Climatic potential of atmosphere dispersion in the territory of the Urals

Full Text

С начала XXI в. в связи с возобновлением экономического роста в России отмечается рост объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных и передвижных источников. Основными факторами изменения уровня загрязнения воздуха в городах являются колебания объемов выбросов и изменчивость метеорологических условий рассеивания примесей в приземной атмосфере. При одних и тех же параметрах выбросов уровень загрязнения воздуха значительно изменяется в зависимости от конкретных атмосферных условий. Таким образом, для анализа и прогноза уровня загрязнения атмосферного воздуха необходим учет метеорологических факторов, способствующих накоплению, рассеиванию и вымыванию примесей из атмосферы. Для оценки способности к самоочищению приземной атмосферы в 1989 г. Т.С.Селегей [9] была введена новая комплексная характеристика в виде коэффициента самоочищения атмосферы: КСА = (Рш + Рт)/(Рв + Ро), (1) где Рш, Рт, Рв и Ро - повторяемости (%) штилей, туманов, скорости ветра у земли ≥ 6 м/с, числа дней с осадками ≥ 1 мм. В 1990 г. Т.С.Селегей [10] был предложен аналогичный комплексный показатель влияния метеоусловий на самоочищение атмосферы - потенциал рассеивания атмосферы (ПРА): ПРА = (Рш + Рт)/(Ро + Рв), (2) где Рш, Рт, Ро, Рв - повторяемости дней со штилями, туманами, осадками не менее 0,5 мм и скоростей ветра не менее 6 м/с. В формуле (2) правая часть осталась такой же, как в формуле (1), но для расчетов используется другая градация осадков - граничное значение суточного количества осадков, способствующих очищению атмосферы, с 1 мм уменьшено до 0,5 мм. Следует отметить, что рассчитанные по формулам (1) и (2) значения КСА и ПРА более 1,0 характеризуют метеорологические условия, способствующие накоплению примесей в атмосфере, а менее 1,0 - условия, благоприятные для самоочищения атмосферы. В публикации 2005 г. Т.С.Селегей и соавторов [11] формула (2) расчета потенциала рассеивания атмосферы была сохранена, но было указано, что надлежит различать климатический (КПРА) и метеорологический потенциалы рассеивания атмосферы (МПРА). Климатический потенциал рассеивания атмосферы характеризует многолетние средние условия самоочищения атмосферы, а метеорологический потенциал - условия самоочищения атмосферы за конкретный временной интервал (месяц, сезон, год). В [11] по значениям потенциала рассеивания атмосферы Т.С.Селегей и соавторы классифицируют метеорологические условия самоочищения атмосферы следующим образом: - при ПРА > 1 - неблагоприятные условия (НУ); - при ПРА > 2 - крайне неблагоприятные условия (КНУ); - при ПРА ≤ 1 - благоприятные условия (БУ). Далее, следуя логике авторов [11], можно предложить еще одну градацию для условий самоочищения атмосферы: - при ПРА ≤ 0,5 - крайне благоприятные условия (КБУ) для рассевания примесей в приземной атмосфере. С.Н.Лапина и соавторы [6], Ю.П.Переведенцев и Ю.Г.Хабутдинов [8], И.В.Латышева и соавторы [7] в своих публикациях для оценки условий самоочищения атмосферы в Саратовской области, в Казани и на южном побережье Байкала использовали аналогичные методики. С целью исследования пространственной и временной изменчивости многолетних средних условий самоочищения приземной атмосферы в регионе Урала использована методика Т.С.