Сонькин Л. Р., Берлянд М. Е., с. 69 – 67

НЕКОТОРЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗА СОДЕРЖАНИЯ ПРИМЕСЕЙ В ГОРОДСКОМ ВОЗДУХЕ.

Наиболее значительное скопление примесей в воздухе имеет место, когда повышенные выбросы осуществляются в период неблагоприятных для их рассеивания метеорологических условий. В связи с этим необходимо прогнозирование таких условий и предотвращение чрезмерных выбросов.

Отработка методики прогноза связана с изучением метеорологических факторов, определяющих значительное скопление примесей в приземном слое воздуха. Для отдельных случаев известны метеорологические условия, при которых отмечаются повышенные концентрации примесей в воздухе. Это в первую очередь относится к городам, где промышленные предприятия расположены за пределами жилых кварталов. Здесь необходимым условием; повышенного содержания примесей в воздухе является соответствующее направление ветра. При заданном направлении ветра метеорологические факторы, создающие наиболее интенсивное скопление примесей в приземном слое воздуха, в значительной степени были проанализированы в теоретических исследованиях [2 – 5]. С ними связаны опасная скорость ветра, зависящая от параметров выбросов, приподнятая инверсия, расположенная над источниками, туманы. На основании указанных зависимостей в некоторых городах (Дзержинск, Запорожье) начато оперативное метеорологическое обеспечение промышленных предприятий.

Значительно более сложной задачей является установление метеорологических условий повышенного содержания примесей в воздухе в городах, на территории которых расположено большое количество различных источников выбросов. Здесь практически невозможно учесть параметры выбросов от всех источников, тем более что многие из них оказываются случайными. Задача принимает статистический характер. В ряде работ [11 – 16 и др.], в том числе и в исследованиях, выполненных ранее автором [6 – 9], изучались связи между наличием примесей в воздухе в городах и метеорологическими условиями, а также синоптическими процессами. Получены отдельные статистически значимые связи, которые относительно четко проявляются в среднем, но в конкретных случаях могут иметь существенные исключения. При дальнейшем уточнения этих связей наибольшее внимание уделялось изучению метеорологических условий общего содержания примесей в воздухе над всем городом. Для его характеристики пользовались параметром P.

Метеорологические условия содержания примесей в воздухе в целом над городом изучаются отдельно по сезонам года. В данной работе приводятся результаты анализа материалов за холодное полугодие 1967 – 68 г. по городам Ленинград, Свердловск, Алма – Ата, Курск, Красноярск, а также за два холодных полугодия (1967 – 68 и 1968 – 69 гг.) по материалам г. Читы. При рассмотрении содержания примесей в воздухе в условиях застоя использованы также материалы Иркутска и Новосибирска за период октябрь 1967 г. – март 1968 г.

Само введение параметра Р может быть полезным для уточнения связей. Дело в том, что информация о концентрациях примесей в воздухе по ряду причин, в частности из-за непериодических колебаний выбросов, содержит случайную составляющую. С этим могут быть связаны нарушения установленных зависимостей. Параметр Р в меньшей степени, чем значения отдельных концентраций, подвержен влиянию случайных колебаний выбросов [10] и в большей степени определяется метеорологическими условиями. Таким образом, при использовании Р мы исключаем, по крайней мере одну из причин нарушения связей. Оказалось, однако, что и при этом полученные ранее связи между метеорологическими условиями и содержанием примесей в воздухе не всегда реализуются в конкретных случаях. Например, известно, что к опасным условиям в городах относится застой воздуха, характеризующийся очень слабыми ветрами (0 - 1 м/сек.) и приземными инверсиями. Анализ материалов по восьми указанным городам показал, что повторяемость повышенного содержания примесей в воздухе ( ) в условиях застоя составляет только 70%. В то же время высокие величины Р нередко имели место при условиях погоды, которые не всегда относят к неблагоприятным для больших городов.

Отсюда следует вывод, что отмеченные выше нарушения статистических связей определяются не только наличием случайной составляющей в информации, но и тем, что не учитываются некоторые существенные метеорологические факторы. При дальнейшем анализе, с одной стороны, более детально рассматривается проявление известных связей, с другой стороны, делается попытка выявить и рассмотреть новые факторы.

