Содержание к диссертации
Введение
1. Методы изучения загрязнения атмосферы монооксидом углерода. Современное состояние 22
1.1. Интегральные спектросконические измерения. Развитие метода 22
1.2. Локальные методы 26
1.3. Спутниковое зондирование состава атмосферы 27
1.4. Модельные расчеты переноса примесей 29
2. Аппаратурные комплексы и методики измерений 31
2.1. Спектроскопическая установка и методика измерений полного содержания газовых примесей в толще атмосферы 31
2.2. Усредненный («модельный») сезонный ход фонового содержания на ЗНС и анализ временных тенденций 35
2.3. Методики измерений концентрации СО 36
2.4. Измерения параметров пограничного слоя 38
2.5. Спутниковые методы определения общего содержания окиси углерода 41
2.6. Спутниковые методы исследования локализации пожаров и их эмиссий 44
2.7. Методы траекторного анализа и модельных расчетов переноса загрязнений 52
3. Дневные и сезонные вариации, долговременные тенденции общего содержания СО в атмосфере над Москвой и Звенигородом.
Типичные и аномальные случаи загрязнения окисью углерода.
Сравнение загрязнения мегаполисов Москвы и Пекина 59
3.1. Дневные и сезонные вариации общего содержания СО в атмосфере над Москвой и Звенигородом 59
3.2. Влияние метеорологических условий 63
3.3. Анализ дневных вариаций городской части содержании атмосферы Москвы 70
3.5. Содержание окиси углерода на ЗНС. Анализ влияния мегаполиса 74
3.6. Сравнение результатов измерений содержания СО в Москве и Пекине 77
3.7. Корреляция содержания и концентрации СО и аэрозолей в Москве и Пекине 78
3.8. Обсуждение результатов главы 3 81
4. Аномальное загрязнение атмосферы Московского мегаполиса во время природных пожаров в июле-августе 2010 г 82
4.1. Анализ метеорологических условий, пространственно-временное распределение очагов пожаров. Сравнение ситуаций 2010 г. и 2002 г 83
4.2. Содержание СО в толще, сравнение результатов наземных и спутниковых измерений 86
4.3. Содержание СО в толще и приземная концентрация окиси углерода в июле-августе 2010 г. в Москве и Звенигороде 88
4.4. Исследования простраиственно-временного распределения торфяных пожаров. Предварительная оценка эмиссий 95
4.5. Оценка высоты загрязненного слоя 103
4.6. Оценка эмиссий от лесных пожаров 104
4.7. Неопределенности при оценке эмиссий от пожаров 106
4.8. Модельные расчеты RAMS/HYPACT 111
4.9. Обсуждение результатов главы 4 116
Заключение 117
Благодарности 119
Обзор литературы 120
- Спутниковое зондирование состава атмосферы
- Усредненный («модельный») сезонный ход фонового содержания на ЗНС и анализ временных тенденций
- Анализ дневных вариаций городской части содержании атмосферы Москвы
- Исследования простраиственно-временного распределения торфяных пожаров. Предварительная оценка эмиссий
Введение к работе
Настоящая работа посвящена исследованию вариаций содержания окиси углерода СО в атмосфере мегаполисов и прилежащих районов в типичных и экстремальных случаях загрязнения, а также изучению временных тенденций изменений содержания этой примеси в глобальном и в региональном масштабе.
Актуальность работы состоит в постоянно повышающемся влиянии антропогенного фактора на состав атмосферы. Это влияние особенно заметно в крупных городах-мегаполисах, а также в прилегающих к ним урбанизированных территориях - городских агломерациях. Окись углерода СО является одной из основных малых газовых составляющих в тропосфере с отчетливо выраженным антропогенным источником. Окись углерода в значительной степени определяет равновесную концентрацию гидроксила ОН. Величины антропогенных и природных источников окиси углерода сопоставимы. Токсичность СО обуславливает необходимость контроля концентрации в населенных пунктах. Дополнительную опасность для здоровья населения представляют собой экстремальные загрязнения атмосферы городов, причиной которых могут стать лесные и торфяные пожары, во время которых содержания СО многократно могут превышать фоновые значения, а концентрации СО на уровне дыхания превышают предельно допустимые в разы. В атмосфере мегаполисов в условиях фотохимического смога повышенное содержание окиси углерода способно приводить к образованию тропосферного озона Оз. Последнее обстоятельство делает особенно актуальным исследование антропогенных источников окиси углерода в связи с угрозой возникновения повышенных концентраций приземного озона, вредных для здоровья населения.
