Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Фоновое загрязнение атмосферы на Европейской территории России

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Фоновое загрязнение атмосферы на Европейской территории России"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.ВЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи

ПАРАМОНОВ Сергей Геннадьевич

ФОНОВОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ НА ЕВРОПЕЙСКОЙ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ

11.00.09 - Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в институте Глобального климата и экологии и на кафедре метеорологии и климатологии географического факультета Московского государственного университета имени М.ВЛомоносова.

Защита состоится _;кабря 1994 г. в 15 час.ОО мин. в аудитории 1801 на заседании специализированного гидрометеорологического совета Д.053.05.30 в МГУ им. М.ВЛомоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ.

Автореферат разослан // ноября 1994 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании специализированного гидрометеорологического совета, а отзывы на автореферат в двух экземплярах просим направлять по адресу: 119899, Москва, ГСП-3, Ленинские Горы, МГУ, Географический факультет.

Научный руководитель:' кандидат географических наук,

доцент БАСеменченко.

Официальные оппоненты : доктор географических наук,

ведущий научный сотрудник А.В.Евсеев кандидат географических наук, доцент А.Ю.Щербаков

Ведущая организация: Главная Геофизическая Обсерватория

имени А.И. Воейкова-

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат географических наук

С.Ф.Алсксеева

,,девы. научение фонового загрязнения атмосферы является важнейшей частью Глобальной системы мониторинга окружающей среды, которая, в свою очередь, служит приоритетным направлением в деятельности ряда международных организаций (ЮНЕП, , БМО, ЮНЕСКО и др.)- Это связано с возникновением новой глобальнйй проблемы - переносом загрязняющих веществ (ЗВ) в процессе циркуляции атмосферы на расстояния порядка сотен и тысяч километров от источников выбросов, в результате чего происходит.крупномасштабная токсикация биосферы. Таким образом, вопросы мониторинга загрязнения атмосферы, как среды в которой осуществляется перенос, рассеивание, физико-химические превращения и выбедение примесей, являются чрезвычайно актуальными. Для представления о процессах макромасатабного загрязнения атмосферы, своевременного выявления трендов концентраций приоритетных загрязнителей необходимы систематические наблюдения, охватывающие всю территорию России. Однако содержание действующих и ввод новых наблюдательных станций и хи-микотаналитических центров требуют значительных материальных затрат. Поэтому чрезвычайно важны вопросы рационального размещения пунктов наблюдения и их репрезентативности. Для этого необходимо понимание механизмов формирования уровней загрязнения атмосферы на удаленных от крупных источников (так называемых фоновых) территориях .

Целью ряботлы яЕляется анализ на основе натематического моделирования механизма формирования уровней загрязнения атмосферы в фоновых районах, оценка репрезентативности и предложения по опти- .. мизации существующей сети станций комплексного фонового мониторинга (СКФМ) на Европейской территории России (ЕТР).

Задачи исследовязия: - '

1. Проанализировать ряды наблюдений за концентрациями загрязняющих веществ на СКФМ, -расположенных на ЕТР за весь период наблюдений, выявить влияние метеорологических элементов на загрязнение атмосферы в фоновых районах.

2. Разработать и реализовать на ПЭВМ модельный комплекс, позволяющий рассчитывать уровни загрязнения атмосферы в фоновых районах.

3. Применить разработанный модельный комплекс для оценки вклада дальнего переноса, региональных и локальных источников антропогенных выбросов в формирование фонового загрязнения.

4. Оценить репрезентативность существующей наблюдательной сети и определить территории, на которые можно распространять

данные наблюдений.

5. Разработать предложения по оптимизации сети СКФМ.

Научна» новизна. Проанализированы все имеющиеся в Банке данных "Фоновый мониторинг" (ИГКЭ) данные наблюдений за загрязнением атмосферы на ЕТР за-период по 1992 г. Показан характер влияния метеорологических элементов на концентрации ЗВ. Разработан модельный комплекс, позволяющий оценивать уровни загрязнения атмосферы в фоновых районах. Впервые определен удельный вклад дальнего переноса, региональных и локальных источников антропогенных выбросов в формирование фоновых урос.чей загрязнения атмосферы для всех СКФМ, расположенных-на ЕТР. Проведены первые оценки размеров территории, охваченной существующей системой наблюдений, разработаны предложения по оптимизации сети СКФМ.

Практическая ценность. Результаты работы вошли в раздел "Государственного доклада о состоянии природной среды в Российской Федерации" за 1992 г.. Модельный комплекс в целом и его отдельные компоненты использовались для экологической оценки уровней загрязнения атмосферы и оценки влияния источников различного' масштаба в Московской области (гг. Восхресенск, Лосиный остров, Сергиев Посад, Хотьково,. Щелково); для разработки томов ОВОС (Определение воздействия на Окружающую Среду): месторождений нефти и газа (Ар-далинского, Пайтыхскога и Верхне-Ин'гинского), электростанций (Новопетровская ТЭЦ и в г.Электросталь), маслоэкстракционных' заводов (в гг. Новоалександровск и Михайловка), мусороперерабатывающего завода в Д.Воронцово (Сергиево-Посадский р-н).