Селегей и соавторов [11]. Климатический потенциал рассеивания атмосферы (КПРА) был рассчитан по формуле (2). Для расчетов КПРА были использованы данные из справочников по климату СССР 1966 и 1968 годов издания [12-14]. К сожалению, по причине ограниченности исходной информации многолетние среднемесячные значения КПРА в Уральском регионе были рассчитаны только для одиннадцати метеостанций (МС): для четырех МС Свердловской области, двух МС Пермской области, двух МС Челябинской области, трех МС Курганской области. Так как на МС Тугулым в [13] отсутствуют данные по числу дней с осадками различной величины, для расчетов эти данные были взяты по ближайшей МС Талица, расположенной в сходных физико-географических условиях. Вследствие отсутствия исходных данных расчет КПРА в Башкирии произвести не удалось. Физико-географическая характеристика положения одиннадцати метеостанций Урала, данные которых были использованы для расчетов КПРА, представлена в таблице 1 [1-5; 15]. Две МС расположены на восточной окраине Восточно-Европейской равнины - это Кудымкар и Красноуфимск. Причем МС Красноуфимск находится в переходной зоне от Восточно-Европейской равнины к западным предгорьям Среднего Урала. Три МС расположены в горной части территории: МС Нижний Тагил и Бисер - в горной части Среднего Урала, а МС Златоуст - в горной части Южного Урала. Следует также отметить, что МС Нижний Тагил находится в переходной зоне от низкогорий Среднего Урала к восточным предгорьям Среднего Урала. Две МС расположены в восточных предгорьях Среднего Урала и Южного Урала - соответственно Свердловск (Екатеринбург) и Бреды. Четыре МС находятся на Западно-Сибирской равнине - это МС Тугулым, Шатрово, Курган и Усть-Уйское. Пять МС из одиннадцати расположены в лесной зоне, пять МС - в лесостепной, одна МС - в степной зоне (таблица 1 [1-5; 15]). Анализ рассчитанных величин КПРА позволил сделать основные выводы о пространственном и временном распределении КПРА в регионе Урала. Таблица 1 Физико-географическая характеристика местоположения метеостанций Метеостанция Высота метеоплощадки над уровнем моря, м Б.С. Характер рельефа Почва Глубина залегания грунтовых вод, м Природная зона Свердловская область Нижний Тагил 259 Крупнохолмистый Дерново-подзолистая среднесуглинистая, местами щебенчатая 3 Таежная зона, подзона южной тайги низкогорий Среднего Урала Тугулым 89,0 Слабохолмистый Подзолистая и слабовыщелоченный тяжелосуглинистый чернозем 4-7 Лесостепная зона, подзона осиново-берёзовых лесов Западно-Сибирской равнины Свердловск, город (Екатеринбург) 282 Крупнохолмистый Дерново-подзолистая среднесуглинистая, местами щебенчатая 40-50 Таежная зона, подзона южной тайги восточных предгорий Среднего Урала Красноуфимск 206 Крупнохолмистый Чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый 7-8 Лесостепная зона, подзона северной лесостепи Восточно-Европейской равнины Пермская область Кудымкар 141 Среднехолмистый Светло-серая оподзоленная среднесуглинистая 5 Таежная зона, восточная часть Восточно-Европейской равнины Бисер 463 Среднехолмистый Дерново-подзолистая среднесуглинистая, на возвышенностях каменистая, в понижениях заболоченная 3 Горный среднетаежный пояс низкогорий Среднего Урала Челябинская область Златоуст 532 Горный Подзолистая среднесуглинистая 5-6 Горный южнотаежный пояс смешанных лесов Южного Урала Бреды 309 Слабохолмистый Оподзоленный чернозем супесчаный, песчаная 6-7 Степная зона Южного Зауралья, восточные предгорья Южного Урала Курганская область Шатрово 114 Слабохолмистый Чернозем выщелоченный 1,5-2 Лесостепная зона Западно-Сибирской равнины Курган- Вороновка 72 Слабохолмистый Чернозем суглинистый и супесчаный, местами солонцы 6-8 Лесостепная зона Западно-Сибирской равнины Усть- Уйское 104 Слабохолмистый Песчаная и супесчаный 8-9 Лесостепная зона Западно-Сибирской равнины Годовые значения КПРА варьируются от 0,47 в Кудымкаре до 0,97 в Красноуфимске. Таким образом, на десяти МС исследуемого региона наблюдаются благоприятные условия для рассеивания примесей в атмосфере, а на одной МС (Кудымкар) - даже крайне благоприятные условия (рис. 1-4). В Свердловской области по годовым КПРА наилучшие условия для рассеивания в атмосфере характерны для низкогорий Среднего Урала - МС Нижнего Тагила (0,59) и восточных предгорий Среднего Урала - МС Свердловска (Екатеринбурга, КПРА 0,69). В Предуралье и Зауралье условия рассеивания несколько хуже - на МС Красноуфимск