Районирование территории Санкт-Петербурга по приземному озону в зимний период истории
Автор: Крюкова Светлана Викторовна, Симакина Татьяна Евгеньевна
Журнал: Общество. Среда. Развитие (Terra Humana) @terra-humana
Рубрика: Природная среда
Статья в выпуске: 4 (53), 2019 года.
Бесплатный доступ
Выполнено повышение точности интерполяции наземных измерений тропосферного озона (О3) в Санкт-Петербурге путем восстановления его значений способом множественной регрессии с использованием данных других загрязняющих веществ и метеорологических элементов, имеющих высокую корреляционную связь со значениями О3. Проведено исследование распределения озона в воздухе Санкт-Петербурга за зимний период. Показан рост площади загрязнения приземным О3 в течение холодного периода и численности населения, подвергаемого повышенному уровню загрязнения.
Загрязнение атмосферы, интерполяция, множественная регрессия, тропосферный озон
Короткий адрес: https://sciup.org/140244744
IDR: 140244744
Текст научной статьи Районирование территории Санкт-Петербурга по приземному озону в зимний период истории
Симакина Т.Е., Крюкова С.В. Районирование территории Санкт-Петербурга по приземному озону в зимний период истории // Общество. Среда. Развитие. – 2019, № 4. – С. 97–103.
Известен вклад тропосферного озона (О3) в парниковый эффект за счет поглощения ультрафиолетового излучения и в образование диоксида углерода, способного поглощать тепловое излучение [9]. Кроме того, существует взаимосвязь между уровнем озона в приземной атмосфере и состоянием здоровья населения, распространенностью ряда заболеваний, смертностью, состоянием экологических систем и лесов, урожайностью сельскохозяйственных культур [3; 7; 8]. Озон относится к веществам первого класса опасности и включен Всемирной организацией здравоохранения в список пяти основных загрязнителей атмосферы. Эти факторы требуют тщательного контроля содержания озона в приземной атмосфере в режиме регулярного мониторинга, регистрации эпизодов превышения предельно допустимых концентраций.
Помимо измерений содержания озона в тропосфере наземными методами, мониторинг должен давать общую картину распределения озона по территории, понимание особенностей расположения локальных максимумов и оценку средних уровней по заданной пространственной области. Выполнение этих задач основано на процедуре интерполяции наземных данных, измеряемых в нескольких точках, на всю рассматриваемую территорию. Точность интерполяции зависит от количества пунктов наблюдений и их расположения [5; 6]. В Санкт-Петербурге функционирует сеть станций экологического мониторинга, организованная Комитетом по природопользованию, охране окружающей сре- ды и обеспечению экологической безопасности. На станциях ведутся непрерывные (с шагом 20 мин) измерения концентраций загрязняющих веществ (ЗВ). Тропосферный озон (О3) измеряется на двенадцати станциях из 25, составляющих сеть на сегодняшний день [10].
Настоящая работа посвящена исследованию распределения приземного озона в воздухе Санкт-Петербурга в зимний период на основе интерполяционных полей, полученных методом обратных расстояний. Для интерполяции были восстановлены значения концентраций озона в 13 точках, где он не измеряется. Для восстановления использовалась высокая корреляционная связь О3 с другими ЗВ и метеопараметрами. Восстановление выполнялось методом множественной регрессии. Выбор холодных месяцев года для исследования обусловлен меньшим вниманием, уделяемым в публикациях этому периоду. Максимумы сезонного хода концентрации озона в умеренных и высоких широтах в дневное время наблюдаются весной и летом [4]. Однако анализ пространственной структуры повышений уровня озона в зимний период не менее важен. Поскольку фактор фотохимической генерации озона зимой в отсутствии большого количества света несущественен, на первый план в формировании озоновых максимумов выходит вертикальное перемешивание между приземным слоем и свободной тропосферой, обусловленное стратосферно-тропосферным обменом, и уровень антропогенных выбросов [1].
