• Проанализировать существующий уровень загрязнения атмосферного воздуха г. Донецка диоксидом азота.
• Выявить метеорологические условия, имеющие наибольшее влияние на уровни загрязнения.
• Оценить и выбрать предикторы для будущих схем прогноза загрязнения воздуха
• Проанализировать результаты прогнозов концентраций загрязняющих веществ приведенными методами.

Оксид и диоксид азота характерны для выбросов предприятий многих отраслей промышленности, особенно угольной и металлургической, а также для автотранспорта. Это связано с тем, что они образуются при очень высоких температурах (выше 700 ⁰С) и избытке кислорода. Кроме того, эти вещества выделяются при окислении бактериями азотсодержащих соединений в воде или почве. В дальнейшем оксид азота окисляется до диоксида азота, который может находиться в атмосфере в неизменном виде до 4 суток. В атмосферном воздухе они могут вступать в химические реакции с другими загрязнителями или с основными компонентами воздуха (кислородом, водяным паром), образуя вторичные загрязняющие вещества. В результате наблюдаются такие явления как кислотные дожди и фотохимический смог. В среднем кислотность осадков, выпадающих в основном в виде дождей, составляет 5-4,5, а туманы нередко имеют pH, равный 3-2,5. Ущерб, причиняемый биоте при выпадении кислотных осадков, наиболее заметно выражен в лесах и на озерах. Определенные виды деревьев (например, сосны) особенно чувствительны к изменению кислотности почвы. В некоторых случаях растения служат индикаторам и подобных воздействий: листья покрываются пятнами или обесцвечиваются. Повышение кислотности приводит к появлению в воде высокотоксичных ионов тяжелых металлов - кадмия, свинца и других, которые в составе нерастворимых в воде соединений не представляют угрозы живым организмам. Многочисленные исследования показали увлечение числа заболеваний дыхательных путей в районах, воздух которых загрязнен диоксидом азота. Попадая в дыхательные пути, он взаимодействует с гемоглобином крови, затрудняя перенос кислорода к органам и тканям, вызывает респираторные, астматические и сердечные заболевания.

Фотохимический смог образуется в результате химических реакций, эффективно протекающих при солнечном свете, и приводящих к образованию вторичных загрязнителей. В этих химических реакциях участвуют вещества, образующиеся при сжигании топлива в воздухе. При высокой температуре пламени молекулы кислорода и азота могут распадаться и при этом протекают следующие реакции:

O(г)+N₂(г)=NO(г)+N(г) (2)

N(г)+O₂(г)=NO(г)+O(г) (3)

Атом кислорода взаимодействует с молекулой азота с образованием оксида азота и атома азота. Взаимодействие атома азота с молекулой кислорода приводит к образованию оксида азота и атома кислорода, т.е. атом кислорода будет воссоздаваться, и участвовать во всей цепочке реакций, приводящих к образованию NO. Суммарная реакция имеет вид:

N₂(г)+O₂(г)=2NO(г)(4)

Образовавшийся оксид азота легко подвергается фотохимическому окислению с образованием диоксида азота, который является более токсичным веществом, чем оксид азота. Превращению NO в NO₂ также способствуют летучие органические соединения, присутствующие в выбросах двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине. Представим упрощенно выбросы от автотранспорта, взяв простую органическую молекулу, например CH4, для описания реакции взаимодействия с оксидом азота:

CH₄(г)+2O₂(г)+2NO(г) =H₂O(г)+HCHO(г)+2NO₂(г)

В этой реакции, во-первых, образуется NO₂, во-вторых, углеводород топлива окисляется до формальдегида, который обладает резким раздражающим действием на слизистые оболочки глаз и верхних дыхательных путей, а при высоких концентрациях является канцерогеном. Таким образом, диоксид азота, поступая в атмосферу от различных источников выбросов, оказывает отрицательное воздействие на окружающую среду, как в виде первичного, так вторичного загрязнения. Поэтому в настоящее время прогнозирование его концентраций на будущий период времениявляется актуальной проблемой.

Для составления прогноза концентраций оксидов азота необходимо определить и учесть все условия, при которых формируются повышенные уровни загрязнения атмосферного воздуха оксидами азота. Авторами [2] следующие факторы, влияющие на уровень концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе:

1) скорость ветра

зависимости от скорости ветра на уровне флюгера различают два максимума концентраций при штиле и при скорости ветра 4-7 м/с, соответственно. Штилевой максимум наиболее выражен зимой, так как из-за пониженного турбулентного обмена ослаблено рассеивание выбросов от низких и наблюдается поступление в приземный слой воздуха выбросов от высоких источников. Появление второго максимума концентраций летом связано с часто наблюдающимися конвективными условиями, при которых к земле интенсивно поступают выбросы от высоких источников;

2)инверсии температуры

С приземными инверсиями связан ослабленный турбулентный обмен и интенсивное загрязнение атмосферы низкими выбросами.

