Методологические вопросы анализа трансграничного переноса аэрозоля в тропосфере над Тянь-Шанем

Размещено на http://www.allbest.ru/

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ АНАЛИЗА ТРАНСГРАНИЧНОГО ПЕРЕНОСА АЭРОЗОЛЯ В ТРОПОСФЕРЕ НАД ТЯНЬ-ШАНЕМ

Э.Ю. Зыскова

Г.А. Когай

Современные достижения в области многоволнового лазерного зондирования атмосферы предоставляют широкие возможности исследования пространственно-временной структуры оптических и микрофизических свойств аэрозольной компоненты атмосферы, а уровень достижений метеорологических технологий позволяет получать всю необходимую информацию о переносе воздушных масс над регионом зондирования.

Совокупное использование возможностей указанных выше методов, наряду с привлечением информации в области физики и оптики атмосферы, а также метеорологии и климатологии, позволяет получить новые данные, необходимые для решения, в первую очередь, региональных проблем. Среди них и проблема причин таяния ледников Тянь-Шаня, и проблема возможных эффектов, связанных с появлением Азиатского коричневого облака и Азиатской пыли. Настоятельная необходимость проведения таких исследований очевидна, если учесть роль водных и гидроэнергетических ресурсов в формировании экономики региона.

Постановка задачи. Разработка научного подхода к методологии для реализации и достижения следующих целей:

· локализовать источник загрязнения воздушной массы аэрозолем;

· определить четырехмерную траекторию трансграничного переноса загрязненной воздушной массы;

· выявить особенности трансформации воздушной массы при переносе по траектории;

· оценить масштабы загрязненной воздушной массы;

· оценить оптические и микрофизические свойства аэрозольного загрязнения;

· выявить метеорологические и климатические эффекты аэрозольного загрязнения на тропосферу над Тянь-Шанем;

· выявить, на основе анализа процессов циркуляции, условия усиления или ослабления эффектов аэрозольного загрязнения тропосферы над Тянь-Шанем;

· выявить устойчивые связи и отношения между свойствами аэрозоля, его эффектами и циркуляционными процессами.

Анализ методологии обратного траекторного анализа (далее МОТА), применяемой германской лидарной сетью [1], привел к следующим выводам:

МОТА приемлема в физико-географичес-ких границах, в масштабах Западной Европы;

МОТА позволяет характеризовать воздушные массы по направлениям прихода в точку лидарного зондирования и классифицировать оптические свойства аэрозольного загрязнения по этим направлениям;

МОТА не предусматривает возможность трансформации свойств воздушной массы при переносе по траектории.

Все это ограничивает использование подхода, реализованного в МОТА для достижения поставленных целей, реализация которых состоит из решения следующих задач:

· Определение особенностей общей циркуляции атмосферы северного полушария путем выделения характерных для региона параметров длинных волн планетарной высотной фронтальной зоны (ПВФЗ).

· Определение особенностей термобарических полей евроазиатского сектора ПВФЗ (локализация осей высотных гребней и ложбин относительно географической точки лидарного зондирования, зон дивергенции и конвергенции линий барической топографии, струйных течений и т.д.).

· Определение происхождения зондируемой воздушной массы путем получения ее четырехмерной траектории (т.е. движение по широте, долготе, высоте в течение заданного времени) и выявления особенностей ее трансформации при переносе.

· Выявление и локализация местонахождения источника аэрозольного загрязнения воздушной массы.

· Определение оптических и микрофизических свойств воздушных масс с характерными траекториями и условиями трансформации.

· Разработка аэрозольной модели тропосферы над Тянь-Шанем путем многофакторного анализа репрезентативного количества данных: по воздушным массам; условиям переноса; источникам аэрозольного загрязнения; пространственно-временным свойствам оптико-микрофизических характеристик.

· Выявление устойчивых связей и отношений между циркуляционными процессами атмосферы различного масштаба над регионом и их оптико-микрофизическими свойствами.

· Построение физической модели переноса в атмосферу над регионом крупномасштабных и долговременно действующих аэрозольных образований.

· Оценка вклада аэрозольной компоненты в радиационный баланс тропосферы над Тянь-Шанем.

· Построение физической модели зависимости таяния ледников Тянь-Шаня от аэрозольного фактора.

· Создание пакета прикладных программ, обеспечивающих автоматизированное решение на ПК вышеуказанных задач.

Решение каждой из этих задач осуществляется по отдельной методике, содержащей множество не приведенных в данной статье деталей технологического характера. Совокупность таких методик и составляет взаимосвязанную методологию.