Цели и задачи исследования.
Основная цель работы состоит в получении с помощью спектроскопической методики определения содержания СО в толще
атмосферы и систематизации характеристик загрязнения атмосферы мегаполисов окисью углерода, а также в выявлении временных и пространственных тенденций поведения СО и исследовании метеорологических условий, приводящих к экстремальным загрязнениям воздушных бассейнов крупных городов. Основные задачи исследования:
- Накопление, обработка, обобщение, анализ и систематизация
значительного экспериментального материала о содержании и концентрации
СО в атмосфере Москвы (Федеральное государственное бюджетное
учреждение науки Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН, далее
ИФА РАН, станция наблюдений состава атмосферы Географического
факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и ИФА им. A.M. Обухова РАН, далее
МГУ, и Московской области (Звенигородская научная станция Института
физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН, далее ЗНС).
Получение долговременного тренда для городской (эмиссионной) части содержания и фонового содержания СО в Московском мегаполисе для разных периодов и сезонов. Изучение сезонного хода содержания СО на ЗНС с учетом заносов из города и дальнего переноса примеси из промышленных районов и позволяющего использовать данные ЗНС в качестве фоновых.
Получение сравнительных характеристик загрязнения атмосферы двух мегаполисов, отличающихся географическим положением, метеорологическими и орографическими условиями, а также составом источников эмиссий.
Валидация спутниковых измерений содержания СО и модельных расчетов при различных эмиссионных сценариях.
Получение оценок мощности городских эмиссий и эмиссий от природных пожаров
По мере выполнения работы был накоплен, обработан, обобщен, проанализирован и систематизирован значительный экспериментальный материал о содержании и концентрации СО в атмосфере Москвы и Московской области (Звенигородская научная станция Института физики
атмосферы им. A.M. Обухова РАН, далее ЗНС). Произведено сопоставление методик обработки спектроскопических измерений, использовавшихся в разные периоды наблюдений. Получены долговременные тренды эмиссионной части содержания и фонового содержания СО для разных периодов и сезонов. Предложен и применен метод вычисления сезонного хода содержания СО на ЗНС с учетом заносов из города и дальнего переноса примеси из промышленных районов. Применение этого метода позволяет использовать данные ЗНС о содержании СО в качестве фоновых. Получены сравнительные характеристики загрязнения атмосферы двух мегаполисов, отличающихся географическим положением, метеорологическими и орографическими условиями, а также составом источников эмиссий. Проведена валидация спутниковых измерений содержания СО и транспортных модельных расчетов при различных эмиссионных сценариях. Получены оценки мощности городских эмиссий и эмиссий от природных пожаров.
Научная новизна настоящей работы состоит:
- в получении, обработке и анализе уникального по длительности
(1970-2011гг.) измерительного ряда содержания СО для Москвы и
Звенигорода;
в применении различных способов обработки результатов спектроскопических измерений в условиях города, в частности с учетом особенностей городского вертикального профиля СО и профиля примеси в условиях экстремальных загрязнений, с помощью усовершенствованной программы обработки спектров нелинейным методом наименьших квадратов, с привлечением экспериментальных данных о приземной концентрации и спутниковых профилей СО. Это позволило повысить точность выделения антропогенной части содержания примеси, а также уточнить величины содержания в условиях экстремальных загрязнений (природные пожары);
- в применении нескольких способов получения метеорологической
информации для изучения влияния метеорологических факторов на
загрязнение городского воздушного бассейна. Были использованы: данные акустического зондирования локатора-содара, расположенного в непосредственной близости от основного пункта наблюдений, и с помощью этих данных получены оценки мощности городских источников СО; данные аэрологического зондирования; метод траєкторного анализа и данные реанализа (метод обратных траекторий) для оценки влияния мегаполисов на формирование регионального фона;
- в сопоставлении результатов измерений общего содержания в Звенигороде с временными рядами ОС СО других фоновых измерительных пунктов, для проверки соответствия ЗНС ИФА им. A.M. Обухова статусу «фоновой станции»;
в сочетании различных методик исследования эпизодов загрязнения (экспериментальные данные наземных и спутниковых сенсоров, расчеты с помощью транспортных моделей (моделей переноса примесей в атмосфере), использование космических фотоснимков и GIS, геоинформационных систем, для визуализации и географической привязки источников эмиссий);
в получении сравнительных характеристик загрязнения атмосферы мегаполисов, находящихся в разных географических, климатических и промышленных зонах, отличающимися орографическими и метеорологическими условиями, а также составом и мощностью источников примеси.
