Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Источники и механизмы формирования пылевого аэрозоля в атмосфере центральной Азии 14
1.1 Краткая характеристика физико-географических и климатических условий Монголии 14
1.2 Тропосферно-стратосферный обмен 21
1.3 Климатология пыльных бурь в Центральной Азии 26
1.4 Источники и химический состав атмосферных аэрозолей в Центральной Азии 31
ГЛАВА 2 Особенности атмосферной циркуляции и приземного температурного режима в центральной Азии 37
2.1 Исследование метеорологических и турбулентных характеристик в атмосфере пустыни Гоби 37
2.2 Поведение метеорологических параметров во время пыльных бурь в Восточной Гоби 43
2.3 Особенности циркуляции и перенос воздушных масс в атмосфере Центральной Азии 49
2.4 Исследование вертикальной неоднородности структуры атмосферы пустыни Гоби 56
ГЛАВА 3 Пространственно-временная изменчивость газовых и аэрозольных примесей в атмосфере пустыни гоби 63
3.1 Исследование повторяемости и продолжительности пыльных бурь в атмосфере Восточной Гоби 63
3.2 Массовая концентрация мелкодисперсных фракций аэрозоля РМю и PM2j5 в атмосфере пустыни Гоби 66
3.3 Экспериментальные исследования малых газовых примесей в атмосфере пустыни Гоби з
Заключение 97
Список литературы
- Тропосферно-стратосферный обмен
- Источники и химический состав атмосферных аэрозолей в Центральной Азии
- Особенности циркуляции и перенос воздушных масс в атмосфере Центральной Азии
- Массовая концентрация мелкодисперсных фракций аэрозоля РМю и PM2j5 в атмосфере пустыни Гоби
Тропосферно-стратосферный обмен
Монголия расположена в центральной части Азиатского континента. Средняя абсолютная высота Монголии составляет 1580 м. Отдельные вершины гор достигают 4000-4600 м, а самые низко расположенные участки не опускаются ниже 500 м над уровнем моря. Высокое расположение Монголии, значительная удаленность от океанов и морей, сложность орографических условий являются основными физико-географическими факторами, определяющими особенности циркуляции атмосферы и, следовательно, климат Монголии.
В Монголии резко континентальный и сухой климат. Зима суровая (средняя температура от - 25С до -35С), самый холодный месяц - январь. Улан-Батор -одна из самых холодных зимних столиц мира. Лето сухое и жаркое (от 25С до 40С), самый теплый месяц - июль. На северо-западе страны осадков выпадает 250-510 мм, в Улан-Баторе - 230-250 мм, в пустыне Гоби еще меньше 70-150 мм. Пустыня Гоби занимает почти треть страны, всю южную половину Монголии и часть Китая. Восточная Гоби - равнина, лежащая на высоте в среднем 1000 метров, является самым резко континентальным местом на планете [5].
Практически со всех сторон Монголия опоясана высокими горными хребтами, что мешает проникновению на её территорию влажного воздуха Атлантики и Тихого океана. Это и обеспечивает сухость воздуха и высокую прозрачность.
Атмосферная циркуляция над Монголией имеет ряд особенностей, которые возникают под влиянием весьма разнообразных физико-географических условий. Север страны по своим природным условиям является продолжением восточносибирских ландшафтов, запад и центральная часть страны гористые, восток территории представляет собой всхолмленную равнину, а крайняя южная часть занята пустыней Гоби.
Разнообразие рельефа Монголии приводит к неравномерному распределению температуры воздуха над разными участками земной поверхности, что способствует развитию местной циркуляции. К формам местной циркуляции на территории Монголии можно отнести горно -долинные ветры, фены и озерные бризы [21].
В Монголии, как и в любой горной стране, горно-долинная циркуляция довольно хорошо развита, особенно в западной и центральной частях страны. Режим горно-долинных ветров четко проявляется в периоды, когда над Монголией устанавливается азиатский антициклон или располагаются размытые барические области повышенного давления. Чаще всего это происходит зимой или осенью, из-за прохождения фронтальных разделов и частой смены погоды местные ветры ослабевают, и режим горно-долинной циркуляции нарушается. Горные ветры обычно у земной поверхности на территории Монголии не превышают 3-5 м/с.
