Руководящий документ РД 52.04.306-92 Охрана природы. Атмосфера. Руководство по прогнозу загрязнения воздуха.
РД 52.04.306-92
РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ
ОХРАНА ПРИРОДЫ. АТМОСФЕРА
РУКОВОДСТВО ПО ПРОГНОЗУ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА
Дата введения 1993-07-01
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ
1. УТВЕРЖДЕН Комитетом гидрометеорологии СССР 31.01.92
2. РАЗРАБОТЧИКИ М.Е.Берлянд, д-р физ.-мат. наук, Л.Р.Сонькин, д-р геогр. наук (руководители разработки); Л.В.Тихомирова, канд. геогр. наук; И.Н.Кузнецова, канд. геогр. наук; В.Д.Николаев, канд. техн. наук; Б.Н.Пьянцев, канд. геогр. наук, Т.П.Ивлева, М.Ф.Веретина
3. ОДОБРЕНО Центральной методической Комиссией по гидрометеорологическим прогнозам 21.05.90
4. ЗАРЕГИСТРИРОВАН ЦКБ ГМП N 306 от 10.03.92
5. ВЗАМЕН Методических указаний по прогнозу загрязнения воздуха в городах (Л., Гидрометеоиздат, 1979) и РД 52.04.78-86
6. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
|
|
НТД, на который дана ссылка | Номер раздела, подраздела |
ГОСТ 17.2.3.02-78. Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями. | Подраздел 14.1 |
РД 52.04.78-86. Методические указания по прогнозированию загрязнения воздуха с учетом метеорологических условий. | Раздел 1 |
Методические указания по прогнозу загрязнения воздуха в городах. Л., Гидрометеоиздат, 1979 | Раздел 1 |
Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. Л., Гидрометеоиздат, 1986. | Раздел 1 Подраздел 14.1 |
Настоящее Руководство распространяется на подразделения Росгидромета, занимающиеся вопросами прогнозирования уровня загрязнения воздуха и устанавливает методы и способы прогноза, рекомендации по организации работ, а также принципы разработки мероприятий по регулированию выбросов. Руководство включает ряд новых материалов, относящихся к усовершенствованию существующих методов прогноза и к выполнению региональных разработок.
В дополнение к настоящему Руководству территориальными управлениями могут разрабатываться методики прогноза уровня загрязнения воздуха с учетом опыта их работы и специфики местных условий с последующим рассмотрением в Главной геофизической обсерватории и утверждением в Росгидромете.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Осуществление мероприятий, направленных на снижение уровня загрязнения воздуха в городах до нормальных показателей, нередко требует длительного времени. Поэтому большое значение приобретают работы по краткосрочному прогнозу уровня загрязнения воздуха и обеспечению чистоты атмосферы в периоды неблагоприятных метеорологических условий. Такие работы могут содействовать реальному улучшению состояния воздушного бассейна в городах в ближайшее время.
Кратковременное снижение выбросов в периоды неблагоприятных метеорологических условий (НМУ) должно осуществляться в соответствии с методическими указаниями "Регулирование выбросов при неблагоприятных метеорологических условиях" РД 52.04.52-85. При проектировании и сооружении новых предприятий предусматриваются меры по установлению предельно допустимых выбросов (ПДВ). Одновременно учитывается, что часто невозможно и экономически невыгодно предусматривать столь малый выброс вредных веществ в атмосферу и строительство таких высоких труб, чтобы абсолютно ни при каких метеорологических условиях приземные концентрации не превышали бы ПДК. Более экономично снижение концентраций может быть достигнуто в периоды аномальных НМУ за счет временного сокращения выбросов в соответствии с прогнозом загрязнения воздуха.
Успешное решение задачи метеорологического прогноза уровня загрязнения воздуха основано на учете физических особенностей распространения примесей в атмосфере и связей между концентрациями примесей и метеорологическими факторами. Необходимость учета условий, создаваемых в конкретных городах, определяет региональный подход к составлению прогностических схем. Такие работы должны проводиться с использованием материалов наблюдений в каждом городе в отдельности.
Составление данного Руководства явилось итогом многолетней научной и практической работы в области прогнозирования уровня загрязнения воздуха. Оно подготовлено на основе трех методических документов: Методических указаний по прогнозу загрязнения воздуха в городах (Л., Гидрометеоиздат, 1979), Методических указаний по прогнозированию загрязнения воздуха в городах с учетом метеорологических условий (РД 52.04.78-85, М., 1986) и методических указаний "Регулирование выбросов при неблагоприятных метеорологических условиях (РД 52.04.52-85, Л., Гидрометеоиздат, 1987), - утвержденных Центральной методической комиссией Росгидромета.
В Руководство включены схемы прогноза и прогностические рекомендации на основе результатов последних исследований. Даны рекомендации по выделению неблагоприятных сочетаний направления и скорости ветра на основе расчета загрязнения атмосферы от совокупности источников, использованию в схемах прогноза количественного синоптического предиктора, предсказанию длительных периодов с высоким уровнем загрязнения воздуха в городах. Предложены новый вариант прогностической схемы по методу линейной регрессии с предварительным исключением нелинейности связей между концентрациями и метеорологическими факторами, а также схема с использованием метода дискриминантного анализа.
В процессе работы выявились некоторые новые задачи, направленные на усовершенствование прогнозирования загрязнения. В первую очередь к ним относятся задачи увеличения заблаговременности прогнозов и детализации прогноза применительно к отдельным районам города и к отдельным примесям.
Физические основы изложенных методов представлены в книгах М.Е.Берлянда "Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы" (Л., Гидрометеоиздат, 1985 г.) и Л.Р.Сонькина "Синоптико-статистический анализ и краткосрочный прогноз загрязнения атмосферы" (Л., Гидрометеоиздат, 1991 г.), а также в Трудах Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова в серии "Атмосферная диффузия и загрязнение атмосферы" за 1970-1990 гг. Все необходимые для прогноза расчеты проводятся в соответствии с общесоюзным нормативным документом "Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий" (ОНД-86).
2. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ВОЗДУХА В РАЙОНЕ ОТДЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ
2.1. Расчет опасной скорости ветра
и максимальной концентрации примеси
Для характеристики состояния атмосферы, при котором могут отмечаться большие концентрации примесей, выделяются нормальные и аномальные метеорологические условия.
в случае горячих выбросов
в случае холодных выбросов
а) 250 - для районов Средней Азии южнее 40° с. ш., Бурятии и Читинской области;
б) 200 - для Европейской территории Российской Федерации южнее 50° с. ш. и остальных районов Нижнего Поволжья, для Молдовы, Кавказа, Казахстана, Дальнего Востока и остальной территории Сибири и Средней Азии;
в) 180 - для Европейской территории Российской Федерации, Беларуси и Урала от 50 до 52° с. ш. за исключением попадающих в эту зону перечисленных выше районов;
г) 160 - для Европейской территории Российской Федерации, Беларуси и для Урала севернее 52° с. ш. (за исключением центра России), а также для Украины (для расположенных на Украине источников высотой менее 200 м в зоне от 50 до 52° с. ш. - 180, а южнее 50° с. ш. - 200);
д) 140 - для Московской, Тульской, Рязанской, Владимирской, Калужской, Ивановской областей.
2.2. Аномально неблагоприятные метеорологические условия
Наиболее интенсивное загрязнение воздуха наблюдается при аномально неблагоприятных метеорологических условиях. К ним, в частности, относится приподнятая инверсия с нижней границей, расположенной над источником выброса (точнее, над его эффективной высотой, которая для горячих источников выше геометрической вследствие начального подъема факела). Концентрация примеси существенно зависит от высоты расположения нижней границы инверсии над источником. Она тем больше, чем ближе к источнику основание инверсионного слоя и чем ниже источник. Когда задерживающий слой располагается непосредственно над источником, рост максимальной приземной концентрации примесей относительно ее значения при нормальных условиях достигает 100%. Если нижняя граница приподнятой инверсии расположена на высоте 200 м и более над источником, то возрастание приземной концентрации существенно только на достаточно больших расстояниях. В городе с большим количеством источников, факелы которых налагаются друг на друга, такое возрастание может привести к значительному загрязнению воздуха. Поэтому в городе и при сравнительно высоком положении приподнятой инверсии наблюдается заметное увеличение концентраций примесей в воздухе. В случае площадных источников (ими в определенной степени аппроксимируются выбросы от бытовых и ряда других типов источников в городе) при приподнятых инверсиях концентрации могут увеличиться в 5-10 раз по сравнению с их значениями в отсутствие приподнятых инверсий.
Влияние инверсионных слоев на распространение выбросов для тяжелых примесей проявляется слабее, чем для легких, причем с ростом размера частиц примесей это влияние уменьшается.
Особенно сильное загрязнение воздуха у земли может наблюдаться, когда при холодных выбросах приподнятая инверсия, расположенная непосредственно над источником, сопровождается слабым ветром, близким к штилю, в приземном слое воздуха. В этом случае концентрации примеси могут во много раз превышать концентрации при нормальных условиях.
Опасность загрязнения воздуха значительно возрастает при туманах, над которыми часто наблюдается приподнятая инверсия. Туманы частично аккумулируют примеси из вышележащих слоев воздуха, вследствие чего происходит возрастание концентраций вредных веществ у земли. Существенную роль здесь может играть растворение примеси в каплях тумана и образование более токсичных кислот.
Оценка опасных метеорологических условий требует также учета характера неровностей подстилающей поверхности. В пониженных формах рельефа могут создаваться в 1,5-2 раза более высокие концентрации примесей, чем на ровном месте. Примерно в такой же степени приземные концентрации могут повышаться при низких выбросах примесей в районах плотной застройки.
При расположении промышленных объектов на окраине города или за его пределами большое влияние на загрязнение воздуха в жилых районах оказывает направление ветра. В этих случаях неблагоприятные условия погоды важно учитывать только при переносе примесей со стороны источников на жилые кварталы. Если воздух сравнительно редко переносится со стороны объектов на жилые кварталы, то лишь прогноз этих редких направлений ветра может являться предостережением об угрозе загрязнения воздуха.
Неблагоприятные направления в районе отдельных объектов определяются расположением соседних источников и наложением их выбросов. При таких направлениях ветра концентрации, создаваемые выбросами совокупности предприятий, являются максимальными.
Особенно важно учитывать направления ветра, которые определяют перенос примесей со стороны объекта на близлежащие участки с плотной застройкой или со сложным рельефом местности.
2.3. Неблагоприятные метеорологические условия
на больших расстояниях от источников выбросов
Таким образом, при расположении источников выбросов на большом расстоянии от городских кварталов основными метеорологическими факторами, определяющими уровень загрязнения воздуха, являются направление ветра и термическая стратификация, а также другие аномально опасные условия (штилевые слои, туманы).
3. ОБОБЩЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА ПО ГОРОДУ В ЦЕЛОМ
В результате взаимного наложения и перемешивания выбросов многих источников формируется общегородское загрязнение воздуха (по городу в целом). В связи с этим большие концентрации могут отмечаться вне зоны прямого действия отдельных источников выбросов вредных веществ в атмосферу. Загрязнение воздуха, может под влиянием метеорологических условий одновременно изменяться на всей территории города. Оно характеризуется обобщенными (интегральными) показателями, которые рассчитываются по материалам фактических наблюдений.
На сети Росгидромета в крупном городе в течение одного дня при 3-4-разовых наблюдениях выполняется более 100 отборов проб воздуха на различные ингредиенты, в том числе, 20-30 измерений концентраций отдельных примесей. По данным таких измерений рассчитываются обобщенные показатели загрязнения воздуха в городе для всего дня и для отдельных частей дня. Они рассчитываются как для отдельных примесей, так и для совокупности примесей. Ниже приводятся варианты обобщенных показателей которые могут применяться при анализе метеорологических условий загрязнения атмосферы, разработке прогностических схем и при практическом прогнозировании.
3.1. Коэффициенты разложения по естественным ортогональным функциям
Таблица 1
и среднесуточными концентрациями отдельных примесей
|
|
|
|
Город | SO  | NO | CO  |
Санкт-Петербург | 0,76 | 0,70 | 0,58 |
Чита | 0,82 | 0,84 | 0,69 |
1) количество стационарных пунктов в городе должно быть не менее трех;
2) количество наблюдений за концентрациями примесей в воздухе на всех постах в течение дня не должно быть меньше 20.
