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»