ИСТИНА

На территории Метеорологической обсерватории МГУ в юго-западной части Москвы создан и действует уникальный в России комплекс одновременных и непрерывных наземных метеорологических измерений, дистанционного зондирования атмосферы и измерений состава воздуха в его приземном слое. Высокая точность газоанализаторов специальной Экологической станции, созданной совместными силами ИФА имени А.М.Обухова РАН и Географического факультета МГУ, их регулярная калибровка с использованием международных эталонов ГСА ВМО, а также удалённость от отдельных точечных и линейных источников загрязнения воздуха обеспечивают статистически надёжные данные о фоновых оценках городского загрязнения и их изменениях, включая кратковременные. Равнинный характер местности, высокая степень однородности подстилающей поверхности (отсутствие здесь морского побережья, крупных внутренних водоёмов, а также существенных неровностей рельефа), а также простая геометрическая конфигурация города обеспечивают удачный выбор Москвы в качестве показательного объекта подобных исследований. Измерения профилей скорости и направления ветра в нижнем 500-метровом слое воздуха, а также наблюдения за температурной стратификацией, включая выявление задерживающих слоёв инверсий в нижнем 800-метровом слое круглосуточно производятся с помощью двух акустических локаторов (содаров), установленных всего в 70 м от газозаборников Экологической станции. Данный проект РФФИ предусматривал продолжение и развитие комплексных исследований состава воздуха в приземном слое атмосферы Москвы и его изменений во времени - включая непериодические изменения, связанных с влиянием метеорологических факторов. Изучалась подробная динамика ежеминутных значений приземного содержания озона, окиси и двуокиси азота, окиси углерода и двуокиси серы. С этой основной задачей проекта тесно связано также изучение закономерностей ветрового режима и температурной стратификации атмосферного пограничного слоя (АПС) по данным акустического зондирования. В ходе выполнения НИР использовались методы статистического анализа, включающие обработку и верификацию больших рядов данных, создание баз данных, корреляционный анализ, элементы спектрального анализа, проверка линейности статистических связей, анализ функций распределения и их соответствия стандартным теоретическим законам, использование классических критериев проверки гипотез о статистической достоверности различий между выборочными средними и выборочными дисперсиями, анализ вида статистических трендов. Синоптический анализ, включающий определение синоптической ситуации и географического типа господствующей воздушной массы, расчёт обратных траекторий воздушных частиц, оценку величины геострофической адвекции температуры и пр. Оригинальной особенностью методики синоптического анализа является высокая степень его подробности с использованием результатов станционных наземных данных. Помимо прочего, определённая новизна была применена в методическом разделении всех случаев осадков на фронтальные, внутримассовые и осадки смешанного происхождения. Нестандартный и оригинальный подход к анализу результатов эксперимента по сравнению с обычным подходом - расчёт оценок коэффициентов корреляции синхронных данных разных методов измерений (как обычного линейного коэффициента, так и корреляционного отношения) за отдельные дни эксперимента и анализ причин различий статистических связей. Обычно оценка степени тесноты статистической связи ограничивается в литературных источниках лишь общим значением коэффициента корреляции за весь период эксперимента. Столь подробный анализ применён, по-видимому, впервые - во всяком случае, для содарных данных. Нестандартным является и анализ влияния метода учёта цикличности в данных о направлении ветра на результаты экспериментальных сравнений. Оригинальный алгоритм в ходе работы над проектом был разработан и для анализа профилей направления ветра, осреднённых за продолжительные промежутки времени. Этот алгоритм заключается в автоматическом учёте цикличности данных с многоэтапным контролем результатов расчётов. Сам по себе анализ профилей направления ветра является нестандартным используется сравнительно редко. Нестандартным и оригинальным является разработанный участниками проекта статистический метод оценок стандартного отклонения вертикальной составляющей скорости ветра σw по данным зондирования содаром «ЭХО-1». Эти оценки, наряду с обычными спектральными оценками, были использованы для вызависимостей приземного содержания малых газов от σw.

