Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 507, № 2, стр. 356-362

Влияние урбанизированных территорий на климат, состояние пограничного слоя атмосферы и окружающей среды является неоспоримым фактом [1]. Отличительной особенностью микроклимата урбанизированных территорий является значительное превышение температуры воздуха над городом в сравнении с периферийными областями. Городские постройки и дорожная инфраструктура значительно меняют радиационные, термические и аэродинамические характеристики пограничного слоя атмосферы [2]. Температурный режим и химический состав городского воздуха изменяются вследствие эмиссий загрязняющих веществ с промышленных предприятий и автомобильного транспорта. Исследованиями последних десятилетий установлено влияние городского острова тепла на загрязнение атмосферы [3–11]. Целью данной работы являются выявление городского острова тепла и оценка уровня загрязнения воздуха на примере уфимской агломерации.

Для исследования пространственной аномалии температуры воздуха и концентрации загрязняющих веществ в атмосфере города были использованы инструментальные измерения с 9 стационарных станций государственной наблюдательной сети за состоянием окружающей среды гидрометеорологической службы Башкирского УГМС Росгидромета (https://www.meteorf.gov.ru) за 2021 г. (табл. 1). При организации наблюдательной сети инструментальные измерения производились с 23 станций, но за последние 30 лет их количество сократилось до нынешних 9, по этой причине нарушена последовательность в нумерации станций. Периодичность измерений температуры воздуха на станциях составляла 8 раз в сутки, а отбор проб для измерения разовых концентраций загрязняющих веществ производился ежедневно по неполной программе в 7, 13 и 19 ч местного декретного времени, в соответствии с [12]. Для получения профилей температуры и оценки воздействия города на пограничный слой атмосферы был использован уникальный прибор отечественной разработки (http://jsc-ams.com) – метеорологический вертикальный температурный профилемер (МТП-5). Данный прибор настроен на измерение собственного теплового излучения атмосферы на частоте 60 ГГц, с разрешением по вертикали 50 м, дискретностью измерений каждые 5 мин и диапазоном высот от 0 до 1000 м. Расположение сети станций и местоположение МТП-5 показано на рис. 1.

В метеорологической практике для оценки степени загрязнения городской атмосферы рассчитываются обобщенные показатели загрязнения воздуха для всего дня, основываясь на данных инструментальных измерений концентрации примесей. Одним из таких показателей является параметр загрязнения атмосферы P [13], рассчитываемый по формуле (1):

где n – общее количество наблюдений за концентрацией примесей в городе в течение одного дня на всех стационарных постах; m – количество наблюдений в течение этого же дня с концентрациями q (мг/м³), которые превышают среднее значение q_ср более чем в 1.5 раза (q > 1.5q_ср). Таким образом, параметр P представляет собой отношение количества существенно превышенных концентраций (относительно среднего значения) к общему числу измерений в течение дня. Значения предельно допустимых концентраций примесей в атмосфере и ранжирование параметра P представлены в табл. 2 [13]. Параметр Р может изменяться от 0 (ни одна из концентраций не превышает 1.5q_ср) до 1 (все измеренные концентрации превышают 1.5q_ср). В табл. 2 приведены ранжирование значений параметра P и соответствующие им уровни загрязнения воздуха.

По данным за 2021 г. установлено, что центральная часть города Уфы в среднем за год примерно на 2°C теплее периферийной части. Также наблюдаются значительные сезонные флуктуации температуры воздуха (рис. 2), когда годовой минимум приходится на осень и зиму (октябрь–январь) – период активной атмосферной циркуляции с большой частотой и продолжительностью атмосферных осадков, а максимум температуры воздуха наблюдается весной и летом (май–июль), что связано с возрастанием частоты застоев воздуха в пограничном слое атмосферы. По сравнению с летним сезоном, в холодный период уменьшается разность температур на большинстве станций города Уфы из-за наличия снежного покрова и воздействия активных крупномасштабных атмосферных процессов [14, 15]. Городской остров тепла (ГОТ) устойчиво проявляется в Уфе при сопоставлении температуры воздуха на станции 1 (Дёмский район города, расположенный на противоположном, левом берегу реки Белой и поэтому отдаленный от других районов города) с температурами всех остальных 8 станций наблюдательной сети. Разность температур между станцией 1 и остальной сетью (рис. 2) отражает тепловое воздействие города, а также влияние природных факторов, к которым относится микроклимат, формирующийся в условиях холмистого рельефа и перепад высот для расположения станций, который составляет от 44 до 88 м.

