STUDY OF THE INFLUENCE OF INVERSIONS ON THE DEVELOPMENT OF COMPLEX WEATHER CONDITIONS AND POLLUTION OF THE BOUNDARY LAYER OF THE ATMOSPHERE
STUDY OF THE INFLUENCE OF INVERSIONS ON THE DEVELOPMENT OF COMPLEX WEATHER CONDITIONS AND POLLUTION OF THE BOUNDARY LAYER OF THE ATMOSPHERE
Abstract
The paper considers the influence of temperature inversions on the development of complex weather conditions and pollution of the boundary layer of the atmosphere in Ufa. A positive correlation has been established between the frequency of inversions and concentrations of pollutants (NO, NH₃, CO, PM10), and their relationship with precipitation has also been identified. It has been determined that strong inversions contribute to the retention of pollutants and the intensification of severe weather conditions, while weak inversions are characterised by a negative correlation with a number of atmospheric parameters. The obtained results are important not only for assessing air quality and ensuring environmental safety, but also for flight safety.
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.