Пространственно-временные вариации приземного озона в атмосфере Байкальского региона

Озон является химически и радиационно-активным газом. Как сильный окислитель он определяет газовый состав атмосферы. В больших количествах озон воздействует разрушающе на многие материалы и живые ткани, обладает мутагенными и канцерогенными свойствами. Поэтому необходимо знать пространственно-временное распределение, долговременную изменчивость и условия формирования высоких значений приземной концентрации озона (ПКО).

Озон как радиационный фактор определяет температурный профиль и динамический режим атмосферы. Его изменения в атмосфере могут влиять на климат Земли. Определяемый озоном поток ультрафиолетовой радиации УФ-t ^.

Б в тропосферу и на земную поверхность играет важнейшую роль в жизнедея- * тельности растений и всего живого на Земле. Увеличение интенсивности УФ-Б может приводить к усилению выбросов легколетучих органических соеди-, нений, выделяемых растениями и изменять состав воздуха.

Уменьшение озона в стратосфере, наблюдаемое в последние десятилеj1 тия, делают исследования связей ОСО (общее содержание озона) — УФ-Бтропосферный озон особенно актуальными. Скорость фотодиссоциации озона в тропосфере J имеет наибольшую из' всех газов чувствительность к изменениям ОСО. Изменения J влияют не только непосредственно на баланс озона. Фотодиссоциация озона является ключевой реакцией в образовании другого важнейшего окислителя, ОН — радикала, который регулирует химическое производство озона и время жизни предшественников озона (NOXJ СО, СЕЦ и.

ДР-).

И моделирование газовых, радиационных потоков в атмосфере, и изучение механизмов фотохимической трансформации газовых примесей затрудняется из-за нерегулярного характера вариаций и неравномерного пространственного распределения тропосферного озона и других газовых составляющих, что в большей степени связано с действием антропогенных факторов.

Экспериментальные данные исследований тропосферного озона, подтверждают, что наиболее актуальнойпроблемой последнего десятилетия является повышение концентрации озона в тропосфере северного полушария. В работе [S.J.Oltmans, A.S.Lefohn, H.E.Schell, D.S.Shadwick et. al., 1998 г.] представленные результаты-многолетних наблюдений тропосферного озона за период с 1975;1997г.г. на станциях Всемирной метеорологической организации WMO в средних широтах Северного полушария показали, что концентрации озона увеличивались со скоростью 1,5% в год до середины 80-х годов. С конца 80-х и практически до 1996 г. концентрация озона оставалась постоянной.

В Азиатском регионе Северногополушария (Япония) наблюдалось медленное, но стабильное увеличение концентрации озона в течение 1980;1995г.г. с положительным трендом 0,44 ± 0,43% в год, а с 1996 г по настоящее время ее рост приостановился.

Дгиг Байкальского региона, который расположен в центре Азиатского материка в условиях резко континентального климата и высокой солнечной освещенности, окруженного горными хребтами, основными факторами в формировании и перераспределении озона являются крупномасштабный стра-тосферно-тропосферный обмен, процессы синоптического масштаба и. мезо-масштаба, фотохимические и радиационные процессы. Вклад каждого из этих процессов на долговременную изменчивость озона в разных условиях наблюдения не равнозначен. Значительные вариации, связанные с фотохимической генерацией и деструкцией озона в приземном слое атмосферы типичные для городских условий не характерны для приводного слоя атмосферы, где основными факторами в формирования озона являются динамические и радиационные процессы. Поэтому установление связи вариаций ГЖО с теми или иными динамическими и фотохимическими* процессами, с одной стороны, помогут получить значимые оценки долговременной изменчивости озона, характерные для данного региона, а с другой стороны, можно уточнить представления о природе и механизме действия этих процессов.

