КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-17-01095

НазваниеИсследование динамики состава воздуха и процессов ее определяющих в Сибирском регионе в условиях изменяющегося климата

РуководительБелан Борис Денисович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук, Томская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2017 г. - 2019 г. 

Конкурс№18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-607 - Химические процессы, малые газовые составляющие, аэрозоли

Ключевые словаатмосфера, аэрозоль, воздух, газ, озон, парниковый газ, самолетное зондирование, состав воздуха

Код ГРНТИ37.21.15


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Основной целью проекта является оценка тенденций или цикличности изменения отдельных компонент воздуха Сибирского региона и исследование физико-химических механизмов, определяющих изменение состава воздуха. В рамках проекта будут исследоваться следующие вопросы. Как распределены концентрации газовых и аэрозольных компонент в приземном слое воздуха по территории Сибири и каковы тенденции их изменения? Как распределено содержание газовых и аэрозольных компонент воздуха по вертикали в тропосфере и каковы тенденции их изменения на разных уровнях? Какова роль внешних факторов и естественной климатической изменчивости в формировании изменений состава воздуха в Сибири? Какова роль метеорологических величин и явлений в формировании изменений состава воздуха в Сибири? Каков вклад экстремальных погодных явлений в изменение состава воздуха в Сибири? При наличии цикличности изменения отдельных компонент воздуха, каковы механизмы определяющие периодичность? Насколько успешно климатические модели воспроизводят характеристики состава воздуха в Сибири и его изменения? Для исследований будут организованы и проводиться в течение всего периода выполнения проекта прецизионные измерения концентрации парниковых и химически активных газов, дисперсного и химического состава аэрозоля на территории Сибирского региона. Анализ распределения концентрации газовых и аэрозольных компонент в приземном слое воздуха по территории Сибири и тенденций их изменения будет включать в себя определение их эмиссии или стоков с (на) подстилающей поверхности, расчет потоков в приземном слое по данным постов, расположенных в разных районах Сибири. Распределение содержания газовых и аэрозольных компонент воздуха по вертикали в тропосфере и тенденции их изменения на разных уровнях планируется определять по данным ежемесячных полетов самолета-лаборатории Ту-134 «Оптик». Исследование воздействия внешних факторов на состав воздуха в Сибири будет включать в себя изучение роли солнечной радиации; элементов общей циркуляции атмосферы, таких как воздушные массы, фронты, циклоны, антициклоны, гребни, ложбины, блокинги и т.п.; изменения солнечной активности. Роль метеорологических величин в формировании изменений состава воздуха в Сибири будет изучаться для: температуры, давления и влажности воздуха, скорости и направления ветра; явлений: дождь, снег, высота снежного покрова, его наличии и дат покрова и схода, влажности почвы. Вклад экстремальных погодных явлений в изменение состава воздуха в Сибири будет изучаться для максимально высоких или минимально низких температур, длительных снегопадов, засух, лесных пожаров. При наличии цикличности изменения отдельных компонент воздуха, должны быть выявлены, механизмы определяющие эти периодичности. Насколько успешно климатические модели воспроизводят характеристики состава воздуха и его изменения будет выполняться по моделям, имеющимся в свободном доступе. В 2017 году, на основании полученных данных планируется получить пространственное распределение концентрации примесей по территории Сибири и вертикальное распределение над одним из районов Сибири. Проанализировать влияние внешних факторов на состав воздуха, в первую очередь, атмосферной циркуляции. При этом, для исключения влияния метеовеличин данные предварительно будут приводиться к нормальным метеоусловиям (1013 гПа, 0оС). Предполагается получить значение концентраций в разных воздушных массах. Динамику состава при прохождении атмосферных фронтов, блокингах. Оценить перенос примесей на разных высотах, выявить особенности вертикального распределения примесей в разных синоптических условиях. В 2018 предполагается проанализировать изменение пространственного и вертикального распределения на исследуемой территории. Выполнить детальный анализ влияния метеорологических величин и явлений на изменение состава воздуха. В частности, для обмена на границе атмосфера - подстилающая поверхность важными являются температура и влажность почвы, увлажненность поверхности. Для потоков внутри приземного слоя, помимо источника из почвы или стока в почву важным является дыхание растительности или ассимиляция, например СО2, в процессе фотосинтеза. Это приводит к необходимости учета прихода солнечной радиации. Сам перенос по вертикали в приземном слое во многом будет определяться режимом турбулентности. Следовательно, нужно учитывать температуру и скорость ветра, их градиенты для расчетов коэффициентов турбулентности. В зависимости от типа соединения, они могут быть растворимыми или нет. Изучить вымывающую способность осадков в очищении атмосферы. Сток или поступление соединений из почвы будет зависеть от такого явления как снежный покров. В 2019 году планируется проанализировать дальнейшее изменение пространственного и вертикального распределения на исследуемой территории. Уточнить воздействие внешних факторов и метеовеличин, явлений на изменение состава воздуха. Провести сопоставление данных измерений с результатами численного моделирования по моделям, доступным в открытом доступе.

