Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

МОДЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ КОМПАНЕНТОВ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ С УЧЕТОМ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ

Айдосов А. , Айдосов Г. А., Заурбеков Н. С.,

1.1.1. Физико-географическое описание и климатические особенности природно-технической геосистемы

Исходная метеорологическая информация для проведения математического моделирования была представлена в виде имеющихся стандартных метеорологических таблиц и справочников наблюдений за метеорологическим режимом в районе газоконденсатного месторождения. Метеорологические наблюдения, хотя и нерегулярно и с различной степенью подробности, проводились в Карачаганаке, Жарсуате, Тунгуше, Жанаталапе, Березовке [1–11].

С целью оценки качественной картины распространения вредных примесей в атмосфере и проверки работоспособности моделей для моделирования были выбраны две основные типичные метеоситуации: одна из них соответствует конвективным атмосферным условиям в летнее время года, а другая устойчивость атмосферным условиям (инверсии) – в зимнее время года. Метеопараметры этих ситуаций приведены в табл. 1.

Таблица 1

Метеопараметры исходных метеостанций

Здесь тип метеоситуации с номером 1 соответствует конвективным летним условиям, имевшим место 3.07.89, а 2 – инверсионным условиям 27.02.89.

Территория Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения (КНГКМ) лежит в зоне умеренных широт. В зимний период в этот район проникает отрог Азиатского антициклона, сопровождающийся ясной морозной погодой. Летом территория находится под влиянием перегретых воздушных масс с Туранской низменности.

Климат района резко континентальный. Высокая континентальность проявляется в резких температурных контрастах дня и ночи, зимы и лета, в быстром переходе от зимы к лету. Зима здесь холодная, но не продолжительная, лето жаркое и довольно длительное. Средняя продолжительность безморозного периода составляет 139–142 дня. Самым холодным месяцем является январь со средней месячной температурой воздуха –14 °С, –14,5 °С, самым жарким – июль со средней месячной температурой +22 °С, +23 °С.

Хотя территория Бурлинского района представляет собой наиболее влагообеспеченный район области, условия увлажнения рассматриваемой территории очень жесткие. Годовая сумма осадков составляет 275–300 мм. В течение года осадки выпадают неравномерно. В годовом ходе наблюдается два максимума: первый приходится на июль, второй в большинстве случаев – на октябрь. Устойчивый снежный покров сохраняется обычно 120–130 дней, высота его достигает 25–30 см, запасы влаги в снеге 75–95 мм.

В среднегодовой розе ветров преобладают ветры южных направлений, а в летние месяцы – западных. Причем скорости ветра в зимние месяцы более высокие, чем в летние месяцы.

Весенние процессы в этом регионе наступают обычно в конце марта, а устойчивый переход температуры воздуха через 0 °С к положительным значениям осуществляется в начале и середине первой декады апреля. Средняя месячная температура воздуха от марта до апреля повышается на 12–13 °С, однако потепление проходит скачкообразно, с периодическими похолоданиями вплоть до заморозков. Последние заморозки вероятны в первой половине мая (8 мая).

Устойчивый переход среднесуточной температуры воздуха через +5 °С наступает 13–17 апреля, через +15 °С – в середине мая. Таким образом, продолжительность весны в условиях температурных границ составляет всего лишь полтора месяца.

Снежный покров сходит обычно в конце марта – начале апреля. Весна довольно засушливая, осадки неустойчивы: в отдельные годы их выпадает в 3–4 раза больше нормы, а иногда отмечаются только следы (менее 0,1 мм).

В весеннем сезоне очень повышена ветровая деятельность и отмечается наибольшее число дней с сильным ветром, достигающим 15 м/с и более.

Летний сезон характеризуется жаркой, очень сухой и ясной погодой. Продолжительность солнечного сияния к возможной продолжительности в летние месяцы составляет 70–80 %. Самый жаркий летний месяц – июль. Абсолютный максимум температуры воздуха достигает 41 °С. Суточные амплитуды температуры воздуха летом характеризуются наибольшими величинами (14–15 °С), почти вдвое превышающими зимние амплитуды (8–9 °С). Продолжается летний сезон около четырех месяцев.

Сумма осадков за теплый период (V–IX) составляет 125–130 мм. Продолжительность периодов без дождей иногда может достигать 1,5–2 месяцев.