Среда обитания
анализ исходных данных
Данные по концентрациям О3 за зимний период 2018–2019 гг. получены в результате измерений сети мониторинга [10]. Географическое положение постов имеет определяющее значение для репрезентативности получаемых на посту данных. На рис. 1 показаны 25 станций экологической сети, 12
из них, на которых измеряется приземный озон, выделены черным контуром.
Количественные значения концентраций приземного озона в зимний период отличаются существенно на разных станциях (см. рис. 2). На рис. 2а представлены концентрации озона в долях среднесуточной предельно допустимой концентрации
Общество. Среда. Развитие ¹ 4’2019

Рис. 1. Схема размещения станций сети экологического мониторинга Санкт-Петербурга.

Рис. 2. Значения О3 (а) и число дней с превышением 1 ПДКсс по станциям (б) в зимний период.
(ПДКcc), которая составляет 0,03 мг/м3, на рис. 2б – число дней за месяц, в которых наблюдались значения О3 выше 1 ПДКсс. Заметен рост числа станций с превышением уровня 1 ПДКсс в течение зимы. Если в декабре только на двух станциях из 12 средний уровень О3 преодолел порог 1 ПДКсс, то в январе таких станций уже пять, в феврале – 8. В декабре на большинстве станций подъемы О3 не занимали больше трети месяца, то к концу зимы это значение выросло до 20 дней и более. В целом по всем станциям увеличение концентрации О3 за холодный период составило 120%.
Рис. 3 демонстрирует совместный анализ зимней изменчивости озона и первичных загрязнителей атмосферы – оксидов азота и монооксида углерода, в приземном слое атмосферы в долях ПДКcc. Отсутствует рост значений СО, NO и NО2 в течение зимы, а также нет превышений уровня 1 ПДКсс этими ЗВ.

Рис.3. Средние концентрации загрязняющих веществ, измеряемых на станциях, в долях ПДКсс.
3 -

о О 20 40 60 80
Дии
Рис. 4. Временной ряд концентраций О3.
Зимний временной ход концентрации озона имеет три периода, длительность которых практически совпадает с кален- дарными месяцами (рис. 4). В декабре наблюдаются колебания содержания озона без ярко выраженной тенденции, в январе виден убывающий тренд, в феврале – возрастающий. Два минимума приземного озона на всех станциях – длинный и короткий – приходятся на декабрь и начало февраля, они совпадает с минимумами температуры воздуха. На большинстве станций наблюдаются два максимума – короткий в начале января и длинный во второй половине февраля.
Таким образом, отмеченные подъемы концентрации О3 в течение зимы равны 40–50%, а в целом рост концентрации О3 от декабря к февралю составил 120%.
Восстановление концентраций О3 методом множественной регрессии
Исследование пространственного распределения О3 в приземном воздухе Санкт-Петербурга требует выполнения интерполяции значений наземных измерений. Поскольку станций, где измеряется озон, только двенадцать, точность интерполяции будет невысокой [5]. При этом в наличии есть вдвое больший массив других переменных – это концентрации оксида углерода, азота и диоксида азота, а также метеопараметров. В случае достаточно сильной коррелированности их с О3, можно использовать «избыточную» (дешевую [2]) информацию для улучшения оценки переменной, информация по которой ограничена.
Для повышения точности была использована информация о других ЗВ, а также метеопараметрах, коррелированных с О3. В табл. 1 представлены коэффициенты парной корреляции между концентрациями О3, ЗВ и метеопараметрами, измеряемыми на станции № 9 (ул. Малая Балканская, 54).
В табл. 1 обозначены: Т – температура воздуха, р – атмосферное давление на уровне станции, f – относительная влажность, wd – направление ветра, ws – скорость ветра, МДВ – дальность видимости; полужирным шрифтом выделены значимые коэффициенты.
