Повторяемость инверсий и их влияние на уровень загрязнения атмосферного воздуха в г. Челябинске

Вестник Челябинского государственного университета. 2011. № 5 (220). Экология. Природопользование. Вып. 5. С. 84-89.

Н. В. Ячмёнева, А. Ю. Гольвей

ПОВТОРЯЕМОСТЬ ИНВЕРСИЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА УРОВЕНЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В Г. ЧЕЛЯБИНСКЕ

Повышение концентрации загрязняющих веществ в воздухе промышленного города отмечается в периоды неблагоприятных метеорологических условий, одним из которых является температурная инверсия в пограничном слое атмосферы. Проведено сравнение повторяемости повышенного уровня загрязнения атмосферы с повторяемостью инверсий по данным инструментальных замеров в г. Челябинске в 2007 г. Выявлена их хорошая согласованность как по комплексному показателю Р, так и по отдельным загрязняющим веществам.

Ключевые слова: мониторинг загрязнения атмосферы, инверсии температуры пограничного слоя атмосферы, метеорологический температурный профилемер.

В результате хозяйственной деятельности человека в атмосферу попадает большое количество загрязняющих веществ. Наиболее значительные изменения качества атмосферного воздуха наблюдаются в крупных городах [4]. Резкое возрастание концентрации загрязняющих веществ происходит в период возникновения неблагоприятных метеорологических условий, способствующих накоплению промышленных и автомобильных выбросов в нижних слоях атмосферы [1; 3]. К таким неблагоприятным условиям относится инверсия, представляющая собой задерживающий слой теплого воздуха, который препятствует рассеиванию примесей по вертикали. Возникают инверсии под воздействием радиационных и адвективных факторов; кроме того, дополнительные условия для образования инверсий создают рельеф местности, крупные водоемы и парки [6].

Челябинск является одним из городов с развитой промышленностью, а особенности его географического расположения и рельефа местности влияют на интенсивность инверсий. На территории города располагаются большой сосновый бор, несколько озер и водохранилище, что создает особые условия для переноса загрязняющих веществ и создания «острова тепла» [8]. Метеорологический и экологический мониторинг в Челябинске осуществляется городской метеостанцией, а также на восьми стационарных постах наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха (ПНЗ); аэрологическая станция отсутствует [1]. По данным мониторинга, уровень загрязнения атмосферного воздуха в г. Челябинске в последние годы высокий; в 2007 г. наибольший «вклад» в загрязнение атмосферы вносили бенз(а)пирен, формальдегид, взвешенные вещества, фторид водорода, диок-

сид азота. Проведенные в периоды неблагоприятных метеорологических условий наблюдения показали, что в городе максимальные разовые концентрации достигали: 4,2 ПДКмр по взвешенным веществам и оксиду углерода, 3,7 ПДКмр по фенолу, 2,3 ПДКмр по формальдегиду, 2 ПДКмр по сероводороду, 1,7 ПДКмр по фториду водорода, 1,6 ПДКмр по аммиаку и 1,3 ПДКмр по оксидам азота.

Задачей настоящей статьи является анализ уровня загрязнения атмосферного воздуха в г. Челябинске в периоды, когда, согласно инструментальным замерам, над городом формируется инверсионный слой, задерживающий рассеяние примесей.

В 2006 г. в Челябинске на базе Челябинского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды был установлен метеорологический температурный профилемер МТП-5 и впервые появилась возможность определения продолжительности и интенсивности инверсий посредством инструментальных измерений [2; 5]. По данным профилемера, в течение 2007 г. в г. Челябинске было зафиксировано 243 дня с инверсиями суммарной продолжительностью 3 138 ч, что составляет 67 % от общего количества дней в году, при этом статистической обработке подвергались инверсии любого типа. Чаще всего инверсии в Челябинске наблюдались в январе и феврале (28 и 24 дня), максимальная их продолжительность также приходилась на эти месяцы (439-448 ч). Средняя продолжительность одной инверсии максимальна в зимние месяцы и составляет 15,7-18,7 ч. В теплое время года продолжительность инверсии сокращается в 1,52 раза и составляет 9,9-7,5 ч. Распределение количества инверсий и средняя их продолжительность представлены в табл. 1 и на рис. 1.