В первую очередь представляет интерес вопрос о том, как в среднем меняется содержание (примесей в воздухе при нарушении условий застоя сочетание штиля и приземной инверсии) в связи с усилением ветра и разрушением инверсии и какой из указанных факторов является более существенным. Оказывается, что усиление ветра до 1 – 2 м/сек. вызывает меньшее снижение содержания примесей в атмосфере, чем ликвидация приземной инверсии при сохранении штиля . Oслабление ветра до штиля оказывает двоякое воздействие на содержание примесей в воздухе. С одной стороны, концентрация примесей в приземном слое атмосферы должна сильно возрастать. В то же время неограниченно возрастает подъем перегретых выбросов, которые при отсутствии, ветра переносятся в более высокие слои атмосферы и рассеиваются. Однако если штиль сопровождается инверсией, то для поднимающихся выбросов создается потолок, препятствующий их дальнейшему подъему. В результате концентрации примесей у земли сильно возрастают. Именно поэтому в условиях штиля содержание примесей в воздухе резко снижается при отсутствии инверсий: когда штиль не сопровождается большой устойчивостью атмосферы, то даже низкие перегретые выбросы переносятся в более высокие слои и не загрязняют приземный слой воздуха. Таким образом, наличие штиля или слабого ветра само по себе не может рассматриваться в качестве неблагоприятной ситуации. Рассмотрение повторяемости слабых ветров как характеристики для оценки потенциала загрязнения воздуха зимой на обширной территории [1] оправдано тем, что они чаще всего сопровождаются устойчивой стратификацией.

Скорость ветра и устойчивость атмосферы не определяют полностью характер содержания примесей в воздухе, и учет только этих параметров недостаточен, таким образом, для его предсказания. При анализе других факторов представлялось естественным рассмотреть в первую очередь направление ветра. Обработка наблюдений за концентрациями примесей в отдельных точках ряда городов показала, что в большинстве случаев связь между содержанием примесей в воздухе и направлением ветра при таком анализе не обнаруживается [6]. Это объясняется особенностями распространения примесей в городе: большим числом источников с различными характеристиками выбросов, сложным полем ветра, созданием фоновой концентрации. В настоящей работе при обработке значений Р, характеризующих содержание примесей в воздухе по городу в целом, удалось обнаружить, что при определенных направлениях ветра в среднем содержание примесей в городской атмосфере повышено.

Таким образом, направление ветра можно рассматривать как один из самостоятельных факторов, определяющих загрязнение воздуха в городе. Скопление примесей в городском воздухе зависит от температуры воздуха в приземном слое: с относительно высокой температурой при прочих равных условиях связано повышенное загрязнение воздуха. Это часто бывает трудно проследить из-за наложения влияния других факторов. Например, к значительному скоплению примесей приводит застой воздуха, который обычно наблюдается при весьма низких температурах. Выход активных зимних циклонов обусловливает значительное повышение температуры и в то: же время приводит к очищению атмосферы от примесей. Следовательно, если рассматривать связь концентраций примесей в воздухе с ее температурой независимо от остальных условий погоды, то чаще обнаруживается не увеличение, а уменьшение содержания примесей в воздухе с ростом температуры, что будет определяться указанными выше сопутствующими явлениями.

Рис.1. Связь между содержанием примесей в воздухе (параметр Р) и дневной температурой в условиях сильного застоя. Чита

Таким образом, необходимо рассмотреть связь загрязнением воздуха и его температурой при примерно одинаковых других условиях погоды. Это удалось сделать по материалам городов Алма-Аты и Читы, где преобладают слабые ветры и изменчивость метеоусловий сравнительно невелика. По данным трех зимних месяцев г. Алма-Аты (декабрь 1967 г., январь и февраль 1968 г.) было отобрано 18 случаев, когда приземная инверсия сопровождалась скоростью ветра 0 - 1 м/сек. Для них исследовалась зависимость между величиной Р и максимальной температурой воздуха ( ) соответствующего дня. Оказалась, что имеется определенная положительная связь, выраженная коэффициентом корреляции = 0,47 0,19. При >0 в среднем Р = 0,43, < 0 Р = 0,24.

По наблюдениям в Чите отобрано 12 случаев, когда в условиях застоя воздуха в дневные часы сохранялась мощная приземная инверсия (мощностью не менее 500 м и интенсивностью не менее 5°). Здесь корреляция с температурой воздуха оказалась еще более тесной (рис. 1), = 0,66 0,17.