Летом резко выражена сухость воздуха. Средняя относительная влажность воздуха в 13 часов дня колеблется в пределах от 34 до 37 %, а число дней с относительной влажностью менее 30 % составляет в среднем 13–16 за месяц. В летний период в этом регионе довольно часты суховые, пыльные бури. Осень наступает обычно во второй половине сентября, когда отмечается переход температуры воздуха через + 15 °С к более низким значениям.

Устойчивый переход среднесуточной температуры воздуха через +5 °С наступает обычно в середине октября, а через 0 °С – в начале ноября.

Первые осенние заморозки, как правило, наступают в последней пятидневке сентября (28.IX), в отдельные годы ранние заморозки наблюдались в начале сентября и даже в конце августа (29.YIII).

Для осени характерны меньшие, чем летом, среднесуточные амплитуды температуры воздуха, увеличение облачности, уменьшение осадков.

Зима в этом районе характеризуется преобладанием пасмурной погоды. Средняя температура воздуха самого холодного зимнего месяца (января) составляет 14–15 °С мороза. Для зимних месяцев района КНГКМ характерна большая неустойчивость температуры. Возможны суровые морозы, достигающие –44 °С. Вместе с тем возможны и кратковременные оттепели с дневными температурами порядка 6–10 °С тепла.

Устойчивый снежный покров образуется в конце ноября – начале декабря. В отдельные годы возможно образование раннего снежного покрова – в начале ноября, а в некоторые зимы снега не бывает до конца декабря. Высота снежного покрова достигает 25–30 см, что обеспечивает запасы влаги в нем 75–95 мм.

Продолжительность зимы с устойчивым снежным покровом около 4-х месяцев, но в отдельные годы зима может быть менее длительной.

Зимние месяцы характеризуются повышениями скорости ветра. Особенно сильные ветры наблюдаются в феврале – марте, что вызывает развитие метелей и поземок, обусловливающих сдувание снега с полей.

Частота метелей составляет в среднем 20–30 дней за сезон.

Павлодарская область характеризуется пустынным характером растительности, малыми заселенностью и хозяйственной освоенностью. Рельеф территории равнинный с элементами техногенного микрорельефа. Перепад отметок высот незначительный и не оказывает ощутимого влияния на характер рассеивания в атмосфере загрязняющих веществ.

Климат региона отличается резкой континентальностью, продолжительной и, как правило, суровой зимой с метелями, непродолжительным и жарким летом. Весной погода характеризуется изменчивостью температуры воздуха, частыми возвратами холодов и поздними заморозками.

В условиях сухого резкоконтинентального климата режим солнечной радиации является одним из основных факторов, определяющих погодные условия. Наибольшая облачность отмечается в холодное полугодие, когда ве-
роятность пасмурного неба составляет от 40 до 70 %. Продолжительность солнечного сияния зимой невелика: 3–4 часа в сутки. Повторяемость ясных дней летом
увеличивается (до 70 % за период). Продолжительность солнечного сияния достигает 2460 часов в год. Весь район относится к зоне ультрафиолетового комфорта.

По СНиП (Строительные Нормы и Правила) рассматриваемая территория относится к строительно-климатическому подрайону 1-Б, характерной особенностью которого является чрезвычайно сухой зимний период.

Средняя месячная температура воздуха – одна из основных характеристик термического режима территории (табл. 2).

Таблица 2

Средняя месячная температура воздуха, °С

Средняя годовая температура воздуха в городе Павлодаре составляет 2,3 °С. В отдельные годы она может изменяться в пределах от –0,6 до 5,2 °С.

Январь является типичным зимним месяцем. Средняя многолетняя январская температура составляет –17,5 °С. Январь 1969 года (–31,8 °С) зарегистрирован как самый холодный, а январь 1983 (–9,7 °С) – самый теплый.

Повышение средней многолетней температуры от января к февралю незначительное, поскольку циркуляционные и радиационные условия этих месяцев близки между собой. От февраля к марту, с увеличением прихода солнечной радиации, отмечается значительное повышение температуры воздуха (Δ = 7,8 °С). Для апреля характерным является наибольшее в году повышение температуры, что вызвано сменой отрицательного радиационного баланса на положительный и значительной перестройкой барико-циркуляционных условий (Δ = 13,7 °С). Средние месячные температуры апреля в целом положительные, за исключением 1930 (–0,8 °С), 1934 (–2,6 °С), 1954 (–0,3 °С), 1964 (–0,9 °С) и 1979 (–0,7 °С) годов. Средняя многолетняя температура апреля составляет 4,4 °С. Интенсивность нарастания температуры воздуха от месяца к месяцу в последующем уменьшается. Так, от апреля к маю изменение температуры составляет 8,9 °С, и средняя температура мая равна 13,3 °С. От июня к июлю средняя температура повышается на 2,0 °С. Июль является самым жарким месяцем (21,4 °С).