На некоторые из перечисленных работ получены акты о внедрении.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, 2 нахо- , дятся в печати.

Апробация рабоют. Основные результаты диссертационной работы обсуждены ва научных семинарах отдела мониторинга и оценки глобального загрязнения природной среды и динамики парниковых газов института Глобального климата и экологии и на заседании кафедры метеорологии и климатологии географического факультета ИГУ. Кроме того, некоторые результаты работы были доложены на научных конференциях, совещаниях и симпозиумах, в тон числе на: Научном координационном совещании по проблеме XII "Глобальная система мониторинга, окружающей среды" стран-членов СЭВ (Прага, 1986); Всесоюзном совещании "Системное моделирование загрязнения атмосферы"

(Алма-Ата, 1989); Рабочем совещании по координации сотрудничества биосферных заповедников (БЗ) и станций фонового комплексного мониторинга (Адлер,1990); Конференции ВМО (VI регион)(София, 1993); Международном симпозиуме "Измерения токсичных и установленных загрязнителей воздуха"(ОигЛат, США, 1994).

Структура ц оОъеп диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Она изложена на 122 страницах, содержит 31 рисунок и 23 таблицы. Список литературы насчитывает 91 источник.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 2 "ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ НА ЕВРОПЕЙСКОЙ ТЕРРИТОРИИ , РОССИИ ПО ДАННИМ НАБЛЮДЕНИЙ СТАНЦИЙ ФОНОВОГО МОНИТОРИНГА" посвящена описанию существующей в России системы фонового мониторинга. На основе литературных данных описаны программы наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха, характеризуются основные источники выбросов приоритетных ЗВ. Основное внимание уделено двум вопросам - определению характеристик загрязнения атмосферы на станциях фонового мониторинга и влиянию метеорологических параметров на концентрации ЗВ. Для определения уровней фонового загрязнения атмосферы проанализированы "ряды данных -'за вейь "период наблюдений по всем четырем СКФМ, расположенным на ЕТР (табл.1) и СКФМ в Береэиксхом ЕЗ (Белоруссия), имеющей наиболее длинный (десятилетний) ряд наблюдений.

Кроме средних концентраций загрязняющих веществ получен средний многолетний сезонный ход приоритетных загрязнителей атмосферы. Показано некоторое уменьшение среднесезонных концентраций ЗВ за последние пять лет рассматриваемого периода. При определении влияния метеорологических параметров на содержание ЗВ в атмосфере определены зависимости уровней загрязнения приземного слоя воздуха от направления дальнего переноса и приземного ветра, осадков, облачности, температуры и влажности воздуха, условий турбулентности.

Глава 2 "ФИЗИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ В ФОНОВЫХ РАЙОНАХ" - посвящена анализу проблем моделирования фонового загрязнения атмосферы. В ней дает-

ся краткий обзор существующих модельных подходов к проблеме и предлагается концепция комплекса, состоящего из трех моделей, которые позволяет оценить•влияние дальнего переноса, региональных и локальных источников на-концентрации ЗВ.

При создании модельного комплекса принималось, что точность расчетов не может быть выше точности исходных данных. И, более того, так как критерием правильности расчетов является сравнение с данными наблюдений, то и результат расчетов должен оцениваться исходя из точности этих данных. Поэтому было решено не пытаться решать задачу моделирования загрязнения воздуха в фоновых районах с помощью какой-либо одной суперсложной модели. В этой связи для решения задачи получения среднесезонных характеристик загрязнения воздуха был разработан комплекс достаточно простых сопряженных Лагранжевых моделей, состоящий из трех блоков.

Таблица 1.

Средние (верхняя строка), минимальные и максимальные (нижняя строка) концентрации загрязняющих веществ на СКФМ в биосферных заповедниках (БЗ).

Загрязняющее; вещество; Центрально-Леской БЗ ПрИОКСКОт Ъ терраснынБЗ Воронежский ' БЗ Астраханский " : БЗ ;

Пернод ^; наблюдений -5' - 1 1986-1992 1983-1992 . 1990-1992 1986-1992

Пыль, . ; 29 1-150 44 3-180 48 3-160 66 2-580 '

Диоксид серы, мкг/мЗ 2.5 0.03-23.3 4.3 0.04-40.6 0.94 0.02-6.4 1.1 0.03-14.5

Сульфаты,'^ мкг/мЗ ' 5.4 0.33-25.0 4.7 0.27-25.8 8.1 1.1-23.5 7.3 0.59-31.2

Диоксид азота, мкг/мЗ - - 8.8 0.12-50.5 -2.2 0.09-9.2

■ Свинец, Нг/мЗ ": Г! " 8.5 1.0-69.4 14.1 1.2-63.4 14.9 0.94-68.7 12.6 0.94-69.9

Кадмий, < НГ/мЗ : - 0.34 0.07-1.4 0.33 0.18-0.87 0.81 0.29-1.7

3,4-бегсширея,? нг/мЗ 0.73 0.05-5.5 0.53 0.03-2.6 . 1 0.42 0.11-0.78 . 0.29 0.02-2.65