годовой КПРА равен 0,97, а на МС Тугулым он составляет 0,92. Такое пространственное распределение КПРА объясняется более высокой повторяемостью слабых ветров и туманов в Красноуфимске и Тугулыме (рис. 1). В Предуралье Пермской области на МС Кудымкар отмечены самые лучшие в исследуемом регионе средние годовые условия рассеивания в атмосфере - КПРА всего 0,47, что соответствует крайне благоприятным условиям. В горной части области, по данным МС Бисер, условия несколько хуже, здесь КПРА равен 0,76. Подобное пространственное распределение формируется вследствие того, что в Кудымкаре отмечаются низкие повторяемости слабых ветров и туманов, а также высокие повторяемости средних и сильных ветров (рис. 2). В Курганской области достаточно равное пространственное распределение годовых КПРА - от 0,58 в Кургане до 0,68 в Шатрово (рис. 3). В горной части Челябинской области отмечены самые лучшие условия рассеивания в атмосфере - на МС Златоуст КПРА равен 0,56. В степной части Южного Зауралья условия хуже - на МС Бреды КПРА составляет 0,86 (рис. 4). Такое пространственное распределение КПРА имеет причиной то, что в Златоусте наблюдаются низкие повторяемости слабых ветров и туманов при высоких повторяемостях осадков не менее 0,5 мм за сутки. В Свердловской области в годовом ходе месячные КПРА, как правило, имеют два максимума (худшие условия рассеивания примесей в атмосфере) и два минимума (лучшие условия рассеивания). Основные максимумы КПРА на трех МС отмечаются в августе. В Красноуфимске, Тугулыме и Нижнем Тагиле наибольшие КПРА равны 1,43; 1,24 и 1,05, что соответствует неблагоприятным условиям рассеивания. В Свердловске (Екатеринбурге) в августе наблюдается вторичный максимум КПРА (0,86), соответствующий благоприятным условия, а основной максимум КПРА здесь сдвинут на январь (1,07, неблагоприятные условия), когда на трех других МС фиксируется вторичный максимум КПРА - 1,36, 1,22 (неблагоприятные условия) и 0,76 (благоприятные условия). Следует указать на то, что в Красноуфимске вторичный максимум КПРА фактически характерен для января и февраля, когда он равен 1,36 и 1,35 соответственно. Основные минимумы КПРА на трех МС установлены осенью, в октябре и ноябре - на МС Нижний Тагил (0,37, крайне благоприятные условия рассеивания примесей в атмосфере) и на МС Свердловск (Екатеринбург) (0,43 и 0,45, крайне благоприятные условия), в октябре - на МС Красноуфимск (0,59, благоприятные условия). На четвертой МС Тугулым основной минимум КПРА отмечается в мае и равен 0,56 (благоприятные условия). Вторичные минимумы КПРА наблюдаются весной: в мае и марте - на МС Нижний Тагил (0,46 и 0,47, крайне благоприятные условия рассеивания), в мае - на МС Свердловск (Екатеринбург) (0,49, крайне благоприятные условия) и на МС Красноуфимск (0,67, благоприятные условия). На МС Тугулым вторичный минимум КПРА характерен для октября (0,63, благоприятные условия) (рис. 1). В Пермской области годовой ход КПРА в общих чертах схож с их годовым ходом в Свердловской области: здесь также имеются два максимума и два минимума. Основные годовые максимумы КПРА на двух МС зафиксированы в августе. В Кудымкаре и Бисере наибольшие из месячных КПРА равны 0,82 (благоприятные условия рассеивания примесей) и 1,15 (неблагоприятные условия). Вторичный максимум КПРА на МС Кудымкар отмечен в январе (0,47, крайне благоприятные условия), на МС Бисер - в январе и декабре (0,65 и 0,67, благоприятные условия). Основные годовые минимумы КПРА в Бисере приходятся на март и февраль (0,46 и 0,48, крайне благоприятные условия рассеивания), в Кудымкаре - на ноябрь и октябрь (0,28 и 0,31, крайне благоприятные условия). Вторичный минимум КПРА на МС Бисер отмечен в ноябре (0,61, благоприятные условия), на МС Кудымкар - в марте (0,36, крайне благоприятные условия) (рис. 2). Рис. 1. Внутригодовой ход КПРА в Свердловской области Рис. 2. Внутригодовой