Распределение инверсий и их влияние на уровень загрязнения атмосферного воздуха
в городе Челябинске


Атмосферный воздух - это источник дыхания человека, животных и растительности, сырье для процессов горения и синтеза химических веществ. В результате хозяйственной деятельности человека в атмосфере появляется большое количество загрязняющих веществ, наиболее значительные изменения качества атмосферного воздуха наблюдаются в крупных городах [4]. Резкое возрастание концентраций загрязняющих веществ происходит в период возникновения неблагоприятных метеорологических условий, способствующих накоплению промышленных и автомобильных выбросов в нижних слоях атмосферы [1,3]. К таким неблагоприятным условиям относится инверсия, представляющая собой задерживающий слой теплого воздуха, который препятствует рассеиванию примесей по вертикали. Возникают инверсии под воздействием радиационных и адвективных факторов, кроме того, рельеф местности, крупные водоемы и парки создают дополнительные условия для их образования [6].

Город Челябинск является одним из городов с развитой промышленностью, а особенности его географического расположения и рельефа местности влияют на интенсивность инверсий. На территории города располагается большой сосновый бор, несколько озер и водохранилище, что создает особые условия для переноса загрязняющих веществ и создания «острова тепла» [8]. Метеорологический и экологический мониторинг в Челябинске осуществляют городская метеорологическая станция и 8 стационарных постов наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха (ПНЗ). Аэрологическая станция в городе отсутствует [1].

По данным мониторинга уровень загрязнения атмосферного воздуха по городу Челябинску в последние годы высокий. В 2007 г. наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносили следующие вещества: бенз(а)пирен, формальдегид, взвешенные вещества, фторид водорода, диоксид азота. Проведенные в периоды неблагоприятных метеорологических условий наблюдения показали, что максимальные разовые концентрации загрязняющих веществ в городе достигали: в виде взвешенных веществ и оксида углерода - 4,2 ПДКмр, фенола - 3,7 ПДКмр, формальдегида - 2,3 ПДКмр, сероводорода - 2 ПДКмр, фторида водорода - 1,7 ПДКмр, аммиака - 1,6 ПДКмр, оксида азота - 1,3 ПДКмр.

В 2006 г. в ГУ «Челябинский ЦГМС» был установлен метеорологический температурный профилемер МТП-5. В связи с этим впервые появилась возможность определения продолжительности существования и интенсивности инверсий с использованием инструментальных измерений [5,9].
Результаты анализа проведенных в 2007 г. измерений приведены в таблице 1 и на диаграмме (рис. 1).




Как видно, измерениями профилемера в течение 2007 г. в городе Челябинске было зафиксировано 243 дня с инверсиями, суммарной продолжительностью 3138 ч, что составляет 67% от общего количества дней в году. При этом статистической обработке подвергались инверсии любого типа.
Чаще всего инверсии в Челябинске наблюдались в январе и феврале (24 и 28 дней), максимальная их продолжительность существования также приходится на эти месяцы (439-448 ч). Средняя продолжительность существования инверсий в зимние месяцы составляет 15,7-18,7 ч, в теплое время года она уменьшается в 1,5-2 раза и составляет 9,9-7,5 ч.

Анализ времени образования и разрушения инверсий в холодный и теплый сезоны года показал, что в холодный период в 70% случаев инверсии формируются вечером, с 18 до 23 ч местного времени, и разрушаются после 9 ч утра (77% случаев). В теплый период года инверсии формируются позже: с 21 до 03 ч (в 87% случаев), а разрушаются они раньше – в 89% случаев, начиная с 06 и до 12 ч.

Для анализа влияния инверсий на уровень загрязнения атмосферного воздуха в городе Челябинске были взяты данные поста наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха № 28, находящегося вблизи расположения МТП-5 (таблица 2).

При этом для выявления зависимости рассматривались только дни с измеренными концентрациями загрязняющих веществ. К повышенным уровням концентраций загрязняющих веществ относились случаи с превышениями средних суточных концентраций оксида углерода, диоксида азота, диоксида серы и фенола более чем в 1,5 раза относительно средних сезонных их значений [2,7].

