ОЦЕНКИ ТЕНДЕНЦИЙ ДАЛЬНЕГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ РЕГИОНОВ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ В ХХI В.
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Научные исследования в Арктике
DOI: 10.25283/2223-4594-2017-4-59-71
УДК 551.51+504.3.054
ОЦЕНКИ ТЕНДЕНЦИЙ ДАЛЬНЕГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
АТМОСФЕРЫ РЕГИОНОВ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ В ХХI В.
А. А. Макоско
Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН,
Межведомственный центр аналитических исследований в области физики, химии и биологии при
Президиуме РАН (Москва, Российская Федерация)
А. В. Матешева
Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН (Москва, Российская Федерация)
Статья поступила в редакцию 13 сентября 2017 г.
Исследованы особенности динамики дальнего загрязнения регионов Арктической зоны Российской
Федерации (АЗРФ) в современных условиях, в ближайшей и отдаленной перспективе с учетом изменяю-
щегося климата.
Сформулирован методический подход к оценке тенденций дальнего загрязнения атмосферы для задан-
ных экологически значимых зон с учетом прогнозируемых климатических изменений. Разработана ма-
тематическая модель, реализующая данный подход, и выполнены расчеты введенных зонального и ме-
ридионального индексов загрязнения, характеризующих количество переносимой примеси в зональном
и меридиональном направлениях, для января, апреля, июля, октября и года за 1980—2050 гг.
Результаты расчетов указывают в целом на вполне определенные тенденции дальнего загрязнения ат-
мосферы: на некоторое усиление в 2020—2050 гг. по сравнению с 1980—2015 гг. вклада западно-восточ-
ного переноса примеси в загрязнение атмосферы над Кольским полуостровом и полуостровом Таймыр.
Эти результаты важны для разработки предложений по обеспечению экологической безопасности АЗРФ
и планированию экономического развития территорий страны, влияющих на загрязнение атмосферы
арктических регионов. В частности, повышается актуальность контроля трансграничного загрязнения
атмосферы со стороны ближайших стран Европы.
Ключевые слова: АЗРФ, загрязнение атмосферы, дальний перенос примесей, уравнение переноса примеси, сопря-
женное уравнение, индексы загрязнения, климатические изменения.
Введение антропогенное происхождение (продукты химиче-
В последние десятилетия загрязнение Арктики за- ской промышленности, сгорания топлива, транспор-
трагивает не только местные экосистемы, но и спо- та, сельского хозяйства). Благодаря низкой летуче-
собствует климатическим изменениям, которые сти, высокой устойчивости и биоаккумуляции эти
значительно опережают планетарные по скорости. загрязнители переносятся на тысячи километров
Вследствие этого постоянно растет интерес к при- от источника (дальний перенос) и накапливаются
месям, которые могут играть важную роль как в за- в тканях растений и всех живых организмов, созда-
грязнении арктической зоны, так и в нарушении ра- вая риск здоровью человека [4—6].
диационного баланса «атмосфера — подстилающая Дальний перенос атмосферных примесей в Аркти-
поверхность» (см., например, [1—3]). ческую зону Российской Федерации (АЗРФ) происхо-
При поступлении тяжелых металлов, сульфатных дит из урбанизированных и промышленных районов,
аэрозолей, сажи серьезную антропогенную нагруз- районов природных пожаров и газо/нефтедобычи
ку испытывают арктические экосистемы. Особую России и ближайших стран Европы. Активизация ме-
опасность представляет загрязнение стойкими ридионального переноса воздушных масс из-за из-
органическими загрязнителями, которые имеют менения общей циркуляции атмосферы вследствие
наблюдаемых изменений климата может привести
© Макоско А. А., Матешева А. В., 2017 к заметному изменению количества поступающих
59
Научные исследования в Арктике
загрязняющих веществ и областей, влияющих при Методический подход к оценке тенденций
дальнем загрязнении АЗРФ. В этой связи большой дальнего загрязнения атмосферы
интерес вызывают оценки вкладов и тенденций с учетом климатических изменений
дальнего загрязнения атмосферы Арктической зоны. Рассмотрим перенос общего содержания примеси
Результаты таких оценок имеют высокую научную в тропосфере в пределах 0 ≤ z ≤ H, где H — высо-
и практическую значимость при планировании раз- та тропопаузы. Пусть перенос примеси происходит
вития экономических территорий страны и обеспе- со скоростью, характеризующей средний перенос
чении экологической безопасности АЗРФ. Особен- в тропосфере. Для определенности будем считать,
ную актуальность эти оценки приобретают в свете что это скорость движения воздуха на поверхности
укрепления позиций России и освоения Арктики, что 500 гПа. Отметим также, что обобщение данного
определено п. 15(ж) «Стратегии научно-технологи- методического подхода на трехмерный случай осу-
ческого развития Российской Федерации» как один ществляется тривиально.
из больших вызовов. Для дальнего переноса особый интерес представ-
Дальнее загрязнение атмосферы изучается ляют примеси с малыми скоростями седиментации,
на основе математического моделирования гло- которые значительное время находятся во взве-
бально-регионального распространения примесей шенном состоянии и переносятся с воздушными
в атмосфере [7; 8], имеющих малые скорости седи- массами. В этом случае для примесей применимы
ментации и вследствие этого значительное время положения теории турбулентности, используемые
находящихся во взвешенном состоянии и перено- в моделях общей циркуляции для описания турбу-
симых воздушными массами на большие расстоя- лентного обмена температуры и влажности [8].