Таблица 1

Распределение инверсий (количество дней), суммарной продолжительности инверсий (ч), средней продолжительности (ч/день) по месяцам

Месяц I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год

Кол-во инверсий 28 24 20 13 20 18 19 18 23 20 20 20 243

Продолжитель-

ность инверсий 439 448 301 100 150 143 188 173 219 284 341 352 3138

Средняя продолжительность 15,7 18,7 15,1 7,7 7,5 7,9 9,9 9,6 9,5 14,2 17 17,6 12,9

30

5 25 а. а> ев

20

in

О

а

о

со

С

ф

г

5

о

10

5

28

24

23

20

20

13

18

19

18

20 20 20

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Месяц

Рис. 1. Распределение количества (дни) инверсий по месяцам в г. Челябинске в 2007 г.

Анализ внутрисуточного распределения моментов образования и разрушения инверсий в холодный и теплый периоды показал, что в холодное время года инверсии формируются чаще (70 %) в вечернее время, с 18 до 23 ч местного времени, и разрушаются после 9 ч утра (77 %). В теплый период время образования инверсий смещается на более позднее: подавляющее их большинство (87 %) формируется в период с 21 до 03 ч, а разрушается раньше — с 06 до 12 ч (89 %).

Для изучения влияния инверсии на уровень загрязнения атмосферы в г. Челябинске были проанализированы данные поста наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха № 28, находящегося неподалеку от здания гидрометцентра, где установлен профилемер (табл. 2), при этом для выявления зависимости рассматривались только дни, когда на посту выполнялись замеры концентрации загрязняющих веществ. О повышенном уровне концентрации говорили, если среднесуточные концентрации оксида углерода,

Таблица 2

Повторяемость дней с инверсиями и повышенным загрязнением воздуха по данным ПНЗ № 28 за 2007 г.

Месяц I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год

Кол-во дней с измерениями на ПНЗ № 28 17 19 21 19 15 20 22 22 20 23 21 19 238

Кол-во дней с инверсией 16 16 14 9 10 15 14 15 16 16 15 17 173

Кол-во дней с превышением 8 9 14 13 7 13 16 4 10 17 17 12 140

Превышение без инверсии - 1 4 5 3 2 5 2 3 4 4 1 34

Превышение с инверсией 8 8 10 8 4 11 11 2 7 13 13 11 106

диоксида азота, диоксида серы, фенола более чем в 1,5 раза превышали среднесезонные значения [7; 9].

Данные таблицы показывают, что за год из 238 рассмотренных случаев превышение концентрации загрязняющих веществ наблюдалось в 140 (59 %), при этом в 34 случаях инверсии не отмечались, а в 106 случаях превышению сопутствовали инверсии, что составляет соответственно 24 и 76 %. Таким образом, в дни с инверсиями превышение концентрации загрязняющих веществ наблюдалось в три раза чаще. Всего за рассмотренный период отмечено 173 дня с инверсиями, из них в 106 случаях зафиксированы превышения, что составляет 61 %, в 67 случаях с инверсиями (39 %) превышения не наблюдалось.

Если рассмотреть отдельно теплые и холодные периоды года, то превышение концентрации относительно одинаково как в зимний период —

73 случая (52 %), так и в летний — 67 случаев (48 %). При наличии инверсии количество дней с превышением концентрации составило: в холодный период — 58 дней, в теплый — 48 дней, или 79 и 72 %. Помесячный анализ также показывает, что увеличение количества дней с повышенной концентрацией совпадает с ростом количества дней с инверсиями (рис. 2). Для анализа влияния инверсий на повышение уровня концентрации загрязняющих веществ исследовались концентрации оксида углерода, диоксида азота, диоксида серы и фенола. Данные представлены в табл. 3 и 4.

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

___________________________Месяц_______________________________

Кол-во дней с превышением  Превышение с инверсией

Рис. 2. Количество дней с повышенным уровнем загрязнения воздуха при инверсии на ПНЗ № 28 в 2007 г.

Таблица 3

Влияние инверсии на концентрацию загрязняющих веществ по данным ПНЗ № 28 за 2007 г.

Загрязняю- Оксид Диоксид Диоксид Фе-

щее вещество углерода азота серы нол

Кол-во дней

с превышением ПДК 27 63 78 48

Превышение

с инверсией (дни/%) 23/85 51/81 61/78 39/81

Превышение

без инверсии (дни/%) 4/15 12/19 17/22 9/19

Наиболее часто из рассмотренных загрязняющих веществ повышалась концентрация диоксида серы — 78 случаев, из них в 61 случае (78 %) отмечалась инверсия (табл. 3).

