Сонькин Л.Р. "Синоптико-статистический анализ и краткосрочный прогноз загрязнения атмосферы- Л. Гидрометеоиздат-1991, 58-59, 124-127, 170-172с.

ОСОБЕННОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА В УСЛОВИЯХ ГОРОДА

Вопросы прогнозирования и предотвращения высоких уровней загрязнения воздуха представляют наибольший интерес в условиях городов. Характер загрязнения воздуха в городе, с одной стороны, определяется наличием на его территории большого количества различных источников выбросов. С другой стороны, в городе возникают качественно новые эффекты, которые определяются микрометеорологическими условиями, перемешиванием многих выбросов, характером застройки.
Показано, что главные особенности распространения примесей от отдельных объектов, расположенных в городах. в целом близки к тем, что и за их пределами, и подчиняются известным физическим закономерностям. В то же время в городе на ограниченной территории в атмосферу поступают выбросы из множества самых различных источников, существенно различающихся по своим свойствам. Попадающие в атмосферу примеси перемешиваются, в связи с чем значительные концентрации примесей могут наблюдаться в районах, где отсутствует прямое влияние источников выбросов. На характер распространения в городе поступающих в атмосферу примесей оказывают существенное влияние локальные изменения метеорологических условий: повышение температуры относительно окрестностей, городская циркуляция воздуха, разрушение нижней части приземных инверсий и формирование приподнятых, ослабление ветра в приземном слое и др. 
Очевидно, что основными причинами изменчивости загрязнения воздуха в городе являются колебания количества выбросов и метеорологические условия. Весьма существенно в данном случае, в какой степени метеорологические условия определяют колебания концентраций примесей в городском воздухе. Не вызывает сомнения, что по городу в целом изменения уровня загрязнения воздуха в основном связаны с условиями погоды. Действительно, значительное увеличение или уменьшение выбросов от одного дня к другому над всем городом одновременно может иметь место только в отдельных случаях, в частности, за счет изменений ото дня ко дню общего количества сжигаемого топлива при значительных колебаниях температуры воздуха. Однако имеются разработки, указывающие, что суточное количество потребляемого в городе топлива в меньшей степени связано с концентрациями примесей в городском воздухе, чем метеорологические параметры. Вывод о преобладающем влиянии метеоусловий на изменение концентраций сернистого газа в нижнем слое атмосферы в Ленинграде получен А. С. Зайцевым на основании изучения спектра концентраций сернистого газа, измеренных автоматически с помощью газоанализаторов ГКП-1. Показано, что основная часть обшей дисперсии концентраций связана с суточным циклом, который определяется главным образом метеоусловиями. Другой, меньший максимум спектральной плотности концентрации приходится на 6-часовой период и связан в основном с режимом выбросов. Отсюда следует, что осреднение значений концентраций примесей в воздухе за 6-часовой период в определенной степени ликвидирует составляющую загрязнения воздуха, не связанную с метеорологическими процессами.
Существенно, что и в случае одиночных высоких источников в реальных условиях зависимость концентраций примесей от метеорологических факторов проявляется в большей степени, чем от выбросов.
В то же время очевидно, что изложенные соображения относятся к преобладающим условиям. В конкретных случаях загрязнение воздуха может расти при значительном увеличении выбросов па предприятиях, в том числе при залповых выбросах, авариях и т. д. В связи с этим при решении вопроса о предсказании высоких уровней загрязнения воздуха следует иметь в виду возможность их возникновения вне зависимости от неблагоприятных метеоусловий.
Колебания количества поступающих в атмосферу примесей в наибольшей степени обусловливают изменчивость загрязнения воздуха в районах, прилегающих к источникам с низкими выбросами. А. С. Зайцевым показано, что концентрация окиси углерода вблизи автотрасс в основном определяется числом проходящих автомашин и в меньшей степени - влиянием метеоусловий . Можно сделать заключение, что чем ближе к источнику с низкими выбросами рассматриваются концентрации, тем они в большей степени зависят от количества поступающих в воздух вредных веществ. Следует, однако, иметь в виду, что рост концентрации вблизи низких источников имеет чисто локальный характер и существенно не отражается на среднем уровне загрязнения воздуха в городе.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА
В ГОРОДАХ

