Разработка схемы прогноза высокого и экстремально высокого загрязнения атмосферного воздуха в городе Магнитогорске методом графической регрессии и результаты ее испытания

Введение

В атмосферу воздуха г. Магнитогорска поступают сотни тысяч в год загрязняющих веществ, которые наносят непоправимый вред здоровью людей, оказывают негативное влияние на живые организмы и растительность, ускоряют разрушение металлических конструкций и зданий.

По величине выбросов вредных веществ в атмосферу от стационарных источников Магнитогорск относится к числу лидеров Российской Федерации и является одним из наиболее загрязненных городов страны. Город постоянно включается в приоритетный список городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха.

Атмосфера города – это единое целое, она не подразделяется на отдельные изолированные районы. Любая примесь, поступающая в атмосферу, в той или иной концентрации содержится в любой части города. Уровень загрязнения атмосферного воздуха города создается в результате поступления выбросов вредных веществ от всех источников на территории города и влияния атмосферных процессов на перенос и рассеивание этих веществ от источников загрязнения. Наблюдения показывают, что даже при постоянных объемах и составах промышленных и транспортных выбросов в результате влияния метеорологических условий уровни загрязнения могут отличаться в несколько раз. Вредные примеси, попадая в атмосферу, подвергаются физико-химическим превращениям, рассеиваются и вымываются из атмосферы. Степень загрязнения атмосферы от антропогенных источников зависит от того, переносятся ли эти вещества на большие расстояния от источника или скапливаются в районе их выброса.

На загрязнение воздуха по городу в целом оказывает сложное влияние ряд метеорологических факторов. Метеорологические условия, способствующие накоплению загрязняющих веществ в нижнем слое атмосферы, получили название неблагоприятных метеорологических условий (сокращенно НМУ).
По статистике, уровень загрязнения воздуха повышается при штиле, слабом ветре, ветре неблагоприятного направления, тумане и наличии инверсии (задерживающего слоя теплого воздуха, препятствующего рассеиванию примесей по вертикали). Такие условия обычно наблюдаются в области малоградиентного поля повышенного давления, в центре малоподвижных антициклонов, на северной периферии циклона и в его теплом секторе. Сильный ветер, осадки, грозы, наличие восходящих вертикальных движений воздуха, адвекция холода, наблюдающиеся при прохождении циклонов и атмосферных фронтов, наоборот, способствуют рассеиванию примесей. При возникновении НМУ на промышленных предприятиях, производящих выбросы в атмосферный воздух, должны проводиться специальные меры, направленные на снижение уровня загрязнения воздуха. Регулирование выбросов позволяет не только снизить уровень загрязнения воздуха, но и часто предотвратить скопление вредных примесей в нижнем приземном слое атмосферы в короткое время без существенных затрат и усилий.

Комплекс неблагоприятных метеорологических условий для промышленных предприятий может различаться в зависимости от типа производства и места его расположения по отношению к жилым кварталам. Для промышленных предприятий прогноз НМУ составляется по методу отдельного источника, учитывающему индивидуальное влияние данного предприятия. Для города в целом определяется совокупность НМУ с учетом суммарного наложения выбросов.

Прогнозирование НМУ осуществляется на основе анализа фактических и прогностических погодных условий, как у поверхности земли, так и на высоте 750 м (изобарической поверхности 925 гПа). Анализ фактической погоды позволяет оценить вероятность предшествующего накопления примесей в приземном слое атмосферы. Прогноз метеорологических условий показывает возможность накопления или рассеивания примесей в ближайшие сутки, наличие данных мониторинга позволяет составлять прогноз уровня загрязнения воздуха.

Для повышения качества прогнозов НМУ и согласно рекомендациям ГГО в течение 2008 года разрабатывалась схема прогнозирования высокого и экстремально высокого (ВУЗВ и ЭВУЗВ) загрязнения атмосферного воздуха в городе Магнитогорске.

Целью данной работы является разработка схемы прогноза ВУЗВ и ЭВУЗВ методом графической регрессии.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Рассмотреть климатическую характеристику г. Магнитогорска и выявить синоптические условия формирования ВУЗВ и ЭВУЗВ.
2. Разработать схему прогноза ВУЗВ и ЭВУЗВ и провести ее испытание на зависимом материале.

