Применение траекторного подхода с использованием модели Hysplit при оценке переноса воздушных масс от возможных источников эмиссии

Полигоны захоронения твердых коммунальных отходов (ТКО) являются серьезным источником загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу. В результате брожения органических отходов, находящихся в теле полигона в ходе процессов биохимического разложения, образуется свалочный газ (биогаз), составляющие которого – метан и диоксид углерода. Также сопутствующими продуктами разложения являются такие вещества, как толуол, аммиак, ксилол, оксид углерода, формальдегид, бензол, этилбензол и др. [1].

Наиболее сильное негативное воздействие образующейся газовой смеси проявляется в ее взрывоопасности, что влечет за собой самовоспламенение полигонов ТКО. В таких случаях полигоны ТКО выступают источниками различных токсичных продуктов горения, в том числе диоксинов, имеющих мутагенные и канцерогенные свойства и весьма опасных для биологических организмов [2]. В связи с этим появление новых полигонов ТКО создает новые источники эмиссии поллютантов в окружающую среду.

Считается, что траектория атмосферного переноса представляет наиболее вероятную историю движения предполагаемого загрязнителя по истечении некоторого временного промежутка. Метод статистики траекторий переноса воздушных масс дает возможность анализировать средние характеристики процессов циркуляции атмосферы [3]. Использование модели HYSPLIT для построения траекторий переноса воздушных масс с целью выявления возможных источников поступления различных загрязнителей в окружающую среду в настоящее время довольно часто упоминается в литературе [4–8]. Так, например, оценка вероятного местоположения источников поступления ртути в Арктику, используя метод траекторного моделирования с расчетом обратных траекторий, позволила определить области, где могли находиться вероятные источники загрязнения ртути для случаев, когда были зарегистрированы большие концентрации ртути в приземном слое атмосферы. Подобные явления отмечены в период активной фазы извержения вулканов в Исландии (2011 и 2012 г.) [9]. Таким образом, метод анализа траекторий переноса воздушных масс достаточно обоснован, информативен и повсеместно используется в научной практике.

Цель исследования – оценить особенности атмосферной циркуляции от железнодорожной стан-

Частота расположения точек прямых траекторий переноса воздушных масс от ст. Шиес

The frequency of the location points of the trajectories of air mass transfer from the Shies station

Регион Количество точек Доля, % Республика Коми 24406 55.73 Архангельская область 10216 23.33 Кировская область 2850 6.51 Пермский край 2079 4.75 Вологодская область 1062 2.42 Ханты-Мансийский автономный округ 581 1.33 Ненецкий автономный округ 575 1.31 Свердловская область 491 1.12 Костромская область 348 0.79 Удмуртская Республика 282 0.64 Акватория Северного Ледовитого океана 265 0.61 Нижегородская область 149 0.34 Республика Татарстан 93 0.21 Республика Марий Эл 79 0.18 Ямало-Ненецкий автономный округ 79 0.18 Республика Башкортостан 72 0.16 Республика Карелия 40 0.09 Тюменская область 19 0.04 Челябинская область 17 0.04 Мурманская область 14 0.03 ции Шиес (ст. Шиес) Архангельской области, где существует вероятность размещения нового крупнейшего в Европе полигона ТКО (до 3 тыс. га), используя модель HYSPLIT для расчета траекторий переноса воздушных масс.

а)

б)

Рис. 1. Плотность поступления потоков воздушных масс от ст.Шиес (по данным HYSPLIT).

Fig.1. The density of the flows of air masses from the Shies station (according to HYSPLIT data).

Материал и методы

Ежедневные обратные траектории поступления воздушных масс за 2014–2018 гг. рассчитывались с помощью программы HYSPLIT, разработанной лабораторией воздушных ресурсов Американской национальной администрации по исследованию океана и атмосферы (NOAA) на сайте при запросе архивных данных .

Для расчета траекторий использовали следующие параметры: время движения воздушных масс – 24 часа; высота воздушных масс над уровнем земли в точке расчета –100 м. Выбор высоты расчета нами основан на том, что крупномасштабное перемещение атмосферных аэрозольных масс в основном происходит в пограничном слое атмосферы [4]. Расчет суточных траекторий наиболее актуален в связи с временем неизменного пребывания в атмо-

а

б

в

Рис. 2. Траектории переноса воздушных масс от ст. Шиес по сезонам: а – зимой, б – весной, в – летом, г – осенью.

Fig.2. The trajectories of seasonal air masses transfer from the Shies station: a – in winter, б – in spring, в – in summer, г – in autumn.