Сумма^ДЦТ, нг/мЗ ' 0.59 0.03-3.8 0.36 : 0.03-3.4 - 0.24 0.03-2.1

г-гхцг,;^;^; НГ/мЗ ' ■ 0.04 0.003-1.1 0.24 0.005-1.9 0.02 0.005-0.07 0.04 0.004-0.52

1. Модель учитывавшая дальний перенос ориентирована на рецептор. По типу это - траекторно-статистическая модель, причем обратные траектории группируются по восьми румбам на расстоянии более 200-хм от наблюдательного полигона. Траектории строятся за период трех-пяти суток. Источники ЗВ ближе 200 км не учитываются» дальше - учитываются как площадные (стандартный квадрат сетки эмиссии ЕМЕР - 150x150 км). Сухое и влажное осаждение параметризуются интегральными показателями - скоростью сухого осаждения и скоростью вымывания. Химическая трансформация неконсервативных примесей учитывается по экспоненциальному закону. Слой переноса принимается равным слою перемешивания и осредняется по сезону вдоль траектории. Коэффициенты эмиссии загрязняющих веществ в дальний перенос определяются для каждого вида источника. Антропогенные выбросы в течение сезона принимаются равномерными.

2. Региональная нодель служит для коррекции результатов расчета по модели дальнего переноса. Она учитывает крупные внутрирегиональные источники выбросов на расстоянии до 200 км от наблюдательного полигона СКФМ. Входными параметрами являются: повторяемость направлений и скорость ветра в слое перемешивания и толщина ^лоя перемешивания. Сухое осаждение, вымывание и химическая трансформация ЗВ учитываются так же, как и в модели дальнего переноса .

3. Модель," учитывающая локальные источники используется для зкончательного уточнения уровней загрязнения, полученных по пер-зым двум моделям. По типу она является гауссовой. Для каждо-•о источника на расстоянии до 25 км определяется собственная фор-1ула для расчета эффективной высоты подъема факела, зависящая от :го типа. Метеорологическая ситуация описывается : среднесезонной •емпературой воздуха, повторяемостью типов турбулентности Паск->илла в зависимости от скорости и направления ветра на уровне ¡люгера за сезон. Среднесезонная концентрация получается путем интегрирования результатов прогонов «одели при каждой типе турЬу-[ентности атмосферы и интервале скорости ветра. Химическая транс-юрмация и вымывание с осадками не учитываются, т.к. они пренеб-ежимо малы из-за незначительного времени, затрачиваемого на про-ождение пути "источник - рецептор".

По завершении расчетов по каждой из моделей рассчитанные онцентрации суммируются и получается интегральное среднесезонное

поле концентраций загрязняющего вещества в районе наблюдательного полигона СКФМ. Разумеется, ни один источник эмиссии не может использоваться более, чем в одной модели.

Подобный комплекс " из сопряженных моделей позволяет выделить не только вклад процессов определенного масштаба в формирование уровней загрязнения атмосферы, но и влияние отдельного источника на значения концентраций ЗВ. Возможно использование комплекса и для ситуационного прогнозирования - изменяя'Параметры какого-либо источника или задавая определенные метеорологические условия, возможно получить изменение поля концентраций на исследуемой территории .

Описанная концепция комплекса моделей для оценки фонового загрязнения атмосферы была реализована в программный продукт для IBM совместимых ПЭВМ.

Рабочая формула для средней концентрации примеси в слое воздуха толщиной Н для восьмирумбовой розы ветров используемая в моделях дальнего переноса и регионального масштаба выглядит следующим образом:

c.isitw I Л

ji 2Ябу Uj Н V 2бу ' \ Н ) \ XJ

где Р^- повторяемость переноса воздушных масс в j-том румбе; Ql- мощность i-того источника;

бу=вх - аппроксимация Хефтера для горизонтальной дисперсии;

х - расстояние от источника до рецептора;

Uj - скорость переноса;

Н - толщина слоя перемешивания;

t = x/Uj - время;

va- скорость сухого осаждения;

К} - коффициент эмиссии;

- коэффициент сезонности источника; Т - время жизни примеси в атмосфере.

, Различие между моделями состоит в том, что в первом случае в качестве входных данных берутся данные повторяемости обратных пя-тисуточных траекторий движения воздушных частиц, а для региональной модели - данные о ветровом режиме ближайшей станции аэрологического зондирования атмосферы. Кроме того, различными являются источники эмиссии ЗВ.

Коэффициент эмиссии, показывающий поступление загрязняющих

веществ в дальний перенос, скорость сухого осаждения и время жизни ЗВ принимаются по литературным данным для каждого вещества. Также дифференцировано по веществам и характеру источников принимается и коэффициент сезонности эмиссии (как правило, в холодный' период сумма выбросов большинства загрязняющих веществ больше, чем в теплый).