Из данных таблицы 2 видно, что из 238 рассмотренных случаев в 140 случаях отмечено превышение концентраций загрязняющих веществ, что составило 59%. Из них в 106 случаях превышения концентраций загрязняющих веществ наблюдались при инверсии (76%), а в 34 случаях (24%) превышений концентраций загрязняющих веществ инверсии не отмечались. Таким образом, в дни с инверсиями превышение концентраций загрязняющих веществ отмечается в 3 раза чаще.

Всего за рассмотренный период отмечено 173 дня с инверсионным распределением температуры воздуха в пограничном слое атмосферы. Из них превышения концентраций загрязняющих веществ наблюдались в 106 случаях, что составило 61%, в остальных 67 случаях (39%) превышения концентраций не наблюдались.

Если рассмотреть отдельно теплые и холодные сезоны года, то можно отметить, что повторяемость превышений концентраций различается незначительно: в зимний период - 52% (73 случая), в летний период - 48% (67 случаев). Однако в оба сезона повторяемость количества дней с превышением концентраций загрязняющих веществ при наличии инверсии в процентном отношении увеличилась: в холодный период – 58 дней (79%) и в теплый – 48 дней (72%). Помесячный анализ имеющихся данных наблюдений также показывает, что увеличение количества дней с повышенными концентрациями загрязняющих веществ совпадает с ростом количества дней с инверсиями (рис. 2).

Для анализа зависимости влияния инверсий на повышение уровня концентраций различных загрязняющих веществ исследовались концентрации оксида углерода, диоксида азота, диоксида серы и фенола. Данные представлены в таблицах 3 и 4.

Из представленных в таблице 3 данных видно, что в 2007 г. наиболее часто (78 случаев) повышались концентрации диоксида серы, при этом в 61 случае наблюдалась инверсия, что составило 78%. При инверсиях наблюдались превышения концентраций и других загрязняющих веществ: в 85 % случаев - оксида углерода, в 81% случаев - диоксида азота и фенола. Несмотря на то, что число дней с превышением концентрации окиси углерода было наименьшим (всего 27 случаев), повторяемость повышения концентрации при инверсиях оказалась наибольшей (85%) по сравнению с другими загрязняющими веществами. В целом повторяемость повышенных концентраций загрязняющих веществ при наличии инверсии в 3-5 раз больше, чем при их отсутствии.

В разные месяцы года (таблица 4) повторяемость превышения концентрации оксида углерода в дни с инверсией составляла от 71 до 100% случаев, без инверсии - 11-29% от общего количества дней с превышением. Повторяемости превышения концентрации диоксида азота: с инверсией 50-100%, без инверсии 10-50%; диоксида серы: с инверсией 50-100%, без инверсии 12-50%; фенола: с инверсией 71-100%, без инверсии 0-40%.

Таким образом, проведенный анализ показал, что наличие инверсии оказывало значительное влияние на уровень загрязнения атмосферного воздуха ПНЗ № 28.


Для исследования влияния инверсий на загрязнение в целом по городу использовался комплексный параметр загрязнения воздуха Р, показывающий превышение фактического уровня загрязнения над средним сезонным более чем в 1,5 раза на всех ПНЗ. К повышенным уровням концентраций относились случаи с параметром Р более 0,25.

Выполненный анализ (таблица 5) показал, что в 2007 г. из 295 дней с имеющимися наблюдениями за уровнем загрязнения атмосферного воздуха выявлено 28 дней, когда величина параметра загрязнения позволяла считать их с повышенным уровнем концентрации загрязнений. Из них в 26 случаях в пограничном слое атмосферы наблюдалась инверсия, что составило 93% от общего числа дней с превышением концентраций загрязняющих веществ в целом по городу. Максимальное количество дней с повышенными концентрациями загрязняющих веществ зафиксировано в июле.

Более наглядно указанная зависимость прослеживается на диаграмме (рис. 3).

Лишь в двух случаях повышенного загрязнения атмосферного воздуха инверсии не были зафиксированы. Однако в эти дни по техническим причинам показания профилемера отсутствовали. На основе анализа синоптической ситуации, которую определяли гребень антициклона и заполняющийся циклон, а также при адвекции тепла на высоте, в обоих случаях можно предположить, что в слое от поверхности Земли до уровня изобарической поверхности 925 гПа в ночное время присутствовала инверсия или изотермия меньшей вертикальной протяженности.