ния, с помощью уравнения переноса примесей, учи- Пусть q = ∑qi (λ, ψ, t) — интегральная интенсив-
тывающего турбулентный обмен и взаимодействие ность невесомой (седиментация отсутствует) при-
примесей с окружающей средой и подстилающей меси (концентрация), мигрирующей вместе с пото-
поверхностью. ком воздуха в атмосфере над областью Ω(λ, ψ), где
Следует отметить, что решение задачи дальне- λ, ψ — долгота и коширота сферической системы
го загрязнения атмосферы может быть получено координат; t — время. С достаточной точностью
по крайней мере двумя способами [7; 8]. Первый трансграничный перенос в средней атмосфере будет
состоит в многократном решении уравнения пере- описываться двумерным уравнением [7; 8]
носа примеси с источниками различной интенсив-
ности и различным местоположением. Второй спо-
соб основан на использовании однократного ре-
шения сопряженной задачи, с помощью которого
Научные исследования
можно оценить степень потенциальной опасности (1)
загрязнения атмосферы в заданной зоне от всех
источников, расположенных в области решения за-
в Арктике
дачи, при заданных сценариях метеорологического
режима атмосферы. где u, v — составляющие скорости ветра по долго-
Закономерности дальнего распространения при- те и кошироте соответственно; a — средний радиус
месей в свободной атмосфере изучены фрагментар- Земли, µ — коэффициент горизонтального турбу-
но. В 80-х годах прошлого столетия был выполнен лентного обмена; σ ≥ 0 — параметр, обратный вели-
значительный цикл работ, посвященных распро- чине интервала времени, за который интенсивность
странению примесей при так называемой ядерной примеси по сравнению с начальной уменьшится в e
зиме [9—11]. Моделирование глобального переноса раз, и характеризующий степень поглощения при-
атмосферной примеси на основе сопряженных урав- меси каплями тумана, ее химические превращения,
нений изучалось в [12]. Сопряженные уравнения радиоактивный распад и др.; I — интенсивность
были использованы для исследования влияния гло- источников.
бального загрязнения на всю Арктическую зону [7; В дальнейшем будем рассматривать ситуации,
8]. Однако вопросы динамики дальнего загрязнения когда концентрация всех примесей в среде удовлет-
регионов АЗРФ в условиях изменяющегося климата воряет соотношению , где ρ — плотность
не рассматривались. чистой среды. Это означает, что движение среды
Цель настоящей работы состоит в изучении на можно описывать как движение однофазной жид-
основе математического моделирования особенно- кости [8].
стей динамики дальнего загрязнения регионов АЗРФ Закон сохранения массы атмосферы с достаточ-
в современных условиях, в ближайшей и отдаленной ной точностью для данной постановки задачи выра-
перспективе с учетом изменяющегося климата для жается двумерным уравнением неразрывности
разработки предложений по обеспечению экологи-
ческой безопасности АЗРФ и по планированию эко-
номического развития территорий страны, влияющих
на загрязнение атмосферы арктических регионов.
60 Арктика: экология и экономика № 4 (28), 2017
Оценки тенденций дальнего загрязнения атмосферы регионов российской Арктики в ХХI в.
Уравнение (1) рассматривается на сфере (по- в точке . Количественное выражение этого
лусфере северного полушария) с начальными эффекта таково:
условиями
q = q0 при t = t0. (2) (5)
При решении поставленной задачи фоновое за-
грязнение атмосферы не представляет интереса. Положим I = const (для удобства записи ниже бу-
Поэтому далее полагается, что q0 = 0. дем считать I = 1), тогда функционал (5) будет харак-
Задача (1), (2) рассматривается на интервале вре- теризовать загрязнение атмосферы только вслед-
мени t ∈ [0, T]. ствие влияния погодно-климатических процессов,
На основе тождества Лагранжа [7] задаче (1), что и требуется для достижения цели работы. В этом
(2) можно поставить в соответствие сопряженную случае выражение (5) примет вид
задачу
(6)
(3) где λз, λв, ψю, ψс — соответственно западная, вос-
точная, южная и северная границы области Ω.
Расчеты по переносу примесей обычно проводят-
ся на длительные сроки. Информация о поле ско-
рости ветра и других метеовеличин, как правило,
q* = 0 при t = Т. задается на основе фактического материала на-
блюдений либо на основе результатов численного
Функция р характеризует экологически значимые моделирования, в том числе с учетом климатиче-
зоны G (G ∈ Ω), а q* есть сопряженная функция 1. ских изменений.
Если в качестве основного рассматривать функ Тогда анализ изменений во времени поля
ционал Q позволяет оценивать тенденции дальнего
загрязнения атмосферы заданного региона
в условиях изменяющегося климата.
Однако для объективизации и количественной
характеристики динамики загрязнения атмосферы
целесообразно ввести индексы, характеризующие
то из тождества Лагранжа следует двойственная количество переносимой примеси в широтном или
форма этого функционала [7] меридиональном направлениях. В качестве аналога
удобно использовать подход А. Л. Каца к введению
индексов циркуляции атмосферы [13].