Тенденция к повышению содержания примесей в воздухе при относительно высокой температуре проявляется не только в условиях застоя. Так, в Ленинграде при зимних оттепелях и слабых ветрах содержание примесей в воздухе оказалось повышенным (Р>0,2) в 7 случаях из 8, в Свердловске при температуре воздуха в зимний период выше - 10° и скорости ветра 1 - 2 м/сек. - в 10 случаях из 13; в Красноярске при температуре воздуха выше 8° и скорости ветра не более 5 м/сек. повышенное содержание примесей в воздухе наблюдалось 9 раз из 11. Можно предположить две причины прямой связи содержания примесей в городском воздухе с его температурой. Во-первых в условиях застоя воздуха при низких зимних температурах усиливается эффект острова тепла и соответственно поступление в город относительно чистого воздуха вследствие местной циркуляции. Аналогичный вывод был сделан и И.А. Зильберштейном [5]. Вторая причина может быть связана с усилением всплывания перегретых выбросов при понижении температуры за счет увеличения разности температур между выбрасываемыми примесями и окружающим воздухом.

1 – Красноярск, 2 – Алма-Ата, 3 – Чита.

Рис.2. Автокорреляционная временная функция параметра Р

Существенное влияние на содержание примесей в городском воздухе оказывает инерционный фактор. Содержание примесей в воздухе по городу в целом в сильной степени зависит от его величины в предшествующие дни, причем это обстоятельство в ряде случаев является причиной нарушения известных связей.

Для изучения инерционного фактора был проведен анализ временной корреляционной функции величин Р, рассчитанной на ЭВМ "Урал – 4" по специально составленной программе. Ход функции для нескольких городов показан, на рис. 2. В связи с тем, что наблюдения за содержанием примесей в воздухе проводятся по скользящему графику (в понедельник, среду и пятницу в 15, 18 и 21 час; во вторник, четверг и субботу в 6, 9 и 12 час.) с выходным днем в воскресенье, интервалы в сутках между средними сроками оказались следующими: , , 2, , , 3, и т. д. Из рис. 2 видно, что устойчивая положительная корреляция сохра-няется в течение 4 - 5 суток. При интервале суток = 0,7 0,8, при интервале 4 – 5 суток =0,25 0,30.

Рассмотрим инерционный фактор в виде, удобном для использования в прогностических целях. в городском воздухе в последующий день. При этом особенно тесная связь обнаруживается между содержанием примесей в воздухе текущего дня по данным утренних наблюдений и предшествующего - по данным вечерних наблюдений. В табл. 3 приводятся также данные о содержании примесей в воздухе в условиях застоя в зависимости от величины Р в предшествующий день ( ). Наиболее примечательным является здесь то обстоятельство, что после дня с относительно чистым воздухом ( <0,1) и в условиях застоя повышенного содержания примесей не отмечается. Именно с этим связано большинство случаев, когда при застое воздух был сравнительно чист. Таким образом, обнаруживаются два вида инерции: метеорологическая и самого содержания примесей в воздухе. Метеорологическая инерция означает тенденцию к сохранению тех атмосферных факторов, которые определяют уровень содержания примесей в воздухе. Существенно в данном случае то, что некоторые из них могут быть неизвестны, и с помощью рассмотрения предшествующего содержания примесей в воздухе они в какой-то степени учитываются автоматически. Относительно чистый воздух в условиях застоя после дней с малыми значениями Р определяется инерцией самого содержания примесей в воздухе.

В периоды застоя воздуха проявление инерционного фактора в указанном выше виде нарушается. Скопления примесей в городском воздухе в эти периоды не происходит. По данным ряда городов нами выделен 21 случай застоя воздуха в зимний сезон с периодами длительностью не менее трех суток. Оказалось, что только в двух случаях, (причем оба раза застой продолжался только трое суток, отмечался непрерывный рост содержания примесей в воздухе. Таблица 4 дает представление об изменении содержания примесей в воздухе в течение рассмотренных периодов застоя. Таким образом, в течение периода застоя воздуха чаще всего наблюдается либо колебание содержания примесей в атмосфере с одним или несколькими максимумами, либо его уменьшение. Характерные примеры хода содержания примесей в воздухе в период застоя показаны на рис. 3. Очевидно, в рассматриваемых условиях имеются причины, препятствующие непрерывному росту содержания примесей в воздухе.