При приподнятых инверсиях, нижняя граница которых расположена над источниками загрязнения, происходит интенсивное загрязнение атмосферы выбросами высоких источников;

3)устойчивость атмосферы

Зависимость загрязнения воздуха от атмосферной устойчивости в значительной степени определяется скоростью ветра:

-загрязнение воздуха в наибольшей степени зависит от термической стратификации при очень слабых ветрах. При этом с усилением устойчивости концентрация примесей в городском воздухе увеличивается;

-при умеренных ветрах (4-7 м/с) с усилением устойчивости загрязнение воздуха снижается. Высокие концентрации примесей имеют место при неустойчивой стратификации, что определяется вкладом высоких источников;

-при сильных ветрах связь между загрязнением воздуха и атмосферной устойчивостью практически отсутствует;

4)толщина слоя термодинамического перемешивания

Это параметр, характеризующий распространение неустойчивого слоя воздуха по вертикали, широко используется американскими исследователями [2] при прогнозировании загрязнения воздуха. При этом принимается, что с уменьшением толщины слоя концентрация диоксида азота возрастает. Ряд наблюдений подтвердил этот вывод только при слабых ветрах в слое перемешивания. Если ветры сильные, то при малой толщине слоя перемешивания загрязнение в городе невелико. Роль этого параметра возрастает в летний сезон, когда связь между концентрацией и вертикальным градиентом температуры ослаблена;

5)направление ветра

Влияние направления ветра на загрязнение городского воздуха определяет целый ряд факторов, а именно: расположение источников выбросов, рельеф, местная циркуляция, воздействие самих объектов на ветровой режим, а также взаимосвязь указанных факторов;

6)температура воздуха

Влияние температуры воздуха на концентрацию примеси определяет, в некоторой степени, годовой ход загрязнения воздуха. Летом по сравнению с зимой сильно уменьшается перегрев выбросов относительно окружающего воздуха. Это, вероятно, является одной из причин того, что, несмотря на снижение летом общего количества выбрасываемых примесей, максимум концентраций наблюдается именно в этот период;

7)Осадки

Осадки вымывают примесь из воздуха и восстановление уровня загрязнения происходит в течение определенного времени порядка нескольких часов;

8)туманы

В туманах происходит поглощение примесей ядрами конденсации. В частности, диоксид азота может взаимодействовать с каплями воды, образуя смесь HNO₂+HNO₃, что усиливает его раздражающее

9)инерционный фактор

Этот фактор особенно четко проявляется при рассмотрении обобщенных характеристик загрязнения воздуха в городе. Содержание примесей в городском воздухе существенно зависит от значения обобщенных показателей загрязнения воздуха в предшествующие дни, причем это обстоятельство в ряде случаев является причиной нарушения известных связей между загрязнением воздуха и метеорологическими условиями. Это фактор связан с;метеорологической инерцией то есть с тенденцией к сохранению тех метеорологических условий, которые определяют уровень содержания примесей в воздухе.

В работе [3] для г. Донецка были выделены такие неблагоприятные метеорологические условия, как повторяемость слабых ветров 2-5 м/с(30%), приподнятых инверсий температуры (30%), сильное влияние приземных инверсий на накопление вредных веществ, поступающих в атмосферу от множества низких источников, а также и от высоких источников после разрушения приземных инверсий из-за сильного турбулентного перемешивания воздуха.

Изучение метеорологических условий загрязнения воздуха является основой для его прогнозирования. Связи между концентрацией и метеорологическими факторами носят сложный характер и при разработке прогностических схем большое значение имеет выбор метода, который позволил бы максимально учесть реальный вид связей. В настоящее время разработаны схемы прогноза загрязнения воздуха методом последовательной графической регрессии [4], с использованием множественной линейной регрессии [5], основанные на анализе временных рядов

Сущность метода последовательной графической регрессии заключается в следующем. На первом этапе строятся графики, на каждом из которых устанавливаются зависимости обобщенного показателя загрязнения воздуха в городе от пар предикторов. На каждом из предварительных графиков проводятся изолинии показателя загрязнения воздуха, строится поле загрязнения, определяемое двумя предикторами (П₁, П₂). На следующем графике устанавливается зависимость загрязнения атмосферы от П₁ и П₂ и через них от четырех предикторов:

П₃=f[П₁(X_i, X_j), П₂(X_k, X_l)]

Попарное объединение графиков проводится до тех пор, пока на конечном графике не устанавливается зависимость обобщенного показателя загрязнения воздуха в городе от всех использованных предикторов. К главному преимуществу этого метода относят учет реально существующих сложных связей между загрязнением воздуха в городе и метеорологическими условиями, а также предшествующим уровнем концентрации. Кроме прогноза показателя загрязнения воздуха Р (представляет собой отношение количества наблюдений с концентрацией примеси, превышающей среднесезонное значение более чем в 1,5 раза, к общему числу наблюдений за концентрацией примеси в течение дня на всех стационарных постах), на конечном графике выделяются три области, соответствующие группам высокого, повышенного и пониженного уровня загрязнения атмосферы. Во время авторских испытаний было составлено около 1000 прогнозов групп загрязнения воздуха, оправдываемость составила 80-90%. К существенным недостаткам данного метода относятся: во-первых, его сложность для практического использования; во-вторых, необходимость в некоторых случаях предварительного установления связей и, следовательно, конфигурации областей на графиках, где должны преобладать высокие и низкие значения предиктанта и, в-третьих, использование двух предикторов, на стадии построения предварительных графиков, не всегда однозначно определяет уровень загрязнения воздуха в городе.

