Вариации микрофизических параметров аэрозоля приземного слоя атмосферы в переходной зоне материк-океан

ВАРИАЦИИ МИКРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОЗОЛЯ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ В ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЕ МАТЕРИК-ОКЕАН.

1, 2, 1, 1

1Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН

2Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Морской государственный университет им. адм. »

[e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail]

Ключевые слова: атмосферный аэрозоль, переходная зона материк-океан, Приморье

Аннотация. В работе приводятся результаты исследований вариаций микрофизических характеристик атмосферного аэрозоля в приземном слое в переходной зоне материк-океан. Анализируются данные, полученные за период с 01.08.2010 по 31.12.2012. Получены характерные для исследуемого региона значения массовой концентрации субмикронного аэрозоля, сажи и функции распределения частиц по размерам.

Введение

Аэрозоль, наряду с парниковыми газами и облачностью, является основным климатообразующим фактором, который отличается сильной динамикой, большим многообразием взаимодействий с солнечной радиацией, физическими полями (облачность, водяной пар, озон), а также компонентами биосферы. Многообразие форм атмосферного аэрозоля, сильные вариации его свойств в зависимости от состава, формы и внешних условий среды объясняют наиболее низкий уровень понимания климатического воздействия атмосферных аэрозолей среди всех составляющих атмосферы.

Атмосферный аэрозоль может оказывать как прямое, так и косвенное воздействие на климатическую систему. В первом случае эффект его присутствия связан с рассеянием и поглощением солнечной радиации частицами аэрозолей. Количественное описание прямого воздействия аэрозоля связано с альбедо однократного рассеяния, которое определяет долю рассеянного аэрозолем излучения. Помимо прямого, различают и косвенное воздействие атмосферного аэрозоля (первый и второй косвенные эффекты), связанное с модификацией оптических и микрофизических свойств облачного покрова. Присутствие аэрозольных частиц в атмосфере влияет на ее устойчивость – это так называемый промежуточный эффект, который связан с нагревом аэрозольного слоя, что приводит к изменению температурной стратификации и может вызвать нарушение форм циркуляции атмосферы. Исследования [1] показали, что атмосферный аэрозоль может оказывать воздействие на климатическую систему, стимулируя поглощение СО2 из атмосферы. В работе [1] было показано, что поступление в верхний слой океана аэрозольных частиц из пустынь северного Китая и Монголии приводит к интенсификации цветения диатомовых водорослей.

Поскольку свойства атмосферных аэрозолей подвержены сильным вариациям, целесообразно проведение работ по изучению характерных особенностей формирования аэрозольных полей в различных регионах Земли.

В этой работе представлены результаты исследования микрофизических свойств аэрозолей приземного слоя атмосферы, проводимые в переходной зоне материк-океан Дальневосточного Приморья в период с августа 2010 по декабрь 2012 года. Этот район интересен по следующим причинам: 1) ежегодно в весенний период в атмосфере исследуемого региона поступает аэрозоль песчаных бурь; 2) расположен вблизи промышленных и густонаселенных районов города; 3) присутствует ярко выраженная муссонная циркуляция воздуха; 4) территория подвержена лесным пожарам; 5) практически полностью отсутствуют экспериментальные данные о свойствах аэрозольных полей в данном регионе и их климатическом воздействии.

Аппаратура и методы

Для измерения параметров аэрозольных частиц использовался аппаратурно программный комплекс, состоящий из нефелометра, аэталеметра и счетчика частиц [2]. Регистрация параметров аэрозольных частиц велась круглосуточно с периодичностью в 1 час. Нефелометр типа ФАН (рабочая длина волны 0.51 мкм) измерял коэффициент направленного рассеяния сухой основы субмикронных частиц µ под углом 45о. Оценка массовой концентрации субмикронного аэрозоля проводилась в соответствии с выражением Ma(мкг/м3)=2.4µ, в соответствии с однопараметрической моделью атмосферных дымок принимая во внимание среднюю плотность частиц 1.5 г/м3. Чувствительность прибора составляла 1х106 м-1. Массовая концентрация сажи (Black Carbon) в составе аэрозольных частиц измерялась при помощи аэталометра [2]. Он реализует метод измерения диффузного ослабления света слоем аэрозольных частиц, в процессе их осаждения на фильтр, который затем пересчитывается в массовую концентрацию сажи. Диапазон измеряемых концентраций варьируется от 0.1 мкг/м3 до 100 мкг/м3. Измерения функций распределения частиц по размерам осуществлялись при помощи оптоэлектрического счётчика частиц Аз-5.

Метеорологическая обстановка

Свойства атмосферных аэрозолей в значительной степени зависят от конкретной метеорологической обстановки в регионе, в частности, наибольший вклад имеют два фактора: относительная влажность, которая напрямую связана с процессами трансформации частиц, а также скорость и направление ветра, которые определяют доминирующий тип аэрозоля.

