Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2021, T. 57, № 1, стр. 126-136

ВВЕДЕНИЕ

Окись, или монооксид, углерода (CO) является одной из ключевых малых газовых примесей атмосферного воздуха. Хотя собственный парниковый потенциал окиси углерода невелик, она способствует удалению гидроксила OH из атмосферы, предотвращая окисление метана, а также участвует в производстве тропосферного озона (O₃) и углекислого газа (CO₂). С учетом непрямых воздействий радиационный форсинг от CO оценивается больше, чем, например, от закиси азота (N₂O) и галоидоуглеводородов, что подтверждает большую роль окиси углерода в процессах изменений состава атмосферы и климата [1]. В глобальном масштабе содержание CO определяет концентрацию гидроксила (OH) как основного окислителя в атмосферных фотохимических процессах, уменьшение концентрации которого приводит к разрушению в стратосфере важнейшего газа – атмосферного озона [2, 3]. Окись углерода является относительно пассивной в химическом отношении примесью (время жизни атмосфере от 2 недель до 3 мес.); поэтому CO можно считать почти идеальным трассером для исследования процессов дальнего атмосферного переноса. Высокоточные методы измерений атмосферного содержания CO, в том числе спутниковые, разработаны и применяются уже в течение нескольких десятилетий.

Помимо этого, мониторинг атмосферного CO чрезвычайно важен при исследованиях атмосферного загрязнения в городах, поскольку:

– приземная концентрация CO является одним из основных параметров оценки качества воздуха;

– содержание CO в атмосфере во многом определяется мощностью антропогенных источников и таким образом является индикатором экономической активности;

– антропогенные эмиссии CO, определяемые в основном сжиганием топлива в автомобильных двигателях и на промышленных предприятиях, взаимосвязаны с эмиссиями многих парниковых газов и летучих органических соединений (ЛОС);

– в условиях фотохимического смога реакции разрушения CO приводят к образованию высоких концентраций приземного озона.

В течение последних десятилетий интенсивные исследования пространственно-временных вариаций содержания CO, долговременных трендов, различных источников и стоков были осуществлены с помощью наземных локальных и дистанционных измерений на многочисленных российских [4–9] и международных научных станциях (в том числе NDACC и ТCCON) [10, 11], с помощью самолетных и спутниковых измерений [12, 13], а также численного прямого и обратного моделирования [12, 14–17].

Многочисленные публикации свидетельствуют об уменьшении с начала XXI в. атмосферных концентраций не только CO, но и некоторых других загрязняющих примесей, NO_X и аэрозолей, включая сажевый углерод (“black carbon”, или BC) в Европе, Северной Америке и странах Юго-Восточной Азии, исключая Индию [1, 4–10], а также отдельных климатически значимых газов (тропосферного озона, фреонов CFC-11, CFC-12 и хлориннитрата ClONO2 [6]. Москва в этом отношении не является исключением; примерно с начала нового века в городском воздухе наблюдается существенное уменьшение как общего содержания, так и приземных концентраций CO [4, 5, 9]. Аналогичные тенденции наблюдаются и во втором по величине российском городе Санкт-Петербурге [6, 8]. Отрицательные тренды атмосферного содержания и приземных концентраций упомянутых примесей в урбанизированных и фоновых районах Северного полушария до недавнего времени связывались в основном с уменьшением антропогенных эмиссий [1, 4, 13]; однако в более поздних работах высказывались предположения о существовании других факторов, влияющих на состав атмосферы, например изменения соотношения источники/стоки этих примесей, а также изменения метеорологических условий на фоне климатических изменений [12, 18].

Настоящая работа коллектива авторов ИФА им. А.М. Обухова РАН продолжает цикл исследований состава атмосферы с применением спектроскопических методов. Анализируются долговременные измерительные ряды общего содержания CO (ОС CO), полученные методом абсорбционной солнечной спектроскопии в Москве (ИФА РАН) и на Звенигородской научной станции (ЗНС), расположенной в районе г. Звенигорода. Измерения проводятся уже около 50 лет (с 1970 г. на ЗНС и с 1972 г. – в Москве). Анализ самых продолжительных измерительных рядов ОС CO в мире дал ряд важных результатов. Изучены особенности временной изменчивости ОС CO и его антропогенной доли в мегаполисах Москвы и Пекина [4, 5], связь уровня атмосферного загрязнения CO с температурной стратификацией ПСА и скоростью ветра [4, 19]. С привлечением спутниковых данных и обратного моделирования получены оценки эмиссий CO от природных пожаров 2010 г. на Европейской территории России; исследованы вариации содержания и концентрации CO в воздушном бассейне Москвы во время этих пожаров [15, 20].