Таким образом, на станции № 9 в декабре наиболее сильная связь О3 наблюдается с NO (-0,51) и дальностью видимости
Таблица 1
коэффициенты парной корреляции между О3, ЗВ и метеопараметрами на одной из станций
CO |
NO |
NO2 |
т |
р |
f |
wd |
ws |
МдВ |
|
Декабрь |
-0,32 |
-0,51 |
0,15 |
0,25 |
0,11 |
-0,29 |
0,11 |
0,06 |
0,47 |
Январь |
-0,39 |
-0,38 |
-0,76 |
0,43 |
-0,14 |
-0,13 |
0,33 |
0,71 |
0,27 |
Февраль |
-0,23 |
-0,46 |
-0,51 |
0,14 |
-0,14 |
-0,75 |
0,71 |
0,74 |
0,34 |
Среда обитания
(0,47), в январе – с NO2 (-0,76) и скоростью ветра (0,43), в феврале – с NO2 (-0,51), с влажностью (-0,75) и скоростью ветра (0,74).
Аналогичный корреляционный анализ выполнен по остальным станциям.
Анализ статистических зависимостей
Общество. Среда. Развитие ¹ 4’2019
концентрации озона от метеопараметров в Санкт-Петербурге зимой 2018–2019 гг. показал, что из метеорологических факторов на содержание озона сильнее всего влияет влажность воздуха (в феврале), а также скорость ветра (в январе и феврале) и направление переноса (в феврале). При высокой влажности увеличивается количество влажных аэрозолей, на которых озон разрушается особенно быстро. В различных условиях ветер может как увеличивать содержание озона, так и уменьшать его, влияя, например, на интенсивность вертикального перемешивания и концентрации предшественников озона. В январе наблюдается заметная связь О3 с температурой воздуха. Поскольку скорость фотохимических реакций образования озона экспоненциально увеличивается с ростом температуры, положительный коэффициент корреляции свидетельствует в пользу фотохимических процессов, приводящих к образованию озона.
Среди ЗВ наибольшая сила связи наблюдается с NO2, особенно в январе и феврале. Слабее, но ощутимо связаны NO и СО.
Для восстановления значений О3 на тех станциях, где он не измеряется, но измеряются другие ЗВ и метеопараметры, использовался метод множественной регрессии. Получены уравнения регрессии помесячно для каждой станции, пример для станции № 9 представлен в табл. 2.
В последнем столбце табл. 2 приведены коэффициенты детерминации полученных уравнений. Наиболее достоверным оказалось уравнение восстановления О3 за февраль (коэффициент детерминации составил 0,9). Следовательно, интерполяция фона приземного озона в этом месяце может быть выполнена с большой точностью.
Далее полученные коэффициенты уравнений регрессии были проинтерполированы в точки тех станций, где нет измерений озона. Таких станций 13. С помощью полученных коэффициентов по регрессионным уравнениям восстановлены концентрации О3 и создан массив из 25 значений, используемый для интерполяции значений озона на территорию Санкт-Петербурга.
интерполяция О3
Интерполяция выполнялась методом обратных расстояний. Полученные поля распределения приземного озона в зимний период представлены на рис. 5. Для сравнения построены поля по исходному массиву из 12 измерений (столбец «до»). Точность выполненной интерполяции проверялась методом кросс-валидации посредством последовательного исключения наблюдений [5]. Погрешность интерполяции по 25 точкам составила 11%. До восстановления значений озона с помощью уравнений регрессии она составляла 19%.
Для эффективного сравнения на каждом поле выделены изолинии содержания озона 1 ПДКсс, 1.2 ПДКсс и 1,4 ПДКсс. В декабре существенных отличий формы изолиний приземного озона на полях «до» и после» нет в связи с небольшой вариабельностью фона озона в этом месяце. Среднее значение концентрации озона по всей рассматриваемой территории сократилось после восстановления с 0,75 мг/м3 до 0,46, СКО уменьшилось с 0,83 мг/м3 до 0,62 мг/ м3. В оставшиеся месяцы зимы меняется форма изолинии 1.2 ПДКсс, средний уровень падает с 0,97 к 0,66 мг/м3 и с 1,35 к 1,03 мг/м3 в январе и феврале соответственно.
