Влияние метеорологических факторов на уровень загрязнения

Влияние метеорологических факторов на уровень загрязнения
атмосферного воздуха в городах Республики Молдова
Др. Боян И. первый вицедиректор Государственной Гидрометеорологической Службы,
Грибкова Т. начальник Центра Прогноза Загрязнения Атмосферного воздуха,
Катенко Г. главный специалист Центра Прогноза Загрязнения Атмосферного воздуха.
Введение
В последние десятилетия антропогенные факторы загрязнения
атмосферы стали превышать по масштабам естественные, приобретая
глобальный характер. Выбрасываемые в атмосферу вредные примеси не
только уничтожают живую природу, отрицательно воздействуют на здоровье
людей, но и способны изменить свойства самой атмосферы, что может
привести к нежелательным экологическим и климатическим последствиям.
Мощными антропогенными источниками, негативно воздействующими
на качество атмосферного воздуха в республике, являются автотранспорт и
предприятия теплоэнергетики.
В 2007 году доля загрязняющих выбросов от автомобилей в общем
объеме загрязнителей атмосферного воздуха в республике составила 89.1 %,
в муниципии Кишинэу - 95.6 %, Бельцах – 92.5 %, Сороке – 75.2 %, Единцы
– 72.9 %, Кагуле – 69.3 % [1]. Выхлопные газы автомобилей содержат около
280 вредных компонентов.
Объём выбросов в республике от стационарных источников
промышленных предприятий в 2007 году составил 19,8 тыс. тонн или 11% от
общих выбросов [1]. Основными загрязняющими веществами в выбросах
являются твёрдые частицы (пыль, сажа, металлы) и газообразные вещества
(окислы азота, двуокись серы, окись углерода). Кроме этих веществ, каждое
предприятие добавляет в атмосферу сотни других веществ, обусловленных
спецификой производства.
По данным Государственной Гидрометеорологической Службы за 2008
год, наибольшее загрязнение в республике (из определяемых примесей)
отмечалось: в мун. Кишинэу диоксидом азота и взвешенными веществами, в
мун. Бэлц взвешенными веществами, в мун. Тираспол фенолом [2] (Таб. 1).
Таблица 1
Качество атмосферного воздуха в городах Республики Молдова, 2008 г.
Число дней с превышением ПДКм.р.
Город
Число дней с
взвешенные
диоксид
фенол
наблюдениями
вещества
азота
Кишинэу
45
178
20
251
Бэлц
42
5
301
Тираспол
18
33
89
285
Бендер
0
1
283
Рыбница
6
5
285
1
На уровень загрязнения и распространение вредных примесей в
приземном слое атмосферы существенно влияют метеорологические
факторы.
Перенос и рассеивание вредных примесей, поступающих в атмосферу,
происходит по законам турбулентной диффузии [3], т.е. зависит от
вертикального распределения температуры (термическая стратификация) и
скорости ветра. Если температура с высотой падает и возникает
неустойчивая стратификация, то создаются условия интенсивного
турбулентного обмена, концентрация загрязняющих веществ уменьшается.
Если в приземном слое атмосферы температура с высотой растёт (инверсия
температуры), то рассеивание примесей ослабевает, так как возникают
задерживающие слои, которые ограничивают подъём выбросов и
способствуют их накоплению в приземном слое.
Необходимо отметить, что в атмосфере так же происходит
гравитационное оседание крупных частиц, химические и фотохимические
реакции между различными веществами, перенос их на значительное
расстояние и вымывание из атмосферы осадками. Под влиянием этих
факторов, даже при условии постоянных выбросов вредных веществ, уровень
загрязнения приземного слоя воздуха может изменяться в очень широких
пределах.
Метеоусловия (неблагоприятные метеорологические условия), которые
способствуют накоплению вредных примесей (штиль, туман, опасное
направление и скорость ветра, задерживающие слои, высокая температура
воздуха), могут увеличить концентрации вредных веществ в 2-3 раза [4].
Содержание примесей в городском воздухе и, соответственно, уровень
загрязнения зависит от особенности развития синоптических процессов.
Анализ случаев высокого загрязнения воздуха выявил характеристики
синоптических процессов, способствующих созданию высоких уровней
загрязнения воздуха.
Результаты и обсуждения
Были исследованы синоптические условия загрязнения воздуха
диоксидом азота в мун. Кишинэу (рис.1), взвешенными веществами в мун.
Белц (рис.2) и проанализированы дни, когда отмечалось превышение ПДК.
2
%
70
60
50
40
30
20
10
0
Повторяемость числа случаев (%)
с превышением ПДКм.р.
Малоградиентное
поле
61
Гребень
43
Антициклон
28
Ложбина
35
Циклон и его
периферия
5
Рис. 1. Повторяемость числа случаев (%) с превышением ПДКм.р. по
диоксиду азота при различных синоптических ситуациях,
мун. Кишинэу, 2007 г.
Наибольшая повторяемость превышений максимально разовых ПДК по
диоксиду азота в мун. Кишинэу отмечалась в малоградиентном барическом
поле и гребне.