(4) Обозначим координаты центра области G через
(λ0, ψ0), при этом λз ≤ λ0 ≤ λв, ψю ≤ ψ0 ≤ ψс, и рассмо-
Выбирая различные функции p, можно получить трим интегралы (индексы)
различные функционалы и соответствующие сопря-
женные уравнения. Выберем
(7)
где
В этом случае функционал будет характеризовать Безразмерный индекс Мз (–1 ≤ Мз ≤ 1), который
интегральный по G эффект загрязнения атмосфе- целесообразно назвать зональным индексом за-
ры при условии, что источник выбросов находится грязнения, показывает, в какой мере западно-вос-
точный (при Мз > 0) или восточно-западный (при
Мз < 0) перенос примеси влияет на загрязнение
1
Сопряженная функция является весовой функцией, опреде-
ляющей вклад каждого источника загрязнения I и начально-
экологически значимой зоны G. Аналогично индекс
го состояния функции q* в величину загрязнения атмосферы Мм (–1 ≤ Мм ≤ 1) показывает, в какой мере южный
в зоне G [7]. По значениям функции q* можно районировать (при Мм > 0) или северный (при Мм < 0) перенос при-
область Ω × [0, T], выделяя опасные зоны по отношению к за- меси влияет на загрязнение зоны G. Этот индекс
грязнению атмосферы в G.
61Научные исследования в Арктике
соответственно следует называть меридиональным поглощение каплями тумана и осадков, радиоак-
индексом загрязнения. тивный распад. Учет этих процессов осуществляет-
Высокому значению индекса Мз не обязательно ся неявно.
соответствует малый индекс Мм. В определенные Главными особенностями дифференциального
периоды и сезоны имеет место усиление или осла- уравнения в (3) является то, что оно описывает су-
бление одновременно обоих индексов. щественно положительные функции, имеющие боль-
Наконец, для наглядности удобно использовать шие пространственные градиенты. Для численного
еще один индекс, количественно характеризующий его решения согласно [15] осуществлялось нелиней-
направление, откуда идет загрязнение экологиче- ное преобразование: вводилась знакопеременная
ски значимой зоны G, функция В этом случае отсутствует необ-
ходимость применения монотонных численных схем
для решения уравнения (1).
(8) Для его конечно-разностного представления ис-
пользовалась схема второго порядка точности по
горизонтальным координатам и по времени на ос-
Таким образом, для оценки тенденций дальнего нове двуциклического метода расщепления [7]. Ре-
загрязнения атмосферы с учетом климатических из- шение полученных одномерных уравнений по гори-
менений необходимо: зонтальным координатам осуществлялось методом
1. Получить поля сопряженной функции q* для факторизации для трехточечных уравнений [16]: по
заданных моментов времени и заданной зоны G λ циклической прогонкой (по кругу широты), а по
путем решения сопряженной задачи (3) с фактиче- ψ — обычной прогонкой с однородными граничны-
скими или прогностическими полями метеовеличин. ми условиями на экваторе.
В частности, для учета прогнозируемых климатиче- Горизонтальный коэффициент турбулентности
ских изменений могут быть использованы поля ме- определяется аналогично [8].
теовеличин, полученные в рамках численного моде- Поля ветра и других метеовеличин при расчетах
лирования атмосферы по сценариям антропогенно- берутся либо из реанализов, либо из результатов
го воздействия, рекомендованным Межправитель- сценарных расчетов изменения климата. Это обе-
ственной группой экспертов по изменению климата. спечивает возможность оценки тенденций дальнего
2. Выполнить расчеты с помощью выражения (6) загрязнения атмосферы в условиях изменяющегося
и визуализировать поля Q. В силу существенного климата.
субъективизма визуализация не является обяза-
тельной, но позволяет наглядно представить осо- Результаты расчетов и их анализ
Научные исследования
бенности дальнего загрязнения атмосферы. На рис. 1 и 2 приведены поля Q с 1980 по 2050 гг.
3. Выполнить расчеты с помощью выражений (7) с шагом 5 лет для двух экологически значимых зон
и проанализировать полученные значения индексов G: региона Кольский полуостров и региона полу-
в Арктике
Мз и Мм. Их динамика полностью будет характери- остров Таймыр. В качестве необходимых полей ме-
зовать тенденции дальнего загрязнения атмосферы теовеличин использовались данные реанализов для
над областью Ω при выборе G в качестве экологи- периодов 1980—1995 гг. [17] и 2000—2015 гг. [18]
чески заданной зоны. Для наглядности удобно поль- и данные расчетов по климатической модели Ин-
зоваться индексом (8). ститута вычислительной математики им. Г. И. Мар-
чука РАН [19] для периода 2020—2050 гг. (самый
Численная модель, реализующая «жесткий» сценарий RCP8.5). Область загрязнения
решение сопряженной задачи на приведенных картах выделена оттенками крас-
Для практического применения предложенного ного цвета и определена как область значений, где
методического подхода необходима численная мо- Q ≥ 0,1Qmax; Qmax — максимальное значение анали-
дель расчета полей сопряженных функций. зируемого поля Q.
Описание некоторых вариантов численной моде- Анализ изменений конфигурации полей Q на про-
ли, реализующей решение сопряженной задачи (3) тяжении месяцев и лет свидетельствует об их весь-
в трехмерной постановке, дано в работах [4; 14]. По- ма сложной динамике. В отдельные годы и сезоны
этому ниже отметим только некоторые особенности наблюдаются существенные вариации в располо-
ее построения. жении полей Q, в которых сложно выявить законо-
Областью решения задачи является Северное по- мерности. В целом визуальный анализ не позволяет
лушарие. Сеточная область численной модели со- оценить тенденции дальнего загрязнения атмосфе-
ставляет 90×360 узлов. Шаг сетки модели — 1°. ры заданных зон.