Прогностический расчет с использованием метода множественной линейной регрессии также учитывает нелинейности связей между концентрациями загрязняющих веществ и влияющими на них факторами. Нелинейность связей между загрязнением воздуха и метеорологическими параметрами можно учесть и исключить с помощью специальных преобразований. Преобразование заключается в том, что с помощью кривых или таблиц зависимостей, построенных по использованному для разработок материалу наблюдений каждое значение предиктора заменяется на соответствующее ему значение характеристики загрязнения воздуха. Украинским Гидрометеоцентром были предложены уравнения для прогноза нормированной концентрации на сутки диоксида азота отдельно по сезонам[6]:

Q^_NO2=0.58t₀₃+0.58V₀₃+0.96Q'-1.12 (зима)

Q^_NO2=0.36_d03+0.74d₁₅+0.58C+0.93Q'-1.58 (лето)

В прогностическую схему включены следующие факторы:

t₀₇- нормированная температура воздуха на уровне флюгера, °С;

V₀₇ - нормированная скорость ветра на уровне флюгера, м/с;

d₀₇,d₁₉- нормированное направление ветра;

С - прогноз типа синоптической ситуации;

Q' - отношение средней концентрации диоксида азота за предыдущие сутки к средней за сезон.

Испытания предложенной методики [7] показали низкую оправдываемость прогнозов. Недостаточно высокая точность прогноза объясняется тем, что за последние 10 лет после разработки методики произошли изменения климатических характеристик в г. Донецке (изменение средней годовой температуры, преобладающего направления ветра). Поэтому для повышения достоверности прогноза необходимо пересчитать величины нормированных предикторов, а также учесть в уравнениях такие существенные метеорологические параметры как вертикальный температурный градиент для зимнего периода и толщина слоя перемешивания для летнего периода.

Временной ряд представляет собой последовательность упорядоченных во времени числовых показателей, характеризующих уровень развития изучаемого явления. Цель анализа временных рядов заключается в определении закономерностей его развития и прогнозировании (предсказании) его будущих значений по настоящим и прошлым. Общая тенденция развития временного ряда, являющаяся результатом действия всех причинных факторов, имеет вид трендовой модели:

Y_t=f(t)+ε_t;

где f(t)-уровень, определяемый тенденцией развития (тренд);

ε_t - случайное отклонение от тенденции (случайный шум).

Для того чтобы несистематические компоненты взаимно погасили друг друга проводят сглаживание временного ряда. Существует несколько способов локального усреднения данных: скользящее среднее, медианное сглаживание, метод наименьших квадратов, метод отрицательного экспоненциального сглаживания. Во временных рядах может встречаться такой тип компонент как сезонность. Она означает, что каждое наблюдение похоже на наблюдение, имевшееся в этом же периоде в прошлом. Для выявления сезонной составляющей используют автокореллограмму, показывающую численно и графически коэффициенты автокорреляции (и их стандартные отклонения) для последовательности лагов из определенного диапазона. Чтобы удалить периодическую составляющую для данного лага k нужно из каждого i-го элемента ряда вычесть (i-k)-й элемент.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. В настоящее время уровень загрязнения атмосферного воздуха диоксидом азота в общем по г. Донецку является пониженным. Но на отдельных постах (№ 5,7) набдюдается высокий уровень загрязнения. Это связано с увеличением объемов выбросов загрязняющих веществ близлежащими предприятиями, что при наступлении неблагоприятных метеорологических условий может привести к серьезным последствиям.

2. Инверсии температуры, повторяемость слабых ветров и ветров юго - восточного направления являются наиболее сущетсвенными факторами, влияющими на формирующийся уровень загрязнения атмосферы.

3. В качестве предикторов в будущих схемах прогноза предлагается использовать: скорость ветра, направление ветра, уровень загрязнения атмосферного воздуха в предыдущий прогнозу день, температуру воздуха и толщину слоя термодинамического перемешивания (для лета) и вертикальный температурный градиент (для зимы).

4. Планируется использование схем прогоноза загрязнения атмосферного воздуха диоксидом азота для г. Донецка методом множественной регресии отдельно по сезонам года, а также разработка методов прогноза с использованием временных рядов.

Перечень литературы

1."Довідка про стан забруднення повітря в містах Донецьку та Макіївці у 2001р.", м. Донецьк - 2001р., 14 с.

2. Сонькин Л. Р. "Синоптико - статистический анализ и краткосрочный прогонз загрязнения атмосферы" Л.: Гидрометеоиздат - 1991, 223 с.

3. Безуглая Э. Ю., Расторгуева И. В. и др. "Чем дышит промышленный город" Л.: Гидрометеоиздат - 1991, 253 с.

4.РД 52.04 78-86 Методические указания по прогнозированию загрязнения воздуха в городах с учетом метеорологических условий М.: Гидрометеоиздат - 1986, 54 с.

5.К методике прогноза загрязнения атмосферы К.: - 1985, 18с.