Таким образом, тенденция возрастания концентраций атмосферного загрязнения при инверсиях прослеживается как при анализе данных наблюдений поста, расположенного в районе профилемера, так и при анализе комплексного показателя загрязнения в целом по городу. При этом зависимость комплексного показателя загрязнения от наличия инверсий еще более очевидная, что можно объяснить тем, что пост № 28 расположен в относительно чистом районе города.


В 2007 г. наиболее высокое и продолжительное загрязнение воздуха в г. Челябинске отмечалось в период со 2 по 4 июля. Анализ синоптических и метеорологических условий в указанный период показал, что в течение продолжительного времени (28 июня - 4 июля) г. Челябинск находился в зоне влияния малоградиентного поля повышенного давления. Ночью и днем наблюдалась теплая погода без осадков с северо-западным ветром 0-5 м/с. На высотах 600-700 м также преобладал слабый ветер северного направления. В ночные и утренние часы в приземном слое отмечались инверсии продолжительностью 9-11 ч (рис. 4). Фактический комплексный показатель загрязнения воздуха 30 июня составил 0,31, 2 июля - 0,36, 3 июля - 0,34, 4 июля - 0,32. Анализ данных мониторинга показал, что максимальное превышение концентраций (более максимальной разовой ПДК) наблюдалось 2-4 июля для оксида углерода, фторида водорода и формальдегида на трех ПНЗ. Концентрации оксида углерода, диоксида азота и серы превышали средние сезонные значения практически во всех районах города. 5 июля давление понизилось, днем прошел сильный дождь, инверсия разрушилась, и комплексный показатель загрязнения воздуха понизился до 0,20.

Таким образом, по результатам выполненного в 2007 г. совместного анализа данных мониторинга загрязнений атмосферного воздуха и измерений метеорологического температурного профилемера можно сделать следующие выводы:
- в рассматриваемый период в Челябинске отмечалось повышенное количество дней с инверсией (66% от общего количества дней в году);
- при наличии инверсий в 61% случаев отмечалось повышение концентраций загрязняющих веществ;
- повторяемость повышенных концентраций загрязняющих веществ, при наличии инверсии была в 3-5 раз больше, чем при ее отсутствии;
- тенденция возрастания концентраций загрязняющих веществ в районе расположения профилемера и увеличения комплексного показателя загрязнения воздуха в целом по городу совпадают.


Список литературы

1. Беккер А. А., Агаев Т. Б. Охрана и контроль загрязнения природной среды Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 67 с.
2. Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова. Система прогноза и предотвращения высоких уровней загрязнения воздуха в городах. СПб.: Гидрометеоиздат, 2004, - С. 8-65.
3. Еремкин А.И., Квашнин И.М, Юнкеров Ю.И., Нормирование выбросов, загрязняющих веществ в атмосферу. М.: Изд. Ассоциации строительных вузов, 2001, - С. 30-50.
4. Зарубин Г. П., Новиков Ю. В. Гигиена города . М.: Изд. Москва, 1986, - С. 104-109.
5. Кадыгров Е.Н., Кузнецова И.Н., Голицин Г.С. Остров тепла в пограничном слое атмосферы над большим городом: новые результаты на основе дистанционных данных. Доклады Академии наук, 2002, т. 385, № 4, - С. 541-548
6. Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. Сб. докладов на международном симпозиуме в Ленинграде, Июль 1968г., Под ред. Берлянда М.Е., Л.: Гидрометеоиздат, 1971, 51 с.
7. Руководящий документ. Охрана природы. Атмосфера. РД 52.04.306-92 Росгидромет, 1993.
8. Oке Т.Р. Климаты пограничного слоя. Л.: Гидрометеоиздат, 1982, - 359 с.
9. Вествотер Е.Р., Вязанкин А.С., Гайкович К.П., Кадыгров Е.Н., Моисеев Д.Ю. Радиометрический мониторинг температуры планетарного пограничного слоя атмосферы// Метеорология и гидрология. - 1999. - № 3, - С. 59-71


Контакты

Ячменева Н.В., Гольвей А.Ю.
ГУ «Челябинский ЦГМС»





© Методический кабинет Гидрометцентра России