Ривин Г.С.
Институт вычислительных технологий СО РАН
Новосибирск, Россия
rivin@adm.ict.nsc.ru
Описаны результаты экспериментальных и теоретических исследований характеристик атмосферного аэрозоля, полученные при реализации наземного мониторинга в Сибирском регионе. Работа является этапом по созданию базы данных "Аэрозоли Сибири" и разработке математических моделей как для осуществления усвоения метео- и аэрозольных данных (а также геоинформации), так и для проведения различных вычислительных экспериментов и экологических экспертиз.
В рамках инициативного проекта "Аэрозоли Сибири", начиная с 1991 г., при широкой кооперации многих институтов СО РАН на территории Сибири начались исследования различных характеристик атмосферных аэрозолей и их пространственно-временной изменчивости. Одна из задач этих исследований - выяснение источников и стоков атмосферных аэрозолей (АА) в Сибирском регионе и оценка влияния АА на уровни загрязнения биосферы, качество окружающей среды, воздействие на растительный и животный мир, здоровье человека и климат на локальном, региональном и глобальном масштабе. Подробно цели, задачи и программы исследований изложены в [1]. Для реализации сформулированной цели на базе сети научных станций и стационаров СО РАН был организован мониторинг АА, охватывающий значительную часть Сибири [2].
С момента начала проекта и до настоящего времени ведутся систематические измерения основных характеристик аэрозолей - дисперсного и химического состава аэрозольных частиц и их пространственно-временной эволюции, проводится изучение процессов образования, трансформации и распространения аэрозолей и расчет уровней загрязнения окружающей среды. В качестве инструмента при изучении указанных процессов использован вычислительный эксперимент [3]. Материалы этих исследований постоянно публикуются в периодической печати и специальных выпусках журнала "Оптика атмосферы и океана" [4-10].
В настоящей статье рассмотрен первый этап работы, описаны результаты наземного мониторинга аэрозолей Сибири, изложены математические модели и результаты вычислительных экспериментов, представлены данные исследования физико-химических превращений пестицидных аэрозолей. В заключении сформулированы основные выводы и перспективы дальнейшей работы.
В настоящее время на территории Сибири для реализации проекта "Аэрозоли Сибири" на базе геофизических и биологических стационаров СО РАН организована система мониторинга характеристик атмосферных аэрозолей. На рис. 1 представлена карта, на которой показаны пункты в Сибири, где были отобраны образцы АА, полученные как в результате многолетних отборов на стационарах, так и в период специальных маршрутных обследований, включая речные суда и самолет. Видно, что сеть мониторинга АА охватывает значительную часть Сибирского региона и позволяет вести комплексные биогеохимические исследования не только локального и регионального, но и глобального масштаба.
Проиллюстрируем это утверждение некоторыми примерами.
На рис. 2 приведены результаты определения ионного состава АА
(работа выполнена ИНХ СО РАН совместно с ЛИ СО РАН) на территории, указанной на
рис. 1. В кружках здесь показаны отношения мольных
концентраций катионов NH
NH+4 и
Na+ (верхняя и нижняя цифры
соответственно) к основному аниону SO42-.
Первый катион отражает процессы формирования ионного
состава АА в результате гетерогенных процессов с газообразными
предшественниками и обычно классифицируется как признак
континентального происхождения.
Второй катион, как правило, используется для идентификации АА
морского типа, связанных с ветровой эрозией водной поверхности
морей и океанов.
Из рис. 2 видно, что, как и следовало ожидать, по всей границе, охваченной сетью наземного мониторинга, преобладающим компонентом катионной составляющей является аммоний. Однако в Новосибирской области в зимний период обнаруживается значительное содержание натрия. Последнее трудно объяснить дальним транспортом Na+ с акваторий Северного ледовитого океана, так как в зимний период он скован льдом. Поэтому мы считаем, что появление данного иона связано с почвенно-эрозионным выносом сульфата натрия либо с территории Кулундинских степей, либо с района Аральского моря. Подтверждением этому, в частности, может служить среднеклиматическое направление ветра, которое показано на рис. 2 стрелкой.
