Районирование территории Санкт-Петербурга по приземному озону в зимний период Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 504.3.054 ББК 26.23

Т.Е. Симакина, С.В. Крюкова

РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА ПО ПРИЗЕМНОМУ ОЗОНУ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД

Выполнено повышение точности интерполяции наземных измерений тропосферного озона (О3) в Санкт-Петербурге путем восстановления его значений способом множественной регрессии с использованием данных других загрязняющих веществ и метеорологических элементов, имеющих высокую корреляционную связь со значениями О3. Проведено исследование распределения озона в воздухе Санкт-Петербурга за зимний период. Показан рост площади загрязнения приземным О3 в течение холодного периода и численности населения, подвергаемого повышенному уровню загрязнения.

Ключевые слова:

загрязнение атмосферы, интерполяция, множественная регрессия, тропосферный озон.

Симакина Т.Е., Крюкова С.В. Районирование территории Санкт-Петербурга по приземному озону в зимний период истории // Общество. Среда. Развитие. - 2019, № 4. - С. 97-103.

© Крюкова Светлана Викторовна - кандидат физико-математических наук, доцент, Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург; e-mail: krukos@rambler.ru © Симакина Татьяна Евгеньевна - кандидат физико-математических наук, доцент, Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург; e-mail: krukos@rambler.ru

Известен вклад тропосферного озона (О3) в парниковый эффект за счет поглощения ультрафиолетового излучения и в образование диоксида углерода, способного поглощать тепловое излучение [9]. Кроме того, существует взаимосвязь между уровнем озона в приземной атмосфере и состоянием здоровья населения, распространенностью ряда заболеваний, смертностью, состоянием экологических систем и лесов, урожайностью сельскохозяйственных культур [3; 7; 8]. Озон относится к веществам первого класса опасности и включен Всемирной организацией здравоохранения в список пяти основных загрязнителей атмосферы. Эти факторы требуют тщательного контроля содержания озона в приземной атмосфере в режиме регулярного мониторинга, регистрации эпизодов превышения предельно допустимых концентраций.

Помимо измерений содержания озона в тропосфере наземными методами, мониторинг должен давать общую картину распределения озона по территории, понимание особенностей расположения локальных максимумов и оценку средних уровней по заданной пространственной области. Выполнение этих задач основано на процедуре интерполяции наземных данных, измеряемых в нескольких точках, на всю рассматриваемую территорию. Точность интерполяции зависит от количества пунктов наблюдений и их расположения [5; 6]. В Санкт-Петербурге функционирует сеть станций экологического мониторинга, организованная Комитетом по природопользованию, охране окружающей сре-

ды и обеспечению экологической безопасности. На станциях ведутся непрерывные (с шагом 20 мин) измерения концентраций загрязняющих веществ (ЗВ). Тропосферный озон (О3) измеряется на двенадцати станциях из 25, составляющих сеть на сегодняшний день [10].

Настоящая работа посвящена исследованию распределения приземного озона в воздухе Санкт-Петербурга в зимний период на основе интерполяционных полей, полученных методом обратных расстояний. Для интерполяции были восстановлены значения концентраций озона в 13 точках, где он не измеряется. Для восстановления использовалась высокая корреляционная связь О3 с другими ЗВ и метеопараметрами. Восстановление выполнялось методом множественной регрессии. Выбор холодных месяцев года для исследования обусловлен меньшим вниманием, уделяемым в публикациях этому периоду. Максимумы сезонного хода концентрации озона в умеренных и высоких широтах в дневное время наблюдаются весной и летом [4]. Однако анализ пространственной структуры повышений уровня озона в зимний период не менее важен. Поскольку фактор фотохимической генерации озона зимой в отсутствии большого количества света несущественен, на первый план в формировании озоновых максимумов выходит вертикальное перемешивание между приземным слоем и свободной тропосферой, обусловленное стратосферно-тропосфер-ным обменом, и уровень антропогенных выбросов [1].