Следует заметить, что зимой и осенью в долинах котловинного типа антициклонический режим характеризуется часто полным отсутствием ветра от поверхности Земли до высоты 1,5-2 км, а выше этого слоя наблюдается ветер, обусловленный макросиноптическим процессом. Штили у поверхности Земли способствуют застою холодного воздуха в котловинах. В другое время года режим горно-долинной циркуляции в котловинах усложняется неравномерностью нагревания склонов котловины, и в них наблюдается сложный характер распределения ветров. Однако, как правило, в течение суток в таких котловинах происходит вращение ветра по часовой стрелке. Такой режим ветра хорошо прослеживается в Улан-Баторской котловине [22].
Развитие фенов находится в тесной зависимости от микросиноптических процессов. На территории Монголии фены развиваются на многих станциях и наблюдаются при различных направлениях ветра, но чаще всего при ветрах юго западной и западной четвертей. Хорошо выражены фены на станциях Ковдо, Юсун-Булак, Цэцэрлик, где они особенно отчетливо проявляются в холодное полугодие при западных вторжениях. Фены сопровождаются ясным небом, резким повышением температуры воздуха, уменьшением относительной влажности и усилением ветра. При переваливании вторгающейся воздушной массы фены вызывают кратковременное улучшение погоды и маскируют предстоящее наступление плохой погоды. Продолжительность действия фенов на территории Монголии невелика, от нескольких часов до одних, максимум двух суток.
Большое значение для климата Монголии имеют фронтальные процессы, связанные с вторжением арктических воздушных масс. Холодные фронты, подходя к горным хребтам, охватывающим территорию Монголии с северо-запада, задерживаются на некоторое время, а после переваливания активность их изменяется. В зимнее время, когда фронты смещаются в сторону высокого давления, они нередко становятся малоподвижными и располагаются вдоль северных хребтов Монголии. Если холодные фронты проникают на территорию Монголии и проходят над холодной подстилающей поверхностью в сухом и устойчиво стратифицированном воздухе, то они плохо выражены облачностью и осадками. Снегопады если и наблюдаются, то только в горных районах на наветренных склонах горных хребтов. В теплое время года, при прогретой подстилающей поверхности, холодные фронты проявляются достаточно ярко.
Рассматривая физико-географические условия Монголии, нельзя не остановиться на котловине Больших озер, расположенной на западе и окруженной со всех сторон горными хребтами. Эта котловина имеет единственный узкий выход восток-юго-восток в сторону Гобийской пустыни. В холодное время года котловина становится резервуаром очень холодного воздуха. Наземные станции, расположенные на севере и северо-западе котловины, нередко в зимний период отмечают температуру ниже -55 и даже -60. Холодные фронты, проходя над котловиной, не разрушают пленку выхоложенного воздуха; поэтому данные метеорологических станций, расположенных в котловине, часто оказываются непоказательными, а фронт замаскирован. При выходе юго-западных циклонов создаются большие барические градиенты и вдоль этой котловины в сторону выхода дуют очень сильные, шквалистые северо-западные ветры.
Существенное значение для циркуляции атмосферы над Монголией имеют горные хребты Алтай, Танну-Ола, Саяны, окружающие территорию Монголии с запада и северо-запада, а также хребты Монгольского и Гобийского Алтая, проходящие вдоль юго-западной границы Монголии. Горные хребты оказывают большое влияние на эволюцию барических образований и на перемещение атмосферных фронтов.
