МОНИТОРИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОЦЕНКА ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННЫХ СИСТЕМ

МОНИТОРИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
С. М. Абдуллаев, Е. Г. Кораблева,
Ю. А. Сапельцева, А. В. Егорова,
В. А. Бабинцева, Е. А. Неверова
ОЦЕНКА ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА
ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННЫХ СИСТЕМ
Исследуется воздействие на окружающую среду аномалий температурного и ветрового режима, загрязнения воздушного бассейна, а также социально-технологических процессов и землепользования на территории города Челябинска. Обсуждаются количественные оценки воздействия на окружающую среду указанных факторов.
Ключевые слова: городской остров тепла, температурная аномалия, загрязнение
воздушного бассейна, гидрологический режим.
Оценка жизненного цикла — наиболее общая концепция управления природопользованием, суть которой заключается в последовательной экологической и социальноэкономической оценке воздействий всех этапов производства и потребления материальной продукции [2, 7]. В практических приложениях концепция часто сужается до количественной инвентаризации материальных и энергетических потоков на выходе производственной цепи: массы выбросов, сбросов, отходов, уровня излучений, нормируемых
исходя из «фонового» состояния среды. Управление охраной среды в этом случае ограничивается мониторингом локальных техногенных объектов без учета их взаимодействия с эволюционирующей природной и социальной средой. Это взаимодействие порождает природно-антропогенные системы со своим особым жизненным циклом. Проблемы
экологического нормирования, описанные выше, формально решаются введением индекса экологической опасности [2], где социально-экономическая составляющая природно-антропогенной системы учитывается через отношения воздействия землеемкости,
ресурсоемкости и отходности (ЗРО) объекта к текущей доходности производства, а в весовых функциях α, β, γ параметризуется значимость этих воздействий на природную
среду.
В данном исследовании развивается подход к оценке локальных и региональных воздействий ЗРО, основанный на детальном изучении жизненного цикла природноантропогенной системы. На примере анализа экологических проблем города Челябинска
демонстрируется, что природные, техногенные и социальные процессы находятся в
сложном взаимодействии, образуя единую систему. Эта система проявляется на фоне
«невозмущенных» параметров окружающей среды как пространственно-временная мезоклиматическая аномалия, образующая своего рода «остров», который имеет динамические границы подобно циркуляциям в атмосфере или океане. Предполагается, что
роль антропогенных факторов может быть выявлена в процессе детализации «жизненного цикла природно-антропогенной системы»: выделении долговременных тенденций и
короткопериодной изменчивости компонент аномалии, — что сопровождается инвентаризацией потенциальных природных и антропогенных воздействий. Значимость последних может проявиться в периоды максимальной и минимальной интенсивности аномалии. Каждая ПАС индивидуальна, но имеет аналоги, поэтому значимость антропогенного фактора можно выявить путем сопоставления их жизненного цикла.
Антропогенное воздействие города Челябинска, в котором сосредоточено более миллиона жителей и крупнейшие предприятия энергетики, черной и цветной металлургии,
проявляется во многих экологических аспектах. Для демонстрации подхода и способов
41
количественной оценки α, β, γ выбраны лишь некоторые результаты, недавно полученные на кафедре природопользования факультета экологии ЧелГУ и имеющие собственное научно-прикладное значение.
1. Городской остров тепла
Возникновение так называемых островов тепла над городами, когда воздух в городской застройке становится теплее, чем в окружающей сельской местности [12], является
одним из наиболее доказанных примеров существования природно-антропогенной системы. Об экологической значимости городского острова тепла свидетельствуют многие
факты. Исследования современного климата показывают, что увеличение среднегодовых
температур в Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Челябинске составляют от
1 до 2 °С и более [6, 10, 11, 14]. Уже к 80-м годам прошлого века в подветренной восточной части Москвы среднегодовые температуры (5,5–5,7 °С) были такими же, как в
500 км южнее на широте Белгорода [4]. Повышение среднегодовых температур в городе
на 1,1 °С с 1980 по 2004 год, связанное с развитием Челябинска, относительно местности, расположенной на границе городской черты (метеостанция Шершни), равносильно
потеплению климата Урала за 100 лет [11]. Явные изменения термической структуры
пограничного слоя [8, 9] достигают высоты 300–500 м.
Несмотря на почти вековую известность [12], истинные причины потепления в городе не установлены. Казалось, что главный его виновник — это прямые выбросы тепла
при сжигании топлива и теплоотдача нагретых поверхностей. В то же время в [14] рассчитано, что этим можно объяснить потепление только на 0,25 °С от измеренного значения 1,3 °С в Санкт-Петербурге. К. Я. Кондратьев и Л. Т. Матвеев [10] утверждают, что
причина образования городского острова тепла кроется в выбросах водяного пара, накопление которого под инверсионными слоями увеличивает противоизлучение атмосферы,
создавая локальный «парниковый эффект».
