ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных |
||
Атмосферный аэрозоль оказывает комплексное воздействие на биосферу. Он заметно влияет на свойства атмосферы, внося неопределенность в оценки климатических изменений, оказывает влияние на геохимические процессы, а также непосредственно воздействует на здоровье людей. Аэрозольные концентрации значительно увеличиваются в городской среде. Одним из инструментов исследования служит мезомасштабная модель COSMO, в которой, благодаря включению в ее состав химического кластера, моделируется вторичный аэрозоль в загрязненной атмосфере. Многолетние наблюдения AERONET в Москве и данные нового спутникового алгоритма MAIAC позволят охарактеризовать величину трендов и количественно оценить радиационные и температурные эффекты наблюдающихся изменений вблизи крупных городских агломераций. Мы предполагаем исследовать облачно-аэрозольное взаимодействие и провести оценки непрямых воздействий аэрозоля на радиационный и температурный режим атмосферы. Будут проведены исследования концентрации взвешенных частиц у поверхности Земли, характеристик аэрозоля до и после выпадения осадков, сажевой компоненты аэрозоля, а также тяжелых металлов в растворенной и нерастворенной форме в период проведения комплексного интенсивного измерительного эксперимента. Таким образом, научная новизна проекта заключается в комплексном исследовании городского аэрозольного загрязнения, его влиянии на радиационный режим и прогноз наиболее важных метеорологических элементов и выявлении особенностей протекания геохимических процессов.
Atmospheric aerosol has a complex effect on the biosphere. It significantly affects the properties of the atmosphere, making uncertainty in the assessment of climate change and has an impact on geochemical processes, as well as directly affects human health. Aerosol concentrations are increasing significantly in the urban environment. One of the research tools is the mesoscale COSMO model, in which, due to the inclusion of a chemical cluster in its composition, a secondary aerosol in a polluted atmosphere is modeled. Long-term observations of AERONET in Moscow and data of the new satellite algorithm MAIAC will allow to characterize the magnitude of trends and quantify the radiation and temperature effects of the observed changes near large urban agglomerations. We propose to investigate the cloud-aerosol interaction and assess the indirect effects of aerosol on the radiation and temperature conditions of the atmosphere. Studies will be conducted on the concentration of suspended particles at the Earth's surface, aerosol characteristics before and after precipitation, the particulate component of the aerosol, as well as heavy metals in dissolved and undissolved form during the complex intensive measurement experiment. Thus, the scientific novelty of the project lies in a comprehensive study of urban aerosol pollution, its impact on the radiation regime and the forecast of the most important meteorological elements and the identification of the peculiarities of geochemical processes.
В 2018 году в рамках задач первого рабочего пакета (РП1) будет проведен первый комплексный эксперимент, в котором будет одновременно исследоваться оптические свойства аэрозоля, его концентрация, содержание черного углерода в аэрозоле, его химический состав. Период проведения эксперимента дней предположительно весной, когда наблюдаются максимальные концентрации аэрозоля в атмосфере. В ходе эксперимента будут анализироваться изменения оптического режима атмосферы,изменение концентрации веществ, в том числе черного углерода и их химический состав, а также метеорологические и радиационные измерения для тестирования качества воспроизведения моделью результатов измерений. Это позволит проверить модельные аэрозольные параметризации частиц разных фракций. Полученные результаты будут сравниваться с результатами модельных расчетов по СOSMO-ART. Будут проведены численные эксперименты с заданием различных входных параметров, в том числе эмиссий газов –предшественников аэрозоля. Будут изучены эффекты аэрозоля на радиационный и температурный режим по данным моделирования и измерений. В рамках второго рабочего пакета задач будут проводиться исследования, связанные с оценкой облачно-аэрозольного взаимодействия и оценкой косвенного воздействия аэрозоля на радиационный и температурный режим по данным модели COSMO. В 2018 г. мы сфокусируемся на тестировании нового облачно-аэрозольного алгоритма модели COSMO. Для этого планируется использовать данные международного архива по облакам SAMD (https://icdc.cen.uni-hamburg.de/1/projekte/samd.html). Выполнение задач РП3 в 2018 г. будет посвящен анализу данных, полученных по новому спутниковому алгоритму с использованием мультиуглового приближения для атмосферной коррекции в узлах сетки 1 км для Московской агломерации. Будут проведены тестирования нового спутникового алгоритма поданным измерений в Москве, выделение отдельных аэрозольных компонент по его данным. В рамках РП4 будут проведены измерения расширенного химического состава проб атмосферных осадков, их минерализации, размеров осажденных частиц и атмосферного воздуха в ходе комплексного эксперимента, а также проб снега с отдельным рассмотрением растворимой и нерастворимой формы. Анализ содержания различных химических веществ в осадках и изменения их концентрации позволит оценить величину в влажного осаждения, а также них величину ТММ, что позволит оценить особенности миграции поллютантов в растворимой и нерастворимой формах.
В распоряжении исследователей имеются современные комплексы измерений эколого-климатических характеристик, включая измерения комплекса микрофизических и оптических характеристик в столбе атмосферы, измерения черного углерода, набор радиационных и метеорологических измерений, а также измерений, связанных с определением химического состава осадков. Исследования аэрозоля в столбе воздуха с помощью солнечно-небесных фотометров CIMEL сети AERONET в Москве за предшествующие годы показали его завышенный уровень относительно пригорода, и более высокую поглощательную способность аэрозольных частиц (Chubarova et al., 2011, Сhubarova et al., 2016). Авторами проекта также было указано на существенные спектральные особенности поглощения солнечного излучения дымовым аэрозолем с большим содержанием органической сажевой компоненты и более сильному поглощению этим аэрозолем в УФ диапазоне спектра. В результате десятилетней работы соисполнителя из НИИЯФ МГУ создана Лаборатория анализа аэрозолей на базе современных физико-химические методов, в том числе электронной микроскопии, ФТИР спектроскопии, аналитической химии и абсорбционных методов. Получен большой опыт в проведении измерительных кампаний в условиях повышенных эмиссий и дымов пожаров в Европейском и Сибирском регионах. Участниками проекта в Гидрометцентре РФ была успешно реализована модель COSMO и ее химический модуль ART. В химической лаборатории МО МГУ активно ведется анализ химических свойств атмосферных осадков и их минерализации с помощью современной аппаратуры и методов анализа, разработанным в МО МГУ (Еремина и др. 2015). Геохимические особенности фоновой территории московского мегалополиса будут изучаться специалистом, который активно участвовал в эколого-геохимических исследованиях одного из наиболее загрязненных округов Москвы – Восточного (Геохимия ландшафтов Восточной Москвы, 2016). Особое внимание уделялось анализу техногенной геохимической нагрузки на изменение химического состава снежного покрова.