В модели, учитывающей локальные источники, расчет концентраций ЗВ проводится согласно рекомендованной ВМО формуле Гауссова рассеивания:

С = i Р3 | KtNt | C0(Pas) expj—^-jexpj--j , (2)

где C„ (Pas) - концентрация, рассчитанная по формуле (3) при каждом типе устойчивости атмосферы. ^

ОГ [ Уг )( I (Z-H)2} . I (2+Н)г-П С0 (Pas) = - ехр - - eXD -- + k exp -- (3)

2Ябу 6Z Uj l 2бугД I 2622 J l 2б2г I)

где ось x направлена вдоль вектора средней скорости потока, Qj - мощность выброса;

Uj - скорость ветра на высоте выброса Н; буб2 - параметры горизонтальной и вертикальной дисперсии, зависящие от х, состояния устойчивости пограничного слоя атмосферы, шероховатости поверхности и времени осреднения; у - расстояние от средней линии факела;

. . 2 т высота над-землей; ... -

к - коэффициент отражения (0<к<1); Н - конечная высота подъема факела.

В результате последовательного расчета по трем моделям используемого комплекса можно оценить вклад каждого источника в формирование суммарной концентрации загрязняющего вещества в рассматриваемом районе.

Третья Глава "ФОРМИРОВАНИЕ ФОНОВЫХ УРОВНЕЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ" представляет собой анализ- механизма образования средне-сезонных концентраций как суперпозиции воздействия источников трех масштабов на примере диоксида серы.

Понимание особенностей процесса формирования уровней загрязнения атмосферы на станциях фонового мониторинга чрезвычайно важно для последующей интерпретации данных. Тем не менее, до последнего времени a priori принималось, что раз наблюдательные полигоны СКФМ размещены в биосферных заповедниках, то влияние регио-

нальных и местных источников ничтожно, и все данные наблюдений можно трактовать как фоновые.

Для расчетов по модели дальнего переноса использовались данные о повторяемости направлений траекторий и средних скоростях движения воздушных частиц, осредненые за период 1989-92 гг. Для СКФМ в Березинском БЗ наряду с траекторяки, полученными расчетным путем, использовался массив данных за 1984-85 гг., построений автором общепринятым синоптическим способом по картам барической топографии АТ-850. Этот уровень принимался в предположении, что основная масса ЗВ переносится на высоте около 1.5 км.8 региональной модели использовались данные из Аэроклиматического справочника о среднем ветре в нижнем 2.км слое атмосферы, осредненые за теплый (апрель - сентябрь) и холдный (октябрь - март) периоды. В локальной модели использовались данные метеорологических наблюдений непосредственно на СКФМ.

Высота слоя переноса принималась равной высоте слоя перемешивания. Последняя определялась графически по аэрологической диаграмме как уровень, на котором прекращается суточный ход температуры.- Основные- параметры, используемые в расчетах, • приведены в табл.2.

Для расчетов по локальнрй модели состояние атмосферы в теплый период описывалось категорией стабильности С, а в холодный -Б (по Пасквиллу). Также предполагалось, что весь выброс диоксида серы происходит в течение холодного периода, кроме СКФМ в Приокс-ко-террасном и Воронежском ЕЗ, вблизи которых расположены небольшие города с круглогодично работающей промышленностью.

Обобщенные результаты модельных оценок среднесезонных концентраций диоксида серы по трем моделям приведены в таблице 3.

Расчетные концентрации Э02 как в теплый, так и в холодный период несколько отличаются от измеренных,что объясняется как неполным учетом источников эмиссии, так и допущениями, принятыми при расчетах (на учитывалось вымывание облаками и осадками, вертикальный профиль концентраций в модели дальнего переноса принимался равномерным и т.п.). Но, в целом, наблюдаемое совпадение результатов в пределах инструментальной погрешности, можно считать очень хорошим не только для подобных оценок, но и для моделей любого уровня сложности.

Необходимо отметить, что СКФМ в Астраханском БЗ находится на

Параметры принятые при расчетах.

Таблица 2.

Эмиссия, тыс.т/год Теплый период Холодный период

СКФМ Дальний перенос Региональные источники Локальные источники Высота слоя перемешивания, км

Березинский БЗ 555.6 0.051 2.0 0.85

Центрально-Лесной 53 132.3 0.032 2.1 0.90

Приокско-Геррасный БЗ 30 ООО 439.2 0.078 2.1 . 0.90

воронежский БЗ 228.2 0.046 2.2 1.1

Астраханский БЗ 367.0 0.027 2.3 1.2

Зремя жизни диоксида серы, сутки 2 4

Соэффиииент сезонности выбросов. % 45 55

Скорость сухого осаждения, см/с 0.5 Коэффициент эмиссии 0.85

Таблица. 3

Результаты молельных расчетов концентраций диоксида серы и данные наблюдений на СКФМ, мкг/»А

| Источник г выбросов Бсрезннсюш БЗ Центрхчьно-Лесном БЗ Приокско-тсррасный БЗ Воронежский БЗ Астраханский БЗ

Теплый период .