Следует отметить, что, каков бы ни был источник потепления, величина суточных и
сезонных контрастов Челябинского острова тепла явно зависит от величины фоновой
«природной» температуры. Как видно из рис. 1а, наиболее значимая положительная разница город-пригород наблюдаются для минимальных температур (ряд 5), и незначительна для максимальных (ряд 6). В наиболее холодные периоды при температурах за
городом ниже –20 °С в Челябинске на 4–6 °С теплее, а в летние вечера при +25 °С и выше может быть «прохладнее» на 1 °С [11. С. 61]. В целом при сохранении сезонного
температурного режима средние контрасты между городом и пригородом, наибольшие
зимой, составляют ≈ 2 °С и уменьшаются до 0,6 °С к лету (рис. 1б). Потепление в холодный период более значимо и с точки зрения относительных величин. На рис. 1б также
видно, что в зимний период среднее потепление в городе (Челябинск–Шершни
(Ч–Ш)) достигает почти 50 % декадной изменчивости, тогда как летом только 30 %.
Форму границ городского острова тепла определяют физико-географические особенности территории. По данным мезоклиматологической съемки в Москве [6] среднегодовые изотермы острова имеют сложную форму с центром аномально высоких значений
температур, смещенным на восток от геометрического центра города.
Анализ данных температурных измерений за 2005–2006 год показал, что остров тепла Челябинска, интенсифицируясь в холодный период (ноябрь–март), разделен узкой
полосой менее выраженного потепления на западную и восточную зоны. Как видно из
рис. 2а, в январе область, ограниченная изоплетой +2 °С, начинаясь у Шершнёвского водохранилища в пределах городской черты повторяет очертания долины реки Миасс. В
весенне-летний период температурная аномалия острова ослабевает, практически размываясь в сентябре (рис. 2б).
42
Средние температуры, °С
Разница температур, °С
а)
Месяцы
Отклонение, °С
б)
Ч–Ш
Месяцы
Рис. 1. Региональные и локальные изменения климата Челябинска:
а) сезонный ход среднемесячных температур на метеостанциях Челябинска:
1 — Шершни (1994–2004); 2 — Баландино (1946–1956); 3 — ДОСААФ (1949–1965);
средние разницы минимальных (5) и максимальных температур (6)
в Челябинске и пригородах, 1987–2005;
б) среднеквадратичные отклонения рядов 1 (Ш) и 2 (Б) и разница средних температур
Челябинск–Шершни (Ч–Ш)
43
IX
XII
а)
IX
XII
б)
Рис. 2. Остров тепла и зона конвергенции Челябинска в сентябре и в декабре
2005 г.: а) изоплеты отклонений среднемесячной температуры, град.;
б) поля приземного ветра и дивергенции
Выделены зоны со значениями модуля дивергенции ≥ 10–4 с–1.
Области с конвергентными движениями отмечены штриховкой.
44
2. Аномалия приземного ветра
С эволюцией природно-антропогенной системы города связаны не только температурные, но и другие экологические аномалии. Урбанизация приводит к росту повторяемости опасных явлений погоды на подветренной стороне города [12]. Например, в подветренной зоне г. Сент-Луис (США) в пределах территории размером 5–10 диаметров
города, количество осадков увеличивается на 30 %, а повторяемость гроз на 25 %, число
сильных конвективных штормов на 50 %, а градовых на 200 % [18. С. 274]. Как и в предыдущем случае, доминирующий механизм аномалии не выяснен; наиболее часто упоминаются изменение числа ядер конденсации, режим турбулентности, развитие термической конвекции над перегретой поверхностью. Здесь, по-видимому, важным является
другой эффект природно-антропогенной системы города: появление стационарной зоны
конвергенции приземного ветра. При исследовании распределения радиолокационных
осадков в радиусе 200 км от Москвы было обнаружено, что 50 % мгновенных максимумов осадков наблюдается вблизи мезомасштабных стационарных зон конвергенции приземного ветра с интенсивностью 10–4 с–1, которые влияют на траектории и интенсивность
конвективных штормов [1].
