Схемы прогноза экстремально-высоких уровней загрязнения воздуха методом графической регрессии для городов Уральского региона (Соликамск, Губаха, Березники, Екатеринбург) с заблаговременностью одни сутки

В ГУ «Пермский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» разработаны схемы прогноза экстремально-высоких уровней загрязнения воздуха методом графической регрессии для городов Уральского региона (гг. Соликамск, Губаха, Березники, Екатеринбург) с заблаговременностью одни сутки (ответственный исполнитель, руководитель группы прогноза неблагоприятных метеорологических условий Т.В. Костарева).


Общие сведения

В воздушный бассейн городов с выбросами промышленных предприятий и автотранспорта за год поступают миллионы тонн различных вредных веществ. В зависимости от количества выбросов, их периодичности, параметров источников, метеорологических условий, определяющих перенос, рассеивание выбросов и вымывание их атмосферными осадками, и многих других факторов формируется уровень загрязнения атмосферы.

Уровень загрязнения атмосферного воздуха в городах, наряду с объемами выбросов стационарных и передвижных источников, в значительной мере определяется метеорологическими условиями. В периоды, когда метеорологические условия способствуют накоплению вредных веществ в приземном слое атмосферы, концентрации примесей могут существенно возрастать при обычных объемах выбросов и даже достигать значений, соответствующих критериям высокого загрязнения (ВЗ) и экстремально высокого загрязнения (ЭВЗ). Работы по прогнозу загрязнения воздуха в городах и регулированию выбросов при неблагоприятных метеорологических условиях (НМУ) играют важную роль для обеспечения чистоты атмосферы. Развитие таких работ позволяет улучшить состояние воздушного бассейна в городе в короткое время без существенных затрат и усилий.

В последние годы много внимания уделяется вопросу прогноза экстремально высоких уровней загрязнения воздуха (ЭВУЗВ), представляющих наибольшую опасность для здоровья людей и окружающей среды. Указанная задача представляет особый интерес для нашего региона, где расположено много городов с развитой промышленностью, много предприятий, выбрасывающих в атмосферу вредные вещества. В наиболее неблагоприятные дни загрязнение воздуха может достигать катастрофического уровня. Уральский регион – крупнейший регион России, имеющий целый ряд промышленных предприятий. Особенности региона заключаются в ориентации его промышленности на использование уральского металла, нефти и газа. Мы живем в регионе, в котором ряд городов относится к городам с высоким уровнем загрязнения воздуха. В последние годы значительно чаще в городе наблюдаются смоговые ситуации - экстремально высокие уровни загрязнения воздуха. С такими уровнями связаны наиболее неблагоприятные для населения и окружающей среды эпизоды. Поэтому, чтобы в периоды неблагоприятных для рассеивания вредных веществ метеорологических условий не допускать возникновения высокого уровня загрязнения в атмосферном воздухе, необходимо заблаговременное прогнозирование таких условий для своевременного сокращения выбросов вредных веществ в атмосферу. Прогнозы высоких уровней загрязнения атмосферного воздуха являются основанием для регулирования выбросов промышленных предприятий, в соответствии с положением Федерального закона от 4 мая 1999 года № 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха» (статья 19), распоряжением Губернатора Пермской области от 21 июня 2004 года № 3360р «О порядке проведения работ по регулированию выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух в периоды неблагоприятных метеорологических условий», а также согласно РД 52.04.52-85 «Регулирование выбросов при неблагоприятных условиях» [3]. В настоящее время в системе Росгидромета разработан целый ряд методов прогноза загрязнения атмосферного воздуха [2,4,5]. Однако они дают только общие методические подходы, и не могут быть непосредственно использованы для прогнозов НМУ для конкретного населенного пункта, поскольку распространение примесей в значительной степени зависит от целого ряда местных специфических условий. Для каждого конкретного населенного пункта необходимо составлять свою схему прогноза ЭВУЗВ. Схемы разрабатываются отдельно по сезонам года.

Целью этой работы было:
1. Провести анализ состояния воздушного бассейна в городах Пермского края.
2. Показать связь между высокими значениями концентраций примесей и высокими значениями параметра Р (интегрального показателя загрязнения воздуха) в городах региона в дни с экстремально высоким уровнем загрязнения воздуха.
3. Определить синоптические условия, способствующие формированию экстремально высокого уровня загрязнения воздуха в городах Уральского региона.
4. Разработать схемы прогноза ЭВУЗВ методом графической регрессии для городов Березники, Соликамск, Губаха и Екатеринбург.

При решении поставленных задач были использованы следующие материалы:
1. Ежедневные данные постов о концентрациях в воздухе вредных веществ в городах Березники, Соликамск, Губаха, Екатеринбург за 2000-2005 годы.
2. Карты погоды архива ГУ «Пермский ЦГМС» за 2000–2005 годы.


Анализ состояния воздушного бассейна в городах Уральского региона

Для оценки уровня загрязнения атмосферы в городах России создана сеть постов общегосударственной службы наблюдений и контроля над загрязнением атмосферы (ОГСНКА). На них определяется содержание в атмосфере различных вредных веществ [9]. Наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха на территории Пермского края проводятся в Перми – на 7-ми постах; в Березниках – на 4-х; в Соликамске – на 5-ти; в Краснокамске, Лысьве – на 1-м посту; в Губахе – на 2-х постах. Определяются основные загрязняющие вещества (пыль, оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, сернистый газ), а также специфические загрязняющие вещества, определённые приоритетными списками городов. Количественной оценкой уровня загрязнения воздуха является значение концентрации примеси q, измеряемой в мг/м3. Результаты измерений концентраций вредных веществ обрабатываются далее с использованием единой автоматизированной системы обработки информации о загрязнении атмосферы (АСОИЗА) и ежегодно обобщаются. Основная информация о загрязнении атмосферы городов вредными примесями представлена в «Ежегодниках состояния загрязнения атмосферы в городах на территории России», в которых для оценки уровня загрязнения используются следующие статистические характеристики: средняя за год концентрация примеси qср, ее изменчивость , максимальная разовая концентрация qм и др. Критерием оценки качества воздуха служат разработанные Минздравом значения предельно допустимых концентраций (ПДК), под которыми понимают такие их значения, при которых загрязнение атмосферы не оказывает на человека ни прямого, ни косвенного воздействия. В настоящее время ПДК разработаны более чем для 400 различных вредных веществ. Риск здоровью населения связывают с уровнем загрязнения воздуха выше ПДК. При концентрациях, значительно выше допустимых, заметно прослеживаются неблагоприятные симптомы у больных астмой и болезнями дыхательных путей, ощущается действие на слизистые оболочки глаз, носоглотку, возникает сухость в горле, кашель, хрипота, тяжелые головные боли, общая усталость, головокружение и бессонница. В городах с очень высоким уровнем загрязнения можно ожидать и более тяжелые последствия для здоровья [2].

За последние годы по данным Ежегодников [6] количество городов с высоким и очень высоким уровнем загрязнения атмосферы снизилось со 145 в 2003 г. до 136 в 2008 г. Количество городов Приоритетного списка с наиболее высоким уровнем загрязнения атмосферы в 2008 г. снизилось до 30. Несмотря на это, в городах Уральского региона уровень загрязнения воздуха остается высоким и очень высоким. В городе Перми наибольший вклад в выбросы загрязняющих веществ вносят предприятия химической, нефтехимической и топливной промышленности. На протяжении последних пяти лет прослеживается тенденция небольшого снижения валового выброса загрязняющих веществ от стационарных источников с 44 до 36 тыс. т. Всего же в атмосферу 397-ю предприятиями города Перми выбрасывается 457 загрязняющих веществ из 11448 источников Основными загрязняющими веществами в городе являются ЛОС (летучие органические соединения), сернистый ангидрид, оксид углерода и оксиды азота. Летучие органические соединения – самая крупная группа загрязняющих веществ различных классов опасности, представленных в структуре выбросов городов Уральского региона. Органические вещества, входящие в эту группу объединены, по способности вступать в фотохимические реакции в атмосфере с образованием озона и других окислителей. К ЛОС относятся формальдегид, бензол, ксилол, толуол, фенол, этилбензол, бензин и т. д. За пятилетний период 2004–2008 гг. возросли средние за год концентрации в городе Перми взвешенных веществ, фторида водорода и бенз(а)пирена, в городе Екатеринбурге — аммиака, формальдегида, диоксида и оксида азота, в городе Березники — фенола и аммика, в Губахе — диоксида азота, в Соликамске — бензола и этилбензола. Среднегодовые концентрации отдельных примесей превышают ПДК во всех городах Пермского края. По данным Ежегодника за 2008 год [6] в городе Перми средняя за год концентрация формальдегида составляет 3 ПДК, фторида водорода — 1,4 ПДК, бенз(а)пирена — 2,6 ПДК. В Березниках отмечаются среднегодовые превышения ПДК шестью примесями (диоксида азота, аммиака, фенола, взвешенных веществ, этилбензола и бенз(а)пирена), в Губахе превышение ПДК отмечается по двум примесям (формальдегидом и бенз(а)пиреном), в Соликамске среднегодовые концентрации формальдегида, бенз(а)пирена и этилбензола превышают ПДК. В г. Екатеринбурге средняя за год концентрация формальдегида составляет 5 ПДК, аммиака — выше 1 ПДК, диоксида азота — 2 ПДК, бенз(а)пирена — 1,6 ПДК.