Дальний 0.61 0.63 0.58 0.37 0.43

Региональный 0.36 0.03 .. 0.29 0.08 0.13

Локальный 0 0 0.13 0.01 0

СУММА 0.97 0.66 1.00 0.46 0.56

Данные наблюдений 1.01 0.77. 0.90 0.33 0.58

Холодный период

Дальний 3.41 3.35 3.31 2.15. 1.25

Региональный 1.02 0.09 0.82 0.23 0.31

Локальный 0.32 0.01 0.29 0.04 0.08

СУММА 4.75 3.45 4.42 2.42 . 1.64

Данные наблюдений 4.73 3.91 4.80 1.56 1.44

окраине ЕТР и при расчетах по модели дальнего переноса не принимались во внимание источники Казахстана и Средней Азии (не входящие в сетку ЕМЕР), которые могут влиять на концентрации диоксида серы в этом районе.

Вклад -источников различного масштаба меняется в зависимости от сезона и местоположения станции фонового мониторинга. В целом, при продвижении с СЗ на ЮВ рассматриваемого региона, уровень концентраций S02, создаваемых дальним переносом несколько уменьшается. Для СКФМ в Березинском, Центрально-Лесном и Приокско-террас-ном БЗ он примерно одинаков и составляет в теплый период около 0.6 мкг/к3, а в холодный - 3.3 нкг/м3 . Для4СКФМ в Воронежском и Астраханском БЗ значения концентраций диоксида серы в теплый период снижаются примерно до 0.4 мкг/м3, а в холодный - до 2.1 и 1.2 мкг/м3 соответственно.

Уровни загрязнения, создаваемые .региональными и локальными источниками выбросов в целом ниже, чем формируемые дальним переносом. В холодный период, с увеличением времени жизни диоксида серы, относительный вклад дальнего переноса в среднесезонную концентрацию увеличивается за счет большего увеличения концентраций, создаваемых дальними источниками (рис.1).

Теплый период

В Локальный □ Рсгионалхлый D Далший

100% 75% 50% 25% 0%

^ ** ~

1

-¿['¿ТЗР&Жх 'Vi^W-Vt: -

Березинсюй Центрально- Приокжо- Воронежский Астраханский БЗ Лесной БЗ террасный БЗ БЗ БЗ

Холодный период

100% 75% 50% 25% 0%

-•-•.'■Sw'V'

piyPsl'

Березинсхий Центрально- Приокско- Воронежский Астраханский БЗ Лесной БЗ террасный БЗ БЗ БЗ

Рис. I. Соотношение концентраций, создаваемых источниками

различного масштаба.__

Соотношение источников разного масштаба в суммарной концентрации по каждому направлению переноса сильно отличается как для разных СКФМ, так и для одной станции при разных направлений переноса. Вклад источников любого масштаба может меняться от о до 100%, но определяющее значение в суммарной концентрации, особенно в холодный период, имеет дальний перенос западных румбов.

Для СКФМ в Березинском БЗ вклад дальнего переноса составляет в теплый период около 60%, а в холодный - около 70%. Доля региональных источников уменьшается от 40% .в теплый период до 25% в холодный за счет увеличения вклада дальнего переноса и включения локальных источников. Источники локального масштаба функционируют только в холодный период и формируют около 5% от среднесезонной концентрации.

На СКФМ в Центрально-Лесном БЗ в течение всего года доминирует дальний перенос, вклад которого составляет более 95%. Вклад региональных источников диоксида серп не превышает 5% в теплйй и 4 3% в холодный период. Влияние локальных источников в холдное полугодие пренебрежимо мало.

СКФМ в Приокско-террасном БЗ больше других станций мониторинга находится под влиянием локальных источников, причем и в теплый, и в холодный периоды (10% и 5% соответственно). Вклад дальнего переноса, как следствие, минимален по сравнению с другими станциями мониторинга и составляет.около 50% в летнее и 70% в-зимнее полугодие. Региональные источники формируют около 40% средней концентрации диоксида серы в теплый период и до 25% в холодный .

Вклад дальнего переноса для СКФЙ в Воронежском БЗ составляет в среднем около 80% в теплый и 90% в холодный периоды. Так же, как и для Приокско-террасного БЗ, локальные источники действуют в течение всего года, но вклад их значительно ниже - не превышает 3%. Внутрирегиональные источники диоксида серы ответственны за 17% суммарной концентрации диоксида серы в теплый и 8% в холодный периоды соответственно.

В течение всего года вклад дальнего переноса на СКФМ в Астраханском БЗ составляет около 75% согласно имеющимся данным об эмиссии S02. Региональные источники дают 25 % и 20% среднесеэон-ных концентраций в Теплый и холодный периоды соответственно. Локальные источники формируют около 5% средней за холодный период

концентрации диохсида серы.

Глава 4 "ОПТИМИЗАЦИЯ" СЕТИ СТАНЦИЙ ФОНОВОГО МОНИТОРИНГА" посвящена вопросам развития■системы СКФМ. В настоящее время на территории России функционируют 6 станций фонового мониторинга, 4 из которых расположены на ЕТР, .одна - на Северном Кавказе и одна в Восточной Сибири. Вопрос оптимальной густоты сети СКФМ остается открытым. Так, не определены размеры территории, на которую можно распространить результаты .наблюдений за загрязнением воздуха в точке. Для каждого конкретного случая эта территория будет различной в зависимости от особенностей поля эмиссии загрязняющих веществ, характера подстилающей поверхности, метеорологических условий. Можно предположить, что она будет различаться для разных ЗВ, с различным временем жизни в атмосфере. Чем короче время жизни конкретного вещества, тем больше надо станций наблюдения для контроля состояния загрязнения воздуха на изучаемой территории. И, следовательно, для пространственного мониторинга различных ЗВ необходимо различное количество станций.