о

о

Анализ исходных данных

Данные по концентрациям О3 за зимний период 2018-2019 гг. получены в результате измерений сети мониторинга [10]. Географическое положение постов имеет определяющее значение для репрезентативности получаемых на посту данных. На рис. 1 показаны 25 станций экологической сети, 12

из них, на которых измеряется приземный озон, выделены черным контуром.

Количественные значения концентраций приземного озона в зимний период отличаются существенно на разных станциях (см. рис. 2). На рис. 2а представлены концентрации озона в долях среднесуточной предельно допустимой концентрации

Рис. 1. Схема размещения станций сети экологического мониторинга Санкт-Петербурга.

Рис. 2. Значения О3 (а) и число дней с превышением 1 ПДКсс по станциям (б) в зимний период.

(ПДКсс), которая составляет 0,03 мг/м3, на рис. 2б - число дней за месяц, в которых наблюдались значения О3 выше 1 ПДКсс. Заметен рост числа станций с превышением уровня 1 ПДКсс в течение зимы. Если в декабре только на двух станциях из 12 средний уровень О3 преодолел порог 1 ПДКсс, то в январе таких станций уже пять, в феврале - 8. В декабре на большинстве станций подъемы О3 не занимали больше трети месяца, то к концу зимы это значение выросло до 20 дней и более. В целом по всем станциям увеличение концентрации О3 за холодный период составило 120%.

Рис. 3 демонстрирует совместный анализ зимней изменчивости озона и первичных загрязнителей атмосферы - оксидов азота и монооксида углерода, в приземном слое атмосферы в долях ПДКсс. Отсутствует рост значений СО, N0 и N02 в течение зимы, а также нет превышений уровня 1 ПДКсс этими ЗВ.

*С0 ■№} ■ N03 аоз

1,50

3 1,20

декабрь январь февраль

Рис.3. Средние концентрации загрязняющих веществ, измеряемых на станциях, в долях ПДКсс.

Рис. 4. Временной ряд концентраций О3.

Зимний временной ход концентрации озона имеет три периода, длительность которых практически совпадает с кален-

дарными месяцами (рис. 4). В декабре наблюдаются колебания содержания озона без ярко выраженной тенденции, в январе виден убывающий тренд, в феврале - возрастающий. Два минимума приземного озона на всех станциях - длинный и короткий - приходятся на декабрь и начало февраля, они совпадает с минимумами температуры воздуха. На большинстве станций наблюдаются два максимума - короткий в начале января и длинный во второй половине февраля.

Таким образом, отмеченные подъемы концентрации О3 в течение зимы равны 40-50%, а в целом рост концентрации 03 от декабря к февралю составил 120%.

Восстановление концентраций О3 методом множественной регрессии

Исследование пространственного распределения О3 в приземном воздухе Санкт-Петербурга требует выполнения интерполяции значений наземных измерений. Поскольку станций, где измеряется озон, только двенадцать, точность интерполяции будет невысокой [5]. При этом в наличии есть вдвое больший массив других переменных - это концентрации оксида углерода, азота и диоксида азота, а также метеопараметров. В случае достаточно сильной коррелированности их с О3, можно использовать «избыточную» (дешевую [2]) информацию для улучшения оценки переменной, информация по которой ограничена.

Для повышения точности была использована информация о других ЗВ, а также метеопараметрах, коррелированных с 03. В табл. 1 представлены коэффициенты парной корреляции между концентраци-

О, ЗВ

и метеопараметрами, измеряе-

мыми на станции № 9 (ул. Малая Балканская, 54).

В табл. 1 обозначены: Т - температура воздуха, р - атмосферное давление на уровне станции, f - относительная влажность, wd - направление ветра, ws - скорость ветра, МДВ - дальность видимости; полужирным шрифтом выделены значимые коэффициенты.