Пример осредненных за месяц скоростей ветра и его дивергенции в приземном слое
Челябинска представлен на рис. 2. Как при выраженных температурных градиентах в
декабре, так и при их размывании в сентябре преобладающий юго-западный (западный)
ветер ослабевает от наветренной периферии к центру города, где движение воздуха приобретает более меридиональное направление. Несмотря на отличия в положении и интенсивности, в обоих случаях в центре города возникает зона конвергенции величиной
более 10–4 с–1, напоминающая по конфигурации изотермы острова тепла.
Стационарная зона конвергенции перераспределяет загрязняющие воздух вещества.
С установлением квазистационарной циркуляции в слое перемешивания в области
сходимости ветра будет наблюдаться приток загрязняющих примесей в приземном
слое и отток при дивергентных движениях. Восходящие движения со скоростями порядка 0,5 м/с способствуют растеканию загрязнений на уровне инверсии, а компенсационные нисходящие движения могут переносить примеси на периферию города. В
общих чертах этот механизм объясняет распределение загрязнителей в Челябинске,
полученное в результате снегосъемки за 2005–2006 годы [16], подобное представленной на рис. 2 структуре.
3. Загрязнение воздушной среды города
В отличие от температуры и влажности воздуха, локальные концентрации загрязняющих веществ не меняют его плотности. Во многих случаях на периодах в несколько
часов их можно считать пассивными трассерами, которые позволяют сделать выводы об
изменении техногенной нагрузки во времени. Исследование суточного и недельного хода концентраций формальдегида СН2O (рис. 3а–г), оксидов азота NO2 и серы SO2 позволило сделать вывод о некоторых социальных и техногенных особенностях жизненного
цикла природно-антропогенной системы города Челябинска.
Формальдегид (рис. 3а) может быть продуктом прямых выбросов промышленности
и автотранспорта, но в большей мере образуется в результате фотохимических реакций
окисления углеводородов (в частности окисления метана с образованием озона). Действительно, его концентрации, наиболее высокие летом (максимум отмечается в июле),
достигают ≈ 3 ПДКсс в конце дня, уменьшаясь до 2,7 норм к началу дня. Осенью концентрации на треть меньше, но типичный суточный ход сохраняется. Повышенные ночные
и утренние концентрации (2 ПДКсс) в холодный период объяснимы только выбросами
промышленных источников. По разнице в 0,03 мг/м3 между концентрациями на спаде
45
транспортной активности (01 час) и ее максимуме (19 часов) можно оценить, что с автотранспортом связано не более половины (40 %) из наблюдаемых концентраций формальдегида. Вклад, оцененный таким образом для оксида азота (рис. 3б) и диоксида серы (рис. 3в), дает 50 и 35 % процентов, соответственно. Отметим, что в целом по городу
вклад промышленных источников выбросов, видимо, намного выше, т. к. большинство
пунктов измерения концентраций расположено вблизи автомагистралей (см. рис. 1).
Кроме этого возможен подток загрязнений с восточной и северной промзон в центральную часть города. В соответствии с сезонным ходом острова тепла и зон конвергенции в
наибольшей степени этот эффект должен проявляться в ночные часы и зимой, а в наименьшей степени — осенью.
а)
в)
б)
г)
Рис. 3. Суточный ход: а) формальдегида, б) двуокиси азота, в) сернистого газа по сезонам,
г) недельный ход SO2 за год (Челябинск, 2000–2006 гг.)
Интересен факт влияния на загрязнение социальной компоненты природноантропогенной системы. Осредненный по дням недели ход концентраций сернистого
(см. рис. 3г) и других газов демонстрирует увеличение концентраций на 30 % (на 15 %
оксида азота и 25 % для формальдегида) с середины рабочей недели к субботе, а затем
снижение с понедельника ко вторнику-четвергу. Столь необычное поведение концентраций загрязняющих веществ в противоположность ожидаемому их росту с понедельника по пятницу, можно интерпретировать тем, что в субботу-воскресенье, когда мониторинг загрязнения воздуха официально не проводится, промышленные предприятия
города резко увеличивают свои выбросы. Безусловно, суточные и недельные циклы выбросов могут повлиять на интенсивность мезомасштабных циркуляций, и их необходимо учитывать в диагнозе и прогнозе неблагоприятных метеоусловий.
4. Кислотность осадков
Основным процессом, «разрушающим» остров тепла, является интенсивное вертикальное и горизонтальное перемешивание при прохождении облачных систем. Выпадение из облачности дождя и снега является основной причиной вымывания аэрозоля и
абсорбции газовых примесей в пограничном слое. Химические свойства осадков могут
46
говорить о степени антропогенного воздействия, причинах загрязнения атмосферы конкретного города, т. е. индивидуальности природно-антропогенной системы.