Максимальные значения концентраций примесей, превышающие в 10 раз максимально разовые ПДК, в 2007-2008 году наблюдались во всех городах Пермского края, а также в большинстве городов Уральского региона (таблица 1).

Число жителей, многократно испытывающих воздействие такого высокого загрязнения воздуха, составляет более 5 млн. человек.

Ежегодно определяются города с самым высоким уровнем загрязнения воздуха. Критерием отбора служит комплексный показатель индекс загрязнения атмосферы (ИЗА), показывающий во сколько раз суммарный уровень загрязнения воздуха в городе пятью веществами превышает ПДК двуокиси серы [7]. В приоритетный список включаются города со значением ИЗА более 14,0.

Приоритетный список 2007 г. включает 37 городов с общим числом жителей в них 14,8 млн. человек, приоритетный список 2008 г. включает 30 городов с общим числом жителей в них 11,2 млн. человек. В этот список включены города с очень высоким уровнем загрязнения воздуха, для которых интегральный индекс загрязнения атмосферы равен или выше 14,0. Почти во всех этих городах очень высокий уровень связан со значительными концентрациями бенз(а)пирена, формальдегида, диоксида азота, взвешенных веществ, фенола. В Приоритетный список вошли 10 городов с предприятиями цветной и черной металлургии, 6 городов с предприятиями химии и нефтехимии. Во многих городах определяющий вклад в загрязнение воздуха вносят предприятия ТЭК.

По данным за 2007 год города Пермь, Соликамск, Екатеринбург входят в Приоритетный список городов с очень высоким уровнем загрязнения воздуха в России, за 2008 год — город Екатеринбург. Характерной особенностью загрязнения воздуха в таких городах являются высокие концентрации специфических вредных веществ. В Перми такими веществами являются формальдегид, бенз(а)пирен, фтористый водород, в Екатеринбурге - формальдегид, бенз(а)пирен, диоксид азота и аммиак, в Соликамске - формальдегид, бенз(а)пирен, этилбензол. Важно отметить, что во всех городах с очень высоким средним уровнем загрязнения наблюдаются также и максимальные концентрации более 10 ПДК одного из веществ (см. таблицу 1). Такие ситуации особенно опасны для здоровья жителей. По данным Ежегодника за 2008 год [6] в городах Березники и Губаха уровень загрязнения воздуха высокий. В г. Березники, несмотря на незначительное уменьшение валового выброса загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников за последние годы, выбросы от автотранспорта существенно увеличились. За последние пять лет в городе уменьшились выбросы сернистого ангидрида и диоксида азота, по остальным веществам (взвешенные вещества, оксид углерода, ЛОС) выбросы увеличились. В динамике 5-летнего ряда комплексного показателя ИЗА5, определяемого по загрязняющим веществам, вносящим наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха, отмечается тенденция к повышению от 5,04 до 10,5 ед.

В г. Губаха в последние годы отмечается уменьшение среднегодовых концентраций по диоксиду азота, оксиду азота, фенолу, аммиаку. На одном уровне остаются среднегодовые концентрации оксида углерода, сероводорода, формальдегида. Увеличились среднегодовые концентрации диоксида серы, бензапирена, хрома. Несмотря на то, что по некоторым веществам среднегодовые концентрации в городе уменьшились, валовый выброс вредных веществ в атмосферу с 2000 года вырос в 2,5 раза и продолжает увеличиваться. С 2002 года ИЗА5 в городе остается высоким.

Таким образом, несмотря на то, что по некоторым веществам идет уменьшение средних концентраций и небольшое снижение валового выброса в г. Перми и г. Березники от стационарных источников, уровень загрязнения во всех городах Уральского региона остается высокий и очень высокий (о чем свидетельствует комплексный показатель ИЗА5). Более того, даже сегодня по таким ингредиентам, как формальдегид, бенз(а)пирен, сернистый ангидрид идет увеличение концентраций в атмосфере, а валовый выброс в городах Губаха и Соликамск вырос по сравнению с 2000 годом почти в 2,5 раза.

Выполненный анализ состояния воздушного бассейна городов Пермского края ещё раз показывает, что необходимы новые усилия по защите атмосферного воздуха в городах Уральского региона от загрязнения промышленными предприятиями и автотранспортом. Одним из основных мероприятий по защите атмосферы городов от загрязнения и является прогноз ЭВУЗВ.


Анализ экстремальных случаев загрязнения воздуха в городах Уральского региона

При анализе синоптических процессов, при которых формируется экстремально высокий уровень загрязнения воздуха, были использованы материалы наблюдений за концентрациями примесей в городах Пермь, Березники, Соликамск, Губаха и Екатеринбург, а также карты погоды архива ГУ «Пермский ЦГМС» за летний и зимний периоды шести лет (2000-2005 гг.). Был рассчитан параметр Р по всем примесям. Предварительно рассчитывались среднесезонные значения концентраций для каждого стационарного пункта по отдельным примесям.

Для расчета параметра Р в г. Пермь использовались данные семи стационарных постов, наблюдения на которых проводятся три раза в сутки за тринадцатью примесями (пыль, сернистый газ, сульфаты, оксид углерода, диоксид азота, оксид азота, сероводород, фенол, фторид водорода, хлор, соляная кислота, аммиак, формальдегид). В г. Соликамске ежедневные значения параметра Р рассчитывались по данным пяти постов о концентрациях в воздухе вредных веществ: пыли, диоксида серы, оксида углерода, диоксида азота, сероводорода, хлора, соляной кислоты, аммиака, формальдегида, сульфатов. В г. Березники параметр Р рассчитывался по данным четырех постов о концентрациях в воздухе вредных веществ: пыли, диоксида серы, оксида углерода, диоксида азота, сероводорода, сероуглерода, фенола, хлора, соляной кислоты, аммиака. В г. Губаха - по данным двух постов о концентрациях в воздухе вредных веществ: пыли, диоксида серы, оксида углерода, оксида и диоксида азота, сероводорода, фенола, формальдегида, аммиака.

Для выделения случаев ЭВУЗВ используется интегральный показатель загрязнения воздуха в городе – параметр Р, который является частотной характеристикой и представляет собой отношение числа существенно повышенных концентраций примесей в воздухе, измеренных в течение дня, к общему числу измерений в течение этого же дня. В качестве ЭВУЗВ принимается 2% случаев с наиболее высокими уровнями загрязнения (наибольшими значениями параметра Р). Обычно к ним отнесены дни с Р 0,5 или с Р 0,45 не менее двух дней подряд.

По всему ряду наблюдений в каждом городе Уральского региона были выбраны случаи с наибольшими значениями параметра Р. В г. Березники для летнего и зимнего периодов это дни со значением параметра Р 0,42. В г. Соликамске для летнего периода это дни со значением параметра Р 0,38, для зимнего периода - Р 0,40. В г. Екатеринбурге для летнего периода это дни со значением параметра Р 0,40, для зимнего периода - Р 0,60. В г. Перми для летнего периода это дни со значением параметра Р 0,42, для зимнего - Р 0,45. В г. Губаха для летнего периода это дни со значением параметра Р 0,45, для зимнего периода - Р 0,50.

