3.1 Моделирование процессов крупномасштабного переноса загрязняющих примесей в атмосфере методом статистики обратных траекторий.
Метод статистики обратных траекторий является эффективным инструментом для анализа переноса загрязняющих атмосферу примесей и определения их возможных источников. Целью метода является установление связи между фактом повышенного содержания примеси в районе ее регистрации и траекторией движения воздушных масс. Таким методом были исследованы типичные пути дальнего переноса ряда атмосферных примесей во многих регионах земного шара [12–18].
В настоящее время существует много программ расчета траекторий [22-26]. Все они дают приблизительно одинаковые результаты (см., например, сравнение траекторий NASA, METEX, TRAJECTORY в [24]). Рассчитанные траектории NASA для разных станций мониторинга AERONET, в том числе для Минска, c задержкой на 8 дней доступны на сайте AERONET
Для исследования типичных путей поступления загрязненного примесями воздуха в пункт мониторинга все «грязные» обратные траектории разбиваются на несколько групп близких между собой траекторий, или кластеров, и находится средняя для каждого кластера траектория. Под названием «грязные» траектории имеются в виду траектории, по которым в пункт мониторинга приходили воздушные массы со значениями концентрации, превышающими типичное среднее значение. При вычислениях использовался метод кластеризации K-mean [16]. Первый шаг в кластерном анализе состоит в расчете расстояний между траекториями. В качестве расстояния между двумя траекториями использовалось значение, равное корню квадратному из суммы квадратов расстояний между точками сравниваемых траекторий с одинаковым числом временных шагов от пункта мониторинга – рецептора. Каждая траектория приписывается одному из кластеров. Метод кластеризации K-mean рассчитывает внутрикластерные отклонения траекторий от среднекластерной траектории. Перемещением траекторий из кластера в кластер добиваются минимизации суммы внутрикластерных отклонений по всем кластерам.
В настоящее время нет четкого критерия, какое количество кластеров можно считать оптимальным.
Ниже приведены результаты анализа переноса аэрозолей для станции мониторинга в Минске в 2004–2011 годах. Для анализа использовались обратные траектории NASA [22]. В качестве данных мониторинга использовалось интегральное по высоте объемное содержание взвешенных частиц в столбе атмосферы над местом наблюдений. Содержание взвешенных частиц оценивалось на основании значений оптической толщи аэрозолей, полученных по данным измерений с солнечными фотометрами типа CIMEL СЕ318 сети AERONET [18]. Данные об объемном содержании аэрозолей в столбе атмосферы (ОСА) мелкодисперсных и крупнодисперсных аэрозолей в Минске брались из базы данных AERONET. Используемые в этой базе данных единицы мкм3/мкм2 = мкм определяют объем всех аэрозольных частиц, содержащихся в вертикальном столбе атмосферы с сечением 1 мкм2. При этом были вычислены средние значения ОСА отдельно для двух периодов года: для теплого периода, которым считается период с апреля по сентябрь включительно, и холодного периода (период в 6 месяцев с октября по март включительно) для заданного периода мониторинга. Для анализа использовались обратные траектории лишь для тех дней, в течение которых значения ОСА превышали средние за соответствующий сезон не меньше, чем в 1,5 раза.
Траектории движения загрязненных аэрозолями воздушных масс, поступавших на станцию мониторинга AERONET в Минске (53.92°N, 27.60°E, 200 метров) в 2004–2011 годах на высоте 950 гПа со значениями объемного содержания аэрозольных частиц в столбе атмосферы, превышающими средние сезонные значения в 1.5 и более раз, представлены на рис. 4 тонкими линиями. Среднекластерные траектории на рисунках изображены жирными линиями. В данном случае было выбрано число кластеров, равное 5, что соответствует Vmax порядка 7%. На станции AERONET в Минске среднее по всем измерениям объемное содержание крупнодисперсных частиц равно 0,026 мкм в холодный период и 0,036 мкм в теплый. Среднее объемное содержание мелкодисперсных частиц равно 0,023 мкм в холодное время года и 0,033 мкм в теплое. На рис. 4, а–б (холодный период) изображено 266 траекторий со средним объемным содержанием 0,090 мкм крупнодисперсных частиц (рис. 4, а) и 319 траекторий (рис. 4, б) со средним объемным содержанием мелкодисперсных частиц 0,066 мкм. На рис. 4, в–г (теплый период) приведено 307 траекторий со средним объемным содержанием 0,090 мкм крупнодисперсных частиц (рис. 4, в) и 351 траектория со средним объемным содержанием мелкодисперсных частиц 0,073 мкм (рис. 4, г).
Рисунок 4 – Траектории движения загрязненных воздушных масс, поступавших на станцию Минск в 2004–2011 годах на высоте 950 гПа со значениями объемного содержания аэрозолей, превышающими средние сезонные значения в 1.5 и более раз: (а, б) – холодный период года, (в, г) – теплый, (а, в) – крупнодисперсные частицы, (б, г) – мелкодисперсные частицы
В Минске в теплое время года средние по всем измерениям значения объемного содержания аэрозольных частиц выше, чем в холодное. Однако средние по эпизодам сильного загрязнения значения ОСА аэрозольных частиц слабо зависят от времен года.
Также слабо зависят от времен года пути поступления в Минск воздушных масс, сильно загрязненных крупнодисперсными частицами. В целом, основные эпизоды повышения количества аэрозольных частиц связаны с переносом с востока, юго-востока и юга, с черноземных районов Европейской части России и индустриальных районов Украины.
Лишь в теплые месяцы в Минск перестает поступать мелкодисперсный аэрозоль с севера, зато появляется дополнительный поток с юго-запада. Наибольшее содержание крупнодисперсных частиц в Минске связано с обобщенной среднекластерной траекторией, проходящей вблизи Вильнюса, и составляет 0.115 в холодное время года и 0.118 – в теплое. Наибольшие значения содержания мелкодисперсных частиц связаны с ближайшей к Москве восточной среднекластерной траекторией и составляют в среднем 0.077 в холодный период и 0.078 в теплый период года.