Неблагоприятное влияние инверсии отражается и на концентрации других примесей. Так, по оксиду углерода, диоксиду азота и фенолу превышения при инверсиях составляют 85, 78 и 81 % соответственно. Самая тесная связь между наличием инверсии и повышением концентрации отмечается для оксида углерода: несмотря на меньшее абсолютное число превышений (27 случаев) по сравнению с другими веществами в 85 % этих случаев регистрируется инверсия температуры. Таким образом, при наличии инверсии в 3-5 раз чаще наблюдается повышенная концентрация загрязняющих веществ.

Как видно из табл. 4, превышение ПДК по оксиду углерода наблюдалось в дни с инверсией

Таблица 4

Превышение ПДК загрязняющих веществ по данным ПНЗ № 28 в г. Челябинске за 2007 г.

Месяц I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Оксид углерода

Кол-во дней с превышением 0 0 1 0 0 б 9 0 0 7 3 1

Превышение с инверсией 0 0 1 0 0 5 8 0 0 5 3 1

Превышение без инверсии 0 0 0 0 0 1 1 0 0 2 0 0

Диоксид азота

Кол-во дней с превышением 3 4 7 5 2 2 10 3 4 б 10 7

Превышение с инверсией 3 4 7 4 1 2 б 2 2 4 9 7

Превышение без инверсии 0 0 0 1 1 0 4 1 2 2 1 0

Диоксид серы

Кол-во дней с превышением 2 8 8 2 5 10 10 2 4 5 13 9

Превышение с инверсией 2 7 б 1 3 8 8 1 2 4 11 8

Превышение без инверсии 0 1 2 1 2 2 2 1 2 1 2 1

Фенол

Кол-во дней с превышением 3 1 5 10 1 2 б 0 3 8 5 4

Превышение с инверсией 3 1 3 7 1 2 б 0 3 б 3 4

Превышение без инверсии 0 0 2 3 0 0 0 0 0 2 2 0

в разные месяцы в 71-100 % случаев, без инверсии — в 11-29 % от общего количества дней с превышением; по диоксиду азота: с инверсией 50-100 %, без инверсии 10-50 %; по диоксиду серы: с инверсией 50-100 %, без инверсии 1250 %; по фенолу: с инверсией 71-100 %, без инверсии 0-40 %.

Таким образом, приведенные данные могут означать, что наличие инверсии оказывает существенное влияние на уровень загрязнения атмосферного воздуха в районе расположения ПНЗ № 28.

Для исследования влияния инверсий на загрязнение в целом по городу использовался комплексный параметр загрязнения воздуха Р, показывающий превышение фактического уровня загрязнения над среднесезонным более чем в 1,5 раза на всех постах наблюдения. О повышенном уровне концентрации говорили, когда параметр Р принимал значения более 0,25. В результате анализа выявлено, что в 2007 г. из 295 дней, когда велись наблюдения за уровнем загрязнения атмосферного воздуха, отмечалось

28 дней с повышенными показателями загрязнения, из них в 26 случаях (93 % от общего числа превышений) регистрировалась инверсия (табл. 5). Максимальное количество дней с повышенной концентрацией отмечалось в июле.

Еще нагляднее прослеживается зависимость на диаграмме (рис. 3). Лишь в двух случаях повышенного загрязнения инверсии не зафиксированы, однако в эти дни по техническим причинам показания профилемера отсутствуют. Учитывая синоптическую ситуацию в обоих случаях (гребень и заполняющийся циклон), а также адвекцию тепла на высоте, можно предположить, что в слое «земля — 925 гПа» в ночное время присутствовала инверсия или изо-термия меньшей вертикальной протяженности. Таким образом, тенденция роста атмосферного загрязнения при инверсиях повторяется как при анализе концентрации загрязняющих веществ по данным поста, расположенного вблизи места, где установлен профилемер, так и по комплексному показателю загрязнения в целом по городу. При этом зависимость комплексного показателя

Таблица 5

Повторяемость дней с инверсиями и повышенным загрязнением воздуха

в целом по городу в 2007 г.

