Способност за разсейване на замърсители

Качеството на Атмосферния Въздух (КАВ) се определя от две групи фактори: 1) от количеството на емисиите и начина на тяхното отделяне в атмосферата и 2) от географско-климатичните и инфраструктурни особености на района.   Принос за нарушаване на стандартите за КАВ дават  фактори и от двете групи.  Значението на фактори от втората група, в частност на метеорологичните такива, може и обикновенно е различен в различни райони.  Този факт е от значение, когато трябва да се оценяват усилията на дадена институция да подържа добро КАВ.  Една община например, може да полага по-големи усилия и прилага по-ефективни мерки за добро КАВ, отколкото друга община, но поради по-неблагоприятни метеорологични условия в първата, КАВ в нея да е по-лошо отколкото във втората община.  От тук и необходимостта да се отчитат метеорологичните условия, които определят способността за разсейване на атмосферни замърсители в  даден  район, което е предпоставка за справедлива оценка на усилията на дадена институция да подържа добро КАВ в подопечния й район.  

Предмет на анализа по- долу е нарушената средноденонощната норма на фини прахови частици (ФПЧ10) в гр. Пловдив през 2016 г.

Дисперсионни xapактеристики

Метеорологичните фактори, които определят дисперсията на замърсители в атмосферата са:

- Скорост на вятъра;

- Стратификация на атмосферата;

- Валеж.

Ролята на вятъра е лесно разбираема. Движението на въздушните маси изнася отделените емисии от района, в който те са отделени. Проблем за населените места са ситуациите с ниска скорост на вятъра, когато движението на въздушните маси е бавно или незначително (тихо време, безветрие) и отделените емисии се задържат в населеното място. Валежите имат отчисващо действие за атмосферата. Част от замърсителите се акумулират от дъждовните капки и заедно с тях падат на земтата повърхност. Така се увеличава депозицията на замърсителите върху земната повърхност и намалява концентрацията им в атмосферата. Устойчивата стратификация потиска движенията във вертикална посока (закон на Архимед) и възпрепятства издигането на отделените замърсители във височина, замърсителите се задържат в ниските слоеве на атмосферата, което води до повишаване на концентрациите им и до нарушение на съотвентите норми.  Обратно, неустойчивата стратификация стимулира движенията във вертикална посока, води до изнасяне на част от замърсителите във височина и до намаляване на концентрацията им в ниските слоеве на атмосферата. Слой в атмосферата, в който има устойчива стратификация се нарича инверсионен слой, а слой с неустойчива стратификация – слой на смесване (СС). 

Един от най-популярните индикатори за стратификацията на атмосферата в приземния слой е параметър на Паскуил ( Pasq), който взима следните значения:

Pasq =     6    или   A       - максимално неустойчива стратификация

Pasq =  5.5   или   A-B

Pasq =     5   или   B

Pasq =  4.5   или   B-C

Pasq =    4    или   C

Pasq =  3.5   или   C-D

Pasq =     3   или   D     - неутрална стратификация

Pasq =     2   или   E

Pasq =     1   или   F       - максимално  устойчива стратификация,

При устойчива стратификация параметърът взима стойност Pasq = 1 и 2, при неутрална и близка до неутрална – взима стойности 3 и 3.5. С по-високите стойности 4 – 6 се означават различните степени на неустойчива стратификация. Средночасовите стойности на параметъра на Паскуил в настоящото изследване са определени съгласно един от най-популярните методи http://www.air-dispersion.com/formulas.html. За разлика от други метеорологични параметри, простото усреднение на параметъра на Паскуил за денонощието е деликатен въпрос. Обичайно, стратификацията е устойчива нощем и неустойчива през деня и усреднената стойност ще клони към неутрална стратификация,  което не отразява реалните условия за разпространение на зъмърсителите в атмосферата. В настоящия анализ, като среден за денонощието показател за стратификацията на атмосферата се приема  броя часове с неустойчива стратификация минус брой часове с устойчива стратификация, означавана  в графиките от Приложение 1, като „Стратификация”. Отрицателните стойности означават преобладаваща през денонощието устойчива стратификация,  положителните - преобладаваща неустойчива стратификация. 

В настоящия анализ се използва и параметър, означаван като „дисперсионен потенциал“, който е модифициран параметър на Паскуил, с по-голяма тежест на скоростта на вятъра. 

Определена е средната за деня височина h на СС, като във фигурите в Приложение 1 се дава стойността log(h/10), с цел да бъде възможно показването на височината на СС на една графика с други величини. Освен това е определян и интегрален слой на смесване – интеграл във времето на височината h в последните три дни, като стойностите на h по-отдалечени от настоящия момент се взимат с по-малко тегло. Размерността на тази величина е km/h. По този начин се отчита съществуването на метеорологична обстановка, благоприятстваща натрупването на замърсители в продължение на няколко дни.