В работе [5] в качестве индикатора локального загрязнения воздушного бассейна использовался водородный показатель рН осадков (рис. 4). Современная концентрация ионов водорода (рН ≈ 7) в атмосферных осадках Челябинска на порядок меньше (т. е.
осадки более щелочные), чем в осадках, образующихся на природном аэрозоле лесостепной зоны рН ≈ 5,7 [13. С. 54], или на два-три порядка меньше, чем в осадках, связанных с аэрозолями, характерными для городских и сельских районов (рН = 4÷5). Индивидуальные черты «острова загрязнения» проявляются при сравнении на рис. 4а,б:
неизменно высокий pH осадков на юго-западной периферии г. Челябинска (Шершни)
соседствует в последнее десятилетие с тенденцией к снижению рН в подветренной восточной части г. Кургана (на два порядка до региональных фоновых значений рН ≈ 6 в
пункте, расположенном в 50 км от города).
а)
Годы
б)
Годы
Рис. 4. Кислотность дождя и снега: а) в Челябинске, б) Кургане
Учитывая, что растворение газов обычно подкисляет водную среду, следует ожидать,
что щелочность осадков в городе Челябинске связана с выбросами твердого растворимого аэрозоля, который захватывается осадками. Для обоснования этого вновь обратимся к
анализу временных аномалий: к случаям с значениями щелочности в Челябинске большими, чем рН0,9 = 7,42, и меньшими, чем рН0,1 = 6,8 (где рН0,1 и рН0,9 — 10 и 90-процентные децили распределения). Обнаруживается, что жидких осадков с рН > рН0,9 выпало
137 мм, в два раза меньше, чем осадков с рН < рН0,1 236 мм. Аналогичная ситуация наблюдается и зимой: «щелочного» снега выпало всего 34 мм против 90 мм «кислого». Результат можно интерпретировать следующим образом. Выпадая из облачного слоя, гидрометеоры захватывают вначале относительно крупный щелочной аэрозоль. Концентрация городского аэрозоля со временем уменьшается, а кислотность продолжающихся
47
осадков становится все ближе к «природной». Чем более длительны и интенсивны осадки, тем менее щелочными они будут.
Кислотность атмосферных осадков определятся структурой выбросов промышленных предприятий. Действительно, в результате перевода топливно-энергетического
комплекса с угля и мазута на газ, в Кургане значительно снизились выбросы твердых
веществ, в т. ч. зольных частиц, нейтрализующих кислотную составляющую атмосферных выпадений. Выбросы твердых веществ металлургического комплекса в Челябинске
не снижаются. Ионный состав современных осадков неизвестен, однако следует предположить высокую концентрацию аэрозоля, содержащего карбонаты кальция и другие
компоненты флюсов, используемых при производстве чугуна и стали, оксидов двухвалентного железа и других пылей. Косвенно о «металлургическом» происхождении высокой щелочности свидетельствует то, что снег, выпадающий в районе Магнитогорского
металлургического комбината, имеет рН = 8–9 [3], а также то, что большинство «щелочных» проб на метеостанции Шершни наблюдается при ветрах северной составляющей,
когда ветер дует со стороны Металлургического района, и при штилях. Для «кислых»
осадков характерны ветра с востока, где сосредоточены тепловые электростанции, работающие на природном газе.
Заметим, что уровень выбросов аэрозольных частиц мало сказывается на индексе загрязнения атмосферы, который рассчитывается по отношению среднегодовых концентраций загрязнений к их ПДКсс (ИЗА на рис. 4а,б). Дело в том, что хроническими загрязнителями атмосферы Челябинска и Кургана являются уже упомянутый формальдегид, а также бенз(а)пирен, один из полиароматических углеводородов, образующихся
при сгорании любых видов ископаемого топлива, который имеет чрезвычайно малые
абсолютные концентрации.
Исследования влияния аэрозоля на приток солнечной радиации показывают, что высокие концентрации аэрозолей в городской атмосфере значимо уменьшают максимальные температуры, не изменяя минимальные, и увеличивают устойчивость пограничного
слоя [12]. Наибольший эффект уменьшения температур в городе наблюдается при низких углах стояния солнца. По-видимому, это объясняет то, что повторяемость положительной разницы температур между городом и пригородом составляет 80 (90) % в 7 и 13
часов и только 46 % в 19 часов. Как показало моделирование радиационных потоков [5],
увеличение концентраций приземного аэрозоля в 2,5 раза уменьшает суммарную радиацию всего на 3–4 %, но достигает 10 % при инверсионном профиле температуры. Действительно под инверсионными или изотермическими слоями наблюдается увеличение
концентраций, превышающее приземные уровни. Частично этим можно объяснить и
уменьшение температурных контрастов в августе-сентябре (см. рис. 1).