Хребет Монгольский Алтай является конечной преградой для проникновения теплых воздушных масс тропического происхождения на территорию Монголии с юго-запада. Под влиянием этого хребта циклоны, образующиеся над Западным Китаем на тихоокеанской ветви фронта умеренных широт, отклоняются к юго-востоку в сторону общего понижения хребта и выходят на Монголию в районе Даланзадгада. В редких случаях наблюдается переваливание циклонов через Монгольский Алтай и проникновение их в центральные районы страны. В процессе переваливания циклон перед хребтом заполняется и восстанавливается на подветренной стороне перед Хангайским хребтом. В таких случаях на наветренной стороне Хангайского хребта наблюдаются обильные осадки (район Юсун-Булака и Баян-Хонгора). Перевалившие циклоны в дальнейшем огибают Хангайский хребет и выходят на центральную часть Монголии. Однако по мере смещения к северо-востоку циклоны могут вызвать осадки в районе Хэнтэйского хребта. Выход юго-западных циклонов на Монголию происходит, как правило, в теплое время года.
Источники и химический состав атмосферных аэрозолей в Центральной Азии
Атмосфера является наиболее быстрым и прямым каналом доставки загрязнений от источников выбросов. Перенос загрязняющих веществ в аридных регионах становится даже более эффективным из-за отсутствия или малого количества облаков и атмосферных осадков над такими районами. Поэтому вредные примеси, попадающие в атмосферу, могут переноситься на большие расстояния, в том числе из промышленно развитых соседних регионов [1].
Метеорологические условия оказывают существенное влияние на перенос и рассеивание вредных примесей, поступающих в атмосферу [7].
Одним из важных этапов оценки степени загрязнения приземного слоя атмосферы является исследование метеорологических характеристик в приземном слое атмосферы. Наиболее важной климатической переменной, часто используемой как индикатор состояния и изменения климата, является температура воздуха у поверхности земли [9].
Для анализа метеорологических параметров обработаны ежедневные фондовые данные за 22 года (1991-2012 гг.) на ст. Сайншанд [13].
Особенностью температурного режима пустыни Гоби являются большие суточные и годовые амплитуды, например, весной, в марте-апреле, суточные амплитуды варьируются от 35-40С. Средняя многолетняя годовая амплитуда за период 1991-2012 гг. на ст. Сайншанд составила 50,8С (рисунок. 2.1). Анализ многолетних изменений среднегодовой температуры воздуха показал, что за 18-летний период (1991-2008 гг.) температура воздуха увеличилась на 1,6С на ст. Сайншанд, при этом скорость роста температуры составила 0,09С. Рисунок 2.1. Годовой ход среднемесячной температуры воздуха на ст. Сайншанд (1991-2012 гг.).
Режим температуры воздуха является одним из наиболее изменчивых в пространстве и во времени метеорологических параметров. В среднем за год температура воздуха на станции положительная (5,9 С). Минимальное значение температуры наблюдалось в среднем в январе (-15,9 С), максимальное в июле (25 С) в 2004г., в 2005 г. минимум составил в феврале (-17,7 С), максимум в августе (35 С). Произошел сдвиг максимума и минимума на месяц, и температура зимой понизилась на 2 С, а летом повысилась почти на 10 С.
Дневная относительная влажность в известной мере характеризует возможности испарения. В годовом ходе относительной влажности воздуха отмечается максимальное значение в декабре 73,3 % и минимальное в апреле 36,3 %.
В целях получения более полной и взаимосвязанной картины изменчивости метеорологических полей проанализированы ежедневные круглосуточные измерения турбулентных характеристик атмосферы в июне-июле 2005-2009 гг. в пустыне Гоби (ст. Сайншанд и ст. Баруун-Урт), полученные в ходе научной экспедиции с помощью автономного ультразвукового метеорологического комплекса АМК-03. Для измерения мгновенных значений основных метеорологических параметров атмосферы: температуры воздуха, скорости и направления горизонтального ветра, скорости вертикального ветра, относительной влажности воздуха, атмосферного давления использовался автономный метеорологический комплекс «АМК-03», технические характеристики приведены в таблице 2.1 [2, 3]. Комплекс выдает в компьютер мгновенные значения скорости ветра (по трем взаимно перпендикулярным направлениям) и температуры воздуха, которые дополнительно подвергаются математической обработке с последующим автоматическим вычислением до 60 статистических и турбулентных параметров атмосферы.