а) Красноярск, 30/I – 3/II 1968г.; б) Чита, 25 – 28/XII 1967г.; в) Красноярск, 6 – 9/XII 1967г.

Рис. 3. Характерные типы изменения содержания примесей в воздухе в период застоя воздуха.

Во-первых, при поступлении и рассеивания примесей в какой-то момент времени может наступить динамическое равновесие, так как при возрастании концентраций примесей в городе возрастает одновременно их удаление вследствие увеличения градиента концентраций. Во-вторых, в условиях застоя воздуха за счет скопления примесей, так же как и за счет снижения температуры (о чем ранее уже указывалось), усиливается эффект городского острова тепла, что приводит к оживлению турбулентного обмена. Оказалось, что наиболее опасными являются случаи возникновения застоя, если в предшествующий день, когда ситуация не была еще застойной, наблюдалось повышенное значение параметра Р. По материалам двух зимних сезонов г. Читы отобрано 19 таких случаев ( >0,25), при этом в среднем Р = 0,34. Если же застойная ситуация наблюдается не первый день, то при >0,25 по данным Читы в среднем содержание примесей в воздухе не столь значительно, Р = 0,28. Таким образом, опасным оказывается момент снижения скорости ветра до значений менее 1 м/сек. и наступление условий застоя воздуха. В этих условиях по данным всех рассмотренных городов наблюдалось 12 случаев (из 44) с наиболее значительным содержанием примесей в воздухе (Р >0,4). Из "приведенных материалов видно, что существует ряд причин метеорологического характера, определяющих концентрацию примесей в городском воздухе. Они находятся в сложном взаимодействии друг с другом и с особенностями распространения выбросов в городе. Однако можно выделить несколько метеорологических факторов, которые действуют совместно и в то же время (в некоторой степени) независимо друг от друга, определяя содержание примесей в городском воздухе: скорость ветра, устойчивость пограничного слоя атмосферы, направление ветра, температура приземного слоя воздуха, предшествующее загрязнение воздуха в городе. Полученные результаты позволяют в первом приближении сформулировать метеорологические условия повышенной концентрации примесей в воздухе для использования выводов в прогностических полях. По сути дела, речь идет о формулировании правил для прогноза содержания примесей в воздухе, поскольку метеорологические условия систематически предсказываются. Были сформулированы правила прогноза повышенного содержания примесей в воздухе и правила прогноза наиболее опасного скопления примесей в городском воздухе. В первом случае речь идет об альтернативном прогнозе повышенного содержания примесей в воздухе, за которое условно принято Р >0,2. Очевидно, что такие прогнозы представляют определенный интерес, хотя практическое значение их ограничено. Наибольший интерес представляют прогнозы дней с самым высоким содержанием примесей в воздухе, в течение которых реально требовать уменьшения выбросов и предотвращения опасности для здоровья людей.

Выделены следующие метеорологические условия, определяющие повышенное содержание примесей в воздухе (Р >0,2).

Застой воздуха (приземная инверсия и скорость ветра 0 - 1 м/сек.). В целом по всем рассмотренным городам повторяемость случаев с Р >0,2, как уже отмечалось, около 70%. Наиболее высокий процент отмечен в Алма-Ате (80%), Красноярске (78%), Иркутске (79%). Правило в указанном виде не оправдывается в Свердловске (33%) и Новосибирске (50%), что, по-видимому, связано с большим вкладом высоких выбросов, для которых, как известно, застой не является опасной ситуацией.
Застой воздуха в сочетании с относительно повышенным загрязнением воздуха в предшествующий день >0,15. В целом по всем рассмотренным городам повторяемость Р>0,20 составляет 88%. Это правило оправдывается по материалам каждого города в отдельности.
Неблагоприятные направления ветра. В каждом из рассмотренных городов имеется одно или несколько направлений ветра, при которых содержание примесей в воздухе относительно повышено. Повторяемость случаев Р>0,2 при таких неблагоприятных направлениях ветра по всем городам вместе составляет 75%.
Относительно высокая по сравнению со средними величинами температура воздуха при слабых ветрах. Это условие имеет высокую обеспеченность в Ленинграде, Свердловске, Красноярске, Алма - Ате, однако критерии для различных городов оказались разные. По указанным четырем городам повторяемость Р>0,2 составляет 80%.
Высокий уровень концентрации примесей в воздухе в предшествующий день при условии, что не ожидается резких изменений погоды, обусловливающих очищение атмосферы от примесей (выход развитого циклона, значительное увеличение градиента давления и др.).

