Пространственно-временной анализ повторяемости туманов в Пермском крае и их влияние на загрязнение атмосферы
Т.В. Костарева
В статье представлен пространственно-временной анализ повторяемости туманов по данным 11 метеостанций Пермского края за период 1999-2016 гг. Также рассмотрено влияние туманов на загрязнение воздуха в городах края. Туманы в Пермском крае наблюдаются в течение всего года. Распределение их по месяцам и по территории края неравномерно. Максимальное число дней с туманами отмечается в теплое время года. Наиболее часто туманы в Пермском крае наблюдаются на метеостанциях Чердынь, Вая и Октябрьский, преимущественно в августе - октябре. К синоптическим ситуациям, при которых чаще всего отмечаются туманы в крае, относится малоградиентное поле, теплый сектор циклона и центр антициклона. На их долю приходится более 70 % от всех синоптических ситуаций, при которых наблюдались туманы. Уровень загрязнения воздуха при этих синоптических ситуациях отмечался повышенный и низкий. Высокий уровень загрязнения воздуха в дни с туманами создавался в г. Пермь при юго-западной периферии антициклона и в центре антициклона, в г. Губаха - при северной, восточной и юго-западной перифериях антициклона. В городах Березники и Соликамск опасный уровень загрязнения воздуха в дни с туманами не наблюдался. Анализ по выявлению случаев превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в туманах показал, что случаи превышения ПДК отмечаются довольно часто. В городах Пермь, Соликамск и Губаха превышения ПДК по формальдегиду составляют 40-77 % от всех примесей. В г. Березники 65 % от всех случаев превышения ПДК приходятся на диоксид азота и соляную кислоту.
Ключевые слова: туманы, пространственно-временной анализ, синоптические ситуации, загрязнение воздуха, Пермский край.
T. V. Kostareva
SPATIO-TEMPORAL ANALYSIS OF FOG RECURRENCE IN THE PERM REGION AND ITS IMPACT ON ATMOSPHERIC POLLUTION
The article presents a spatio-temporal analysis of fog recurrence according to data from 11 weather stations in the Perm region. The effect of fog on air pollution in the cities of the region is also considered. The study period is 1999-2016. Fogs in Perm Krai are observed throughout the year. Their distribution by month and territory is uneven. The maximum number of days with fogs is observed in warm seasons. Fogs are most often observed in Perm Krai in Cherdyn, Vaya and Oktyabrsky weather stations, mainly in August-October. The synoptic situations in which fogs are most often observed in the region include low-gradient field, warm cyclone sector and anticyclone centre. These account for more than 70 % of all synoptic situations in which fogs were observed. The level of air pollution at these synoptic situations was high and low. High level of air pollution on days with fogs was created in Perm at the south-western periphery of the anticyclone and in the centre of the anticyclone, in Gubakha - at the northern, eastern and south-western periphery of the anticyclone. In the towns of Berezniki and Solikamsk, no dangerous air pollution levels were observed on days with fogs. Analysis conducted to identify cases of exceeding Maximum Permissible Concentrations (MPC) of pollutants in fogs showed that cases of exceeding MPC were quite frequent. In Perm, Solikamsk and Gubakha cities MPC exceedances for formaldehyde account for 40 - 77 % of all impurities. In Berezniki, nitrogen dioxide and hydrochloric acid account for 65 % of all MPC exceedances.
Keywords: fogs, spatio-temporal analysis, synoptic situations, air pollution, Perm region.
Туман представляет собой результат конденсации водяного пара в приземном слое атмосферы. Туманом называют совокупность взвешенных в воздухе капель воды или кристаллов льда, ухудшающих дальность видимости до значений менее 1 км. При видимости от 1 до 10 км это явление носит название дымки [1-3]. На образование туманов и дымки большое влияние оказывают местные особенности. При одинаковых метеорологических и синоптических условиях в одних районах туман может наблюдаться, а в других - нет. Для отдельных отраслей промышленности туманы являются опасным явлением погоды.
При туманах усиливается загрязнение воздуха. Капли тумана поглощают вредные вещества как вблизи поверхности, так и из вышележащих загрязненных слоев воздуха: концентрация примеси в тумане возрастает.
Туманы, содержащие частицы дыма и вредных веществ, получили название смогов. С наличием смогов связывают периоды особо высокого загрязнения воздуха, сопровождающегося ростом заболеваемости и даже смертности населения [4-7].
Территория Пермского края занимает площадь более 160 тыс. км2. Протяженность ее с севера на юг - 645 км и с запада на восток - 420 км. Территория характеризуется разнообразием физикогеографических и циркуляционных условий, что сказывается на повторяемости и интенсивности туманов. Большое влияние на повторяемость туманов оказывают и местные условия (высота места и форма рельефа, с изменением которых меняется режим температуры, ветра и увлажнения, а также близость к водным объектам) [8].
Цель данного исследования - пространственно-временной анализ повторяемости туманов на территории Пермского края. Также была поставлена задача - рассмотреть влияние туманов на загрязнение воздуха в городах края.