В городе Перми в дни с экстремально высоким уровнем загрязнения воздуха на всех постах НЗАВ города отмечались концентрации различных примесей, превышающие ПДК в 1-8 раз. Превышение концентраций примесей над 1,5q среднесезонными (используется при расчете ежедневного значения обобщенного интегрального показателя загрязнения воздуха) в теплый период составило от 1 до 10,5 раз, зимний - в 2-13 раз. В отдельные дни превышение концентраций вредных примесей над 1,5q среднесезонными было в 25-65 раз (таблицы 2 и 3).

В городе Соликамске в дни с экстремально высоким уровнем загрязнения воздуха на всех постах НЗАВ города отмечались концентрации различных примесей, превышающие ПДК в зимний период 1-3 раза, в летний — в 1-5 раз, в отдельные дни в 6-10 раз. Превышение концентраций примесей над 1,5q среднесезонными в теплый период составило от 1 до 5 раз, в отдельные дни в 16-26 раз, зимний - в 1-7 раз, в отдельные дни в 16 раз (таблицы 4 и 5).

В городе Березники в дни с экстремально высоким уровнем загрязнения воздуха на всех постах НЗАВ города отмечались концентрации различных примесей, превышающие ПДК в зимний период 1-4 раза, в летний — в 1-5 раз. Превышение концентраций примесей над 1,5q среднесезонными в теплый период составило от 1 до 5 раз, в отдельные дни в 6-10 раз, зимний - в 1-7 раз, в отдельные дни в 8-13 раз (таблицы 6 и 7).

В городе Екатеринбурге в дни с экстремально высоким уровнем загрязнения воздуха на всех постах НЗАВ города отмечались концентрации различных примесей, превышающие ПДК в зимний период 1-5 раз, в летний — в 1-4 раза. Превышение концентраций примесей над 1,5q среднесезонными в теплый период составило от 1 до 3 раз, в отдельные дни в 9 раз, зимний - в 1-5 раз, в отдельные дни в 6-9 раз (таблицы 8 и 9).

Таким образом, в дни с ЭВУЗВ во всех рассматриваемых городах на одном или нескольких постах НЗАВ сразу по нескольким примесям, превышение допустимых концентраций в 1 раз составляет 100% как в зимний, так и в летний периоды. Повторяемость дней с концентрацией примесей 1ПДК q 3ПДК составляет в зимний период от 90 до 100%, в летний — от 55 до 100 %. Повторяемость дней с концентрацией примесей 3ПДК q 5ПДК составляет в зимний период от 13 до 48%, в летний — от 9 до 40 %. Повторяемость дней с концентрацией примеси превышающих 5ПДК составляет от 4 до 26%. Повторяемость случаев превышения ПДК по градациям во всех городах представлена в сводной таблице 10.

Проведенный анализ убедительно продемонстрировал, что в дни с высокими значениями параметра Р (что соответствует экстремально высокому уровню загрязнения воздуха) на всех постах НЗАВ в городах региона отмечаются концентрации примесей превышающих ПДК в 1-5 раз. Таким образом, параметр Р достоверно характеризует уровень загрязнения воздуха в городах.

При анализе наиболее опасных эпизодов загрязнения воздуха основной интерес представляют случаи, когда значительное увеличение концентраций вредных веществ в воздухе имеет место одновременно в разных городах. Известные катастрофические эпизоды характеризовались формированием ЭВУЗВ одновременно на всей территории Уральского региона.

Был проведен сравнительный анализ значений параметра Р в дни с ЭВУЗВ в каждом городе отдельно для летнего и зимнего сезонов. Для этого в конкретном городе выписывались значения параметра Р в дни с ЭВУЗВ и сравнивались со значениями параметра Р в эти же дни в других городах. В г. Перми в зимний период отмечалось 23 случая ЭВУЗВ. В 18 случаях в одном или в нескольких городах также отмечался ЭВУЗВ, что составляет 78% от всех случаев. Высокий уровень загрязнения отмечался в 21 случае (91%), повышенный - в 23 случаях (совпадение 100%).

В летний период из 11 случаев ЭВУЗВ, отмечавшихся в г. Перми, в 8 случаях ЭВУЗВ отмечался в других городах региона, что составляет 73% от всех случаев. Высокий уровень загрязнения отмечался в 9 случаях (82%), повышенный во всех 11 случаях (100%) (таблица 11).

В г. Березники в зимний период отмечалось 9 случаев ЭВУЗВ. В 7 случаях в одном или в нескольких городах региона также отмечался ЭВУЗВ, что составило 78%, высокое загрязнение отмечалось в 9 случаях (100%). В летний период в г. Березники отмечалось 10 случаев ЭВУЗВ. В 3 случаях ЭВУЗВ отмечался в одном или нескольких городах региона (30%), высокий уровень загрязнения воздуха - в 6 случаях (60%), повышенный в 10 случаях из 10 (100%) (таблица 12).

В г. Соликамске в зимний период отмечалось 8 случаев экстремально высокого загрязнения воздуха. В 6 случаях в одном или в нескольких городах региона также отмечался экстремально высокий уровень загрязнения воздуха, что составило 75% совпадений, высокий уровень загрязнения отмечался в 7 случаях, совпадение 88%, повышенный - в 8 случаях (совпадение 100%).

В летний период отмечалось 14 случаев экстремально высокого загрязнения воздуха. В 6 случаях в одном или нескольких городах также отмечался экстремально высокий уровень загрязнения воздуха, что составило 43% от всех случаев, относительно высокий уровень - в 12 случаях из 14 (86%), повышенный уровень загрязнения отмечался в 14 случаях из 14 (совпадение 100%) (таблица 13).

Таким образом, в городах Уральского региона в 88% - 100% случаев одновременно отмечается высокий и экстремально высокий уровень загрязнения воздуха. В Пермском крае предупреждениями о НМУ обслуживаются более 20 городов и населенных пунктов. Наблюдения за концентрациями примесей ведутся лишь в четырех городах. Результаты и выводы, полученные в данной главе, дают возможность передавать предупреждения 2 и 3 группы мероприятий в города края с большим числом предприятий, не имеющих постов наблюдения за концентрациями примесей.


Синоптические условия формирования экстремально высоких уровней загрязнения воздуха в городах Пермского края

В работе «Разработка схем прогноза ЭВУЗВ для города Перми» были выявлены синоптические ситуации, при которых формируется экстремально высокий уровень загрязнения воздуха в городах Пермского края - это центр антициклона и малоградиентное поле, как для зимнего, так и для летнего сезона. Дополнительно для зимнего сезона – малоградиентная северо-западная периферия Сибирского антициклона (гребень Сибирского антициклона).

За зимний период всего было рассмотрено и проанализировано 426 случаев. Отмечалось:

- двадцать случаев ЭВУЗВ, из них в девяти случаях над районом располагался центр стационарного антициклона (рисунки 1 и 2)


Рис. 1.
Синоптическая ситуация «Стационарный антициклон», приземное поле




Рис. 2.
Синоптическая ситуация «Стационарный антициклон», АТ-700 гПа

- восемь случаев в малоградиентной северо-западной части гребня Сибирского антициклона (рисунки 3 и 4)


Рис. 3.
Синоптическая ситуация «Малоградиентная северо-западная часть гребня Сибирского антициклона», приземное поле




Рис. 4.
Синоптическая ситуация «Малоградиентная северо-западная часть гребня Сибирского антициклона»,
АТ–700 гПа

- три случая в малоградиентном поле (рисунки 5 и 6)


Рис. 5.
Синоптическая ситуация «Малоградиентное поле», приземное поле




Рис. 6.
Синоптическая ситуация «Малоградиентное поле», АТ-700 гПа

За летний период было проанализировано 429 случаев. Экстремально высокий уровень загрязнения воздуха отмечался одиннадцать раз, из них:

- шесть случаев ЭВУЗВ в малоградиентном поле (рисунки 7 и 8)


Рис. 7.
Синоптическая ситуация «Малоградиентное поле», приземное поле




Рис. 8.
Синоптическая ситуация «Малоградиентное поле, АТ-700 гПа

- пять случаев в центре антициклона (рисунки 9 и 10)


Рис. 9.
Синоптическая ситуация «Центр антициклона», приземное поле




Рис. 10.
Синоптическая ситуация «Центр антициклона», АТ-700 гПа

При выявленных ситуациях наблюдались и пониженные уровни загрязнения. Для выявления особенностей возникновения ЭВУЗВ в одних случаях и отсутствия в других, был проведен анализ всех случаев. Были установлены различия в близких ситуациях при ЭВУЗВ и при пониженных уровнях.