К сожалению, указанный регион не охвачен сетью наблюдений тропосферного озона и других малых газовых составляющих атмосферы (МГС). Поэтому, долговременные экспериментальные наблюдения приземного озона и других озонообразующих газов при помощи автоматизированной системы измерения характеристик газовых примесей и метеокомплекса АМК-02 могут оценить с заданной точностью и достоверностью долговременную изменчивость озона. В условиях формирования высоких значений ПКО, всесторонний анализ выявленных причин изменчивости озона. в пространстве и во времени позволит принять меры по предотвращению нарушения экологического равновесия, в окружающей природной среде Байкальского региона и озера Байкал, как участка Мирового наследия. Поэтому, представляется актуальным изучение механизмов образования и изменчивости приземного озона в. Байкальском регионе.

В соответствии-с вышеизложенным, целью работы является выявление, особенностей пространственно-временных вариаций ПКО в Байкальском регионе. В работе решались следующие задачи:

1. Разработка и создание измерительно-вычислительного комплекса для регистрации и. расчета статистических характеристик пространственно-временного распределения приземного озона, оксидов азота, углерода в Байкальском регионе.

2. Анализ временных вариаций ПКО, — концентраций оксидов азота и метеопараметров по данным измерений запериод с 1999' - 2004 г. г. в г. Улан-Удэвыявление процессов, определяющих формирование суточного и сезонного хода ПКО.

3. Оценка вклада ОСО и УФ-Б в сезонную изменчивость ПКО.

4. Анализ процессов, формирующих особый, режим образования озона в условиях летнего застоя воздуха в приземном слое атмосферы г. Улан-Удэ.

5. Организация и проведение измерений концентрации озона, оксидов азота и метеопараметров в приземном и приводном слое атмосферы оз. Байкал, выявление основных факторов, влияющих на распределение и изменчивость озона в неоднородных условиях окружающей среды.

Научная новизна.

1. Получены характеристики суточной и сезонной изменчивости концентрации приземного озона в г. Улан-Удэ за период 1999;2004 г. г. Выявлен суточный ход ПКО с характерным максимумом в 13:00 ч местного времени и сезонный ход с максимумом в конце весны — начале лета, минимумом поздней осенью и в начале зимы.

2. Впервые в условиях Байкальского региона установлено запаздывание ПКО от ОСО в среднем на 3 месяца, выявлены квазидвухлетние вариации ОСО и ПКО в весенний период.

3. В условиях летнего застоя установлены: квазипериодическая структура изменчивости среднедневных концентраций озона, оксидов азота и температуры воздуха с периодом от 3 до 5 днейсмещение максимумов спектральной плотности ПКО от максимумов УФ-Б до одного дня и 20 дней. Предложена модель краткосрочного прогноза ПКО.

4. По наблюдениям в летний период на побережье Байкала выявлены 2 режима суточного хода ПКО с максимумом в 13:00 ч. и минимумом в ночные часы, с более поздним максимумом в 18:00 ч и минимумом в утренние часы. Получены оценки фотохимического образования и вертикального распределения озона.

5. Впервые выявлены пространственные неоднородности распределения озона и оксидов азота в приводном слое атмосферы разных частей оз. Байкал. Оценена скорость сухого осаждения озона на водную поверхность.

Достоверность полученных результатов определяется:

• оценкой и корректировкой погрешности измерений приборов, входящих в состав измерительного комплекса, регулярными поверками, установленными Государственной системой единства измерений;

• внутренним оперативным контролем, выполняющим функции предупредительного контроля для принятия оперативных мер в ситуациях, когда погрешности (составляющие погрешностей) контрольных измерений не соответствуют установленным требованиям. В качестве средств контроля используются стандартные образцы, аттестованные смеси, рабочие пробы и генераторы калибровочных смесей.

• статистической обеспеченностью данных измерений, характеристик газовых примесей и метеопараметров, а также использованием адекватных математических методов анализа и согласованностьюэкспериментальных й расчетных данных.

Научная и практическая значимость работы «.

Результаты исследований пространственно-временного распределения концентраций озона и* МГС в Байкальском регионе использованы в региональных прогностических моделях изменения газовогосостава* атмосферы под влиянием различных геофизических факторов.