Преимущества метеорологического комплекса: 1) автоматические непрерывные (круглосуточные) измерения без участия оператора; 2) применение ультразвукового метода измерения температуры и скорости ветра и вследствие этого малая инерционность измерений (не более 10" сек); 3) высокая чувствительность к турбулентным изменениям указанных метеорологических параметров; 4) отсутствие влияния солнечной радиации на результаты измерений; 5) возможность измерений в любых реальных погодных условиях, в том числе при выпадении атмосферных осадков; 6) автоматическое определение стандартных параметров атмосферной турбулентности.
На рисунках 2.2 и 2.3 представлен суточный ход вертикального потока тепла и коэффициента турбулентного обмена. Установлено, что в дневные часы имеет место довольно значительный вертикальный турбулентный поток тепла Нтах=230 Вт/м2 в 2005-2006 г., в 2007 г. Нтах=165 Вт/м2 (ст. Сайншанд на высоте 4 м), на ст. Баруун-Урт Нтах=174 Вт/м2 в 2006 г., в 2007 г. Нтах=293 Вт/м2 в нижнем приземном слое атмосферы. Вертикальный поток тепла направлен вверх от подстилающей поверхности в дневное время, что не позволяет легким примесям оседать на поверхность, т.к. температура воздуха в эти часы ниже температуры подстилающей поверхности. В ночное время имеет место противоположно направленный теплообмен, однако величина его крайне мала, как на ст. Сайншанд, так и на ст. Баруун-Урт (рисунок 2.2) [15, 24, 43].
Особенности циркуляции и перенос воздушных масс в атмосфере Центральной Азии
Основным очагом азиатских пыльных бурь являются пустыни Центральной Азии, в том числе пустыня Гоби Монголии. Эпизоды пыльных бурь находятся под влиянием синоптической циркуляции регионального и глобального масштабов через их воздействия на приземные ветры и приземные условия, включая растительность, покрытия снега и влажность почвы [41, 62].
Для исследования повторяемости и продолжительности пыльных бурь в Восточной Гоби проведен анализ ежедневных фондовых данных погодных явлений на ст. Сайншанд (44 54 N; 110 07 Е) за 22 года (1991-2012 гг.) и на ст. Замын-Ууд (43 44 N; 111 54 Е) за 21 год (1991-2011 гг.). Установлено увеличение количества дней с пыльными бурями с 1991 по 2006 гг. в 3 раза (рисунок 3.1) и их продолжительности с 2003 по 2007 гг. в 40 раз на ст. Сайншанд. Наибольшая продолжительность пыльных бурь 573 часа наблюдалась в 2007 году [16].
Отмечено, что в последние годы с 2004 г. прослеживается увеличение количества дней с пыльными бурями в осенние и зимние месяцы, чего ранее не наблюдалось. Так, например, пыльные бури в декабре 1997 г. наблюдались в течение 1 дня, в сентябре 2004 г. - 6 дней, а в ноябре и декабре 2009 г. - по 7 дней. В таблице 3.1 представлено количество дней с пыльными бурями в осенние и зимние месяцы с 1991-2009 гг. на ст. Сайншанд. 18 16 14 12
Согласно данным, продолжительность пыльных бурь в 2003 г. на ст. Сайншанд составила 14 ч 34 мин с максимальным значением в ноябре (5 ч), в 2004 г. - 84 ч 33 мин с максимумом в мае 23 ч. 25 мин, то в 2005 г. продолжительность пыльных бурь увеличилась на порядок по сравнению с 2003 г.
На рисунке 3.2 показан суточный ход повторяемости пыльных бурь. Наибольшая повторяемость наблюдается в дневные и вечерние часы. Максимум соответствует интервалу 15-18 часов местного времени, что составляет 23,3%, максимальная продолжительность пыльных бурь наблюдается в дневное время с 12-15 часов. В дневное время нагрев земной поверхности вызывает ветер и нестабильные условия воздуха, а в ночное время напротив. Максимальное количество дней с пыльными бурями наблюдается весной, и второй максимум повторяемости возникает осенью в пустыне Гоби, Монголия. 25 н о о ф к Q. О
Суточный ход повторяемости пыльных бурь на ст. Сайншанд На рисунке 3.3 приведено для сравнения годовое изменение количества дней с пыльными бурями на станциях Сайншанд и Замын-Ууд. Как видно из рисунка, количество дней с пыльными бурями на ст. Замын-Ууд в среднем превышает в 3 раза количество дней с пыльными бурями на ст. Сайншанд.