5. Озера под антропогенным стрессом
Даже схематичная картина природно-антропогенной системы городов Южного Урала не может обойтись без включения взаимодействия с близлежащими озерами и водохранилищами. Рассмотрим сначала причины колебаний уровня бессточных озер, таких
как городское озеро Смолино и его «климатический аналог» озеро Аргаяш.
Уровень озера Смолино повышался с 1960 по 2003 (2006) год со средней скоростью
порядка 43 мм/год (с обеспеченностью > 0,8), тогда как Аргаяш и Кундравинское росли
с 1961 по 2003 (2006) год со скоростью 6 (14) и 2 мм, при низкой значимости тренда
(рис. 5а).
Ретроспективный обзор жизненного цикла озера выявил множество гипотез об антропогенных причинах роста озера Смолино: от неучтенных стоков и потерь в коммуникациях до просачивания вод из Шершнёвского водохранилища [15]. Поразительно, что
при этом не рассматривались природно-антропогенные процессы, понижающие уровень
48
озера (т. е. разрушающие аномалию), а именно изменение интенсивности испарения.
Между тем уровневый режим H определяется климатической и антропогенной изменчивостью разности между осадками X = XS + XF и суммарным испарением Е = Е S + EF на
водосборе ЕS и поверхности озера EF. X обычно оценивается по данным ближайшей метеостанции. Измерения E обычно отсутствуют. Оценка характеристик тепловлагообмена для расчета EF конкретного озера трудоемка, но реализуема с учетом набора исходных данных. Физическая обоснованность и наличие данных о скорости приземного ветра, о баллах нижней и общей облачности, о температурах на станциях Шершни
и Аргаяш, определили выбор формулы из [4] для расчета ЕF озер Смолино и Аргаяш.
Годы
а)
Годы
Годы
б)
Годы
Рис. 5. Изменение уровня озер Южного Урала и компонент водного баланса: а) вверху уровни
озер: 1— Смолино, 2 — Кундравинское, 3 — Аргаяш, их тенденции, внизу короткопериодные
колебания; б) вверху годовой ход уровней Н озер Смолино и испарения Е и XT теплого сезона;
внизу то же для озера Аргаяш, где X — осадки за год
Продолжающееся снижение скорости ветра приводит к тому, что расчетное ЕF озера
Смолино уменьшалось со скоростью ≈ 6,2 мм/год (рис. 4б). С учетом роста годовых
осадков на 1,1 мм/год (осадков теплого периода на 0,8 мм/год) это означает ежегодное
приращение уровня озера на ΔН1 ≥ 7 мм, что объясняет только 17 % его роста. В Аргаяше скорость ветра и суммарное испарение уменьшались медленнее, также медленнее
росли осадки X, но приращение уровня ΔН1 ≈ 1мм, что объясняет также 16 % от общего
роста уровня озера с 1961 по 2003 год.
Наиболее сложно оценивается суммарное испарение ЕS на водосборе, связанное с
изменчивостью свойств подстилающей поверхности S. Первоначальную оценку антропогенных влияний можно сделать так же, как предложено в [17], удаляя из графика
уровня озера смещенное среднее и сравнивая амплитуды аномалий (см. рис. 5а внизу).
49
Большинство короткопериодных аномалий уровней озер совпадают даже несмотря на
перекачку вод озера Смолино в озеро Синеглазово в конце 90-х годов ХХ века. Не
имеющая аналогов положительная аномалия уровня Смолино (знак ? на рис. 5а) начала
80-х годов по времени совпадает с интенсивной застройкой западной части Ленинского
района, т. е. безусловным увеличением модуля стока с водосбора. Разница скоростей изменения испарения и осадков в 1960–1979 гг. равнялась 7,5 мм/год, что составило 50 %
скорости роста уровней в тот же период. Предполагая такую же добавку в разнице
XS – ЕS на водосборе S ≈ F (суммарная площадь водосбора и озера S + F ≈ 63 км2), приходим к выводу, что «ветровой изменчивости» достаточно для объяснения вcего приращения уровня озера. Таким же образом можно объяснить и рост уровня Смолино с начала 90-х годов. Отсюда следует, что главная необъяснимая причина роста уровня — это
скачкообразное приращение суммарного стока с водосбора в начале-середине 80-х годов. Наиболее вероятно, что это связанно с уменьшением площади естественных испарителей — заболоченных земель и прудов — из-за застройки западной части Ленинского района, а также южной части Советского района с одновременным ослаблением скоростей ветра в прибрежной зоне акватории озера. Застройкой водосбора «аналога» —
озера Аргаяш — в последнее десятилетие можно объяснить и его современный рост. Не
исключено, что в него неофициально производился сброс вод небольших водоемов.