При решении поставленных задач были использованы следующие материалы:
1. Ежедневные данные пяти постов о концентрациях в воздухе г. Магнитогорска вредных веществ.
2. Карты погоды архива Магнитогорского филиала ГУ «Челябинский ЦГМС» за период с января 2005 г. по ноябрь 2008 г.
3. Руководящие документы по прогнозу ВУЗВ и ЭВУЗВ.


Климатическая характеристика г. Магнитогорска

Город Магнитогорск находится в юго-западной части Челябинской области, в восточных отрогах Южного Урала, у западных подножий горы Магнитной.

Магнитогорск - крупный промышленный центр, второй по величине город Челябинской области. Население города составляет более 400 тыс. человек, территория – 375 км2. Река Урал делит территорию города на Правобережную часть, где проживает около 85% населения, и Левобережную, где проживает около 15% населения, и размещаются крупные промышленные предприятия (металлургический комбинат с полным металлургическим циклом, калибровочный, метизно-металлургический заводы и др.).

Во всех направлениях город окружает степная среднехолмистая местность, наиболее крупные холмы с относительной высотой 50 м расположены к востоку и югу от Магнитогорска.

Климат в районе Магнитогорска характеризуется четко выраженной континентальностью. Влияние Уральского хребта проявляется в ослаблении западного переноса, обуславливающем более частые вторжения арктических масс.

Большую роль в формировании климата и погоды зимой играют Сибирский антициклон и циклоническая деятельность на арктическом фронте. Часто на погоду оказывают влияние южные циклоны, перемещающиеся с Черного, Каспийского или Аральского морей. Резкие похолодания наступают при вторжении арктического воздуха в тыловой части циклонов.

Зима в Магнитогорске холодная, часто малоснежная. Самым холодным месяцем является январь, средняя месячная температура воздуха которого равна -14,8°С. Абсолютный минимум температуры воздуха: -46°С.

Лето теплое, но короткое, в отдельные годы оно бывает жарким. Средняя месячная температура воздуха самого теплого месяца – июля +25°С. Абсолютный максимум температуры воздуха равен +39°C.

В среднем за год в районе города выпадает 384,5 мм осадков. В холодный период выпадает более одной третей годовой суммы осадков – 126,5 мм, на теплый период приходится 258 мм. Среднее число дней с осадками составляет 177.

Преобладающими за год направлениями ветра в Магнитогорске являются юго-западные, южные и западные, наиболее редкими ветрами являются восточные и юго-восточные (таблица 1 и рис. 1).








Средняя годовая скорость ветра в городе 3,3 м/с, максимальная 24 м/с. Сильные ветры наиболее вероятны при часто встречающихся направлениях ветра, а слабые характерны для направлений с малой повторяемостью.

По сравнению с окружающими районами в г. Магнитогорске наблюдается большое число дней с туманом. Это связано с наличием над городом дополнительных ядер конденсации из-за высокой загазованности воздушного бассейна города. Общее число дней с туманом за последние два года составило 37, из них 22 дня в 2007 г. и 15 дней в 2008 г. Общее количество дней с туманом за 2005-2008 гг. составляет 53 и представлено в таблице 2.





Особенности прогнозирования загрязнения воздуха в г. Магнитогорске

В атмосферу воздуха г. Магнитогорска поступают сотни тысяч в год загрязняющих веществ, которые наносят непоправимый вред здоровью людей, оказывают негативное влияние на живые организмы и растительность, ускоряют разрушение металлических конструкций и зданий.

Основной источник загрязнения воздушного бассейна города - ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», выбросы которого составляют около 98% выбросов стационарных источников. Все более значительный вклад в загрязнение окружающей среды вносит автотранспорт, как индивидуальный, так и промышленный, численность которого превышает 100 тысяч. Из всего количества вредных веществ, которые выбрасываются в атмосферный воздух города, выбросы стационарных источников составляют 77,6-77,8 %, автотранспорта 21,5-22,7%, железнодорожного транспорта – около 0,7 %.