Научная и практическая ценность работы состоит в накоплении и систематизации измерительных данных в течение уникального по длительности периода; в сопоставлении применявшихся в разные периоды методик обработки спектроскопических данных; в применении комплексного подхода к исследованию загрязнения как в типичных условиях (локальные и интегральные характеристики загрязнения, исследование влияния метеорологических условий в атмосферном приземном слое, далее АПС, на городское загрязнение с применением акустических локаторов), так и в
экстремальных случаях на примере пожаров лета 2010 г., (использование спутниковых данных о содержании и модельных расчетов переноса примеси).
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты анализа долговременных рядов содержания СО в Москве
(1986-2011 гг.) и на ЗНС (1970 - 2011 гг.) и оценка временных тенденций
содержания СО для разных сезонов и периодов наблюдения;
- сопоставление методик обработки спектроскопических измерений,
выполненных в разные годы;
- результаты применения метода скользящих средних при определении
усредненных («модельных») вариаций содержания СО на ЗНС, полученные с
учетом исключения фактора заносов из Москвы; оценка влияния мегаполиса
на формирование регионального фона;
- зависимость загрязнения атмосферы Москвы окисью углерода от
параметров пограничного слоя (время существования инверсии, скорость и
направление ветра);
- оценка мощности городского источника СО для Москвы;
сравнение характеристик загрязнения СО воздушных бассейнов мегаполисов Москвы и Пекина в период 1992-2010 гг;
исследование экстремального загрязнения атмосферы Московского мегаполиса в период природных пожаров летом 2010 г.;
оценки эмиссий СО от пожаров упомянутого в предыдущем пункте эпизода, полученные с использованием разных методов и карт растительности.
Апробация работы.
Результаты настоящей работы докладывались на научных семинарах Института Физики атмосферы, 15 общероссийских и международных конференциях и симпозиумах и опубликованы в 5 рецензируемых научных журналах.
Публикации.
По теме работы опубликовано 9 работ в рецензируемых академических и зарубежных журналах и 1 в электронной библиотеке SPIE Proceeding, сделано 24 доклада на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах:
- Международный симпозиум стран СНГ "Атмосферная радиация"
(МСАР-2006), 27-30 июня 2006 г., г. Санкт-Петербург
Всероссийская конференция "Развитие системы мониторинга состава атмосферы (РСМСА), 16-18.10.2007
Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics XIV International Symposium, June 24-30, 2007, Buryatiya
Международный симпозиум "Физика атмосферы: наука и образование", Санкт-Петербург, 2007
EGU General Assembly, Vienna, Austria, 13-18April, 2008
XV International symposium. Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics. June 22-28, 2008, Krasnoyarsk
EMS Annual Meeting, Amsterdam, Netherlands, 29 Sept.-03 Oct. 2008
EGU General Assembly, Vienna, Austria, 20-24 April, 2009
Международный симпозиум по атмосферной радиации и динамике стран СНГ МСАРД 2009, 22-26 июня 2009г., г. Санкт-Петербург
5th International Symposium on Non-C02 Greenhouse Gases (NCGG-5) Science, Reduction Policy and Implementation. Wageningen, The Netherlands June 30 - July 3, 2009
EGU General Assembly, Vienna, Austria, 2010
EGU General Assembly, Vienna, Austria, 3-8 April 2011
Международный Симпозиум Атмосферная Радиация и Динамика (МСАРД-2011), Санкт-Петербург, 21-24 июня 2011 г
11th European Meteorological Society (EMS) Annual Meeting/lOth European Conference on Applications of Meteorology (ECAM), Berlin, Germany, 12-16 September 2011
EGU General Assembly, Vienna, Austria, 22-27 April 2012
Личный вклад автора
Автором проделан большой объем работы по систематизации, обработке и анализу экспериментальных данных, полученных в Лаборатории атмосферной спектроскопии в период 1970 - 2011 гг. Предложен и применен метод «скользящего среднего» для вычисления усредненного «модельного» регионального фона с учетом случаев дальнего переноса и влияния городских эмиссий, что позволило уточнить величину городской части содержания СО. Несколькими способами и для различных сезонов получены оценки трендов содержания СО для Москвы и ЗНС.
Выполнено сопоставление методик обработки спектроскопических измерений полного содержания СО в толще атмосферы, проведенных в разные годы, по 10 годам одновременного использования (2002-2011 гг.).
