Новые технологии и методы прогнозирования качества воздуха Кузнецова И. Н., Зарипов Р.Б., Нахаев М.И., Коновалов И.Б., Звягинцев А.М., Семутникова Е.Г. ФГБУ«Гидрометцентр России», Москва ФГБУН Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород ФГБУ Центральная аэрологическая обсерватория, Долгопрудный ГПБУ Мосэкомониторинг, Москва

Часть 1. Развитие системы численного моделирования загрязнения приземного воздуха Одной из главных задач мониторинга состояния атмосферы является предсказание опасных для окружающей среды явлений - и экстремальных величин, и резких изменений: морозы и жара, ливни и шквалы, перепады давления и температуры. Быстрое развитие МА: ММ5, WRF, COSMO… За рубежом – особое внимание эпизодам загрязнения (air pollution, aerozol, ozone). И в наших исследования они являются важным объектом с позиций изучения условий их формирования и возможности заблаговременного предсказания. Мониторинг качества окружающей среды за рубежом принятие законов о качестве воздуха стимулировало быстрое развитие ХТМ на фоне стремительно растущей сети автоматизированного контроля. Сегодня – международная кооперация, свободно распространяемые ХТМ – портал химической погоды в Европе У нас отставание техническое, следовательно, и методологическое.

Типовой суточный ход концентраций СО на городских станциях Москвы при НМУ (4 срока Росгидромета) расширенный список загрязняющих веществ, в т.ч. рекомендованные ВОЗ (Озон, РМ 10 ) Полнота оценки состояния окружающей среды зависит от технических средств мониторинга, которые во многом определяют развитие средств прогнозирования. Для создания зарубежных аналогов в Московском регионе наиболее благоприятные условия : сеть АСЗКА «Мосэкомониторинг». Рис…. (суточные максимумы)

Повторяемость эпизодов концентраций О 3 выше ПДК м.р. (160 мкг м -3 ) в Московском регионе год Кол-во эпизодов Кол-во дней О 3 мах МоскваИФА РАНЗеленоградЗвенигород (5)20(35) (3)2(7)

Озоновые Эпизоды 2012 г: 22.05, 8.07 и «Мосэкомониторинг»

Аэрозольное загрязнение (PM 10 ) теплый сезон 2012 : Москва 5-6 эпизодов

НМУ и эпизоды РМ 10. Пыльца.

Загрязнение атмосферы продуктами горения биомассы (в ед. ПДК). Лето 2010 г. Москва Самые высокие уровни загрязнения в городе - при адвекции продуктов горения, в т.ч., продуктов фотохимических реакций – более токсичных, чем эмиссии природных пожаров

2 августа MODIS Н.Н М Жители больших городов при пожарах Жители больших городов при пожарах испытывали более сильное негативное воздействие за счет аккумулятивного эффекта и более интенсивного перемешивания в городском АПС

Весенний эпизод в Европе и Арктике. Май 2006 г. Сжигание стерни на С-З России. Антициклон. Перенос ЗВ на 1000 км. На Шпицбергене О 3 около 160 мкг м-3

Зарубежный аналог: комплексы МА-ХТМ в Гидрометцентре России Современные средства прогнозирования качества воздуха за рубежом – ХТМ В Гидрометцентре НИР Росгидромета совместно с ИПФ (Н.Новгород) создается технология прогноза концентраций ЗВ : WRF-CHIMERE (открытый доступ) и COSMO-ART WRF-CHIMERE. Подход, где МА обеспечивает детальной метеорологической информацией Эйлерову химико-транспортную модель, которая рассчитывает прогностические поля концентрации загрязняющих веществ. CHIMERE (Франция). блоки газофазных реакций: MELCHIOR 1 (~80 веществ, >300 реакций) Аэрозоли разделяются на 8 градаций по размерам. Биогенные эмиссии рассчитываются по данным о свойствах поверхности и погоде. Антропогенные эмиссии рассчитываются по данным инвентаризации EMEP 2005 года с разрешением 0.5х0.5. Пространственное разрешение ~10 km. COSMO-ART (Германия+Россия) - комплексная модель, одновременно рассчитывающую и состояние атмосферы, и поля концентраций ЗВ

Прогноз CHIMERE: О 3 и СО (на 8 ч утра 1,2 и ) О 3 мах 2.06 и в шлейфах ЗВ предшественников - НМУ-оз СО (на 8 ч утра 1, 2 и )

Прогноз ХТМ: индекс качества воздуха (AQI) Расчет концентраций ЗВ на каждый час суток с заблаговременностью до 72 ч позволяет рассчитывать различные показатели качества воздуха, в т.ч. интегральные: 8-ми часовые скользящие, AQI, ИЗА.

