CC BY
22
ЭЛЕКТРОННЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «APRIORI. CЕРИЯ: ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ»
№ 2 2015
УДК 504.3.054
СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ВЛИЯНИЯ ИНВЕРСИЙ НА УРОВЕНЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ В Г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ
Крюкова Светлана Викторовна
канд. физ.-мат. наук
Симакина Татьяна Евгеньевна
канд. физ.-мат. наук Российский государственный гидрометеорологический университет
Санкт-Петербург
author@apriori-journal. ru
Аннотация. В статье приведены результаты сравнительного исследования влияния параметров инверсионных слоев атмосферы на концентрацию загрязняющих примесей воздушного бассейна г. Санкт-Петербурга в холодный и теплый сезоны 2010 г.
Ключевые слова: температурная инверсия; загрязнение воздушного бассейна; корреляция.
SEASONAL DYNAMICS OF INVERSIONS INFLUENCE ON THE ATMOSPHERE POLLUTION LEVEL IN SAINT-PETERSBURG
Kryukova Svetlana Victorovna
candidate of physical and mathematical sciences
Simakina Tatiana Evgenyevna
candidate of physical and mathematical sciences Russian State Hydrometeorological University, Saint-Petersburg
Abstract. The paper presents the results of a comparative study of the atmosphere inversion parameters influence on air pollutant concentration in St. Petersburg for cold and warm seasons of 2010.
Key words: temperature inversion; air basin pollution; correlation.
На распространение и накопление антропогенных примесей большое влияние оказывает стратификация атмосферы, в частности инверсионные и изотермические слои, препятствующие вертикальному перемешиванию воздуха. Однако в разные сезоны года обусловленность колебаний концентраций загрязняющих веществ инверсионным распределением температуры имеет разное значение. Целью настоящей статьи явилась сравнительная оценка влияния инверсий на уровень загрязнения воздушного бассейна г. Санкт-Петербурга в зимний и летний периоды.
Характеристики инверсионного распределения воздуха исследовались по данным аэрологических зондирований на гидрометеорологической станции Воейково Ленинградской области [1]. В обработку включены наблюдения за два срока (ночь 00 итс и день 12 итС), проводимые в течение шести месяцев 2010 г., составляющих два периода - холодный (январь, февраль и март) и теплый (август, сентябрь и октябрь). Были проанализированы такие параметры каждой инверсии как высота ННГ и температура ее нижней границы ТНГ, мощность инверсии АН, интенсивность ЛТ и температурный градиент инверсионного слоя у
В качестве показателей уровня загрязнения воздуха использовались концентрации основных загрязняющих веществ (ЗВ) за те же периоды холодного и теплого сезонов: оксида углерода СО, оксида азота N0 и диоксида азота N0^ Данные наблюдений получены автоматической станцией мониторинга загрязнения атмосферного воздуха № 4, расположенной на территории Российского государственного гидрометеорологического университета. Проводилось полусуточное осреднение концентраций загрязняющих веществ в интервалы с 0 до 12 часов и с 12 до 0 часов итс. На рис. 1 представлено распределение высот инверсионного слоя за три месяца холодного сезона и концентраций ЗВ в этот же период.
а)
2078 1578
1078
0
январь февраль март
Рис. 1. Высота нижней границы и мощность инверсий в метрах (а) и концентрации оксидов углерода, азота и диоксида азота (Ь)
за холодный период 2010 г.
В целом за 2010 г. в Санкт-Петербурге наблюдалось повышение повторяемости инверсий температуры по сравнению с многолетними данными: приземных инверсий на 15 %, приподнятых - на 10 % [2]. Наряду с этим, средняя скорость ветра в 2010 г. снизилась на 0,9 м/с, повторяемость безветренных дней возросла на 13 %. Тем самым в рассматриваемом году были созданы предпосылки для роста загрязненности воздушного бассейна города вредными примесями.
Количество инверсий за три холодных месяца 2010 г. в два раза превысило число инверсий в теплый период. Повторяемость различных типов инверсий по времени суток (ночная, дневная) и высоте (приземная, приподнятая) в теплый и холодный периоды года отражает гистограмма на рис. 2. Более однородная структура типов инверсий наблюдается в зимний период. В летний период преобладающим типом инверсий являются приземные инверсии, образующиеся в ночные часы, когда большую роль играет радиационное выхолаживание подстилающей поверхности и нижних слоев воздуха. Днем частота приземных инверсий как в теплый, так и в холодный периоды заметно снижена.
Рис. 2. Сезонная повторяемость (в %) различных типов инверсий
Распределение количества инверсий различной интенсивности и мощности для двух рассматриваемых сезонов представлено в табл. 1. Заметно преобладание инверсий с невысокой интенсивностью АТ < 5 °С и мощностью АН < 300 м. Причем интенсивность и мощность имеют одинаково высокую корреляцию как в холодный период, так и в теплый, что демонстрируют диаграммы рассеяния АТ - АН, представленные на рис. 3.
Количество инверсий температуры с различными параметрами
Холодный период Теплый период
Параметры Инверсии Инверсии
Приземные Припод нятые Приземные Приподнятые
Н* Д Н Д Н Д Н Д
0-5 17 13 17 11 41 2 18 13
ЛТ, 5-10 7 1 4 3 3 0 1 0
°С 10-15 3 1 0 1 0 0 0 0
>15 1 0 0 0 0 0 0 0
0-300 13 11 10 8 21 2 15 8
ЛН, 300-600 6 1 6 2 20 0 3 5
м 600-1000 8 2 4 3 2 0 1 0
>1000 1 1 1 2 1 0 0 0
Примечание: * - Н - ночные, Д - дневные.