От июля к августу начинается медленный спад температуры, в последующем постоянно увеличивающийся. Лето является наиболее термически устойчивым периодом года. Значительное снижение температуры на 8,6 °С наблюдается в период от сентября к октябрю. Это связано со значительным уменьшением радиационного баланса и перестройкой на зимний режим барического поля и циркуляции. В октябре средняя месячная температура воздуха остается положительной и составляет 3,6 °С. От октября к ноябрю температура понижается на 10,7 °С, а от ноября к декабрю на 7,2 °С. Средние температуры декабря колеблются в отдельные годы от –6,4 до –27,7 °С.

К числу основных показателей режима температуры воздуха следует отнести величину годовой амплитуды ее колебания, определяемой по разности между температурой самого теплого (июль) и самого холодного (январь) месяцев года. Соответствующие данные дают представление о степени континентальности климата. Как известно, чем больше годовые амплитуды температуры и другие показатели климата, тем резче выражена его континентальность.

Величина годовой амплитуды в Павлодаре составляет 38,9 °С. Температура воздуха – крайне изменчивый метеорологический элемент. В отдельные годы месячные температуры воздуха отличаются от средней многолетней. Вычисленные средние отклонения от средних многолетних по месяцам представлены в табл. 3.

Таблица 3

Отклонения средних месячных температур воздуха от многолетних, °С

Из табл. 3 видно, что средние отклонения средних месячных температур воздуха от нормы имеют выраженный годовой ход с максимумом в декабре. Наименьшие средние отклонения отмечаются летом. В особо суровые зимы отклонения средних месячных температур от нормы могут достигать от 10 до 13 °С,
а в исключительных случаях даже 14,3 °С (1969 год).

Крайние значения положительных отклонений зимней средней месячной температуры воздуха от нормы несколько меньше указанных выше отрицательных отклонений, но они также значительны и достигают 7,9 °С. В летние месяцы предельные положительные и отрицательные отклонения температуры воздуха от нормы значительно меньше и составляют 3–4 °С.

Большой интерес представляют данные о повторяемости дней с высокими и низкими средними суточными температурами воздуха. Так, число дней со средней суточной температурой выше 25 °С в среднем многолетнем составляет за год 12,5 дня. Если в июле в среднем многолетнем наблюдается 5,7 дня со средней суточной температурой выше 25 °С, то к весне и осени повторяемость их быстро убывает. В сентябре и апреле таких дней не отмечается. Что касается дней с низкими средними суточными температурами воздуха, то в январе число дней с температурой ниже –25 °С составляет 5,5.

Для Казахстана характерны резкие колебания температуры воздуха. Абсолютная амплитуда температуры воздуха, т.е. разность между наивысшей и наинизшей суточными температурами за год, значительна и колеблется в пределах от 63 до 82 °С.

Абсолютные амплитуды в годовом ходе имеют максимум в марте, а минимум – летом (август) и составляют 61 и 40 °С, соответственно. Годовой ход абсолютных максимумов и абсолютных минимумов, в общем, аналогичен годовому ходу средней температуры воздуха, т.е. наибольшие их значения отмечаются летом, а наименьшие – зимой (табл. 4).

Таблица 4

Абсолютный максимум и абсолютный минимум температуры воздуха, °С

Абсолютный минимум достигает в январе –47 °С (1907 год). Число дней с минимальной температурой воздуха ниже –35 °С за период с ноября по март в многолетних оценках составляет 4,1 дня. Однако, абсолютный минимум температуры, как величина случайная, не всегда может быть достаточно полной и устойчивой характеристикой морозности. Наиболее удобным и надежным индексом в этом отношении следует считать средний многолетний минимум температуры воздуха, полученный путем осреднения абсолютных минимумов за большой период лет (табл. 4). Число дней с максимальной температурой воздуха выше 35 °С за период с мая по август составляет 2,9 дня.