Проведена систематизация суточных ходов содержания СО в Москве. С использованием данных акустического зондирования исследована зависимость содержания СО в городе от параметров атмосферного пограничного слоя. Для уточнения получения величин городской добавки в общее содержание были проведены модельные расчеты спектров пропускания атмосферы в области 2152-2161 см"1 для различных видов вертикального профиля окиси углерода.
Выполнено комплексное исследование экстремальных загрязнений воздушного бассейна во время природных пожаров 2010 г., сформулированы исходные данные для последующих модельных расчетов.
Объем и структура работы
Спутниковое зондирование состава атмосферы
Как отмечалось во введении, методы измерений состава атмосферы условно делятся на два типа, локальные и интегральные. В настоящее время изучение загрязнения городского воздуха многими газами, в том числе и СО, а также фоновые наблюдения ведутся в основном с помощью определения локального содержания примесей. Относительная сложность данного подхода к определению городского загрязнения состоит в необходимости измерений в большом количестве наблюдательных пунктов, для того чтобы избежать влияния отдельных локальных источников примеси и получить характеристики воздущного бассейна в целом.
Впервые содержание окиси углерода в толще атмосферы было измерено Дж. Шоу (J.H. Show) в 1952 г. по спектрам поглощения атмосферой солнечного излучения в области 4,7 мкм, линия R(3) основной полосы поглощения СО. Им же, а также Л. Гольдбергом была предложена методика определения содержания атмосферных газов но эквивалентной ширине сильных линий поглощения, получившая впоследствии название методики Шоу, или Гольдберга-Шоу [25]. Этот метод претерпел с развитием спектроскопии естественные многочисленные модернизации и усовершенствования. В частности метод получил дальнейшее развитие в нашей стране в Лаборатории атмосферной спектроскопии Института Физики атмосферы (ИФА АН СССР) в 60-70 гг. прошлого века. В 1970 г. В.И. Диановым-Клоковым и Л.Н. Юргановым были проведены спектроскопические измерения общего содержания сначала окиси углерода а затем метана с использованием усовершенствованной методики Гольдберга-Шоу [14]. Для этого в ИФА был разработан дифракционный спектрометр среднего разрешения, и с этого момента ведет начало измерительный ряд данных об общем содержании СО на ЗНС и в ИФА, теперь уже ИФА им. A.M. Обухова РАН. При обработке спектров начали учитываться линии поглощения других газов (в особенности Н20), линии поглощения которых присутствуют в указанном спектральном интервале. Впоследствии этими же учеными, а также Е.В. Фокеевой и Е.И. Гречко, было предложено еще одно усовершенствование методики, с учетом особенностей городского вертикального профиля СО, содержание Н20 при этом определяется одновременно с содержанием СО, по сильной изолированной линии поглощения Н20, присутствующей в записываемом спектральном интервале [26]. Подобные спектроскопические комплексы и методики измерений используются в настоящее время в Санкт-Петербурге (Петергоф, НИИФ физического факультета СПбГУ), Обнинске (Калужская обл., НПО «Тайфун») на фоновых станциях и пунктах наблюдений ИФА РАН Шатжатмас (Северный Кавказ) и Зотино (Красноярский край) Иссык-Куль (станция Росгидромета). Впоследствии, интервале). Эти методики обработки в настоящее время широко применяются в спектроскопических спутниковых и наземных измерениях общего содержания окиси углерода и многих других атмосферных газов с использованием в качестве источника Солнца или с применением этих современных методик, охватывает относительно недавний период, как правило, с начала 2000-х годов. По этой причине эти данные не очень представительны для анализа долговременных тенденций СО. Тем не менее, считается установленным факт сокращения общего запаса окиси углерода в атмосфере в глобальном масштабе [10,33], что объясняется сокращением антропогенных эмиссий. Еще одно возможное объяснение этого снижения - увеличение стока на гидроксил ОН, связанное с возрастанием среднегодовой температуры, и, как следствие, с увеличением скорости реакции с гидроксилом.