Анализ результатов многолетних (2002–2014 гг.) измерений приземной концентрации CO на станциях Мосэкомониторинга и экологической станции ИФА РАН выявил характерные особенности пространственно-временной изменчивости концентрации CO в приземном воздухе Московского региона [9]. Применение численной химико-транспортной модели SILAM позволило описать пространственно-временные вариации полей концентрации CO с учетом городской инфраструктуры и погодных условий [9, 17, 21].

Наряду с убыванием с начала XXI в. среднегодовых величин содержания и концентрации CO в атмосфере Москвы (–2.1 ± 2.8%/год, ОС CO, разные периоды 1998–2016 гг. и –3.4%/год, концентрация, 2005–2014 гг.), а также убыванием среднегодовых ОС CO в Звенигороде (–0.6 ± 1.6%/год, разные периоды 1998–2016 гг.) был установлен рост фонового ОС CO в летние и осенние месяцы (до 0.9%/год для ЗНС для сентября–ноября 2007–2016 гг.) [5, 9, 18]. Одновременно было отмечено уменьшение скорости убывания ОС CO в Москве после 2007 г. в любые сезоны [18].

Кроме того, приведенная в работе [9] величина отрицательных трендов интегральных эмиссий CO Москвы (около –1.7%/год) оказалась меньше скорости снижения усредненных по городу концентраций (–3.4%/год). Это несоответствие наводило на мысль о возможном существовании иных факторов (кроме уменьшения эмиссий), влияющих на качество воздуха в Москве.

Проведенные исследования поставили ряд вопросов, от решения которых зависит понимание процессов, определяющих качество воздуха в регионе и возможность образования экстремальных экологических ситуаций. Какова причина начавшегося после 2007 г. роста фонового содержания CO на ЗНС в летние и осенние месяцы, и является ли причиной этого возрастание влияния Москвы? Является ли уменьшение приземных концентраций и ОС CO в ПСА Москвы следствием только уменьшения антропогенных эмиссий или частично имеет другое объяснение (например, изменение метеорологических условий)? и другие.

Основной задачей данной работы являлось продолжение исследований временной и пространственной изменчивости содержания CO в атмосфере Московского мегаполиса с использованием новых методов и подходов, а также экспериментальных данных последних лет. Особый интерес представлял комплексный анализ взаимосвязи трендов ОС CO в Московском мегаполисе с изменениями метеорологических условий и антропогенных эмиссий.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И БАЗЫ ДАННЫХ. НАЗЕМНЫЕ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Для анализа вариаций общего содержания (ОС) CO в атмосфере Московского мегаполиса и окружающих его районов использовались результаты долговременных спектроскопических измерений в Москве (центр города, пункт ИФА РАН), также на ЗНС, находящейся на расстоянии 53 км к западу от центра (рис. 1). Измерения в обоих пунктах проводятся с помощью идентичных спектрометров среднего разрешения (0.2 см^–1) с использованием эффекта поглощения молекулами примеси солнечного излучения в области основной полосы поглощения CO (около 4.67 мкм). Измерения проводятся в солнечные дни (около 70–80 измерительных дней в год) и, как правило, синхронно в обоих пунктах, что позволяет определить вклад Москвы (антропогенную часть содержания) как разницу между измеренными ОС CO в Москве (городской пункт) и на ЗНС (фоновый пункт). Все спектры, записанные с 1970 г. по настоящее время, обработаны единой методикой, подробно изложенной в [19, 22]. Спектрометры прошли прямую взаимокалибровку между собой и косвенную – со спектрометрами NDACC; погрешность единичного измерения составляет 5–6% [23].

Рис. 1.