В рамках первого Рабочего Пакета (РП1) проведен весенний аэрозольный эксперимент AeroRadCity (1.04-31.05.2018),в ходе которого оценивались особенности газово-аэрозольного состава атмосферы, в том числе, черного углерода (ВС), а также их связи с радиационными и метеорологическими характеристиками. Дополнительно проводился анализ интенсивности рассеивания примесей с помощью индикаторов неблагоприятных метеорологических условий (НМУ).Проведен детальный синоптико-метеорологический анализ, выделены 12 естественно-синоптических периодов (ЕСП). Показано, что условия, способствующие наибольшему накоплению городского загрязнения и формированию городского аэрозоля, наблюдались в 3-й (11-16 апреля) и 9-й (13-17 мая) естественно-синоптические периоды. Эти периоды характеризовались увеличенными значениями аэрозольной оптической толщины на длине волны 500 нм (АОТ500) до 0.26 и 0.16 относительно средних значений, а также повышенными концентрациями PM10 и черного углерода (на 13% и 56-60% соответственно). Корреляционный анализ между средними за ЕСП индикаторами НМУ,аэрозолем и концентрацией газов-предшественников аэрозоля выявили тесную связь между этими величинами (r= 0.6- 0.8). При этом связь с аэрозольной концентрацией в приземном слое и в столбе атмосферы выражена слабее, хотя она также существует. Для черного углерода также выявлены тесные связи с концентрациями газов (NO( r=0.75), NO2 (r=0.69), CO (r=0.71)), что свидетельствует о единых источниках загрязнения воздуха. Получены эмпирические регрессионные связи между содержанием BC, концентрацией частиц в приземном слое, а также мелкодисперсной игрубодисперсной фракцией АОТ500 в столбе атмосферы. Рассчитаны радиационные эффекты аэрозоля на верхней и нижней границах атмосферы и коротковолновая радиация у земной поверхности для различных ЕСП и проведено сравнение с результатами измерений при безоблачных условиях для зенитного угла Солнца 45 град., которое показало удовлетворительное согласие. Наиболее высокие значения радиации и по модели и по измерениям наблюдались в 8 ЕСП, когда при малом содержании аэрозоля (АОТ500=0.09) и относительно невысоких концентрациях черного углерода (0.96 мкгм-3) отмечались благоприятные условия для рассеивания примесей. Радиационный эффект аэрозоля на верхней границы атмосферы в этот период очень невелик за счет малого содержания аэрозоля и составлял около -3 Втм-2, в другие периоды этот радиационный аэрозольный эффект равен примерно -13--20 Втм-2. Для отдельных дней в период весеннего эксперимента (15.04, 03.05, 08.05, 09.05) проведены сравнения между результатами моделирования антропогенного аэрозоля по химико-транспортной модели COSMO-ART и данными измерений в Москве в МО МГУ и в Звенигороде на ЗНС ИФА РАН имени А.М. Обухова. В апреле модельные значения АОТ550 в обоих пунктах удовлетворительно согласуются с результатами измерений. В мае для всех дней данные моделирования существенно (более чем в два раза) завышают измерения и в Москве, и в Звенигороде. В то же время модельные и измеренные оценки антропогенной аэрозольной оптической толщины, составляющие около 0.01-0.03, хорошо согласуются между собой и в эти дни. Модельные эксперименты с различных эмиссиями загрязняющих веществ (TNO за 2010 г и за 2003-2007 гг.) позволили оценить чувствительность рассчитываемой антропогенной составляющей АОТ550 к величине эмиссий газов-предшественников аэрозоля. Было показано лучшее качество эмиссий TNO 2010 г. для моделирования городского аэрозоля. Проведен детальный анализ изменчивости концентрации черного углерода. Показано, что его среднее значение (1,14 мкг/м3) за период эксперимента близко к величине, полученной в предыдущую измерительную кампанию в МО МГУ весной 2017 г. (1.04 мкг/м3). Эти значения также согласуются с данными измерений ИФА РАН в Москве. Анализ розы ветров и загрязнения черным углеродом за период эксперимента выявил наблюдающийся максимум повторяемостиминимальных концентраций ВС при максимальных значениях скоростей северо-западного ветра (больше 5 м/с). Наибольшие значения ВС > 5мкг/м3 отмечались при северном ветре или в условиях штиля. Доля черного углерода в полной массовой концентрации РМ10 аэрозоля в среднем равна 4% с максимумом 34%. Средний суточный ход выявил утренний максимум и вторичный вечерний максимум примерно в 23 часа, что, главным образом, объясняется повторяемостью штилей и изменениями в интенсивности движения автотранспорта. Преобладание случаев с низкими значениями коэффициента поглощения Ангстрема в период весеннего эксперимента указывает на доминирование черного углерода в поглощающей аэрозольной компоненте в результате процессов высокотемпературного сжигания природного топлива в двигателях транспорта. В то же время в период майских праздников (особенно 8 и 9 мая) наблюдались повышенные значения коэффициенты поглощения Ангстрема, что вероятно связано с интенсивным сжиганием сельскохозяйственного мусора. Оценки радиационного и температурного эффектов аэрозоля различных типов для территории Северной Евразии были выполнены с использованием модели COSMO-Ru1 и радиационного алгоритма CLIRAD-SW c применением различных аэрозольных климатологий, в том числе новой немецкой климатологии MACv2. Проведено детальное тестирование результатов расчета по данным наблюдений в ряде пунктов, в том числе, МО МГУ. Показано улучшение качествавоспроизведения аэрозоля для различных территорий с использованием новых аэрозольных данных и уменьшение погрешности расчета суммарной коротковолновой радиации для всех рассматриваемых пунктов наблюдений. Проанализирована чувствительность приземной температуры воздуха к аэрозольному радиационному воздействию. Эта величина колеблется для различных типов аэрозоля в диапазоне -0.7(-1.1)К/100 Втм-2. Для реальных значенийаэрозоля в Московском регионе величина температурного эффекта составляет порядка -0.1(-0.3)К. В рамках РП2 проведены исследования, связанные с оценкой косвенного воздействия аэрозоля на