сфере различных примесей. Так, практически все газы и другие компоненты сохраняются в атмосфере в неизменном состоянии в течение одних–двух суток, далее идет их трансформация, связывание, осаждение [10, 11]. Кроме того, расчет длительных траекторий приводит к снижению точности получаемых данных [12]. Таким образом, на каждый год было получено по 365 траекторий переноса, разбитых сегментами на 24 часовых отрезка, т.е. положение перемещения фиксировано через каждый час. Координаты точек траекторий переведены в точечные и линейные векторные слои (shp файлы) и положены на карту регионов России. Работа по созданию карты-схем проведена в программном пакете Arc GIS 9.3. Для статистической обработки данных расчета траекторий также использовали программы Arc GIS 9.3 и Erdas Imagine 10.0.

Результаты и обсуждение

С применением траекторной модели HYSPLIT и архивных данных NOAA проведен анализ характера движения воздушных масс от ст. Шиес и основные направления переноса за пятилетний период. Анализ распространения траекторий переноса воздушных масс от ст. Шиес показал, что особенность циркуляции атмосферы такова, что в случае нахождения в этом месте предполагаемого источника эмиссии поллютантов, их перенос преимущественно будет направлен в сторону территории Республики Коми (55.7 %) (см. таблицу).

Под потенциальным аэрогенным воздействием окажется также территория Архангельской области, в меньшей степени – Кировская область и Пермский край. Это связано с преобладанием западных направлений ветров и переноса воздушных масс с запада на восток. Согласно метеорологическим данным расположенной в 78 км от.ст. Шиес метеостанции в с. Усть-Вымь, в среднем за год преобладают ветра юго-западного, южного и западного направлений, что определяет доминирующее направление переноса на территорию Республики Коми (рис. 1а) [13].

На основании статистической обработки и пространственного анализа результатов расчета прямых траекторий перемещения воздушных масс выполнен растр распределения частоты расположения точек траекторий в пространстве (рис. 1б). Каждый пиксель данной карты-схемы соответствует квадрату 9*9 км2. Показано, что потенциально возможная эмиссия в атмосферу от планируемого полигона отходов на ст. Шиес будет направлена преимущественно на Усть-Вымский район и Республику Коми в целом. Цветом выделены зоны от наибольшей до наименьшей частоты расположения точек траекторий, что эквивалентно зонам потенциального воздействия эмиссии. В зоне наибольшего потенциального воздействия будут находиться такие населенные пункты Усть-Вымского района, как Казлук, Нефтебаза, Донаёль, Межег, Мадмас, Римья, Жешарт. Меньшему, но также ощутимому воздействию возможной эмиссии могут быть подвержены Сыктывдинский район и юго-западная часть Княжпогостского района, в том числе столица Республики Коми г. Сыктывкар.

Данные по полученным за пятилетний период траекториям обратного переноса воздушных масс также разбили по сезонам года (рис. 2). На рисунке видно, что в зависимости от сезона повторяемость направлений переноса, как и направлений ветров, меняется, с ними же и согласуется. Так, в зимний период преобладает северо-восточное и северное направление переноса, что обусловливает увеличение доли точек траекторий, попадающих на территорию Коми. Весной увеличивается доля переноса на восток от пункта исследования, когда наблюдается резкое увеличение поступлений воздушных масс на территорию Свердловской и Тюменской областей, Ямало-Ненецкого автономного округа. Летом отмечается доминирование южных направлений переноса (ветры с севера). Осенью наиболее выражено восточное направление переноса воздушных масс.

Заключение

Таким образом, проведен анализ особенностей атмосферной циркуляции в районе ст. Шиес с использованием модели HYSPLIT для расчета траекторий движения воздушных масс за пятилетний период 2014–2018 гг. Отмечено, что доминирующее направление переноса воздушных масс от ст. Шиес около 60 % будет направлено на территорию Республики Коми, в меньшей степени – на территорию Архангельской и Кировской областей, Пермского края. Наибольшая частота прохождения траекторий отмечена для территории Усть-Вым-ского, Сыктывдинского и юго-западной части Княж-погостского районов Республики Коми. В зоне наибольшего влияния от возможного источника эмиссии окажутся многие населенные пункты Усть-Вым-ского района. В зависимости от сезона повторяемость направлений переноса меняется. Наибольшая доля переноса на территорию Коми отмечается в зимний период.

По результатам исследования можно говорить о том, что близкое расположение к границам региона ст. Шиес и особенности атмосферной циркуляции будут способствовать распространению значительной доли поллютантов от предполагаемого полигона ТКО на территорию Республики Коми.