Схема расположения пунктов наблюдений: 1) Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва (ОС СО, H₂O; приземная концентрация CO, CH4, NO_x, аэрозолей и др.); 2) Звенигородская научная станция ИФА РАН, Московская обл. (ОС СО, CH4, H2O; приземная концентрация CO, CH₄, NO_x); 3) Обнинск, Калужская обл. (метеопараметры, концентрации CO на разных высотных уровнях); 4) Метеостанция ВДНХ (ВВЦ), Москва; 5, 6) Станции аэрологического зондирования № 27612 (г. Долгопрудный, 5) и № 27707 (г. Сухиничи, Калужская обл., 6)

Кроме того, для исследования вариативности CO в незагрязненных районах использовались данные измерений концентраций на высотной метеорологической мачте (ВММ) НПО “Тайфун” (г. Обнинск, Калужская область, 100 км к юго-западу от Москвы, рис. 1).

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ

Для исследования долговременных тенденций параметров пограничного атмосферного слоя Москвы и окружающих районов были привлечены данные акустического локатора SODAR (пункты ИФА и ЗНС) [24], а также данные аэрологического зондирования (г. Долгопрудный, город-спутник Москвы) и г. Сухиничи (небольшой город в Калужской области, 235 км к юго-западу от Москвы) – станции № 27612 и № 27707 соответственно. Расположение пунктов приведено на рис. 1. Данные доступны на сайте http://weather. uwyo.edu/upperair/sounding.html.

Кроме того, для оценки повторяемости штилевых дней были привлечены данные о скорости ветра на метеостанции ВДНХ на уровне 2 м над земной поверхностью. День считался штилевым, если сумма скоростей ветра за сутки (8 стандартных измерений с дискретностью 3 ч) не превышала 3 м/с.

Для исследования эпизодов накопления загрязнений в воздушном бассейне Москвы были выбраны дни со штилевыми условиями не только у поверхности, но и в ПСА (когда скорость ветра в дневные часы не превышала 2 м/с в атмосферном слое 2–200 м).

Для всех предварительно выбранных дней был произведен анализ на предмет возможного влияния дальнего атмосферного переноса загрязнений с использованием данных наземных станций сети Мосэкомониторинг, траекторного анализа и спутниковой информации. В результате было отобрано 13 дней 2018 г., удовлетворяющих выбранным критериям и совпадающих с многочасовыми спектроскопическими измерениями в пунктах ИФА и ЗНС.

СПУТНИКОВОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ СОСТАВА АТМОСФЕРЫ

Спектрометр AIRS (Atmospheric InfraRed Sounder) запущен на борту спутника Aqua 4 мая 2002 г., выведенного на околополярную солнечно-синхронную орбиту высотой 680 км. Научный инструмент предназначен для измерения влажности, температуры, характеристик облачного покрова и содержания некоторых парниковых газов, а также окиси углерода в атмосфере. Основной элемент, орбитальный дифракционный спектрометр, записывает спектры атмосферного поглощения инфракрасного излучения Земли в спектральном диапазоне от 3.75 до 15.4 мкм [25–27] дважды в сутки, с покрытием более 80% земной поверхности. Полоса захвата сканера – 800 км. Данные первичных уровней рассчитываются для ячеек примерно 45 × 45 км. В настоящей работе использовались данные третьего уровня (Level 3 v6, разрешение 1° × 1°, только дневные измерения ОС CO) с восходящей орбиты (ascending, т.е около 12:30–13:30 местного времени для каждого пункта). Количество измерительных дней в году для каждой ячейки 1° × 1° составляет у AIRS около 300–320 для средних широт Евразии. Данные L3 ОС CO AIRS v6 находятся в открытом доступе (https://acdisc.gesdisc.eosdis.nasa.gov/ opendap/Aqua_AIRS_Level3/AIRS3STD.006/contents.html).

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРНОГО ПЕРЕНОСА ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Чтобы исключить влияние заносов загрязнений, дополнительно проводились исследования переноса воздушных масс на разных уровнях методом обратных траекторий с помощью интерактивной модели NOAA HYSPLIT MODEL [28].