6. Оценка значимости воздействий
Для демонстрации способов вычисления значимости воздействий в природноантропогенной системе в качестве наглядного примера предположим, что планируется
строительство жилого микрорайона на 2 тысячи жителей на пустующем участке площадью S = 10 га в Ленинском районе г. Челябинска.
Землеемкость. Оценим значимость α абсолютной землеемкости, трактуемой здесь
как суммарная площадь поверхности, отчуждаемой под строительство объекта, и площади, где наблюдаются видимые изменения окружающей среды, приводящие к ограничениям в ее использовании. Примем, что коэффициент стока для участка с травяным покрытием η1 = 0,3, для застроенного участка (асфальт и кровля домов) η2 = 0,9, годовая
сумма осадков 440 мм. Отсюда следует, что в озеро площадью F = 27 км2 = 2700 га (при
уровне 217,2 мБС) добавится слой воды за год Δh = (η2 – η1)×X×S×F–1=(0,9 – 0,3)×
×440 мм×10×(2700)–1 ≈1 мм. Сравнивая эту величину со средней скоростью годового
прироста уровня ΔН от 20 до 40 мм, можно получить, что застройка на площади в 10 га
может привести к увеличению скорости роста уровня на 2,5–5 %. Прибрежная застройка
дополнительно вызовет уменьшение средней скорости ветра. Таким образом, застройка
10 га увеличивает локальные издержки на поддержание уровня озера до 5 %. Заметим,
что при скорости роста уровня озера Смолино в 20 мм, потребуется откачивать около
500 тыс. м3 в год.
Ресурсоемкость. Как показано выше, появление острова тепла и сопутствующей зоны конвергенции имеет негативные последствия, связанные с перераспределением загрязнителей и их концентрацией в отдельных районах города. Одна из вероятных причин — выбросы водяного пара [10]. Хозяйственная деятельность на водосборе сопряжена с выбросами водяного пара. Можно показать, что в условиях Южного Урала обогрев
и горячее водоснабжение для 2 тысяч жителей потребует около 7 МВт (6 Гкал/час) локальной тепловой мощности, что произведет выбросы водяного пара ≈ 350 г/с. Это эквивалентно годовому испарению с участка в 10 га слоя воды до 110 мм, а вместе с выбросами ТЭЦ (с КПД = 50 %) для достижения необходимой электрической мощности в
4 мВт — до слоя 250 мм. Данная величина сопоставима с половиной значения величины испарения с площади водосбора EF, что лишний раз убеждает в сравнимости антропогенной и природной климатической компоненты в природно-антропогенной систе50
ме. Поскольку максимальные объемы выбросов пара и прямые выбросы тепла приходятся на холодный период, это объясняет наибольшие приращения температур в этот
период.
С участка 10 га при максимальной тепловой нагрузке на котельные строения отдают
около 7 мВт тепловой мощности, или 0,7 мВт/га. Это предполагает поток тепла Q примерно 70 Вт/м2, что на порядок больше, чем полученные в [14] среднегодовые оценки
для г. Санкт-Петербурга. Такой поток тепла нагреет воздух для характерных условий
г. Челябинска приблизительно на 1 °С/10км. Отсюда следует, что прямые выбросы тепла
также значимы для природно-антропогенной системы, как и выбросы водяного пара.
Таким образом, коэффициенты значимости β потребляемых ресурсов (топливо) и
расходуемой энергии в равной мере могут быть оценены при инвентаризации жизненного цикла гражданского или промышленного объекта. Локальный «энергетический» налог будет способствовать экономии ископаемого топлива и энергосберегающим технологиям.
Отходность. Расчет значимости локальных выбросов и сбросов загрязнений, а также
отходов не представляет принципиальных затруднений и рассмотрен нами в [2]. Как показано выше, следует рассмотреть вопрос о качестве индикаторов загрязнения воздуха, о
необходимости измерения состава атмосферных осадков и аэрозольной их составляющей. Среди прочего необходимо увеличение числа пунктов мониторинга воздуха и оснащение их датчиками непрерывной регистрации отдельных наиболее характерных ЗВ.
Выводы
Понятие природно-антропогенной системы по своей сути наиболее близко к географическому понятию о природно-территориальном комплексе. Однако в процесс организации природно-антропогенной системы кроме природных компонент (участка земной
коры с присущим ему рельефом, приземным слоем атмосферы, поверхностными, например озеро Смолино, и подземными водами, почвами, растительными сообществами и
др.) на равных включаются техногенные объекты и социальные процессы.