Типизация синоптических процессов, способствующих формированию ЭВУЗВ на территории Пермского края

По Пермскому краю типизация синоптических процессов, способствующих накоплению вредных примесей в атмосфере, проведена впервые.

Анализ выполнялся по приземным и высотным картам за 00 часов всемирного скоординированного времени (ВСВ) за шестилетний период (2000-2005 гг.). Были прослежены и изучены траектории барических образований, вычислены скорости их движения, по АТ 500гПа (АТ 700гПа) учтены местоположение и ориентация ложбин и гребней. Термические условия проанализированы по картам АТ 850 гПа и ОТ 500/1000. Каждый тип был выделен с учетом географического происхождения и траекторий движения барических образований. Подтипы были выделены с учетом скорости ведущего потока по картам АТ 700 гПа или АТ 500 гПа и термического поля над районом, а также длительности нахождения барического образования над рассматриваемым районом.

Классификация синоптической ситуации «центр антициклона»

В течение 2000-2005 гг. ситуация «центр антициклона» за летний период наблюдалась 31 раз, за зимний период – 18. Центр антициклона, как зимой, так и летом, в целом, является благоприятной для накопления вредных веществ в атмосфере. Обычно зимой антициклоны более мощные и длительные по времени, летом – менее интенсивные. При данной ситуации был зафиксирован различный уровень загрязнения воздуха. В летний период в трех случаях отмечался ЭВУЗВ (0,42-0,52), в восьми случаях – высокий (0,32-0,37), в одиннадцати случаях – повышенный (0,21-0,30) и в девяти случаях – пониженный ( 0,20).

Для летнего периода были выделены три типа синоптической ситуации «центр антициклона»:
1. Смещение антициклона с северо-западных районов ЕТР на территорию Пермского края.
2. Ультрополярное вторжение в тыловую часть циклона.
3. Смещение антициклона с юго-западных районов ЕТР на территорию Пермского края (распространение гребня Азорского антициклона на территорию Пермского края и формирование самостоятельного антициклона). В первом типе выявлены два подтипа (1А и 1Б).

Подтип характеризуется пониженным уровнем загрязнения воздуха (Р 0,20), за рассматриваемый период отмечался четыре раза (31.08.00, 21, 24.07.03, 21.08.04). Обычно, при этом подтипе антициклон, сформировавшийся над Скандинавией, со скоростью 30-40 км/час смещается по тыловой части высотной ложбины или по восточной периферии высотного гребня на юг, юго-восток. При этом над Западной Сибирью активной циклонической деятельности не отмечается. Высотный центр на картах барической топографии не прослеживается. Центр антициклона в течение суток смещается по территории края (рисунки 11 и 12). Над рассматриваемым районом отмечается очаг холода или его периферия, температура в слое 500/1000 ниже 7 градусов.


Рис. 11.
Подтип 1А: приземное барическое поле




Рис. 12.
Подтип 1А: высотное барическое поле

Подтип характеризуется повышенным и высоким уровнем загрязнения воздуха, за рассматриваемый период отмечался шесть раз (10-13/07.01, 26, 27/07.01). Как и при подтипе 1А, антициклон смещается с северо-западных районов ЕТР по тыловой части высотной ложбины или по восточной периферии высотного гребня на юг, юго-восток. Отличием от подтипа 1А является то, что приближаясь к территории Пермского края, антициклон замедляет скорость, начинает стационировать и усиливаться (рисунки 13 и 14).


Рис. 13.
Подтип 1Б: приземное барическое поле




Рис. 14.
Подтип 1Б: высотное барическое поле

Дальнейшему смещению антициклона на юго-восток препятствуют довольно мощные циклоны, расположенные над Западной Сибирью. Приземный и высотный центры антициклона раположены близко друг к другу, обычно высотный расположен чуть юго-западнее по отношению к приземному. Центр антициклона находится над Пермским краем, как правило, от двух до четырех суток. Уровень загрязнения воздуха в эти дни постепенно повышается, но значений ЭВУЗ не достигает. На карте ОТ500/1000 над рассматриваемым районом в первые сутки отмечается очаг холода или периферия очага холода, температура в слое ниже 3 градусов. В последующие дни при стационировании антициклон прогревается, над районом прослеживается периферия очага тепла, температура в слое достигает 8,5 градусов.

Во втором типе «Ультрополярное вторжение в тыловую часть циклона» выделено три подтипа (2А, 2Б и 2В).

Подтип характеризуется пониженным уровнем загрязнения воздуха, отмечался пять раз (7, 8, 12/07, 23/08.00г, 28/08.04г). В тыловой части циклона, смещающегося по территории Пермского края, в связи с затоком холодного воздуха с северо - востока формируется область высокого давления, очерченная одной изобарой (рисунки 15 и 16). На карте АТ 500гПа потоки восточные, северо-восточные слабые. Давление в центре антициклона не превышает значений 1010гПа - 1015гПа. На карте ОТ500/1000 отмечается очаг холода или периферия очага холода, температура в слое ниже 4,5 градусов.


Рис. 15.
Подтип 2А: приземное барическое поле




Рис. 16.
Подтип 2А: высотное барическое поле

Подтип характеризуется повышенным и высоким уровнем загрязнения воздуха, отмечался восемь раз (15, 16, 17, 18/07. 00г, 27/07, 30/06 02г. 5, 6/07.04г.). В тыловую часть циклонов, смещающихся с запада на восток по территории края, распространяется арктический антициклон (ультраполярное вторжение), формируется гребень или малоградиентное поле, и далее область высокого давления, очерченная одной изобарой (рисунки 17 и 18).


Рис. 17.
Подтип 2Б: приземное барическое поле




Рис. 18.
Подтип 2Б: высотное барическое поле

В дальнейшем, в связи с продолжающейся адвекцией холода в вышележащих слоях начинается значительный рост давления у поверхности земли, формируется мощный высокий антициклон, вытянувшийся в меридиональном направлении (от Новой Земли до Каспийского моря). Над территорией Пермского края он располагается несколько дней (до 4 суток). За это время воздушная масса постепенно прогревается, и температура в слое 500/1000 становится равной или более 9 градусов. Над районом формируется очаг тепла. В дальнейшем антициклон смещается на север.

Подтип 2В характеризуется высоким уровнем загрязнения воздуха, отмечался три раза — 15, 16, 17/07.04 г. В тыловой части, медленно смещающегося заполняющегося циклона, формируется сначала малоградиентное поле, а затем и центр антициклона за счет слабого роста давления у земли (рисунки 19 и 20).


Рис. 19.
Подтип 2В: приземное барическое поле




Рис. 20.
Подтип 2В: высотное барическое поле

Центр антициклона прослеживается до высот 500, 700 гПа и выше. Западнее и восточнее высотного центра антициклона потоки меридиональные. Над рассматриваемой территорией расположен очаг тепла, температура в слое 500/1000 обычно выше 9 градусов.

Третий тип синоптической ситуации характеризуется высоким и экстремально высоким уровнем загрязнения воздуха, отмечался шесть раз (3, 4, 5, 6, 7/07.02 г., 7/08.03 г.). В тыловую часть заключительного циклона, смещающегося с юго-западных районов ЕТР по территории края на север Западной Сибири, распространяется гребень Азорского антициклона. Сначала над Центральной Россией формируется центр антициклона, который по ведущим потокам медленно смещается на территорию Пермского края (рисунки 21 и 22), где начинает стационировать и усиливаться, расширяясь по площади. На высотах отмечается малоградиентное поле повышенного давления, периферия очага тепла или очаг тепла. Температура в слое 500/1000 более 7 градусов. В течение трех - четырех суток он находится над территорией края, затем медленно разрушается и смещается на север.