Таким образом, на станции № 9 в декабре наиболее сильная связь О3 наблюда-

ется с N0 (-0,51) и дальностью видимости

Таблица 1

Коэффициенты парной корреляции между О3, ЗВ и метеопараметрами

на одной из станций

СО N0 N0, т р f «Б МДВ

Декабрь -0,32 -0,51 0,15 0,25 0,11 -0,29 0,11 0,06 0,47

Январь -0,39 -0,38 -0,76 0,43 -0,14 -0,13 0,33 0,71 0,27

Февраль -0,23 -0,46 -0,51 0,14 -0,14 -0,75 0,71 0,74 0,34

о О

о

(0,47), в январе - с N02 (-0,76) и скоростью ветра (0,43), в феврале - с N02 (-0,51), с влажностью (-0,75) и скоростью ветра (0,74).

Аналогичный корреляционный анализ выполнен по остальным станциям.

Анализ статистических зависимостей концентрации озона от метеопараметров в Санкт-Петербурге зимой 2018-2019 гг. показал, что из метеорологических факторов на содержание озона сильнее всего влияет влажность воздуха (в феврале), а также скорость ветра (в январе и феврале) и направление переноса (в феврале). При высокой влажности увеличивается количество влажных аэрозолей, на которых озон разрушается особенно быстро. В различных условиях ветер может как увеличивать содержание озона, так и уменьшать его, влияя, например, на интенсивность вертикального перемешивания и концентрации предшественников озона. В январе наблюдается заметная связь О3 с температурой воздуха. Поскольку скорость фотохимических реакций образования озона экспоненциально увеличивается с ростом температуры, положительный коэффициент корреляции свидетельствует в пользу фотохимических процессов, приводящих к образованию озона.

Среди ЗВ наибольшая сила связи наблюдается с N0^ особенно в январе и феврале. Слабее, но ощутимо связаны N0 и СО.

Для восстановления значений О3 на тех станциях, где он не измеряется, но измеряются другие ЗВ и метеопараметры, использовался метод множественной регрессии. Получены уравнения регрессии помесячно для каждой станции, пример для станции № 9 представлен в табл. 2.

В последнем столбце табл. 2 приведены коэффициенты детерминации полученных уравнений. Наиболее достоверным оказалось уравнение восстановления О3 за февраль (коэффициент детерминации составил 0,9). Следовательно, интерполяция фона приземного озона в этом месяце может быть выполнена с большой точностью.

Далее полученные коэффициенты уравнений регрессии были проинтерполирова-ны в точки тех станций, где нет измерений озона. Таких станций 13. С помощью полученных коэффициентов по регрессионным уравнениям восстановлены концентрации О3 и создан массив из 25 значений, используемый для интерполяции значений озона на территорию Санкт-Петербурга.

интерполяция О3

Интерполяция выполнялась методом обратных расстояний. Полученные поля

распределения приземного озона в зимний период представлены на рис. 5. Для сравнения построены поля по исходному массиву из 12 измерений (столбец «до»). Точность выполненной интерполяции проверялась методом кросс-валидации посредством последовательного исключения наблюдений [5]. Погрешность интерполяции по 25 точкам составила 11%. До восстановления значений озона с помощью уравнений регрессии она составляла 19%.

Для эффективного сравнения на каждом поле выделены изолинии содержания озона 1 ПДКсс, 1.2 ПДКсс и 1,4 ПДКсс. В декабре существенных отличий формы изолиний приземного озона на полях «до» и после» нет в связи с небольшой вариабельностью фона озона в этом месяце. Среднее значение концентрации озона по всей рассматриваемой территории сократилось после восстановления с 0,75 мг/м3 до 0,46, СКО уменьшилось с 0,83 мг/м3 до 0,62 мг/ м3. В оставшиеся месяцы зимы меняется форма изолинии 1.2 ПДКсс, средний уровень падает с 0,97 к 0,66 мг/м3 и с 1,35 к 1,03 мг/м3 в январе и феврале соответственно.