3.3. Нормированная средняя концентрация примеси в городе
Одним из интегральных показателей загрязнения воздуха какой-либо отдельной примесью может быть осредненная по всему городу и по всем срокам наблюдений данного дня или части дня концентрация примеси в воздухе. Для использования при анализе ряда наблюдений за несколько лет необходимо полученное значение нормировать на среднесезонную концентрацию. Расчет в данном случае выполняется по формуле:
4. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА ПО ГОРОДУ В ЦЕЛОМ
На загрязнение воздуха по городу в целом оказывает сложное влияние ряд метеорологических факторов. В данном разделе приводятся результаты изучения метеорологических условий загрязнения воздуха в ряде городов. Анализ показывает, что связи между уровнем концентраций и метеорологическими факторами во многих городах сходны. Это определяется некоторым сходством в структуре выбросов и использованием при выполнении разработок характеристик общегородской составляющей загрязнения воздуха. Однако при нестандартной структуре выбросов, особенно при расположении основных источников главным образом в одной части города или за его пределами, характер связей между концентрациями и метеорологическими факторами может иметь свои особенности. Для решения практических задач прогноза загрязнения воздуха нужен анализ материалов наблюдений в каждом городе в отдельности. Его результаты являются основой для разработки прогностических схем.
Ниже приводятся наиболее характерные зависимости загрязнения воздуха от метеорологических условий, полученные по материалам наблюдений в ряде городов страны.
4.1. Направление и скорость ветра
Зависимость уровня загрязнения воздуха в городе от направления ветра в ряде случаев является достаточно простой. Если предприятия располагаются на окраине или за пределами города, то концентрации в городских кварталах растут при переносе выбрасываемых примесей со стороны источников выбросов. Однако и в таких простых случаях влияние направления ветра на уровень загрязнения воздуха в городе следует специально изучать, поскольку нужно учитывать, что поток воздуха может быть искажен под влиянием сложного рельефа, водоемов, а также непосредственным тепловым воздействием крупных промышленных комплексов. Неблагоприятные направления ветра могут выявляться и при равномерном расположении источников на территории города за счет различных эффектов наложения выбросов.
В отдельных городах, имеющих форму, близкую к прямоугольнику или эллипсу, загрязнение воздуха повышено, когда ветер направлен вдоль этого прямоугольника или большой оси эллипса.
Зависимость загрязнения воздуха в городе от направления ветра проявляется также в связи с влиянием макросиноптических процессов. За счет этого неблагоприятные направления могут быть близкими в разных городах. Анализ показал, что в Москве, Санкт-Петербурге, Риге, Екатеринбурге концентрации в среднем относительно повышены при южном и юго-восточном ветре, в Алма-Ате - при восточном и юго-восточном, в Курске, Красноярске, Чите - при северо-восточном и восточном.
В условиях города выявляется наличие двух максимумов загрязнения воздуха в зависимости от скорости ветра на уровне флюгера: при штиле и при скорости ветра около 4-6 м/с, что связано с действием двух классов источников - высоких и низких. Максимум при штиле более четко проявляется при наличии приземной инверсии, максимум при умеренном ветре - при ее отсутствии (рис.4).
Рис.4. Зависимость загрязнения воздуха в Чите от скорости ветра при наличии (1)
и отсутствии (2) приземной инверсии.
|
|
|
|
|
|
|
Город | Санкт-Петербург | Алма-Ата | Красноярск | Чита | Омск | Нижний Новгород |
Значение, | 0,27 0,14 | 0,37 0,17 | 0,33 0,19 | 0,25 0,20 | 0,29 0,19 | 0,29 0,14 |
Для различных городов и сезонов характерными являются следующие закономерности:
1) при устойчивой стратификации загрязнение воздуха в городе уменьшается с усилением скорости ветра;
2) при неустойчивой стратификации максимум загрязнения отмечается при скоростях ветра, близких к опасным, для основных источников выбросов, расположенных в городе.
Скорость ветра на уровне примерно 500-1000 м может характеризовать интенсивность выноса за пределы города верхней части городской "шапки дыма". Обнаруживается, что с усилением ветра на этих высотах загрязнение воздуха в среднем несколько снижается. В то же время практически во всех рассмотренных городах выявляется эффект снижения концентраций при установлении очень слабого ветра (1-2 м/с) на указанных уровнях. Это может быть связано с увеличением подъема перегретого над городом воздуха.
4.2. Термическая устойчивость атмосферы.
Температура воздуха
1 - кривая стратификации; 2 - сухая адиабата.
В среднем загрязнение воздуха повышено, когда штиль сопровождается приземной инверсией, т.е. в ситуации застоя воздуха. При застое практически отсутствует перенос воздуха и резко ослаблено его вертикальное перемешивание.
Одним из таких факторов является термическое состояние воздушной массы, характеризующееся температурой воздуха. В зимнее время чаще всего обнаруживается повышение уровня загрязнения при понижении температуры. Это в первую очередь характерно для антициклонической погоды, когда при низких температурах воздуха устанавливается устойчивая термическая стратификация. Кроме того, при понижении температуры, увеличивается количество сжигаемого топлива и, следовательно, количество выбросов вредных веществ в атмосферу. Таким образом, рост загрязнения воздуха при понижении температуры связан не с термическим состоянием воздушной массы, а с сопутствующими факторами.
4.3. Осадки. Туманы
Осадки вымывают примеси из атмосферы. Восстановление исходного уровня загрязнения воздуха в городе происходит постепенно, примерно в течение 12 ч (табл.2).
Таблица 2
Повторяемость (%) повышенных концентраций пыли и диоксида серы
в связи с выпадением осадков в Санкт-Петербурге
|
|
|
|
|
Примесь | Время между окончанием осадков и забором проб воздуха, ч | Средняя | ||
| 0-1 | 0-12 | >12 |
|
Пыль | 5 | 13 | 22 | 17 |
Диоксид серы | 5 | 16 | 24 | 19 |
Воздух наиболее чист сразу после выпадения осадков. В первые 12 ч после их выпадения повторяемость высоких концентраций ниже, чем в последующие часы и в среднем. Анализ данных о концентрациях примесей в течение 4 ч после окончания осадков показывает, что степень очищения воздуха зависит от количества осадков - чем больше их выпадает, тем чище воздух.
Указанные зависимости относятся к общегородскому загрязнению воздуха, к концентрациям, формирующимся вне прямого воздействия источников. При непосредственном переносе выбросов со стороны объектов эффект вымывания примесей из воздуха проявляется в меньшей степени. Это показано при анализе материалов наблюдений в нескольких городах, в том числе в Магнитогорске, где рассматривались случаи, когда перенос примесей осуществлялся со стороны металлургического комбината на посты наблюдений.
В туманах загрязнение воздуха повышается. Здесь происходит поглощение примесей каплями. Однако эти примеси вместе с каплями остаются в приземном слое воздуха. За счет создания значительных градиентов концентраций (вне капель) происходит перенос примесей из окружающего пространства в область тумана. В связи с этим суммарная концентрация примесей возрастает. Значительную опасность представляет расположение над туманом факелов дыма, которые под воздействием указанного эффекта распространяются в приземный слой воздуха.
4.4. Инерционный фактор
Таблица 3
|
|
|
| В общем случае | При застое воздуха |
<0,1 | 11 | 24 |
 0,3 | 92 | 95 |
Действие инерционного фактора в значительной степени определяется метеорологической инерцией, которая означает тенденцию к сохранению атмосферных процессов, определяющих уровень концентраций. Некоторые из метеорологических факторов, влияющих на концентрации примесей в воздухе, могут быть неизвестны, и при учете установившегося уровня загрязнения воздуха они в какой-то степени учитываются автоматически. Существенную роль может играть и инерция самого загрязнения воздуха.
5. СИНОПТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА
5.1. Зависимость уровня загрязнения воздуха в городах
от синоптической ситуации
Высокий уровень загрязнения воздуха отмечается в антициклонах, которым соответствует область тепла в тропосфере. Холодные антициклоны менее опасны. Рост концентрации примесей в городском воздухе имеет место преимущественно в теплых частях антициклона. В западной, северо-западной и центральной частях ЕТС, в том числе в Санкт-Петербурге, - это западная и северо-западная периферии антициклона. При распространении на данные районы восточной периферии антициклона здесь загрязнение воздуха всегда относительно понижено.
Повышенные концентрации могут отмечаться и в малоградиентных барических полях, в первую очередь в районах с устойчиво сохраняющейся барической седловиной. Имеются данные об увеличении загрязнения воздуха в теплых секторах циклонов при отсутствии там сильного ветра и интенсивных осадков.
Концентрации в городе понижены в ситуации с активной циклонической деятельностью. Значительное загрязнение воздуха более вероятно при устойчивом сохранении заданной ситуации.
Выявлены следующие характеристики синоптических процессов, способствующие созданию относительно высокого уровня загрязнения воздуха в городах: 1) малоградиентное барическое поле; 2) антициклоническая кривизна изобар; 3) теплая воздушная масса; 4) адвекция тепла в атмосфере.
В конкретных городах в зависимости от регионального характера синоптических процессов, микрометеорологического режима, свойств выбросов, расположения источников могут быть выявлены дополнительные особенности влияния синоптических условий на загрязнение воздуха.
5.2. Синоптические условия формирования периодов
с относительно высоким уровнем загрязнения
Подобную разработку следует проводить по материалам наблюдений в каждом городе в отдельности.
Ниже приводятся результаты, полученные на основе ее выполнения по материалам 6-летних наблюдений в нескольких городах, расположенных в различных регионах (Санкт-Петербург, Донецк, Архангельск, Екатеринбург, Чита, Владивосток).
В соответствии с принятым приемом анализа информации, указанные ситуации длительностью не менее трех дней были отобраны для каждого из названных городов по всему ряду наблюдений. Некоторые уточнения к ним, полученные в результате дополнительного анализа, состояли в следующем.
Из ситуаций типа I исключены случаи формирования малоподвижных антициклонов в результате ультраполярных вторжений. В ситуации типа II не включены случаи, когда в результате локальных возмущений в районе данного города скорость ветра превышала 6 м/с. Из типа III исключены ситуации с большими градиентами давления.
Рис.6. Устойчивые синоптические ситуации, определяющие формирование длительных периодов
с относительно высоким уровнем загрязнения воздуха в городах
Таблица 4
Периоды с высоким уровнем загрязнения воздуха в городах
при неблагоприятных синоптических ситуациях на территории страны
|
|
|
|
Синоптическая ситуация | Общее число периодов | В том числе с высоким уровнем загрязнения воздуха | Повторяемость (%) периодов с высоким уровнем загрязнения воздуха |
Центральная часть малоподвижного антициклона или ось гребня | 109 | 88 | 81 |
Безградиентное барическое поле | 57 | 39 | 68 |
Западная, северо-западная, северная периферия антициклона (большая часть ЕТС, Урал) | 65 | 53 | 82 |
Южная периферия антициклона (юг ЕТС) | 15 | 14 | 93 |
Восточная периферия антициклона (Восточная Сибирь, Дальний Восток) | 37 | 30 | 81 |
Всего | 283 | 224 | 79 |
5.3. Синоптические условия формирования
аномально высокого уровня загрязнения воздуха
В городах, расположенных на Европейской территории страны (ЕТС) и на Урале, достаточно определенно выделяется ситуация с малоподвижным гребнем, направленным со стороны сибирского максимума (рис.7 а). В северо-западной части ЕТС выделяется также ситуация с западной или северо-западной периферией антициклона в сочетании со слабой циклоничностью или фронтальными разделами западнее указанной периферии (рис.7 б). В Западной Сибири (по материалам наблюдений в Красноярске) АВЗВ отмечается северо-западнее центральной области антициклона, иногда при очень слабой циклоничности на фоне сибирского максимума (рис.7 в), а в восточной Сибири (по данным наблюдений в Чите) АВЗВ чаще всего имеет место на восточной периферии антициклона при разреженных изобарах (рис.7 г).