Использование Фурье-спектрометров высокого разрещения ( 0,1 см-1) для определения общего содержания примесей в городских условиях не нашло в настоящее время широкого применения по причине сложности и дороговизны аппаратуры. Так, для измерений содержания атмосферных примесей в нашей стране с недавнего времени работают только два Фурье-спектрометра высокого разрешения, один - на станции Санкт-Петербургского Государственного Университета (Петергоф, 30 км к западу от Санкт-Петербурга, НИИФ физического факультета СПбГУ, координаты 59,88N и 29,83 Е) и другой - на станции фурье-спектроскопии Уральского Государственного Университета в Свердловской обл, в 80 км к северо-западу от Екатеринбурга, 57,038 N и 59,545 Е. Оба этих города не являются крупными мегаполисами и данные измерений зависят от направления ветра а измерения содержания атмосферных примесей в частности СО носят пока еще эпизодический характер. Кроме того, подобные измерительные комплексы расположены на станциях мИРОВОЙ сети глобального мониторинга атмосферы
Усредненный («модельный») сезонный ход фонового содержания на ЗНС и анализ временных тенденций
Для расчета переноса примеси от источников пожаров 2010 г. использовалось трех доменное покрытие с 4-кратным приближением, при этом домены имели разрешение 50 км, 12,5 км, 3,125 км, соответственно (см. рис.1, 2 и 3). Размерность доменов была следующей: 100x100x30, 42x42x30 и 30x30x30, соответственно. Первый домен покрывал практически всю европейскую часть России, второй домен покрывал основную зону пожаров вблизи мегаполиса, третий домен охватывал территория мегаполиса Москва в границах 2010 г. Расчеты производились в полярной стереографической проекции. По времени расчет производился с переменным шагом при начальной инициализации 90 сек. В модели адвекция рассчитывалась при аппроксимации во втором порядке по времени. Весь расчет по модели производился на период 01.06.2010-01.09.2010.
В модели используется az система координат, в которой верхний слой является плоским, а нижний повторяет контуры топографии рельефа, т.е. а =я- - - (7) zg - высота местности над уровнем моря [87]. При расчетах в вертикальном направлении 30 слоев располагались в az системе координат неравномерно от новерхности земли до высоты 20 км. Нижние слои имели коэффициент увеличения высоты слоя равный 1.15, при этом из 30 первые 11 слоев были до высоты 2 км. Для определения начальных и граничных метеорологических условий использовались поля реанализа DS090.0 (NCEP/NCAR Global Reanalysis Products) с разрешением 2.5x2.5 с сервера NCAR/NCEP (National Center for Environmental Predictions, http://dss.ucar.edu/datasets) с 6 часовым временным разрешением. В данном конкретном случае ноля DS083.2 (NCEP FNL Operational Model Global Tropospheric Analyses) с разрешением 1.0x1.0 не использовалиеь, так как для одного из доменов отсутствовали значения на верхних уровнях. Для проведения расчетов с «плохими», или неполными метеорологическими полями необходимо проводить либо снижение верхней модельной границы до высот 12-15 км, либо заполнение пропущенных значений экстраполированными величинами. Такие допущения требуют специального дополнительного рассмотрения.
Основные параметры модели, использованные в данной работе, приведены ниже. Топография в доменах была использована с разрешением 30 секунд (GTOPO30). Так как высоты на пути следования шлейфов не превышали 300 метров, при расчетах ограничились применением схемы усредненной орографии. Для оценок потоков с поверхности тепла и водяного пара использовалась подмодель LEAF3 учитывающая тип почвы, снежное покрытие, классы растительности и т.п. Число типов растительности в подмодели было равно 21, в том числе были выделены две категории застройки населенных пунктов: («Urban and built up», «Very urban»).
Как в коротковолновой, так и в длинноволновой области спектра использовалась простая радиационная модель Chen-Cotton [88], учитывающая в основном процессы коагуляции и конденсации для облачной системы. Временной шаг расчета по радиационной схеме был равен 600 секунд.
Для конвективных процессов использовалась схема Кио [89] для первого и второго домена. Для третьего домена конвективные процессы не учитывались. Напомним, что в диапазоне от 2 км до 20 км в модели RAMS отсутствует приемлемая конвективная схема, поэтому включение конвективной схемы во второй домен является отчасти условным. Временной шаг расчета по конвективной схеме был равен 1200 секунд.
Были включены параметры микрофизики, требуемые для модели. Для дождя, снега, смешанного состояния, крупы и града параметры определялись характерным диаметром. Так, диаметр дождевых капель, снежинок, смешанного состояния, крупы был задан 1x10"3 м и для града размер - 3хЮ" м.
Турбулентность атмосферы учитывалась по схеме Smagorinsky [90] в горизонтальном направлении и по схеме Mellor-Yamada 2.5 (IDIFFK l) [91,92] в вертикальном направлении.