Для этой же цели были использованы распределения CO, полученные с использованием орбитальных данных AIRS. Эти распределения в сочетании с обратными траекториями позволяют оценить наличие или отсутствие интенсивных источников CO на пути следования воздушной массы и таким образом выявить перенос загрязнений (или его отсутствие) в район Москвы из других районов. Для совмещения распределений разных орбитальных систем мониторинга с траекториями было разработано программное обеспечение, позволившее в данном случае в интерактивном режиме накладывать траектории HYSPLIT на архивные спутниковые распределения ОС CO AIRS v6.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ТРЕНДОВ

Межгодовые вариации и долговременные тенденции изменения исследуемых параметров анализировались в разные периоды наблюдения 2000–2018 гг. и для разных сезонов. Тренды ОС CO, а также тренды скорости ветра и характеристик температурных инверсий вычислялись на основе среднесезонных (или среднегодовых) значений с последующим построением линейной регрессии и вычислением ее параметров и статистических характеристик. Все оценки трендов приведены с указанием 90% доверительного интервала.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Региональный фон: влияние заносов из Москвы и других дополнительных факторов

Москва является крупнейшим Европейским городом и располагается на равнине. Бóльшую часть года городской воздушный бассейн хорошо проветривается натекающими воздушными потоками. Но иногда возникают ситуации, сопровождающиеся резким ухудшением качества воздуха. Малоподвижные антициклоны и сопутствующие им штили, температурные инверсии способствуют накоплению антропогенных выбросов в атмосфере мегаполиса и окружающих районов. Кроме этого, к ухудшению качества воздуха в регионе может привести атмосферный перенос загрязнений из районов действия интенсивных источников, например природных пожаров [20, 28]. ЗНС расположена примерно в 50 км к западу от центра Москвы (см. рис. 1) в сельском районе, удаленном как от небольшого г. Звенигорода, так и от автомагистралей. Однако в случае направления ветра с востока возможен занос загрязнений из Москвы в район Звенигорода. В этой связи представляет интерес оценка влияния Москвы на измерения ОС CO на ЗНС. Как будет показано ниже, эпизоды заноса CO относительно редки.

На рис. 2 и в табл. 1 представлен анализ случаев повышенных среднедневных содержаний CO на ЗНС (более чем на 10% над типичными значениями). Увеличение ОС CO на ЗНС над типичными сезонными значениями происходит под влиянием разных факторов. Этими факторами являются заносы из Москвы, сельскохозяйственные выжигания, дальний перенос. Установлено, что заносы из Москвы приводят к существенному повышению ОС СО в ЗНС лишь в 5–6% случаев от общего количества измерительных дней (в зависимости от выбранного периода). Таким образом, установлено, что данные ЗНС о содержании CO могут быть использованы в качестве региональных фоновых характеристик.

Рис. 2.

Влияние дополнительных факторов на общее содержание CO в Звенигороде в 2011–2016 гг.

Таблица 1.  

Факторы, влияющие на содержание CO в Звенигороде, периоды 2005–2010 и 2011–2016 гг.

Название фактора	Число случаев/% от общего количества дней измерений
	2006-2011 гг.	2011–2016 гг.
Дальний перенос	3/0.5	13/3.4
Занос из Москвы	29/4.8	24/6.4
Сельхоз. выжигания	15/2.5	3/1.3
Лесные пожары на ЕТР	18/3.2	0/0
Общее кол-во измерений	589/100	377/100

Статистический анализ факторов, оказывающих заметное влияние на содержание CO в Звенигороде, приведен в табл. 1.

2. Сезонные вариации и тренды

Анализ межгодовых вариаций ОС CO в Москве указывает на уменьшение общего содержания CO в Москве в 2000–2018 гг. со скоростью (–2.56 ± 0.43%/год, оценка по среднегодовым значениям), см. рис. 3а и табл. 2. Отметим, что в разные сезоны и временные интервалы скорость уменьшения различна. Минимальная скорость уменьшения характерна для теплого (июль–сентябрь) сезона (–1.81 ± 0.57%/год для 2000–2018 гг. и –0.99 ± 1.07%/год для 2008–2018 гг.), см. рис. 3б и табл. 2.

Рис. 3.

Межгодовые вариации и тренды ОС CO в разные периоды и сезоны 2000–2018 гг.: (а) – в Москве и Звенигороде (ЗНС) (по среднегодовым значениям); (б) – в Москве в холодный (январь–март) и теплый (июль–сентябрь) сезоны; (в) – в Звенигороде (ЗНС) в холодный (январь–март) и теплый (июль–сентябрь) сезоны.