Представление о природно-антропогенной системе возможно получить только в процессе исследования ее жизненного цикла: пространственно-временной эволюции природных и антропогенных компонент системы и связей между ними. Об этом свидетельствуют результаты, рассмотренные выше.
Одним из признаков природно-антропогенной системы Челябинска, выделяющей ее
на фоне природной и техногенной среды, является городская мезомасштабная термодинамическая аномалия. Локальный остров тепла Челябинска по интенсивности сопоставим с климатическим потеплением. Интенсивность потепления в городе увеличивается
до нескольких градусов в холодные периоды, что, очевидно, связано с увеличением выбросов водяного пара и теплового потока от нагретых поверхностей. В теплый период
года температурные контрасты снижаются. Температурное поле неоднородно, заметно
разделение острова тепла на два очага. Сезонная повторяемость направлений и скоростей ветра искажена местными циркуляциями. В центре города вдоль долины реки Миасс обнаруживаются область конвергенции приземного ветра, достигающая величин
≥ 10–4 с–1, которая может влиять на перераспределение загрязнений в погранслое. Возможно образование центральной полосы загрязнений и выноса их на «экологически чистую» периферию города.
Анализ временной изменчивости концентраций формальдегида, оксида азота и серы
показывает, что выбросы промышленных источников и автотранспорта не коррелируют
во времени. Повышенные концентрации загрязняющих веществ в ночное время могут
объясняться тем, что а) вклад автотранспорта в загрязнение не превышает 50 %;
б) промышленные выбросы усиливаются в ночное время; в) существующий остров тепла
51
обостряется, и наблюдается подток загрязнений со промзоны в центр города. Значительное увеличение концентраций загрязняющих веществ в субботу и понедельник в сравнении с серединой недели является, возможно, следствием того, что мониторинг и контроль выбросов в выходные дни отсутствует.
Исследование химизма атмосферных осадков показало, что индивидуальной особенностью города является высокое значение водородного показателя осадков, на два порядка превышающее природное. Сопоставление погодных условий наблюдения экстремально высоких и низких значений pH, а также сравнение тенденций к изменению этого
показателя в городах — «аналогах» позволяет предположить, что причиной наблюдаемой аномалии являются выбросы твердого аэрозоля металлургическими производствами. Наличием значительных концентраций аэрозоля можно объяснить ряд особенностей
в суточном и сезонном проявлении острова тепла. В частности, это может приводить к
значительному уменьшению максимальных температур и повышению устойчивости погранслоя.
Анализ тенденций и короткопериодных колебаний уровня городского озера Смолино
показывает, что воздействие города на поверхностные водоемы может быть комплексным: как непосредственно из-за изменения стока с водосбора, так и из-за локальной
температурно-ветровой аномалии (возможно и влияние аэрозоля). Сделано предположение, что главным фактором долговременного повышения уровня озера Смолино является уменьшение интенсивности испарения из-за продолжающегося снижения скоростей
ветра, а застройка водосбора в 80-x годах XX века является причиной его скачкообразного повышения.
Изложенные выше результаты позволяют перейти к оценке значимости воздействий
землеемкости, ресурсоемкости и отходности технологических циклов, включенных в
природно-антропогенную систему.
Авторы выражают благодарность сотрудникам Челябинского и Курганского центров
по гидрометеорологии и мониторингу среды за предоставленные данные.
Список литературы
1. Абдуллаев, С. М. Взаимодействие полей конвергенции приземного ветра с осадками из скоплений кучево-дождевых облаков / С. М. Абдуллаев, Н. А. Арская,
А. А. Желнин // Метеорология и гидрология. 1994. № 8. С. 33–38.
2. Абдуллаев, С. М. Модели экологической оценки и управление природопользованием / С. М. Абдуллаев // Вестн. Челяб. гос. ун-та. № 6. 2007. С. 7–20.
3. Абдуллаев, С. М. Вопросы интерпретации мониторинга кислотности дождя и снега в Челябинске / С. М. Абдуллаев, Н. П. Галышева, Т. А. Баймлер, А. В. Балина,
Е. В. Смолина // Экологическая политика в обеспечении устойчивого развития Челябинской области : сб. Челябинск, 2005. С. 132–136.
4. Браславский, А. П. Нормы испарения с поверхности водохранилищ / А. П. Брославский, З. А. Викулина. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1954. 212 с.
5. Вельтищева, Н. С. Параметризация притока солнечной радиации с учетом поглощения и рассеяния аэрозолей в локальных моделях прогноза метеовеличин /
Н. С. Вельтищева // Тр. Гидрометцентра СССР. 1986. Вып. 284. С. 43–53.