Актуальность и практическая значимость настоящего исследования обусловлены необходимостью учета метеохарактеристики «туман» при прогнозе загрязнения воздуха.
Материалы и методы исследований
туман пермский край загрязнение воздуха
Знание климатических условий территории имеет большое практическое значение. Туманы относятся к аномальным метеорологическим условиям, при которых значительно возрастает опасность загрязнения воздуха. Для анализа использовались данные наблюдений Пермского ЦГМС - филиала ФБГУ «Уральское УГМС» за туманом на 11 метеостанциях Пермского края за период 1999-2016 гг. Метеорологический ежемесячник. Екатеринбург. 1999-2016 гг. № 1-12..
Метеостанции выбирались таким образом, чтобы была охвачена вся территория края. По данным на рассматриваемых метеостанциях были рассчитаны среднее число дней с туманами за каждый месяц, среднее многолетнее количество дней с туманами, среднее многолетнее количество часов с туманами, повторяемость туманов. Также была подсчитана средняя повторяемость туманов по месяцам по всей территории края за исследуемый период. Повторяемость туманов вычислялась как отношение числа часов с туманом к общему числу часов в году (365^24=8760 ч/год).
Для проведения типизации синоптических процессов использовался архив карт погоды Пермского ЦГМС - филиала ФБГУ «Уральское УГМС». Архив карт погоды. Пермь. 1999 -2016 гг.
Для выяснения влияния туманов на загрязнение атмосферы были использованы данные постов наблюдений за загрязнением атмосферы (ПНЗ) Пермского ЦГМС - филиала ФБГУ «Уральское УГМС». Архив данных о концентрациях примесей. ТЗА за период 1999 - 2016гг. Пермь. Руководство по прогнозу загрязнения воздуха и регулированию выбросов при неблагоприятных метеорологических условиях. Санкт-Петербург, 2009. 103 с.
Наблюдения за концентрациями примесей в Пермском крае проводятся в четырех городах: Пермь, Березники, Соликамск и Губаха.
Предварительно по всему ряду наблюдения для каждой синоптической ситуации автором был подсчитан обобщенный интегральный показатель загрязнения воздуха, выраженный через параметр Р.
где n- общее количество наблюдений за концентрацией примесей в городе в течение одного дня на всех стационарных постах;
m- количество наблюдений в течении того же дня с повышенной концентрацией q, которая превышает среднесезонное значение q, более чем в 1,5 раза (q>1,5 q^);qcj, рассчитывается для каждого стационарного поста отдельно для каждого года.
При значениях параметра Р<0,20 уровень загрязнения воздуха считается пониженным, при значениях 0,20<P<0,30 - повышенным и при Р>0,30 высоким.Группы загрязнения воздуха получены по материалам наблюдений в городах Пермь, Соликамск, Березники и Губаха. Далее для каждого выделенного типа синоптической ситуации, при которых отмечается туман, рассчитывалось среднее значение параметра Р [9].
Результаты и их обсуждение
В связи с многообразием факторов, влияющих на образование туманов, распределение числа дней с этим явлением по территории Пермского края характеризуется большой неоднородностью. Среднее число дней с туманами в течение года приведено в табл. 1.
Туманы в Пермском крае наблюдаются в течение всего года. Однако распределение их по месяцам и по территории края неравномерно. Число дней с туманами в теплый и холодный периоды года значительно отличаются. На большей части территории края туманы чаще наблюдались в теплое время года (6-27 дней). В холодное время года отмечается от 2 до 11 дней с туманами. Исключение составили г. Чайковский и п. Октябрьский, где число дней с туманами в оба периода приблизительно равное. В г. Чайковском в холодный период в среднем 2,6 дня с туманами, в теплый - 3,7 дня. В п. Октябрьский в холодный период - 12,1 дня с туманами, в теплый - 11,3 дня.
Наибольшее число дней с туманами отмечается по крайнему северу, горным и юго-восточным районам края. Общее количество дней с туманами здесь составляет от 20 до 30 дней в год. Особенно часты туманы с августа по октябрь (до 8 дней в месяц), когда относительная влажность воздуха достигает высоких значений. В п. Вая этот период смещается раньше на месяц (июль - сентябрь), чтосвязано с географическим расположением населенного пункта (крайний северо-восток). Наименьшее число дней с туманами отмечается на крайнем юго-западе (г. Чайковский - 6 дней в год) и в центральном районе края (г. Пермь и г. Лысьва - по 9 дней в год).