Месяц I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год

Кол-во дней с измерениями 20 24 2б 24 25 24 2б 2б 25 27 25 23 295

Кол-во дней с превышением 1 1 3 4 - 3 8 - - 3 3 2 28

Превышение без инверсии - - - - - 1 1 - - - - - 2

Превышение с инверсией 1 1 3 4 - 2 7 - - 3 3 2 2б

Рис 3. Распределение случаев повышенного уровня загрязнения воздуха по месяцам года

загрязнения от наличия инверсий еще более очевидна, что можно объяснить расположением поста № 28 в относительно чистом районе города.

Наиболее сильное и продолжительное загрязнение воздуха в г. Челябинске в течение 2007 г. отмечалось 2-4 июля. Анализ метеорологических условий, повлекших повышение концентрации загрязняющих веществ, показал, что в течение продолжительного времени (28 июня — 4 июля) Челябинск находился в зоне малоградиентного поля повышенного давления. Ночью и днем наблюдалась теплая погода без осадков с северозападным ветром 0-5 м/с, на высоте 600-700 м также преобладал слабый ветер северного направления. В ночные и утренние часы в приземном слое отмечались инверсии, существовавшие в течение 9-11 ч. Фактический комплексный показатель загрязнения воздуха составил 30 июня

0,31; 2 июля 0,36; 3 июля 0,34; 4 июля 0,32. Анализ данных мониторинга показал, что максимальное превышение концентрации (более максимальноразовой ПДК) наблюдалось 2-4 июля по оксиду углерода, фториду водорода, формальдегиду на трех ПНЗ. Концентрация оксида углерода, диоксида азота и серы превышала среднесезонные значения практически во всех районах города. 5 июля давление понизилось, днем прошел сильный дождь, инверсия разрушилась и параметр понизился до 0,20.

Таким образом, на основе анализа данных мониторинга атмосферного воздуха и показаний метеорологического температурного профиле-

мера за 2007 г. можно сделать следующие выводы:

- в 2007 г. в Челябинске отмечалось увеличение количества дней с инверсией (66 % от общего количества дней в году);

- в 61 % случаев при инверсиях отмечалось повышение концентрации загрязняющих веществ;

- повышенная концентрация загрязняющих веществ при наличии инверсии наблюдалась в 3-5 раз чаще, чем при ее отсутствии;

- тенденция роста концентрации загрязняющих веществ в районе расположения профилеме-ра и комплексного показателя загрязнения в целом по городу в периоды инверсий совпадают.

Для выявления более общих, статистически значимых закономерностей связи уровня загрязнения воздуха в г. Челябинске с формированием инверсий пограничного слоя атмосферы аналогичные исследования будут продолжены.

Список литературы

1. Беккер, А. А. Охрана и контроль загрязнения природной среды / А. А. Беккер, Т. Б. Агаев. Л. : Гидрометеоиздат, 1989. 67 с.

2. Вествотер, Е. Р. Радиометрический мониторинг температуры планетарного пограничного слоя атмосферы / Е. Р Вествотер [и др.] // Метеорология и гидрология. 1999. № 3. С. 59-71.

3. Еремкин, А. И. Нормирование выбросов загрязняющих веществ в атмосферу / А. И. Ерем-

кин, И. М. Квашнин, Ю. И. Юнкеров. М. : Изд-во Асс. строит. вузов, 2001. 109 с.

4. Зарубин, Г П. Гигиена города / Г. П. Зарубин, Ю. В. Новиков. М. : Москва, 1986. 60 с.

5. Кадыгров, Е. Н. «Остров тепла» в пограничном слое атмосферы над большим городом: новые результаты на основе дистанционных данных / Е. Н. Кадыгров, И. Н. Кузнецова, Г. С. Голицын // Докл. Акад. наук. 2002. Т. 385, № 4. С. 541-548.

6. Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы : сб. докл. международ. симпозиума /

под ред. М. Е. Берлянда. Л. : Гидрометеоиздат, 1971.

7. Система прогноза и предотвращения высоких уровней загрязнения воздуха в городах : норматив. док. / Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова. СПб. : Гидрометеоиздат, 2004.

8. Оке, Т. Р. Климаты пограничного слоя / Т. Р. Оке. Л. : Гидрометеоиздат, 1982. 359 с.

9. Руководящий документ. Охрана природы. Атмосфера. РД 52.04.306-92. Росгидромет, 1993.