В 2021 г. основной вклад в суммарные выбросы загрязняющих веществ в Уфе от стационарных источников внесли предприятия нефтеперерабатывающей промышленности (80.6%) и электроэнергетики (4.5%). Вклад автомобильного транспорта в суммарные выбросы составил 14.9%. В целом объем валовых выбросов от стационарных источников составил 141.5 × 10³ т, а выбросы от автотранспорта 35.8 × 10³ т. Данные по значениям предельно допустимых концентраций (ПДК) и их ранжирование по категориям (максимальные разовые ПДК_м и средние годовые ПДК_ср) в городе Уфе приведены в табл. 3. Следует отметить, что значения ПДК_м и ПДК_ср для города Уфы являются нормативами, которые определены Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова (http://voeikovmgo.ru). Также в табл. 3 приведены значения максимальных разовых концентраций примесей q_м и средних годовых концентраций загрязняющих веществ q_ср в городе Уфе за 2021 г. Из табл. 3 видно, что средняя годовая концентрация диоксида серы q_ср ниже 1ПДК_ср, а максимальная разовая концентрация в 1.3ПДК_м зафиксирована в августе. Значение q_ср для NO₂ 0.98ПДК_ср и максимальная разовая концентрация в 1.8ПДК_м зафиксированы в ноябре, в то время как значение q_ср 0.1ПДК_ср для NO с максимальной разовой концентрацией в 1.8ПДК_м установлены в октябре. Концентрация взвешенных веществ определена ниже 1ПДК_ср, с максимальной разовой концентрацией в 4.4ПДК_м. Значение q_ср для CO определена ниже 1ПДК_ср, а максимальная разовая концентрация зафиксирована в марте на уровне 1.5ПДК_м. За 2021 г. к основным загрязняющим веществам в городе Уфе следует отнести хлорид водорода и формальдегиды, их средняя годовая концентрация установлена на уровне 1.7ПДК_ср, а остальные примеси найдены ниже допустимых норм. Анализ инструментальных данных по примесям и вычисленным значениям параметра загрязнения атмосферы P (рис. 3) позволяет сделать вывод о высоком уровне загрязнения атмосферного воздуха в городе Уфе за 2021 г.

Известно, что в формировании уровня загрязнения атмосферного воздуха играют важную роль метеорологические условия, поскольку при слабых ветрах, штилях, застоях воздуха и температурных инверсиях концентрация примесей в атмосфере возрастает, а при сильных ветрах, атмосферных осадках снижается. Проведенное микроволновое зондирование нижних слоев атмосферы позволило с высоким пространственно-временным разрешением определить характер устойчивости и свойственные пограничному слою атмосферы явления приземных инверсий. На годовой выборке инструментальных данных МТП-5 за 2021 г. для уровней в диапазоне 0–1000 м были вычислены градиенты температур. Также была создана отдельная выборка данных об инверсиях в городе Уфе за 2021 г. Необходимо отметить тот факт, что в некоторые из дней, когда значения параметра загрязнения атмосферы было условно повышенным (P ≥ 0.35), одновременно наблюдались температурные инверсии независимо от времени суток и года (рис. 4). Результаты проведенного анализа, представленные в табл. 4, позволяют утверждать, что метеорологические условия в 2021 г. способствовали увеличению концентрации загрязняющих веществ в атмосфере города Уфы. По проведенной оценке установлено, что в дневные часы в теплое и холодное время года остров тепла существенно размывается, а ночью усиливается. С помощью данных измерений МТП-5 идентифицировано явление температурной инверсии в городе Уфе с верхней границей до 300 м.

В заключение отметим, что по инструментальным данным и измерениям МТП-5 в городе Уфе проведен сравнительный анализ температурного режима и концентрации загрязняющих веществ в атмосфере. Установлено, что наибольшие отклонения от ПДК_м и ПДК_ср наблюдались на большинстве станций наблюдательной сети, расположенных в холмистой местности с большим перепадом высот. Для более точного исследования явления ГОТ и оценки его влияния на уровень загрязнения атмосферы в городе необходимо увеличить количество станций наблюдений, а также дополнительно установить, как минимум еще три прибора МТП-5, в разных частях города. В дальнейшем необходимо продолжать накапливать базу данных измерений для проведения климатических оценок.