облачность. Для решения этой задачи использовалась оперативная и экспериментальная версии модели COSMO, данные которых тестировались по измерениям в Линденбергской обсерватории (архив SAMD за 2014 и 2016 гг.). Сравнения расчетов в оперативной версии модели с данными SAMD выявили несоответствие расчетов ледности облаков вследствие погрешности моделирования влагосодержания в верхних слоях тропосферы. Расчет диапазона водосодержания облаков соответствует экспериментальным данным, но корреляция с данными измерений низкая. Наблюдается занижение значений суммарной радиации в среднем на 57 Вт/м2 (или на 32%). Полученные различия измерений с расчетами по оперативной версии модели COSMO могут быть объяснены недостаточно адекватным описанием процессов облачно-радиационного взаимодействия. Эксперименты с новой экспериментальной версией модели с учетом влияния аэрозоля на микрофизические параметры облачности продемонстрировали лучшее согласие с данными измерений: суммарная радиация выросла в более, чем 80% случаев, причем в 20% из них разность составляет более 50 Вт/м2. В среднем при использовании новой схемы отмечается рост температуры воздуха на 0,5-0,8 К, достигая в отдельных случаях 3К. В рамках выполнения РП3 получены закономерности распределения АОТ550 с шагом сетки 1 км по новому многоугловому алгоритму MAIAС (NASA, USA) по спутниковым данным MODIS для территории Московского региона за теплый период наблюдений с 2000 по 2017 гг. Сопоставления данных спутниковых измерений с измерениями АЭРОНЕТ в Москве показали существенно лучшее согласие (r=0.95), чем при использовании стандартного алгоритма MODIS. Показано их некоторое систематическое занижение, которое для типичных АОТ составляет около 20%. Наличие индикаторов для разных типов аэрозоля, используемых в алгоритме, позволяет надежно выделять случаи с дымовым аэрозолем: для этих случаев АОТ550 превышает средние значения примерно в 1.8 раза. Использование этих индикаторов помогает более надежно выделить случаи городского аэрозольного загрязнения. Оцененные по данным моделирования радиационные эффекты аэрозоля (RFE) на верхней границе атмосферы составляют около -10 Втм-2 для случаев регионального аэрозоля. Для дымового аэрозоля, наблюдавшегося в 2002 и 2010 г., величины RFE уменьшаются до -57 Втм-2. Согласно анализу спутниковых данных средняя разница в АОТ550 по Московскому региону составляет 0.1; наблюдаются повышенные значения АОТ550 на юго-востоке Москвы, что связано с работой промышленных предприятий, а также на территории Новой Москвы и в Горках-10 вероятно за счет интенсивного автомобильного движения. Величина АОТ550 за период 2011-2017 уменьшилась на 0.03 по сравнению с 2003-2009 гг., что согласуется с общими тенденциями, полученными по данным наземных измерений. Совместный анализ данных измерений и эмиссий по данным WebDab – EMEP для территории ЕТР показал, что скорее всего причиной отрицательных трендов АОТ является уменьшение антропогенных эмиссий. Оценки городского аэрозольного загрязнения по спутниковым данным составили величину около 0.02-0.03, которая приблизительно соответствует значениям, полученным по нашим данным моделирования антропогенного аэрозоля по модели COSMO-ART. В рамках РП4 проведен анализ кислотности и химического состава атмосферных осадков в растворимой и нерастворимой формах в период аэрозольного эксперимента AeroRadCity. Получена зависимость минерализации растворенной фракции от количества осадков при отсутствии значимых вариаций кислотности и концентрации катионов и анионов. Преобладающим катионом в пробах является катион кальция, источником которого служат процессы химического выветривания, и, частично, строительная индустрия, а анионом – хлорид, источником которого являются ряд промышленных предприятий, а также противогололедные реагенты. Анализ многолетних изменений концентраций различных ионов в атмосферных осадках показал рост хлоридов с 3,9 мг/л в 1980-1990-е годы до 4,9 мг/л - в последние 10 лет. В то же время содержание сульфатов из-за использования на ТЭЦ газа вместо угля заметно уменьшилось. В результате в последние годы содержание хлоридов в 4 раза превышает содержание сульфат-ионов. Оценка изменения концентрации взвешенных частиц выявила статистически значимую тенденцию уменьшения концентрации PM10 в период дождя с интенсивностью V=-0.5+- 0.3 %/ мин, в то время как для черного углерода такой тенденции не проявилось (V=+0.6+- 0.9% /мин). Анализ изменения АОТ500, а также мелкодисперсной и грубодисперсной доли АОТ500 до и после выпадения осадков, выявил более сложные разнонаправленные тенденции изменения этих аэрозольных параметров. Проведен анализ концентрации веществ в растворенной, и нерастворенной формах и получена высокая корреляция между этими компонентами (r=0.94). При этом величина минерализации осажденных веществ в нерастворимой форме практически всегда примерно в два раза больше, чем в растворенной. Это говорит о более эффективном выведении взвешенных веществ из атмосферы. Выявлено, что для всех ионов, за исключением HCO3-, наблюдается уменьшение их концентрации с ростом количества осадков. При этом связь отдельно с интенсивностью выпадения или продолжительностью осадков выражена слабее. Создана база данных для 33 тяжелых металлов и металлоидов (ТММ) в пробах дождя в растворенной и взвешенной формах, включающая физико-химические свойства осадков и макрокомпонентный состав. Содержание большинства ТММ в апрельских дождях больше, чем в майских, что связано с интенсивным воздействием промышленных источников из-за отопительного сезона в апреле и эффекта разбавления при увеличении количества выпадающих осадков в мае. В Москве концентрации растворенных форм Li, V, Cr, Ni, As, Se, Mo, Cd и Sn ниже, чем во многих других городах, и близки к уровню этих ТММ на сельских территориях и в некоторых случаях даже фоновых ландшафтов. В осадках западной части Москвы Ti, Zr, Al, Sn, Fe, W, Th, Li, V, Cs, Bi и Y находятся преимущественно в нерастворенной, а Zn, Ca и Cd в растворенной формах. Значительная доля взвешенных форм ТММ связана с поступлением в атмосферный воздух твердых частиц почв или дорожной пыли, а также обусловлена свойствами дождевой воды и самих химических элементов (анионогенностью и катионогенностью). Выпадения большинства ТММ положительно зависят от интенсивности дождя и отрицательно от его продолжительности. Максимумы выпадений ТММ установлены для самого интенсивного (2,9 мм/ч) эпизода дождя – 17-18 апреля, а также в период 1-6 мая, что обусловлено техногенной поставкой ТММ в атмосферу при сжигании органических остатков на дачных участках в праздники и интенсивным движением транспорта.