Климатический потенциал рассеивания атмосферы на территории Урала

С начала XXI в. в связи с возобновлением экономического роста в России отмечается рост объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных и передвижных источников. Основными факторами изменения уровня загрязнения воздуха в городах являются колебания объемов выбросов и изменчивость метеорологических условий рассеивания примесей в приземной атмосфере. При одних и тех же параметрах выбросов уровень загрязнения воздуха значительно изменяется в зависимости от конкретных атмосферных условий. Таким образом, для анализа и прогноза уровня загрязнения атмосферного воздуха необходим учет метеорологических факторов, способствующих накоплению, рассеиванию и вымыванию примесей из атмосферы.

Для оценки способности к самоочищению приземной атмосферы в 1989 г. Т.С.Селегей [9] была введена новая комплексная характеристика в виде коэффициента самоочищения атмосферы:

КСА = (Рш + Рт)/(Рв + Ро),                          (1)

где Рш, Рт, Рв и Ро — повторяемости (%) штилей, туманов, скорости ветра у земли ≥ 6 м/с, числа дней с осадками ≥ 1 мм.

В 1990 г. Т.С.Селегей [10] был предложен аналогичный комплексный показатель влияния метеоусловий на самоочищение атмосферы — потенциал рассеивания атмосферы (ПРА):

ПРА = (Рш + Рт)/(Ро + Рв),                          (2)

где Рш, Рт, Ро, Рв — повторяемости дней со штилями, туманами, осадками не менее 0,5 мм и скоростью ветра не менее 6 м/с.

Работа выполнена при поддержке Уральского отделения Российской академии наук (проект 12-П-2-1042).

В формуле (2) правая часть осталась такой же, как в формуле (1), но для расчетов используется другая градация осадков — граничное значение суточного количества осадков, способствующих очищению атмосферы, с 1 мм уменьшено до 0,5 мм.

Следует отметить, что рассчитанные по формулам (1) и (2) значения КСА и ПРА более 1,0 характеризуют метеорологические условия, способствующие накоплению примесей в атмосфере, а менее 1,0 — условия, благоприятные для самоочищения атмосферы.

В публикации Т.С.Селегей и соавторов (2005 г.) [11] формула (2) расчета потенциала рассеивания атмосферы была сохранена, но было указано, что надлежит различать климатический (КПРА) и метеорологический потенциал рассеивания атмосферы (МПРА). Климатический потенциал рассеивания атмосферы характеризует многолетние средние условия самоочищения атмосферы, а метеорологический потенциал — условия самоочищения атмосферы за конкретный временной интервал (месяц, сезон, год).

В [11] по значениям потенциала рассеивания атмосферы Т.С.Селегей и соавторы классифицируют метеорологические условия самоочищения атмосферы следующим образом:

— при ПРА > 1 — неблагоприятные условия (НУ);

— при ПРА > 2 — крайне неблагоприятные условия (КНУ);

— при ПРА ≤ 1 — благоприятные условия (БУ).

Далее, следуя логике авторов [11], можно предложить еще одну градацию для условий самоочищения атмосферы:

— при ПРА ≤ 0,5 — крайне благоприятные условия для рассевания примесей в приземной атмосфере (КБУ).

С.Н.Лапина и соавторы [6], Ю.П.Переведенцев и Ю.Г.Хабутдинов [8], И.В.Латышева и соавторы [7] в своих публикациях для оценки условий самоочищения атмосферы в Саратовской области, в Казани и на южном побережье Байкала использовали аналогичные методики.

С целью исследования пространственной и временной изменчивости многолетних средних условий самоочищения приземной атмосферы в регионе Урала использована методика Т.С.Селегей и соавторов [11]. Климатический потенциал рассеивания атмосферы (КПРА) был рассчитан по формуле (2).

Для расчетов КПРА были использованы данные из справочников по климату СССР 1966 и 1968 годов издания [12—14]. К сожалению, по причине ограниченности исходной информации многолетние среднемесячные значения КПРА в Уральском регионе были рассчитаны только для одиннадцати метеостанций (МС): для четырех МС Свердловской области, двух МС Пермской области, двух МС Челябинской области, трех МС Курганской области. Так как на МС Тугулым в [13] отсутствуют данные по числу дней с осадками различной величины, для расчетов эти данные были взяты по ближайшей МС Талица, расположенной в сходных физико-географических условиях. Вследствие отсутствия исходных данных расчет КПРА в Башкирии произвести не удалось.