Пример выяснения типа источника и его пространственно-временного масштаба приведен на рис. 3 и 4. Разработанный ИХКиГ СО РАН совместно с ИЯФ СО РАН метод определения многоэлементного состава с использованием синхротронного излучения [11] позволяет определять в аэрозольных частицах одновременно более 30 элементов. На рис. 3, а показано, как варьирует среднесуточная концентрация железа в аэрозольных частицах в двух пунктах наблюдения на юге Западной Сибири, расстояние между которыми равно 450 км. Видно, что за период наблюдений содержание железа в частицах может меняться почти в сто раз.
На рис. 3, б приведено изменение относительной концентрации некоторых элементов (Ca, Mn, Ti) в грубодисперсной части АА (d>1 мкм) в тех же точках. Из данных по коэффициенту обогащения (отношение относительного содержания элемента в аэрозольных частицах к кларковому содержанию в земной коре) указанных выше элементов они должны образовываться в результате почвенно-ветровой эрозии.
Из рис. 3 видно, что относительная концентрация Ca, Mn, Ti, действительно, практически не меняется в течение всего периода наблюдений и не зависит от места, где проводятся измерения. Это указывает на то, что почвенно-эрозионный источник образования АА на юге Западной Сибири в летний период имеет по крайней мере региональный масштаб.
На рис. 4 представлены результаты исследований относительного многоэлементного состава АА на территории Западной Сибири в зимний и летний период. Из сравнения рис. 4, а, б видно, что среднемесячные значения многоэлементного состава отчетливо изменяются от летнего сезона к зимнему. В теплый период значительная часть АА Западной Сибири вызвана почвенно-эрозионными процессами. В зимний же период большая часть элементов расположена выше кривой, которая характеризует относительное (кларковое) содержание элементов в земной коре. Это свидетельствует о их антропогенном происхождении. Нижний график иллюстрирует относительное содержание различных элементов в зимний период в двух точках наблюдений на севере Западной Сибири, которые удалены друг от друга на 200 км.
Видно, что и на севере Западной Сибири АА носят региональный характер. Из сравнения рис. 4, б, в можно сделать вывод о том, что АА Сибири носят не только региональный, но и глобальный характер.
В таблице приведен пример использования методики определения многоэлементного состава индивидуальных аэрозольных частиц для идентификации типов источников в Сибири. Эти исследования ведутся совместно с учеными из Бельгии и Германии в рамках проекта INTAS ≷≷ Атмосферные аэрозоли на азиатской территории бывшего СССР >> [12,13].
Из приведенных в таблице данных видно, что многоэлементный состав индивидуальных частиц позволяет идентифицировать до восьми различных типов источников в Сибирском регионе при одновременном определении в частице набора из 11 элементов.
Анализ многоэлементного состава атмосферных аэрозолей в Новосибирской области методом EPXMA
Карасук - Зима | Карасук - Лето | Ключи - Лето | |||
Тип частиц | % | Тип частиц | % | Тип частиц | % |
Si, Al, Fe | 57.4 | Si, Al, Fe | 64.0 | Si, Al, Fe | 53.5 |
Ca,S | 11.4 | Ca, S | 10.4 | Ca, S | 19.6 |
Si, S, Fe | 11.4 | Fe, Si | 10.4 | Fe,Zn,Ti | 8.5 |
Fe | 9.1 | Cl, K, P, S | 7.1 | Fe | 8.0 |
Pb | 5.2 | Ca,Si | 6.8 | P, S, K | 3.9 |
S | 3.5 | Pb | 1.3 | S | 3.5 |
Zn | 1.2 | -- | -- | K, Cl | 2.1 |
Ti | 0.7 | -- | -- | Pb | 0.9 |
Накопленные к настоящему времени экспериментальные данные позволили приступить к формированию базы данных по АА Сибири и разработке региональных математических моделей для описания закономерностей их распространения и оценки зон влияния источников АА, а также оптимизации системы мониторинга [14-22]. Эти исследования ведутся совместно ИХКиГ, ИВТ и ИМиГМ СО РАН.
Важной составной частью такой базы являются не только данные измерений для газообразных и аэрозольных примесей, но и данные о метеорологических полях. За основу данных выбран архив Реанализа, подготовленный в Национальных центрах прогноза окружающей среды США и Национальном центре атмосферных исследований США [23]. В работах [18, 19] с помощью данных Реанализа и методики, использующей предварительное построение обратных траекторий, получена предварительная оценка возможных зон влияния на распределение аэрозолей в Новосибирском регионе.