Граничные условия вводились по схеме Klemp-Wilhelmson [93] для нормальной к поверхности границы компоненты скорости. Для остальных величин предполагается нулевой градиент внутрь рассматриваемого объема и отсутствие радиационных потерь наружу, то есть параметры подобраны так, чтобы подавить как отражение гравитационной волны от внутренней границы доменов, так и ее прохождение вне доменов. Фазовая скорость внутренних гравитационных волн была положена равной 20 м/с. На верхней границе модели вертикальная скорость ветра была равна нулю. Граничные и начальные условия рассчитывались в изоэнтропическом приближении (ISentropic ANalysis - ISAN-подмодель RAMS) с временным интервалом в 6 часов на 43 уровнях для каждого из доменов.
Дисперсионная модель Hybrid Particle And Concentration Transport (HYPACT) - модель переноса газовых и аэрозольных примесей [35]. Модель позволяет выбирать лагранжевый и эйлеровский механизм расчета выноса примесей, а так же позволяет использовать гибридный подход [94]. В работе использовался эйлеровский принцип расчета выноса примеси. Напомним, что при расчетах дисперсионная модель HYP ACT работает в паре с RAMS, и в ней используются описанные выше метеорологические поля.
Анализ дневных вариаций городской части содержании атмосферы Москвы
На рис.32 представлены результаты спутниковых и наземных измерений содержания СО, а также данные о количестве пожаров в центральных областях России. В «допожарный» период содержания невысоки и близки к фоновым величинам в этот период ( 2х10 , см. дополнительно рис.7). В этот период отмечается хорошее соответствие результатов наземных спектроскопических и орбитальных измерений MOPITT и AIRS, что позволяет сделать вывод о высокой эффективности спутникового зондирования в обычных условиях. В период активных пожаров (1.08-10.08 2010 г.) измеренные в ИФА и на ЗНС значения содержания существенно (в 2 раза и более) превышают спутниковые содержания. Среднее содержание СО за период 2.08-9.08 для ЗНС и для ИФА равны соответственно 5.43х1018 и 7.45х1018, в то время как для MOPITT и AIRS (домен 54 - 58с.ш., 36 - 38в.д. размером 3 широты долготы) соответетвенно 3.34x10 и 3.15x10 единицы измерений мол/см . L/ГОЛЬ еущественные различия в период пожаров объясняются, как было отмечено выше, низкой чувствительностью спутниковых сенсоров к повышенному содержанию примеси в приземном слое (от О до 3 км по высоте). Тем не менее, начало спада загрязнения (10-11 августа 2010 г., дни №222-223) определяется и наземными, и спутниковыми данными, рис.32 - 34.
Общее содержание окиси углерода в воздушном бассейне Московского региона по данным наземных (ИФА, ЗНС) и спутниковых (MOPITT, AIRS) измерений в период 20.07-20.08.2010. Для сравнения отдельно нанесено количество пожаров в исследуемом домене по данным MODIS.
Спутниковые измерения общего содержания, нечувствительные к приземному слою, но обладающие достаточной чувствительностью к слоям, лежащим выше 3 км, зафиксировали в 2002 г. меньшее превышение над фоном [4,33], рис.33. В этом - еще одно отличие ситуации 2010 г. от 2002 г. [20]. 11.08
На рис. 34 а,б представлены результаты измерений содержания и приземной концентрации СО в обсерватории МГУ, и на ЗНС. Сразу отметим высокие величины зафиксированных значений всех параметров в упомянутый период, максимальные среднедневные значения содержания примеси достигали 6.27x10і8 и 1.15x10і9 мол/см2 для ЗНС и ИФА соответственно, что существенно превышает фоновое содержание (ЗНС) для этого периода 1.96х1018 мол/см2, см. дополнительно рис.7, и обычные для июля-августа содержания (Москва, ИФА), лежащие в пределах 1.9x10і8 - 2.5хЮ18 мол/см2. Для сравнения, в 2002 г. максимальные значения содержания для ЗНС и Москвы (наземные измерения) составили 6.8хЮ18 мол/см2 и 6.2х1018 мол/см2 [4,20]. Возвращаясь к рис. 31 и рис. 32, можно отметить, что максимум пожаров в 2010 г. приходится на 29 июля, в то время как максимальные значения содержания и концентрации СО для Москвы и Звенигорода соответствуют периоду 4-9 августа. Это объясняется направлением и высокой скоростью перемещения воздушных масс 28 и 29 июля. В эти дни наблюдался южный перенос, шлейфы от основных источников прошли восточнее Москвы, по результатам траекторного анализа время пересечения домена (круг радиусом 400 км с г. Москва в центре) воздушными массами на высоте 100 м составило 20-24 часа, в отличие от 50-150 часов в период 1-8 августа.