Возможны как минимум два способа решения задачи определения размеров территории контролируемых СКФМ - методами траекторного и корреляционного анализов. Причем первый метод выявляет размер территории, эмиссия ЗВ с которой влияет на наблюдаемые на СКФМ концентрации, а второй - определяе'т'размер'территории, на 'которую можно распространять данные точечного наблюдения.

При помощи модели построение обратных траекторий воздушных частиц, были прослежены переносы в каждую из четырех СКФМ на ЕТР. Расчеты 5-суточных траекторий проводились два раза в сутки. Всего * было проанализировано более 6 тысяч траекторий с 1989 по 1992 г. Чтобы охарактеризовать площади, эмиссия с которых влияет на уровни концентраций ЗВ в фиксированной точке, были построены огибающие, которые оконтурили территории, выброс загрязняющих веществ с которых достигает станции мониторинга за 1, 3 и 5 суток (рис.2).

На результаты наблюдений за концентрациями ЗВ с временем жизни з суток и более на российских станциях влияет эмиссия практически со всей территории Европы - от Франции до Урала. Характерно, что увеличение площадей указанных территорий в холодный период происходит, в основном, за счет морских территорий с отсутствием собственных источников антропогенных выбросов.

Рис.2 . Территории перенос загрязняющих веществ с которых достигает станций КФМ за 1, 3 и 5 суток.

Для ЗВ с временем жизни менее суток в теплый период существующие СКФМ находятся под влиянием промышленных выбросов с территории Прибалтики, Украины, Казахстана и Центральной части ЕТР. В холодное полугодие к перечисленным регионам добавляются страны Центральной Европы и Скандинавии. Выбросы короткоживущих ЗВ на значительной части севера и северо-востока ЕТР и территории от Волги до Урала в течение всего года не достигают существующих СКФМ и, следовательно, не могут ими контролироваться. То же можно сказать о Кольском полуострове, где расположены крупные источники ЭВ.

Вопрос оптимального размещения сети СКФМ ранее специально не исследовался. Для определения размеров территории, на которую можно распространить данные точечных наблюдений на СКФМ был применен метод Дроздова-Шепелевского, разработаный для решения задачи рационального расположения сети метео- и аэрологических станций. Основным постулатом данного метода является требование, чтобы ошибка интерполяции элемента (в данном случае концентрации загрязняющего вещества) в любую точку территории по данным наблюдений окружающих станций не превышала заданную величину, а именно г ошибку его определения. Простым вариантом такой интерполяции является линейная интерполяция в точки отрезка, соединяющего две станции. Если поле концентраций загрязняющего вещества считать однородным м изотропным по отношению к его ковариационной функции, а ошибки его измерения - случайными, то для максимального расстояния между СКФМ можно получить простую формулу :

1ш.= г0Т1г , (4)

где Т1г «= А2 /б2 , Т\2 - мера ошибки измерения, б2 - дисперсия элемента, а Аг - дисперсия ошибок его измерения-

Если перейти от интерполяции вдоль отрезка к интерполяции на плоскости, то можно получить формулу для треугольной регулярной сетки:

ГоП2 , I® = —- = 1-37г0Пг (5)

уз - 1

Необходимо подчеркнуть, что расчет параметров уравнения пространственной регрессии обычно проводится с массивом данных 40 - 60 пар точек. В данном случае существует только 5 станций и, соответственно, 10 пар точек. Поэтому для корректного расчета требуется еще как минимум 5 станций, что в сумме с существующими

СКФМ даст 45 пар точек. И на данном этапе каждая последующая станция может менять коэффициенты уравнения регрессии. Кроме 'того не доказано, что поле концентраций любого загрязняющего вещества является однородным и изотропным. Поэтому данную работу следует оценивать как самую первую оценку необходимого количества станций фонового мониторинга загрязнения атмосферы.

Для определения величины г0 , входящей в формулы (4 и 5), необходимо получить уравнения зависимости коэффициентов корреляции между загрязняющими веществами на разных станциях фонового мониторинга от расстояния между этими станциями. Статистические зависимости аппроксимировались уравнением типа Д(1?) = а + Ыг, коэффициенты а и Ь определялись с помощью программы ЗТАТСНАР-5.0. При преобразовании уравнения к виду ^(й)=1-Н/г0 получали коэффициент " го = -а / Ь. Уравнения регрессии"и коэффициенты корреляции преде- . тавлены в таблице 4. Таи же представлены осредненные по всем парам СКОТ1 расстояния между станциями, рассчитанные по формулам (4 и 5), при которых данные можно интерполировать с точностью, равной точности наблюдений.