Рис.7. Синоптические ситуации, определяющие АВЗВ в Санкт-Петербурге (а, б), Красноярске (в), Чите (г).
В летний сезон синоптические условия формирования АВЗВ оказались примерно такими же, как и в зимний. Однако летом часть случаев АВЗВ имела место в центральных областях малоподвижных слабо развитых антициклонов.
Из анализа синоптических условий формирования АВЗВ в городе следует, что оно может осуществляться только при устойчивых синоптических ситуациях. При неустойчивых процессах: быстром смещении барических образований и атмосферных фронтов, смене воздушных масс - больших концентраций примесей в городском воздухе обычно не наблюдается.
6. ПРОГНОЗ УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА
ОТ ОТДЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ И ГРУПП ИСТОЧНИКОВ
6.1. Установление неблагоприятных метеоусловий
применительно к отдельным источникам
Для основных источников выбросов вредных веществ в атмосферу проводится прогнозирование создаваемого ими уровня загрязнения воздуха. Для каждого источника устанавливаются неблагоприятные метеорологические условия (НМУ), приводящие к высоким концентрациям примесей в приземном слое атмосферы.
Определяются направления ветра, при которых в жилых кварталах создается относительно высокий уровень загрязнения воздуха, в частности в следующих случаях: 1) выбросы переносятся на городские районы от источника, расположенного на окраине или за пределами города; 2) наблюдается максимальное наложение выбросов ряда источников;
3) выбросы переносятся на районы города с плотной застройкой и со сложным рельефом местности, где под влиянием местных условий увеличивается концентрация примесей в приземном слое воздуха.
Для каждого объекта существуют свои неблагоприятные метеорологические ситуации, при которых могут формироваться большие концентрации примесей в приземном слое атмосферы. На крупных предприятиях (металлургических, нефтеперерабатывающих и др.) условия, определяющие значительное скопление примесей в приземном слое воздуха, могут быть неодинаковыми для различных цехов и производств (в связи с различиями параметров выбросов). В данном случае необходимо более детально изучить неблагоприятные метеорологические факторы и учитывать полученные особенности при обеспечении прогнозами таких объектов. При этом предупреждения о возможном росте концентраций могут относиться не ко всему предприятию, а к его отдельным производствам.
На многих объектах осуществляются неорганизованные выбросы на малой высоте. В этих случаях неблагоприятными являются ситуации застоя воздуха, причем наибольшее увеличение концентраций отмечается в прилегающих к объекту кварталах и на самом предприятии.
6.2. Характерные комплексы неблагоприятных
метеорологических условий для групп источников
При прогнозе отдельно для каждого источника учитывается возможное разнообразие поступающих в атмосферу выбросов. Однако такая задача не всегда реально осуществима в случае большого числа обслуживаемых источников. В таких условиях все источники выбросов следует разделить на группы в зависимости от их высоты и других параметров, которые определяют для каждого из них неблагоприятные метеоусловия. Составленные прогнозы или предупреждения должны относиться ко всем источникам данной группы.
При таком подходе можно прогнозировать уровень загрязнения воздуха для предприятий, расположенных не только в данном городе, но и на большой территории, например, крупного промышленного региона. Прогнозы уровня загрязнения могут составляться на всех основных предприятиях с использованием сравнительно простых соотношений, относящихся к отдельным источникам.
Для организации прогнозирования уровня загрязнения воздуха от совокупности источников проводится сбор сведений о параметрах выбросов со всех предприятий, расположенных на обслуживаемой территории. При этом выполняются следующие работы:
осуществляется критический контроль собранных данных о параметрах выбросов;
на основе выполненного анализа проводится объединение источников загрязнения воздуха в несколько групп, каждой из которых соответствуют определенные НМУ.
Для получения необходимых данных используются материалы томов предельно допустимых выбросов (ПДВ).
В случае, когда не удается собрать и проанализировать достаточно полные сведения о параметрах выбросов источников загрязнения, на первом этапе следует ориентировочно исходить из типовых комплексов неблагоприятных метеоусловий. При этом рассматриваются группы высоких источников с горячими выбросами и с холодными выбросами, а также низких источников.
Аномально неблагоприятные метеоусловия для основных групп источников приводятся в табл.5. Во многих случаях при оценке неблагоприятных метеоусловий учитываются опасные направления ветра.
Таблица 5
Аномально неблагоприятные метеоусловия для основных групп источников
выбросов в атмосферу
|
|
|
|
|
Характеристика выбросов | Термическая стратификация нижнего слоя атмосферы | Скорость ветра (м/с) на уровне | Вид инверсии, ее высота над источником | |
|
| флюгера | выбросов |
|
Горячие высокие | Неустойчивая | 3-7 Штиль | 5-10 5-10 | Приподнятая (100-300 м) |
Холодные высокие | " | 1-2 Штиль | 2-4 2-4 | Приподнятая (100-300 м) |
Низкие | Устойчивая | Штиль | Штиль | Приземная |
В дополнение к табл.5 приводятся следующие неблагоприятные комплексы метеорологических условий:
туман и штиль - для холодных выбросов, туман и скорость ветра более 2 м/с - для горячих выбросов;
штиль в сочетании с приземной инверсией - для низких источников.
Для низких источников неблагоприятными являются также условия, при которых предсказывается высокий уровень загрязнения воздуха по городу в целом.
Процедура разделения источников на группы обычно упрощается в связи с тем, что в городе чаще всего большинство источников относится к группе низких источников. К другой группе относят небольшое количество высоких труб. Иногда в отдельную группу включаются трубы городских котельных.
На основе прогноза по территории скорости и направления ветра, высоты слоя перемешивания, туманов с учетом синоптической обстановки на синоптической карте выделяются области с неблагоприятными условиями для отдельных групп источников. Предупреждение передается на то предприятие, источники выбросов которого оказываются в соответствующей области. Например, в некоторой зоне над северо-восточной частью заданного региона ожидается ветер 4-7 м/с и приподнятая инверсия с нижней границей 300-500 м. При такой ситуации предупреждения о необходимости временно снижать выбросы передаются на все расположенные в данной зоне высокие источники с нагретыми выбросами, которые в соответствии с ожидаемым направлением ветра будут переноситься на жилые кварталы. В южной части этого региона в связи с расположением оси малоподвижного гребня ожидается штиль и приземная инверсия в течение большей части суток. Здесь предупреждения относятся ко всем низким источникам (автотранспорт, мелкие котельные, низкие выбросы промышленных предприятий и др.).
6.3. Выделение неблагоприятных сочетаний направления и скорости ветра
на основе расчета уровня загрязнения воздуха от совокупности источников
Неблагоприятные сочетания направления и скорости ветра устанавливаются на основе расчета загрязнения атмосферы, создаваемого многими отдельными источниками (расчеты проводятся с помощью ЭВМ по программам, согласованным в Главной геофизической обсерватории). Данные о таких сочетаниях используются при выделении комплексов НМУ для отдельных источников с целью учета возможного влияния других источников, в первую очередь учета эффекта наложения многих выбросов. Материалы о сочетаниях направления и скорости ветра, при которых может иметь место повышенное загрязнение воздуха, необходимы также для выделения неблагоприятных ситуаций по городу в целом.
Можно выделить два способа установления неблагоприятных сочетаний направления и скорости ветра на основе расчета уровня загрязнения атмосферы. Первый из них связан с расчетом поля концентраций примесей отдельно для каждого из заранее принятых сочетаний направления и скорости ветра. Результаты расчета наносятся на карты-схемы. Устанавливаются те сочетания, при которых загрязнение воздуха является наибольшим. Выделяются районы, в которых при данном неблагоприятном сочетании отмечаются максимальные расчетные концентрации.
Рис.8. Расчетное поле относительных концентраций
(а) и 0,5 м/с юго-восточного направления (б).
Таблица 6
промышленного комплекса при различных сочетаниях направления и скорости ветра
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Скорость ветра, м/с | Направление ветра, румб | |||||||
| C | СВ | В | ЮВ | Ю | ЮЗ | З | СЗ |
0,5 | 0,30 | 0,28 | 0,36 | 0,24 | 0,26 | 0,40 | 0,28 | 0,32 |
2 | 0,48 | 0,70 | 0,70 | 0,62 | 0,50 | 0,74 | 1,00 | 0,70 |
4 | 0,56 | 0,64 | 0,80 | 0,64 | 0,58 | 0,62 | 0,97 | 0,60 |
8 | 0,42 | 0,48 | 0,54 | 0,46 | 0,44 | 0,46 | 0,64 | 0,44 |
При втором способе установления неблагоприятных сочетаний направления и скорости ветра используется вариант расчета максимальных для каждой точки расчетной сетки концентраций примесей в воздухе. Программа на ЭВМ предусматривает наряду с расчетом максимальных концентраций установление сочетаний направления и скорости ветра, при которых в каждой точке в отдельности имеет место максимальная расчетная концентрация. Пример распределения неблагоприятных направлений и скоростей ветра, рассчитанный по материалам об инвентаризации выбросов в Донецкой области, приводится на рис.9.
Рис.9. Распределение неблагоприятных сочетаний направления и скорости ветра.
Цифры - скорость ветра в м/с.
Расчеты полей концентраций в городах обоими указанными способами и установление неблагоприятных сочетаний направления и скорости ветра проводятся с использованием данных об инвентаризации выбросов. На основе таких расчетов уточняются НМУ в конкретном городе. При наличии метеорологического прогноза направления и скорости ветра определяются те районы города или области, где могут формироваться наибольшие концентрации примесей в воздухе.
7. ПРИНЦИПЫ ПРОГНОЗА УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА ПО ГОРОДУ В ЦЕЛОМ
7.1. Общие рекомендации
Основным принципом разработки вопросов прогнозирования загрязнения воздуха в городе, в том числе разработки статистических схем прогноза, является максимальный учет характера физического процесса распространения примесей в атмосфере и особенностей влияния метеорологических условий на концентрации примесей в воздухе в конкретных городах. Поэтому разработки должны проводиться по материалам наблюдений в каждом отдельном городе.
Таблица 7
Группы загрязнения воздуха по городу в целом
|
|
|
|
Номер группы | Градация параметра | Характеристика загрязнения воздуха | Средняя повторяемость, % |
I | >0,35 | Относительно высокое | 10 |
II | 0,21-0,35 | Повышенное | 40 |
III |  0,20 | Пониженное | 50 |
Разработки схем прогноза загрязнения воздуха проводятся для предсказания показателя загрязнения воздуха совокупностью примесей и отдельными примесями, наиболее характерными для данного города. Схемы следует разрабатывать отдельно по сезонам года. В связи со значительной изменчивостью метеорологического режима в течение переходных сезонов, рекомендуются три возможных варианта выполнения разработок:
для зимнего (XII-II) и летнего (VI-VIII) сезонов с использованием (после предварительной проверки такой возможности) в соседних месяцах переходных сезонов; для холодного и теплого полугодий; отдельно для всех четырех сезонов. При этом в качестве предикторов в весенний и осенний сезоны не следует использовать параметры, имеющие большой годовой ход (температуру воздуха, характеристики термической устойчивости в дневные часы).
Прогностические схемы разрабатываются отдельно по материалам наблюдений за первую и за вторую половину дня, а также для всего дня. При скользящем режиме работы стационарных постов составление схемы для 1-й половины дня проводится по данным наблюдений за 7, 10 и 13 ч, для 2-й половины дня - за 15, 18 и 21 ч. При отборах проб в постоянные сроки (7, 13, 19 ч) составление схемы для 1-й половины дня проводится по данным наблюдений за 7 и 13 ч, для 2-й половины дня - за 13 и 19 ч, для всего дня - за 7, 13 и 19 ч. При достаточном количестве наблюдений в городе (не менее чем на 8 постах) схемы могут составляться отдельно для каждого срока.
7.2. Выбор предикторов
Составлению прогностической схемы предшествует выбор предикторов. Они должны характеризовать главные метеорологические факторы, определяющие уровень загрязнения воздуха в городе, и исходное загрязнение. Предикторы выбираются на основе анализа материалов наблюдений в конкретных городах с учетом тесноты и реального вида связей между метеорологическими факторами и концентрациями примесей в воздухе. Из возможных предикторов выбирается несколько наиболее значимых.