Стойностите на горепосочените параметри са определени по информация от автоматична метеорологична станция на Националния Институт по Метеорология и Хидрология (НИМХ), разположена в чертите на града. Анализът е направен за всеки ден от 2016 г, съпоставен с регистрираната средноденонощната стойност на концентрацията на ФПЧ10 в пунктове „Каменица“ и „Тракия“. Последните са определени по данни от двете станции на Изпълнителната Агенция по Околно Среда (ИАОС) в пунк Тракия и пункт „Каменица“.    

Статистически анализ

Средноденонощната стойност на ФПЧ10 е определена за 362 дни в пунк „Тракия“ и за 357 дни в пункт „Каменица“. В останалите дни от 2016г, главно по технически причини, определянето на средноденонощната стойност не е било възможно. За цялата 2016 г. нормата е била превишена 114 дни в пункт „Тракия“ и 82 дни в пункт „Каменица“, което съответно прави 31% и 22% от дните в годината.

Преобладаващият брой превишения на ПС за ФПЧ10 са се случили в дните, когато е било на лице тихо време (средноденонощна скорост на вятъра равна, или по-малка от 1.5м/с) - 86% от превишенията в пункт „Тракия“ и 86.6% в пункт „Каменица“. Само 3.5% от превишенията в пункт „Тракия“ и 2.4% от превишенията в пункт „Каменица“ се случват при скорост на вятъра над 3m/s. Превишение на нормата в пункт „Тракия“ е имало в 57.4% от дните, в които скоростта на вятъра е по-ниска от 1 m/s и само в 10.8% от дните, в които скоростта на вятъра е по-висока от 3 m/s. Превишение на нормата в пункт „Каменица“ е имало в 42.6% от дните, в които скоростта на вятъра е по-ниска от 1 m/s и само в 5.4% от дните, в които скоростта на вятъра е по-висока от 3 m/s.

65.8% от превишенията в пункт „Тракия“ и 76.8% от превишенията в пункт „Каменица“ са се случили когато в денонощието е преобладавала устойчива стратификация. При неустойчива стратификация са се случили 23.7% и 12.2% от превишенията в пункт „Тракия“ и в пункт „Каменица“, съответно. Превишение на нормата в пункт „Тракия“ е имало в 68.8% от дните с устойчива стратификация и само в 11.8% от дните с неустойчива стратификация. Превишение на нормата в пункт „Каменица“ е имало в 57.8% от дните с устойчива стратификация и само в 4.5% от дните с неустойчива стратификация.

При височина на СС по-малка от 500 m. са се случили 88.6% от превишенията в пункт „Тракия“ и 90.2% от превишенията в пункт „Каменица“. При височина на СС по-голяма от 1000 m. са се случили 0.9% от превишенията в пункт „Тракия“ и 1.2% от превишенията в пункт „Каменица“. Превишение на нормата в пункт „Тракия“ е имало в 96.2% от дните, когато височина на СС по-малка от 100 m. и само в 0.23% от дните, когато височина на СС е по-голяма от 1000 m. Превишение на нормата в пункт „Каменица“ е имало в 84.6% от дните, когато височина на СС e по-малка от 100 m. и само в 0.23% от дните, когато височина на СС е по-голяма от 1000 m. 

При интегрален СС по-малък от 15 km/h са се случили 82.5% от превишенията в пункт „Тракия“ и 86.6% от превишенията в пункт „Каменица“. При интегрален СС по-голям от 25 km/h са се случили 5.3% от превишенията в пункт „Тракия“ и 4.9% от превишенията в пункт „Каменица“. Превишение на нормата в пункт „Тракия“ е имало в 92.7% от дните, когато интегралният СС е по-малък от 5 km/h и само в 0.08% от дните, когато интегралният СС е по-голям от 25 km/h. Превишение на нормата в пункт „Каменица“ е имало в 82.9% от дните, когато интегралният СС е по-малък от 5 km/h и само в 5.4% от дните, когато интегралният СС е по-голям от 25 km/h.

Дисперсионният потенциал се оказва подходяща информационна характеристика. За пункт „Тракия“ - 89.5%, а за пункт „Каменица“ – 91.5% от превишенията се случват когато дисперсионният потенциал е равен, или по-малък от 2. При дисперсионен потенциал по-голям от 3 не се наблюдават превишения на нормата. 

Превишение на нормата в пункт „Тракия“ е имало в 17.2% от дните, когато е имало валеж и в 36.4% от дните, когато не е имало валеж. Превишение на нормата в пункт „Каменица“ е имало в 8.5% от дните, когато е имало валеж и в 28.1% от дните, когато не е имало валеж.