По мере получения, в соответствии с описанным подходом, климатически репрезентативной базы данных обеспечивается движение к выявлению все более устойчивых связей и отношений между аэрозольными свойствами атмосферы и ее циркуляционными процессами.

Результаты. В качестве иллюстрации отдельных фрагментов реализации предлагаемой методологии ниже приведены примеры сопровождения случаев лидарного зондирования метеорологической информацией, необходимой для локализации источника аэрозольного загрязнения воздушной массы и особенностей ее трансформации при переносе. На рис. 1 показаны обратные траектории переноса воздушных масс, лидарное зондирование которых производилось зимой, весной, летом и осенью 2002 г.

Рис. 1. Траектории переноса воздушных масс за 96 часов по карте абсолютной топографии АТ-500 гПа.

На концах траекторий проставлены даты лидарного зондирования. Здесь и далее использованы, в первую очередь, карты АТ-500, поскольку в соответствии с правилом ведущего потока из теории общей циркуляции атмосферы по ним наиболее целесообразно проводить анализ условий трансграничного переноса аэрозоля.

Рис. 2. Карта барического поля у поверхности земли(толстые линии), на АТ-500 (тонкие пунктирные линии), пылевые явления (тонкие сплошные линии) и траектория переноса воздушной массы за 96 час на АТ-500 (жирная линия).

29 января 2003 г.

В период с 28 февраля по 03 января 2002 г. над районами переноса (зона степей, полупустынь и пустынь плато Устюрт, Приаралья, юга казахского мелкосопочника) располагался смещающийся к востоку высотный гребень, выносящий теплый тропический воздух южных пустынь на Центральную Азию и Казахстан (рис. 2). У поверхности земли над этими районами образовалось поле высокого давления юго-западной периферии антициклона. При антициклонической циркуляции конвективные потоки, образующиеся днем в часы максимального прогрева подстилающей поверхности, способствуют вертикальному переносу пылевых частиц. Когда ось высотной ложбины приблизилась к Аралу, по ее юго-западным потокам на территорию Кыргызстана вышел Мургабский циклон, сформировавшийся над Ираном. Этот циклон характерен распространением тропического воздуха по всей тропосфере. В подобном случае, когда траектория переноса проходит над несколькими возможными очагами загрязнения, а анализ метеорологической обстановки вдоль траектории не позволяет однозначно выделить конкретный источник, требуются дополнительные измерения с целью набора репрезентативного комплекта данных.

Рис. 3. Оптические и микрофизические параметры зондирования. 29 января 2002 г.

На рис. 3 приведены результаты лидарного зондирования 29 января 2002 г. Вышеописанным метеоусловиям соответствуют повышенные в верхней тропосфере (3,7-6,7 км) концентрации аэрозоля (14000-18000 см-3).

Рис. 4. Профили коэффициента обратного аэрозольного рассеяния на трех длинах волн в 20:07 (слева) и в 22:31 (справа). 04 апреля 2002 г.

На рис. 4 представлены результаты зондирования тропосферы на трех длинах волн в 20 ч 07 м (левая часть) и в 22 ч 31 м (правая часть).

Из сопоставления кривых в левой части с кривыми в правой части можно заметить следующее:

· два слоя, толщиной около 2 км каждый, с коэффициентами обратного рассеяния, отличающимися на порядок, разделенные между собой промежутком порядка 300 м (рис. 4, левая часть) в течение 2 ч 27 м слились в один слой толщиной около 4 км с более равномерным коэффициентом рассеяния (рис. 4, правая часть);

· отчетливо виден подъем слившегося образования на высоту около 300 м (скорость подъема 0,33 м/с).

Рис. 5. Распределение частиц загрязнения тропосферы по размерам в 20:07 (слева) и в 22:31 (справа). 4 апреля 2002 г.

Анализ микрофизических параметров (рис. 5) показывает, что:

· в слое 3,8-4,6 км концентрация частиц радиусом 0,52 мкм упала более чем в 26 раз (с 4200 до 160 см-3), но появились частицы с радиусами до 3 мкм и концентрацией около 150 см-3. Изменение произошло как за счет поднятия нижней границы загрязнения, так и за счет коагуляции частиц при слиянии двух слоев в один;

· в слое 5,9-7,9 км радиусы частиц не изменились, а концентрация выросла почти в 1000 раз (с 4500 до 4100000 см-3);

· концентрация частиц радиусом 0,09 мкм увеличилась более чем в 260 раз (с 3800 до 1000000 см-3);

· в слое 7,9-9,9 км вид распределения и концентрация частиц практически не изменились.