Рис. 21.
Тип 3: приземное барическое поле




Рис. 22.
Тип 3: высотное барическое поле

Таким образом, в летний период ЭВУЗВ отмечается только при третьем типе.

В зимний период при синоптической ситуации «центр антициклона» в основном отмечается высокий и экстремально высокий уровень загрязнения воздуха. ЭВУЗВ (0,44-0,57) отмечался девять раз, высокий уровень загрязнения (0,36-0,40) – четыре раза, повышенный (0,26-0,33) - два раза и пониженный ( 0,20) - три раза.

Зимой большого разнообразия в местообразовании и смещении антициклонов, как в летний период, не отмечается. Почти все синоптические процессы связаны с распространением Сибирского антициклона на территорию Пермского края. Основные различия связаны с барическим полем на высотах 3,5 и 5 км, а также термическим полем над рассматриваемым районом.

Для зимнего периода выделены два типа синоптической ситуации «центр антициклона»:
1. Смещение антициклона с районов Ханты - Мансийска на территорию Пермского края.
2. Формирование антициклона в тылу циклонов, смещающихся с западных районов ЕТР по территории Пермского края.

В первом типе выделено три подтипа (1А, 1Б, 1В).

Подтип характеризуется пониженным уровнем загрязнения воздуха, отмечался два раза (26, 27/01.05 г.). Обширный высокий антициклон, занимающий территорию всего Урала и Западной Сибири, с центром над Ханты-Мансийском, по ведущим потокам медленно смещается со скоростью 25-30 км/час на территорию Пермского края. Дальнейшему смещению антициклона на юго-запад препятствует активная циклоническая деятельность над западными районами ЕТР и Восточной Европой. Высотный центр антициклона расположен в районе Ханты-Мансийска. Над территорией Пермского края в эти дни отмечается очаг холода, средняя температура в слое 500/1000 -20°, -21°.


Рис. 23.
Подтип 1А приземное барическое поле




Рис. 24.
Подтип 1А высотное барическое поле

Подтип отмечался 5 раз (1, 2, 5, 6, 8/12.01 г.), характеризуется высоким (1 случай) и экстремально высоким (4 случая) уровнем загрязнения воздуха. Обширный высокий антициклон с центром в районе Ханты-Мансийска, занимающий всю ЕТР, Урал и Западную Сибирь, со скоростью 20-30 км/час, смещается вместе с высотным гребнем на юго-запад. Над территорией Пермского края антициклон замедляет свою скорость и стационирует.


Рис. 25.
Подтип 1Б, приземное барическое поле




Рис. 26.
Подтип 1Б, высотное барическое поле

Приземный центр располагается по оси высотного гребня, который ориентирован меридионально. Первые двое суток ось гребня медленно разворачивается с северо-востока на северо-запад, в последующие дни - на запад. В это время приземный центр антициклона попадает в ведущие потоки тыловой части обширного высотного циклона. Над Пермским краем первые два дня отмечается периферия очага тепла, температура в слое 500/1000 – от -10° до -13°. В дальнейшем в тыловой части высотного циклона начинается адвекция холода, температура в слое 500/1000 понижается до -18°. В результате поступления свежего холодного воздуха уровень загрязнения постепенно снижается, хотя, у земли по прежнему расположен центр антициклона.

Подтип отмечался четыре раза (2, 3, 4, 5/02.05 г.), характеризуется высоким (1 случай) и экстремально высоким (3 случая) уровнем загрязнения воздуха. Обширный высокий мощный Сибирский антициклон с центром в районе Ханты-Мансийска смещается вместе с высотным центром на территорию Пермского края, где и располагается на несколько суток. Над районом отмечается очаг тепла, температура в слое 500/1000 -11°, -12°.
Во втором типе выделено два подтипа (2А, 2Б).

Подтип характеризуется повышенным и высоким уровнем загрязнения воздуха, отмечался четыре раза (9, 10/01.04г.; 4/02.03г.; 6/12.00г.). В тыловой части циклонов, смещающихся с ЕТР по территории Пермского края на Западную Сибирь, формируется центр антициклона. Обычно это происходит над западными районами России. По ведущим западным или северо-западным потокам антициклон смещается на территорию Пермского края и находится над ней не более двух суток. Термическое поле характеризуется периферией очага холода, в слое 500/1000 температура воздуха от -15° до -19°.

Подтип характеризуется экстремально высоким уровнем загрязнения воздуха, отмечался два раза (10, 11/02.03г.). Также как и при подтипе 2А, в тылу циклона формируется антициклон, который медленно смещается на территорию Пермского края и объединяется с Сибирским антициклоном. На картах барической топографии АТ700гПа и АТ 500гПа в широтном направлении расположена обширная многоцентровая область высокого давления. Приземный центр антициклона расположен в центральной части этой области. В течение двух суток антициклон располагается над территорией Пермского края, происходит его разрушение, давление в центре падает с 1060 гПа до 1040 гПа. Термическое поле над районом нейтральное. Температура в слое 500/1000 от -11° до -12°.

Из выше сказанного следует, что ЭВУЗВ в зимний период отмечается при подтипах 1Б, 1В и 2Б. Характерными особенностями наличия ЭВУЗВ при синоптической ситуации «центр антициклона» в зимний период являются:
1. Антициклон расположен над районом два дня и более (стационарный малоподвижный антициклон).
2. Параметр Р' имеет повышенное значение (Р0,20).
3. Ветер как приземный, так и градиентный - слабый (0-2м/с).
4. Наличие приземных инверсий мощностью 500-1700м и интенсивностью более 14°.
5. Температура в слое 500-1000м от -10 до -13 градусов.
6. На карте ОТ 500/1000 отмечается очаг тепла или его периферия, очень редко изотермы близки к прямолинейным.
Все вышеперечисленные метеопараметры обязательно должны быть в совокупности, а не каждый в отдельности.

Экстремально высокий уровень загрязнения воздуха при синоптической ситуации «центр антициклона» в зимний период никогда не встречается, если:
1. Центр антициклона располагается над территорией края один день или быстро смещается.
2. Отмечаются низкие значения исходного уровня загрязнения воздуха (Р'0,20).
3. На карте ОТ 500/1000 над районом располагается область холода или его периферия.
4. Температура в слое 500-1000 м ниже -13 градусов.


Классификация синоптической ситуации «северо-западная периферия Сибирского антициклона»

В летний период при синоптической ситуации «северо-западная периферия Сибирского антициклона» экстремально высокий уровень загрязнения воздуха не встречается, очень редко – высокий, в основном - пониженный и повышенный уровни загрязнения воздуха. Исходя из вышесказанного, типизация этой синоптической ситуации в летний период не проводилась.

В зимний период синоптическая ситуация «северо-западная периферия Сибирского антициклона» отмечалась 47 раз, ЭВУЗВ отмечался в восьми случаях, в четырех случаях – высокий уровень загрязнения воздуха, в семи случаях – повышенный и в 28 случаях – пониженный уровень загрязнения воздуха.

Из 47 случаев рассматриваемой синоптической ситуации, в 18 случаях отмечалась малоградиентная северо-западная периферия Сибирского антициклона.

Были выделены два типа:
1. Северо-западная периферия Сибирского антициклона с большими градиентами.
2. Малоградиентная северо-западная периферия Сибирского антициклона.

Первый тип характеризуется пониженным и повышенным уровнем загрязнения воздуха. За рассматриваемый период отмечалось 29 случаев. На приземной карте над всей Западной Сибирью, Казахстаном, частью Восточной Сибири, Уралом, вплоть до центральных районов ЕТР располагается мощный антициклон. Один из его центров находится над северным Казахстаном. На картах барической топографии АТ 700 гПа и АТ 500 гПа поле аналогично приземному полю. Территория Пермского края находится на северо-западной периферии этого мощного антициклона. Над рассматриваемым районом скорость ведущего потока составляет 10м/с и более, градиентный ветер у земли более 6м/с. На карте ОТ 500/1000 преобладает очаг тепла или его периферия. Приземные инверсии отсутствует, лишь в отдельные дни отмечаются приподнятые инверсии.

Во втором типе выделено три подтипа (2А, 2Б и 2В).