анализ пространственных максимумов О3
Наибольший интерес представляют территории с повышенным уровнем загрязнения тропосферным озоном. Максимумы О3 наблюдаются на северном берегу Финского залива, в течение зимы они смещаются по направлению к центру города. В январе растет юго-восточная зона повышенного загрязнения приземным озоном. В феврале северо-западная и юго-восточная зоны смыкаются, образуя в центре города овальную «чистую» область. Это связано со значительными выбросами от автотранспорта, ростом оксида азота и преобладании реакция NO + O3 → NO2 + O2 в пограничном слое атмосферы, что приводит к падению концентрации О3. При удалении от города в более чистые районы происходит увеличение эмиссии летучих углеводородов, дающих пероксильные радикалы [4], которые способствуют уменьшению скорости разрушения озона.
На рис. 6а цветом выделены три зоны на территории Санкт-Петербурга со значениями концентрации приземного озона: 1ч1,2 ПДКсс; 1,2ч1,4 ПДКсс и больше 1,4 ПДКсс за февраль. По разрезу, проведенному через центр города (указан на рис. 6а белой линией), построены профили концентрации О3 за три рассматриваемых месяца – рис. 6б. Значение профиля указывает на динамику соотношения концентраций летучих углеводородов/оксида азота. Этот фактор

Месяц
После декаорь январь февраль
Рис. 5. Поля изолиний содержания приземного озона в зимний период.
Таблица 2
уравнения регрессии для восстановления концентраций О3 на одной из станций
Месяц |
уравнения регрессии |
R2 |
Декабрь |
О3 = -0,14 + 0,037∙МДВ – 0,204∙NO |
0,3 |
Январь |
O3 = -0,107 – 0,340∙CO + 0,080∙NO + 0,014∙T + 0,135∙ws |
0,6 |
Февраль |
O3 = 1,488 – 0,406∙NO2 – 0,014∙f + 0,002∙wd + 0,047∙ws |
0,9 |
Среда обитания
а) б)
■ИИ^/Л1Л. ,--/ ^\ \ /---

Рис. 6. Территория СПб с концентрацией приземного озона более 1 ПДКсс в феврале (а); профили концентрации О3, меняющейся по направлению, указанному на рис.6а (б)
эволюции озона выходит на первый план в зимний период минимума прихода ультрафиолетовой радиации. Профили также позволяют сравнить изменение амплитуды озона в течение холодного сезона.
Площади трех загрязненных зон в разные месяцы холодного периода представлены в табл. 3. Здесь же перечислены районы города, попадающие в эти зоны. Сопоставление выделенных областей и карты плотности населения Санкт-Петербурга позволило определить численность населения, проживающего на территориях с повышенным уровнем загрязнения приземным озоном. Данные по численности также представлены в табл. 3.
В течение зимнего периода увеличивается число районов Санкт-Петербурга, в которых наблюдается повышенный уровень О3, а также площадь загрязненной территории и количество жителей на ней. Если в декабре чуть больше пятидесяти тысяч жителей проживали на загрязненной приземным озоном территории, то к концу зимы их стало уже около 1 млн 400 тыс., т.е. рост составил 28 раз.
Заключение
В результате исследования содержания приземного озона в воздухе Санкт-Петербурга в течение зимнего периода 2018– 2019 гг. сделаны следующие выводы.
