Чурсин А.С., к.г.н.

ВКГУ им. С. Аманжолова, Казахстан, г. Усть-Каменогорск

К прогнозу загрязнения атмосферного воздуха

г. Усть-Каменогорска

В условиях крупных промышленных городов уровень загрязнения приземного слоя воздуха зависит не только от количества промышленных и транспортных выбросов, но и от их вертикального и горизонтального рассеивания, которое определяется в основном метеорологическими факторами. Прогноз метеоусловий, способствующих рассеиванию или накоплению вредных примесей в приземном слое воздуха, может стать основой нормирования выброса и обеспечения чистоты воздушного бассейна.

С 1974 года отделом гидрометеорологических прогнозов Восточно-Казахстанского центра гидрометеорологии ежедневно составляется прогноз общего уровня загрязнения атмосферы Усть-Каменогорска на следующие сутки. Наиболее важен анализ синоптических условий, определяющих формирование высоких уровней загрязнения воздуха, которые представляют повышенную опасность для здоровья людей и окружающей среды. К ним в первую очередь следует отнести длительные периоды с высоким уровнем загрязнения. Однако сегодняшний подход к решению проблемы прогноза загрязнения атмосферного воздуха в городе Усть-Каменогорске как от источников выбросов от промышленных предприятий, так и от транспортных средств не может быть решен существующими методами. Необходимо выбрать предикторы, как метеорологического характера, так и технологического, чтобы создать программное обеспечение для расчета полей рассеивания основных загрязняющих веществ в атмосфере города.

Известно, что концентрация загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы города обусловлена мезо- и макромасштабными процессами [1]. Режим ветра, застой воздуха, высота слоя перемешивания, турбулентный обмен, туманы более связаны с локальными факторами. На степень воздействия метеорологических факторов на загрязнение воздуха большое влияние оказывает своеобразие и особенности ороклиматических условий.

Кратковременное увеличение концентрации вредных примесей в приземном слое воздуха может быть обусловлено двумя основными причинами. Одна из них связана с резким возрастанием выбросов в атмосферу при аварийных ситуациях на производствах, неисправности очистных устройств или усиленных залповых выбросах.

Другой причиной являются неблагоприятные метеорологические условия (НМУ). Они могут вызвать одновременное повышение концентрации примеси на значительной территории города. Отсюда следует, как важно своевременно предупреждать о наступлении периодов опасного загрязнения атмосферы.

Эффективность прогноза загрязнения воздуха в значительной мере определяется успешностью прогноза неблагоприятных метеорологических условий, при которых могут достигаться наибольшие значения концентрации примеси, при наименьших параметрах выброса её в атмосферу.

Оценка климатических условий рассеивания примесей в атмосфере г. Усть-Каменогорска позволила сделать следующие выводы: для характеристики состояния атмосферы, при котором могут отмечаться большие концентрации примесей, выделяются нормальные и аномальные метеорологические условия.

При нормальных условиях в случае высоких источников неблагоприятным является наличие сверхадиабатического градиента температуры, когда вследствие развитого турбулентного обмена имеет место интенсивный перенос примесей от источников к земной поверхности, при этом могут создаваться их значительные концентрации. Степень загрязнения воздуха существенно зависит от скорости ветра. Влияние скорости ветра на загрязнение приземного слоя атмосферы имеет сложный характер, и для каждого источника существует некоторая опасная скорость ветра u_м, при которой наблюдается максимальные концентрации примесей;

Наиболее интенсивное загрязнение воздуха наблюдается при аномально неблагоприятных метеорологических условиях. К ним, в частности, относятся: приподнятая инверсия, штилевой слой у поверхности земли, туманы, характер неровностей подстилающей поверхности, неблагоприятное направление ветра.

В результате взаимного наложения и перемешивания выбросов многих источников формируется общегородское загрязнение воздуха. В связи с этим большие концентрации могут отмечаться вне зоны прямого действия отдельных источников выбросов вредных веществ в атмосферу. Загрязнение воздуха может под влиянием метеорологических условий одновременно изменяться на всей территории города. Оно характеризуется обобщенными (интегральными) показателями, которые рассчитываются по материалам фактических наблюдений.

Основным принципом разработки методов прогнозирования загрязнения воздуха в городе, в том числе разработки математических схем прогноза, является максимальный учет характера физического процесса распространения примесей в атмосфере и особенностей влияния метеорологических условий на концентрации примесей в воздухе в конкретных городах [2].

Изучение метеорологических условий загрязнения воздуха является основой для её прогнозирования, поскольку задача состоит в том, чтобы предсказывать и предотвращать высокие уровни концентраций, создаваемые при неблагоприятных метеорологических ситуациях.

Задача прогнозирования в данной работе решается с учетом особенностей загрязнения воздуха г. Усть-Каменогорска. Сложность их учета определяется следующими обстоятельствами:

- множество источников выбросов с различными характеристиками;

- отсутствие в регионе температурно-ветрового зондирования атмосферы;

- отсутствие автоматизированного контроля за загрязняющими веществами на пунктах наблюдения загрязнения (ПНЗ).

Методы прогнозирования загрязнения воздуха по городу в целом основаны на результатах анализа влияния метеорологических и синоптических условий на концентрацию примесей. Учет конкретных особенностей механизма загрязнения воздуха достигается благодаря тому, что прогностические схемы составляются по материалам наблюдений для каждого города 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. То есть сначала устанавливаются какие-то метеорологические условия и только через некоторое время формируется соответствующий им уровень загрязнения воздуха.