В дифференциальном уравнении в задаче (3) На рис. 3 и 4 приведена соответственно межго-
отсутствует учет недиагональных членов тензо- довая и внутригодовая динамика индексов Мз и Мм
ра турбулентной диффузии вследствие их край- для региона Кольский полуостров. Обращает на
не слабой изученности. Не учитываются в явном себя внимание уменьшение экстремальных значе-
виде также фотохимические процессы, коагуляция, ний обоих индексов в 2020—2050 гг. по сравнению
62 Арктика: экология и экономика № 4 (28), 2017Оценки тенденций дальнего загрязнения атмосферы регионов российской Арктики в ХХI в.
Рис. 1. Поля Q для экологически значимой зоны — Кольский полуостров
63Научные исследования в Арктике
Научные исследования
в Арктике
Рис. 2. Поля Q для экологически значимой зоны — полуостров Таймыр
64 Арктика: экология и экономика № 4 (28), 2017Оценки тенденций дальнего загрязнения атмосферы регионов российской Арктики в ХХI в.
0,7 0,7
0,5 0,5
0,3 0,3
0,1 0,1
-0,1 -0,1
-0,3 -0,3
-0,5 -0,5
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
январь апрель январь апрель год
июль октябрь июль октябрь тренд (год)
0,45
0,4 0,4
0,35
0,3 0,3
0,25
0,2 0,2
0,15
0,1 0,1
0,05
0 0
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
январь апрель январь апрель
июль октябрь июль октябрь
Рис. 3. Межгодовая динамика индексов Мз (вверху) и Мм (внизу) в 1980—2015 гг. (слева) и в 2020—2050 гг. (справа) для
региона Кольский полуостров
с периодом 1980—2015 гг. для всех месяцев (осо- В 2020—2050 гг. годовой тренд индекса Мз прак-
бенно для января и октября) и годового хода. тически не меняется и находится на уровне 0,3, что
В отдельные годы периода 1980—2015 гг. на- свидетельствует о неизменности вклада западно-
блюдались отрицательные значения индекса Мз. Это восточного переноса примеси в загрязнение атмос-
особенно ярко видно в 2005 г., что свидетельствует феры над Кольским полуостровом. Годовой тренд
о доминировании вклада восточно-западного пере- индекса Мм уменьшается с примерно 0,21 до 0,16,
носа примеси в загрязнение атмосферы над Коль- что указывает на ослабление южного переноса
ским полуостровом. Значения индекса Мм положи- примеси.
тельны на протяжении всего исследуемого периода В целом следует вывод, что в 1980—2015 гг. гос
1980—2050 гг. подствующий вклад в загрязнение атмосферы над
В 1980—2015 гг. годовой тренд индекса Мз умень- Кольским полуостровом вносили существенно ос-
шился с примерно 0,26 до 0,04, что свидетельствует лабевающий западно-восточный и практически не-
об ослаблении вклада западно-восточного перено- изменный южный переносы примеси. Иначе говоря,
са примеси в загрязнение атмосферы над Кольским происходило постепенное смещение влияющего
полуостровом. При этом годовой тренд индекса Мм направления загрязнения к югу. Особенно замет-
не менялся, что указывает на постоянство в целом но это наблюдалось в июле (см. рис. 4). Данное об-
южного переноса примеси. стоятельство может быть объяснено активизацией
65Научные исследования в Арктике
0,5 0,5
0,4 0,4
0,3 0,3
0,2 0,2
0,1 0,1
0 0
январь апрель июль октябрь январь апрель июль октябрь
1980-2015 2020-2050 1980-2015 2020-2050
Рис. 4. Внутригодовая динамика индексов Мз (слева) и Мм (справа) в 1980—2015 гг.
и в 2020—2050 гг. для региона Кольский полуостров
меридионального переноса воздушных масс из-за ослабевающий южный перенос примеси. Иначе го-
изменения общей циркуляции атмосферы вслед- воря, произошло некоторое смещение влияющего
ствие наблюдаемых климатических изменений. направления загрязнения к западу. Особенно за-
Однако в 2020—2050 гг. в силу ослабления юж- метно это наблюдалось в октябре (см. рис. 6).
ного переноса примеси и неизменности годового В 2020—2050 гг. в силу неизменности южно-
тренда индекса Мз следует ожидать усиления вкла- го переноса примеси и слабого усиления годового
да западно-восточного переноса примеси в загряз- тренда индекса Мз следует ожидать небольшого
нение атмосферы над Кольским полуостровом (по усиления вклада западно-восточного переноса при-
крайней мере для используемого сценария клима- меси в загрязнение атмосферы над полуостровом
тических изменений RCP8.5). Особенно заметна эта Таймыр. Особенно заметна эта тенденция будет
тенденция будет в январе и апреле (см. рис. 4). в январе, апреле и октябре (см. рис. 6).
На рис. 5 и 6 приведена соответственно межгодо- Интегрально тенденции дальнего загрязнения
вая и внутригодовая динамика индексов Мз и Мм для атмосферы представлены на рис. 7, на котором по-
Научные исследования
региона полуостров Таймыр. казано изменение индекса М с 1980 по 2050 гг. для
Здесь уменьшение экстремальных значений обоих двух исследуемых зон Арктики. Видно, что с 1980 по
индексов в 2020—2050 гг. по сравнению с перио- 2015 гг. их загрязнение происходило с ЮЗ-ЮЮЗ на-
в Арктике
дом 1980—2015 гг. выражено слабее по сравнению правлений 2, а с 2020 по 2050 гг. — с ЮЗЗ-ЮЗ на-
с Кольским полуостровом. правлений, что свидетельствует о некотором усиле-
В отдельные годы периода 1980—2015 гг. на- нии вклада западно-восточного переноса примеси
блюдались значения индекса Мз, близкие к нулю. в загрязнение атмосферы над Кольским полуостро-
Что касается значений индекса Мм, то они положи- вом и полуостровом Таймыр.