При активной циклонической деятельности отмечалось наименьшее
число случаев с превышением максимально разовых ПДК.
%
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Малоградиентное поле
Повторяемость числа случаев (%) с
превышением ПДКм.р.
17
Гребень
8
Антициклон
11
Ложбина
9
Циклон и его периферия
0
Рис. 2. Повторяемость числа случаев (%) с превышением ПДКм.р.
взвешенными веществами при различных синоптических
ситуациях, мун. Бэлц, 2007 г.
3
Наибольшая повторяемость превышений максимально разовых ПДК по
взвешенным веществам в мун. Бэлц отмечалась в малоградиентном
барическом поле и антициклоне.
В мун. Тираспол наибольшее количество дней с превышением
максимально разовых ПДК по фенолу отмечалось, когда территория
республики находилась так же под влиянием антициклона и в
малоградиентном барическом поле (рис.3).
% 40
35
30
25
20
15
10
5
0
Повторяемость числа дней (%) с
превышением ПДКм.р.
Малоградиентное
поле
38
Гребень
23
Антициклон
38
Ложбина
27
Рис. 3. Повторяемость числа дней (%) с превышением ПДКм.р. по фенолу
при различных синоптических ситуациях, мун. Тираспол, 2008 г.
Из полученных данных можно сделать вывод, что уровень загрязнения
повышается при следующих синоптических ситуациях: малоградиентное
барическое поле, антициклоническая кривизна изобар. Концентрации в
городе понижены в ситуации с активной циклонической деятельностью.
Известно, что определённой синоптической ситуации свойственна своя
система воздушных течений, которая в большей или в меньшей степени
влияет на распределение примесей. Антициклон и гребень – области
повышенного атмосферного давления. В этих барических системах
преобладают нисходящие движения воздуха и малооблачная погода, без
осадков [8]. Это является одной из причин повышенных концентраций в
приземном слое атмосферы. Циклон и ложбина – области пониженного
давления, в которых преобладают восходящие движения воздуха и облачная,
часто с осадками погода [8]. Уровень загрязнения в этот период
преимущественно пониженный.
Следует отметить, что полученные связи между характеристиками
загрязнения воздуха и синоптическими ситуациями сложны и неоднозначны.
4
Однако учёт синоптической обусловленности колебаний концентраций
примесей в приземном слое воздуха является полезным при прогнозе и в ряде
случаев позволяет предсказать случаи экстремально высоких концентраций.
Загрязнение атмосферы неодинаково в разные времена года.
Представляет интерес и зависимость уровня загрязнения воздуха от сезонов
года. В различные сезоны по-разному проявляется действие основных
климатообразующих факторов. В республике основные черты климата
формируются под влиянием солнечной радиации, зависят от особенностей
сезонной атмосферной циркуляции и характера подстилающей поверхности.
В зависимости от сезона меняется количественный и качественный состав
вредных веществ в атмосфере.
Были рассмотрены фактические данные загрязнения атмосферного
воздуха по городам республики, где проводились наблюдения, за период
2004-2008 гг. Для количественной характеристики уровня загрязнения
атмосферы приоритетными веществами в целом по городу использовался
комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА).
Диаграммы рассчитанных значений ИЗА по сезонам года приведены
на рис 4.
ИЗА
ИЗА
8
8
7
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
зима
весна
а)
лето
осень
зима
весна
лето
осень
б)
5
ИЗА
ИЗА
8
8
7
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
зима
весна
лето
осень
зима
в)
весна
лето
осень
г)
ИЗА
8
7
6
5
4
3
2
1
0
зима
весна
лето
осень
д)
Рис. 4. Рассчитанные значения ИЗА приоритетными веществами
(взвешенные вещества, диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота, фенол,
формальдегид), а) Кишинэу, б) мун. Бэлц, в) мун. Тираспол, г) гор. Рыбница,
д) мун. Бендер.
Из приведённых диаграмм видно, что наиболее высокий уровень
загрязнения в мун. Кишинэу, Бэлц, Тираспол, Бендер и г. Рыбница отмечался
летом.
Лето в республике обычно жаркое и чаще всего засушливое, что
обусловлено наиболее высокой в этот сезон интенсивностью солнечной
радиации и слабой адвекцией [6].
Солнечная радиация значительно влияет на формирование загрязнения.
Под действием солнечной радиации в атмосфере происходят
6
фотохимические реакции и образуются вторичные продукты, обладающие
часто более токсичными свойствами, чем первичные загрязнители. Так в
результате сжигания твёрдого, жидкого и газового топлива образуется
значительное количество окислов азота, особенно много их содержится в
выбросах автомашин. В ясные солнечные дни создаются условия взаимного
превращения диоксида азота в оксид азота с образованием озона, что
способствует образованию фотохимического смога. При высокой
интенсивности солнечной радиации усиливаются реакции образования
формальдегида из углеводородов [3].
В летнее время для республики характерно преобладание
антициклонической
циркуляции над циклонической. Циклоническая
деятельность в этот сезон года выражена слабо [6]. Анализ материалов
наблюдений показал, что к повышению уровня загрязнения воздуха
приводят: увеличение антициклонической кривизны приземных изобар,
малоградиентное барическое поле, повышение температуры воздуха при
слабом ветре.