Сеть замерных пунктов должна располагаться в направлении господствующих ветров. Отборы загрязняющих веществ производятся три раза в сутки. В настоящее время в г. Магнитогорске проводятся регулярные наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха на пяти стационарных постах, расположение которых представлено на рисунке 2:
- Пост № 31 - пр. Карла Маркса, стадион МГТУ, северо-западная часть города, правый берег Урала;
- Пост № 33 – ул. Советская, 160, юго-западная часть города, правый берег Урала;
- Пост № 34 – пр. Пушкина, 13, юго-восточная часть города, левый берег Урала;
- Пост № 35 – ул. Мичурина, 136, центр правобережной части города;
- Пост № 36 – пос. Новосеверный, северо-восточная часть города, левый берег Урала.

В левобережной части города (посты № 36, № 34) уровень загрязнения атмосферного воздуха выше, чем на правом берегу Магнитогорска, что обусловлено расположением в этой части города большинства промышленных предприятий. При ветрах восточного и северо-восточного направлений выбросы предприятий направлены на селитебную зону города.

В правобережной части города Магнитогорска (посты № 35, № 31, № 33) на уровень загрязнения атмосферы в основном влияют выбросы автотранспорта.

Отбор и анализ проб атмосферного воздуха на стационарных постах осуществляется на 8 загрязняющих веществ: взвешенные вещества, сернистый газ, окись углерода, двуокись азота, окись азота, сероводород, фенол и формальдегид.

Взвешенные вещества представляют собой разнородную смесь органических и неорганических веществ: пыль, золу, сажу, дым, сульфаты, нитриты, соединения металлов и пр. Образуются в результате сгорания всех видов топлива, при производственных процессах, при автотранспортном движении.



Рис. 2
Схема расположения стационарных постов наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха в г. Магнитогорске


Диоксид серы поступает в атмосферу, главным образом, с выбросами металлургического комбината, при сгорании топлива, содержащего серу. В результате воздействия на организм человека диоксида серы (и родственных с ним соединений: растворимых сульфатов, вторичного продукта – серной кислоты) может возникать целый ряд острых и хронических заболеваний человека.

Оксид углерода поступает в атмосферу в основном от предприятий металлургии и автотранспорта в результате неполного сгорания топлива. Наибольшее количество оксида углерода выбрасывается горнообогатительным производством ОАО «ММК».

Оксиды азота поступают в атмосферу с выбросами предприятий металлургии, электростанций, транспорта. Образуются в процессе сгорания органического топлива при высоких температурах в виде оксидов азота, которые трансформируются в диоксид азота. Диоксид азота и оксид азота играют сложную и важную роль в фотохимических процессах, происходящих в тропосфере и стратосфере под влиянием солнечной радиации и являющихся причиной образования фотохимического смога и высоких концентраций приземного озона и формальдегида.

Формальдегид образуется при неполном сгорании жидкого топлива, поступает в атмосферу также в смеси другими углеводородами от предприятий черной металлургии и др. Формальдегид поступает в атмосферу не только от промышленных и природных источников, но и образуется в результате цепи химических реакций взаимодействия углеводородов с оксидами азота. Поэтому его высокие концентрации могут создаваться вследствие общего высокого загрязнения атмосферного воздуха города.

Сероводород, фенол, в основном, в составе неорганизованных выбросов поступают в атмосферу от коксохимического производства ММК, значительное количество сероводорода выделяется от установок грануляции шлака. Повышенные концентрации, сероводорода и фенола раздражают слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Фенол также является нервным ядом.

Исходя из вышеизложенного, для исследования влияния метеорологических условий на загрязнение атмосферного воздуха, использовался интегральный показатель - параметр Р, рекомендованный в РД 52.04.306-92. Параметр Р представляет собой отношение количества существенно повышенных концентраций к общему числу измерений в течение одного дня. Параметр Р позволяет характеризовать общее состояние загрязнения воздуха в городе и в то же время при наличии достаточного количества измерений он может быть показателем городского загрязнения отдельными примесями. За исследуемый период было исследовано 948 случаев.

Основным принципом разработки схем прогноза является максимальный учет характера физического процесса распространения примесей в атмосфере и особенностей влияния метеорологических условий на концентрации примесей в воздухе.