О степени континентальности климата можно судить не только по годовым, но и по суточным амплитудам температуры воздуха (табл. 5). Так, суточные амплитуды имеют хорошо выраженный годовой ход. В летние месяцы (июнь) средние суточные амплитуды наибольшие, а в холодное время года (ноябрь), наоборот, наименьшие. В отдельные дни возможны колебания амплитуды температуры воздуха, достигающие 30,4 °С. Столь большие амплитуды имеют место в январе.

Межсуточная изменчивость температуры воздуха в годовом ходе меняется от 1,9 °С (июль) до 45 °С (декабрь). Устойчивые морозы устанавливаются в среднем многолетнем 29 октября. Конец устойчивых морозов наступает 1 апреля. Длительность периода с устойчивыми морозами составляет 153 дня. Максимальная продолжительность зимних морозов достигала 172 дня в 1976–1977 году. Особенностью климата являются поздневесенние и раннеосенние заморозки, которые представляют собой одно из наиболее неблагоприятных явлений погоды для сельского хозяйства. Весеннее время, как отмечалось выше, отличается наиболее интенсивным в году ростом температуры воздуха, однако ее повышение обычно идет неравномерно.

Даты последних весенних и первых осенних заморозков колеблются из года в год в больших пределах. Средняя многолетняя дата последнего весеннего заморозка падает на 13 мая, первого осеннего – на 21 сентября. Продолжительность безморозного периода составляет 130 дней. Самый ранний заморозок был отмечен 2 сентября 1984 года, а самый поздний весенний заморозок – 3 июня 1984 года. Максимальная продолжительность безморозного периода составила 174 дня (1988 год), минимальная – 90 дней (1984 год).

Таблица 5

Средняя суточная амплитуда температуры воздуха, °С

Лето в среднем многолетнем наступает 24 мая и продолжается 99 дней. Осень имеет продолжительность 58 дней, начиная со 2 сентября. Наиболее продолжительным лето было в 1962 году (138 дней), а наиболее коротким (73 дня) – в 1995 году.

Для практических целей интересны такие показатели температуры воздуха, как расчетные зимняя вентиляционная температура (средняя температура наиболее холодной части отопительного периода, составляющая 15 % длительности всего отопительного периода), температура самой холодной пятидневки и средняя температура отопительного периода и его продолжительность.

Для Павлодара расчетная вентиляционная температура наружного воздуха равна –19,4 °С. Расчетная температура самой холодной пятидневки составляет –34 °С. Отопительный сезон начинается 3 октября и продолжается 205 дней до 26 апреля. Средняя температура отопительного сезона составляет –8,3 °С.

Основным фактором самоочищения атмосферного воздуха являются осадки, но для данного района вымывающая способность осадков не велика. Годовое количество осадков на территории составляет 200–300 мм, в отдельные годы – 300–350 мм. Среднегодовое количество осадков равно примерно 280 мм. Из них порядка 70 % приходится на теплый период года (апрель-октябрь) в виде интенсивных ливней. Весной, в период вегетации растений, количество осадков незначительно, а в отдельные годы вообще может не выпадать дождей. Тогда в сочетании с высокой температурой воздуха может наступить атмосферная засуха, которая повторяется 3–4 раза за 10 лет. В зимний период года (ноябрь-апрель) образуется устойчивый снежный покров, который держится в течение 135–143 дней. Высота снежного покрова по территории составляет в среднем
20–25 см (при максимуме – 52 см). Сильные ветры значительно перераспределяют снежный покров, почти полностью сдувая его с открытых плоских участков в западины и котловины озер. Незначительный снежный покров в сочетании с сильными морозами приводит к глубокому промерзанию почвы (до 1,5–2 м).

Средняя относительная влажность воздуха наиболее теплого месяца – 58 %, наиболее холодного – 80 %. Наиболее засушливыми месяцами являются май, июнь и июль. В условиях высоких температур и дефицита влажности, постоянных ветров испарение в несколько раз превышает годовую сумму осадков. Среднее многолетнее испарение с водной поверхности за период апрель-октябрь в регионе составляет порядка 790 мм. Испарение резко (в 14–16 раз) возрастает в апреле-мае и достигает максимума в июне-июле.

Ветровые условия на территории почти однородны. В суточном ходе ветер усиливается днем до 4–5 м/с, ослабевая к ночи до 2 м/с. Временами отмечаются ветры скоростью более 15 м/с (продолжительностью 1–2, а иногда и 3–4 дня в месяц), сопровождающиеся пыльными бурями (19–30 дней за сезон).