Физико-географическая характеристика положения одиннадцати метеостанций Урала, данные которых были использованы для расчетов КПРА, представлена в таблице 1 [1—5; 15].

Две МС расположены на восточной окраине Восточно-Европейской равнины — это Кудымкар и Красноуфимск. Причем МС Красноуфимск находится в переходной зоне от Восточно-Европейской равнины к западным предгорьям Среднего Урала. Три МС расположены в горной части территории: МС Нижний Тагил и Бисер — в горной части Среднего Урала, а МС Златоуст — в горной части Южного Урала. Следует также отметить, что МС Нижний Тагил находится в переходной зоне от низкогорий Среднего Урала к восточным предгорьям Среднего Урала. Две МС расположены в восточных предгорьях Среднего Урала и Южного Урала — соответственно Свердловск (Екатеринбург) и Бреды. Четыре МС находятся на Западно-Сибирской равнине — это МС Тугулым, Шатрово, Курган и

Усть-Уйское. Пять МС из одиннадцати расположены в лесной зоне, пять МС — в лесостепной, одна МС — в степной зоне (таблица 1 [1—5; 15]).

Физико-географическая характеристика местоположения метеостанций

Таблица 1

Метеостанция	Высота метеоплощадки над уровнем моря, м Б.С.	Характер рельефа	Почва	Глубина залегания грунтовых вод, м	Природная зона
Свердловская область
Нижний Тагил	259	Крупно-холмистый	Дерново-подзолистая среднесуглинистая, местами щебенчатая	3	Таежная зона, подзона южной тайги низкогорий Среднего Урала
Тугулым	89,0	Слабо-холмистый	Подзолистая и слабо-выщелоченный тяжелосуглинистый чернозем	4—7	Лесостепная зона, подзона осиново-берёзовых лесов ЗападноСибирской равнины
Свердловск, город (Екатеринбург)	282	Крупно-холмистый	Дерново-подзолистая среднесуглинистая, местами щебенчатая	40—50	Таежная зона, подзона южной тайги восточных предгорий Среднего Урала
Красноуфимск	206	Крупно-холмистый	Чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый	7—8	Лесостепная зона, подзона северной лесостепи Восточно-Европейской равнины
Пермская область
Кудымкар	141	Средне-холмистый	Светло-серая оподзо-ленная среднесуглинистая	5	Таежная зона, восточная часть ВосточноЕвропейской равнины
Бисер	463	Средне-холмистый	Дерново-подзолистая среднесуглинистая, на возвышенностях каменистая, в понижениях заболоченная	3	Горный среднетаежный пояс низкогорий Среднего Урала
Челябинская область
Златоуст	532	Горный	Подзолистая среднесуглинистая	5—6	Горный южнотаежный пояс смешанных лесов Южного Урала
Бреды	309	Слабо-холмистый	Оподзоленный чернозем супесчаный, песчаная	6—7	Степная зона Южного Зауралья. Восточные предгорья Южного Урала
Курганская область
Шатрово	114	Слабо-холмистый	Чернозем выщелоченный	1,5—2	Лесостепная зона Западно-Сибирской равнины
Курган-Вороновка	72	Слабо-холмистый	Чернозем суглинистый и супесчаный, местами солонцы	6—8	Лесостепная зона Западно-Сибирской равнины
Усть-Уйское	104	Слабо-холмистый	Песчаная и супесчаный	8—9	Лесостепная зона Западно-Сибирской равнины

Анализ рассчитанных величин КПРА позволил сделать следующие основные выводы о пространственном и временном распределении КПРА в регионе Урала.

Годовые значения КПРА варьируются от 0,47 в Кудымкаре до 0,97 в Красноуфимске. Таким образом, на десяти МС исследуемого региона наблюдаются благоприятные условия для рассеивания примесей в атмосфере, а на одной МС (Кудымкар) — даже крайне благоприятные условия (рис. 1—4).