Составлению прогностической схемы предшествует выбор предикторов. Они должны характеризовать главные метеорологические факторы, определяющие уровень загрязнения воздуха в городе и исходное загрязнение.

Предикторы выбираются на основе анализа материалов наблюдений и реального вида связей между метеорологическими факторами и концентрациями примесей в воздухе. В качестве предикторов (характеристик, на основании которых составляется прогноз) используются некоторые метеорологические параметры: скорость и направление ветра, прогнозируемая синоптическая ситуация (синоптический предиктор), значение интегрального показателя загрязнения воздуха (параметр Р) и другие. Для учета в прогностических схемах зависимости уровня загрязнения воздуха от синоптических условий вводится количественный синоптический предиктор. По материалам наблюдений в данном конкретном городе проводится детальный анализ синоптических условий загрязнения атмосферы и по результатам анализа определяется типизация синоптических ситуаций.

Для уточнения методики прогнозирования уровня загрязнения в г. Магнитогорске согласно рекомендациям ГГО в качестве метеорологического предиктора был взят количественный синоптический предиктор. Одной из возможностей получения такого предиктора является кодировка типов ситуаций баллами. Меньший балл приписывается тем типам синоптических процессов, которые в наименьшей степени определяют повышенный уровень загрязнения атмосферы в данном городе.

Для исследования зависимости уровня загрязнения воздуха от метеорологических условий использовались данные метеостанции М-2 Магнитогорск, расположенной на восточной окраине г. Магнитогорска. Информация метеостанции является единственной и учитывается при оперативном составлении прогноза, поэтому другие данные закладывать в схему методики не представляется возможным.


Статистическое распределение параметра загрязнения воздуха

Работа по прогнозированию и оперативному оповещению о возникновении неблагоприятных метеорологических условий, способствующих увеличению загрязнения атмосферного воздуха, проводилась на основании статистического распределения параметра, проведенного в 2006 году. По результатам исследования были выявлены критерии, представленные в таблице 3, для составления предупреждений 3-х степеней опасности.



В 2008 г. исследование статистического распределения параметра загрязнения за 2005-2007 гг. показало следующие результаты, приведенные в таблице 4.



За последние годы критерии, по которым оценивается степень загрязнения воздуха, заметно снизились. Для наглядной иллюстрации распределения параметра Р за этот период построен график с линией тренда (рисунок 3).

Полиномиальная аппроксимация используется для описания величин, попеременно возрастающих и убывающих. Она полезна, например, для анализа большого набора данных о нестабильной величины параметра Р. Из графика видно, что за 2005 г. максимальное значение Р достигло 0,75. Это максимальное значение не только за 2005 г., но и за все последние 4 года. В 2006 г. максимальное значение параметра Р снизилось до 0,43, в 2007 г. вновь увеличилось до 0,57. В 2008 г. концентрации намного понизились и не превышали значения 0,36.


Рис. 3
Концентрации 2005-2008 гг.

Используя рекомендации по прогнозу экстремально высоких уровней загрязнения воздуха в городах, разработанные в ГГО, в течение 2008 г. разрабатывалась схема прогноза ВУЗВ и ЭВУЗВ в г. Магнитогорске по данным 2005–2008 гг. В связи с тем, что повторяемость параметра Р более 0,40 мала, рассматривались значения параметра .


Синоптические условия формирования ВУЗВ и ЭВУЗВ в г. Магнитогорске

Для оценки факторов, влияющих на повышение загрязнения воздуха, была использована система баллов. Комплексная оценка степени опасности синоптической ситуации Snk складывалась из суммы баллов ее отдельных составляющих:

Snk= Бтс+Бпс+Бпр+Бос,       (формула 1)

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

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 выделения случаев повышенного уровня загрязнения воздуха использовались значения параметра . Для анализа рассматривались следующие типы синоптических ситуаций:
А – центральная область стационарного антициклона,
Г - гребень антициклона,
Гс - устойчивый гребень и ядро от Сибирского максимума,
МАП – малоградиентное антициклоническое поле,
ПА – периферии антициклона (ПАЗ – западная, ПАЮЗ – юго-западная, ПАД – другие периферии антициклона),
ТСЦ – теплый сектор циклона,
МЦП – малоградиентное циклонической поле, слабый циклон,
ЦЦ – центр циклона,
Мс – малоградиентное поле в барической седловине,
ПЦ – периферии циклона (ПЦЮ – юг циклона, ТЦ- тыл циклона),
ПЛ – периферии ложбины,
ПП – промежуточное поле,
ТГ – тыловой гребень.