Для состояния атмосферы представляет опасность приземная инверсия
температуры в сочетании со слабым ветром, т.е. ситуация застоя воздуха.
При наличии штилевого слоя от поверхности земли до уровня 30 метров
концентрации вредных веществ от некоторых источников увеличиваются на
70%.
В летний сезон, по данным наблюдений за 10-летний период, в мун.
Кишинэу отмечалась наибольшая повторяемость приземных инверсий при
скорости ветра 0-1 м/сек [7] (рис. 5).
%
60
50
40
30
20
10
0
зима
весна
лето
осень
Рис. 5. Повторяемость (%) приземных инверсий при скорости ветра
0-1 м/с у земли (застоев воздуха), мун. Кишинэу.
При исследовании уровня загрязнения атмосферы отдельными
примесями за 2004-2008 гг. (рис. 6) наиболее высокий уровень загрязнения
7
диоксидом азота в мун. Кишинэу (а) и фенолом в мун. Тираспол (б) отмечался
так же в летний сезон.
%
%
40
40
35
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
0
зима
весна
лето
осень
зима
весна
лето
осень
а)
б)
Рис. 6. Повторяемость числа случаев (%) с превышением ПДКм.р.
а) по диоксиду азота, мун. Кишинэу, б) по фенолу, мун. Тираспол.
Уровень загрязнения воздуха взвешенными веществами (рис. 7) в мун.
Кишинзу (а) и Бэлц (б) отмечался наиболее высокий в весенний период.
%
%
50
50
45
45
40
40
35
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
0
зима
весна
лето
осень
зима
весна
лето
осень
а)
б)
Рис. 7. Повторяемость числа случаев (%) с превышением ПДКм.р.
по взвешенным веществам, 2004-2008 гг.
а) мун. Кишинэу, б) мун. Бэлц.
Одной из причин более высокого уровня загрязнения взвешенными
веществами в весенний период является перенос ветром пыли с газонов,
8
полей (отсутствие зелени) и автотранспортом с проезжей части улиц, так как
после таяния снегов на проезжей части остаётся много песка и пыли.
В зимний период отмечалась наиболее благоприятная экологическая
обстановка. Однако следует отметить, что иногда в зимнее время, чаще всего
при понижении температуры, отмечается повышение уровня загрязнения.
Это в первую очередь характерно для антициклонической погоды, когда при
низких температурах воздуха устанавливается устойчивая термическая
стратификация.
Заключение
Данный обзор позволил определить (установить) зависимость уровня
загрязнения воздуха в городах республики от синоптической ситуации, так
как синоптическая ситуация представляет собой сложный комплекс
метеорологических характеристик и отражает многообразие процессов,
происходящих в атмосфере. Выявлены следующие характеристики
синоптических процессов, при которых отмечались повышенные
концентрации вредных примесей: антициклон, гребень, малоградиентное
барическое поле. Значительное увеличение уровня загрязнения отмечалось в
антициклонах, которым соответствовала область тепла. В холодных
антициклонах экологическая ситуация более благоприятная.
Необходимо отметить, что повышенный уровень загрязнения воздуха в
городе формируется, когда данные синоптические ситуации отмечаются не
менее двух дней подряд. Быстро смещающиеся антициклоны и гребни не
определяют формирования высокого уровня загрязнения в городах.
Приведенный выше анализ представляет интерес для
работ по
прогнозированию уровня загрязнения атмосферы. Но при составлении
прогноза следует учитывать, что связь между уровнем загрязнения воздуха и
метеорологическими
условиями
очень
сложная.
Поэтому
при
прогнозировании необходимо использовать не отдельные метеорологические
характеристики, а комплексные параметры соответствующие определённой
синоптической ситуации.
Такие работы необходимы так же для принятия мер при аварийных
ситуациях и для уменьшения влияния загрязнения атмосферы на здоровье
людей.
Список литературы:
1. Ministerul Ecologiei şi Resurselor Naturale. Calitatea factorilor de mediu şi
activitatea Inspectoratului Ecologic de Stat în anul 2007, Chişinău. 2008. p.31-35.
2. Serviciul Hidrometeorologic de Stat. Starea calităţii aerului atmosferic pe
teritoriul Republicii Moldova în anul 2008 anul. Anuar. Chişinău. 2009. 3.
3. Берлянд М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и
загрязнение атмрсферы. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1975.
4. Зверев А.С. Синоптическая метеорология. Ленинград: Гидрометеоиздат,
1977. с. 9-11.
5. Климатические характеристики условий распространения примесей в
атмосфере. Справочное пособие. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1983. с. 287.
9
6. Лассе Г.Ф. Климат Молдавской ССР. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1978.
с. 32-35.
7. РД 52.04.306-92. Руководство по прогнозу загрязнения воздуха. СанктПетербург: Гидрометеоиздат, 1993. с. 14-18.
8. РД 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы.
Москва 1991. с. 397-398.
10