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 23 апреля 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Аэрозольное загрязнение городов и его эффекты на прогноз погоды, региональный климат и геохимические процессы |
Результаты этапа: В рамках первого и четвертого рабочего пакетов в апреле-мае 2018 года проведен первый комплексный эксперимент, в котором измерялись радиационные и оптические свойства аэрозоля, концентрация взвешенных частиц, содержание черного углерода в аэрозоле,радиационные и метеорологические характеристики атмосферы, а также проводился сбор проб жидких осадков и их химический анализ с отдельным изучением растворимой и нерастворимой фракции аэрозоля. Созданы базы данных, включающие в себя измерения микрофизических и оптических характеристик аэрозоля, радиационных и метеорологических характеристик при отсутствии выпадения осадков. Выделены естественно синоптические периоды с различным метеорологическим режимом, в течение которых адвекция воздуха и процессы формирования аэрозоля имели различный характер. Рассмотрены особенности влияния метеорологических характеристик на аэрозольное содержание в атмосфере, в том числе их воздействие на вариации черного углерода. Выявлено существенное влияние усиления скорости ветра на уменьшение концентрации черного углерода в атмосфере. Показано, что среднее содержание черного углерода составило 1.1 мкгм-3, а максимальные значения достигали 10 мкгм-3. Получен выраженный суточный ход черного углерода с максимумом в утреннее и вечернее время. Для условий ясного неба проведены сравнения с результатами расчетов мезомасштабной модели СOSMO-ART для нескольких сценариев эмиссии газов-предшественников аэрозоля. Получено удовлетворительное согласие с измеренными аэрозольными данными в городе и пригороде. Выявлено влияние аэрозоля на радиационный и температурный режим приповерхностного слоя. В период комплексного эксперимента проведен расширенный комплекс измерений химического состава проб атмосферных осадков, их минерализации, концентрации осажденных частиц и др. Создана база данных, включающая в себя данные о содержании 33 тяжелых металлов и металлоидов (ТММ), содержащихся в пробах дождя в растворенной и взвешенной формах, физико-химические свойства и макрокомпонентные параметры жидких осадков, а также величины почасовых и среднесуточных выпадений ТММ из атмосферы. Проведен анализ многолетних вариаций концентрации различных ионов. Проведен анализ связи концентрации различных ионов с количеством осадков. Получены численные оценки уменьшения концентрации взвешенных частиц в период выпадения осадков, а также показано отсутствие соответствующих изменений концентрации черного углерода. Показано, что содержание большинства ТММ в апрельских дождях больше, чем в майских, что связано с интенсивным воздействием промышленных источников из-за отопительного сезона в апреле и эффекта разбавления при увеличении количества выпадающих осадков в мае. В московских осадках концентрации растворенных форм Li, V, Cr, Ni, As, Se, Mo, Cd и Sn ниже, чем во многих других городах, и близки к уровню этих ТММ в осадках пригородов. Показано, что элементы Ti, Zr, Al, Sn, Fe, W, Th, Li, V, Cs, Bi и Y находятся преимущественно во взвешенной (нерастворенной), а Zn, Ca и Cd - в растворенной формах. Значительная доля взвешенных форм ТММ связана с поступлением в атмосферный воздух твердых частиц почв или дорожной пыли, а также обусловлена кислотными свойствами дождевой воды и самих химических элементов (анионогенностью и катионогенностью). Подготовлена и принята к печати статья в журнале «Вестник Московского Университета. Серия 5. География» (индексируется Scopus). Подготовлены и сделаны доклады на конференции “Аэрозоли Сибири». В рамках второго рабочего пакета для периода проведения комплексного эксперимента в апреле-мае 2018 г. выполнены оценки облачно-аэрозольного взаимодействия и получены оценки косвенного воздействия аэрозоля на радиационный режим, балл облаков и оценено его влияние на температуру воздуха с использованием стандартного и нового облачно-аэрозольного алгоритма модели COSMO. Кроме того, выполнены сравнения с данными измерений облачных характеристик международного архива по облакам SAMD. По этим данным принята в печать статья в труды SPIE (индексируется WOS), сделан доклад на международной конференции (XXIV Международный Cимпозиум “Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы»). В рамках третьего рабочего пакета для анализа пространственных особенностей аэрозольного загрязнения проведен анализ данных, полученных по новому спутниковому алгоритму MAIAK по данным спутникового прибора MODIS с использованием мультиуглового приближения для Московской агломерации. На основании данных многолетних наблюдений в рамках программы АЭРОНЕТ показан отрицательный тренд аэрозольной оптической толщины (АОТ). С использованием мезомасштабной модели COSMO оценены радиационные и температурные эффекты московского аэрозоля, а также показаны вариации этих эффектов по территории северной Евразии. Проведены сравнения спутниковых восстановлений аэрозольной оптической толщины с результатами измерений и показано их удовлетворительное согласие. Сделан доклад на международной конференции (XXIV Международный Cимпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы»), принята в печать статья (SPIE Proceedings (индексируется WOS). Сдана в печать статья. Сделан доклад на конференции «Аэрозоли Сибири». Сделан доклад на международной конференции ICCARUS 2018 в Оффенбахе (Германия). | ||
