
4. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change, 2nd edition. J. Wiley, New York, 2006. - 1232 p.
5. Pearce J.L., Beringer J., Nicholls N, Hyndman R.J., Tapper N.J. Quantifying the influence of local meteorology on air quality using generalized additive models // Atmospheric Environment. - 2011. -Vol. 45. - №6, P. 1328-1336.
6. Стулов Е.А., Плауде Н.О., Монахова Н.А. Влияние условий погоды на характеристики аэрозоля в приземном слое атмосферы // Метеорология и Гидрология. - 2010. - № 2. - С. 26-34.
7. Расписание погоды [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://rp5.ru/ (дата обращения: 25.04.2015).
8. Резниченко Т.И., Беккер А.А. Использование статистических методов для контроля загрязнения атмосферного воздуха // Труды МосЦГНС. - 1990. - вып.2. - С.19-24.