Увеличение общей загрязненности атмосферы и связанные с этим глобальные изменения климата Земли [4] вызывают повышенный интерес к атмосферным аэрозолям или твердым частицам (РМ). Особенно большое внимание уделяется исследованиям мелкодисперсного аэрозоля РМ10 и РМ25 вследствие относительно долгой продолжительности их жизни в атмосфере и переноса на дальние расстояния. Кроме того, мелкодисперсный аэрозоль представляет основную долю аэрозольных частиц, содержащихся в пылевых выносах во время пыльных бурь. Поэтому контроль содержания взвешенных частиц фракций РМ10 и РМ2 5 является важным звеном в системе мониторинга пылевого аэрозоля [50, 51, 61, 80, 82, 84].
Для стран-участниц Европейской секции ВОЗ по содержанию в нем РМю были установлены следующие стандарты качества атмосферного воздуха: средняя за 24 часа концентрация РМю не должна превышать уровня 50 мкг/м , более чем 35 раз в год, среднегодовая - не должна превышать порога в 40 мкг/м , а концентрация РМ2 5не должна превышать 25 мкг/м в среднем за 24 часа [48]. Для исследования содержания взвешенных частиц в атмосфере аридных территорий Монголии проанализированы ежедневные фондовые данные массовой концентрации РМ10 (частицы размером менее 10 мкм) и РМ2з (частицы размером менее 2,5 мкм) за 2008-2012 гг. на ст. Сайншанд, ст. Замын-Ууд и ст. Даланзадгад [17].
Измерения взвешенных частиц на данных станциях мониторинга проводятся с 2007 г. по международной программе KOSA Monitor с помощью пробоотборника серии ТОА - DKK Со. производства Японии. Прибор работает в непрерывном режиме отбора проб по методу светорассеяния. Во входном отверстии пробоотборника установлен импактор для фракционного разделения частиц пробы с диаметрами РМю и PM2j5- Массовая концентрация взвешенных частиц определяется через каждые 3 часа при постоянном объемном расходе воздуха, равном 16,7 л/мин через фильтрующую ленту [75].
На рисунке 3.5 представлен годовой ход массовой концентрации РМ10 и РМ25 на ст. Сайншанд. Измерения на ст. Сайншанд проводятся в здании Гидрометцентра, находящегося на расстоянии 3 км от населенного пункта и антропогенных источников. Среднегодовая концентрация мелкодисперсного аэрозоля на ст. Сайншанд в среднем невысокая, не превышает 17 мкг/м для пыли фракции РМю и 7 мкг/м для пыли фракции РМ25. Максимальные значения среднемесячных концентраций РМ10 и РМ2 5 наблюдаются в весенний и зимний периоды в связи с высокой повторяемостью пыльных бурь и антропогенной нагрузкой. Максимальные значения среднемесячных концентраций в годовом ходе наблюдаются в мае, составляют 51 мкг/м (РМю) и 20 мкг/м (РМ25). В дни с устойчивой, маловетреной погодой средние массовые концентрации РМю и РМ2 5 изменяются в пределах 8-11 мкг/м (РМю) и 3 - 5 мкг/м (РМ2 5). Но при пыльных бурях максимальные значения концентраций превышают 1780 мкг/м (РМю) и 380 мкг/м3 (РМ25), что в 28 раз (РМю) и в 15 раз (РМ25) превышают предельно-допустимые концентрации, принятых в Европейском Союзе (ЕС) [18].