6. Гербурт-Гейбович, А. А. Мезомасштабное районирование по температуре и ветру
Москвы и пригородов / А. А. Гербурт-Гейбович // Тр. Гидрометцентра СССР. Л. : Гидрометеоиздат, 1981. Вып. 233. С. 107–110.
7. Гридэл, Т. Е. Промышленная экология / Т. Е. Гридэл, Б. Р. Алленби. 2-е изд. : пер.
с англ. / под ред. Э. В. Гирусова. М. : Юнити-Дана, 2004. 527 с.
8. Кадыров, Е. Н. Исследование неоднородности острова тепла в г. Нижний Новгород с помощью мобильного дистанционного измерителя профилей температуры атмо52
сферы / А. Е. Колдаев, Е. А. Миллер, В. В. Соколов, М. Н. Хайкин // Метеорология и
гидрология. 2007. № 2. С. 54–66.
9. Кадыров, Е. Н. Остров тепла в пограничном слое атмосферы над большим городом: новые результаты на основе дистанционных данных / Е. Н. Кодыров, И. Н. Кузнецова, Г. С. Голицин // Докл. РАН. 2002. Т. 385, № 4. С. 541–548.
10. Кондратьев, К. Я. Основные факторы формирования острова тепла в большом
городе / К. Я. Кондратьев, Л. Т. Матвеев // Докл. РАН. 1999. Т. 367, № 2. С. 253–256.
11. Кораблева, Е. Г. Локальное и региональное потепление на Южном Урале /
Е. Г. Кораблева // Вестн. Челяб. гос. ун-та. 2007. № 6. С. 56–65.
12. Ландсберг, Г. Е. Климат города / Г. Е. Ландсберг. Л. : Гидрометеоиздат, 1983.
248 с.
13. Мазин, И. П. Облака и облачная атмосфера : справ. / И. П. Мазин, А. Х. Хргиан //
Л. : Гидрометеоиздат, 1989. 647 с.
14. Матвеев, Л. Т. Формирование и особенности острова тепла в большом городе /
Л. Т. Матвеев, Ю. Л. Матвеев // Докл. РАН. 2000. Т. 370, № 2. С. 249–252.
15. Соколов, С. Б. О причинах повышения уровня воды в оз. Смолино / С. Б. Соколов
// Водное хозяйство. 1999. № 1. С. 84–92.
16. Плохих, Н. А. Изучение загрязненности снежного покрова на территории
г. Челябинска в течение зимы 2005–2006 гг. / Н. А. Плохих, И. В. Грачева // Управление
экологии и природопользования администрации г. Челябинска : отчет НИР. Челябинск,
2006. 62 с.
17. Abdoulaev, S.M. A Rapid Transgression of Suburban Lake: Anthropogenic or Natural
Causes? /С.М. Абдуллаев // XXX Ассамблея Европейского геофизического союза. Вена,
2006. EGU06, HS29, Р. 1–6.
18. Wallace, J. M. Atmospheric Science / J. M. Wallace, P. V. Hobbs // Academic Press.
N. Y. ; London, 1977. 467 p.
О. Ю. Ленская, Д. В. Быков
АНАЛИЗ ИЗМЕНЧИВОСТИ МЕСЯЧНЫХ СУММ ОСАДКОВ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДЕКСОВ АТМОСФЕРНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ
Рассматривается плювиометрический режим Южного Урала и сопредельных территорий и ставится цель связать его изменчивость с влиянием крупномасштабных процессов в системе океан — атмосфера. В качестве индикатора используется индекс СевероАтлантического колебания (САК), значение которого характеризует преобладание зональной или меридиональной составляющей атмосферной циркуляции на рассматриваемой территории. Предложена методика исследования взаимосвязи между месячными
суммами осадков и фазой САК. В результате выделены регионы, имеющие наибольший
отклик в режиме осадков, определена задержка этого отклика, установлено, какая месячная сумма осадков характерна для определенной фазы САК.
Ключевые слова: плювиометрический режим, месячные суммы осадков, индекс Северо-Атлантического колебания (САК), атмосферная циркуляция.
Атмосферные осадки являются одним из важнейших элементов климатической системы. Сезонное распределение и межгодовая изменчивость атмосферных осадков определяют состояние природных экосистем, а также обусловливают особенности хозяйственной деятельности человека в конкретном регионе.
Внутригодовой ход осадков зависит как от общей циркуляции атмосферы, так и от
местных физико-географических условий. Для Южного Урала и сопредельных террито53