Рис. 6. Карта барического поля у поверхности земли и на АТ-500, пылевых явлений у поверхности земли на АТ-850. 2 апреля 2002 г.

На рис. 6 показана термобарическая обстановка вокруг траектории переноса воздушной массы за двое суток до даты зондирования, а на рис. 7 - в день зондирования.

Анализ метеорологической обстановки, сопутствовавшей зондированию 04 апреля 2002 г., показал следующее (рис.6): 1 апреля на территорию Кыргызстана осуществилось северо-западное, а вслед за ним 2 апреля северное вторжение; 3-4 апреля на фронте северного вторжения развилась волновая деятельность.

Рис. 7. Карта барического поля у поверхности земли и на АТ-500, пылевых явлений у поверхности земли, траектории воздушной массы за 96 ч на АТ-500. 4 апреля 2002 г.

На высотах 3-9 км перемещение воздушных масс над Центральной Азией имело преимущественно западное направление, фронтальные системы располагались по южной периферии мощного антициклона вторжения. Под влиянием антициклона оказались и северные районы Кыргызстана (Чуйская, Таласская, Иссык-Кульская области). За этот период на смену теплой и влажной воздушной массе умеренных широт пришел холодный и влажный воздух умеренных широт, а затем постепенно стал затекать холодный арктический воздух.

4-5 апреля по югу республики (Ошская, Жалал-Абадская, Баткенская области) и в верхних слоях тропосферы перед выходом южного циклона наблюдался вынос теплой и влажной тропической воздушной массы (рис. 7). Над Северным Кыргызстаном образовался своеобразный “пирог” с слоем холодной арктической воздушной массы в пограничном слое, затем слой влажной холодной воздушной массы умеренных широт, а верхнюю половину тропосферы занял теплый и влажный тропический воздух. Тропическая воздушная масса вклинилась в слой верхней тропосферы и уплотнилась в облаке пыли. В приземном слое, за счет инверсии и слабых скоростей ветра, образовался слой с повышенным содержанием аэрозоля.

Рис. 8. Карта барического поля у поверхности земли и на АТ-500гПа, пылевые явления у поверхности земли, траектория перемещения воздушной частицы за 4 суток. 10 августа 2002 г.

Вероятнее всего, что основное загрязнение воздуха связано с пылью, поднятой 1-2 апреля 2002 г. над северо-западными пустынями Китая, пустыней Такла-Макан и принесенной северо-восточными и восточными ветрами южной периферии антициклона (рис. 6).На фоне развивающейся в течение 8-11 августа 2002 г. летней термической депрессии, которая захватила весь регион Центральной Азии и Казахстана, 10 августа происходил вынос пыли из пустынных районов Северного Китая (рис. 8). В то же время, в верхней тропосфере (АТ-500) сложились условия, когда 12 августа термическую депрессию сменило холодное западное вторжение. Пелена теплого запыленного воздуха была вытеснена вверх клином холодной воздушной массы. В нижней тропосфере добавилась лессовая пыль пустынь Северного Китая.

Из рассмотрения траектории на АТ-500 можно предположить, что в пылевое облако верхней тропосферы при вторжении добавилась сажа от Подмосковных пожаров, так как воздушная масса подошла к нам именно из тех районов (рис. 9). климатический аэрозольный загрязнение тропосфера

Рис. 9. Карта барического поля у поверхности земли и на АТ-500гПа, пылевые явления у поверхности земли, траектория перемещения воздушной частицы за 4 суток. 12 августа 2002 г.

В типичном случае развития в Центральной Азии летней термической депрессии, когда слой приземного воздуха чрезвычайно сух, интенсивное конвективное движение воздуха в дневные часы увлекает вверх в больших количествах тончайшую пыль, оседание которой в ночные часы происходит гораздо медленнее, чем подъем при дневной конвекции. В летние месяцы, когда поверхность почвы чрезвычайно суха и скорости ветра усиливаются, в воздух почти непрерывно поднимается значительное количество пылевых частиц, а при сильных ветрах даже крупный песок и камни. Тончайшая пыль увлекается вверх интенсивными конвективными движениями. Интенсивность мглы постепенно нарастает от начала к концу периода развития термической депрессии. Наступает наиболее интенсивное помутнение атмосферы, снижающее нередко дальность горизонтальной видимости до 4-10 км, а иногда и менее 2 км. Термическую депрессию сменяет холодное западное вторжение. При холодных вторжениях в средней тропосфере сильные ветры уносят пыль в горы Памиро-Алая, Западного и даже Центрального Тянь-Шаня. Когда холодное вторжение имеет небольшую вертикальную мощность, то пелена запыленного воздуха располагается над клином чистого холодного воздуха. Такая пылевая завеса может по вертикали достигать 4 км [2]. Это классическое описание условий загрязнения тропосферного воздуха соответствует синоптической ситуации в нашем случае.