При установлении балла текущей ситуации все синоптические ситуации были разделены на группы, в соответствии с их влиянием на создание того или иного уровня загрязнения в городе. Обоснованность присвоения синоптическим ситуациям определенных баллов представлена в таблицах 5 и 6.



К группе S1 были отнесены наиболее неблагоприятные ситуации и оценены в 3 балла. Это центральная область стационарного антициклона, малоградиентное антициклоническое поле, гребень антициклона, устойчивый гребень и ядро от Сибирского максимума, наблюдающиеся более суток. Неблагоприятные ситуации были включены в группу S2 и оценены в 2 балла. В эту группу вошли ситуации с западной и юго-западной перифериями антициклона, наблюдающиеся более суток. Синоптические ситуации: теплый сектор циклона, малоградиентное циклоническое поле, центр циклона, малоградиентное поле в барической седловине, - отнесены к группе S3 (2 балла). В группу S4 вошли ситуации группы S1, но в первые сутки их существования, а также вошли другие периферии антициклона (2 балла). Группа S5 оценивается в 1 балл, и в нее входят ситуации с перифериями далекого циклона, промежуточным полем и тыловым гребнем. Быстродвижущиеся периферии циклона, ложбины и тыловые гребни оцениваются в 0 баллов и относятся к группе S6.

Из таблицы 6 видно, что наиболее высокие уровни загрязнения воздуха г. Магнитогорска формируются под воздействием синоптических ситуаций группы S1 и S2.
Для наглядной иллюстрации повторяемость типов синоптических ситуаций с параметром загрязнения для теплого и холодного периодов представлены на диаграмме (рисунок 4, в соответствии с таблицей 7).




Рис. 4
Повторяемость типов синоптических ситуаций с в теплый и холодный периоды

Для выявления особенностей формирования повышенного и высокого уровней загрязнения воздуха были рассмотрены отдельно холодный и теплый периоды.
За холодный период рассмотрено 452 случай, из них со значением составляет 53 случая. Более подробное распределение случаев по параметрам загрязнения представлено в таблице 8.

Соотношение типов синоптических ситуации в холодный период и количество случаев со значением представлены в таблице 9.



За теплый период рассмотрено 496 случаев, из них со значением составляет 28 случаев. Более подробное распределение случаев по параметрам загрязнения представлено в таблице 10.



Соотношение типов синоптических ситуации в теплый период и количество случаев со значением представлены в таблице 11.



Для наглядной иллюстрации повторяемость типов синоптических ситуаций с параметром загрязнения отдельно для теплого и холодного периодов представлены на диаграммах (рисунок 5 и 6).

Рис. 5
Повторяемость типов синоптических ситуаций с в теплый период.


Рис. 6
Повторяемость типов синоптических ситуаций с в холодный период.


Характер связей между параметром Р и синоптическими ситуациями текущего и предшествующего дней одинаков. Поэтому балл предшествующей ситуации оценивается так же, как и текущей с коэффициентом 0,5: Бпс = 0,5Бтс.
Преобразование групп синоптических ситуаций при прогнозе ВУЗВ и ЭВУЗВ учитывалось в соответствии с таблицей 12.

Бос включает в себя особенности синоптических процессов, с которыми связано формирование высоких уровней загрязнения воздуха. Каждой из них присваивается свой балл в соответствии с таблицей 13.