Анализ пространственных максимумов О3

Наибольший интерес представляют территории с повышенным уровнем загрязнения тропосферным озоном. Максимумы О3 наблюдаются на северном берегу Финского залива, в течение зимы они смещаются по направлению к центру города. В январе растет юго-восточная зона повышенного загрязнения приземным озоном. В феврале северо-западная и юго-восточная зоны смыкаются, образуя в центре города овальную «чистую» область. Это связано со значительными выбросами от автотранспорта, ростом оксида азота и преобладании реакция N0 + 03 ^ N02 + 02 в пограничном слое атмосферы, что приводит к падению концентрации О3. При удалении от города в более чистые районы происходит увеличение эмиссии летучих углеводородов, дающих пероксильные радикалы [4], которые способствуют уменьшению скорости разрушения озона.

На рис. 6а цветом выделены три зоны на территории Санкт-Петербурга со значениями концентрации приземного озона: 1ч1,2 ПДКсс; 1,2ч1,4 ПДКсс и больше 1,4 ПДКсс за февраль. По разрезу, проведенному через центр города (указан на рис. 6а белой линией), построены профили концентрации О3 за три рассматриваемых месяца - рис. 6б. Значение профиля указывает на динамику соотношения концентраций летучих углеводородов/оксида азота. Этот фактор

Рис. 5. Поля изолиний содержания приземного озона в зимний период.

Таблица 2

уравнения регрессии для восстановления концентраций О3 на одной из станций

Месяц уравнения регрессии R2

Декабрь О3 = -0,14 + 0,037МДВ - 0,204^0 0,3

Январь 03 = -0,107 - 0,340-С0 + 0,080^0 + 0,014-Т + 0,135^ 0,6

Февраль 03 = 1,488 - 0,406^02 - 0,014•f + 0,002^ + 0,047•ws 0,9

о

Рис. 6. Территория СПб с концентрацией приземного озона более 1 ПДКсс в феврале (а); профили концентрации О3, меняющейся по направлению, указанному на рис.ба (б)

эволюции озона выходит на первый план в зимний период минимума прихода ультрафиолетовой радиации. Профили также позволяют сравнить изменение амплитуды озона в течение холодного сезона.

Площади трех загрязненных зон в разные месяцы холодного периода представлены в табл. 3. Здесь же перечислены районы города, попадающие в эти зоны. Сопоставление выделенных областей и карты плотности населения Санкт-Петербурга позволило определить численность населения, проживающего на территориях с повышенным уровнем загрязнения приземным озоном. Данные по численности также представлены в табл. 3.

В течение зимнего периода увеличивается число районов Санкт-Петербурга, в которых наблюдается повышенный уровень О3, а также площадь загрязненной территории и количество жителей на ней. Если в декабре чуть больше пятидесяти тысяч жителей проживали на загрязненной приземным озоном территории, то к концу зимы их стало уже около 1 млн 400 тыс., т.е. рост составил 28 раз.

Заключение

В результате исследования содержания приземного озона в воздухе Санкт-Петербурга в течение зимнего периода 20182019 гг. сделаны следующие выводы.

Таблица3

Характеристика зон с концентрацией приземного озона более 1 ПДКсс

о

Зоны

1-1,2 ПДКсс 1,2-1,4 ПДКсс >1,4 ПДКсс

Декабрь

Районы Курортный, Колпинский Курортный Курортный

Площадь, км2 33 2 2

Число жителей, чел. 53000 500 500

Январь

Районы Курортный, Выборгский, Пушкинский, Колпинский Курортный, Пушкинский, Колпинский Курортный, Пушкинский

