CC BY
30
УДК 551.511.42.001.572(571.14)
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОЛЕЙ ДЛИТЕЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ПРОМЫШЛЕННОГО ГОРОДА ПО СПУТНИКОВЫМ НАБЛЮДЕНИЯМ СОСТОЯНИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА
Татьяна Владимировна Ярославцева
Новосибирский НИИ гигиены Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пархоменко, 7, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Владимир Федотович Рапута
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Обсуждаются результаты мониторинга загрязнения снежного покрова г. Новокузнецка взвешенными веществами в зимнем сезоне 2013/14 гг. Проведено сопоставление результатов компьютерной обработки космоснимков с данными наземного мониторинга загрязнения снежного покрова. Установлено наличие корреляционных связей между оттенками серого цвета, содержанием твердых осадков в пробах снеготалой воды и взвешенных веществ в атмосферном воздухе.
Ключевые слова: пылевое загрязнение, атмосфера, снежный покров, спутниковые снимки, корреляционный анализ.
RECONSTRUCTION OF FIELDS A LONG PERIOD AIR POLLUTION OF INDUSTRIAL CITY USING SATELLITE OBSERVATIONS OF SNOW COVER
Tatyana V. Yaroslavtseva
FBSI «Novosibirsk scientific research institute of hygiene» of Rospotrebnadzor, 630108, Russia, Novosibirsk, 7 Parhomenko, Ph. D., researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Vladimir F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., chief researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
We discuss the results of the monitoring of Novokuznetsk snow cover pollution of suspended solids in the winter season 2013/14 years. A comparison of the results of computer processing of satellite imagery with ground-based monitoring of snow cover pollution data was conducted. The presence of correlations between the shades of gray, the content of solid precipitation in the melted snow samples and suspended substances in the air was installed.
Key words: dust pollution, atmosphere, snow cover, satellite images, correlation analysis.
Введение. В зимнее время основные источники взвешенных веществ города находятся над поверхностью земли и их выбросы носят, в основном, организованный характер. Это существенно облегчает проведение и интерпретацию наземных мониторинговых исследований, дает возможность по загрязнению
снежного покрова эффективно выявлять источники выбросов примесей [1, 2]. Анализ зимних спутниковых снимков городов позволяет отчетливо прослеживать картину пространственного осаждения на снежный покров техногенных аэрозолей. На снимках участки загрязненного снега представляют определенную последовательность тонов, которые отражают характерные процессы аэрозольного переноса примесей от промышленных предприятий, ТЭЦ, крупных автомагистралей в соответствии с динамикой протекающих атмосферных процессов и характеристиками источников [3, 4].
Учитывая, что результаты химико-аналитических исследований загрязнения снежного покрова имеют ненормативный характер, необходимо привлечение дополнительной информации об атмосферном загрязнении, используя, например, наблюдения на стационарных постах Государственной службы наблюдений (ПНЗ) [5]. Это позволит выявить статистические закономерности межсредового загрязнения [6-8] и на их основе существенно расширить возможности интерпретации спутниковой информации загрязнения снежного покрова.
Мониторинг загрязнения снежного покрова г. Новокузнецка. Город Новокузнецк является крупным промышленным центром Кемеровской области. В нем находятся предприятия черной и цветной металлургии, теплоэнергетики, горной промышленности, оказывающие влияние на загрязнение атмосферного воздуха города. Экологическая обстановка усугубляется неблагоприятными климатическими условиями и рельефом местности. Над городом наблюдаются частые температурные инверсии, слабые ветры, туманы особенно в зимний период [9].
Рис. 1. Схема размещения постов контроля атмосферного воздуха г. Новокузнецка на оцифрованном спутниковом снимке от 5.02.2015 г.
Отбор проб снега проводился вблизи ПНЗ г. Новокузнецка в начале марта 2014 г. [10]. Схема расположения стационарных пунктов наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха представлена на рис. 1. Пробы отбирались на открытых площадках неповрежденного снежного покрова на всю глубину. Результаты лабораторных исследований твердого осадка в пробах снеготалой воды приведены в таблице [10].
Таблица
Концентрации твердого осадка (г/л) в пробах снеготалой воды,
взвешенных веществ (мг/м3) в атмосферном воздухе, оттенки серого цвета снежного покрова на ПНЗ г. Новокузнецка
№ поста Осадок пыли, г/л Взвешенные вещества, мг/м3 Оттенок серого цвета
9 0,46 0,103 88
10 0,68 0,18 138
16 0,6 0,178 107
18 0,83 0,196 98
19 0,3 0,156 50
22 0,048 0,149 10
23 0,38 0,174 47
Анализ спутниковых снимков. В работе использовались снимки ИСЗ, полученные в панхроматическом диапазоне (Landsat, digitalglobe.com). В результате обработки снимка г. Новокузнецка от 5 февраля 2015 г., заключающейся в дискретизации шкалы оттенков серого цвета, было получено оцифрованное изображение городских территорий (см. рис. 1). Это позволило выделить ореолы пылевых выпадений примесей от основных очагов загрязнения города (металлургические заводы, ТЭЦ, крупные автомагистрали).