Заключение

 

Анализът показва силната зависимост на концентрациите на ФПЧ10 от метеорологичните условия. Преобладаващият брой превишения на средноденонощната стойност от 50мкг/м3 на ФПЧ10 се случват при наличие на неблагоприятни метеорологични условия – тихо време, устойчива стратификация, малка височина на слоя на смесване, отсъствие на валеж. През 2016 г. такива условия често са били налице в гр. Пловдив:

  • 233 дни с тихо време, в които са 86 – 86.6% от превишенията;
  • 109 дни с преобладаваща устойчива стратификация, в които са 65.8 – 76.8% от превишенията;
  • 259 дни с височина на слоя на смесване по-малка от 500м, в които са 88.6 - 90.2% от превишенията;
  • 250 дни с потенциал за разсейване по-малък от 2, в които са 89.5 – 91.5% от превишенията;
  • 223 дни с интегрален слой на смесване по-малък от 15км*ч, в които са 82.5 – 86.6% от превишенията;
  • 269 дни без валеж,  в които са 86 – 90.2% от превишенията.

 

Общият извод от направения анализ е, че метеорологичните условия в района на гр. Пловдив през 2016 г. са били до голяма степен причина за задържане на превишенията на средноденонощната норма за ФПЧ10 в атмосферния въздух на територията на общината..

Стратификация

Земната повърхност излъчва топлинна (инфрачервена, дълговълнова) радиация, което при отсъствие на слънчева радиация нощно време води до охлаждане на повърхността.  Като следствие, ниските слоеве на въздуха, които са в непосредствена близост до земната повърхност се охлаждат и температурата им става по-ниска от температурата на по-високите слоеве. Така се стига до инверсия – устойчива стратификация, при която по-тежкият студен въздух е долу, под  по-лекия топъл въздух, при което вертикалните движения в атмосферата се потискат от Архимедовата сила.    В следствие на това, отделените във въздуха замърсители не могат да се изнасят във височина, задържат се и достигат високи концентрации в приземния слой, обитаван от хората.  С изгрева на Слънцето започва постепенно разрушаване на инверсията, което продължава различно време в зависимост от синоптичните условия.  В редица случаи инверсията може да се задържи дни наред.

 

Роля на релефа

При наклонен терен, тежкият студен въздух се свлича надолу по склона, което е известо като локална планинско-долинна циркулация (планински бриз, долинна бриза, падащ вятър).  В случай на коритовидна релефна форма, стичащият се студен въздух заема „дъното на коритото”, измествайки над себе си  по-лекия топъл въздух, т.е. формира се инверсия.   По такъв начин, в котловините, инверсиите са по-чести, по-продължителни и по-силно изразени.

Релефът влияе на дисперсията на замърсителите и чрез деформацията в полето на фоновия  вятър.  Коритовидните релефни форми благоприятсват блокирането на въздушните маси.  Явление е известно като стагнация.  То се случва и над равнинен терен, но наличието на затворени теренни форми го прави много по често и по-силно изразено.  Получава се така, че на и над нивото на планинския хребет има добре изразен въздушен пренос, докато въздушната маса под това ниво остава блокирана. Емитираните в нея замърсители се натрупват без да могат да се изнесат от котловината.   Честото повторение на явлението стагнация, в климатичен аспект, се проявява в ниски стойности на скоростта на вятъра и в често наличие на безветрие (вятър по-слаб от 1 м/с).

Физико-географски фарактеристики на град Пловдив

Град Пловдив се намира в Горнотракийската низина, затворена от трите географски посоки между планински масиви и възвишения, т.е. налице е коритовидна морфоструктура, в „дъното” на която е разположен градът.  Тази даденост има съществено негативно отражение върху разсейването на отделяните в атмосферата замърсители, което се реализира посредством описаните по-горе механизми.  Скоростта на вятъра в гр. Пловдив е по-ниска от тази в повечето големи градове на България, а инверсиите са по-чести, по-продължителни и по-силно изразени.  Казаното се потвърждава от метеорологичните наблюдения в района.

Средна годишна скорост на вятъра в големите градове на България

 

Пловдив

София

Варна

Бургас

Ст.Загора

Русе

Плевен

Скорост м/с

1.8

2.6

3.5

3.4

1.4

2.3

1.9
По Климатичен справочник на България,  том  4 – Вятър, София, 1982

Пряко измерване на инверсиите се извършва чрез вертикални сондажи на атмосферата, каквито  в България се извършват само в София,  или чрез съпоставяне на температурата на въздуха долу в равнината с температурата на по-високо место, например по склона на планината.  За района на Пловдив разполагаме с представително изследване по втория метод., резултатите от което са резюмирани в таблицата по – долу.

 

Брой дни с инверсии в западната част на Тракийската равнина

месец

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

год

брой

23.0

19.6

20.6

25.8

24.8

23.8

28.2

28.0

28.0

27.4

21.6

23.0

294
По Христов, П., 1974, „Температурни инверсии над западната част на Тракийската равнина” , Извeстия на Института по хидрология и метеорология, том  XXIII, 241-255.

 

Оказва се, че средногодишно инверсии в Пловдив се наблюдават през 294 дни в годината. Обичайната продължителност на инверсиите е няколко дни; през студения период до 10 и повече, което води до акумулиране на отделяните във въздуха замърсители.  За сравнение, средногодишния брой на дни със инверсии, регистрирани в София по същия метод са 170-200, т.е. с около 100 дни по-малък.