Изучение метеорологических условий загрязнения воздуха является основой для его прогнозирования, поскольку задача состоит в том, чтобы предсказывать и предотвращать высокие уровни концентраций, создаваемые при неблагоприятных метеорологических ситуациях.
Предотвращение увеличения загрязнения воздуха, обусловленного резким возрастанием выбросов, представляет собой, очевидно, чисто технический вопрос. Задачей метеорологического обеспечения является своевременное обнаружение и оповещение о росте концентраций, а также выявление источников выбросов, которые приводят к высоким концентрациям. Следует, однако, отметить, что при кратковременном увеличении количества выбросов эпизоды интенсивного загрязнения воздуха имеют, как правило, локальный характер. В то же время при неблагоприятных метеорологических условиях высокие концентрации примесей в приземном слое атмосферы во многих случаях охватывают всю территорию города и даже ряда городов, расположенных в одном географическом районе. Существенно, что рост концентраций примесей, создаваемый кратковременным увеличением количества выбросов, также имеет значительную метеорологическую обусловленность. Очевидно, что такой рост будет большим при неблагоприятных метеоусловиях.
Задача прогнозирования в данной работе решается с учетом физических процессов распространения примесей в районе крупных источников выбросов и особенностей загрязнения воздуха в конкретных городах. Сложность их учета определяется по крайней мере двумя обстоятельствами. Во-первых, как уже отмечалось, в городе множество источников выбросов с существенно различными характеристиками, и в районе каждого из них опасное скопление примесей в приземном слое воздуха возникает при неодинаковых метеорологических ситуациях. Во-вторых, зависимости загрязнения воздуха по городу в целом от метеоусловий являются сложными и неоднозначными, уровень загрязнения определяется многими факторами.
Выполненные исследования, результаты которых были изложены ранее, указывают на целесообразность разработки двух видов прогнозирования загрязнения воздуха: в районе отдельных источников и по городу в целом. Таким подходом устраняется по крайней мере одна из указанных сложностей проблемы - учет многообразия характеристик выбросов сводится к тому, что для каждого из наиболее существенных источников задача решается от-
дельно. При этом охватывается большое количество расположенных в городе объектов и в то же время используются сравнительно простые соотношения для одиночных источников. При проведении практических мероприятий по защите атмосферы не так важно, что анализируется и прогнозируется не реально наблюдаемая концентрация, а та ее часть, которая создается выбросами конкретного объекта.
Методы прогнозирования загрязнения воздуха по городу в целом основаны на результатах анализа влияния метеорологических и синоптических условий на концентрации примесей. Учет конкретных особенностей механизма загрязнения воздуха достигается благодаря тому, что прогностические схемы составляются по материалам наблюдений в каждом городе отдельно по сезонам, а также (по возможности) по частям суток. Этим учитываются изменения в течение года особенностей выбросов в атмосферу вредных веществ, климатические и микроклиматические условия в их годовом и суточном ходе.
Для наиболее полного учета физического процесса загрязнения воздуха в городе при разработке вопросов его прогноза следует учитывать возможную асинхронность связей между концентрациями и метеорологическими параметрами. Связи могут быть асинхронными - сначала устанавливаются какие-то метеорологические условия и только через некоторое время формируется соответствующий им уровень загрязнения воздуха. Но степень асинхронности связей неодинакова в разных ситуациях, что затрудняет их прямой учет в схемах прогноза. В то же время при использовании в прогностических схемах метеорологических параметров за предшествующий промежуток времени может отпасть необходимость предсказания предикторов, и таким образом будет исключена возможная ошибка их прогноза.
Одним из вариантов схем прогноза, который широко применяется во многих городах, включает метеорологические предикторы в ранние утренние часы (3-6 местного времени) и показатель загрязнения воздуха за первую половину дня и за день. В другом варианте используются предикторы за дневные часы (за 15ч) и показатель загрязнения за вторую половину дня и за вечер. При этом в случае сверхкраткосрочного прогноза (до 8- 10 ч) рассматриваются измеренные метеорологические параметры. При таком подходе для уточнения прогноза могут использоваться варианты прогностических схем с применением сложных физических характеристик, которые не предсказываются существующими методами. При включении в схемы прогноза в качестве предиктора исходного значения параметра Р в неявном виде учитывается асинхронная связь между концентрациями и теми метеорологическими условиями, которые в наибольшей степени определяют уровень загрязнения воздуха в городе.
Возможны варианты прогностических схем с асинхронными предикторами, отстоящими от срока отбора проб воздуха на 6-24 ч.

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА

Наиболее очевидный способ оценки эффективности методов прогноза загрязнения воздуха связан с расчетом коэффициента корреляции r между прогностическими и рассчитанными по фактическим данным значениям обобщенного показателя загрязнения воздуха в городе. Очевидно, что такая оценка может быть выполнена только для тех методов, которые позволяют предсказывать значение предикторов (параметров Р или Q). В нашем случае - это методы последовательной графической регрессии и множественной линейной регрессии. Метод распознавания образов позволяет предсказывать только группу загрязнения в городе, его эффективность не может быть оценена с помощью Q. Эффективность метода прогноза загрязнения воздуха можно считать удовлетворительной, если r не менее 0,7; в этом случае метод учитывает не менее половины общей изменчивости предиктанта. Однако в практической работе удобнее учитывать не ожидаемое значение параметра загрязнения воздуха в городе, а ожидаемую группу загрязнения - высокое (I), повышенное (II) и пониженное (III). Это и было положено в основу оценки прогнозов загрязнения воздуха в городе.