В марте-ноябре среднемесячная скорость ветра равна 4–5 м/с, в январе-феврале – 4–6 м/с. В годовом ходе максимум скорости ветра отмечается зимой, когда днем она обычно равна 5–6 м/с. В среднем за зиму отмечаются 3–6 дней с сильным ветром, а в отдельные годы – до 14 дней. За год число дней с сильным ветром в среднем на территории составляет 16–30, иногда 50. Ежегодно могут отмечаться штормовые ветры, скорость которых достигает 24–25 м/с. Один раз в 10 лет отмечаются скорости ветра до 40 м/с. Ветры со скоростями более 6–7 м/с вызывают зимой метели. Повторяемость направлений ветра и штилей, а также среднемесячная и годовая скорости ветра приведены в табл. 6 и 7. Повторяемость скорости ветра по градациям (в % от общего числа случаев) приведена в табл. 8.

Как следует из приведенных выше таблиц, рассматриваемый район относится к местности со слабыми ветрами. Наибольшую повторяемость имеют ветры юго-восточного, юго-западного и западного направлений и скорости ветра 4–5 м/c. Среднегодовое число дней со скоростью ветра более 8 м/с равно 144. Скорость ветра 5 % – обеспеченности равна 9 м/c.

Таблица 6

Средняя повторяемость направлений ветра и штилей, %

Дополнительные метеорологические характеристики и коэффициенты, определяющие условия рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере, приведены в табл. 9. Из повторяемости направлений ветра по румбам (табл. 6) следует, что в холодный период года явно преобладают ветры с южной составляющей – юго-западные, юго-восточные и западные. Юго-западным ветрам свойственны
и наибольшие скорости ветра – 8–9 м/с (как ночью, так и днем), в то же время минимальную повторяемость имеют ветры северных, северо-восточных и восточных направлений. Средние скорости ветра по румбам колеблются в пределах от 3 до 9 м/с. В теплый период сокращается повторяемость ветров с южной составляющей и в значительной степени увеличивается повторяемость ветров с северной составляющей. Так, летом наибольшую повторяемость имеют северо-западные ветры, но также велика и повторяемость северных и северо-восточных ветров, хотя наибольшие скорости ветра наблюдаются летом при западных ветрах (от 5 до 6 м/с).

Таблица 7

Среднемесячная и годовая скорости ветра, м/с

Таблица 8

Повторяемость скорости ветра по градациям (в % от общего числа случаев)

Таблица 9

Дополнительные метеорологические характеристики и коэффициенты, определяющие условия рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере

Средние скорости ветра по румбам в летний период значительно слабее, чем зимой, и колеблются в пределах от 3,5 до 6 м/с. Таким образом, основной особенностью в режиме ветра являются сезонная смена преобладающих направлений на противоположные и малая вероятность штилевых положений.

Вследствие отсутствия систематических комплексных метеорологических наблюдений в регионе и соответствующих статистически значимых климатических характеристик в данной работе далее приводятся обобщения для Павлодарской области (по наблюдениям на метеостанции города Павлодара).

Инверсии, наблюдаемые в регионе, можно рассмотреть в четырех позициях:

– приземные инверсии при скорости ветра менее 4 м/с;

– приземные инверсии при скорости ветра более 4 м/с;

– приподнятые инверсии с нижней границей, не превышающей 160 м над поверхностью земли;

– приподнятые инверсии с высотой нижней границы от 150 до 500 м над поверхностью земли.