тельны на протяжении всего исследуемого периода Таким образом, полученные результаты указы-
1980—2050 гг., как и для Кольского полуострова. вают на вполне определенные тенденции даль-
В 1980—2015 гг. годовой тренд индекса Мз не- него загрязнения атмосферы двух исключительно
значительно увеличился, что свидетельствует о сла- важных зон Арктической зоны Российской Феде-
бом увеличении вклада западно-восточного пере- рации в 2020—2050 гг. в условиях изменяющегося
носа примеси в загрязнение атмосферы над полу- климата.
островом Таймыр. При этом годовой тренд индекса К сожалению, авторам неизвестны результаты
Мм незначительно уменьшился, что указывает на аналогичных расчетов других исследователей. Это
ослабление южного переноса примеси. обстоятельство не позволяет провести верифика-
В 2020—2050 гг. годовой тренд индекса Мз не- цию результатов выполненных расчетов.
сколько увеличивается, что свидетельствуя о сла-
бом усилении вклада западно-восточного пере-
носа примеси в загрязнение атмосферы над полу-
островом Таймыр. Годовой тренд индекса Мм не
2
2005 г. стал экстремально теплым в России. Циркуляция
изменяется. воздуха в средней тропосфере характеризовалась ослаб
ленной зональной составляющей при усиленной мериди-
В целом следует вывод, что в 1980—2015 гг. ональной составляющей (http://www.meteoinfo.ru/climate/
господствующий вклад в загрязнение атмосфе- climat‑tabl3/climate-analysis-2005-all). Ввиду этого обстоя-
ры над полуостровом Таймыр вносил несколько тельства загрязнение Кольского полуострова в 2005 г. проис-
усиливающийся западно-восточный и несколько ходило преимущественно с ЮВ направления.
66 Арктика: экология и экономика № 4 (28), 2017Оценки тенденций дальнего загрязнения атмосферы регионов российской Арктики в ХХI в.
0,6 0,6
0,5 0,5
0,4 0,4
0,3 0,3
0,2 0,2
0,1 0,1
0 0
-0,1 -0,1
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
январь апрель январь апрель год
июль октябрь июль октябрь тренд (год)
0,5 0,5
0,45 0,45
0,4 0,4
0,35 0,35
0,3 0,3
0,25 0,25
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
январь апрель январь апрель
июль октябрь июль октябрь
Рис. 5. Межгодовая динамика индексов Мз (вверху) и Мм (внизу) в 1980—2015 гг. (слева)
и в 2020—2050 гг. (справа) для региона полуостров Таймыр
0,45 0,45
0,4 0,4
0,35 0,35
0,3 0,3
0,25 0,25
0,2 0,2
0,15 0,15
0,1 0,1
январь апрель июль октябрь январь апрель июль октябрь
1980-2015 2020-2050 1980-2015 2020-2050
Рис. 6. Внутригодовая динамика индексов Мз (слева) и Мм (справа) в 1980—2015 гг.
и в 2020—2050 гг. для региона полуостров Таймыр
67Научные исследования в Арктике
Рис. 7. Изменение индекса М
Заключение Методическая значимость результатов работы
В результате выполненных исследований сформу- заключается в возможности широкого использова-
лирован методический подход к оценке тенденций ния предложенного подхода и введенных индексов
дальнего загрязнения атмосферы для заданных загрязнения для оценки экологической опасности
экологически значимых зон с учетом прогнозируе- загрязнения атмосферы заданных регионов.
Научные исследования
мых климатических изменений.
Разработана математическая модель, реализу- Работа выполнена с учетом перспективных планов
ющая данный подход, и выполнены расчеты вве- фундаментальных научных исследований в Арктике
в Арктике
денных зонального и меридионального индексов [20] при поддержке программы фундаментальных
загрязнения, характеризующих количество пере- исследований Президиума РАН «Поисковые фунда-
носимой примеси в зональном и меридиональном ментальные научные исследования в интересах раз-
направлениях, для января, апреля, июля, октября вития Арктической зоны Российской Федерации».
и года за 1980—2050 гг.
Полученные результаты расчетов указывают в це- Литература
лом на вполне определенные тенденции дальнего 1. Виноградова А. А., Веремейчик А. О. Модельные
загрязнения атмосферы: на некоторое усиление оценки содержания антропогенной сажи (black
в 2020—2050 гг. по сравнению с 1980—2015 гг. carbon) в атмосфере Российской Арктики // Оптика
вклада западно-восточного переноса примеси в за- атмосферы и океана. — 2013. — Т. 26. — С. 443—451.
грязнение атмосферы над Кольским полуостровом 2. Виноградова А. А. Тенденции изменения источни-
и полуостровом Таймыр. Эти результаты важны для ков и стоков антропогенных тяжелых металлов в ат-
разработки предложений по обеспечению экологи- мосфере Арктики на рубеже ХХ и XXI веков // Метео-
ческой безопасности АЗРФ и планированию эконо- рологические и геофизические исследования. — М.:
мического развития территорий страны, влияющих Paulsen, 2011. — С. 215—234.
на загрязнение атмосферы арктических регионов. 3. Еланский Н. Ф., Беликов И. Б., Березина Е. В. и др.
В частности, повышается актуальность контроля Состав атмосферы над Северной Евразией: экспери-
трансграничного загрязнения атмосферы со сторо- менты TROICA. — М.: Агроспас, 2009. — 81 с.