Таблица 4

Статистический зависимости коэффициентов корреляции егг расстояния и максимальные допустимые "расстояния между'СКФЙ (1]"'- линейная, 1з -пространственная интерполяция)

Параметр Диоксид серы Свинец Сумма ДДТ

" - '"> ?. Среднесезонныс концентрации""' *- ...... ... -у;

Уравнение ц(К)=0.95-2.29-10"4Я 11(К)=1.00-1.07-10-4К ^К^ОЛЗ-В^-Ю»3]*.

регрессии -

йп, км 4100 9300 8800

V 0.21 0.48 0.17

И , км 860 +/- 205 4460 +/'- 2510 1540 +/- 375

Ь , км 1180 +/- 280 6120 +/- 3440 2110 +/- 510 -

• - .... Среднемесзкныё.конпеитраиии ' Л - . ' '/ 'i-■.^-v>

Уравнение ^(^=0.88-3.23-10^ ^l(R)=0.69-1.90•10-4R.

регрессии

К.п,КМ 2700 2300 3600

0.17 0.38 0.15

И - км 460 +/- 80 870 +/- 230 , 540 +/- 110

, км 630+/- 110 1200+/- 315 740 +/- 145

Результаты оценок максимальных допустимых расстояний между станциями (1т) позволяют заключить, что для диоксида серы и суммарного ддт существующая сеть достаточна для интерполяции среднемесячных и среднесезонных данных наблюдений между СКФМ в Бере-зинскон, Центрально-Лесном; Приокскр.-террасном и Воронежском БЗ. Расстояние до СКФМ в Астраханском -слишком велико по сравнению с 1т и требуется дополнительная станция между ней и Воронежским БЗ. На рис.3, показаны территории, охваченные наблюдениями и места, где следует организовать дополнительные станции фонового мо- -ниторинга.

Существующая сеть станций позволяет производить интерполяцию между среднесезонными концентрациями свинца на всех СКФМ. Что касается среднемесячных значений, то возможна интерполяция в треугольнике СКФМ в Березинском, Центрально-Лесном и Приокско-террас-ном БЗ. Наблюдения в Астраханском БЗ, как и в случае с диоксидом серы, стоят особняком, и требуется дополнительная станция между этой СКФМ и центром ЕТР.

Практически для всех рассматриваемых ЗВ, территории не охваченные наблюдениями, близки - это северо-восточная-часть ЕТР и территория между Волгой и Уралом.

Согласно приведенным расчетам наиболее густая сеть станций фонового мониторинга требуется для контроля загрязнения атмосферы диоксидом серы и наименее"' частая • - фонового загрязнения свинцом.

Площадь ЕТР составляет около 2.3 млн.км2. Нетрудно подсчитать, что для интерполяции среднесезонных концентраций Б0г требуется примерно 6 СКФМ, а для среднемесячных - около 20. для других ЗВ, соответственно, меньше - для среднемесячных концентраций свинца - 6 станций, для ДДТ,- 15. Если учесть, что на большей части неохваченных наблюдениями территориях градиенты эми&сии загрязняющих веществ незначительны, можно предположить наличие' сравнительно высоких коэффициентов корреляции между станциями и, следовательно, больших значений параметра г0. Тогда расстояния между станциями могут несколько возрасти, а количество станций уменьшиться.

Можно предложить следующий итерационный подход к оптимизации сети СКФМ (табл.5). На первом этапе к наблюдениям на существующих четырех Российских и одной Белорусской равнинных СКФМ добавить наблюдения на двух работающих станциях слежения за трансграничным

У ЧСР Ь<Г 7СР

Рис. 3. Территории, охваченные наблюдениями за фоновыми концентрациями загрязняющих веществ в атмосфере.

переносок (Пушкинские Горы и Пинега). На этой основе уточнить

Таблица 5

Предложения по оптимизации сети станций комплексного фонового мониторинга атмосферы

NN Пункт Область Примечание

1 Центрально-Лесной БЗ ( Тверская СКФМ, действующая

2 Приоксхо-террасный БЗ Московская СКФМ, действующая

3 Воронежский БЗ Воронежская СКФМ, действующая

4 Астраханский БЗ Астраханская СКФМ, действующая

5 Кавказский БЗ Краснодарский СКФМ, действ,горная

6 Пушкинские Горы Псковская станция ЕМЕР

7 Пинега Архангельская станция ЕМЕР

В Печоро-Илычский БЗ Екатеринбургская перспективная

9 Жигулевский БЗ Самарская перспективная

10 Лапландский БЗ Мурманская перспективная

11 Березинский БЗ Белоруссия СКФМ, действующая

значения 1т и необходимое количество станций для мониторинга диоксида серы. Также необходимо введение трех новых станций на территориях неконтролируемых действующей системой - в Среднем Поволжье {Жигулевский ЕЗ), в Предуралье (Печоро-Илычский БЗ) и на Кольском полуострове (Лапландский БЗ). После введения наблюдений за приоритетными загрязнителями и проведения двух- трехлетнего цикла наблюдений на новых СКФМ и станциях ЕМЕР необходимо уточнить и откорректировать список перспективных станций. При необходимости введения новых СКФМ в диссертации предложен приоритетный список районов их размещения.

выводы .