Тестирование ХТМ CHIMERE и COSMO-ART на данных автоматизированной сети Москвы (5 ЗВ) Разработана система оценки успешности модельного прогноза концентраций ЗВ. Тестирование на данных в пунктах АСКЗА Москвы показало: -систематические модельные погрешности по разным веществам ; -неустойчивость результатов по станциям, веществам при высокой неоднородности полей загрязнения в городе; -необходимость разработки методов интерпретации модельных прогнозов для оперативного использования (статкоррекция); -дифференцированный подход: погрешности в диапазоне низких уровней и в эпизодах загрязнения

Средние показатели успешности модельного прогноза концентрации ЗВ. Январь 2011 г. СО NO2 (+) (+) (-) (-)

Средние показатели успешности модельного прогноза концентрации ЗВ. ИЮЛЬ 2011 СО NO2 О3О3О3О3 (-) (-) (+) (+) (+) (+)

Временной ход NO 2 и CO: наблюдения, модельный прогноз. Январь 2011 г.

Временной ход NO2: наблюдения, модельный прогноз. Июль 2011 г. Общее завышение на низком фоне NO2

Временной ход максимального за сутки Oз : наблюдения, модельный прогноз. Июль 2011 г. Занижение COSMO Небольшое завышение CHIMERE

Временной ход мелких взвешенных частиц (РМ10): наблюдения, модельный прогноз. Июль 2011 г. ХТМ занижают СО, РМ10, NO, завышают O3 и NO2. ХТМ – инструмент восстановления полей концентраций в районах с отсутствием наблюдений за к-л ЗВ. Городское моделирование: - разрешение до 1-2 км. Нерешенная задача. Погрешность расчетов, их снижение - важный этап работ на «экспериментальном» Московском регионе.

ХТМ- инструмент оценки влияния на локальное загрязнение удаленных источников в региональном и трансграничном масштабе. Средняя суточная концентрация РМ 10 (мкг м -3 ) в Хабаровске с учетом переноса аэрозоля из Китая (красная линия) и без учета (синяя линия). Внизу- макс. О 3 Трансграничный перенос антропогенных загрязнений на юг Хабаровского края: эпизоды многократного увеличения концентрации PM 10, а также более редкие выраженные возмущения концентраций O 3. Обусловливающие эпизоды синоптические условия: в основном теплый сектор циклона

Часть 2. Технология краткосрочного прогноза ОСО и УФИ на территории России Мониторинг ОСО и УФР на сети Росгидромета. Редкая сеть наблюдений – около 15 станций измерений УФР с устаревшей аппаратурой М-124 Весна 2011 г: аномалии ОСО с дефицитом до 35-40%. Летние аномалии с дефицитом ОСО (стационарный антициклон, вынос субтропического воздуха), в зависимости от облачности - повышенная УФ- облученность даже в умеренных широтах страны. ( Невостребованный озоново- ультрафиолетовый продукт - один из показателей качества окружающей среды ) Краткосрочный прогноз ультрафиолетовой облученности (УФ - индекса) на территории России в теплый сезон разрабатывается совместно с ЦАО, тестирование методических прогнозов проводится на данных озонометрической сети Росгидромета с участием ГГО. Но….

УФИ Москва (МО МГУ), июнь-август 2012 г. УФИ 6-7 –высокий, 8 и больше -очень высокий. Требуется защита Летом 2012 в мегаполисе УФИ> дней, УФИ 6 (высокий уровень УФР) 16 дней

Прогноз УФ-индекса В планах: Прогноз облачности COSMO Дневной ход УФИ в пунктах Прогноз УФИ на 4 июля (слева) на 27 сентября (внизу) 2012

В заключении ЭПИЗОДЫ ухудшения качества воздуха продолжительные по времени при значительном охвате территории имеют сезонные особенности: с мая по август чаще формируются эпизоды высокого УФ-облучения и озонового загрязнения, в зимнее время – эпизоды с высокими концентрациями оксидов азота и СО, весной -аэрозольного загрязнения. Создаваемые вычислительные технологии с использованием современных численных МА и ХТМ нацелены на предсказание эпизодов, представляющих угрозу для здоровья населения и окружающей среды, для заблаговременного предупреждения опасного события. Экспериментальные расчеты полей концентраций ЗВ для центральных областей ЕТР и УФИ для территории России – на сайте Гидрометцентра России.