К главным факторам, определяющим формирование уровня загрязнения атмосферы, относятся направление переноса примесей, скорость их переноса, атмосферная устойчивость и связанная с ней степень вертикального перемешивания примесей, термическое состояние воздушной массы, от которого зависит начальный подъем выбросов, вымывание примесей осадками, их аккумуляция в туманах, инерционный фактор.
Рекомендуется использовать наблюдения основной метеостанции и пункта радиозондирования, который, как правило, находится за пределами города. Это позволяет коррелировать загрязнение городского воздуха с характеристиками пограничного слоя атмосферы, не искаженными самим городом.
В качестве предиктора может использоваться и средняя скорость ветра в слое перемешивания.
Метеорологические предикторы могут быть как синхронными по отношению к срокам измерения концентраций примесей, так и асинхронными. Во втором случае сроки измерения метеорологических элементов отстоят от сроков отбора проб воздуха на 6-24 ч. Выбор асинхронных предикторов так же, как и синхронных, осуществляется с учетом тесноты связей между предшествующими метеорологическими параметрами и последующим загрязнением воздуха. Если корреляция примерно одинакова, то предпочтение отдается асинхронным предикторам, поскольку здесь отпадает необходимость предсказания метеорологических параметров и, следовательно, исключается ошибка метеорологического прогноза.
Наиболее часто применяемый в настоящее время вариант включения предикторов в прогностические схемы заключается в следующем: при разработке схем для 1-й половины дня и для всего дня в качестве предикторов принимаются характеристики пограничного слоя атмосферы за 3 ч (по данным радиозонда), а метеорологические параметры в приземном слое воздуха (по данным метеостанции) за 6 ч, для 2-й половины дня и те и другие параметры берутся за 15 ч. При таком подходе для составления прогнозов на следующий день необходимо предсказывать метеорологические предикторы. В то же время для составления уточненных прогнозов уровня загрязнения воздуха (на 6-8 ч) в схему включаются данные измерений метеорологических характеристик.
7.3. Информационные комплексные предикторы
Для повышения значимости предикторов и успешности схем прогноза уровня загрязнения воздуха используются комплексные предикторы. В частности, можно выделить комплексные предикторы на основе теории информации. Такие предикторы представляют собой линейные сочетания исходных предикторов. При их выделении учитывается влияние метеорологических условий на формирование высоких концентраций примесей в воздухе.
Наиболее информативные линейные комбинации используемых предикторов ищутся в виде
Для реализации этой задачи составлена программа на языке ГДР-алгол.
Примеры использования информативных комплексных предикторов в схемах прогноза приводятся в подразделе 8.2.
7.4. Количественный синоптический предиктор
Для учета в прогностических схемах зависимости уровня загрязнения воздуха от синоптических условий вводится количественный синоптический предиктор. Одной из возможностей получения такого предиктора является кодировка типов ситуаций баллами. Меньший балл приписывается тем типам синоптических процессов, которые в наибольшей степени определяют высокий уровень загрязнения атмосферы в данном городе. Пример типизации синоптических процессов для Москвы приводится в табл.8. Здесь баллы устанавливаются от 3 до 10 в соответствии с предварительным анализом влияния синоптических условий на уровень загрязнения воздуха в конкретном городе.
Таблица 8
Числовые характеристики синоптических процессов применительно к Москве
|
|
Цифры кода | Типы синоптических ситуаций |
3 | Малоподвижные антициклоны и гребни, сместившиеся с юга (продолжительность 1,5 сут и более) |
4 | Западная периферия антициклона или гребня (независимо от скорости ветра) при траекториях из юго-восточного сектора при адвекции тепла в слое до 1,5 км |
5 | 1. Передняя часть циклона (ложбины) при траекториях из юго-восточного сектора при адвекции тепла
2. Малоподвижный небольшой по площади циклон, в котором циркулирует одна и та же воздушная масса |
6 | Размытые поля высокого и низкого давления с ветром переменных направлений |
7 | Периферии барических образований продолжительностью 1,5 сут и более при скорости ветра 4 м/с |
8 | Центры или периферии барических образований продолжительностью менее 1,5 сут и скорости ветра 4 м/с |
9 | Центры или периферии барических образований любой продолжительности и скорости ветра 5 м/с |
10 | 1. Быстродвижущиеся барические образования или чередование ложбин и гребней 2. Ультраполярное или северное вторжение воздушной массы |
Другой способ установления количественного синоптического предиктора заключается в следующем. По материалам наблюдений в данном конкретном городе проводится детальный анализ синоптических условий загрязнения атмосферы. По результатам такого анализа проводится типизация синоптических ситуаций.
Особое внимание следует обратить на ситуации, с которыми связано формирование длительных периодов с высоким уровнем загрязнения воздуха и случаев с экстремально высоким уровнем. Учитывается, что в первый день неблагоприятной ситуации уровень загрязнения воздуха в городе может не быть высоким. Он не достигает высокого уровня, если такая ситуация продолжается не более 1-1,5 сут. Учитываются выводы о формировании относительно низкого уровня загрязнения воздуха при активной циклонической деятельности, при быстром перемещении через данный район циклонических и антициклонических образований, а также при других ситуациях, которые выделяются по материалам наблюдений в конкретных городах.
Остальные ситуации могут быть отнесены к различным перифериям циклона и антициклона. В некоторых случаях целесообразно отдельное рассмотрение теплого сектора циклона и тыла циклона.
При таком подходе сама типизация учитывает влияние синоптических условий на уровень загрязнения воздуха в данном конкретном городе. Типизация должна быть выполнена таким образом, чтобы любая синоптическая ситуация за все без исключения дни могла бы быть отнесена какому-нибудь типу.
После установления типов синоптических ситуаций для каждого из них рассчитывается среднее значение обобщенного по городу показателя загрязнения воздуха, которое и является количественной характеристикой ситуации или количественным синоптическим предиктором Sn.
Таблица 9
|
|
|
|
|
|
Город | Характеристика ситуаций | Совокупность примесей | SО | NO | Количество случаев |
Санкт-Петербург | Малоподвижный гребень, ориентированный с востока или юго-востока | 41 | 71 | 41 | 6 |
| Периферия антициклона З и СЗ с циклонической циркуляцией и фронтами, захватывающими более западные районы (Скандинавский полуостров, Балтийское море) | 38 | 59 | 21 | 10 |
| Стационарный антициклон, другие малоподвижные гребни | 23 | 27 | 41 | 10 |
| Малоградиентное поле | 28 | 32 | 30 | 10 |
| Периферия антициклона З и СЗ | 24 | 30 | 27 | 24 |
| Первый день существования предыдущих ситуаций, включая случаи быстрого перемещения антициклонов и гребней | 16 | 20 | 17 | 22 |
| Периферия антициклона (кроме З и СЗ) | 16 | 15 | 6 | 27 |
| Периферия циклона В, ЮВ, ЮЗ, З | 14 | 20 | 17 | 88 |
| Периферия циклона СЗ, С, СВ | 9 | 10 | 8 | 7 |
| Циклон | 11 | 9 | 12 | 43 |
| Теплая воздушная масса в сочетании с ложбиной или очагом холода на ОТ  | 11 | 20 | 7 | 21 |
Екатеринбург | Малоподвижный гребень, ориентированный со стороны азиатского максимума | 44 |
|
| 8 |
| Стационарный антициклон, другие малоподвижные гребни | 20 |
|
| 7 |
| Малоградиентное поле | 17 |
|
| 14 |
| Первый день существования малоподвижного антициклона или гребня | 13 |
|
| 5 |
| Периферия антициклона В, ЮВ, Ю, ЮЗ | 19 |
|
| 18 |
| Периферия антициклона З, СЗ, С, СВ | 13 |
|
| 42 |
| Далекая периферия обширного циклона | 25 |
|
| 12 |
| Периферия циклона | 13 |
|
| 51 |
| Процесс с быстрым перемещением барических образований | 6 |
|
| 29 |
На стадии разработки схемы за каждый день используемого ряда наблюдений устанавливается тип синоптической ситуации и записывается среднее значение параметра загрязнения при данном типе, которое и представляет собой значение количественного синоптического предиктора данного дня.
7.5. Определение значимости предикторов
Для количественной оценки значимости предиктора в случае сложной связи может быть предложено два способа.
Второй способ оценки значимости предикторов связан с расчетом корреляционного отношения между предиктором и предиктантом:
|
|
|
|
|
|
|
Предиктор | | Sn |  | | | |
| 0,63 | 0,71 | 0,37 | 0,36 | 0,23 | 0,12 |
7.6. Прогностические правила
После выполнения предварительных разработок устанавливаются прогностические правила, основанные на изучении комплексов метеорологических параметров и синоптических ситуаций, определяющих уровень загрязнения воздуха. Такие комплексы и ситуации определяются на основании анализа связей между интегральным показателем загрязнения воздуха в городе и метеорологическими факторами. Существенными в практическом отношении являются выводы о возможном росте или уменьшении уровня загрязнения воздуха в связи с изменениями метеорологических характеристик.
Можно сформулировать ряд правил, которые оказались сходными для группы городов.
5) скорость ветра 0-1 м/с сопровождается туманом;
Высокие уровни загрязнения воздуха не наблюдаются:
1) если в холодную половину года, а также летом в ночные и утренние часы при скорости ветра 0-1 м/с отсутствует приземная инверсия;
2) при быстром перемещении антициклонов и гребней.
1) ветер на уровне флюгера превышает 5-6 м/с;
2) выпадение умеренного или сильного дождя (при выпадении снега очищение воздуха происходит менее эффективно, чем при дожде);
4) выход в рассматриваемый район развитого циклона.
Оправдываемость указанных правил в случае прогноза высокого уровня загрязнения воздуха составляет около 70%, а в случае прогноза его отсутствия или пониженного загрязнения воздуха - более 90%. Это существенно выше оправдываемости случайных и инерционных прогнозов.
В практической работе следует использовать качественные выводы о возможном изменении уровня загрязнения воздуха, полученные на основании физических исследований и анализа фактического материала. К повышению уровня загрязнения воздуха приводят:
1) усиление устойчивости нижнего слоя атмосферы при слабом ветре (за счет вклада низких выбросов);
2) ослабление ветра при устойчивой термической стратификации;
3) усиление ветра от 0 до 3-6 м/с при неустойчивой стратификации;
4) повышение температуры воздуха при слабом ветре (не более 5 м/с);
5) образование туманов;
6) увеличение антициклонической кривизны приземных изобар;
7) адвекция тепла в тропосфере.
К снижению уровня загрязнения воздуха приводят:
1) усиление ветра при устойчивой термической стратификации;
2) выпадение осадков;
3) увеличение циклонической кривизны приземных изобар;
4) адвекция холода в тропосфере;
5) прохождение холодного фронта.
Прогностические правила устанавливаются по материалам наблюдений в каждом городе и являются дополнением к статистическим схемам, которые рассмотрены в разделе 8.
8. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗРАБОТКЕ СХЕМ ПРОГНОЗА
УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА ПО ГОРОДУ В ЦЕЛОМ
8.1. Использование метода распознавания образов
Близость между ситуацией конкретного дня и характерной ситуацией группы определяется по так называемому расстоянию между ними.
В табл.10 показана форма записи материалов для I группы загрязнения воздуха. Данные других групп записываются аналогичным образом.