2 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Аэрозольное загрязнение городов и его эффекты на прогноз погоды, региональный климат и геохимические процессы |
Результаты этапа: В рамках первого рабочего пакета в апреле-мае 2019 г. был проведен второй этап комплексного аэрозольного эксперимента AeroRadCity на базе Метеорологической обсерватории МГУ. В соответствии с разработанной ранее методикой выделены естественно-синоптические периоды и проанализированы индикаторы неблагоприятных метеорологических условий и их связи с особенностями газово-аэрозольного состава атмосферы в каждый из периодов, включая различные микрофизические и оптические аэрозольные характеристики в столбе атмосферы и в приземном слое, концентрации газов-предшественников аэрозоля и содержание черного углерода. Рассмотрено влияние аэрозоля на солнечную радиацию в различных спектральных диапазонах, включая УФ диапазоне спектра и оценены радиационные эффекты различных видов аэрозоля на верхней и нижней границах атмосферы. Усовершенствована программа AEROCLO (РИД №2019616295). Была получена спектральная зависимость оптических характеристик в реальном времени с целью определения временной изменчивости коэффициента поглощения Ангстрема и его параметризации как маркера источников эмиссий. Проведен анализ свойств и состава аэрозолей с применением методов аналитической химии определены концентрации основных классов органических и ионных соединений в аэрозолях, отобранных в МО МГУ весной 2017 г. Разработан объединённый аналитический и статистический подход для анализа состава аэрозолей, который определит наибольшую варьируемость основных компонентов, оцененную вместе с высокой аналитической значимостью химических соединений. Для использования 3 версии фотометрических данных АЭРОНЕТ существенно модифицирован программный комплекс с учетом новых форматов данных и данных наблюдений по баллу облаков. Получено свидетельство о регистрации прав на это программное обеспечение. Выполнены численные расчеты по модели COSMO-RU и оценено качество прогноза приземной температуры воздуха в Московском регионе при использовании новой аэрозольной климатологии Macv2. Проведены модельные расчеты по мезомасштабной химико-транспортной модели СOSMO-ART для двух фаз весеннего эксперимента 2018 и 2019 гг. с заданием различных эмиссий загрязняющих веществ. Проведены исследования по согласованию значений аэрозоля на границах области расчета и выполнены другие важные методические исследования. Выделена модельная составляющая черного углерода и оценена величина генерации аэрозольной оптической толщины за счет антропогенной эмиссии при различных метеорологических условиях рассеивания для условий Москвы. В рамках второго рабочего пакета проведены модельные эксперименты по выявлению облачно-аэрозольного взаимодействия и получены оценки косвенного воздействия аэрозоля на радиационный и температурный режим в облачных условиях. Эти модельные расчеты выполнены по двум версиям модели COSMO (оперативной и экспериментальной) для периодов аэрозольного эксперимента в 2018 и 2019 гг. для территории Москвы и Московской области и сравнены с данными измерений МО МГУ, а также для Линденберга по данным архива SAMD. Проведена верификация результатов расчета различных параметров облачности (ледности, водосодержания, оптической толщины и др.) путем сравнения с данным наблюдений. В рамках рабочего пакета 3 были продолжены исследования аэрозольного загрязнения в Москве по данным нового спутникового алгоритма MAIAC (Lyapustin et al., 2018) для переходных сезонов года. Рассмотрены методологические аспекты обработки и интерпретации спутниковых наблюдений и погрешности спутниковых данных с учетом анализа преобладающего типа аэрозоля. Проведены расширенные сравнения спутниковых данных, полученных с использованием алгоритма MAIAC с наземными данными станций AERONET, расположенными в разных климатических условиях (Екатеринбург, Томск, др.). Проведен анализ антропогенного аэрозольного загрязнения в городах, крупных промышленных центрах на территории России с дополнительным анализом особенностей эмиссий загрязняющих веществ по международным и российским базам данных. Для Москвы проанализированы взаимосвязи аэрозольного содержания с эмиссиями загрязняющих веществ в урбанизированных районах на основе спутникового мониторинга и наземных данных. В рамках четвертого рабочего пакета в ходе второй фазы комплексного аэрозольного эксперимента AeroRadCity в Метеорологической обсерватории МГУ проведен расширенный физико-химический анализ проб атмосферных осадков с отдельным рассмотрением растворимой и нерастворимой формы, включая содержание ТММ. Продолжен анализ результатов измерений, полученных в первую фазу эксперимента, проведена статистическая обработка полученных данных. Исследованы пробы снега, собранные в фоновых условиях, удаленных от локальных источников загрязнения. Продолжены работы по оценке скорости влажного осаждения аэрозоля на большей статистике, детально проанализированы используемые в модели COSMO-ART параметризации влажного осаждения и проведены сравнения с измеренными величинами.Определены связи между содержанием и выпадением растворенной и взвешенной (нерастворенной) формами ТММ в осадках, физико-химическими свойствами, макрокомпонентным составом и метеорологическими параметрами дождей. Рассчитан вклад основных источников (техногенный, терригенный и морской) в концентрации растворенных и нерастворенных форм ТММ в атмосферных осадках западной части Москвы. Получены данные о различиях между уровнями выпадений растворенной и нерастворенной форм ТММ в западной части Москвы и в пределах других городов и иных территорий мира. | ||