Таблица 1 Среднее число дней с туманами в Пермском крае(1999-2016 гг.)
|
Пункт |
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
VII |
VIII |
IX |
X |
XI |
XII |
Холодный пе риод X-III |
Теплый ериод IV-IX |
Год |
|
|
Вая |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
1,3 |
2,3 |
3,4 |
5,7 |
8,1 |
5,7 |
1,6 |
0,4 |
0,4 |
3,1 |
26,5 |
29,6 |
|
|
Чердынь |
0,3 |
0,5 |
1,2 |
3,7 |
2,1 |
1,7 |
1,5 |
3,9 |
6 |
5 |
2,6 |
1,4 |
11,0 |
18,9 |
29,9 |
|
|
Г айны |
0,4 |
0,4 |
0,8 |
2,1 |
1,2 |
1,3 |
1,7 |
3,3 |
4,3 |
3,2 |
1,4 |
0,3 |
6,5 |
13.9 |
20,4 |
|
|
Кудымкар |
0 |
0,2 |
0,7 |
1 |
0,7 |
1 |
1,4 |
2,8 |
2,6 |
1,4 |
0,5 |
0,2 |
3,0 |
9,5 |
12,5 |
|
|
Березники |
0,2 |
0,2 |
0,8 |
1,3 |
0,7 |
0,7 |
0,9 |
2,1 |
2,6 |
1,9 |
1,1 |
0,5 |
4,7 |
8,3 |
13,0 |
|
|
Губаха |
0,3 |
0,1 |
0,4 |
1,3 |
1,1 |
1,2 |
2,1 |
4,3 |
4,4 |
2,4 |
1,6 |
0,4 |
5,2 |
14,4 |
19,6 |
|
|
Верещагино |
0,1 |
0,3 |
0,7 |
1,4 |
0,7 |
1,2 |
1,5 |
2,7 |
3,1 |
2,6 |
2 |
0,9 |
6,6 |
10,6 |
17,2 |
|
|
Пермь |
0,2 |
0,2 |
0,3 |
0,3 |
0,5 |
1,2 |
1,5 |
1,2 |
1,6 |
0,8 |
0,6 |
0,6 |
2,7 |
6,3 |
9,0 |
|
|
Лысьва |
0,1 |
0 |
0,2 |
0,5 |
0,4 |
1,2 |
1,1 |
2 |
2,1 |
0,8 |
0,4 |
0,5 |
2,0 |
7,3 |
9,3 |
|
|
Чайковский |
0,3 |
0,3 |
0,8 |
0,6 |
0,2 |
0,3 |
0,3 |
0,6 |
1,7 |
0,6 |
0,4 |
0,2 |
2,6 |
3,7 |
6,3 |
|
|
Октябрьский |
1,3 |
0,4 |
1,1 |
1,7 |
0,9 |
1,2 |
1,6 |
2,8 |
3,1 |
3,9 |
3,5 |
1,9 |
12,1 |
11,3 |
23,4 |
На рис. 1-3 представлено среднее многолетнее распределение по территории края количества дней с туманами, количества часов с туманами и повторяемости туманов за исследуемый период.
Рис. 1 Среднее число дней с туманами в Пермском крае за период 1999-2016 гг.
Районы с наибольшим средним количеством дней с туманами (рис.1) располагаются в частях повышенного рельефа местности. Прежде всего, это северо-восточный район, где количество дней с туманами в среднем составляет 2,5 дня. Второй район - это юго-восток края. Среднее количество дней с туманами здесь составляет 1,9. Можно выделить еще крайний северо-западный и горновосточный районы края, где среднее количество дней с туманами составляет 1,6-1,7 дня. Наименьшее среднее количество дней с туманами отмечается в центральных районах и на юго-западе края, и составляет от 0,5 до 1 дня. На остальной территории Пермского края среднее количество дней с туманами составляет от 1,1 до 1,4 дня.
Важной характеристикой тумана является его продолжительность. Средняя непрерывная продолжительность тумана в зависимости от местных условий расположения метеостанций изменяетсяпо территории в пределах 1,8-11,2 ч. (рис. 2).
Рис. 2 Среднее количество часов с туманами в Пермском крае за период 1999-2016гг.
Наибольшая продолжительность тумана отмечается на станциях, расположенных на северо- и юго-востоке края: Чердынь - 11,2 ч, Вая - 10,5 ч, Октябрьский - 8,8ч. Станции, находящиеся в долине реки Камы, имеют наименьшую среднюю непрерывную продолжительность туманов: Пермь - 2,0 ч, Чайковский - 1,8ч.
Районы наибольшей повторяемости туманов располагаются в частях повышенного рельефа края (рис. 3).
Рис. 3 Повторяемость туманов в Пермском крае за период 1999-2016гг.
В Пермском крае можно выделить два района, где повторяемость туманов в среднем превышает 1,1 % от общего числа часов в год. Это, прежде всего, северо-восточный район, где высота склонов является благоприятной для значительной повторяемости туманов (1,5 %) и юго-восточный район края (1,2 %), представляющий собой возвышенное плато, расчлененное речными долинами. Чаще всего туманы наблюдались на метеостанциях Чердынь (в среднем 1,5 %), Вая (1,4 %) и Октябрьский (1,2 %). Реже всего - на метеостанциях Пермь (0,3 %) и Чайковский (0,2 %).На большей части остальной территории Пермского края повторяемость тумана составляет от 0,2 до 0,9 % от общего числа часов в год.
Распределение повторяемости туманов по месяцам также характеризуется неоднородностью (рис. 4).
Рис. 4 Средняя повторяемость туманов по месяцам в Пермском крае за период 1999-2016гг.