Таблица 10
Форма записи значений предиктанта и предикторов для I группы загрязнения воздуха
|
|
|
|
|
|
Параметр | Предиктор | ||||
| | м/с | м/c | ° С | ° С |
0,58 | 0,32 | 3 | 7 | -2 | -15 |
0,43 | 0,48 | 0 | 6 | -12 | -9 |
 |
|
|
|
|
|
0,28 | 0,19 | 2 | 9 | 0 | -18 |
0,27 | 0,34 | 1 | 4 | -4 | -7 |
 | 0,31 | 1,44 | 6,1 | -1,6 | -25 |
 | 0,10 | 2,4 | 3,4 | 4,0 | -8,2 |
Таблица 11
в группах высокого (I), среднего (II) и пониженного (III) уровней загрязнения воздуха
|
|
|
|
|
|
|
Группа загрязнения воздуха | Количество случаев | Предиктор | ||||
|
| | м/с | м/c | ° С | ° С |
I | 22 | 0,31/0,10 | 1,44/2,4 | 6,1/3,4 | -1,6/4,0 | -25/8,2 |
II | 28 | 0,17/0,10 | 1,85/2,3 | 8,7/4,6 | -1,3/4,3 | -20/9,7 |
III | 21 | 0,15/0,08 | 6,25/5,2 | 13,3/4,4 | -1,4/3,5 | -15/11,9 |
По формуле (18) рассчитываем
Недостатком данного метода является неполный учет влияния метеорологических условий на уровень загрязнения воздуха при сложных связях. В этом случае (например, при двух максимумах) в одной группе могут оказаться существенно различные метеорологические ситуации. Поэтому при применении данного метода целесообразно использовать предикторы, зависимость которых от характеристик загрязнения воздуха является монотонной. Эффективность метода может возрасти при использовании количественного синоптического предиктора.
8.2. Метод последовательной графической регрессии
Рассмотрим процедуру проведения изолиний соответствующих характеристик загрязнения воздуха на графиках.
Для преодоления трудностей и элементов субъективизма при разработке прогностической схемы предлагается следующая процедура:
1) в соответствии с ранее данными рекомендациями проводится отбор предикторов;
2) по используемому ряду наблюдений изучаются связи между предиктантом и включенными в схему предикторами;
3) на графики наносятся ежедневные значения обобщенного показателя загрязнения воздуха в городе, обусловленные значениями используемых предикторов;
8) на окончательном графике выделяются три области, соответствующие трем группам загрязнения воздуха, и проводятся изолинии обобщенного показателя загрязнения.
при наличии (1) и при отсутствии (2) приземной инверсии.
Рис.14. Окончательный график.
Примеры составления прогностической схемы
методом последовательной графической регрессии
Рис.15. Графики для предсказания загрязнения воздуха в Донецке зимой.
или
где
Для утреннего и дневного сроков
для вечернего срока
На рис.16 и 17 приводятся схемы, разработанные для утренних и дневных сроков. На графиках выявляются основные особенности влияния метеоусловий на загрязнение воздуха в Москве (формирование высокого уровня загрязнения в условиях застоя, при ветре юго-восточного направления, при определенных синоптических ситуациях и др.).
Рис.16. Схема прогноза загрязнения воздуха в Москве в дневные часы.
Рис.17. Схема прогноза загрязнения воздуха в Москве в вечерние часы.
Рис.18. Схема прогноза загрязнения воздуха в Чите с учетом информативности предикторов
по отношению к максимальным концентрациям.
Рис.19. Схема прогноза загрязнения воздуха с использованием синоптического предиктора,
составленная по материалам наблюдений в Екатеринбурге.
Оптимальный вариант прогностической схемы с использованием метода последовательной графической регрессии выбирается в каждом городе в отдельности на основе предварительного анализа связей и с учетом особенностей данного города. По имеющимся данным, оправдываемость прогнозов уровня загрязнения воздуха, составленных по схеме последовательной графической регрессии, в среднем более чем на 10% превышает оправдываемость прогнозов, составленных по схеме распознавания образов.
8.3 Метод множественной линейной регрессии
8.3.1. Общий вариант
для Москвы
Холодный период года
2-я половина дня (сроки 13 и 19 ч)
Утро (7-часовой срок)
Теплый период года
2-я половина дня (сроки 13 и 19 ч)
Утро (7-часовой срок)
Для Самары
Для Минска
В результате составляется простое регрессионное уравнение, на основе которого по известным значениям предикторов (прогностическим или измеренным) легко рассчитывается ожидаемое значение показателя загрязнения воздуха в городе. Недостатком схемы является возможность учета только линейной корреляции, хотя реально связи имеют нередко более сложный характер. Предиктор может включаться в схему множественной линейной регрессии только в том случае, если между ним и предиктантом имеется значимая линейная корреляция.
8.3.2. Вариант с исключением нелинейности связей
Практические приемы исключения нелинейности связей
и последующей разработки прогностических схем
Таблица 12
Весовые коэффициенты уравнений регрессии
|
|
|
|
|
|
Предиктант | |  |  |  |  |
| -0,22 | 0,70 | 0,27 | 0,44 | 0,52 |
| -0,04 | 0,84 | 0,19 | 0,36 | 0,18 |
При общей высокой успешности данной схемы оправдались все три прогноза АВЗВ.
8.4. Метод дискриминантного анализа
для Москвы
Теплый период года (апрель-сентябрь)
Холодный период года (октябрь-март)
Для Самары
Для Минска
Таблица 13
Оправдываемость (%) прогнозов загрязнения с использованием дискриминантного анализа.
Июль 1989 года- июнь 1990 года. Москва
|
|
|
Время, на которое составляется прогноз | Прогнозы | |
| методические | инерционные |
На текущий день | 96 | 90 |
На утро следующих суток | 85 | 80 |
На дневные часы следующих суток | 84 | 80 |
Из табл.13 видно, что при высокой в целом оправдываемости прогнозов она снижается с увеличением заблаговременности. Это в первую очередь связано с уменьшением влияния инерционного фактора. Кроме того, снижается точность метеорологического прогноза.
Для теплой части года уравнения имеют вид:
для холодной части года:
8.5. Прогноз длительных периодов с относительно
высоким уровнем загрязнения воздуха в городе
В связи с устойчивостью макрометеорологических процессов и сохранением в течение нескольких суток определенных условий погоды в ряде случаев в городах имеют место длительные периоды с относительно высоким уровнем загрязнения воздуха (ВУЗВ). В течение сезона в среднем наблюдается 2-3 таких периода. Их продолжительность составляет чаще всего 3-5 дней, но в отдельных случаях достигает 10 и более дней.
Определение синоптических условий формирования периодов с ВУЗВ и установление признаков для их прогноза проводится для условий отдельных регионов и городов. Рекомендации для выделения периодов с ВУЗВ и анализа синоптических процессов, с которыми связано их формирование, были приведены в подразделе 6.2. Там же изложены результаты разработок, выполненных по материалам наблюдений в ряде городов.
Для предсказания неблагоприятных ситуаций, к которым, как уже было отмечено, относятся малоподвижные антициклоны и гребни, безградиентные барические поля и некоторые периферии антициклона, следует в первую очередь воспользоваться среднесрочным прогнозом поля давления и метеорологических элементов. В то же время полезно выполнить специальные разработки для определения в текущем синоптическом процессе признаков последующего формирования неблагоприятной ситуации.
На первом этапе анализируются синоптические процессы, предшествующие в течение трех дней формированию неблагоприятной ситуации. Отыскиваются характерные признаки, которые могли бы указать на осуществление в последующем указанной ситуации. Затем по всему используемому материалу отбираются процессы, содержащие эти признаки. Устанавливается, в какой степени исходная синоптическая обстановка может определять формирование данной неблагоприятной ситуации. Проводится уточнение найденных прогностических признаков.
В качестве примера рассмотрим выявленные признаки формирования в районе Санкт-Петербурга стационарного антициклона, с которым связаны длительные периоды с ВУЗВ в холодную часть года. Эти признаки состоят в следующем:
1) исландский минимум не распространяется на Европейский континент. Циклоны над Северной Атлантикой могут перемещаться при этом в различных направлениях. Иногда депрессия бывает многоцентровой, но сохраняется указанный выше главный признак;
2) в центральной или в юго-восточной части ЕТС располагается антициклон или имеет место выход антициклона в эти районы;
Под блокирующим максимумом понимается барическая система, включающая высотный антициклон и высотный циклон в более южных районах. Такая система устойчива во времени. При этом ведущий западный перенос раздваивается, огибая блокирующий максимум с севера и с юга.
Рис.21. Схема синоптического процесса, предшествующего формированию
стационарного антициклона на северо-западе ЕТС.
1 и 2 - направление перемещения циклонов и антициклонов;
3 и 4 - районы расположения малоподвижных антициклонов и циклонов.
стационарного антициклона на северо-западе ЕТС, с блокирующим максимумом западнее Санкт-Петербурга.
Выделено 26 синоптических процессов, содержащих указанные признаки. Во всех без исключения случаях за этими процессами следовало формирование стационарного антициклона на северо-западе ЕТС. В 22 случаях из 26 после процессов имели место периоды ВУЗВ в Санкт-Петербурге.
Очевидно, что для различных регионов и городов признаки формирования неблагоприятных ситуаций будут различаться, однако могут выявляться и некоторые общие черты.
Прогнозы периодов ВУЗВ уточняются при одновременном учете суточных прогнозов загрязнения воздуха в городе. Так, если при обнаружении признаков формирования неблагоприятной ситуации на ближайшие сутки не ожидается высокого уровня загрязнения, то период ВУЗВ начнется позднее.
9. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОГНОЗУ КОНЦЕНТРАЦИЙ ПРИМЕСЕЙ В ВОЗДУХЕ
9.1. Прогноз концентрации примесей в воздухе,
создаваемой отдельными источниками и группой источников
9.2. Прогноз концентраций примесей в воздухе в городе
Таблица 14
|
|
|
|
|
Примесь | Стационарный пост | |||
| 1 | 2 | 3 | … |
Пыль | 0,9 | 0,8 | 1,2 |
|
Диоксид серы | 0,36 | 0,51 | 0,42 |
|
При оперативном прогнозировании загрязнения воздуха по городу в целом такая таблица составляется ежемесячно по способу, указанному в подразделе 7.1.
10. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ
10.1. Синоптический способ прогноза изобарической поверхности 925 гПа
Прогностические карты геопотенциала на уровне поверхности 925 гПа с заблаговременностью 24 и 36 ч в оперативном режиме составляются в Росгидрометцентре по численной схеме "Регион" и передаются на сеть по каналам связи. Аналогичные карты составляются по другой численной схеме в г. Новосибирске (ЗапСибНИГМИ). Однако и те и другие карты имеют ограниченную территорию применения.
1 - холодный период, 2 - теплый период.
10.2. Прогноз температуры и дефицита влажности на уровне 925 гПа
Рис.24. Графики для определения трансформационных изменений температуры воздуха
на уровне 925 гПа за сутки. Весна.
1 - облачно; 2 - малооблачно.
Рис.25. Графики для определения трансформационных измерений температуры воздуха
на уровне 925 гПа за сутки. Лето.
1 - облачно; 2 - малооблачно.
Рис.26. Графики для определения трансформационных изменений температуры на уровне 925 гПа за сутки. Осень.
Облачно: 1 - Ю, ЮВ, ЮЗ; 2 - С, СЗ, СВ, З, В;
малооблачно: 3 - Ю, ЮВ, ЮЗ; 4 - С, СЗ, СВ, З, В.
Рис.27. Графики для определения трансформационных изменений температуры воздуха
на уровне 925 гПа за сутки. Зима.
Облачно: 1 - Ю, ЮВ, ЮЗ; 2 - С, СВ, СЗ, З, В (независимо от облачности);
малооблачно: 3 - Ю, ЮВ, ЮЗ.
Прогноз температуры и дефицита влажности на изобарической поверхности 925 гПа при наличии графиков трансформационных изменений осуществляется следующим образом.
1. На текущий день (заблаговременность 12 ч):
Прогностическое значение дефицита влажности в пункте прогноза берется равным его адвективному значению.
2. На ночь следующих суток (заблаговременность 24 ч).
Прогнозируемое значение дефицита влажности берется равным его адвективному значению.
3. На день следующих суток (заблаговременность 36 ч).
Определяется начальная точка траектории, которая строится тремя отрезками:
второй 18-часовой отрезок - по прогностическому полю на 24 ч вперед;
При отсутствии трансформационных графиков для уровня 925 гПа прогноз температуры и дефицита влажности на изобарической поверхности 925 гПа составляется на основе детального построения траектории (шагом по 6 ч) с последующим снятием вдоль нее температуры или дефицита влажности и их осреднением. При таком приеме трансформационные изменения учитываются автоматически.
