Исследование влияния инверсий на формирование сложных условий погоды и загрязнение пограничного слоя атмосферы
Исследование влияния инверсий на формирование сложных условий погоды и загрязнение пограничного слоя атмосферы
Аннотация
В представленной работе рассмотрено влияние температурных инверсий на формирование сложных условий погоды и загрязнение пограничного слоя атмосферы в г. Уфа. Установлена положительная корреляция между частотой инверсий и концентрациями загрязняющих веществ (NO, NH₃, CO, PM10), а также выявлена их связь с выпадением осадков. Определено, что мощные инверсии способствуют удержанию загрязняющих веществ и усилению неблагоприятных метеоусловий, в то время как слабые инверсии характеризуются отрицательной корреляцией с рядом атмосферных параметров. Полученные в статье результаты имеют значение не только для оценки качества воздуха и обеспечения экологической безопасности, но и для безопасности полетов.
1. Введение
Как известно, инверсия характеризуется повышением температуры воздуха с высотой, что является противоположным обычному характеру её понижения . К наиболее часто наблюдаемым типам инверсий в приземном слое атмосферы относятся радиационные, возникающие в ночное время при безветренной погоде. Высокая повторяемость инверсий в разных регионах подтверждается различными исследованиями за температурным режимом по высотам. Так, в Санкт-Петербурге в течение 2010 года инверсии фиксировались ежемесячно, с максимальной повторяемостью в декабре (98%) .
Приземные инверсии оказывают влияние на формирование сложных условий погоды для различных сфер деятельности, в том числе, на транспортную инфраструктуру, а также на качество атмосферного воздуха, особенно в районах с высокой антропогенной нагрузкой. Как правило, инверсионные слои характеризуются устойчивой стратификацией, которая препятствует развитию восходящих потоков и формированию конвективной облачности. Вместе с тем под верхней границей инверсии формируются слоистообразные облака (слоистые, слоисто-кучевые), из которых могут выпадать моросящие осадки, а у поверхности земли вероятно образование туманов . При температурах у земли около 0℃ моросящие осадки могут быть переохлажденными, что может привести к обледенению воздушных судов и гололёду. Кроме того, при наличии приземных и приподнятых слоев инверсии происходит накопление загрязняющих веществ (ЗВ) в окружающей среде в силу отсутствия вертикального переноса воздуха, концентрация которых зависит от степени повышения температуры с высотой.
В предыдущих исследованиях была установлена статистически значимая корреляция между частотой повторяемости приземных инверсий, осадками и концентрацией (ЗВ) в нижнем слое атмосферы. Атмосферные осадки, выполняя функцию гидрокумулятивного вымывания ЗВ, одновременно участвуют в химических процессах, способствующих образованию кислотных дождей и изменению морфологии аэрозольных частиц. Таким образом, осадки выполняют двойственную роль — способствуют снижению концентраций загрязнений и их химической трансформации в инверсионных слоях .
Как следует из , повышение концентрации ЗВ может достигать 99% в ночные часы, особенно в зимнее время года при наличии приземных инверсий. Для исследования статистических характеристик повторяемости инверсий используются данные температурно-ветрового радиозондирования.
В качестве исследуемого региона для такого анализа был выбран город Уфа, характеризующийся умеренно-континентальным климатом, разнообразным рельефом и большой частотой повторяемости и антициклонов , что способствует формированию приземных и приподнятых инверсий.
Полученные результаты позволяют оценить влияние инверсий на погодные условия региона, изучить сезонные особенности погоды, установить взаимосвязь между температурным режимом нижней атмосферы и повторяемостью слоистообразной облачности, и выпадением осадков, а также способствовать дальнейшим исследованиям влияния инверсий на качество воздуха. Кроме того, практические результаты могут быть использованы и в авиационной сфере для оценки влияния инверсий на взлетно-посадочные характеристики воздушных судов, от которых также зависит количество, выбрасываемых загрязняющих веществ при эмиссии двигателей.