ны ближайших стран Европы. Кроме того, требуется 4. Макоско А. А., Матешева А. В. Долгосрочный
определенная осторожность при планировании на прогноз риска для здоровья вследствие техноген-
территории страны размещения новых промышлен- ного и биогенного загрязнения атмосферы в усло-
ных объектов, выбрасывающих в атмосферу загряз- виях изменяющегося климата // Здоровье населе-
няющие вещества. ния России: влияние окружающей среды в условиях
68 Арктика: экология и экономика № 4 (28), 2017Оценки тенденций дальнего загрязнения атмосферы регионов российской Арктики в ХХI в.
изменяющегося климата / Под общ. ред. А. И. Григо- 13. Кац А. Л. Сезонные изменения общей циркуляции
рьева. — М.: Наука, 2014. — С. 251—267. атмосферы и долгосрочные прогнозы. — Л.: ГИМИЗ,
5. Макоско А. А., Матешева А. В. О долгосрочном 1960. — 270 с.
прогнозе рисков заболеваний населения от химиче- 14. Макоско А. А., Матешева А. В. Опыт идентифи-
ского загрязнения атмосферы // Рос. хим. журн. — кации источников химического загрязнения атмос-
2006. — Т. 50, № 5. — С. 48—54. феры в Московском регионе // Рос. хим. журн. —
6. Матешева А. В. О возмещении ущерба здо- 2016. — Т. 60, № 3. — С. 113—120.
ровью населения в городах Арктической зоны 15. Марчук Г. И., Дымников В. П., Залесный В. Б. Мате-
Российской Федерации от загрязнения атмос- матические модели в геофизической гидродинами-
ферного воздуха // Арктика: экология и экономи- ке и численные методы их реализации. — Л.: Гидро-
ка. — 2017. — № 3 (27). — С. 111—117. — DOI: метеоиздат, 1987. — 296 с.
10.25283/2223-4594-2017-3-111-117. 16. Самарский А. А., Николаев Е. С. Методы решения
7. Марчук Г. И. Математическое моделирова- сеточных уравнений. — М.: Наука, 1978. — 592 с.
ние в проблеме окружающей среды. — М.: Наука, 17. Saha S. et al. 2010. NCEP Climate Forecast System
1982. — 320 с. Reanalysis (CFSR) Selected Hourly Time-Series
8. Алоян А. Е. Динамика и кинетика газовых приме- Products, January 1979 to December 2010 / Research
сей и аэрозолей в атмосфере: Курс лекций. — М.: Data Archive at the National Center for Atmospheric
ИВМ РАН, 2002. — 201 с. Research, Computational and Information Systems
9. Crutzen P. J., Birks J. W. The atmosphere after a Lab. — URL: https://doi.org/10.5065/D6513W89.
nuclear war: Twilight at noon // Ambio. — 1982. — 11. — 18. NCEP FNL Operational Model Global Tropospheric
P. 114—125. Analyses, continuing from July 1999 / Research
10. Aleksandrov V. V., Stenchikov G. L. On the modeling Data Archive at the National Center for Atmospheric
of the climatic consequences of the nuclear war // Proc. Research, Computational and Information Systems
Applied Math / Computing Centre, USSR Academy of Lab. — URL: https://doi.org/10.5065/D6M043C6.
Sciences. — Moscow, 1983. — 21 p. 19. Volodin E., Diansky N. INMCM4 model output
11. Стенчиков Г. Л. Климатические последствия prepared for CMIP5 RCP8.5, served by ESGF / World
ядерной войны: выбросы и распространение оптиче- Data Center for Climate (WDCC) at DKRZ. — [S. l.],
ски активных примесей в атмосфере // Сообщения 2013. — URL: https://doi.org/10.1594/WDCC/CMIP5.
по приклад. математике. — М.: Вычислит. центр АН INC4r8.
СССР, 1985. — 32 c. 20. Некипелов А. Д., Макоско А. А. Перспективы
12. Садоков В. П., Штейнбок Д. Б., Мелконян P. A. фундаментальных научных исследований в Аркти-
Применение сопряженных уравнений к задаче мо- ке // Арктический регион: проблемы международ-
делирования глобального переноса атмосферной ного сотрудничества: Хрестоматия в 3 т. — Т. 2 /
примеси // Тр. ГМЦ СССР. — 1978. — Вып. 204. — Рос. совет по междунар. делам. — М.: Аспект пресс,
С. 65—70. 2013. — С. 370—380.
Информация об авторах
Макоско Александр Аркадьевич, член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, заведу-
ющий лабораторией, Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН (119017, Москва, Пыжевский пер.,
д. 3), главный научный сотрудник, Межведомственный центр аналитических исследований в области физики,
химии и биологии при Президиуме РАН (117997, Москва, Профсоюзная ул., д. 65), заместитель главного
ученого секретаря Президиума РАН (119991, Москва, Ленинский просп., д. 14), e-mail: aam@presidium.ras.ru.
Матешева Анна Владимировна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт физи-
ки атмосферы им. А. М. Обухова РАН (119017, Москва, Пыжевский пер., д. 3), e-mail: matesheva@ifaran.ru.
Библиографическое описание данной статьи
Макоско А. А., Матешева А. В. Оценки тенденций дальнего загрязнения атмосфе-
ры регионов российской Арктики в ХХI в. // Арктика: экология и экономика. — 2017. — № 4
(28). — С. 59—71. — DOI: 10.25283/2223-4594-2017-4-59-71.
69Научные исследования в Арктике
EVALUATIONS OF THE FREQUENCY POLLUTION TRENDS OF THE
ATMOSPHERE OF THE REGIONS OF THE RUSSIAN ARCTIC IN THE 21st
CENTURY
Makosko A. A.