Таблица 2.  

Тренды общего содержания CO в Москве и Звенигороде в разные сезоны 2000–2018 гг. Некоторые значения вычислялись без учета 2002 г. (год продолжительных летне-осенних природных пожаров на ЕТР)

Пункт	Период	Сезон	Тренд ± дов.интервал, %/год
Звенигород	2000–2018	Ср. год	–1.06 ± 0.36
		Январь–март	–0.99 ± 0.43
		Июль–сентябрь	–0.79 ± 0.78
	2000–2008	Ср. год	–1.05 ± 1.59
		Январь–март	0.03 ± 1.69
		Июль–сентябрь	–2.34 ± 3.27
	2008–2018	Ср. год	–0.28 ± 0.46
		Январь–март	–0.59 ± 0.63
		Июль–сентябрь	0.73 ± 0.85
Москва	2000–2018	Ср. год	–2.56 ± 0.43
		Январь–март	–2.61 ± 0.81
		Июль–сентябрь	–1.83 ± 0.57
	2000–2008	Ср. год	–2.53 ± 1.83
		Январь–март	–0.48 ± 3.09
		Июль–сентябрь	–2.73 ± 2.12
	2008–2018	Ср. год	–1.99 ± 0.77
		Январь–март	–1.83 ± 0.89
		Июль–сентябрь	–0.99 ± 1.07

На рис. 3б и 3в представлены межгодовые вариации ОС СО в Москве и области (ЗНС) для холодного (январь–март) и теплого (июль–сентябрь) сезонов. Среднегодовые и летние (июль–сентябрь) тренды для периода 2000–2018 гг. вычислялись без учета 2002 г. (год продолжительных лесных и торфяных пожаров на ЕТР, длившихся с июля по октябрь). Период влияния аналогичных пожаров в 2010 г. был значительно короче (22.07–20.08), поэтому среднегодовое и среднесезнное (для летних месяцев) значения ОС CO были вычислены при исключении небольшого количества данных, относящихся именно к этому периоду. Все характеристики трендов ОС CO в Москве и Звенигороде в разные периоды и сезоны приведены в табл. 2.

Снижение в последние годы содержания и концентрации СО в атмосфере Москвы и повышение качества воздуха подтверждается нашими недавними результатами, основанными на анализе более коротких измерительных рядов [4, 5, 9, 18] и свидетельствует, в первую очередь, о сокращении городских выбросов оксида углерода. Основные причины уменьшение загрязненности атмосферы города – это:

– закрытие, перепрофилирование и модернизация промышленных предприятий в городе или перевод их за городскую черту;

– изменение состава автомобильного парка и улучшение качества автомобильных двигателей и автомобильного топлива, а также ограничительные меры правительства Москвы в отношении большегрузного транспорта.

Возможно также влияние т.н. “климатического фактора”, связанного с улучшением условий удаления примесей из городского воздушного бассейна (например, уменьшение продолжительности существования температурных инверсий или повторяемости штилевых условий).

В то же время в Московской области (ЗНС) тренды ОС СО отличаются от московских по величине и направленности (в зависимости от периода и сезона). Так, в зимние и весенние месяцы наблюдаются отрицательные тренды (например, –0.99 ± 0.43 и –0.59 ± 0.63%/год, для 2000–2018 и 2008–2018 гг. соответственно); в летние и осенние месяцы после 2007 г. фоновое ОС CO начало расти (0.73 ± 0.85%/год, июль–сентябрь 2008–2018 гг.), см. рис. 5 и табл. 2. О начале возрастания величин фонового ОС на ЗНС в летние и осенние месяцы примерно с 2007–2008 г. CO сообщалось в наших предыдущих работах [5, 18, 30]. Аналогичная тенденция (увеличение CO в осенние месяцы после 2007 г.) наблюдается и в Обнинске (Калужская обл.), где усредненные концентрации на уровнях 121 и 302 м росли в 2008–2017 гг. со скоростью ~0.7%/год .