Рис. 10. Результаты зондирования оптико-микрофизических характеристик 12 августа 2002 г.

На рис. 10 представлены результаты зондирования на трех длинах волн 12 августа 2002 г. В нижнем слое 1,0-2,3 км находятся довольно крупные частицы с концентрацией не более 1500 см-3 и с радиусами в диапазоне 0,29-1,67 мкм. Выше, на 2,3-4,2 км, находится наиболее загрязненный слой, где мелкие частицы с радиусами в диапазоне 0,05-0,09 мкм достигают концентрации около 900000-200000 см-3 соответственно. Еще выше, в слое 5,0-6,5 км в диапазоне радиусов 0,05-0,52 мкм, концентрация частиц загрязнения находится в диапазоне 3000-9000 см-3. И, наконец, в слое 6,5-7,5 км преобладают мелкие частицы с радиусами 0,05-0,29 мкм с концентрациями от 14000 и ниже, падающими по нормальному закону распределения.

Кривые коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния содержат информацию о послойной структуре и распределении величины оптических параметров аэрозоля. Результатам лидарного зондирования 25 ноября 2002 г., представленным на рис. 11, соответствует обратная траектория и следующая метеорологическая обстановка (рис. 12).

Рис. 11. Результаты зондирования оптико-микрофизических характеристик. 25 ноября 2002 г.

Рис. 12. Карта барического поля у поверх-ности земли и на АТ-500 гПа, пылевые явления у поверхности земли, траектория перемещения воздушной частицы за 4 суток. 25 ноября 2002 г.

Очагом начального загрязнения тропосферного воздуха являются районы Иранского нагорья (Большая соляная пустыня и др.), над которыми воздушная масса перемещалась 3-4 суток назад. Буквально неделю, изо дня в день накануне рассматриваемой даты, здесь отмечалась пыльная мгла. Такая адвективная мгла наблюдается не только в летнее время, но и зимой, так как в этих пустынях в сухие периоды, даже при скоростях ветра 3-4 м/с, песчаная пыль легко поднимается в воздух на высоту до 2 км.

20-21 ноября 2002 г. над Иранским нагорьем у поверхности земли наблюдалось поле пониженного давления с развитием циклогенеза, скорость ветра не превышала 5 м/с. Тыловая часть слабой высотной ложбины обусловила восходящие потоки воздуха и поднятие пылевой массы на некоторую высоту.

22-23 ноября 2002 г., проходя над среднеазиатскими пустынями Кара-Кум и Кызыл-Кум, воздушная масса получила дополнительную порцию пыли, частицы которой затем начали оседать в нижние слои тропосферы со слабыми нисходящими потоками воздуха антициклонической циркуляции.

24 ноября 2002 г. на смену воздушной массе умеренных широт к районам Кыргызстана начала поступать теплая запыленная тропическая воздушная масса с повышением температуры воздуха: на 10-13°С у поверхности земли; на 9-11°С на поверхности 850 гПа; на 5-7°С на поверхности 700 гПа и на 2-4°С на поверхности 500 гПа. В таких ситуациях, с приближением холодного вторжения (в данном случае северо-западного), сильные ветры в средней тропосфере уносят пыль на большие расстояния, а вертикальная мощность пылевого облака может достигать в восточных районах Центральной Азии 4 км и более.

В данном случае источником загрязнения воздушной массы являются пустыни Ирана, Афганистана и Центральной Азии.

Заключение. Проведенный анализ метеорологических условий трансграничного переноса аэрозоля и его оптико-микрофизических характеристик в отдельно взятые по сезонам случаи лидарного зондирования показывает, что наиболее высокие уровни загрязнения тропосферы над точкой зондирования обусловлены выносом теплой тропической воздушной массы. При этом характерно, что высотный термобарический гребень располагается над восточной частью Центральной Азии.

Вопросы, связанные с более детальной локализацией источников загрязнения и свойственных конкретному источнику оптических и микрофизических свойств аэрозоля, являются предметом дальнейших исследований.

Работа выполнена в рамках проекта KR-310 Международного научно-технического центра.

Литература

1. The German Aerosol Lidar Network: Methodology, Data, Analysis / MPI Meteorology Report. No 317. - Hamburg, 2001.

2. Челпанова О.М. Средняя Азия / Климат СССР. - Вып.3. - Л.: Гидрометеоиздат, 1963. - 446 с.

Размещено на Allbest.ru