Ожидаемые результаты
Базы данных по результатам измерений. Пространственные особенности распределения отдельных компонент воздуха по территории Сибири. Результаты анализа вариаций региональных содержаний парниковых газов (водяного пара, озона, СО2, СН4) и термодинамических характеристик атмосферы в Сибирском регионе. Количественная оценки эмиссий метана и углекислого газа в атмосферу в отдельных районах региона. Результаты определения значений концентраций в разных воздушных массах. Динамика состава при прохождении атмосферных фронтов. Результаты анализа физических механизмов формирования аномалий климатически значимых атмосферных примесей при развитии атмосферного блокирования над территорией Северной Евразии. Особенности вертикального распределения примесей в разных синоптических условиях. Результаты исследований механизмов формирования состава воздуха в экстремальных погодных явлений (при их наличии). Результаты проекта направлены на улучшение качества гидрометеорологического и климатического прогноза, оценки и прогнозирования чрезвычайных ситуация природного характера в высоких широтах Северного полушария и учета фактора изменения климата при разработке стратегии устойчивого развития регионов России. Результаты исследований будут представлены на крупных российских и международных конференциях (конференции Европейского и Американского геофизического союза и др.).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе выполнения проекта в течение 2017 года проводились измерения состава воздуха в приземном слое на постах сети парниковых газов, охватывающих территорию Западной Сибири, и на постах комплексного мониторинга, расположенных в Томской области. Отбор проб осуществлялся на большинстве пунктов на двух высотах. Измерения на станциях велись на постах ежечасно и круглосуточно в течение всего года. Для повышения точности и надежности измерений организована оригинальная ежедневная калибровка приборов эталонными поверочными газовыми смесями (ПГС), а для химически активных газов применяются источники микропотока. Для калибровки газоанализаторов CO2, CH4 и СО, используются 3 баллона с ПГС содержащих синтетический воздух N2 + O2 в атмосферных пропорциях с добавлением CO2 и CH4 известных концентраций. В целях экономии ПГС, которые являются достаточно дорогостоящими, калибровка газоанализаторов с применением этих смесей проводится лишь два раза в сутки. Для более частой калибровки (один раз в час) используется так называемая опорная газовая смесь (ОГС), подготавливаемая непосредственно в месте установки системы. Формируется ОГС из воздуха, закачиваемого из атмосферы в баллон высокого давления. При формировании ОГС осуществляется удаление влаги из воздуха с помощью осушителя мембранного и химического осушителя (Mg(ClO4)2). По данным измерений на постах, где воздух отбирался на двух высотах, рассчитывались потоки парниковых и химически активных газов в приземном слое по градиентной методике. Для оценки газового обмена между подстилающей поверхностью и атмосферой организованы три измерительных площадки: на двух участках Бакчарского болота (стационар ИПА СО РАН в районе д. Плотниково) и на площадке с луговой растительностью в пойме р. Обь (обсерватория ИОА СО РАН «Фоновая»). Измерения интенсивности потоков парниковых газов (СО2 и СН4) на границе почвы-атмосферы проводятся с помощью оригинальных автоматизированных комплексов, состоящих из специально разработанных статических камер. Вертикальное распределение состава воздуха измерялось с помощью самолета-лаборатории Ту-134 «Оптик». В 2017 году (по октябрь месяц, включительно) было произведено 3 вылета, Зондирование, как и все предыдущие, выполнялось над Караканским бором, расположенном на берегу Новосибирского водохранилища (р. Обь). Это позволяет продлить ряд, накопленный с 1997 года. Крупномасштабное площадное зондирование в 2017 осуществлялось 16-18 июня по маршрутам Новосибирск – Сургут – Тарко-Сале – Норильск – Игарка – Бор – Томск – Новосибирск и Новосибирск – Сургут – Новосибирск. Помимо измерений, в ходе выполнения проекта было выполнено ряд исследований по ранее полученным данным. Оно включало в себя изучение режима солнечной радиации, роли элементов общей циркуляции атмосферы, таких как воздушные массы, фронты, блокинги на изменение состава воздуха. Вклад экстремальных погодных явлений в изменение состава воздуха в Сибири в этом году не изучался ввиду их отсутствия в пунктах измерений и по трассам полета. На основании текущих и накопленных ранее данных измерений построены пространственное распределение концентрации примесей на территории Западной Сибири. Рассчитаны значение концентраций примесей в разных воздушных массах, по данным измерений в 2015-2016 г.