Так как инверсионный слой, расположенный на расстоянии более 200 м над источником, не оказывает влияния на загрязнение атмосферы у земли, то инверсии с нижней границей выше 500 м над поверхностью земли в данной работе во внимание не принимались. Повторяемость инверсий свидетельствует о том, что в течение всего года в теплое время суток приземные инверсии явно преобладают над всеми видами состояний атмосферного воздуха, причем больше половины их отмечаются при ветрах менее 4 м/с. Повторяемость приподнятых инверсий с расположением нижней границы ниже 150 м ничтожна в течение всего года как днем, так и ночью, поэтому этот тип инверсий не рассматривался. Повторяемость приподнятых инверсий с нижней границей от 150 до 500 м – наиболее существенная в дневное время практически в течение всего года, за исключением лета, что способствует загрязнению приземного воздуха от высоких источников выброса. Днем повторяемость инверсий, за исключением зимы, резко сокращается. Летом в дневное время вероятность инверсий всех типов практически равна нулю. В остальные сезоны года днем очень резко сокращается повторяемость приземных инверсий, увеличивается повторяемость приподнятых с нижней границей выше 150 м. В зимний период днем преобладают мощные приземные инверсии как ночью, так и днем. Особенно велика мощность приземных инверсий при скорости ветра менее 4 м/с, она составляет 900–1000 м. Мощность приземных инверсий при скорости ветра более 4 м/с несколько ниже и составляет 600 м. Глубина приземных инверсий составляет более 25 на 100 м высоты, а глубина приподнятых инверсий – в половину меньше. Таким образом, зимой круглосуточно весьма значительна вертикальная устойчивость атмосферного воздуха в рассматриваемом районе. Весной мощность приземных инверсий как ночных, так и дневных, в значительной степени сокращается и составляет 400–500 м, а глубина инверсий в ночное время остается такой же, как и зимой. В дневное время глубина инверсий уменьшается в два раза. Приподнятые инверсии практически имеют мощность и глубину такую же, как и зимой. Летом в ночное время мощность инверсий всех видов не превышает 300 м, хотя глубина их остается практически такой же, как и зимой. В дневное время летом можно считать, что инверсии практически отсутствуют. Осенью мощность инверсий по сравнению с летом несколько увеличивается, равно как увеличивается и глубина инверсий. В приземных инверсиях в течение всего года очень мал коэффициент турбулентности, который при малых скоростях ветра колеблется от 0,03 до 0,47 м2/с, при больших скоростях – от 0,83 до 1,47 м2/с. В приподнятых инверсиях коэффициент турбулентности несколько больше и колеблется от 0,80 до 2,25 м2/с. Однако, во всех случаях с инверсиями приведенные значения коэффициентов турбулентности настолько малы, что в слое воздуха, занятом инверсией, можно предположить полное отсутствие вертикального воздухообмена. Коэффициент турбулентности в условиях нормального состояния атмосферы (когда температура падает с высоты на 0,65 °С на каждые 100 метров) составляет в среднем 20–40 м2/с, что обеспечивает нормальный воздухообмен нижних слоев с верхними. Как видно из табл. 10, наличие инверсионных слоев в нижних слоях атмосферы – явление, весьма характерное для рассматриваемого региона, и с этим нельзя не считаться при оценке возможного загрязнения воздушного бассейна.

В холодный период года, когда преобладают глубокие и мощные приземные инверсии, роль высоких источников загрязнения минимальна, так как от высоких источников выбросы уносятся под действием ветрового потока выше инверсии. Из 90 зимних дней только в течение 15–14 дней, когда имеют место приподнятые инверсии с нижней границей выше 150 м, вероятно существенное влияние высоких источников выброса. В остальное время влияние их на степень загрязнения приземного воздуха весьма незначительно. В этот же период значительна роль в загрязнении воздушного бассейна низких источников выброса, включая и неорганизованные. К ним относятся АЗФ, ряд небольших промышленных объектов (с невысокими источниками выброса), частный жилой сектор, автотранспорт и прочие низкие источники. В 65 % случаев, т.е. в течение 60 дней из 90, можно ожидать значительного загрязнения, а в течение 35–37 дней за зиму и опасного, т.е. такого, когда концентрации загрязняющих веществ будут превышать ПДК. Опасное загрязнение обусловлено повторяемостью приземных инверсий и малыми скоростями ветра.

Таблица 10

Годовой ход повторяемости температурных инверсий, %
(метеостанция города Павлодара)