ход КПРА в Пермской области Следует отметить тот факт, что на МС Кудымкар Пермской области наблюдаются самые лучшие из всех одиннадцати МС условия рассеивания примесей в атмосфере, когда девять месяцев в году отмечаются крайне благоприятные условия рассеивания, а три месяца - благоприятные условия. Именно здесь отмечено самое низкое значение среди месячных КПРА, равное 0,28 (рис. 2). В Курганской области годовой ход КПРА достаточно схож с годовым ходом этой характеристики в Свердловской и Пермской областях. В Курганской области также имеются два максимума и два минимума КПРА (рис. 1-3). Рис. 3. Внутригодовой ход КПРА в Курганской области Рис. 4. Внутригодовой ход КПРА в Челябинской области Основные годовые максимумы КПРА на двух МС зарегистрированы в августе - на МС Шатрово (1,03, неблагоприятные условия рассеивания) и Кургане (1,00, благоприятные условия). На третьей МС Усть-Уйское основной максимум КПРА равен 0,85 (благоприятные условия) и зафиксирован в январе. В январе же на МС Шатрово и Кургане отмечаются вторичные максимумы (0,97 и 0,70, благоприятные условия рассеивания). А на МС Усть-Уйское вторичный годовой максимум КПРА приходится на январь (0,82, благоприятные условия). Основные годовые минимумы КПРА на всех трех МС области достаточно близки между собой (0,37 и 0,38, крайне благоприятные условия) и наблюдаются в мае. Вторичные годовые минимумы КПРА на всех трех МС характерны для октября и заключены в диапазоне 0,42-0,44 (крайне благоприятные условия) (рис. 3). В Челябинской области годовой ход КПРА имеет ряд отличий от хода КПРА в других областях (рис. 1-4). Основной годовой максимум КПРА на МС Златоуст отмечается в августе (1,00, благоприятные условия рассеивания примесей), вторичный - в феврале (0,53, благоприятные условия). На МС Бреды основной максимум характерен для января (1,18, неблагоприятные условия рассеивания примесей), вторичный - для сентября (0,91, благоприятные условия). Основной годовой минимум КПРА на МС Златоуст зафиксирован в марте (0,37, крайне благоприятные условия рассеивания), вторичный - ноябре и октябре (0,41 и 0,42, крайне благоприятные условия). Основной годовой минимум КПРА на МС Бреды наблюдается в мае (0,52, благоприятные условия рассеивания), вторичный - в октябре (0,71, благоприятные условия) (рис. 4). Полученные данные пространственно-временной изменчивости КПРА на территории Урала следует учитывать при планировании и осуществлении определенных практических мероприятий с целью управления качеством воздушного бассейна в данном регионе. При неблагоприятных и при крайне неблагоприятных условиях самоочищения атмосферы следует уменьшать объемы выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников, а также ограничивать количество автомобилей на городских улицах. При благоприятных и при крайне благоприятных условиях рассевания в атмосфере возможно увеличение до определенных пределов объемов выбросов от стационарных и передвижных источников. Так как на Урале выявлены изменения и колебания основных характеристик климата (скорости ветра, атмосферных осадков и атмосферных явлений) [16], а с начала 2000-х гг. отмечается рост количества стационарных и передвижных источников и, соответственно, увеличение объемов выбросов примесей в атмосферу, исследования по данной тематике являются актуальными и их следует продолжить.

About the authors

A. F Teterin

Institute of Industrial Ecology UB RAS, Atmosphere Laboratory

Email: taf@ecko.uran.ru
Candidate of Geography, Senior Researcher Ekaterinburg

Y. I. Markelov

Institute of Industrial Ecology UB RAS, Atmosphere Laboratory

Email: markelov@ecko.uran.ru
Candidate of Physics and Mathematics, Laboratory Chief Ekaterinburg

V. S Vorozhnin

Institute of Industrial Ecology UB RAS, Atmosphere Laboratory

Email: vvs@ecko.uran.ru
Junior Researcher Ekaterinburg

References

Supplementary files