г. Выполнен анализ динамики состава воздуха при прохождении атмосферных фронтов и в ситуациях атмосферного блокирования (блокингах). Сделана оценка переноса примесей на разных высотах. Выявлены особенности вертикального распределения примесей с учетом синоптических условий. По результатам измерений созданы соответствующие базы данных. Проведена фильтрация ошибочных отсчетов. Анализ пространственного распределения парниковых газов по территории Западной Сибири, показал, что распределение СО2 и СН4 близко к широтному, как в теплый, так и в холодный периоды года. Вместе с тем, следует отметить, что широтные градиенты от зимы к лету меняют знаки. В теплый период концентрация обоих газов уменьшается с юга на север. В холодный, наоборот, возрастает.. Результаты анализа вариаций региональных содержаний парниковых и окисляющих атмосферу газов в Сибирском регионе выявили, что концентрации углекислого газа (СО2) в пограничном слое над южными районами оказались значительно ниже, чем над северными. Это свидетельствует об активном поглощении этого газа в результате процессов фотосинтеза на земной поверхности. Концентрации метана (СН4) в пограничном слое превышает значения в свободной атмосфере, что свидетельствует его об источниках на земной поверхности. Повышенные концентрации СН4 в приземном слое наблюдались над болотными экосистемами на протяжении всего маршрута, особенно над Большим Васюганским болотом. Для озона (О3) особенностей в вертикальном распределении концентраций не выявлено. Это говорит о том, что интенсивного фотохимического образования озона в тропосфере в этот период не происходило и его концентрация определялась поступлением озона из стратосферы. Среднегодовой приход солнечной радиации в городе Томске за период 1995-2016 составил 3801±228 МДж/м2. Анализ многолетней изменчивости поступления суммарной солнечной радиации в Томске (1996–2016 гг.) показал, что наблюдается тенденция незначительного спада годового поступления Q. Относительная величина тренда составила -2,5%. Следует отметить, что данная тенденция наблюдается и на других постах наблюдения Березоречка и Карасевое, расположенных в центре Томской области. Анализ полученных потоков на границе почва-атмосфера показывает, что увеличение метаногенеза и фотосинтеза в болотных сообществах совпадает с приходом тепла и прогревом почвы на достаточную глубину в июне. Максимальных величин поглощение СО2 и эмиссия СН4 на поверхности болота повсеместно достигают в июле и затем постепенно снижаются к окончанию теплого сезона. Для газовых потоков на пойменной луговине, также как и в болотных экосистемах, наблюдается сезонное изменение газовых потоков на границе почва-атмосфера. Максимальные величин поглощения СО2 приходятся на период интенсивного роста травяной растительности в начале лета. Затем наблюдается резкий спад потоков в июле, что можно связать с угнетением фотосинтеза в условиях дневного перегрева атмосферы внутри. С уменьшением внешних температур в августе произошло восстановление поглощения СО2, которое постепенно снижалось по мере увядания растительности в осенний период. Для потоков СН4 на луговине в течении всего теплого сезона были характерны небольшие отрицательные значения, что свидетельствует о существовании постоянного естественного стока метана на поверхность в речных поймах. Таким образом, интегральные значения потоков СО2 за весь период измерений показывают, что поверхности западносибирских болот и речных пойм являются мощным «поглотителем» атмосферного углерода. Проведено исследование изменения малых газовых составляющих при прохождении фронтальных разделов за период 2015-2016 гг. по данным TOR-станции расположенной на восточной окраине г. Томска, а также в различных воздушных массах. Выявлено, что при прохождении теплого фронта концентрации СН4, СО2 и СО уменьшаются. При смещении холодного фронта через пункт наблюдений, наоборот, содержание этих газов в воздухе возрастает. Для озона характер изменения концентрации в фронтах противоположен углеродсодержащим газам. При прохождении фронта окклюзии происходит сложение двух процессов, которые в отдельности наблюдаются в теплом и холодном фронтах. Таким образом, смещение фронтальных разделов приводит к значительным изменениям состава воздуха. Скачкообразное изменение состава воздуха в зоне фронта сказывается и на содержании того или иного газа в самой воздушной массе, которые они разделяют. На основе данных сети мониторинга парниковых газов, аномалий приземной температуры) и критериев блокирования, предложенных Tibaldi S. и Molteni F. показано, что практически все случаи блокирования влияют на повышение концентрации метана, в независимости от времени стационирования и пространственного охвата, но степень влияния, в зависимости от характера блокинга и сопутствующих ему условий. Для блокингов периода 2005-2007 для всех станций были характерны отрицательные отклонения СО2, а для периода 2010-2013 - положительные. Указанный факт может свидетельствовать в пользу как роста СО2 в целом, так изменении поглощающей способности растительности на территории Западной Сибири.. Использование строгих критериев блокирования не показало значимых зависимостей изменения концентрации озона. По данным самолетного зондирования выявлены особенности вертикального распределения примесей в разных синоптических условиях в арктической, умеренной и субтропической воздушных массах. Результаты исследований представлены на крупных российских и международных конференциях и опубликованы в рецензируемых изданиях.