Рис.28. Прогностическая траектория на 12, 24, 36 ч.
10.3. Определение толщины слоя термодинамического перемешивания
Слоем термодинамического перемешивания называется слой с положительной энергией неустойчивости.
Максимальная толщина слоя перемешивания на текущий день определяется по аэрологической диаграмме за утренний срок с учетом ожидаемой максимальной температуры воздуха.
Для оценки вклада слоя перемешивания в формирование метеорологических условий, способствующих загрязнению, недостаточно определять только экстремальные значения толщины слоя, следует рассчитывать среднее значение для дня и ночи.
При определении степени устойчивости атмосферы и ее термодинамического состояния на текущий день большую помощь оказывают наблюдения за температурой и ветром на высотных метеокомплексах и телевизионных мачтах.
В тех случаях, когда на аэрологической диаграмме видна безразличная стратификация атмосферы или кривая состояния проходит не более чем на 1 °С левее кривой стратификации, верхняя граница слоя перемешивания находится на той высоте, на которой эти условия нарушаются.
10.4. Прогноз ветра на изобарической поверхности 925 гПа и у поверхности земли
Прогностическое значение скорости ветра у поверхности земли берется из прогнозов погоды общего пользования, а также из специализированных прогнозов слабого ветра.
10.5. Определение средней скорости ветра
в слое термодинамического перемешивания
Средняя скорость ветра в слое перемешивания рассчитывается или на основании данных о фактическом распределении ветра в этом слое или на основании прогнозов ветра различной заблаговременности у поверхности земли и на уровнях 925 и 850 гПа.
если же она близка к уровню 925 гПа, то формула примет вид:
10.6. Определение типа синоптической ситуации
Циркуляционный фактор (синоптический процесс) оценивается качественно или кодируется по табл.8.
11. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮ
УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА
11.1. Организация работ
Как правило, прогноз составляется в прогностическом центре для обслуживаемой территории. При необходимости работы по прогнозу загрязнения воздуха могут быть организованы и в отдельных городах данной территории.
При проведении работ по прогнозированию загрязнения воздуха и организации этих работ в городах, где ранее они не велись, необходимо исходить из следующих положений:
1) в городах, где регулярные наблюдения за концентрациями нескольких примесей проводятся не менее чем на трех постах, разрабатываются статистические схемы и на их основании проводится прогнозирование загрязнения воздуха по городу в целом. Одновременно в таких городах осуществляется прогноз загрязнения от отдельных источников.
Если постов в городе не менее семи, то дополнительно разрабатываются прогностические схемы и проводится практическое прогнозирование по городу в целом для отдельных примесей;
2) в городах, где регулярные наблюдения за концентрациями проводятся на одном-двух постах, основным является прогнозирование уровня загрязнения воздуха от отдельных источников. Одновременно на основе предварительных разработок прогнозируются метеорологические и синоптические условия, определяющие высокие и низкие уровни загрязнения в городе;
3) в городах, где отсутствуют регулярные наблюдения за концентрациями, но известно (на основе расчетов, эпизодических измерений или качественной оценки), что состояние воздушного бассейна неблагополучно, прогнозирование проводится для отдельных источников, определяющих уровень загрязнения воздуха.
Для каждого источника определяются опасные скорость и направление ветра. При выборе источников для обслуживания предпочтение отдается предприятиям, расположенным на окраине или за пределами города, поскольку в этом случае проще предсказание опасных условий загрязнения воздуха. В конечном счете должны быть охвачены все источники выбросов, дающие вклад в создание приземных концентраций. В соответствии с рекомендациями, изложенными в разделе 8, по данным наблюдений не менее чем за 3 года составляется статистическая схема для прогноза загрязнения воздуха по городу в целом. Затем по имеющимся материалам проводится проверка и уточнение прогностических правил.
При ежедневном оперативном прогнозировании наряду с прогностической схемой и прогностическими правилами (комплексами предикторов и синоптическими ситуациями) используются изложенные в подразделе 7.6 качественные правила, указывающие на возможные изменения уровня концентраций. Использование прогностических правил для практического предсказания уровня загрязнения воздуха имеет особенно большое значение в тех городах, где данных регулярных измерений недостаточно для составления статистической схемы.
11.2. Работа прогностических подразделений
Прогнозы загрязнения воздуха составляются специально выделенными в каждом управлении по гидрометеорологии и мониторингу природной среды группами. Группы могут создаваться и в периферийных центрах по гидрометеорологии. Однако здесь допускается ограничиться назначением ответственного за прогнозирование загрязнения воздуха и подключением к этой работе дежурных инженеров-синоптиков.
Перед составлением прогноза загрязнения воздуха предварительно выполняются два вида работ:
1) предсказываются необходимые для прогноза загрязнения воздуха метеорологические условия. В первую очередь рассматривается имеющийся прогноз общего пользования. По возможности уточняется прогноз отдельных метеоэлементов: направления и скорости ветра, температуры воздуха и др. При этом учитываются прогностические синоптические карты, в том числе полученные на основе численного прогноза. Специально для данной задачи предсказывается термическая стратификация атмосферы, в том числе приземные и приподнятые инверсии, толщина слоя перемешивания в различные часы суток, скорость ветра на уровне 925 гПа;
2) проводится тщательный анализ всей исходной информации о загрязнении воздуха на территории обслуживаемых городов различными примесями, в том числе специфическими вредными веществами. К прогнозисту должна поступать вся информация о концентрациях примесей в воздухе в исходный момент времени, в том числе данные наблюдений со стационарных и маршрутных постов, подфакельные наблюдения. Устанавливаются районы городов, где отмечаются высокие концентрации различных примесей в воздухе. По возможности определяются источники, являющиеся виновниками создания таких концентраций. Для этого у прогнозиста должны быть сведения о расположении основных источников загрязнения воздуха в городе, об их параметрах выбросов, в первую очередь о количестве поступающих в атмосферу примесей, в том числе специфических, о высоте их поступления.
После выполнения указанных предварительных работ составляется непосредственно прогноз загрязнения воздуха. Параллельно и независимо друг от друга составляются прогнозы загрязнения двух видов: от отдельных источников и по городу в целом.
При составлении прогноза для отдельных источников сначала предсказываются все метеорологические параметры, входящие в неблагоприятные комплексы. На этом основании делается вывод о возможности формирования высоких уровней загрязнения воздуха за счет выбросов обслуживаемых объектов.
Прогноз загрязнения воздуха по городу в целом составляется с использованием статистической схемы и прогностических правил.
Прогнозы составляются 2 раза в сутки: утром (до 10 ч) на текущий день и во второй половине дня (в 13-15 ч) на следующий день. Одновременно с прогнозом на следующий день составляется уточненный прогноз на конец дня и на вечер. Если ожидается высокий уровень загрязнения воздуха, то вместе с прогнозом дается предупреждение, которое направляется потребителям. Если как по городу в целом, так и для отдельных источников высокого загрязнения воздуха не ожидается, то результаты прогноза записываются в журнал и потребителям не передаются.
После передачи потребителям предупреждения об ожидаемом опасном загрязнении воздуха, начиная с момента наступления его срока, в прогностическом центре устанавливается контроль за изменениями метеорологических и аэрологических характеристик, определяющих опасную метеорологическую ситуацию. В прогностический центр должна поступать информация о скорости и направлении ветра у земли и в нижнем слое атмосферы (до 300-500 м), а также о вертикальном распределении температуры в указанном слое с ближайшей метеостанции, с пункта шаропилотных наблюдений, с пункта радиозондирования, а также с телебашни, если на ней ведутся метеорологические наблюдения.
По данным аэрологических наблюдений прослеживается последовательное изменение скорости ветра, ведущее к штилевым условиям, определяется верхняя граница штилевой зоны, делается заключение о направленности изменений скорости ветра, о наличии инверсии и ее положении относительно эффективной высоты источника.
Контроль за метеорологическими условиями продолжается до исчезновения опасной ситуации.
Одновременно осуществляется непрерывный контроль за состоянием загрязнения воздуха в обслуживаемых городах, происходящими изменениями уровня загрязнения воздуха различными примесями.
Наряду с указанными работами специалисты прогностических групп анализируют эффективность предупреждений (см. раздел 14). Анализ проводится с использованием данных о концентрациях примесей в воздухе, об интегральных показателях загрязнения воздуха, а также сведений о реальном выполнении мероприятий при НМУ.
Проводится оценка прогнозов загрязнения воздуха, специально выполняется анализ неоправдавшихся прогнозов и непредсказанных опасных эпизодов.
В связи с региональным характером прогнозирования загрязнения воздуха специалисты выполняют работы по составлению и усовершенствованию схем прогноза, по детализации прогнозов, повышению их заблаговременности, увеличению точности. Совместно с сотрудниками подразделений Минэкологии они участвуют в согласовании разработанных на предприятиях мероприятий по регулированию выбросов. Определяется достаточность мероприятий для уменьшения загрязнения воздуха до необходимого уровня.
Специалисты по прогнозу загрязнения воздуха осуществляют методическое руководство данными работами в периферийных подразделениях на обслуживаемой территории.
11.3. Порядок работы подразделений, анализирующих пробы воздуха.
Взаимодействие с прогностическими подразделениями
Важным условием успешного прогнозирования загрязнения воздуха в городе является своевременное поступление к прогнозисту оперативной информации о загрязнении воздуха.
Требуется информация двух видов:
1) ежедневная оперативная информация, необходимая для расчета обобщенной характеристики загрязнения воздуха по городу в целом и для оценки сложившейся обстановки в городе;
2) результаты дополнительных измерений концентраций примесей в воздухе, проводимых в периоды действия предупреждений о возможном росте загрязнения.
Это представляет определенные требования к подразделениям, которые анализируют пробы воздуха.
Основное из них заключается в оперативном анализе проб воздуха и представлении результатов анализа в прогностическое подразделение к необходимому сроку.
При ручном химическом анализе проб воздуха результаты анализа должны поступать к прогнозисту не позднее, чем через 4 ч после выполнения измерений. Для выполнения такого требования рекомендуется организовать двухсменную работу химической лаборатории. При ее работе в одну смену результаты измерения концентраций за 7 ч текущего дня и 19 ч предыдущего дня поступают к прогнозисту к 11 ч, за 13 ч - к 17 ч. Указанный подход сохраняется при выполнении измерений по скользящему графику.
При наступлении срока действия предупреждения о высоком уровне загрязнения воздуха в городе проводятся учащенные наблюдения за концентрациями примесей в воздухе. На стационарных постах города наблюдения проводятся через каждые 3 ч в течение всего периода действия предупреждения.
В случае, когда ожидается высокий уровень загрязнения воздуха от отдельных источников, сотрудниками химических лабораторий проводятся учащенные наблюдения за концентрациями основных выбрасываемых примесей под факелами предприятий. Отбор проб проводится не менее чем в двух точках вблизи ожидаемого максимума концентраций. Отобранные пробы как на стационарных постах, так и под факелами источников доставляются в химлабораторию, где немедленно анализируются, значения концентраций сообщаются в прогностический центр. Подфакельные наблюдения следует проводить через 2 ч в течение периода сохранения опасных метеорологических условий.
Если стационарные посты, имеющиеся в городе, попадают в зону максимальных значений концентраций от факела промышленного предприятия, то на таких постах наблюдения проводятся через каждые 3 ч в течение всего периода сохранения неблагоприятной ситуации для данного предприятия.
Сотрудники подразделений, анализирующие пробы воздуха, участвуют в работе по передаче предупреждений потребителям.
11.4. Использование данных автоматизированных систем контроля
загрязнения атмосферы в целях уточнения прогнозов загрязнения воздуха
Данные о концентрациях тех примесей, которые не измеряются автоматизированной системой, поступают к прогнозисту в соответствии с изложенным в подразделе 11.3 порядком и также учитываются при составлении прогноза, в частности используются при оперативном расчете обобщенных по городу показателей загрязнения воздуха.