1- Получены многолетние статистические характеристики загрязнения атмосферы ,на СКФМ,. расположенных на ЕТР за период по 1992 г. Выявлены средние внутригодовые ходы приоритетных ЗВ. Обнаружено некоторое снижение концентраций Б02, свинца и ДДТ в последнее пятилетие рассматриваемого периода.

2- Оценено влияние метеорологических параметров на концент-

рации ряда ЗВ. выявлена неоднозначность и специфичность связей концентраций ЗВ и метеорологических параметров. Уровни загрязнения воздуха более всего зависят от направления переноса и устой- . чивости атмосферы. На концентрации диоксида серы, кроме того, су- • щественно влияет температура воздуха.

3. Создан и реализован на ПЭВМ комплекс из трех моделей, позволяющий проводить оценки влияния дальнего переноса, внутрирегиональных и локальных источников загрязнения атмосферы на концентрации загрязняющих веществ в фоновых районах.

4. На основе модельных оценок определены средние концентрации диоксида серы на СКФИ. Концентрации, создаваемые дальним переносом уменьшаются с 3.3 и 0.б мкг/м3 на северозападе до 2.1 и

О.4 мкг/м3 на юго-востока ЕТР в холодный и теплый периоды соот- ^ ветственно. Уровни загрязнения, создаваемые внутрирегиональными и локальными источниками, не подчиняются географическим закономерностям, но с этими источниками, как правило, связаны эпизоды максимальных концентраций ЗВ в атмосфере.

■ 5'. Произведены оценки вкладов источников разного масштаба в формирование среднесезонных концентраций 302 для СКФМ, расположенных на ЕТР. Для всех станций в течение года определяющим является вклад дальнего переноса (50-95%), который растет от теплого периода к холодному "с ростом"времени жизни Э0г в атмосфере.

6. Вклады внутрирегиональных и локальных источников сильно варьируют для разных фоновых территорий. По мера убывания воздействия внутрирегиональных и локальных источников СКФМ можно выстроить в следующую последовательность: Приокско-террасный БЗ (вклад дальнего-переноса - 50 и 70% в теплый и холодный периоды), Астраханский БЗ (74 и 76%), Воронежский БЗ (80 и 90%), Центрально-Лесной БЗ (95 и 97%).

,7. На основе анализа более чей 6000 траекторий воздушных частиц определены территории, выбросы ЗВ с которых достигают существующих СКФМ за одни, три и пять суток. Показано, что для для мониторинга крупномасштабного переноса веществ с временем жизни более трех суток достаточно всего двух станций - одной в центре и второй в южной части ЕТР.

8. Впервые проведены оценки необходимой густоты сети, обеспечивающей возможности интерполяции среднесезонных и среднемесячных концентраций ЗВ с точностью, соответствующей точности наблю-

дений. Максимальное допустимое расстояние между СКФМ различается для разных ЗБ и оценивается для среднемесячных значений в 460-870 кк, а для среднесезонных - 860-4400 км. Построена карта-схема территорий, уровень фонового загрязнения атмосферы которых контролируется существующими СКФМ.

9. Предлагается итерационная схема оптимизации сети СКФМ. На первом этапе предлагается к существующим станциям добавить наблюдения в следующих районах: Псковская и Архангельская обл.. Среднее Поволжье, Предуралье, Кольский п-ов. Если после накопления двухтрехлетих рядов наблюдений и коррекции уравнения пространственной регрессии коэффициентов корреляции концентраций ЗБ определится необходимость дальнейшего расширения наблюдательной сети, предлагается приоритетный список территорий для размещения дополнительных станций фонового мониторинга.

Основные положения диссертации изложены автором в следующих опубликованных работах:

1. Оценка антропогенного загрязнения, атмосферы с■помощью ре-■ перных элементов, (в соавторстве с Ф.Я.Ровинеким, В.А.Петрухинын)

- В кн. Ядерно^-физические методы анализа в контроле, окружающей среды. Труды III Всесоюзного совещания.,Л., Гидрометеоиздат, 1987, с.4-13.

2. Использование нодели анализа крупномасштабного атмосферного переноса в фоновом мониторинге атмосферы.(в соавторстве с. С^А.Громовым) - -Труды II конференции Колодых ученых ЛАМ, ' 1989, с.17-22.

- 3. Фоновие уровни загрязнения ашиосд&еры на Восточно-Европейской равнине.(в соавторстве с С.А.Громовым) г Вестник Московского университета. Сер.5,1992, N5, с.Э-11

4. Моделирование загрязнения ашосферы е фоновых районах.

.В кн. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. Обзорная информация. ВИНИТИ, NS,„ 1993, с.53-62.

5. Heavy metals: Long-Range Transport in the Atmosphere and Deposition with Precipitation.(в соавторстве с Ф.Я.Ровинеким, С.А.Громовым, Л.В. Бурцевой) - що Region VI Conference on the Measurement and Modelling of Atmospheric Composition changes Including PollutionTransport (Sofia, Bulgaria, 4-8 October, 1993).

6. Applicability of trajectory analysis for background monitoring1 network optimization. - An international symposium on Measurement of Toxic and Related Air Pollutants (Durham,КС, USA, May 1994)