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics of Russian Academy of Sciences, Interdepartment Center of Analytical
Research in Physics, Chemistry and Biology at the Presidium of the Russian Academy of Sciences (Moscow, Russian
Federation)
Matesheva A. V.
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics of Russian Academy of Sciences (Moscow, Russian Federation)
Abstract
A study was made of the features of the dynamics of long-range pollution in the regions of the Russian Arctic in
the current situation, in the short and long term, taking into account the changing climate.
A methodical approach to the assessment of trends in long-range atmospheric pollution for specified ecologically
significant zones is formulated, taking into account the predicted climatic changes. A mathematical model that
realizes this approach has been developed, and calculations of the introduced zonal and meridional pollution in-
dices describing the amount of transported impurities in the latitudinal and meridian directions for January, April,
July, October and year for the period 1980—2050 have been performed.
The obtained results of calculations indicate, in general, quite definite tendencies of long-term atmospheric
pollution: for some strengthening in 2020—2050. in comparison with the period 1980—2015. the contribution
of the west-eastern impurity transport to atmospheric pollution over the Kola Peninsula and Taimyr Peninsula.
These results are important for the development of proposals for ensuring the environmental safety of the Rus-
sian Arctic and planning for the economic development of the country’s territories that affect the pollution of the
Arctic regions. In particular, the relevance of controlling transboundary air pollution from the nearest European
countries is increasing.
Keywords: Russian Arctic, atmospheric pollution, long-range impurity transport, impurity transport equation, coupled equation, pollution
indices, climatic changes.
The work was carried out taking into account the long-term plans of fundamental scientific research in the Arctic
Научные исследования
[20] with the support of the Program of Fundamental Research of the Presidium of the RAS “Search for funda-
mental scientific research in the interests of development of the Arctic zone of the Russian Federation”.
в Арктике
References
1. Vinogradova A. A., Veremeychik A. O. Modelnyye ot- Tarasova O. A., Turnbull Dzh. S., Khorst D. F., Khol’zinger
senki soderzhaniya antropogennoy sazhi (black car- R., Shenfel’d K. P., Shumskiy R. A., Elkins Dzh. V. Sos-
bon) v atmosfere Rossiyskoy Arktiki. [Model estimates tav atmosfery nad Severnoy Evraziyey: eksperimenty
of the content of anthropogenic black carbon (black TROICA. [Composition of the atmosphere over North-
carbon) in the atmosphere of the Russian Arctic]. Op- ern Eurasia: experiments TROICA]. Moscow, Agrospas,
tika atmosfery i okeana, 2013, vol. 26, pp. 443—451. 2009, 81 p. (In Russian).
(In Russian). 4. Makosko A. A., Matesheva A. V. Dolgosrochnyy prog-
2. Vinogradova A. A. Tendentsii izmeneniya istochnikov noz riska dlya zdorovia vsledstviye tekhnogennogo i
i stokov antropogennykh tyazhelykh metallov v atmos- biogennogo zagryazneniya atmosfery v usloviyakh iz-
fere Arktiki na rubezhe KhKh i XXI vekov. [Trends in menyayushchegosya klimata. [Long-term prognosis of
the sources and sinks of anthropogenic heavy metals health risks due to technogenic and biogenic pollution
in the Arctic atmosphere at the turn of the 20th and of the atmosphere in a changing climate]. Zdorovye
21st centuries]. Meteorologicheskiye i geofizicheskiye naseleniya Rossii: vliyaniye okruzhayushchey sredy v
issledovaniya. Moscow, Paulsen, 2011, pp. 215—234. usloviyakh izmenyayushchegosya klimata. Pod obshch.
(In Russian). red. A. I. Grigoryeva. Moscow, Nauka, 2014, pp. 251—
3. Elanskiy N. F., Belikov I. B., Berezina E. V. Brennink- 267. (In Russian).
mayyer K. A. M., Buklikova N. N., Vaysflog L., Vartiaynen 5. Makosko A. A., Matesheva A. V. O dolgosrochnom
Е., Golitsyn G. S., Gorchakov G. I., Granberg I. G., Grisenko prognoze riskov zabolevaniy naseleniya ot khimi-
A. M., Yelanskiy S. N., Еlokhov A. S., Zhernikov K. V., Igayev cheskogo zagryazneniya atmosfery. [On the long-
A. I., Kozlova A. A., Kopeykin V. M., Kruttsen P., Kuokka S., term prognosis of the risks of diseases of the popu-
Lavrova O. V., Lisitsina L. V., Moiseyenko K. B., Oberlander lation against chemical pollution of the atmosphere].
Е., Obvintsev Yu. I., Pankratova N. V., Postylyakov O. V., Ros. khim. zhurn, 2006, vol. 50, no. 5, pp. 48—54. (In
Putts Е., Romashkin P. A., Safronov A. N., Skorokhod A. I., Russian).
70 Арктика: экология и экономика № 4 (28), 2017Оценки тенденций дальнего загрязнения атмосферы регионов российской Арктики в ХХI в.
6. Matesheva A. V. O vozmeshchenii ushcherba zdoro- long-term forecasts]. Leningrad, GIMIZ, 1960, 270 p.
vyu naseleniya v gorodakh Arkticheskoy zony Rossi- (In Russian).
yskoy Federatsii ot zagryazneniya atmosfernogo voz- 14. Makosko A. A., Matesheva A. V. Opyt identifikatsii
dukha. [On compensation of damage to public health istochnikov khimicheskogo zagryazneniya atmosfery
in the cities of the Arctic zone of the Russian Federa- v Moskovskom regione. [Experience in identifying
tion from air pollution]. Arktika: ekologiya i ekonomika, sources of chemical atmospheric pollution in the Mos-
2017, no. 3 (27), pp. 111—117. DOI: 10.25283/2223- cow region]. Ros. khim. zhurn, 2016, vol. 60, no. 3, pp.