Полученные результаты использованы для оценки экологической обстановки в г. Улан-Удэ, состояния воздушного бассейна оз. Байкал, помогут учитываться в целях определения ресурса туристско-рекрационнойзоны «Байкал» на. Восточном побережье озера.

Измерительный комплекс газовых характеристик приземного слоя: атмосферы может найти применение на станциях мониторинга газовых^ примесей в различных регионах.

Личный вклад автора.

Основные результаты работы получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор принимал непосредственное участие в разработке и создании измерительного комплекса, программы автоматизации непрерывных измерений и регистрации содержания газовых примесей в приземном слое атмосферы, методики измерений, планировании и проведении экспериментов, анализе и интерпретации полученных экспериментальных данных.

Защищаемые положения.

1. Суточная изменчивость ПКО в г. Улан-Удэ за период с 1999 по 2004 год с максимумами в 13:00 и 0:00 ч и минимумами — в 3:00 и 21:00 ч местного времени близка к фоновой. Сезонные вариации максимальных значений ПКО в конце весны, начале лета наблюдаются при весенне-летней активизации динамических и фотохимических процессов в атмосфере г. Улан-Удэ. Минимальные значения ПКО в зимний период отмечаются при максимальной повторяемости приземных инверсий.

2. В годовом ходе смещение по фазе максимальных и минимальных значений ОСО относительно аналогичных значений ПКО близко к ¼ периода их основных гармоник. Выявленные квазидвухлетние вариации ОСО и ПКО в весенний период значимы и свидетельствуют о существенной модулирующей роли крупномасштабной циркуляции в формировании режима озона.

3. В условиях летнего застоя воздуха в г. Улан-Удэ изменения среднедневных ПКО, концентрации оксидов азота модулируются колебаниями с характерным периодом от 3 до 5 дней. Максимумы спектральной плотности вариаций средних дневных ПКО смещены относительно максимумов интенсивности УФ-Б в области низких частот на период в 20 дней, в области высоких частот на период меньше одного дня.

4. Суточный ход концентрации озона в летний период наблюдения на побережье оз. Байкал определяется двумя режимами вариаций ПКО — с максимумом в 13:00 ч, минимумом в ночные часы и с более поздним максимумом в 18:00 ч и минимумом в утренние часы. Среднесуточные значения концентрацииозона на побережье оз. Байкал в условиях неустойчивой атмосферы с параметром стратификации -0,7 < Ri < -0,2 в 1,5 раза меньше, чем в городских условиях, а максимум ПКО отстает от максимума концентрации озона в г. Улан-Удэ на 5 часов.

5., Пространственно-временная неоднородность концентрации озона и оксидов азота в. приводном слое атмосферы оз. Байкал. В Южном Байкале максимум ПКО в послеполуденное время соответствует максимальнойвысоте слояшеремешивания: В. Среднем Байкале основной вклад в формирование вечернего максимума ПКО вносит адвекция воздушных масс с прибрежной зоны. Локальное увеличение концентрации диоксида азота вблизи источникапридонного метана подтверждает существенную роль фотохимии в его обра-: зовании. Скорость сухого осаждения озона на водную поверхность Байкала меняется от 0.0019 до 0,096 см/с и соответствует раннее проведенным наблюдениям в приводном слое атмосферы морских акваторий. В период активного развития волнового процессанаблюдается увеличение скорости сухого осаждения озона.

Основные результаты исследованиябыли получены в работах по следующим проектам:

Г. «Изучение особенностей аэрозольных и газовых примесей в пограничном слое оз. Байкал». Грант РФФИ№ 97−06−96 449.

2. «Исследование механизмов, формирования загрязнения атмосферного воздуха южного побережья оз. Байкал под воздействием удаленных и близкорасположенных промышленных центров». Грант РФФИ № 01 -597 240, № 05−05−97 240.

3. «Климатоэкологический мониторинг Сибири». Региональная научно-техническая программа «Сибирь».