Причины начала летне-осеннего роста фонового CO в Московской и Калужской областях пока неясны. Возможно, этот рост связан с разрастанием Московского мегаполиса и городов Московской и сопредельных областей, с интенсификацией и изменением инфраструктуры транспортных потоков и хозяйственной деятельности в Московском мегаполисе, а также с переносом загрязнений. В особенности вопросы вызывает осенний период, когда влияние природных пожаров маловероятно. Полученные нами результаты об увеличении CO в незагрязненных районах Московской и Калужской областей согласуются с подобными оценками для различных фоновых районов Европы и Азии. Например, в наших предыдущих работах также было отмечено возрастание содержания CO над Северной и Центральной Европой в летние и осенние месяцы и положительная динамика трендов CO в этих районах во все сезоны примерно после 2007–2008 г. при уменьшении эмиссий от природных пожаров в Европе и Западной части Сибири в 2008–2017 гг. [18, 30].

3. Влияние метеорологических процессов

Величина содержания CO в атмосфере Москвы зависит от скорости ветра и наличия температурных инверсий [4, 19], а в дни со слабым ветром происходит накопление загрязнений в ПСА Москвы [19]. Так, в дни со слабым ветром 2011–2016 гг. средняя величина накопления ОС CO составила примерно 12% за 9 ч [н. р.].

В настоящей работе проведено исследование долговременных трендов метеорологических параметров в ПСА Москвы и окружающих районов.

По данным аэрологического зондирования в пригороде Москвы (г. Долгопрудный) и в Калужской области (г. Сухиничи) были изучены межгодовые вариации скорости ветра в ПСА после 2000 г. Получено, что изменения скорости ветра в Москве и Калужской области отличаются. Так, в дневные часы в слое 100–500 м над земной поверхностью средняя скорость ветра в Москве увеличивается в разные сезоны и периоды; в то же самое время в Калужской области тренды скорости ветра слабоотрицательны или близки к нулю. Параметры трендов скорости ветра в разные сезоны 2000–2018 гг. для обоих пунктов приведены в табл. 3.

Таблица 3.  

Тренды средней скорости ветра в слое 100–500 м над поверхностью Земли по дневным данным аэрологического зондирования в г. Долгопрудный (пригород Москвы, станция № 27612) и г. Сухиничи (Калужская обл., станция № 27707)

Станция	Период, годы	Сезоны (усреднение)	Тренд %/год ± дов. инт
Долгопрудный	2000–2018	Год	0.64 ± 0.29
		Январь–март	0.62 ± 0.51
		Июль–сентябрь	1.55 ± 0.69
Сухиничи	2002–2018	Год	–0.04 ± 0.71
		Январь–март	–0.55 ± 0.71
		Июль–сентябрь	0.23 ± 1.12

Получен статистически незначимый положительный тренд среднегодового времени существования (средней продолжительности в течение суток) температурных инверсий в ПСА Москвы (0.64 ± 3.05%/год для 2006–2016 гг.), см. рис. 4а.

Рис. 4.

Повторяемость штилевых дней и антропогенная часть содержания CO в период 2005–2017 гг.

Направленность сезонных трендов продолжительности инверсий в ПСА в Москве и Звенигороде отличается. Так, в холодные месяцы (январь–март) установлен отрицательный тренд этого параметра как в Москве, так и в области (‒5.7 ± 4.9%/год, 2006–2016 гг. для Москвы и ‒5.5 ± 10.0%/год, 2009–2016 гг. для Звенигорода); в теплые месяцы (июль–сентябрь) в Москве установлен рост (3.7 ± 3.3%/год, 2006–2016 гг.), в то время как в Звенигороде наблюдалось уменьшение продолжительности инверсий (–9.3 ± 7.5%/год, 2008–2016 гг.).

Рис. 5.

Пример исследования накопления CO в штилевой день 11.10.2018: (а) – вариации общего содержания CO (пункт ИФА), концентрации CO в городе (усреднение по пунктам МЭМ в пределах МКАД) и в Щербинке (за пределами МКАД, 27 км к югу от центра города); (б) – распределение общего содержания окиси углерода по данным орбитального спектрометра AIRS и 72-часовые обратные траектории на уровнях 200, 1500 и 3000 м для 12:00 11.10.2018 (московское время).