3 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Аэрозольное загрязнение городов и его эффекты на прогноз погоды, региональный климат и геохимические процессы |
Результаты этапа: В рамках первого рабочего пакета РП1 проведен детальный анализ данных измерений и модельных расчетов с использованием химико-транспортной модели COSMO-ART, полученных во время комплексного эксперимента AeroRadCity. Анализ данных аэрозольных измерений за периоды с близкими синоптическими условиями выявил ряд интересных закономерностей и заметную связь с метеорологическими условиями. Разработана методика, позволяющая на основе спутниковых данных MODIS/FIRMS и траекторного анализа (модель HYSPLIT) с дополнительным использованием величины волнового показателя поглощения Ангстрема, оцененного по измерениям солнечного фотометра CIMEL, эффективно фильтровать случаи дымового аэрозоля и более точно выделять городскую аэрозольную компоненту. Получено, что в период эксперимента доля городской компоненты аэрозольной оптической толщины (АОТ) в видимом диапазоне спектра менялась от 18 до 34% и существенно росла с уменьшением интенсивности рассеивания примесей. Средняя величина аэрозольного городского загрязнения, определяемая по разнице между измерениями/расчетами АОТ в Метеорологической Обсерватории МГУ и на Звенигородской научной станции ИФА РАН, равна 0.01, но при некоторых условиях она достигала 0.05-0.09, что согласуется с результатами спутниковых оценок (Zhdanova et al., 2020). Выделены преобладающие направления ветра, при которых наблюдались повышенные концентрации черного углерода. Для весеннего эксперимента 2019 года оценено отношение массовой концентрации черного углерода (ВС) к концентрации взвешенных частиц с диаметром менее 10мкм (PM10), которое достигало 17%. В среднем, за два года измерений отношение ВС/PM10 в Москве составило около 5%. Показана тесная связь концентрации ВС с концентрациями оксидов азота при отсутствии дымовой адвекции, что указывает на одни и те же источники выбросов, главным образом, от неполного сгорания дизельного топлива в двигателях автомобилей. Данные о коэффициенте поглощения Ангстрема позволили охарактеризовать вклад черного углерода за счет сжигания природного топлива в составе аэрозолей городской среды. Проведенный анализ коэффициентов поглощения Ангстрема, измеренных в приземном слое и в столбе атмосферы не выявил связей между этими величинами, что может быть связано с разным по оптическим свойствам аэрозолем у поверхности и в столбе атмосферы. На основании модельных данных COSMO-Ru7-ART получены количественные оценки антропогенного аэрозоля при разных эмиссиях взвешенных частиц и черного углерода, а также их эффекты на радиационные и метеорологические поля. Исследовано воздействие разного содержания BC на оптические свойства аэрозоля, в частности, на альбедо однократного рассеяния, а также на радиационные компоненты. При повышении выбросов BC за счет поглощения в атмосферном слое существенно уменьшается как прямая, так и рассеянная компонента солнечного излучения, соответственно на 79 Вт/м2 и 23 Вт/м2, а снижение температуры достигает 1.5°С. При увеличении выбросов непоглощающего аэрозоля, снижение температуры составляет 0.3°С. Полученные оценки можно использовать как граничные при оценке влияния аэрозоля на температуру приземного воздуха при сильном аэрозольном загрязнении. Согласно модельным расчетам альбедо однократного рассеяния в приземном слое атмосферы равно 0.14 при больших выбросах BC; при выбросах непоглощающего аэрозоля эта величина равна 0.9, что оказало существенное влияние на рассеянную радиацию (до 40 Втм-2). При рассмотрении особенностей пространственного распределения влияния антропогенного аэрозоля можно отметить, что при условии хорошего перемешивания воздуха максимальные аэрозольные эффекты наблюдаются в соответствии с атмосферным переносом недалеко за пределами города, а не в центре города,. При этом для стандартных эмиссий TNO температурный эффект у поверхности Земли в центре сформированного аэрозольного облака составил около -0.1°С, в то время как увеличение эмиссий черного углерода приводило к уменьшению приземной температуры на 1.25°С, а рост эмиссий непоглощающего аэрозоля - на 0.25°С. За счет сильного поглощения черным углеродом в атмосфере температурные эффекты на высоте 2 метров уже положительные - до +0.1С, что подтверждает положительный климатический эффект BC. Развита методология использования аэрозольных характеристик атмосферы по данным спутникового прибора MODIS (алгоритм MAIAC(Lyapustin et al., 2018)) в системе мезомасштабной модели COSMO-Ru. Рассмотренный случай 18 мая 2019 года показал, что величина АОТ на 550 нм для Московского региона составляет 0.02-0.18, в то время как в оперативно использующейся аэрозольной климатологии Танре оно равно 0.3. Вследствие этого наблюдаются большие различия в радиационном балансе у поверхности Земли (до 75 Втм-2), что приводит к существенному изменению в распределении облачности (до 5 баллов) и вызывает рост температуры приземного воздуха относительно стандартных расчетов по модели COSMO до 1-1.5°С. В рамках РП2 проведен анализ результатов численных экспериментов с новой схемой описания облачно-аэрозольного взаимодействия с учетом аэрозольного влияния в мезомасштабной модели численного прогноза погоды COSMO. Выполнена оценка качества прогнозируемых с использованием новой схемы радиационных характеристик (потоков суммарной радиации) и метеорологических параметров (приземной температуры воздуха, интегрального содержания и вертикального распределения влагосодержания атмосферы, водо- и лёдосодержание облаков). Исследован эффект влияния концентрации аэрозоля на микрофизические и оптических свойства моделируемой облачности. Оценена повторяемость значений эффективных радиусов капель и ледяных частиц в облаках, а также повторяемость значений оптической толщины облачности по результатам расчетов с новой схемой. Повторяемость оптической толщины сопоставлена с