4594-2017-3-111-117. (In Russian). 113—120. (In Russian).
7. Marchuk G. I. Matematicheskoye modelirovaniye v 15. Marchuk G. I., Dymnikov V. P., Zalesnyy V. B.
probleme okruzhayushchey sredy. [Mathematical mod- Matematicheskiye modeli v geofizicheskoy gidrodin-
eling in the environmental problem]. Moscow, Nauka, amike i chislennyye metody ikh realizatsii. [Mathemat-
1982, 320 p. ical models in geophysical hydrodynamics and numeri-
8. Aloyan A. E. Dinamika i kinetika gazovykh primesey i cal methods for their implementation]. Leningrad, Gi-
aerozoley v atmosfere. [Dynamics and kinetics of gas drometeoizdat, 1987, 296 p. (In Russian).
impurities and aerosols in the atmosphere]. Kurs le- 16. Samarskiy A. A., Nikolayev E. S. Metody resheniya
ktsiy. Moscow, IVM RAN, 2002, 201 p. (In Russian). setochnykh uravneniy. [Methods for solving grid equa-
9. Crutzen P. J., Birks J. W. The atmosphere after a tions]. Moscow, Nauka, 1978, 592 p. (In Russian).
nuclear war: Twilight at noon. Ambio, 1982, 11, pp. 17. Saha S. et al. 2010. NCEP Climate Forecast Sys-
114—125. tem Reanalysis (CFSR) Selected Hourly Time-Series
10. Aleksandrov V. V., Stenchikov G. L. On the modeling Products. January 1979 to December 2010 / Re-
of the climatic consequences of the nuclear war. Proc. search Data Archive at the National Center for At-
Applied Math. Computing Centre. USSR Academy of mospheric Research. Computational and Information
Sciences. Moscow, 1983, 21 p. Systems Lab. Available at: https://doi.org/10.5065/
11. Stenchikov G. L. Klimaticheskiye posledstviya yad- D6513W89.
ernoy voyny: vybrosy i rasprostraneniye opticheski ak- 18. NCEP FNL Operational Model Global Tropospheric
tivnykh primesey v atmosfere. [Climatic consequences Analyses. continuing from July 1999. Research Data
of nuclear war: emissions and distribution of optically Archive at the National Center for Atmospheric Re-
active impurities in the atmosphere]. Soobshcheniya search. Computational and Information Systems Lab.
po priklad. matematike. Moscow, Vychislit. tsentr AN Available at: https://doi.org/10.5065/D6M043C6.
SSSR, 1985, 32 p. (In Russian). 19. Volodin E., Diansky N. INMCM4 model output pre-
12. Sadokov V. P., Shteynbok D. B., Melkonyan P. A. pared for CMIP5 RCP8.5. served by ESGF. World Data
Primeneniye sopryazhennykh uravneniy k zadache Center for Climate (WDCC) at DKRZ. 2013. Available
modelirovaniya globalnogo perenosa atmosfernoy at: https://doi.org/10.1594/WDCC/CMIP5.INC4r8.
primesi. [Application of the conjugate equations to 20. Nekipelov A. D., Makosko A. A. Perspektivy funda-
the problem of modeling the global transport of at- mentalnykh nauchnykh issledovaniy v Arktike. [Pros-
mospheric admixture]. Tr. GMTs SSSR, 1978, vyp. 204, pects for fundamental scientific research in the Arc-
pp. 65—70. tic]. Arkticheskiy region: problemy mezhdunarodnogo
13. Kats A. L. Sezonnyye izmeneniya obshchey tsirku- sotrudnichestva: Khrestomatiya v 3 t, vol. 2. Ros. sovet
lyatsii atmosfery i dolgosrochnyye prognozy. [Sea- po mezhdunar. delam. Moscow, Aspekt press, 2013, pp.
sonal changes in general atmospheric circulation and 370—380. (In Russian).
Information about the authors
Makosko Alexander Arkadievich, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Doctor of
Technical Sciences, Professor, Head of Laboratory, A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics of the RAS
(3, Pyzhevsky lane, Moscow, Russia, 119017), Chief Researcher, Interdepartment Center of Analytical Research
in Physics, Chemistry and Biology at the Presidium of the RAS (65, Profsoyuznaya st., Moscow 117997, Russia),
Deputy Chief Scientific Secretary of the Presidium of the RAS (14, Leninsky Prosp., Moscow, Russia, 119991),
e-mail: aam@presidium.ras.ru.
Matesheva Anna Vladimirovna, Ph.D. (Technics), Senior Researcher, A. M. Obukhov Institute of Atmospheric
Physics of the RAS (3, Pyzhevsky lane, Moscow, Russia, 119017), e-mail: matesheva@ifaran.ru.
Bibliographic description
Makosko A. A., Matesheva A. V. Evaluations of the frequency pollution trends of the atmosphere of the
regions of the Russian Arctic in the 21st century. Arktika: ecology and economics. 2017, no 4 (27), pp. 59—71.
DOI 10.25283/2223-4594-2017-4-59-71. (In Russian).
© Makosko A. A., Matesheva A. V., 2017
71Вы также можете почитать