Поскольку наиболее высокие значения концентрации и содержания CO в воздушном бассейне Москвы наблюдаются обычно в январе–марте [4, 9, 19], а направленность трендов продолжительности инверсий для сезонов отличается, то пока преждевременно однозначно утверждать о существенном влиянии изменений повторяемости устойчивой стратификации ПСА на качество воздуха в Москве.

Как было сказано выше, наибольшие уровни атмосферного загрязнения в Москве реализуются, как правило, в штилевые дни или дни со слабым ветром. Поэтому при оценке роли метеорологического фактора и его влияния на качество воздуха изучение повторяемости штилевых условий в городе и ее долговременных тенденций представляет дополнительный интерес.

В результате анализа метеоданных станции ВДНХ (ВВЦ) (период 2005–2017 гг.) о скорости ветра на уровне 2 м над земной поверхностью были выбраны дни, когда сумма скоростей ветра по 8 трехчасовым срокам наблюдений не превышала 3 м/с в сутки. Эти дни считались штилевыми.

Среднегодовое количество штилевых дней с 2005 по 2017 гг. уменьшалось со скоростью около 7%/год (–7.06 ± 3.96%/год), см. рис. 4. В этот же период антропогенная часть содержания CO снижалась практически с той же скоростью (–6.72 ± ± 3.48%/год).

Итак, в результате анализа метеорологических условий в ПСА Москвы установлены:

– статистически незначимые изменения времени существования температурных инверсий при выборке за год и отрицательные тренды этого параметра в холодные месяцы;

– увеличение в слое 100–500 м скорости ветра в дневные часы;

– уменьшение повторяемости штилевых дней.

При этом в окружающих Москву сельских районах тенденции изменений метеорологических параметров иные. Так, скорость ветра в ПСА (пункт Сухиничи) практически не менялась, а время существования инверсий уменьшалось (пункт ЗНС).

Одним из возможных объяснений различий в характеристиках изменений метеопараметров ПСА Москвы и окружающих районов может быть увеличение влияния городского “острова тепла” (как результат разрастания мегаполиса и увеличения высотности городской застройки); для подтверждения правомерности этого предположения необходимы дальнейшие исследования.

Таким образом, отрицательные тренды ОС CO в Москве могут быть частично объяснены не только уменьшением городских выбросов, но также уменьшением повторяемости неблагоприятных метеорологических условий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Заносы из Москвы в Звенигород относительно редки и приводят к существенному (более чем на 10%) повышению общего содержания СО в ЗНС в 5–6% случаев. Это обстоятельство позволяет использовать данные измерений ОС CO на ЗНС в качестве характеристик регионального фона.

2. Скорость уменьшения ОС CO в Москве в разные сезоны 2000–2018 гг. различна: (–2.61 ± ± 0.81%/год) для января–марта и (–1.81 ± ± 0.57%/год) для июля–сентября.

3. Установлено уменьшение среднегодовых величин фонового ОС CO (–1.06 ± 0.36%/год, ЗНС, период 2000–2018 гг.). Однако после 2007 года спад фонового ОС CO замедлился; более того, в летние и осенние месяцы 2008–2018 гг. наблюдался рост фонового ОС CO со скоростью около 0.7%/год. Возможно, это увеличение связано с интенсификацией хозяйственной деятельности и автомобильного движения в загородных районах, а также с разрастанием мегаполиса.

4. Анализ метеорологических условий в ПСА Москвы и Московской и Калужской области установил:

– статистически незначимые изменения времени существования температурных инверсий в ПСА Москвы при выборке за год (0.64 ± 3.05%/год для 2006–2016 гг.) и отрицательные тренды этого параметра в Звенигороде (–7.86 ± 6.31%/год для 2008–2016 гг.);

– увеличение скорости ветра в слое 100–500 м в Москве в дневные часы (0.64 ± 0.36%/год, среднегодовые значения 2000–2018 гг.);

– уменьшение повторяемости штилевых дней в Москве (–7.06 ± 3.48%/год для 2005–2017 гг.).

При этом скорость ветра в ПСА в окружающих Москву сельских районах практически не менялась.

Полученные результаты свидетельствуют в целом не только о сокращении антропогенных эмиссий, но также о “климатическом вкладе” в улучшение качества воздуха в Москве.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 16-17-10275. Анализ спутниковой информации выполнен в рамках проекта РНФ № 20-17-00200.