4. «Радиофизические методы контроля за состоянием пограничного слоя атмосферы и почвенно-грунтового комплекса». Экофонд Правительства Республики Бурятия- 1996 г., 1998 г., 1999 г.

Материалы работы используются в Государственной программе Росгидромета «Организация регулярных наблюдений за содержанием приземного озона в Байкальском регионе», в «Комплексной экологической программе г. Улан-Удэ» .

Апробация работы.

Материалы, изложенные в диссертации, представлены в 26 печатных работах, из них 9 работ опубликованы в рецензируемых научных журналах, а также докладывались на Всероссийских конференциях «Аэрозоли Сибири» в 1999, 2003 г. г., на третьей Верещагинской Байкальской конференции в 2000 г., на VIII Международном объединенном симпозиуме. Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы, 2001 г., на 8 Международном семинаре по процессам регионального осаждения в атмосфере Восточной Азии в 2002 г., на Международном рабочем совещании TOR-2 по исследованию тропосферного озона в 2002 г. и др. региональных конференциях.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Создан измерительно-вычислительный комплекс для регистрации характеристик пространственно-временных вариаций приземного озона, оксидов азота. Проведены измерения ПКО, концентраций оксидов азота и метеопараметров в г. Улан-Удэ и на юго-восточном побережье оз. Байкала.

2. Выявлены сезонные и суточные вариации ПКО в г. Улан-Удэ. Характерной особенностью сезонных вариаций является наличие максимума — в июне и минимума — в декабре и январе. Среднесуточные концентрация озона меняются от о.

15 до 80 мкг/м. Среднегодовая суточная изменчивость ПКО с максимумами в 0:00 и 13:00 ч и двумя минимумами в 3:00 и 21:00 ч местного времени близка к фоновой.

3. В годовом ходе ПКО и общего содержания озона (ОСО) установлена квазипериодическая структура их вариаций, причем максимумы ПКО отстают от максимумов ОСО в среднем на 3 месяца (максимум ОСО достигается в марте, а максимум ПКО — в июне). Выявлены квазидвухлетние колебания ОСО и ПКО в весенний период.

4. В условиях летнего застоя воздуха обнаружен квазипериодический характер увеличения среднедневных ПКО, концентрации диоксида азота и температуры воздуха. Предложена математическая модель зависимости ПКО от концентраций оксидов азота и температуры воздуха. Выявлено смещение максимума спектральной плотности ПКО от максимума УФ-Б на период в 20 дней и в области высоких частот на период до одного дня.

5. По наблюдениям в летний период на побережье Байкала выявлены 2 режима суточного хода ПКО — с максимумом в 13:00 ч, минимумом в ночные часы и с более поздним максимумом в 18:00 ч и минимумом в утренние часы. Среднесуточные значения концентрации озона на побережье оз. Байкал в условиях неустойчивой и сильно неустойчивой атмосферы с параметром стратификации -0,7 < Ri < -0,2 в 1,5 раза меньше, чем в городских условиях, а максимум ПКО отстает от максимума концентрации озона в г. Улан-Удэ на 5 часов.

6. Выявлена пространственно-временная неоднородность концентраций озона, оксидов азота в приводном слое атмосферы оз. Байкал. В Южном Байкале максимум концентрации озона в послеполуденное время соответствует максимальной высоте слоя перемешивания. В Среднем Байкале основной вклад в формирование вечернего максимума ПКО вносит адвекция воздушных масс с прибрежной зоны. Обнаружен локальный максимум концентрации диоксида азота вблизи природного источника метана. Оценена скорость сухого осаждения озона на водную поверхность Байкала, среднее значение которой равно 0,032 см/с. Обнаружен эффект резкого увеличения скорости Vo до 0,096 см/с в период активного развития волновых процессов.

Автор выражает благодарность научному руководителю Ю. Л. Ломухину за постановку задачи и научное руководство. Хочется поблагодарить сотрудников лаборатории за помощь в проведении наблюдений, полезные замечания и советы.

Заключение

.