Если в предшествующий день >0,3, то в последующий день по (материалам всех рассмотренных городов вместе независимо от других условий повторяемость Р>0,2 составляет 80%. Необходимость учета возможных резких изменений погоды при использовании инерционного фактора очевидна.

К метеорологическим условиям наиболее опасного скопления примесей в городском воздухе могут быть отнесены два типа случаев.

1. Случаи опасного содержания примесей в воздухе три сочетании нескольких указанных выше неблагоприятных метеорологических условий, включая >0,25 0,30. Ниже приводим условия наиболее интенсивного загрязнения воздуха для отдельных городов. Красноярск. Застой воздуха или относительно высокая температура (t >8) при слабых ветрах в сочетании с >0,3. В течение зимы наблюдалось 14 дней с указанными условиями, которые включали в себя все случаи наиболее интенсивного содержания примесей в воздухе. Алма - Ата. Застой воздуха при положительной максимальной температуре днем в сочетании с >0,30. 8 дней с указанными условиями включали все случаи с наиболее опасным скоплением примесей в воздухе. Ленинград. Слабый ветер (до 2 м/сек.) со стороны неблагоприятных направлений (В, ЮВ, ЮЗ) в сочетании с приземной инверсией. 16 дней с этими условиями включают все опасные случаи. Если поставить дополнительным условием >0,30, то остается только 6 дней с весьма интенсивным содержанием примесей в воздухе. Свердловск. Одно из трех неблагоприятных условий - застой воздуха, относительно высокая температура (t >-10) при слабом ветре и его неблагоприятном направлении (ЮВ, Ю) в сочетании с >0,25. 12 дней с указанными условиями включают все случаи опасного содержания примесей в воздухе. Чита. Приземная инверсия и штиль или наличие очень слабого переноса (скорость ветра 0 - 1 м/сек.) с С, СВ, В и ЮВ с исключением из рассмотрения наиболее холодных дней (t <-30°) при >0,15. За два зимних сезона было отмечено 22 дня с указанными условиями, которые включают все случаи наиболее интенсивного содержания примесей в воздухе.

2. Опасные скопления примесей в воздухе во всех рассматриваемых городах при уменьшении скорости ветра до величины менее 1 м/сек. и формировании застоя при условии, что в предшествующий день >0,25. Исходя из приведенных выше положений, в каждом из городов в течение зимнего сезона имеется возможность дать около 10 предупреждений об опасной концентрации примесей в воздухе, на основании которых городским властям следует принимать меры для сокращения выбросов примесей в воздух.

ЛИТЕРАТУРА

Безуглая Э. Ю. К определению потенциала загрязнения воздуха. – Тр. ГГО, 1968, вып. 234, с. 69-79.
Б е р л я н д М. Е. и др. О загрязнении атмосферы промышленности выбросами. – Метеорол. и гидрол., 1963, № 8.
Берлянд М. Е. Об опасных условиях загрязнения атмосферы промышленными выбросами. – Тр. ГГО, 1966, вып. 185.
Берлянд М. Е., О н и к у л Р. И., Рябова Г. В. К теории диффузии в условиях тумана, – Тр. ГГО, 1968, вып. 207.
Зильберштейн И. А. О загрязненности атмосферного воздуха в Чите. – "Охрана природы и воспроизводство естественных ресурсов". Вып. 1. Чита, 1967.
Сонькин Л. Р., Разбегаева Е. А., Терехова К. Н. К вопросу о метеорологической обусловленности загрязнения воздуха над городами. – Тр. ГГО, 1966, вып. 185.
С о н ь к и н Л. Р. Некоторые результаты синоптико-климатологического анализа загрязнения воздуха в городах. – Тр. ГГО, 1968, вып. 207.
Сонькин Л. Р., Ч а ликов Д. В. Об обработке и анализе наблюдений за загрязнением воздуха в городах. – Тр. ГГО, 1968, вып. 207.
Сонькин Л. Р. Анализ метеорологических условий опасного загрязнения воздуха в городах. – Тр. ГГО, 1968, вып. 234.