В зимнее время также существенна роль туманов, при которых увеличивается токсичность загрязняющих веществ. Однако, судя по средней продолжительности туманов в часах, влияние это кратковременно, что обусловлено значительными скоростями ветра, которые способствуют разрушению туманов. Так как зимой сложные инверсионные условия сохраняются круглые сутки, а такие источники, как автотранспорт, загрязняют, в основном, в дневное время суток, то наибольшее загрязнение воздушного бассейна зимой наблюдается в дневное время. Весной и летом наблюдается большая повторяемость в ночное время (65–80 %) приземных инверсий при незначительных приподнятых инверсиях, кроме того, с наступлением теплого периода основная масса теплоэнергоисточников сокращает свою производительность примерно в 2 раза и, следовательно, независимо от большой повторяемости приземных инверсий летом ночью следует ожидать уменьшения загрязнения воздуха по сравнению с зимним периодом. В дневное время в переходные сезоны вероятность инверсий сокращается, а в летний – сводится практически к нулю. Однако не следует считать, что атмосфера в Павлодар-Екибастуз-Аксуском регионе в это время будет чистой. Здесь в действие вступает ряд факторов, одним из которых является скорость ветра. При отсутствии задерживающего слоя в нижней части атмосферы возникают условия, при которых в нижние слои приземного воздуха попадает максимум выбросов от высоких источников. Критерием таких условий является «опасная» скорость ветра. Для нашего случая «опасной» скоростью ветра является скорость 5–7 м/с, повторяемость ее в дневное время летом составляет 25–26 %. Кроме того, летом увеличивается вероятность пыльных бурь, которые вносят эффект естественного природного загрязнения атмосферного воздуха, частота их в среднем составляет 4 дня в месяц. Таким образом, летний период оказывается весьма неблагоприятным в смысле сохранения чистоты атмосферного воздуха.

Немалую роль в самоочищении атмосферного воздуха играют процессы термической конвекции, в результате которых происходит обмен воздуха между верхними и нижними слоями, причем до больших высот, порядка нескольких километров. Отсюда и весьма существенное разбавление концентраций загрязнения, но развитию этого процесса существенно мешают повышенные скорости ветра. В то же время, повышение скорости ветра играет важную роль в разбавлении загрязнений, особенно при наличии инверсий. Инверсии при ослабленных скоростях ветра (особенно при штиле) приводят к застойным явлениям и создают потенциальные возможности для накопления вредных веществ в приземном слое атмосферы.

Для характеристики устойчивости нижнего 2–3-х километрового слоя служит высота слоя перемешивания (ВСП). В этом случае наблюдаются наиболее интенсивные вертикальные движения, при этом вертикальный градиент температуры в нем приближается к сухоадиабатическому или превышает его, а высота распространения слоя перемешивания отмечается на тех высотах, где неустойчивая или равновесная стратификация сменяется устойчивой. Высота слоя перемешивания рассчитывалась для Павлодарского региона за период 1979–1989 гг. по ежедневным данным радиозондирования атмосферы и максимуму температуры воздуха за сутки. Минимальные значения ВСП наблюдаются в январе и декабре (0,41–0,43 км), а максимальные отмечаются в летнее время и достигают 2,25 км (май) и 2,49 км (июнь). Резкое возрастание ВСП в летнее время обусловлено ростом термической неоднородности от зимы к лету. Коэффициент вариации ВСП изменяется в пределах 0,3–0,5 и лишь в зимние месяцы коэффициент достигает величин 0,7–0,8. Большие значения коэффициента вариации в зимнее время указывают на то, что минимальная высота перемешивания может быть намного меньше ее средней величины, что связано с большой повторяемостью приземных и приподнятых инверсий зимой (68 и 22 %, соответственно), которые влияют на формирование слоя перемешивания и его высоту.

В целом совокупность метеорологических условий, влияющих на способность атмосферы рассеивать загрязняющие вещества и формировать уровень загрязнения в приземном слое, определяется потенциалом загрязнения атмосферы (ПЗА). Метеорологические условия, приводящие к накоплению загрязняющих веществ, относят к высокому потенциалу, и, наоборот, условия, благоприятные для их рассеивания, определяют как низкий потенциал загрязнения. Важной особенностью ПЗА является различие его значений для разных типов источников, поскольку различное сочетание метеорологических условий приводит к накоплению примесей от низких и высоких труб, «холодных» и «горячих» выбросов. В среднем за год наблюдаются сравнительно благоприятные условия для рассеивания вредных выбросов от низких источников. Повторяемость скоростей ветра меньше 1 м/с в среднем за год здесь не превышает 11 %, приземных инверсий в целом за год – 38 %. В связи с климатическими особенностям этого района в разные периоды года создаются примерно одинаковые условия как для рассеивания, так и для накопления примесей в приземном слое воздуха. Повышенный уровень загрязнения воздуха в этом районе может отмечаться летом и зимой. Увеличение в зимний период мощности и интенсивности инверсий и частоты туманов может создавать зимний максимум загрязнения воздуха. В соответствии с районированием, выполненным КазНИГМИ, большая часть Павлодарской области, включая рассматриваемый регион, относится к зоне низкого потенциала загрязнения (ПЗА = 2,6).