Рис.1а Среднемесячные значения относительной влажности, г. Владивосток.	Рис. 1б Гистограмма повторяемости северных и южных ветров в различное время для г. Владивосток

На рисунке 1 представлен временной ход помесячно усредненных значений относительной влажности (рис. 1а) и гистограмма повторяемости ветров за исследуемый период. Максимум влажности достигается в июле и составляет 98%±10%, а минимум в марте и имеет значение 50%±20% (см. Рис. 1а). Как видно на Рис. 2а, в течение года во Владивостоке выделяется два преобладающих типа ветров – северные и южные. Их смена обусловлена муссонным климатом. В зимний период во Владивостоке с вероятностью более 90% преобладают северные ветра, а к лету их вероятность падает до 18%. В переходные периоды вероятность северных и южных ветров становится одинаковой – 45%.

Среднемесячная температура варьируется в диапазоне значений от -12 до 21 oC, принимая экстремальные значения в январе и августе соответственно. Давление изменяется от 1007 мБар в июле, до 1023 мБар в январе, декабре.

Микрофизические характеристики

В таб.1 представлены среднемесячные значения микрофизических характеристик весь период измерений. Видно, что разброс значений микрофизических характеристик атмосферного аэрозоля достаточно велик.

Рис.2а Среднемесячные значения массовой концентрации	Рис. 2б Среднемесячные значения массовой концентрации «сажи»

В результате работ по исследованию микрофизических параметров атмосферного аэрозоля были получены следующие результаты. На рисунке 2 а и б представлен временной ход массовой концентрации аэрозоля (рассеивающий аэрозоль) в приземном слое атмосферы и массовая концентрация поглощающего аэрозоля (сажи). На этих графиках отчетливо виден годовой ход. Максимум массовой концентрации как рассеивающего, так и поглощающего аэрозоля приходится на зимний период. Это может быть связано с близостью к станции зондирования жилых домов и федеральной автотрассы, а также дровяным и угольным отоплением. Сильные температурные инверсии, соответствующие зимнему периоду способствуют скапливанию продуктов сгорания в приземном слое, тем самым увеличивая концентрацию аэрозольных частиц.

На этих графиках видно, что повышенное содержание массовой концентрации аэрозоля регистрировалось в 2011 г в июле и августе. Летнее повышение массовой концентрации аэрозольных частиц могло бы быть связано с лесными пожарами, однако график массовой концентрации поглощающего аэрозоля в это время не выявил ни каких аномалий. Анализ экспериментальных данные за три года измерений дал возможность оценить фоновые концентрации рассеивающего и поглощающего аэрозолей в приземном слое города Владивосток. Оказалось, что концентрация аэрозольных частиц в атмосфере г. Владивосток в среднем в 3 раза превышает свои фоновые значения.

На Рис.1б видно, что в декабре и январе преобладают северные ветра, тогда как в июне, июле - южные. Как известно ветер в значительной степени определяет тип аэрозоля над заданной территорией. Поэтому можно предположить, что в первом случае ветер приносит дисперсную фазу представленную сухим континентальный аэрозолем, во-втором - морским и обводненным континентальным аэрозолем. Также следует отметить, что в выделенные месяцы метеорологические параметры имеют значения близкие к своим годовым максимумам и минимумам.

Рассмотрим значения микрофизических характеристик за данные месяцы. Кроме уже отмеченного некоторого повышения и зимой, наблюдается и увеличение счетной концентрации аэрозоля , причем в отличии , которая в обоих случаях имеет сопоставимые значения, она отличается в разы. В отличие от концентраций, максимальные значения принимает летом: в июне, июле.

Что же касается распределения по размерам, то здесь следует отметить, что зимой объем малых частиц , с радиусами до 0.6 мкм, превосходит летний в среднем в 3.8 раза. В диапазоне больших частиц, превосходство зимних значений не столь однозначно, хотя в среднем, для наших данных, сохраняется. Спектральное распределение суммарного объема за указанные месяцы представлено на Рис. 3а.

Рис.3а Средние распределения суммарного объема за летние и зимние месяцы

Таким образом, можно выявить годовой цикл: постепенная смена одного типа аэрозоля над подстилающей поверхностью другим. Зимой доминирует сухой континентальный аэрозоль, принесенный северными ветрами, и характеризующийся высокими, в сравнении с летом, числовыми концентрациями и более мелкодисперсным составом. Летом доля морского и обводненного континентального аэрозоля значительно увеличивается, в результате мы имеем меньшие числовые концентрации, но большую долю крупных частиц, чему способствует высокая влажность. Радиус эффективности при этом превосходит зимние значения.