Подтип характеризуется пониженным (5 случаев) и повышенным (1 случай) уровнем загрязнения воздуха. При этом подтипе центр мощного антициклона расположен над северным Казахстаном. От него в северо-западном направлении вытянут гребень, над территорией Пермского края он малоградиентный. Ветер у земли 0 – 2 м/с, градиентный - не более 5 м/с. Высотное поле над районом характеризуется гребнем, ось его вытянута с юго-востока на северо-запад. Территория Пермского края находится в северной или северо-западной части высотного гребня. Ведущие потоки над районом – юго-западные (230° – 250°) - 10-15 м/с. Обычно отмечается приподнятая инверсия с нижней границей 0,4 км-0,6 км. Температура в слое 500/1000 - от -9° до -14°. Термическое поле над рассматриваемым районом характеризуется периферией очага тепла.

Подтип 2Б – отмечался четыре раза, характеризуется повышенным и высоким уровнем загрязнения воздуха. При этом подтипе барическое поле у земли характеризуется наличием мощного антициклона с центром над северным Казахстаном. Высотное поле аналогично приземному полю. Территория Пермского края находится в малоградиентной северо-западной части этого антициклона. Ведущие потоки над районом почти южные (190° – 210°) – 10-15 м/с. Отмечаются приземные инверсии мощностью до 1200 м. Термическое поле характеризуется периферией очага холода. Температура в слое 500/1000 от -10° до -14°.

Подтип 2В – отмечался восемь раз, характеризуется экстремально-высоким уровнем загрязнения воздуха (ЭВУЗВ). Барическое поле у земли при этом подтипе характеризуется наличием мощного антициклона с центром над северным Казахстаном. На картах АТ 700 гПа и АТ 500 гПа над территорией Урала, ЕТР и Западной Сибири располагается антициклон с центром в районе Екатеринбурга или Омска. Территория Пермского края расположена в малоградиентной северо-западной части этого антициклона. Ведущие потоки над районом юго-восточные (140° – 160°) – 2-5 м/с. Во всех случаях отмечается приземная инверсия мощностью 800м - 1200м. Отмечается очаг тепла или периферия очага тепла. Температура в слое 500/1000 от -11° до -15°.

Все восемь случаев ЭВУЗВ отмечались при втором типе (подтип 2В) синоптической ситуации «малоградиентная северо-западная периферия Сибирского антициклона».

Характерными особенностями наличия ЭВУЗВ при данной синоптической ситуации в зимний период являются:
1. Ветер у земли юго-восточный или переменный, не более двух метров в секунду.
2. Градиентный ветер – юго-восточный, южный не более 6 м/с.
3. Наличие приземных инверсий мощностью 800-1200 м и интенсивностью от2 до 14 градусов.
4. Синоптическая ситуация отмечается над районом двое суток и более.
5. Ведущие потоки - юго-восточные (140° – 160°), не более 5 м/с.

ЭВЗУВ при синоптической ситуации «северо-западная периферия Сибирского антициклона» никогда не отмечается, если:
1. Градиентный ветер более 6 м/с.
2. Отсутствует приземная инверсия.
3. Скорость ведущего потока по АТ 700гПа и АТ 500гПа - 10 м/с и более.


Классификация синоптической ситуации «малоградиентное поле»

Синоптическая ситуация «малоградиентное поле» в целом является благоприятной для накопления вредных веществ в атмосфере. При этом отмечается ряд случаев с пониженным уровнем загрязнения воздуха.

За летний период 2000-2005гг. отмечалось 70 случаев синоптической ситуации «малоградиентное поле». Выделены три типа:
1. малоградиентное поле пониженного давления (до 1017,5 гПа).
2. малоградиентное поле повышенного давления (выше 1017,5 гПа).
3. малоградиентная южная периферия арктического антициклона.


Первый тип: «малоградиентное поле пониженного давления»

Этот тип синоптической ситуации отмечался 33 раза. Характеризуется в основном повышенным (20 случаев) и пониженным (8 случаев) уровнем загрязнения воздуха, изредка относительно высоким – (5 случаев). Обычно уровень загрязнения по сравнению с предшествующим остается на прежнем уровне или даже немного понижается. Относительно высокий уровень загрязнения отмечается только при наличии очага холода или его периферии над территорией Пермского края.


Второй тип: «малоградиентное поле повышенного давления»

Эта синоптическая ситуации отмечалась 14 раз. Характеризуется повышенным (6 случаев) и относительно высоким (8 случаев) уровнем загрязнения воздуха. Данный тип синоптической ситуации формируется, когда в предшествующие несколько дней над территорией края располагался центр антициклона и он постепенно разрушался. Высокий уровень загрязнения воздуха отмечается, когда над рассматриваемым районом расположен очаг тепла или его периферия.


Третий тип: «малоградиентная южная периферия арктического антициклона»

Данная синоптическая ситуация отмечалась 20 раз (рисунки 7 и 8). Характеризуется в основном экстремально высоким (8 случаев) и высоким (9 случаев) уровнем загрязнения воздуха, очень редко - повышенным (2 случая) и пониженным (1 случай) уровнем загрязнения воздуха. Для этой синоптической ситуации характерно наличие обширного, меридионально расположенного, антициклона с центром в районе Обской Губы. Территория Пермского края находится под влиянием его малоградиентного гребня. На картах барической топографии (АТ 700гПа и АТ 500 гПа) территория края расположена по оси высотного гребня или в центре антициклона. В первый день обычно отмечается пониженный и повышенный уровень загрязнения воздуха. Над районом располагается очаг холода или его периферия, в слое 500/1000 температура воздуха 8 градусов и ниже. В последующие дни при данной синоптической ситуации отмечается относительно высокий уровень загрязнения воздуха при нейтральном термическом поле, а ЭВУЗВ при наличии очага тепла или периферии очага тепла над рассматриваемым районом. Температура в слое 500/1000 от 7,5° до 11,5°.

За зимний период 2000-2005гг. синоптическая ситуация «малоградиентное поле» наблюдалась 38 раз. Уровень загрязнения воздуха в основном был повышенным (18 случаев) и высоким (11 случаев). ЭВУЗВ отмечался три раза. В зимний период провести классификацию синоптической ситуации «малоградиентное поле» не удалось. Относительно высокий и экстремально высокий уровень загрязнения воздуха при синоптической ситуации «малоградиентное поле» отмечается, если одновременно выполняются три условия:
1. над рассматриваемым районом расположена периферия или очаг тепла.
2. ветер у земли и на высотах не более 5 м/с.
3. отмечается приземная инверсия.

Если над рассматриваемым районом расположена периферия или очаг холода в вышележащих слоях, отсутствует приземная инверсия или наблюдается приподнятая инверсия - отмечается только повышенный и пониженный уровни загрязнения воздуха.


Разработка схем прогноза ЭВУЗВ для городов Уральского региона

Решение задачи прогноза ЭВУЗВ включает два этапа. Первый из них касается анализа метеорологических, в первую очередь, синоптических условий формирования таких уровней и установления на основе этого анализа прогностических правил, что было проделано в предыдущих главах работы. С учетом характера синоптических ситуаций, особенностей развития синоптических процессов, а также инерционного фактора выше был сформулирован ряд правил для прогноза ЭВУЗВ. Правила относятся как к городу Перми, так и для всех городов Уральского региона, расположенных в зоне данной неблагоприятной ситуации. Второй этап включает разработку специальных статистических схем для данного вида прогнозов.

Для выделения случаев ЭВУЗВ используется интегральный показатель загрязнения воздуха в городе – параметр Р, который является частотной характеристикой и представляет собой отношение числа существенно повышенных концентраций примесей в воздухе, измеренных в течение дня, к общему числу измерений в течение этого же дня. В качестве ЭВУЗВ принимается 2% случаев с наиболее высокими уровнями загрязнения (наибольшими значениями параметра Р). К ним отнесены дни с Р0,5 или с Р0,45 не менее двух дней подряд. При анализе наиболее опасных эпизодов загрязнения воздуха основной интерес представляют случаи, когда значительное увеличение концентраций вредных веществ в воздухе имеет место одновременно в разных городах региона. Известные катастрофические эпизоды характеризовались формированием ЭВУЗВ одновременно на всей территории края.