Закономерности распространения примесей в атмосфере могут по-разному проявляться в различных городах в зависимости от сезона, а также в связи многообразием характера выбросов, климатическими и орографическими особенностями и др. Изучение конкретного проявления влияния метеорологических условий на загрязнение воздуха представляет большой интерес, в том числе для отработки вопросов прогнозирования высоких уровней концентраций при неблагоприятных метеорологических условиях.

На загрязнение воздуха по городу в целом сложное влияние оказывает ряд метеорологических факторов.

Направление ветра - зависимость загрязнения от направления в ряде случаев достаточна проста. В городе Усть-Каменогорске преобладающими направлениями являются юго-восточное и северо-западное направления. При юго-восточных ветрах увеличиваются концентрации в районе ст. Защита, при северо-западных - центральные районы города. Однако и в таких простых случаях необходимо изучать влияние направления ветра на загрязнение, т.к. поток воздуха может быть искажен под влиянием горного рельефа, близостью крупных рек Иртыша и Ульбы, а также непосредственным тепловым воздействием ТЭЦ и крупных промышленных предприятий.

Скорость ветра - на примере анализа загрязнения воздуха сернистым ангидридом за теплое и холодное полугодия по г. Усть-Каменогорску выявлено два максимума концентраций в зависимости от скорости ветра на уровне флюгера. В холодное полугодие наибольший максимум отмечается при штиле, второй максимум менее значительный - при скоростях 3- 4 м/с. Два максимума концентраций объясняются вкладом двух групп источников. При штиле основную роль играют низкие источники. Именно поэтому зимой ярко выражен штилевой максимум, когда из-за пониженного турбулентного обмена ослаблено рассеивание низких выбросов и идет поступление в приземный слой из высоких источников выбросов. Для теплого полугодия штилевой максимум не отмечен, максимум отмечается при скоростях от 1 до 4 м/с, пик приходится на 2м/с. Усиление второго максимума в теплое время объясняется часто наблюдающимися конвективными условиями, при которых к земле интенсивно поступают выбросы от высоких источников.

Температура воздуха, термическая устойчивость атмосферы, условия застоя воздуха - при штиле, сопровождаемой приземной инверсией, отсутствует перенос воздуха и ослаблено вертикальное перемешивание. Такая ситуация называется ситуацией застоя воздуха. В большинстве случаев в эти периоды наблюдается рост загрязнения. Однако не всегда в условиях застоя отмечается высокий уровень загрязнения. Прежде всего нужно рассматривать термическое состояние воздушной массы. В зимнее время года чаще всего повышается загрязнение при понижении температуры. Это характерно для антициклональной погоды, когда при понижении температуры устанавливается устойчивая термическая стратификация. Кроме этого при понижении температуры увеличивается количество сжигаемого топлива, и как следствие, количество выбросов вредных веществ. Неблагоприятной является ситуация застоя воздуха в сочетание с относительно высокими температурами, чаще всего это наблюдается летом в термических депрессиях.

Осадки, облака, туманы - осадки вымывают примеси из атмосферы. Восстановление исходного уровня загрязнения происходит постепенно, примерно в течение 12 часов. Чем больше выпадает осадков, тем чище воздух. В туманах загрязнение воздуха повышается, т.к. происходит поглощение примесей каплями воды. Однако эти примеси вместе с каплями остаются в приземном слое воздуха. За счет создания значительных градиентов концентраций (вне капель) происходит перенос примесей из окружающего пространства в область тумана. Анализ данных показал, что в Усть-Каменогорске зимой накапливается значительно большее количество загрязняющих веществ, чем летом. Этому способствует более частая повторяемость антициклонических типов циркуляции и большая повторяемость туманов в холодный период года (октябрь-март).

Вследствие этого повышается концентрация примесей. Облачность, особенно низкая, играет такую же роль, как и туманы.

Инерционный фактор - загрязнение воздуха в текущий день зависит от его значения в предшествующий день. Если в предшествующий день загрязнение было высоким, то и в текущий день оно, как правило остается повышенным. Или, наоборот, при пониженном уровне загрязнения - на следующий день уровень загрязнения не высок, в том числе при неблагоприятной ситуации, застое воздуха.

Результаты исследований позволили сделать вывод, что определенные состояния загрязнения воздуха могут соответствовать только комплексам метеорологических параметров и исходного уровня концентраций.

Анализ массового материала наблюдений за концентрациями примесей в воздухе и соответствующими метеорологическими условиями показывает, что характер зависимостей в целом одинаков для всех городов и сезонов[3]. Отдельные различия главным образом связаны со специфическими особенностями некоторых городов. Однако отличается теснота связей, которая обуславливается преобладанием в разных городах неодинаковых метеорологических ситуаций, определяющих характер зависимости концентраций от отдельных параметров. Наконец, для каждого города должны быть свои интервалы значений параметров, определяющих повышенный или пониженный уровень загрязнения воздуха.

Все это позволяет выявить наиболее общие зависимости, имеющие место практически во всех случаях. В то же время совершенно очевидно, что создание единой универсальной схемы прогнозирования загрязнения воздуха, пригодной для непосредственного использования во всех без исключения городах, принципиально невозможно. Они должны разрабатываться для конкретных городов и сезонов такие разработки должны быть проведены по городам: Усть-Каменогорск, Риддер и Зыряновск. На сегодняшний день фактический материал наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха в вышеуказанных городах имеется более чем за 30-летний период.

Литература:

1. М.Е.Берлянд. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Ленинград, Гидрометиздат, 1985. - 271 с.

2. Э.И.Безуглая. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. Монография, Ленинград, Гидрометиздат, 1986. - 199 с.

3. Прогноз высоких уровней загрязнения воздуха в городах и регионах. Прогноз загрязнения воздуха на трое суток. (Методические рекомендации). Санкт-Петербург, Гидрометиздат, 2001 г. -32 с.