Автоматизированная система контроля загрязнения атмосферы включает в себя прогностический блок. В этот блок входят расчет обобщенного показателя загрязнения воздуха по городу в целом и составление статистического прогноза. Такой прогноз выдается не менее 4 раз в сутки, из них 2 раза - в периоды составления основного и уточненного прогноза. Если концентрации всех примесей измеряются автоматически, то можно ограничиться теми прогнозами, которые выдает система. Прогнозист в дополнение к данному прогнозу только анализирует возможные резкие изменения метеорологических условий (выход активного циклона, прохождение фронта и др.) и определяет их влияние на уровень загрязнения воздуха. Если с помощью системы измеряются концентрации части примесей, а остальные определяются ручными способами, то прогнозы составляются установленным порядком с дополнительным учетом результатов работы автоматизированной системы.
Для составления прогнозов загрязнения воздуха с использованием автоматизированной системы применяются статистические схемы, в том числе рекомендуемые в данном Руководстве схемы, разработанные по методу множественной линейной регрессии с предварительным исключением нелинейности связей и по методу распознавания образов.
12. СОСТАВЛЕНИЕ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЙ
ОБ ОПАСНОМ УРОВНЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА
Составляются два вида предупреждений о возможном формировании опасного уровня загрязнения воздуха: от одиночных источников и по городу в целом. Обычно предупреждения составляются одновременно с основным или уточненным прогнозом, однако они могут составляться в любую часть суток по мере возникновения угрозы значительного загрязнения. Заблаговременность предупреждения не превышает 36 ч. Предупреждения передаются подразделениями Росгидромета руководящим органам городов, на предприятия, являющиеся источниками загрязнения приземного слоя воздуха, а также контролирующим организациям (подразделениям Минэкологии, СЭС, ГАИ и др.).
Основанием для передачи потребителям предупреждения являются ожидаемые неблагоприятные метеоусловия (НМУ), при которых могут возникнуть относительно высокие уровни загрязнения воздуха, в том числе, превышающие ПДК концентрации.
Предупреждения составляются с учетом возможного наступления трех степеней опасности, которым должны соответствовать определенные режимы работ промышленных предприятий.
В подразделах 12.1, 12.2 рассматриваются критерии, в соответствии с которыми даются предупреждения каждой из указанных степеней опасности.
12.1. Составление предупреждений для отдельных источников
Предупреждения составляются независимо от того, расположен ли источник изолированно или в окружении других источников. Предсказываются и учитываются на основе расчетов только те концентрации, которые создаются обслуживаемым предприятием.
Предупреждение первой степени опасности дается, когда предсказывается один из неблагоприятных комплексов метеоусловий, приведенных в разделе 1.
Если обслуживаемое предприятие расположено в городе, где отсутствуют измерения концентраций примесей в воздухе, то предупреждения третьей степени опасности не составляются.
12.2. Составление предупреждений по городу в целом
Основанием для передачи предупреждений о высоком уровне загрязнения воздуха по городу в целом является ожидаемое значение обобщенного показателя.
Указанный принцип передачи предупреждений сохраняется и при использовании других обобщенных показателей загрязнения воздуха по городу в целом. При этом предупреждение первой степени опасности составляется, если ожидается показатель загрязнения воздуха, входящий в 10% наибольших значений, второй степени опасности - в 2% наибольших значений. Сохраняется указанное выше условие составления предупреждения третьей степени опасности.
13. ТЕРМИНОЛОГИЯ И ОЦЕНКА ОПРАВДЫВАЕМОСТИ
ПРОГНОЗОВ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЙ О ВЫСОКОМ УРОВНЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА
13.1. Терминология и оценка оправдываемости прогнозов и предупреждений
о высоком уровне загрязнения воздуха для случая отдельных источников
Если не ожидаются неблагоприятные метеорологические условия, определяющие высокий уровень загрязнения воздуха за счет выбросов отдельных источников, то прогноз дается в следующей формулировке: "Высокий уровень загрязнения воздуха от отдельных источников не ожидается". Такой прогноз записывается в журнал и потребителям не передается. Если прогнозируются неблагоприятные метеоусловия для одной из выделенных групп источников или для отдельных предприятий (при малом числе обслуживаемых предприятий), то в журнале указывается ожидаемый комплекс параметров. Запись ведется в следующей формулировке: "25 января ожидается северо-восточный ветер 5-8 м/с, нижняя граница приподнятой инверсии в течение дня (или в течение какой-то части дня) 200-400 м. Метеоусловия неблагоприятны для 1-й группы источников" Затем записывается текст предупреждения, которое передается потребителям.
При большом количестве обслуживаемых предприятий предупреждение передается по радио в следующей формулировке: "На предприятиях, на которых проводится регулирование выбросов, с ... часов (дата) до ... часов (дата) источники ... группы работают в режиме три (два, один)".
Если предупреждение передается непосредственно на предприятие с большим количеством источников, то сообщается и записывается в журнал следующий текст: "с ... часов (дата) до ... часов (дата) источники ... группы работают в режиме три (два, один)". Если обслуживаемое предприятие представляет собой один источник, то сообщается: "с ... часов (дата) до ... часов (дата) режим работы три (два, один)".
Если в течение срока действия предупреждения (оповещения) на основе анализа поступающей информации выясняется, что угроза формирования высокого уровня загрязнения воздуха более не наблюдается, то дается отмена в следующей формулировке: "На предприятиях, на которых проводится регулирование выбросов, источники ... группы переходят на обычный режим работы".
Если оснований для сокращения указанного в предупреждении периода его действия не имеется, то отмена не передается. Действие прекращается автоматически в срок, указанный при передаче предупреждения (оповещения).
Оценка оправдываемости прогнозов загрязнения воздуха от отдельных источников производится двумя градациями: "оправдалось" и "не оправдалось". Прогнозы отсутствия неблагоприятных метеоусловий считаются оправдавшимися, когда такие условия не наблюдались. При оценке метеорологических условий высокого уровня загрязнения воздуха необходимо оценить оправдываемость прогноза каждого элемента в отдельности. Прогноз направления и скорости ветра, а также туманов оценивается в соответствии с Наставлением по службе прогнозов, раздел 3, части III, IV, V, (Гидрометеоиздат, М., 1978) и инструкцией по оценке прогнозов слабого ветра. Прогноз высоты слоя перемешивания или высоты нижней границы приподнятой инверсии считается оправдавшимся, если фактическая высота отличается от предсказанной не более чем на 200 м. Прогноз в целом считается оправдавшимся, если наблюдаются соответствующие градации не менее двух метеорологических элементов из ожидаемого комплекса. Исключения составляют случаи, когда при расположении объекта за пределами или на окраине города не наблюдается ожидаемого направления ветра. При этом прогноз считается не оправдавшимся независимо от осуществления других условий. Прогноз высокого уровня загрязнения воздуха получает оценку "оправдался", когда отклонение наступления неблагоприятных метеорологических условий во времени не превысило допустимые пределы. Оценка наступления явления в ожидаемые сроки проводится в соответствии с действующим Наставлением по службе прогнозов.
13.2. Терминология и оценка оправдываемости прогнозов загрязнения воздуха
и предупреждений о его высоком уровне по городу в целом
Если неблагоприятные условия уже наступили и заранее не были предсказаны, то для населения дается оповещение в следующем виде: "В связи с наступившими неблагоприятными метеоусловиями с настоящего момента до ... часов (дата) объявляется оповещение о возможном росте загрязнения воздуха в городе". Затем так же, как и ранее, даются необходимые рекомендации.
Принцип отмены предупреждения или оповещения для предприятий такой же, как и в случае отдельных источников (см. подраздел 13.1).
Для населения при исчезновении угрозы в течение периода действия предупреждения отмена дается в следующей формулировке: "Предупреждение о возможном росте загрязнения воздуха в городе отменяется".
Таблица 15
Оценка оправдываемости прогнозов загрязнения воздуха по городу в целом
|
|
|
Группа загрязнения воздуха | Градация параметра | Допустимая градация параметра , при которой прогноз считается оправдавшимся |
I | >0,35 | 0,30 |
II | 0,35-0,21 | 0,38-0,17 |
III | 0,20 | 0,25 |
Таблица 16
|
|
|
Группа загрязнения воздуха | Градация | Допустимая градация , при которой прогноз считается оправдавшимся |
I | >1,5 | 1,3 |
II | 1,0-1,5 | 0,8-1,7 |
III | <1 | 1,2 |
14. РЕГУЛИРОВАНИЕ ВЫБРОСОВ
ПРИ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
14.1. Основные принципы разработки мероприятий
по регулированию выбросов
Под регулированием выбросов в атмосферу понимается их временное сокращение в периоды неблагоприятных метеорологических условий (НМУ), когда может формироваться высокий уровень загрязнения воздуха. Регулирование выбросов осуществляется на основе предупреждений о возможном опасном росте концентраций примесей в воздухе с целью его предотвращения.
Разработка мероприятий по регулированию выбросов проводится с участием отраслевых промышленных институтов на предприятиях, имеющих источники выбросов вредных веществ в атмосферу. Как правило, она выполняется при разработке норм ПДВ совместно с головными ведомственными организациями в соответствии с ГОСТ 17.2.3.02-78.
Мероприятия по временному сокращению выбросов загрязняющих веществ в периоды НМУ являются составной частью сводного тома "Охрана атмосферы и предельно допустимые выбросы (ПДВ)". Они пересматриваются не реже одного раза в 5 лет, а также при изменении технологии производства и выбросов вредных веществ в атмосферу.
В городах, где сводные тома "Охрана атмосферы и ПДВ" в настоящее время не составляются или где работы по установлению ПДВ запланированы на отдаленный период, мероприятия по временному сокращению выбросов разрабатываются самостоятельно. Они согласовываются с местными подразделениями Минэкологии РФ и Росгидромета.
Мероприятия по кратковременному сокращению выбросов в периоды неблагоприятных метеоусловий должны быть достаточно эффективными и практически выполнимыми. Они должны учитывать специфику конкретных производств. В связи с этим их следует разрабатывать главным образом непосредственно на предприятиях и в отраслевых институтах. Осуществление разработанных мероприятий при определенных условиях возможно без сокращения производства.
Соблюдение указанных принципов способствует практическому осуществлению мероприятий по регулированию выбросов и предотвращению роста концентраций в периоды неблагоприятных метеорологических условий.
14.2. Определение необходимого снижения
уровня загрязнения воздуха и выбросов в периоды НМУ
Для определения необходимого сокращения количества выбросов в периоды НМУ следует исходить из прогностических характеристик загрязнения воздуха и тех установленных значений этих характеристик, которые должны быть достигнуты в результате выполнения мероприятий. В соответствии с предупреждениями трех степеней опасности работы в периоды НМУ на предприятиях проводятся по трем режимам. В общем случае за счет регулирования выбросов должно быть обеспечено снижение концентраций вредных веществ в воздухе при работе по первому режиму на 15-20%, по второму на 30-40%, по третьему на 50% и более.
14.2.1. Отдельные источники, группа источников
При оценке степени снижения концентраций следует исходить из необходимости достижения уровня загрязнения, имеющего место при нормальных метеорологических условиях.
При возникновении одного из указанных в подразделе 6.2 комплекса НМУ концентрации примесей в воздухе, обусловленные выбросами конкретного источника, могут возрастать примерно в 1,5 раза, двух таких комплексов одновременно - в 3 раза.
В случае отдельного источника для снижения концентрации до необходимого уровня в таком же соотношении следует уменьшить количество выбросов. Однако чаще всего на предприятиях имеется много источников с разными параметрами выбросов, дающих неодинаковый вклад в создание приземных концентраций. С учетом этого обстоятельства для необходимой степени снижения концентраций примесей в воздухе может оказаться достаточным существенно меньшее сокращение количества выбросов в пределах данной группы источников, чем в случае отдельного источника.
Эффект от сокращения выбросов вредных веществ в атмосферу в результате проведенных мероприятий является наибольшим при уменьшении низких неорганизованных выбросов.