Разработка схем прогноза ЭВУЗВ методом графической регрессии

о всех городах Уральского региона в 88% - 100% случаев одновременно отмечается высокий и экстремально высокий уровень загрязнения воздуха, следовательно, синоптические ситуации неблагоприятные для города Перми, являются неблагоприятными и для городов Екатеринбург, Березники, Соликамск, Губаха. Используя за основу схему прогноза ЭВУЗВ для города Перми, для четырёх городов — Соликамск, Березники, Губаха и Екатеринбург были разработаны схемы прогноза ЭВУЗВ с учетом особенностей распространения примесей в этих городах.

За период 2000-2005 годы для городов Березники, Соликамск и Губаха были подсчитаны среднесезонные значения параметра Р, а для г. Екатеринбурга взяты ежедневные оперативные значения параметра Р. Использовался не весь ряд наблюдений. Для г. Екатеринбурга для теплого периода в схемы были включены дни со значением параметра Р0,20, для холодного - Р0,30. Для городов Березники, Соликамск и Губаха в схему были включены все случаи со значением параметра Р0,20. К дням с ЭВУЗВ были отнесены дни с наибольшими значениями параметра Р (около 2% от всех случаев). В г. Екатеринбурге для летнего сезона это дни со значением параметра Р0,40, для зимнего – Р0,60. Для летнего и зимнего периодов в г. Березники - дни со значением параметра Р 0,42. В г. Соликамске для летнего периода - дни со значением параметра Р0,38, для зимнего - Р0,40. Для г. Губаха для летнего периода это дни со значением параметра Р0,43, для зимнего - Р0,45.

В схемах использовались два предиктора: синоптический предиктор Snk и показатель исходного уровня загрязнения воздуха в городе Р`. По всему ряду наблюдений были выписаны предикторы, а также все особенности, отмечавшиеся в городах региона в дни с ЭВУЗВ. Они были выявлены ранее при разработке схемы прогноза ЭВУЗВ для г. Перми. Для оценки факторов, влияющих на формирование ЭВУЗВ, была использована система баллов. Присвоение баллов (Бтс, Бпс, Бпр, Бос) проводилось аналогично Пермской схеме. Комплексная оценка степени опасности синоптической ситуации Snk складывалась из суммы баллов ее отдельных составляющих:

Snk= Бтс+Бпс+Бпр+Бос       (1)

где:
Бтс – балл текущей ситуации,
Бпс – балл предшествующей ситуации,
Бпр – балл преобразования синоптических процессов,
Бос- балл особенностей синоптических процессов.

При установлении балла текущей ситуации, все синоптические ситуации были разделены на группы в соответствии с их влиянием на создание высоких уровней загрязнения в городе. Для учета вклада синоптических ситуаций в создание ЭВУЗВ эти группы были оценены следующим образом:
группа S1 - в 4 балла,
группа S2 - в 3 балла,
группы S3 и S4 были оценены в 2 балла,
группа S5 - в 1 балл,
группа S6 - в 0 баллов.
При присвоении баллов ситуациям также была учтена типизация синоптических процессов.

К группе S1 были отнесены синоптические ситуации при которых отмечается высокий и экстремально-высокий уровень загрязнения воздуха. Зимой это стационарный антициклон (Аст.), малоградиентная северо-западная часть Сибирского гребня (МнПАСЗ), летом – стационарный антициклон (Аст.), малоградиентная южная часть арктического гребня (ГА арктич.) и малоградиентное поле повышенного давления (МПВД).

В группу S2 вошли ситуации группы S1 в первые сутки их действия.

В группу S3 зимой вошли синоптические ситуации - южная периферия циклона (ЮПЦ), восточная периферия антициклона (ПАВ), летом – почти все периферии антициклона: южная, юго-западная, восточная, западная, северо-западная (ПАЮ, ЮЗПА, ВПА, ЗПА, СЗПА), кроме северной и северо-восточной.

В группу S4 в холодный период вошли синоптические ситуации западная и северо-западная периферии антициклона (ЗПА, СЗПА), в теплый период - малоградиентное поле пониженного давления (МПНД).

В группу S5 зимой вошли восточная и северная часть циклона (ПЦВ, ПЦС), гребень (Г), центр циклона (Цн), летом – ложбина, теплый сектор циклона (ТСЦ) и северная периферия антициклона (ПАС).

К группе S6 были отнесены все остальные синоптические ситуации, не вошедшие в предыдущие типы: зимой – северная (СПА), северо-восточная (СВПА), юго-западная (ЮЗПА), южная периферии антициклона (ЮПА), тыловая часть циклона, ложбина, теплый сектор циклона; летом – северо-восточная (СВПА), юго-восточная периферии антициклона (ЮВПА), центр циклона, тыловая часть циклона, восточная (ВПЦ), северная (СПЦ), южная части циклона (ЮПЦ).

Характер связей между параметром Р и синоптическими ситуациями текущего и предшествующего дней одинаков. Поэтому балл предшествующей ситуации оценивался так же, как и текущей с коэффициентом 0,5: Бпс = 0,5Бтс. Формирование ЭВУЗВ связано с преобразованием синоптических процессов, с переходом ситуаций из одной группы в другую или с сохранением ситуации в данной группе. Преобразование групп синоптических ситуаций при прогнозе ЭВУЗВ учитывалось в соответствии с таблицами 14 и 15.

Бос включает в себя особенности синоптических процессов, с которыми связано формирование высоких уровней загрязнения воздуха. При анализе материала были выявлены особенности синоптических процессов, которые способствуют значительному увеличению уровня загрязнения воздуха в городах. В холодный период к ним относятся: приземная инверсия, очаг тепла или периферия очага тепла над городом по карте ОТ 500/1000, туман, дымка, наличие малоподвижного фронта окклюзии в окрестностях города и расположение северо-западнее города обширного глубокого циклона на расстоянии не менее 500 км. В летний период к таким особенностям относятся: приземная инверсия в сочетании с ветром 0-1м/с, туман, дымка, малоподвижный фронт окклюзии в окрестностях города. В летний период также были выявлены особенности синоптических процессов, способствующие значительному снижению уровня загрязнения воздуха в городе при неблагоприятных ситуациях, это: расположение очага холода или периферии очага холода над городом на карте ОТ 500/1000, если прогнозируется прохождение холодного фронта и температура в слое 500/1000 менее 5 градусов. Каждой из этих особенностей синоптических процессов присваивался свой балл в соответствии с таблицами 16 и 17.

Далее с использованием двух предикторов – Snk и Р' для городов Березники, Соликамск, Губаха и Екатеринбург были построены прогностические графики для зимнего и летнего периодов (рисунки 18 и 19). Вследствие высокой значимости, включение в схему указанных двух предикторов обеспечивает необходимую эффективность. По прогностическому значению Snk и рассчитанному на момент прогноза значению Р' по графикам находится ожидаемый уровень загрязнения воздуха в городе. На графиках красной линией отделена область, соответствующая ЭВУЗВ, для которого Р0,45.


Рис. 27.
Схема прогноза ЭВУЗВ, холодный период




Рис. 28.
Схема прогноза ЭВУЗВ, теплый период

Для г. Березники обеспеченность зоны, соответствующей значениям ЭВУЗВ, прогностического графика для летнего периода составляет 90%, для зимнего — 70%. При подсчете обеспеченности зон учитывались точки только со значениями параметра Р 0,42. В летний период ЭВУЗВ в городе отмечается при значениях синоптического предиктора Snk=7,5; в зимний – при Snk=9.

Для г. Соликамска обеспеченность зоны, соответствующей значениям ЭВУЗВ, прогностического графика для летнего периода составляет 92%, для зимнего — 94%. В летний и зимний периоды ЭВУЗВ в городе отмечается при значениях Snk=9,5.

Для г. Губаха обеспеченность зоны, соответствующей значениям ЭВУЗВ, прогностического графика для летнего периода составляет 88%, для зимнего — 81% . В летний период ЭВУЗВ в городе отмечается при значениях синоптического предиктора Snk=7; в зимний – при Snk=8.