Приземные концентрации в 2010 г. достигали максимальных среднечасовых значений 12.4 и 15.8 ррт для ЗНС и МГУ соответственно, при типичных летних значениях 0.1 - 0.3 ррт для ЗНС и 0.2 - 0.7 ррт для МГУ (рис.34 а,б), табл.4. Для сравнения, максимальная среднечасовая концентрация составила 8.3 ррт в 2002 г. (МГУ).
Исследования простраиственно-временного распределения торфяных пожаров. Предварительная оценка эмиссий
Основываясь на данных траекторного анализа, можно сделать следующий вывод. Наибольшее влияние на временное расположение максимумов содержания и концентрации, оказывало направление, а на величину этого максимума - скорость перемещения воздушных масс и мощность источников эмиссии. При этом в отдельных случаях нельзя исключить возможности положительной обратной связи величины концентрации и горизонтальной составляющей скорости ветра. То есть время переноса загрязненной воздушной массы от удаленного источника напрямую зависит от горизонтальной скорости ветра, в то время как конвективное перемешивание «запаздывает» с распределением примеси в более высоком слое. В то же самое время увеличение скорости ветра во время природного пожара приводит к дополнительному притоку богатого кислородом воздуха что увеличивает интенсивность процессов горения (исключая подземные торфяные пожары).
В отличие от обычных периодов (без пожаров R2 0.3-0.6, в частности R2=0.57 для летнего периода 2006 г.), коэффициент корреляции приземных концентраций и общего содержания, измеренных в разных пунктах, оказался высоким (R2 0.8-09), см. рис. 36 и таблицу 6 и 7. Высокий коэффициент корреляции между содержанием СО в Москве и на ЗНС (за исключением 6 и 9 августа) при общем высоком уровне загрязненности атмосферы свидетельствует об однотипности воздушных масс и общих источниках загрязнения, таблица 6. в Москве отмечается хорошая корреляция содержания и приземной концентрации практически при любых способах усреднения, таблица 7. Наилучший коэффициент корреляции (R2 = 0.98) получен для усреднения по периоду «1 час до начала - 1 час до окончания измерений». Высокие значения обеих измеряемых величин в разных пунктах и высокие коэффициенты корреляции свидетельствуют о преобладании эмиссий от пожаров над обычными городскими эмиссиями. На ЗНС корреляция содержания и концентрации выражена слабее и зависит от способа усреднения. Это может быть объяснено большей удаленностью пункта от источников, в связи с чем, загрязненная воздушная масса располагалась на большей высоте вследствие конвективного подъема, в частности, при прохождении воздушных масс над «островом тепла» московского мегаполиса при восточном переносе.
К««цент ация, ррт Рис.36. Корреляция содержания и приземных концентраций СО в период 20.07-20.08 2010 для городских пунктов наблюдений. Данные ряда «содержание СО Москва, ЗНС» представлены без рееультатов 6.08 и 9.08 вследствие влияния дневного хода содержания в эти дни. Концентрации представлены усредненными по периоду «1 час до начала спектроскопических измерений -1 час до окончания» значения. и(ИФА) и(AIRS) 0.63 и - среднедневные значения Таблица 7. Коэффициенты корреляции между общим содержанием СО в столбе и приземной концентрацией, измеренной в ИФА, МГУ и на ЗНС, при различных способах усреднения за период 20.07-20.08.2010. (Л - общее содержание в столбе, Q - приземная концентрация..
Параметры (пункты) R2 Споеоб усреднения и(ИФА) Q(Mry) 0.99 и- среднедневные значенияР - усреднение «1 час до начала измеренийсодержания - 1 час до окончания» и(ИФА) Q(Mry) 0.95 и - среднедневные значенияд - усредненные по интервалу 9-16 часов и(ИФА) Q(Mry) 0.70 и,Р - синхронные среднечасовые значения и(3HC) Q (ЗПС) 0.87 и - среднедневные значенияд - усреднение «2 часа до начала измеренийсодержания - 2 часа до окончания» д(Mry) Q(3HC) 0.74 Р - усредненные по интервалу 9-16 часов Примечание. Период 9-16 - обычное время наземных солнечных спектроскопических измерений.