В Свердловской области по годовым КПРА наилучшие условия для рассеивания в атмосфере характерны для низкогорий Среднего Урала — МС Нижнего Тагила (0,59) и восточных предгорий Среднего Урала — МС Свердловска (Екатеринбурга, КПРА 0,69). В Предуралье и Зауралье условия рассеивания несколько хуже — на МС Красноуфимск годовой КПРА равен 0,97, а на МС Тугулым он составляет 0,92. Такое пространственное распределение КПРА объясняется более высокой повторяемостью слабых ветров и туманов в Красноуфимске и Тугулыме (рис. 1).

В Предуралье Пермской области на МС Кудымкар отмечены самые лучшие в исследуемом регионе средние годовые условия рассеивания в атмосфере — КПРА всего 0,47, что соответствует крайне благоприятным условиям. В горной части области, по данным МС Бисер, условия несколько хуже, здесь КПРА равен 0,76. Подобное пространственное распределение формируется вследствие того, что в Кудымкаре отмечаются низкие повторяемости слабых ветров и туманов, а также высокие повторяемости средних и сильных ветров (рис. 2).

В Курганской области достаточно равное пространственное распределение годовых КПРА — от 0,58 в Кургане до 0,68 в Шатрово (рис. 3).

В горной части Челябинской области отмечены самые лучшие условия рассеивания в атмосфере — на МС Златоуст КПРА равен 0,56. В степной части Южного Зауралья условия похуже — на МС Бреды КПРА составляет 0,86 (рис. 4). Причиной такого пространственного распределения КПРА является то, что в Златоусте наблюдаются низкие повторяемости слабых ветров и туманов при высоких повторяемостях осадков не менее 0,5 мм за сутки.

Рис. 1. Внутригодовой ход КПРА в Свердловской области

В Свердловской области в годовом ходе месячные КПРА, как правило, имеют два максимума (худшие условия рассеивания примесей в атмосфере) и два минимума (лучшие условия рассеивания). Основные максимумы КПРА на трех МС отмечаются в августе. В Красноуфимске, Тугулыме и Нижнем Тагиле наибольшие КПРА равны 1,43, 1,24 и 1,05, что соответствует неблагоприятным условиям рассеивания. В Свердловске (Екатеринбурге) в августе наблюдается вторичный максимум КПРА (0,86, соответствующий благоприятным условия), а основной максимум КПРА здесь сдвинут на январь (1,07, соответствующий неблагоприятным условия), когда на трех других МС фиксируется вторичный максимум КПРА — 1,36, 1,22, (неблагоприятные условия) и 0,76 (благоприятные условия). В Красноуфимске вторичный максимум КПРА фактически характерен для января и февраля, когда он равен 1,36 и 1,35 соответственно. Основные минимумы КПРА на трех МС установлены осенью, в октябре и ноябре — на МС Нижний Тагил (0,37, крайне благоприятные условия рассеивания примесей в атмосфере) и на МС Свердловск (Екатеринбург) (0,43 и 0,45, крайне благоприятные условия), в октябре — на МС Красноуфимск (0,59, благоприятные условия). На четвертой МС Тугулым основной минимум КПРА отмечается в мае и равен 0,56 (благоприятные условия). Вторичные минимумы КПРА наблюдаются весной: в мае и марте — на МС Нижний Тагил (0,46 и 0,47, крайне благоприятные условия рассеивания), в мае— на МС Свердловск (Екатеринбург) (0,49, крайне благоприятные условия) и на МС Красноуфимск (0,67, благоприятные условия). На МС Тугулым вторичный минимум КПРА характерен для октября (0,63, благоприятные условия) (рис. 1).