Для г. Екатеринбурга обеспеченность зоны, соответствующей значениям ЭВУЗВ, прогностического графика для летнего периода составляет 93%, для зимнего — 88% В летний и зимний периоды ЭВУЗВ в городе наступает при значениях Snk=8.


Оценка эффективности схем прогноза ЭВУЗВ

Испытание разработанных схем прогноза для городов Уральского региона проводилось на зависимом материале, отдельно для зимнего и летнего периода. По методу графической регрессии оправдываемость прогнозов в г. Екатеринбурге для летнего периода составила 96%, для зимнего периода - 91%. Из 13 случаев ЭВУЗВ, отмечавшихся в г. Екатеринбурге в летний период, предсказаны были 11 случаев (85%), из 12 случаев ЭВУЗВ, отмечавшихся в зимний период, предсказаны были 11 (92%). Результаты испытаний показали, что процент оправдываемости прогнозов ЭВУЗВ и предсказуемости случаев ЭВУЗВ выше на 10 — 20% по схемам, разработанным непосредственно для города Екатеринбурга. При апробации Пермской схемы по материалам города Екатеринбурга оправдываемость прогнозов ЭВУЗВ по методу графической регрессии для летнего периода составила 79%, для зимнего периода - 75%. Предсказуемость составила для летнего периода 77%, для зимнего – 75% (таблица 20).

В г. Березники в зимний период из 9 случаев ЭВУЗВ все были предсказаны, в летний период из 10 отмечавшихся случаев предсказаны 8.
В г. Соликамске в зимний период из отмечавшихся 8 случаев ЭВУЗВ 7 случаев были предсказаны (88%), в летний период из 14 случаев предсказаны 12.
В г. Губаха в зимний период из 16 случаев ЭВУЗВ 14 случаев предсказаны (88%). В летний период из 9 отмечавшихся случаев 8 были предсказаны.

Для суждения об эффективности разработанных схем прогноза ЭВУЗВ по методу графической регрессии был рассчитан Н*— критерий Багрова. Значение критерия Багрова для схемы прогноза ЭВУЗВ по методу графической регрессии получилось равным от 0,78 до 0,84 для лета и от 0,79 до 0,99 – для зимы (Эффективной считается схема при Н*0,2). Полученные значения критерия Багрова говорят об эффективности разработанных схем. Результаты испытания прогностических схем на зависимом материале представлены в таблице 21.

Испытание схем прогноза ЭВУЗВ на зависимом материале для городов Уральского региона оказалось довольно успешным. Таким образом, можно сделать вывод о реальной возможности успешного прогнозирования ЭВУЗВ в городах региона.


Заключение

1. Несмотря на небольшое снижение валового выброса от стационарных источников, уровень загрязнения воздуха во всех городах Пермского края остается высоким и очень высоким.

2. В дни с высокими значениями параметра Р, что соответствует экстремально высокому уровню загрязнения воздуха, на всех постах НЗАВ в городах региона отмечаются концентрации примесей превышающих ПДК в 1 - 5 раз. Следовательно, параметр Р достаточно хорошо характеризует уровень загрязнения воздуха в городах.

3. В дни с ЭВУЗВ во всех рассматриваемых городах на одном или нескольких постах НЗАВ сразу по нескольким примесям, превышение допустимых концентраций в 1 раз составляет 100% как в зимний, так и в летний периоды. Повторяемость дней с концентрацией примесей 1ПДК q 3ПДК составляет в зимний период от 90 до 100%, в летний — от 55 до 100 %, с 3ПДК q 5ПДК - в зимний период от 13 до 48%, в летний — от 9 до 40 %. Повторяемость дней с концентрациями примесей, превышающих 5ПДК, составляет от 4 до 26%.

4. В городах Пермского края в 88% - 100% случаев одновременно отмечается высокий и экстремально высокий уровень загрязнения воздуха.

5. По Пермскому краю впервые проведена типизация синоптических процессов, способствующих накоплению вредных примесей в атмосфере. Типы выделены с учетом географического происхождения и траектории движения барических образований. Подтипы выделены с учетом скорости ведущего потока по картам АТ 700 гПа или АТ 500 гПа и термического поля, а также длительности нахождения над рассматриваемым районом.

6. Выявлены синоптические ситуации, при которых формируется экстремально высокий уровень загрязнения воздуха в городах Пермского края - это центр антициклона и малоградиентное поле, как для зимнего, так и для летнего сезона. Дополнительно для зимнего сезона – малоградиентная северо-западная периферия Сибирского антициклона (гребень Сибирского антициклона).

7. В летний период ЭВУЗВ отмечается только при третьем типе синоптической ситуации «центр антициклона»: смещение антициклона с юго-западных районов ЕТР на территорию Пермского края, а также всех метеопараметрах, характерных для этого типа. На высотах отмечается малоградиентное поле повышенного давления. В течение трех - четырех суток антициклон находится над территорией края, затем начинает разрушаться и медленно смещаться на север. Над территорией края обычно расположены периферия очага тепла или очаг тепла, температура в слое 500/1000 более 7 градусов.

8. ЭВУЗВ в зимний период отмечается при подтипах 1Б, 1В и 2Б. Характерными особенностями наличия ЭВУЗВ в центре антициклона в зимний период являются:
- Антициклон расположен над районом два дня и более (стационарный малоподвижный антициклон)
- Параметр Р' имеет повышенное значение (Р0,20)
- Ветер как приземный, так и градиентный слабый (0-2 м/с)
- Наличие приземных инверсий мощностью 500-1700 м, интенсивностью более 14°
- Температура в слое 500-1000 м от -10 до -13 градусов
- На карте ОТ 500/1000 отмечается область тепла или её периферия, редко, когда изотермы близки к прямолинейным.
Все вышеперечисленные метеопараметры обязательно должны быть в совокупности, а не каждый в отдельности.

9. Характерными особенностями наличия ЭВУЗВ при синоптической ситуации «северо-западная периферия Сибирского антициклона» в зимний период являются:
- Ветер у земли юго-восточный или переменный, не более двух метров в секунду
- Градиентный ветер – юго-восточный, южный не более 6 м/с
- Наличие приземных инверсий мощностью 800-1200 м и интенсивностью 2-14 градусов
- Данная синоптическая ситуация отмечается над районом двое суток и более
- Ведущие потоки над районом юго-восточные (140° – 160°) – не более 5м/с

10. В зимний период относительно высокий и экстремально высокий уровень загрязнения воздуха при синоптической ситуации «малоградиентное поле» отмечается, если одновременно выполняются три условия:
- над рассматриваемым районом расположена периферия или очаг тепла в вышележащих слоях
- ветер у земли и на высотах не более 5 м/с
- отмечается приземная инверсия.

11. В летний период ЭВУЗВ отмечается только при малоградиентной южной периферии арктического антициклона.

12. Для решения задачи защиты атмосферы от возникновения ЭВУЗВ в периоды НМУ для городов Пермского края и г. Екатеринбурга разработаны схемы прогноза ЭВУЗВ методом графической регрессии.

13. Испытание схем прогноза ЭВУЗВ на зависимом материале для городов Уральского региона оказалось довольно успешным.

Таким образом, можно сделать вывод о реальной возможности успешного прогнозирования ЭВУЗВ в городах региона.


Список литературы

1. Берлянд М. Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Ленинград. Гидрометеоиздат. 1985 г.
2. Безуглая Э. Ю., Смирнова И. В. Воздух городов и его изменения. С. - Петербург. 2008 г.
3. Руководящий документ. Методические указания «Регулирование выбросов при неблагоприятных метеорологических условиях». РД 52.04.52-85. Ленинград. Гидрометеоиздат. 1987 г.
4. Руководящий документ. Охрана природы. Атмосфера. Руководство по прогнозу загрязнения воздуха. РД 52.04.306-92. С-Петербург. Гидрометеоиздат. 1998 г.
5. Система прогноза и предотвращения высоких уровней загрязнения воздуха в городах. С-Петербург. Гидрометеоиздат. 2004 г.
6. Ежегодники состояния загрязнения атмосферы в городах на территории России за 2003-2008 гг. С.- Петербург.


Контакты

Т.В. Костарева, руководитель группы прогноза неблагоприятных метеорологических условий
ГУ «Пермский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды»


© Методический кабинет Гидрометцентра России