Общество. Среда. Развитие ¹ 4’2019
Таблица 3
характеристика зон с концентрацией приземного озона более 1 Пдксс
Зоны |
|||
1–1,2 ПДКсс |
1,2–1,4 ПДКсс |
>1,4 ПДКсс |
|
декабрь |
|||
Районы |
Курортный, Колпинский |
Курортный |
Курортный |
Площадь, км2 |
33 |
2 |
2 |
Число жителей, чел. |
53000 |
500 |
500 |
Январь |
|||
Районы |
Курортный, Выборгский, Пушкинский, Колпинский |
Курортный, Пушкинский, Колпинский |
Курортный, Пушкинский |
Площадь, км2 |
133 |
61 |
51 |
Число жителей, чел. |
159070 |
37830 |
20320 |
Февраль |
|||
Районы |
Кронштадтский, Курортный, Выборгский, Пушкинский, Колпинский, Петродворцовый, Приморский, Красносельский |
Курортный, Выборгский, Пушкинский, Колпинский, Приморский |
Курортный, Выборгский, Пушкинский, Колпинский, Приморский |
Площадь, км2 |
314 |
212 |
198 |
Число жителей, чел. |
872940 |
372090 |
193500 |
Показано, что в различные месяцы зимнего периода наблюдается различие связей О3 с концентрациями других первичных загрязнителей, а также с метеопараметрами. Коэффициент корреляции между О3 и СО, NO, NO2 практически всегда статистически значим и отрицателен. Из метеорологических факторов на концентрацию озона сильнее всего влияет скорость ветра (в январе и феврале), температура воздуха (в январе), влажность и направление ветра (в феврале). Выявленные статистические зависимости позволили выразить значения содержания озона через концентрации СО, NO и NO2, а также через значения метеопараметров. Количество наземных значений концентрации О3, используемых для интерполяции, повышено с 13 до 25 методом множественной регрессии, что привело к увеличению точности построения пространственных полей на 8%.
Построенные пространственные распределения приземного озона позволяют провести сопоставление динамики его концентрации на мезомасштабном уровне. В центре города наблюдается чистая зона, где уровень О3 не превышает 1 ПДК. В направлении на северо-запад и юго-восток от центра отмечен рост концентрации О3. Это обусловлено высоким уровнем загрязненности воздуха предшественниками озона, наблюдающимся в городских условиях вблизи автомагистралей и на перекрестках, что приводит к сдвигу равновесия комплекса фотохимических реакций, обусловливающих образование и связывание озона, в сторону уменьшения его содержания в атмосфере. На периферии города перевес имеют другие факторы – уровень солнечного излучения, температура и влажность, процессы перемешивания воздуха, – сочетание которых при малых уровнях загрязнения атмосферы приводят к подъему О3.
Площадь загрязненной приземным озоном территории (выше 1 ПДК) за холодный период увеличилась в 14 раз, численность населения, проживающего на этой территории, в 28 раз.
Список литературы Районирование территории Санкт-Петербурга по приземному озону в зимний период истории
- Белан Б.Д. Озон в тропосфере. - Томск: ИОА СО РАН, 2010. - 478 с.
- Демьянов В.В., Савельева Е.А. Геостатистика: теория и практика / Под ред. Р. В. Арутюняна. - М.: Наука, 2010. - 327 с.
- Котельников С.Н., Миляев В.А., Степанов Е.В. Содержание озона в приземном слое атмосферы курортных районов и крупных городов // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. - 2004, т. 19. - С. 64-71.
- Котельников С.Н. Основные механизмы взаимодействия озона с живыми системами и особенности проблемы приземного озона для России // Труды ИОФ им. А.М. Прохорова РАН. - 2015, т. 71. - С. 10-41.
- Крюкова С.В., Симакина Т.Е. Пространственная интерполяция концентрации взвешенных частиц РМ10 методом кокригинга // Ученые записки РГГМУ. - 2018, № 51. - С. 150-161.
- Крюкова С.В., Кузнецов А.Д., Симакина Т.Е. Оптимизация сети экологического контроля в г. Санкт-Петербурге // Гетерогенные системы и процессы в природных и техногенных средах. Атмосферная экология. Материалы международной научно-практической конференции. Часть 3. - СПб.: Стратегия будущего, 2018. - С. 37-47.
- Кунина И.М. Влияние озона на растения // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т. 9. - Л., Гидрометеоиздат, 1986. - С. 44-86.
- Макунин Д.А. Озоновая атака // Экология и жизнь. - 2012, № 8. - С. 92-93.
- Хргиан А.Х., Кузнецов Г.И. Проблема наблюдений и исследований озона. - М.: Изд-во Московского ун-та, 1981. - 216 с.
- Экологический портал Санкт-Петербурга. - Интернет-ресурс. Режим доступа: http://www.infoeco.ru