-• Кудымкар   —■ Бисер

Рис. 2. Внутригодовой ход КПРА в Пермской области

В Пермской области годовой ход КПРА в общих чертах схож с их годовым ходом в Свердловской области: здесь также имеются два максимума и два минимума. Основные годовые максимумы КПРА на двух МС зафиксированы в августе. В Кудымкаре и Бисере наибольшие из месячных КПРА равны 0,82 (благоприятные условия рассеивания примесей) и 1,15 (неблагоприятные условия). Вторичный максимум КПРА на МС Кудымкар отмечен в январе (0,47, крайне благоприятные условия), на МС Бисер — в январе и декабре (0,65 и 0,67, благоприятные условия). Основные годовые минимумы КПРА в Бисере приходятся на март и февраль (0,46 и 0,48, крайне благоприятные условия рассеивания), в Кудымкаре — на ноябрь и октябрь (0,28 и 0,31, крайне благоприятные условия). Вторичный минимум КПРА на МС Бисер отмечен в ноябре (0,61, благоприятные условия), на МС Кудымкар — в марте (0,36, крайне благоприятные условия) (рис. 2).

Следует отметить тот факт, что на МС Кудымкар Пермской области наблюдаются самые лучшие из всех одиннадцати МС условия рассеивания примесей в атмосфере, когда девять месяцев в году отмечаются крайне благоприятные условия рассеивания, а три месяца — благоприятные условия. Именно здесь отмечено самое низкое значение среди месячных КПРА, равное 0,28 (рис. 2).

* Шатрово —■ Курган-Вороновка —A Усть-Уйское

Рис. 3. Внутригодовой ход КПРА в Курганской области

В Курганской области годовой ход КПРА достаточно схож с годовым ходом этой характеристики в Свердловской и Пермской областях. В Курганской области также имеются два максимума и два минимума КПРА (рис. 1—3).

Основные годовые максимумы КПРА на двух МС зарегистрированы в августе — на МС Шатрово (1,03, неблагоприятные условия рассеивания) и Кургане (1,00, благоприятные условия). На третьей МС Усть-Уйское основной максимум КПРА равен 0,85 (благоприятные условия) и зафиксирован в январе. В январе же на МС Шатрово и Кургане отмечаются вторичные максимумы (0,97 и 0,70, благоприятные условия рассеивания). А на МС Усть-Уйское вторичный годовой максимум КПРА приходится на январь (0,82, благоприятные условия). Основные годовые минимумы КПРА на всех трех МС области достаточно близки между собой (0,37 и 0,38, крайне благоприятные условия) и наблюдаются в мае. Вторичные годовые минимумы КПРА на всех трех МС характерны для октября и заключены в диапазоне 0,42—0,44 (крайне благоприятные условия) (рис. 3).

В Челябинской области годовой ход КПРА имеет ряд отличий от хода КПРА в других областях (рис. 1—4).

Основной годовой максимум КПРА на МС Златоуст отмечается в августе (1,00, благоприятные условия рассеивания примесей), вторичный — в феврале (0,53, благоприятные условия). На МС Бреды основной максимум характерен для января (1,18, неблагоприятные условия рассеивания примесей), вторичный — для сентября (0,91, благоприятные условия). Основной годовой минимум КПРА на МС Златоуст зафиксирован в марте (0,37, крайне благоприятные условия рассеивания), вторичный — в ноябре и октябре (0,41 и 0,42, крайне благоприятные условия). Основной годовой минимум КПРА на МС Бреды наблюдается в мае (0,52, благоприятные условия рассеивания), вторичный — в октябре (0,71, благоприятные условия) (рис. 4).

-ф Златоуст    —■  Бреды

Рис. 4. Внутригодовой ход КПРА в Челябинской области

Полученные данные пространственно-временной изменчивости КПРА на территории Урала следует учитывать при планировании и осуществлении определенных практических мероприятий с целью управления качеством воздушного бассейна в данном регионе. При неблагоприятных и крайне неблагоприятных условиях самоочищения атмосферы следует уменьшать объемы выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников, а также ограничивать количество автомобилей на городских улицах. При благоприятных и крайне благоприятных условиях рассевания в атмосфере возможно увеличение до определенных пределов объемов выбросов от стационарных и передвижных источников.

Так как на Урале выявлены изменения и колебания основных характеристик климата (скорости ветра, атмосферных осадков и атмосферных явлений) [16], а с начала 2000-х гг. отмечается рост количества стационарных и передвижных источников и, соответственно увеличение объемов выбросов примесей в атмосферу, исследования по данной тематике являются актуальными и их следует продолжить.