 

Публикации

1. Антохин П.Н., Антохина О.Ю., Белан Б.Д. Vertical ozone flux in the near-surface layer of a background region of Western Siberia in 2016 PROCEEDINGS OF SPIE, Vol. 10466 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1117/12.2287121

2. Антохина О.Ю., Антохин П.Н., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Неделэк Ф., Париж Ж.-Д., Рассказчикова Т.М., Савкин Д.Е., Симоненков Д.В., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В. Вертикальное распределение газовых и аэрозольных примесей воздуха над Российским сектором Арктики Оптика атмосферы и океана, т.30, №12, 1043-1052 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.15372/AOO20171207

3. Антохина О.Ю., Антохин П.Н., Белан Б.Д., Белан С.Б., Белов В.В., Гриднев Ю.В., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Ло К., Неделэк Ф., Париж Ж.-Д., Рассказчикова Т.М., Савкин Д.Е., Симоненков Д.В., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В. Сравнение распределения газовых примесей воздуха измеренных дистанционными и контактными средствами над Российским сектором Арктики Оптика атмосферы и океана, - (год публикации - 2018)

4. Антохина О.Ю., Белан Б.Д., Савкин Д.Е., Толмачев Г.Н. Dependence of the surface ozone concentration on the air temperature and conditions of atmospheric circulation in Western Siberia in the warm season (May-September) PROCEEDINGS OF SPIE, Vol. 10466 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1117/12.2287736

5. Сафатов А.С., Агафонов А.П., Бакланов А.М., Белан Б.Д., Буряк Г.А., Фофонов А.В., Генералов В.М., Лаптева Н.А., Малышкин С.Б., Марченко Ю.В., Олькин С.Е., Резников И.К., Сергеев А.Н., Симоненков Д.В., Терновой В.А., Туманов Ю.В., Шмаргунов В.П. Комплексная оценка качества атмосферного воздуха в г. Геленджик Оптика атмосферы и океана, - (год публикации - 2018)