Таблица 1

Месяц	Ma, мкг/м3	Mcb, мкг/м3	Na, 1/см3	Reff мкм	Vм, мкм3/см3	Vб, мкм3/см3
2010, август	48.52 ± 30.97	1.48 ± 0.94	9.51 ± 6.69	1.80 ± 0.37	0.80 ± 0.61	0.67 ± 0.62
2010, сентябрь	22.69 ± 16.01	1.41 ± 1.17	4.38 ± 3.04	1.18 ± 0.29	0.29 ± 0.21	0.08 ± 0.15
2010, октябрь	36.70 ± 25.60	1.83 ± 1.92	14.64 ± 21.20	0.84 ± 0.45	1.18 ± 1.93	0.64 ± 1.31
2010, ноябрь	39.56 ± 28.02	2.06 ± 1.86	26.25 ± 23.76	1.32 ± 0.27	2.22 ± 2.08	1.07 ± 0.96
2010, декабрь	50.08 ± 30.18	2.91 ± 2.40	33.22 ± 23.11	1.38 ± 0.23	2.96 ± 2.26	1.46 ± 1.47
2011, январь	60.53 ± 30.44	3.42 ± 2.11	169.32 ± 80.39	0.69 ± 0.29	11.77 ± 5.87	1.46 ± 1.05
2011, февраль	50.39 ± 25.30	2.50 ± 2.35	78.05 ± 38.44	1.19 ± 0.28	7.14 ± 3.89	3.24 ± 2.09
2011, март	33.57 ± 19.70	1.95 ± 1.64	72.46 ± 40.60	1.19 ± 0.30	6.63 ± 4.22	3.32 ± 3.08
2011, апрель	38.37 ± 30.27	2.03 ± 1.75	55.60 ± 52.94	1.17 ± 0.32	4.70 ± 5.15	1.45 ± 2.01
2011, июнь	40.61 ± 19.84	0.70 ± 0.52	25.07 ± 29.67	1.42 ± 0.42	2.17 ± 2.64	1.41 ± 2.15
2011, июль	50.57 ± 30.30	1.58 ± 1.19	28.04 ± 20.97	1.60 ± 0.35	2.40 ± 1.98	1.86 ± 1.90
2011, август	48.77 ± 27.88	1.36 ± 1.27	24.87 ± 17.95	1.57 ± 0.32	1.99 ± 1.74	1.56 ± 2.48
2011, сентябрь	26.74 ± 23.88	1.56 ± 1.49	56.69 ± 56.83	1.40 ± 0.46	4.89 ± 5.35	1.98 ± 2.82
2011, октябрь	48.39 ± 29.98	1.87 ± 1.72	51.66 ± 48.59	1.43 ± 0.32	4.58 ± 5.04	2.17 ± 2.82
2011, ноябрь	49.83 ± 29.40	2.96 ± 2.43	77.95 ± 50.04	1.21 ± 0.18	7.29 ± 5.55	3.78 ± 7.39
2011, декабрь	38.49 ± 19.27	2.67 ± 2.25	73.27 ± 40.41	1.23 ± 0.13	7.11 ± 4.50	3.88 ± 2.96
2012, январь	53.72 ± 17.60	3.07 ± 1.98	102.85 ± 38.73	1.18 ± 0.09	10.32 ± 4.58	5.87 ± 3.43
2012, февраль	35.52 ± 19.06	2.16 ± 1.70	55.70 ± 32.35	1.36 ± 0.23	5.19 ± 3.31	3.07 ± 2.14
2012, март	31.14 ± 19.23	1.43 ± 1.27	35.22 ± 21.97	1.40 ± 0.26	3.04 ± 2.00	1.82 ± 1.34
2012, апрель	32.35 ± 16.45	1.56 ± 1.05	29.54 ± 20.34	1.51 ± 0.35	2.51 ± 1.80	1.95 ± 1.81
2012, июль	21.98 ± 18.85	1.01 ± 1.18	5.57 ± 18.86	2.10 ± 0.59	0.51 ± 1.69	0.61 ± 2.58
2012, август	35.31 ± 29.63	1.19 ± 1.14	11.78 ± 16.35	1.96 ± 0.64	1.07 ± 1.60	2.28 ± 4.20
2012, сентябрь	25.02 ± 25.81	1.01 ± 0.84	68.18 ± 71.33	1.90 ± 0.85	8.74 ± 9.80	8.20 ± 9.37
2012, октябрь	15.39 ± 13.03	1.26 ± 1.22
2012, ноябрь	32.37 ± 31.35	1.96 ± 1.88	22.19 ± 14.03	0.98 ± 0.17	1.81 ± 1.23	0.54 ± 0.41
2012, декабрь	32.02 ± 17.24	2.12 ± 1.62	42.93 ± 24.26	1.00 ± 0.11	3.82 ± 2.34	1.40 ± 0.99

Список литературы

1. , , Бубновский высотного распределения аэрозоля во время прохождения пылевых бурь над заливом Петра Великого в 2006 г. и их воздействие на фитопланктонные сообщества Японского моря // Оптика атмосферы и океана, том 20, 2007, № 04, стр.341-348

2. , , Шмаргунов анализ микрофизических характеристик аэрозоля в морских и прибрежных районах Приморья // Оптика атмосферы и океана, том 24, 2011, № 06, стр.538-546