Рис. 2. Фрагменты оцифрованного космоснимка г. Новокузнецка от 5.02.2015 г. в окрестностях постов № 9, 23, 18, 16
Анализ данных измерений, приведенных в таблице и на рис. 1 и 2, показывает, что значения рассматриваемых параметров загрязнения от поста к посту
меняются вполне согласованно в значительных диапазонах изменения концентрации осадков в снеге и тональности территорий города на спутниковом снимке. Например, сравнение фрагментов снимка, с находящимися на них постами №№ 10, 16, 18 и относящихся к промышленным зонам города, с фрагментом снимка периферийного района города (пост № 22) показывает значительную контрастность оттенков серого цвета. Аналогичная ситуация имеет место при сравнении концентраций осадков в пробах снега на рассматриваемых постах.
Результаты и обсуждение. Численная обработка результатов наземных и спутниковых исследований загрязнения снежного покрова г. Новокузнецка проводилась в рамках линейного корреляционного анализа. На рис. 3, а представлена корреляционная зависимость между нерастворимым осадком взвешенных веществ в пробах снега конца зимнего сезона 2014 г. и тонами серого цвета на спутниковом снимке от 5 февраля 2015 г. на ПНЗ г. Новокузнецка. По вертикальной оси представлена интенсивность тона вблизи поста, по горизонтальной оси концентрация осадка (г/л) в пробе снеготалой воды, также отобранной возле этого поста.
О -I-,-I-,-,-1 о
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 о 02 од о.б о.э 1
Рис. 3. Линейно-корреляционные зависимости между осадками в (г/л) в пробах снега и оттенками серого цвета на космоснимке (а), осадками и взвешенными веществами в атмосфере (мг/м3) в окрестностях ПНЗ г. Новокузнецка (б)
Максимальные значения тона и осадка в снеге достигаются для ПНЗ № 10, 16, 18, минимальное - для ПНЗ № 22. На рис. 3, б представлена корреляционная связь между твердым осадком в пробах снега и взвешенными веществами, измеренными на ПНЗ в атмосферном воздухе города. Из анализа рис. 3а и 3б вытекает, что уровень согласия между сравниваемыми величинами достаточно высокий.
Полученные результаты указывают на возможность создания взаимно дополнительных систем наземного и дистанционного мониторинга и оценивания концентраций взвешенных веществ в атмосфере города по данным спутниковых наблюдений загрязнения снежного покрова.
Заключение. Для территорий г. Новокузнецка показано существование линейных корреляционных связей между содержаниями осадков в пробах снега, тональностями серого цвета на зимнем спутниковом снимке и взвешенными
веществами в атмосферном воздухе, измеренными на стационарных постах контроля Росгидромета. Для достаточно длительных временных промежутков показано существование определенной стабильности в размещении и функционировании основных источников выбросов взвешенных веществ в атмосферу города. Также из проведенного исследования вытекает возможность создания взаимно дополнительных систем мониторинга и получения на их основе более детальной пространственной оценки полей концентраций взвешенных веществ на территориях города и определения ингаляционных рисков здоровью городского населения.
Работа выполнена при поддержке Программы РАН № 18.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Василенко В. Н., Назаров И. М., Фридман Ш. Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. - Л. : Гидрометеоиздат, 1985. - 182 с.
2. Прокачева В. Г., Усачев В. Ф. Снежный покров как индикатор кумулятивного загрязнения в сфере влияния городов и дорог // Метеорология и гидрология. - 2013. - № 3. - С. 94-106.
3. Василевич М. И., Щапов В. М., Василевич Р. С. Применение спутниковых методов исследования при оценке загрязнения снежного покрова вокруг промышленных предприятий в тундровой зоне // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2015. - Т. 12, № 2. - С. 50-60.
4. Дмитриев А. В., Дмитриев В. В. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса таяния снежного покрова в районе г. Омска по материалам 2007-2009 г. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2011. - Т. 8, № 2. -С. 34-41.
5. Безуглая Э. Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. - Л. : Гидрометеоиздат, 1986. - 199 с.
6. Рапута В. Ф., Коковкин В. В., Девятова А. Ю. Сравнительная оценка состояния длительного загрязнения атмосферы и снегового покрова г. Новосибирска на сети стационарных постов Гидрометеослужбы // Оптика атмосферы и океана. - 2010. - Т. 23, № 6. - С. 499-504.
7. Ярославцева Т. В., Рапута В. Ф. Закономерности длительного загрязнения атмосферы и снежного покрова г. Новосибирска // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 1. - С. 28-33.
8. Ярославцева Т. В., Рапута В. Ф. Использование космоснимков и наземных наблюдений для анализа полей длительного загрязнения снежного покрова города // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 1. -С. 50-54.
9. Безуглая Э. Ю., Расторгуева Г. П., Смирнова И. В. Чем дышит промышленный город. - Л. : Гидрометеоиздат, 1991. - 255 с.
10. Загрязнение снегового покрова полициклическими ароматическими углеводородами и токсичными элементами на примере г. Новокузнецка / Н. В. Журавлёва, Р. Р. Потокина, З. Р. Исмагилов, Е. Р. Хабибулина // Химия в интересах устойчивого развития. - 2014. -Т. 22, № 5. - С. 445-454.
© Т. В. Ярославцева, В. Ф. Рапута, 2017