Разработка схемы прогноза ВУЗВ и ЭВУЗВ методом графической регрессии

Главным преимуществом метода графической регрессии является возможность учета связей между загрязнением воздуха и метеорологическими факторами, реально имеющими место в конкретном городе. Существенно, что здесь учитывается и неоднозначность связей – возможные различия их характера в зависимости от значений других предикторов.
Схема разрабатывалась с использованием двух предикторов – Snk и Р'. Поэтому для составления прогноза достаточно было построить только один график для холодного и теплого периодов, представленный на рисунке 7 и 8.
По прогностическому значению Snk и исходному значению параметра Р' рассчитанному на момент прогноза, определяется ожидаемый уровень загрязнения воздуха в городе.

Рис. 7
Статистическая схема прогноза ВУЗВ по методу графической регрессии в теплый период

Рис. 8
Статистическая схема прогноза ВУЗВ по методу графической регрессии в холодный период

На графиках 7 и 8 отделена область, соответствующая ЭВУЗВ, для которой . Так как количество дней с высоким уровнем загрязнения воздуха в теплый период достаточно мало, то графики 7 и 8 были объединены и представлены на рисунке 9.

Рис. 9
Статистическая схема прогноза ЭВУЗВ по методу графической регрессии


Испытание метода прогноза ВУЗВ и ЭВУЗВ на зависимом материале

По использованному за 4 года материалу составлено 948 прогнозов, из которых оправдалось 87%. Испытание схем прогноза проводилось на зависимом материале. Для суждения об эффективности разработанных схем прогноза ВУЗВ и ЭВУЗВ по методу графической регрессии был рассчитан Н* – критерий Багрова.

Расчет критерия Багрова

Критерий Багрова рассчитывался по формуле:

где

U=(n11 + n22) / n00
Uo = (m1 + m2) / n00
m1=n10 • n01 / n00
m2=n20 • n02 / n00
n11–число оправдавшихся прогнозов с явлением
n22–число оправдавшихся прогнозов без явления
n00–общее число прогнозов
n10–число прогнозов с явлением
n20–число прогнозов без явления
n01–число дней с явлением
n02–число дней без явления

U=(57+772)/948=0,87
U0=(9,997+759,997)/948=0,81
m1=117•81/948=9,997
m2=831•867/948=759,997
H=(0,87-0,81)/(1-0,81)=0,32

Критерий Багрова составил 0,32. Схема считается успешной, при значении критерия Багрова более 0,30.

Таким образом, можно сделать вывод о реальной возможности успешного прогнозирования ВУЗВ и ЭВУЗВ в городе Магнитогорске.


Заключение

В результате проделанной работы получены следующие результаты и выводы:
1. Неблагоприятными синоптическими ситуациями, способствующими формированию ВУЗВ и ЭВУЗВ для города Магнитогорска, являются: центральная область стационарного антициклона, малоградиентное поле антициклона, устойчивый гребень и ядро Сибирского максимума, гребень антициклона более суток, западная и юго-западная периферии антициклона более суток.
2. Разработанная схема прогноза ВУЗВ и ЭВУЗВ методом графической регрессии с использованием двух предикторов Snk и Р' показала хорошую оправдываемость (87%) прогнозов ВУЗВ и ЭВУЗВ в г. Магнитогорске.
3. Критерий Багрова составляет 0,32, рассчитанный на зависимом материале, и подтверждает эффективность прогностических схем.
4. Схемы прогноза ВУЗВ и ЭВУЗВ, разработанные с учетом особенностей распространения примесей в городе Магнитогорске, позволят прогнозисту своевременно и обоснованно принимать решение о составлении предупреждений 2 и 3 степени опасности, что будет способствовать улучшению качества атмосферного воздуха в городе в периоды неблагоприятных метеоусловий (НМУ).


Список литературы

1. Система прогноза и предотвращения высоких уровней загрязнения воздуха в городах. С-Петербург. Гидрометеоиздат, 2004 г.
2. Руководящий документ. Методические указания по прогнозированию загрязнения воздуха в городах с учетом метеорологических условий. РД 52. 04. – 78 – 86. Москва, 1986.
3. Руководящий документ. Охрана природы. Атмосфера. Руководство по прогнозу загрязнения воздуха. РД 52.04.306-92. С-Петербург. Гидрометеоиздат, 1993 г.
4. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. Ленинград. Гидрометеоиздат, 1979 г.


Авторы
Т.С. Цапковская, А.В. Ильина


© Методический кабинет Гидрометцентра России