аналогичными характеристиками, полученными по оперативной версии модели. Рассмотрено изменение суммарной радиации в зависимости от изменения оптической толщины при 4-х кратном увеличении концентрации ядер конденсации. Сравнение с данными наблюдений облачных характеристик на станциях сети CLOUDNET (4 станции на территории Германии) показало, что модель незначительно завышает влагосодержание в нижних слоях атмосферы, с высотой ошибки существенно возрастают. Величина водосодержания облаков также оказалась завышенной в модели практически по всему вертикальному профилю, ошибка составляет в среднем 20%. Значения лёдосодержания в модели оказываются заниженными в среднем на 7%. Расчеты с различными вариантами задания концентрации ядер конденсации облаков (CCN) позволили оценить эффект содержания аэрозоля на прогноз микрофизических и оптических свойств облаков, суммарной радиации и приземной температуры воздуха. Показано, что уменьшение эффективного размера частиц с ростом концентрации ядер конденсации в модели сопровождался ростом оптической толщины облака. Причем, чем больше значение оптической толщины, тем больше проявились расхождения между результатами расчетов с различными значениями CCN. В оперативной версии модели облака оказались оптически более плотными относительно расчетов с учетом облачно-аэрозольного взаимодействия. Оценки потока суммарной радиации оказались схожими с полученными ранее. Для Мюнхена улучшение согласия с данными радиационных измерений составило порядка 30% по сравнению с оперативной версией модели. При учете облачно-аэрозольного взаимодействия для центральной части Москвы наблюдается улучшение согласия расчетов температуры воздуха с результатами измерений на 0.5°C. Получено, что оценки ошибки расчета температуры воздуха за май-октябрь 2018 г. для новой схемы изменяются в диапазоне от -0,3 до +1,1 °C, для оперативной – от -0,7 до +1,3 °C. Таким образом, наблюдается существенное уменьшение диапазона погрешности расчета температуры воздуха в экспериментальной версии модели. Для всех экспериментов сезонный ход ошибок температуры для Подмосковья незначительно отличается от сезонного хода для всей области счета в ЦФО. Для центральной части Москвы температура по модельным расчетам в среднем занижена в течение всего периода до -1,1°C с новой схемой и до -1,6°C – с оперативной. В условиях сплошной облачности для всего периода температура воздуха в среднем завышена на 1,0°C по результатам расчетов с оперативной версией модели и на 0,5 °C - с новой схемой. Таким образом, учет аэрозольно-облачного взаимодействия в оперативной модели COSMO-Ru уменьшает различия между измеренными и расчетными радиационными характеристиками и улучшает прогноз температуры воздуха. В рамках РП3 по данным спутникового алгоритма MAIAC/ MODIS, коллекция 6, проведены исследования пространственно-временного распределения АОТ для ряда крупных городов России (Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Екатеринбург, Омск, Томск). Валидация спутниковых данных АОТ MAIAC показала их применимость для оценки изменчивости АОТ в городских условиях. Оценена пространственная изменчивость АОТ на территории городов и прилегающих к ним районах. Показаны локальные области с высокими значениями городской составляющей АОТ. Выявлено, что непосредственно на территории самих городов пространственная изменчивость АОТ, связанная с локальными источниками загрязнения составляет 0.01-0.02. Локальные максимумы АОТ (до АОТ(город) =0.13 в Екатеринбурге и до АОТ(город)= 0.22 - вблизи Санкт-Петербурга) связаны с промышленной и сельскохозяйственной деятельностью человека, которая способствует поступлению частиц с поверхности земли в атмосферу. Для городских и фоновых районов Европейской территории России и Сибири наблюдается уменьшение средних годовых значений АОТ в теплый (май-сентябрь) период года в 21 веке, которые выявлены по наземным данным станций AERONET (Москва, Звенигород, Астрономическая Обсерватория Коуровка, Томск). По данным алгоритма MAIAC тренды средних годовых значений АОТ в теплый (май-сентябрь) период года в ряде городов России имеют отрицательные или близкие к нулю значения. На Европейской территории России отрицательные тренды АОТ согласуются с локальными тенденциями уменьшения выбросов загрязняющих веществ, в то время как на Урале и в Сибири уменьшение АОТ иногда происходит на фоне роста локальных эмиссий загрязняющих веществ. Радиационные эффекты городского аэрозольного загрязнения показали, что при учете антропогенного аэрозоля в нижних слоях атмосферы поглощение солнечного излучения в столбе атмосферы увеличивается примерно на 1% (до 24%) при небольшом загрязнении порядка 0.02 и на 3% (до 26%) при величинах АОТ порядка 0.05. При этом солнечная радиация у поверхности Земли уменьшается на величину от 10 Втм-2 до 25-30 Втм-2 только за счет городской аэрозольной компоненты. На верхней границе атмосферы за счет низкого альбедо однократного рассеяния и существенного поглощения в столбе атмосферы для условий низкого альбедо поверхности наблюдается некоторое уменьшение восходящего потока до величин порядка 5 Втм-2. Мгновенный радиационный форсинг городского аэрозоля на ВГА составил положительную величину, меняющуюся от 1.7 до 4.6 Втм-2 при городской аэрозольной компоненте порядка 0.05. В рамках РП4 проанализированы закономерности ионного содержания атмосферных осадков в 2018 и 2019 годах по сравнению с данными измерений в другие сезоны и за весь период наблюдений с 1980г. Годовой ход рН осадков в 2018 и 2019 гг. соответствовал среднему многолетнему ходу, за исключением ноября, декабря, когда не наблюдались кислотные осадки, и средние значения менялись от 6.2 до 6.7 рН. В 2018 г. значения минерализации как годовое, так и сезонные, были близки к средним многолетним значениям. Более 45% проб имели минерализацию М≤15 мг/л, и только 3 пробы (2.5%) были очень загрязненные – более 100 мг/л. В 2019 г. средние значения минерализации были выше