Пример
Выбросы от ТЭЦ, расположенной в одном из городов, поступают в атмосферу через семь труб. Все трубы относятся к группе источников с горячими высокими выбросами. Высота четырех труб составляет 80-100 м. Три трубы имеют высоту 30 м. Через эти относительно низкие трубы в атмосферу поступает около 1/4 суммарного выброса. Расчеты, выполненные по формуле (7), показывают, что несмотря на то, что прекращение работы котлов, подключенных к низким трубам, обеспечивает уменьшение выбросов на 1/4, оно приводит к снижению приземных концентраций диоксида серы в 5 раз, диоксида азота - в 2,5 раза. При этом общая нагрузка ТЭЦ снижается сравнительно мало.
Таблица 17
Оценка вклада в создание приземных концентраций примесей выбросов
|
|
|
|
Градация , м | м | Выброс, усл. ед. | Относительная концентрация |
101-140 | 120 | 50 | 1 |
51-100 | 75 | 30 | 1,5 |
30-50 | 40 | 20 | 3,6 |
Если при наступлении неблагоприятных условий для высоких источников прекратить все выбросы на высотах 30-50, то суммарный выброс сократится на 20%, а приземные концентрации снизятся более, чем в 2,5 раза.
В табл.18 приводятся данные об относительном вкладе в создание приземных концентраций выбросов, поступающих в атмосферу в нижнем 30-метровом слое.
Таблица 18
Оценка вклада в создание приземных концентраций примесей выбросов, поступающих в атмосферу
|
|
|
|
Градация , м | м | Выброс, усл. ед. | Относительная концентрация |
21-29 | 25 | 40 | 1 |
11-20 | 15 | 40 | 2,0 |
0-10 | 5 | 20 | 4,3 |
При отсутствии расчетных характеристик загрязнения атмосферы указанные выше оценки проводятся для определения эффективности разработанных мероприятий.
1) на каждом обслуживаемом предприятии в соответствии с рекомендациями, изложенными в подразделе 6.2, разделить источники на группы со сходными НМУ;
2) определить отдельно для каждой группы источников суммарный выброс по градациям высот. Ориентировочно оценить вклад в создание приземных концентраций выбросов, поступающих в атмосферу на каждой из градаций высот. По возможности провести расчет поля концентраций примесей, создаваемого каждой группой источников данного предприятия без выполнения мероприятий, а также при условии их выполнения;
3) оценить степень снижения концентраций примесей в воздухе за счет выполнения мероприятий;
4) на основе выполненных оценок отнести каждое мероприятие к тому или иному режиму работ в период НМУ.
Необходимое снижение концентраций достигается выбором из разработанного перечня и реальным осуществлением комплекса мероприятий по регулированию выбросов, эффективность каждого из которых оценивается заранее.
14.2.2. Город в целом
При оценке степени снижения концентраций рекомендуется исходить из того, что высокий уровень загрязнения воздуха по городу в целом создается в основном невысокими выбросами. Условно отнесем к ним все выбросы, поступающие в атмосферу на высотах ниже 50 м от поверхности земли. Это главным образом выбросы автотранспрота, мелких котельных, низкие неорганизованные выбросы на промышленных предприятиях, выбросы за счет различных открытых сжиганий на территории города (пожоги для оттаивания почвы, сжигание мусора и др.).
Разделение низких выбросов по градациям высот проводится по всей территории города.
14.3. Сведения о мероприятиях по сокращению выбросов в периоды НМУ
Мероприятия по сокращению выбросов в периоды НМУ могут быть общими, применимыми на предприятиях различных отраслей, и специфическими, относящимися к конкретным производствам.
Ниже для сведения прогнозистов приводятся характерные общие мероприятия, относящиеся к различным режимам работы предприятий в периоды НМУ, которые учитываются при выполнении конкретных разработок.
Мероприятия по сокращению выбросов при первом режиме:
усиление контроля за точным соблюдением технологического регламента производства;
запрещение работы оборудования на форсированном режиме;
рассредоточение во времени работы технологических агрегатов, которые не участвуют в едином непрерывном технологическом процессе и выбрасывают в атмосферу вредные вещества;
усиление контроля за работой контрольно-измерительных приборов и автоматических систем управления технологическими процессами;
запрещение продувки и чистки оборудования, газоходов, емкостей, в которых хранились загрязняющие вещества, ремонтных работ, связанных с повышенным выделением вредных веществ в атмосферу;
усиление контроля за герметичностью газоходных систем и агрегатов, мест пересыпки пылящих материалов и других источников пылегазовыделения;
усиление контроля за техническим состоянием и эксплуатацией всех газоочистных установок;
обеспечение бесперебойной работы всех пылеочистных систем и сооружений и их отдельных элементов, предотвращение снижения их производительности, а также отключения на профилактические осмотры, ревизии и ремонты;
обеспечение эффективного орошения аппаратов пылегазоуловителей;
ограничение погрузочно-разгрузочных работ, связанных со значительными выделениями в атмосферу загрязняющих веществ;
использование запаса высококачественного сырья, при работе на котором обеспечивается снижение выбросов загрязняющих веществ;
проведение влажной уборки производственных помещений предприятия, где это допускается правилами техники безопасности;
прекращение испытания оборудования, связанного с изменениями технологического режима, приводящими к увеличению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу;
Мероприятия по сокращению выбросов при втором режиме:
снижение производительности отдельных аппаратов и технологических линий, работа которых связана со значительным выделением в атмосферу вредных веществ;
остановка оборудования в случае, если сроки начала планово-предупредительных работ по ремонту технологического оборудования и наступления НМУ достаточно близки;
уменьшение интенсивности технологических процессов, связанных с повышенными выбросами вредных веществ в атмосферу на тех предприятиях, где за счет интенсификации и использования более качественного сырья возможна компенсация отставания в периоды НМУ;
перевод котельных и ТЭЦ, где это возможно, на природный газ или малосернистое и малозольное топливо, при работе с которым обеспечивается снижение выбросов вредных веществ в атмосферу;
ограничение использования автотранспорта и других передвижных источников выбросов на территории предприятия и города согласно заранее разработанным схемам маршрутов;
прекращение обкатки двигателей на испытательных стендах;
принятие мер по предотвращению испарения топлива;
запрещение сжигания отходов производства и мусора, если оно осуществляется без использования специальных установок, оснащенных пылегазоулавливающими аппаратами;
запрещение работ на холодильных и других установках, связанных с утечкой загрязняющих веществ.
Мероприятия по сокращению выбросов при третьем режиме:
снижение нагрузки или остановка производств, сопровождающихся значительными выделениями загрязняющих веществ;
отключение аппаратов и оборудования, работа которых связана со значительным загрязнением воздуха;
запрещение производства погрузочно-разгрузочных работ, отгрузки готовой продукции, сыпучего исходного сырья и реагентов, если при этом происходит загрязнение атмосферы;
перераспределение нагрузки производства и технологических линий на более эффективное оборудование;
остановка пусковых работ на аппаратах и технологических линиях, сопровождающихся выбросами в атмосферу;
запрещение выезда на линии автотранспортных средств (включая личный транспорт) с неотрегулированными двигателями;
снижение нагрузки или остановка производства, не имеющего газоочистных сооружений;
остановка технологического оборудования в случае выхода из строя газоочистных устройств;
проведение поэтапного снижения нагрузки параллельно работающих однотипных технологических агрегатов и установок (вплоть до исключения одного, двух, трех и т.д. агрегатов).
При составлении предупреждений для населения могут быть рекомендованы следующие мероприятия:
сокращение поездок на личном автотранспорте;
запрещение открытого сжигания на территории города;
ограничение сжигания угля в домашних печах;
усиленный полив дворов, улиц и площадей в теплую часть года;
отказ от участия в массовых мероприятиях на открытом воздухе и др.
14.4. Оценка эффективности мероприятий по регулированию выбросов
Одной из задач специалистов по прогнозированию загрязнения воздуха является анализ эффективности работ по прогнозу и регулированию выбросов. В первую очередь анализируются материалы о выбросах вредных веществ в атмосферу и об их планируемом снижении в периоды НМУ на отдельных источниках, сравниваются расчетные концентрации примесей в воздухе без выполнения и при выполнении мероприятий. Оценивается и регулярно уточняется эффективность всего комплекса мероприятий по регулированию выбросов на всех предприятиях города. Если выясняется, что эффективность недостаточна, то совместно с предприятиями решается вопрос о дополнительных мерах в периоды НМУ.
По данным измеренных концентраций, в том числе при дополнительных наблюдениях в периоды НМУ, группами по прогнозу загрязнения воздуха, а при их отсутствии - ответственными за данный вид работы оценивается эффективность каждого предупреждения. Если необходимое снижение уровня загрязнения воздуха в периоды действия предупреждений не достигается, то это указывает на недостаточное выполнение разработанных мероприятий по снижению выбросов. В таком случае необходимые материалы направляются в руководящие и природоохранные органы с целью принятия мер для исправления положения.
Оценку эффективности мероприятий на стадии разработки и при фактическом осуществлении проводят по каждому вредному веществу (группе веществ, обладающих эффектом суммации) отдельно для каждого мероприятия, группы мероприятий по градациям высот поступления выбросов в атмосферу, для всех мероприятий. Оценка эффективности выполняется с учетом абсолютного и относительного уменьшения выбросов, а также по степени снижения значений расчетных и измеренных концентраций примесей в воздухе.
14.4.1. Оценка эффективности мероприятий с использованием
количественных показателей снижения выбросов
Результаты расчетов заносятся в таблицу. В примере, приведенном в табл.19, принимается, что на предприятии все выбросы осуществляются на высоте до 30 м. Здесь выполнение всех мероприятий обеспечивает снижение суммарных выбросов на 31%. Но сокращение общего выброса на 7% за счет выбросов в нижнем 10-метровом слое обеспечивает около 2/3 общего снижения концентраций.
Таблица 19
Эффективность мероприятий по сокращению выбросов
|
|
|
|
Градация высот, м | | | |
10 | 10 | 7 | 70 |
11-20 | 20 | 6 | 30 |
21-30 | 70 | 18 | 27 |
В целом | 100 | 31 | 31 |
14.4.2. Оценка эффективности мероприятий с использованием
расчетных концентраций примесей в воздухе
14.4.3. Рекомендации по оценке эффективности мероприятий
на основе наблюдений за концентрациями примесей в воздухе
В случае, когда в городе на большинстве объектов сокращение выбросов в периоды НМУ осуществляется регулярно, уменьшается общая повторяемость высоких концентраций, а вследствие этого иногда заметно снижается и средняя концентрация примеси в воздухе. Степень уменьшения этих концентраций является показателем эффективности работ. Для оценки последней сравнивается средняя концентрация примесей и повторяемости концентраций, превышающих заданное значение (как правило, ПДК), до и после организации работ по регулированию выбросов.
Средний уровень загрязнения атмосферы в городе может не характеризовать эффективность мероприятий, если количество предупреждений мало. В таком случае целесообразно сравнить средние концентрации примесей в периоды неблагоприятных метеоусловий при осуществлении регулирования и при таких же условиях погоды в предыдущие годы, когда работы по прогнозу и регулированию не проводились. Если в первом случае концентрации в среднем ниже, чем во втором, это указывает на эффективность прогнозирования. Такой вид оценки возможен при примерном сохранении общего количества и структуры выбросов, а также методики анализа проб воздуха.
Если регулирование выбросов проводится на небольшом числе объектов, то эффект может быть отмечен при анализе данных, полученных при проведении подфакельных наблюдений, а в случае их отсутствия - при анализе значений концентраций на тех постах, в район которых при соответствующих направлениях ветра переносятся примеси от обслуживаемых объектов. Концентрации сравниваются с данными измерений, выполненных при аналогичных метеорологических условиях до осуществления регулирования выбросов.
Эффективность работ может быть существенной при кратковременном снижении выбросов на всех основных промышленных, энергетических, отопительных, автотранспортных предприятиях, расположенных на территории города.
Все данные об эффективности работ по прогнозированию загрязнения воздуха обобщаются, результаты обобщения включаются в годовые отчеты. Делаются выводы о степени реального предотвращения роста загрязнения воздуха в периоды НМУ. Отчеты направляются в головной методический центр для обобщения и разработки рекомендаций по дальнейшему развитию работ. Полученные материалы используются также для повышения эффективности прогнозирования и регулирования выбросов в каждом отдельном городе.