2. Материалы и методы
Для исследования температурного режима в пограничном слое атмосферы в г. Уфа были использованы архивные данные температурно-ветрового радиозондирования, проведённого на аэрологической станции в 2020 году . Всего проанализировано 41 915 наблюдений за температурой по высотам.
Данные о наличии слоистых и слоисто-кучевых облаков, а также об атмосферных осадках за исследуемый период были получены из базы данных Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации — Мирового центра данных (ВНИИГМИ–МЦД) .
Данные о загрязнении приземного слоя атмосферы представлены концентрациями основных загрязняющих веществ: оксида азота (NO), оксида углерода (CO), взвешенных частиц (PM10) и аммиака (NH3), выраженными в долях предельно допустимых концентраций (ПДК) , .
Для расчета повторяемости температурных инверсий и их характеристик был рассмотрен слой атмосферы до высоты до 2000 м.
Для выявления взаимосвязей между характеристиками температурных инверсий, количеством осадков и уровнем загрязнения окружающей среды проведён корреляционный анализ по методу Пирсона. Обработка данных и статистический анализ осуществлялись с использованием языка программирования Python версии 3.10, с применением библиотек NumPy 1.23, Pandas 1.5 и SciPy 1.9 для статистики и обработки временных рядов.
3. Результаты
Анализ результатов расчетов показал, что приземные и приподнятые инверсии в г. Уфа наблюдаются довольно часто. Так как причины формирования инверсий могут быть разными, в работе их характеристики рассматриваются отдельно для дневного и ночного времени суток (рис. 1).
Рисунок 1 - Распределение повторяемости инверсий по высотам (м) в г. Уфа за 2020 год:
а) дневные; б) ночные
В отличие от ночных, дневные инверсии формируются гораздо реже, максимум их повторяемости приходится также на ноябрь и декабрь. Следует отметить, что в дневное время отмечаются главным образом приподнятые и высотные инверсии, что, очевидно, связано с дневным прогревом подстилающей поверхности и разрушением приземной части ночных инверсий. Очевидно, что причины такого характера повторяемости инверсий требуют дальнейшего исследования, так как двухразового зондирования атмосферы в сутки недостаточно для обоснования таких выводов.
Из рисунка 1 также видно, что мощности как приземных, так и приподнятых инверсий колеблются достаточно в больших пределах и в дневное, и в ночное время суток.
Годовой ход повторяемости инверсий (% от общего числа наблюдений) представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Годовой ход повторяемости температурных инверсий в зависимости от времени суток за 2020 г.
На рис. 3 представлена повторяемость температурных инверсий в зависимости от их глубины.
Рисунок 3 - Повторяемость температурных инверсий в зависимости от глубины:
а) дневные; б) ночные
Для оценки влияния приземных инверсий на формирование сложных условий погоды дополнительно были проанализированы данные наблюдений за слоистообразной облачностью нижнего яруса и количеством атмосферных осадков в г. Уфа. На рисунке 4 представлена среднемесячная повторяемость слоистой и слоисто-кучевой облачности за 2020 год (% от общего числа наблюдений в месяце). Максимальные значения повторяемости наблюдались в апреле (52.1%), августе (48.4%) и январе (46.0%), минимальные (28–25%) — в июле, сентябре и декабре.
Рисунок 4 - Среднемесячная повторяемость слоистообразной облачности в г. Уфа за 2020 год
Рисунок 5 - Годовой ход повторяемости слоистообразной облачности в сроки 00 и 12 часов
Рисунок 6 - Повторяемость инверсий и слоистообразной облачности в холодный период года: а) в 00 часов, б) в 12 часов
Годовой ход суммарного количества атмосферных осадков представлен на рисунке 7.
Рисунок 7 - График годового хода осадков в г. Уфа за 2020 г.