Массовая концентрация мелкодисперсных фракций аэрозоля РМю и PM2j5 в атмосфере пустыни Гоби
Выявлен особый режим поведения приземного озона в течение суток в атмосфере аридных территорий в условиях повышенной солнечной инсоляции. В суточном ходе концентрации 03 идет постепенное возрастание с восходом Солнца до 9-10 часов утра, затем озон мало меняется во времени в течение всего светового дня. Наблюдается небольшое понижение уровней Оз после захода Солнца и быстрое его восстановление к полуночи, в отдельные дни до дневных уровней. Минимальные значения в суточном ходе наблюдались перед восходом Солнца. Повышенные дневные концентрации приземного озона и небольшие пульсации в течение всего светового дня связаны с фотохимической активностью, которая оказывает основное влияние на поведение озона в районе с. Сайншанд, удаленной от антропогенных источников. Увеличение наблюдавшихся ночных концентраций приземного озона в среднем до значений 131 мкг/м , в основном, связаны со стратосферно-тропосферном вторжением при повышенной турбулентной активности атмосферы. Также ночью наблюдалось повышение концентрации озона во время смены воздушных масс, приводящих к усилению атмосферной турбулентности.
Проанализированы метеорологические и турбулентные режимы для ст. Сайншанд за июль 2008 г. Установлены количественные связи приземной концентрации озона с метеорологическими параметрами (температурой, влажностью). Проявляется сильная связь от влажности воздуха, резкое увеличение уровня озона до максимальных в течение нескольких часов после кратковременных дождей и грозы, очень редких явлений в пустыне. Коэффициент корреляции между среднечасовыми приземными концентрациями озона, диоксида азота с температурой и влажностью воздуха составил в среднем 0,9.
На рисунке 3.25 представлен суточный ход концентраций озона, диоксида азота и коэффициента турбулентного обмена. Отмечена высокая корреляционная связь указанных величин: K03,NO2 = 0,90, коздь = 0,89, KNO2,KII = 0,86.
Анализ изменения уровней приземных концентраций озона и диоксида азота в зависимости от синоптических ситуаций в районе ст. Сайншанд показал, что довольно резкие изменения в поведении газовых примесей связаны со сменой воздушных масс, усилением турбулентной активности атмосферы, сильно зависят от направления ветра. Отмечено значительное повышение концентрации приземного озона и диоксида азота при южном и юго-восточном направлении ветра, из-за возможного переноса атмосферных примесей из загрязненных областей Китая. Также отмечен рост концентраций примесей при юго-западном направлении ветра, но зависимость менее слабая. Так, например, 25 июля при юго-восточном направлении ветра наблюдался резкий рост концентрации озона от 120 до 190 мкг/м3.
В период прохождения пыльных бурь отмечены высокие концентрации не только пылевого аэрозоля, но и концентраций газовых примесей. Из рисунка 3.26 видно, что при прохождении холодного фронта (13.08.2009 г.) короткопериодные увеличения концентрации озона могут достигать значений до 160 мкг/м за счет развитой конвекции в зонах холодного фронта и переноса воздуха с вышележащих слоев атмосферы с более высоким содержанием озона.
Временной ход температуры воздуха Т, горизонтальной (v) и вертикальной компонент (w) скорости ветра, компоненты скорости ветра по данным измерений: а) - 13.08.2009 г.; б) - 16.08.2009 г.
Эти результаты подтверждаются результатами построения обратных траекторий с использованием траекторной модели HYSPLIT, а также спутниковыми данными GOME - 2 (рисунок 3.27). http://auc.dfd.dlr.de/GOME NRT/profL.NORSY nrt.html. Jul 24, 2008 China
Отсутствие осадков, повышенный нагрев подстилающей земной поверхности и вертикальные конвективные потоки в течение длительного периода времени способствуют накоплению атмосферных примесей в приземном слое атмосферы, усилению дневного обмена приземного слоя с вышележащими слоями и фотохимической генерации озона, что приводит к высоким дневным концентрациям озона.
Похожие диссертации на «Пространственно-временная изменчивость концентрации аэрозолей фракции РМ10 и РМ2.5 в атмосфере аридных территорий (на примере пустыни Гоби)»