Проведенный анализ обратных траекторий показал, что высокие значения концентраций окиси углерода в столбе и при измерениях на поверхности могут быть вызваны пожарами на торфяниках. Совместное использование космических данных по пожарам, полученных с помощью MODIS спутников Terra и Aqua, и анализа обратных траекторий позволило выделить 6 возможных зон возгорания торфяных залежей (см. рис.31, sl-s6 на вставке).
В целом вблизи Москвы торфяные пожары в 2002 и 2010 гг. определяются не только пожарами в средней торфяно-болотной области (Мещера), но и торфяными пожарами в Тверской области (150-200 км к северу от Москвы). Общая характеристика торфяников Центра Европейской территории России приводится в [116]. Так как в настоящей работе обсуждается в основном ситуация 2010 г, а 2002 г упоминается для сравнения, следует отметить, что пожары в Тверской области не повлияли летом 2010 г. на уровень загрязнения Московского региона вследствие преобладания южного и восточного переноса.
На космическом снимке темные квадраты соответствуют поверхности торфа, который добывается промышленным образом. Дополнительно отмечена линия вертикального разреза торфяного месторождения. В верхней части рис.37 представлен высотный профиль болота. На рисунке горизонтальной линией отмечен преднолагаемый уровень болотных вод (УБВ) (по данным MERIS-210, GlobCover-2009). Отметим, что торфяник s-1 образован верховым болотом, обычно заполняемым талыми водами и дождевыми осадками [116].
Использование детальных снимков местности, предоставляемых сервисом GoogleEarth, позволило выяснить структуру торфодобычи и особенности дренажных систем. Отметим, что только области si, s4 и s5 являются в чистом виде торфодобычей и имеют участки затопленного торфа, участки, где торф непосредственно добывается (правильные квадраты черного цвета), а также дренажные системы (линия между квадратами торфодобычи на рис.37). Отметим, что области si, s4 и s5, по данным Envisat/MERIS-2009, являются регулярно затапливаемыми. Все это свидетельствует о том, что основной причиной возгорания торфяников является понижение уровня грунтовых вод и соответственно высыхание болот в экстремально засушливых условиях 2002 и 2010 гг.
Возгорание торфа происходит при температуре порядка 275С, при этом нагревание новерхности торфа должно быть не менее 20 мин., а температура последующего горения в разных стадиях может колебаться в пределах от 256 - 277С до 411 -438С [117]. Средняя температура пожаров в 2010 г. на торфяниках не превышала 70С (при осреднении по пикселю). Температура достигла своего максимального значения 227С в конце июля, 29.07.2010. После 29.07.2010 наблюдалось резкое увеличение количества пожаров на торфяниках. На рис.38 представлена средняя и максимальная радиационная мощность пожаров (FRP, Fire Radiative Power) на торфяниках. Отметим, что средние значения FRP на торфяниках невелики, 29.07.2010 значения FRP достигли своего максимума равного 2421.6 мегаватт. В этот же день отмечался и максимум общего количества пожаров по данным Terra и Aciua. Локальные максимумы FRP достигались 10.08.2010 и 12.08.2010. 2400 -, MOOIS/Твіта FRP средн.
Вернемся к рис 31, на котором приведено общее количество пожаров и количество пожаров на торфяниках, зарегистрированных в исследуемом домене спутниками Terra и Aqua для 2002 и 2010 годов. Отметим сильные вариации спутниковых данных MODIS/Aqua. Причиной этого, возможно, являются неоптимальные условия проведения спутниковых измерений, обусловленные наличием большого количества взвешенных в воздухе аэрозолей, а также разное время проведения спутниковых измерений. Хорошо видно, что общее количество пожаров на торфяниках в 2002 г., по сравнению с 2010 г., было заметно меньше (см. дополнительно табл.3).
Дополнительно было проведено сопоставление количества очагов пожаров на торфяниках с общим количеством пожаров в 2002 и 2010 гг., определенных по методике Burned Areas (продукт MCD45 MODIS) [59], рис.39. Методика Burned Areas сильно занижает количество очагов пожаров на торфяниках, по сравнению с Active Fire. В частности. Burned Areas не позволила зарегистрировать очаги торфяных пожаров. происходивших на границе Московской и Рязанской областей в начале июля в 2010 году. Причиной этого, возможно, является тот факт, что участки сгоревшего леса в RGB (Red,Green,Blue) диапазоне выглядят приблизительно так же, как выходы торфа на поверхность.