Для проведения вычислительных экспериментов как инструмент для исследования разработана система МАР математического моделирования атмосферных процессов в регионе [3, 14]. Основными свойствами системы являются экономичность, мобильность и доступность в сочетании с достаточной точностью описания атмосферных процессов. Основные компоненты системы МАР следующие:
Такая система моделирования позволяет проводить исследования методов математического моделирования, анализа данных наблюдений, усвоения данных в квазиоперативных условиях на реальных данных.
В системе МАР для описания распространения примеси в атмосфере использовано уравнение, которое в системе координат (x,y,p) имеет вид
где φi -- объемная концентрация i-о ингредиента; u,v,τ -- компоненты скорости ветра; τg -- скорость гравитационного осаждения аэрозолей; Kx, Ky -- коэффициенты горизонтальной диффузии; Kp -- коэффициент вертикальной диффузии; Ci -- член, учитывающий химические превращения; Pi -- член, учитывающий вымывание примесей осадками; Si -- источник выброса i-о ингредиента.
В качестве начального и граничных условий на нижней и верхней границе области определения D функций φi(x,y,p,t) использованы соответственно следующие:
На боковых границах | задана нулевая концентрация: |
Для нахождения решения конечно-разностной схемы уравнения переноса использован метод расщепления по физическим процессам на основе схемы Ботта. Обоснование выбора схемы Ботта в качестве монотонной разностной схемы дано в [20], изучение свойств разработанной модели и ее описание приведено в [21, 22].
Для характеристики свойств этой модели на рис. 5 приведены изолинии поля концентраций аэрозоля на поверхности 1000 мб по данным о полях ветра за 30-31 марта 1991 г., полученные при проведении имитационного эксперимента. В этом эксперименте имитируется непрерывный выброс в атмосферу с усвоением информации о концентрации аэрозоля в указанных выше 10 пунктах мониторинга аэрозоля Сибири на уровне 1000 мб без учета локальных преобразований примесей и вымывания их осадками.
Из рисунка следует, что разработанная модель применима для проведения имитационного моделирования переноса и стока аэрозолей в Сибирском регионе: отсутствуют нежелательные отрицательные значения; перенос аэрозолей происходит различным образом в зависимости от реального распределения полей ветра в различных пунктах Сибирского региона, причем направление переноса наблюдается в основном по меридиану в южной Сибири и по параллели в северной части Сибирского региона.
Данные этого исследования связаны с важной экологической проблемой применения пестицидов в защите растений. В многолетних работах, проводимых в ИХКиГ СО РАН показано, что современные технологии применения пестицидов не являются оптимальными не только с технико-экономической точки зрения, но и с экологических позиций [24].
Наряду с развитием теоретических основ и широкой экспериментальной проверкой оптимальной аэрозольной технологии в защите растений [25,26,29] в последние годы ведутся и фундаментальные работы по изучению закономерностей миграции пестицидов в окружающей среде и выяснению физико-химических превращений пестицидных аэрозолей [27-31,35]. В ходе этих исследований разработаны методика изучения распространения аэрозолей в природных условиях и их взаимодействия с элементами растительности и подстилающей поверхности, а также математические модели для описания поля осадка на растительности и динамики рассеяния аэрозольного облака [27, 32, 33].
Полевые эксперименты по использованию генератора регулируемой дисперсности и разработке математических моделей распространения аэрозолей в приземном и пограничном слое атмосферы с учетом взаимодействия с растительностью и подстилающей поверхностью ведутся ИХКиГ СО РАН совместно с ИВМиМГ СО РАН [27, 29]. Использование такой методики позволяет проводить натурные эксперименты в широком диапазоне ландшафтно-климатических условий для исследования распространения аэрозолей на расстояние до нескольких километров от источника. Развитие и совершенствование методики определения специфических трассеров позволит использовать данную технологию и для изучения процессов регионального масштаба. В частности, совместно с НИОХ СО РАН разрабатывается хромато-масспектрометрическая методика определения концентрации пестицидов в АА на региональном и глобальном уровне [36].
Таким образом, к настоящему времени по обсуждаемому вопросу выполнены следующие работы.
Ваши коментарии Обратная связь |
SBRAS Home Page Головная страница СО РАН |