а)
Ь)
600 Л Н, м У: - 97,958х+ 130,85
♦ ^ гзО.63
400 200 0 ♦
И* ♦ ♦♦♦
м ♦♦ ♦ ♦ 1 ? 1
1 1
0 2 дт,°с 4
Рис. 3. Диаграммы рассеяния ЛТ-ЛН для холодного (а)
и теплого (Ь) периодов
Качество воздуха оценивалось путем сравнения среднесуточных концентраций загрязняющих веществ со среднесуточной ПДК (ПДКсс). В основном нарушения стандартов качества наблюдались в дни с инверсиями. Концентрация N0 в 7,2 раза превысила ПДКсс в теплый период года и в 2,8 раз - в холодный. Концентрация N02 составила около 1,9 ПДКсс в теплый период и 1,3 ПДКсс в холодный. Табл. 2 отражает сочетание концентраций ЗВ в долях ПДКсс с типом инверсий. Заметно, что максимальные значения загрязнения наблюдались в основном при ночных приземных инверсиях.
Концентрации ЗВ в долях ПДКсс при различных инверсиях температуры
ЗВ Холодный период Теплый период
Инверсии Инверсии
Приземные Приподнятые Приземные Приподнятые
Н* Д Н Д Н Д Н Д
со 0,46 0,2 0,41 0,37 0,7 0,9 0,4 0,3
N0 2,8 0,53 1,65 1,01 7,2 6,5 2,8 1,6
N02 1,3 0,65 1,02 1,25 1,8 1,8 1,9 1,8
П
римечание:* - Н - ночные, Д - дневные.
Понижение уровня загрязнения в холодный период можно объяснить активизацией механизмов перемешивания и переноса примесей с резким ростом «потерь» тепла большим мегаполисом при похолодании [3].
а)_Ь)_
♦ N0 Ж N02 "(10*10
^ 150 ^
ас
|юо
л
р- 50 х
О)
л
5 о
X
ГЛ 150 Ш
х
§ 100 «
<0
(§■ 50
х
01
о
X
ША
t
Г
—▲
200 400
ДН, м
600
♦ N0 ж N02 ■ со*Ю
■ ♦ ■ ♦
♦ ♦ ♦ " 1* * * ■ А
— ♦— -1
2 ЛТ,°С
Рис. 4. Диаграммы рассеяния концентраций ЗВ и параметров инверсий для холодного (а) и теплого (Ь) периодов
Взаимосвязь концентраций ЗВ (СО, N0, N0^ с параметрами инверсий (АН, АТ, у) показана на диаграммах рассеяния для двух периодов - рис. 4.
Таблица 3
Коэффициенты парной корреляции между концентрациями ЗВ и параметрами инверсий для двух периодов 2010 г.
Параметры инверсии Загрязняющие вещества
Холодный пе риод Теплый период
С0 N0 N02 С0 N0 N02
Ннг -0,28 -0,25 -0,15 -0,13 -0,34 -0,17
ДН 0,05 0,02 0,06 0,45 0,35 0,45
Тнг -0,27 -0,19 -0,31 -0,24 -0,09 -0,23
ДТ 0,33 0,22 0,26 0,34 0,23 0,43
У 0,25 0,20 0,35 -0,02 0,08 0,12
Разброс точек на диаграммах отражает слабую связь ЗВ и параметров инверсий, как в зимний, так и в летний период. Количественная оценка связи производилась с помощью корреляционного анализа Пирсона. Найденные коэффициенты корреляции между концентрациями ЗВ и параметрами инверсий представлены в табл. 3. Значимые коэффициенты (уровень значимости 0,05) выделены жирным шрифтом.
Анализ табл. 3 позволил сделать вывод о большем влиянии параметров инверсий на уровень ЗВ в холодный период, чем в теплый. В холодный период оказалось 73 % значимых коэффициентов, наименьший коэффициент корреляции наблюдается между ННГ и N02 (г = -0.19), а наибольший - для пары Y-N02 (г = 0.35). В теплый период - 47 % значимых коэффициентов, наименьший из них - между СО и ТНГ (г = -0,24), наибольший - между ДН и N02 (г = 0,45).
Обнаружены четыре связи, имеющие слабую и умеренную корреляцию, но наблюдаемые в обоих периодах. Это прямые связи СО - АТ, N02-ДТ и обратные связи СО - Тнг и N0 - ННГ. В целом, в холодный период обнаружена связь между температурным градиентом и интенсив-
ностью инверсионного слоя и всеми ЗВ, в теплый период - между мощностью и всеми ЗВ.
Знание связей между характеристиками инверсии и концентрациями загрязняющих веществ, полученные в разные сезоны, необходимо при формировании комплекса неблагоприятных метеорологических условий, способствующих высокому загрязнению. Такой комплекс позволит предсказать случаи экстремально высоких концентраций, информирование населения о которых способно уменьшить их негативные воздействия.
Список использованных источников
1. University of Wyoming official site, Department of atmospheric science [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://weather.uwyo.edu/ upperair/sounding.html (дата обращения: 02.04.2015).
2. Ежегодник. Состояние загрязнения атмосферы в городах на территории России за 2010 год / под ред. Э.Ю. Безуглой. СПб.: «Д'АРТ», 2011. 224 с.
3. Кузнецова И.Н., Нахаев М.И., Шалыгина И.Ю. Метеорологические предпосылки формирования зимних эпизодов высокого загрязнения воздуха в г. Москва // Метеорология и гидрология. 2008. № 3. С. 48-59.