наблюдаемых в 2018 году, а также выше многолетних значений. Существенно увеличились концентрации гидрокарбонатов, нитратов, аммония, калия и, особенно, хлоридов, которые были выше во все периоды года. Пробы атмосферных осадков весной 2019 г. характеризовались высокой минерализацией, и для отдельных ионов (хлоридов, нитратов и кальция) были установлены абсолютные максимумы концентрации. С использованием химико-транспортной модели COSMO-ART проведены численные эксперименты по оценке вымывания аэрозоля. Получено, что процесс вымывания аэрозоля в модели начинает оказывать влияние на концентрации только при высоком содержании аэрозоля. При этом наибольшая интенсивность вымывания наблюдается в первые часы прогноза выпадения осадков, затем она снижается. Для количественной оценки временного изменения концентрации приземного аэрозоля также использованы экспоненциальные коэффициенты аэрозольного вымывания, которые характеризуют относительное уменьшение концентрации вещества у поверхности земли в логарифмическом масштабе в единицу времени. На основании данных измерений получено, что влажное осаждение PM10 отчетливо проявляется при концентрации более 10 мкг/м3, при этом экспоненциальный коэффициент вымывания составляет 0.17±0.09 ч–1. Анализ данных также показал, что вымывание черного углерода наблюдается только в случае повышенных начальных концентраций BC более 1.4 мкг/м3, в то время как отсутствие влажного осаждения BC всегда отмечалось при небольших его начальных концентрациях (менее 0.57 мкг/м3). Проведенные параллельные численные эксперименты системой COSMO-ART показали, что величины экспоненциальных коэффициентов вымывания для 12 апреля 2019 года составили 0.34ч-1 и 0.32ч-1 соответственно для концентрации взвешенных частиц и BC. В то же время для некоторых других дней величины экспоненциальных коэффициентов вымывания были близки к нулю, даже при больших эмиссиях загрязняющих веществ. Таким образом, дополнительные численные эксперименты показали, что результаты моделирования не всегда воспроизводят вымывание аэрозоля, даже при высоких начальных концентрациях. Проведен детальный анализ данных о содержании растворенной и нерастворенной (взвешенной) фракций тяжелых металлов и металлоидов (ТММ) в атмосферных осадках в разные сезоны – весной (дожди) и зимой (сезонные пробы снега). Информационной базой служили результаты исследования химического состава отобранных на территории МО МГУ в апреле и мае 2018 и 2019 гг. дождевых осадков и в марте 2019 г. сезонных проб снега перед снеготаянием. Каждому эпизоду соответствовала одна проба дождя. Пробы снега отбирались на МО МГУ пластиковой трубой на всю толщу ненарушенного снежного покрова. Пробы дождя и снега фильтровались через мембранные фильтры с диаметром пор 0,45 мкм для разделения на две фазы: жидкую (фильтрат) и твердую (фильтр со взвесью), которые затем анализировались раздельно. Концентрации Al, As, Ba, Be, Bi, Ca, Cd, Co, Cr, Cs, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, Rb, Sc, Se, Sn, Sr, Th, Ti, Tl, U, V, W, Y, Zn, Zr определялись в лаборатории ВНИИ минерального сырья имени Н.М. Федоровского масс-спектральным (ICP-MS) и атомно-эмиссионным методами (ICP-AES) с индуктивно связанной плазмой. Анализ данных включал расчет объемно взвешенных концентраций ТММ (с учетом объема выпавших осадков), коэффициентов обогащения EF (эталон сравнения – кларки земной коры, элемент сравнения – Al), растворенности (доли растворенной формы в суммарной концентрации каждого ТММ), величины выпадений (влажного осаждения) из атмосферы со снегом и дождями. В апреле–мае 2019 г. по сравнению с 2018 г. в дождях на 5% и более увеличилась доля растворенных форм Se, K, Na, W, Sr, Ba, Mg, Rb, Al, Mn и Ca, уменьшилась на 5% и более – Be, Mo, Pb, Sn, Bi, Cu, As. По величине выпадений 2018 и 2019 г. слабо отличаются. Высокие уровни выпадений ТММ выявлены для майских праздников (1–9 мая) из-за поступления ТММ при сжигании органических остатков в Подмосковье и повышенных уровней выбросов автотранспорта из-за активного выезда жителей столицы на загородные участки. Ведущими поллютантами в зимний и весенний сезоны являются Sb, Pb, Cd, Zn, Cu, Mo, Bi, W, что согласуется с данными о загрязнении других компонентов окружающей среды Москвы и подтверждает ведущую роль автотранспорта в загрязнении столицы ТММ. Обогащенность снега растворенными и нерастворенными формами большинства ТММ выражена более интенсивно, чем дождя, особенно растворенными Na (в 40), Sn, Ni, Mo, Ca (в 5-9) и нерастворенными Na, As, Cd, Zr, Ba, Ni, K, Cu (в 1,4-2,3 раза). Весной по сравнению с зимой растворенность практически всех ТММ увеличивается на 10% и более, особенно сильно – Sb (на 69%), Pb (56%), As (45%), K, Zn, Ba, Mn, Cu (32-39%). Большая доля взвешенных форм в снеге связана с улавливанием снежным покровом не только влажных выпадений, но и сухих осаждений из атмосферы. Выявлены ассоциации взвешенных Mg–Fe–Sn–Ca–K–Ba–Sr–Al–Zr–W–Bi и Be–Rb–Mn–Co–Cu–Ni–Zn–Cd и растворенных Ca–Sr–Zn–Mg–Ni–W–Mo и Cu–Zr–Bi–Na–Al–Fe–Pb, поступающие при вымывании из атмосферы частиц городских почв и дорожной пыли, загрязненных под воздействием автотранспорта и промышленных объектов (Власов и др., 2015; Padoan et al., 2017; Lanzerstorfer, 2018; Bencharif-Madani et al., 2019; Ramírez et al., 2019; Kasimov et al., 2020); взвешенных Sb–Pb и растворенных Sb–Ba, формирующиеся под воздействием выбросов транспорта при истирании деталей автомобилей (шин, тормозных колодок), износе дорожного полотна и т.д. (Adachi, Tainosho, 2004; Grigoratos, Martini, 2015); взвешенных As–Mo и растворенных Co–Cd–As–Se из-за сжигания отходов, выбросов промышленных предприятий и объектов электроэнергетики (Demetriades, Birke, 2015; Kumar et al., 2015; Zheng et al., 2018) и растворенных K–Rb–Mn из-за сжигания биомассы и лесных пожаров (Samsonov et al., 2012; Grivas et al., 2018; Yu et al., 2018). Все задачи проекта выполнены. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".