Для количественной оценки взаимосвязи между повторяемостью формирований инверсий и повторяемостью слоистообразной облачности, осадков и уровнем загрязнения приземного слоя был выполнен корреляционный анализ по методу Пирсона. Интерпретация результатов осуществлялась с применением α-уровня значимости, основанного на t-распределении (критерий Стьюдента).
Анализ взаимосвязи между повторяемостью температурных инверсий и повторяемостью слоистой и слоисто-кучевой облачностью показал слабую корреляцию как для ночного (r = -0,27), так и для дневного времени суток (r = -0,01). Очевидно, что в районе г. Уфа облачность рассматриваемых типов в незначительной степени связана с процессами формирования температурных инверсий.
Анализ зависимости глубины температурных инверсий от количества осадков выявил устойчивую отрицательную корреляцию, особенно для инверсий с градиентом 0–1 °C/100 м как в ночное (r = -0,57), так и в дневное время суток (r = -0,62). Это может указывать на то, что при увеличении количества осадков возрастает вероятность разрушения «слабых» инверсий, за счёт усиления турбулентности, вертикального перемешивания в облачности. Для инверсий большой глубины коэффициенты корреляции также имели отрицательные значения, но были менее выраженными, что может свидетельствовать об их меньшей чувствительности к процессам, связанным с осадками, которые во многом зависят от их интенсивности.
С целью анализа влияния инверсий на качество воздуха были рассмотрены сезонные характеристики загрязнения приземного слоя атмосферы веществами NO, NH₃, CO, PM10. Среднегодовые концентрации этих загрязняющих веществ (NO, NH₃, CO, PM10) в г. Уфа за исследуемый период составляли от 0,7 до 1,3 ПДК и отличались незначительными сезонными колебаниями. Наибольшие значения PM10 зафиксированы в холодное время года, что, вероятно, связано с интенсивностью отопительного сезона и наличием температурных инверсий, препятствующих вертикальному перемешиванию воздуха.
Анализ взаимосвязи концентрации рассматриваемых загрязняющих веществ с частотой повторяемости приземных инверсий показал высокую положительную и статистически значимую корреляцию в дневное время: NO (r = 0,795), NH₃ (r = 0,865), CO (r = 0,795) и PM₁₀ (r = 0,808) соответственно. В ночные часы аналогичная корреляции оказались статистически незначимой, хотя для NH₃ наблюдалась умеренная положительная тенденция (r = 0,415), что может быть связано с уменьшением динамики эмиссионных процессов в течение суток.
Зависимость концентрации загрязняющих веществ от глубины инверсий статистически значимо коррелирует с концентрациями загрязняющих веществ в дневное время (r = 0,746 – 0,902). Очевидно, что инверсии большой глубины способствуют формированию застойных условий в приземной атмосфере, ограничивая вертикальный перенос и способствуя накоплению загрязнений. В ночное время (00:00 UTC) аналогичная зависимость оказались статистически незначимой, что, вероятно, связано с тем, что вклад в степень антропогенного загрязнения атмосферного воздуха менее выражен.
4. Заключение
Проведённое исследование подтвердило влияние температурных инверсий на увеличение концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы в г. Уфа. Особенно это характерно для дневного времени.
Установлена положительная корреляция между частотой дневных инверсий и концентрациями NO, NH₃, CO и PM10. Температурные инверсии в дневное время способствуют удержанию загрязняющих веществ в приземном слое. Увеличение мощности инверсий также приводит к повышению уровня загрязнения воздуха.
Полученные результаты могут быть использованы для разработки эффективных мер по улучшению качества атмосферного воздуха в городских условиях, для оценки экологических последствий промышленных выбросов, а также для планирования и обеспечения безопасности авиационных взлетно-посадочных операций.
В дальнейшем планируется расширить исследование используя данные современных многолетних наблюдений за температурой воздуха по высотам за более длительный период с учётом параметров атмосферной нестабильности и циркуляции атмосферы.