В ходе работы над данным проектом удалось успешно выполнить все его основные задачи. Удалось продолжить в непрерывном режиме акустическое зондирование атмосферы в Метеорологической обсерватории МГУ, а также измерения состава приземного воздуха на совместной Экологической станции ИФА РАН и Географического факультета МГУ. В результате существенно пополнен архив накопленных данных о загрязнении воздуха и о ветровом режиме в нижнем 500-метровом слое. Впервые создана объединённая база данных, включающая в себя результаты химических, наземных метеорологических измерений и акустического зондирования в среднем за каждый час, начиная с 2002 года (с 2004 года применительно к содарным данным). С использованием этой базы многолетних данных осуществлён статистический анализ влияния основных метеорологических величин на приземное содержание малых атмосферных газов в Москве, что являлось ключевой задачей проекта. Получены эмпирические функции зависимостей содержания малых газов (O3, NO, NO2, SO2 и CO) от скорости ветра на пяти уровнях (15, 40, 60, 100 и 200 м над поверхностью), а также от температуры воздуха и относительной влажности на уровне 2 м. В дополнение к малым газам, подобные зависимости от скорости ветра получены и для постоянной составляющей атмосферы – двуокиси углерода. Все выявленные различия – статистически достоверные с учётом большой обеспеченности многолетними данными. На примере данных 2002-2004 гг. были исследованы закономерности изменений приземного содержания малых газов при выпадении жидко-капельных атмосферных осадков – как любых осадков, так и отдельно фронтальных, внутримассовых, а также опасных сильных ливней. Статистически значимое уменьшение приземного содержания в течение первого часа после начала дождя присуще лишь двуокиси серы (как наиболее растворимой газовой примеси) и озону, и только для ливневых осадков большой интенсивности. Подробно исследованы предельные значения – как наибольшие, так и наименьшие – приземного содержания малых газов за весь период работы совместной экологической станции ИФА РАН и Географического факультета МГУ. Проанализированы метеорологические условия наблюдения предельных значений, включая тип температурной стратификации и режим ветра по данным двух содаров "MODOS" и "ЭХО-1" в МГУ. Впервые проанализированы закономерности суточного хода повторяемостей предельно малых (менее 1 млрд-1) значений озона и окиси азота по многолетним выборкам данных. На основе созданной базы данных исследованы закономерности недельного хода малых атмосферных газов в среднем за девять лет. В дополнение к известным различиям между будними и выходными днями, выявлены статистически достоверные различия между субботой и воскресеньем, а также закономерные изменения для условий утра понедельника и вечера пятницы, подтверждающие постепенный и последовательный характер загрязнения и очищения воздушного бассейна крупного города. Значительное место в ходе работы над проектом, в соответствии с его задачами, заняли исследования ветрового режима над Москвой. Так, был в целом завершён анализ результатов комплексного научного эксперимента, проведённого в 2008 году в г. Обнинске Калужской области, когда на полигоне высотной метеорологической мачты одновременно работали четыре содара. Получен ряд методических выводов о влиянии на степень согласия данных разных приборов о скорости и направления ветра высоты измерений, периода осреднения и пр. Отдельно исследованы методические особенности учёта цикличности данных о направлении ветра и некоторые другие вопросы. По данным многолетнего акустического зондирования в МГУ получена статистически значимая связь среднемесячных значений скорости ветра в слое до 200 м со среднемесячными значениями температуры воздуха –связь с разным знаком для тёплого и холодного времени года. Это связано с противоположным термическим эффектом в разные сезоны обширных циклонических образований, на периферии которых скорость ветра обычно наибольшая. Впервые обобщены данные о наибольших значениях скорости ветра по результатам отдельных измерений в среднем за каждые 10 минут. Показано, что наибольшие из достоверных значений в слое воздуха до 500 м составляют около 34-35 м/с и отмечаются, как правило, в тёмное время суток в зонах интенсивных градиентных потоков на периферии глубоких циклонов и, одновременно с этим, – в пределах низкоуровневых струй. Проведён подробный синоптический анализ характерных изменений ветрового режима, выявлены связи случаев быстрого поворота ветра во времени – как правого, так и левого – с синоптическими условиями: прохождением над местом зондирования атмосферных фронтов, осей гребней и ложбин и пр., а также связь усиления ветра с некоторыми атмосферными явлениями (грозы). Получены статистические оценки высоты приземного слоя атмосферы, начиная с которой происходит устойчивый поворот ветра с высотой, на основе расчёта профилей направления ветра отдельно за каждый месяц многолетних содарных измерений. Оказалось, что в среднем в двух случаях из трёх эта высота находится в пределах "мёртвой зоны" акустического локатора и, таким образом, составляет 40 м или менее; в большинстве остальных случаев она составляет в среднем за месяц 60 м (с точностью до 20 м) и лишь изредка достигает уровня 80 м. Был предложен принципиально новый подход к определению высоты слоя перемешивания по архивным данным содара «ЭХО-1», заключающийся в отдельном определении двух таких высот в зависимости от атмосферной стратификации. Необходимость подобного разделения связана с возможностью одновременного существования, особенно в утренние часы в условиях приподнятой инверсии, двух слоёв перемешивания – одного над другим. На основе многолетней базы содарных данных в МГУ рассчитаны средние оценки высот перемешивания в разные часы суток и в разные сезоны. Осуществлён также анализ многолетних содарных данных о стандартном отклонении вертикальной составляющей скорости ветра σw за период (2004-2008 гг.) одновременных измерений в МГУ этого показателя параллельно двумя содарами на основе двух разных методов: как посредством оценки ширины спектра эхо-сигнала, так и статистическим методом по выборкам отдельных измерений вертикальной составляющей ветра W. Исследованы основные климатологические закономерности σw. Оба метода демонстрируют сходный суточный ход этого показателя: сравнительно сглаженный зимой и с ярко выраженным максимумом в послеполуденные часы весной и летом. Сравнение среднечасовых значений σw с приземным содержанием малых атмосферных газов в обоих случаях показало гиперболическую связь в случае первичных продуктов сгорания топлива (например, окиси углерода), и близкую к линейной связь в случае озона вследствие роста содержания этого газа с высотой. Отдельной задачей проекта, возникшей уже в ходе его выполнения и тесно связанной с предварительно заявленными целями, явился анализ метеорологических условий аномального погодного явления катастрофической жары в Москве летом 2010 года. Эта работа проведена в двух направлениях. С одной стороны, были обобщены данные о рекордных значениях в наземных метеорологических измерениях во время катастрофической жары, включая и содарные данные о скорости и направлении ветра в Москве. Кроме того, были проанализированы условия загрязнения воздуха в Москве при аномально высокой температуре воздуха летом 2010 г. как в отсутствие, так и при наличии над городом дымовых шлейфов торфяных и лесных пожаров, определявшихся с использованием спутниковых снимков. Для большинства малых газов выявлены существенные различия в их содержании при наличии и в отсутствие как аномально высокой температуры воздуха, так и (отдельно) дымной мглы.