Площадь, км2 133 61 51

Число жителей, чел. 159070 37830 20320

Февраль

Районы Кронштадтский, Курортный, Выборгский, Пушкинский, Колпинский, Петродворцовый, Приморский, Красносельский Курортный, Выборгский, Пушкинский, Колпинский, Приморский Курортный, Выборгский, Пушкинский, Колпинский, Приморский

Площадь, км2 314 212 198

Число жителей, чел. 872940 372090 193500

Показано, что в различные месяцы зимнего периода наблюдается различие связей О3 с концентрациями других первичных загрязнителей, а также с метеопараметрами. Коэффициент корреляции между О3 и СО, N0, N02 практически всегда статистически значим и отрицателен. Из метеорологических факторов на концентрацию озона сильнее всего влияет скорость ветра (в январе и феврале), температура воздуха (в январе), влажность и направление ветра (в феврале). Выявленные статистические зависимости позволили выразить значения содержания озона через концентрации СО, N0 и N0^ а также через значения метеопараметров. Количество наземных значений концентрации О3, используемых для интерполяции, повышено с 13 до 25 методом множественной регрессии, что привело к увеличению точности построения пространственных полей на 8%.

Построенные пространственные распределения приземного озона позволяют провести сопоставление динамики его

концентрации на мезомасштабном уровне. В центре города наблюдается чистая зона, где уровень О3 не превышает 1 ПДК. В направлении на северо-запад и юго-восток от центра отмечен рост концентрации О3. Это обусловлено высоким уровнем загрязненности воздуха предшественниками озона, наблюдающимся в городских условиях вблизи автомагистралей и на перекрестках, что приводит к сдвигу равновесия комплекса фотохимических реакций, обусловливающих образование и связывание озона, в сторону уменьшения его содержания в атмосфере. На периферии города перевес имеют другие факторы -уровень солнечного излучения, температура и влажность, процессы перемешивания воздуха, - сочетание которых при малых уровнях загрязнения атмосферы приводят к подъему О3.

Площадь загрязненной приземным озоном территории (выше 1 ПДК) за холодный период увеличилась в 14 раз, численность населения, проживающего на этой территории, в 28 раз.

список литературы:

[1] Белан Б.Д. Озон в тропосфере. - Томск: ИОА СО РАН, 2010. - 478 с.

[2] Демьянов В.В., Савельева Е.А. Геостатистика: теория и практика / Под ред. Р. В. Арутюняна. - М.: Наука, 2010. - 327 с.

[3] Котельников С.Н., Миляев В.А., Степанов Е.В. Содержание озона в приземном слое атмосферы курортных районов и крупных городов // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. - 2004, т. 19. - С. 64-71.

[4] Котельников С.Н. Основные механизмы взаимодействия озона с живыми системами и особенности проблемы приземного озона для России // Труды ИОФ им. А.М. Прохорова РАН. - 2015, т. 71. -С. 10-41.

[5] Крюкова С.В., Симакина Т.Е. Пространственная интерполяция концентрации взвешенных частиц РМ10 методом кокригинга // Ученые записки РГГМУ. - 2018, № 51. - С. 150-161.

[6] Крюкова С.В., Кузнецов А.Д., Симакина Т.Е. Оптимизация сети экологического контроля в г. Санкт-Петербурге // Гетерогенные системы и процессы в природных и техногенных средах. Атмосферная экология. Материалы международной научно-практической конференции. Часть 3. - СПб.: Стратегия будущего, 2018. - С. 37-47.

[7] Кунина И.М. Влияние озона на растения // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т. 9. - Л., Гидрометеоиздат, 1986. - С. 44-86.

[8] Макунин Д.А. Озоновая атака // Экология и жизнь. - 2012, № 8. - С. 92-93.

[9] Хргиан А.Х., Кузнецов Г.И. Проблема наблюдений и исследований озона. - М.: Изд-во Московского ун-та, 1981. - 216 с.

[10] Экологический портал Санкт-Петербурга. - Интернет-ресурс. Режим доступа: http://www.infoeco.ru

О