6. Симоненков Д.В., Рапута В.Ф., Ярославцева Т.В., Белан Б.Д., Антохина О.Ю. Maintaining data of route observations of emission plumes from Norilsk mining and metallurgical plant PROCEEDINGS OF SPIE, Vol. 10466 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1117/12.2288127

7. Скляднева Т.К., Рассказчикова Т.М., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю. Изменение радиационных и метеорологических параметров атмосферы по данным наблюдений в Томске Оптика атмосферы и океана, - (год публикации - 2018)


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В течение 2018 года продолжались измерения состава воздуха в приземном слое на постах сети парниковых газов и комплексного мониторинга. Для обеспечения точности и надежности измерений осуществлялась ежедневная калибровка приборов эталонными поверочными газовыми смесями . Для оценки газового обмена между подстилающей поверхностью и атмосферой проводились измерения в теплый период на трех измерительных площадках. Вертикальное распределение состава воздуха измерялось с помощью самолета-лаборатории Ту-134 «Оптик». Помимо проведения измерений, был выполнен ряд исследований использованием ранее полученных данных. Проанализирована динамика пространственного распределения концентрации парниковых газов в приземном слое воздуха на территории Западной Сибири. Изучена временная динамика их содержания в отдельных регионах и оценена многолетняя изменчивость. По самолетным данным исследована временная динамика концентрации парниковых газов на разных высотах над южными районами Западной Сибири. Сделана оценка многолетних трендов их содержания на разных высотах. Выявлена особенность многолетнего изменения СО2 в летний период. Проведены «очистка» многолетнего ряда данных от кратковременных вариаций и расчет трендов с использованием метода К. Тонинга. Выполнен анализ многолетнего временного хода химического состава аэрозоля на разных высотах над территорией Западной Сибири. Сопоставлена многолетняя динамика газового состава с аналогичным ходом метеорологических величин с целью выявления возможных причинно-следственных связей. Уточнено распределение состава воздуха в различных воздушных массах. Выполнены исследования роли блокингов в изменении состава воздуха. Анализ пространственного распределения концентрации парниковых газов в приземном слое воздуха на территории Западной Сибири показывает, что повышенные концентрации исследуемых газов на территории региона изменяются в основном в широтном направлении и лишь в отдельные сезоны наблюдается переход к меридиональному распределению. При этом, следует отметить, что пространственные распределения концентраций СН4 в текущем году достаточно хорошо соответствуют многолетним наблюдениям. Напротив, площадные разрезы полученные для СО2 в 2018 году значительно отличаются от средних многолетних. Характер межгодовых изменений атмосферного содержания для СО2 по всем пунктам сети мониторинга показывает ярко выраженный положительный тренд. Среднее увеличение концентрации углекислого газа и метана в приземной атмосфере по результатам измерений находится в пределах 2.13 – 2.45 млн-1 в год, и 6 – 12 млрд-1 в год, соответственно. Отметим также, что в отличие от СО2 метан показывает наибольшую изменчивость (увеличенные СКО измеряемых значений) во время сезонных максимумов наблюдаемых концентраций. Темпы роста концентраций парниковых газов на разных высотах над южными районами Западной Сибири колеблются с периодом около 2-3 лет. Амплитуды изменений для СО2 достигают -4 до 8 млн-1/год и наблюдаются в нижней атмосфере (0-3 км). Значения темпа роста и линейные тренды для СО2 , усредненные по всему слою тропосферы от 0,5 до 7,0 км над южной частью Западной Сибири, практически совпадают со среднеглобальными и значениями Обсерватории Мауна-Лоа, несмотря на то, что амплитуды сезонных циклов и темпов роста в Сибири значительно больше. Для метана до 2006 наблюдались небольшие (в слое 1,5-7,0 км) и даже отрицательные линейные тренды (в слое 0,5-1,0 км), после чего следует восстановление роста концентрации с усредненным по всему тропосферному слою от 0,5 до 7,0 км трендом равным +7,2 млрд-1/год. Линейный тренд изменения концентрации закиси азота в тропосфере сибирского региона за период с 1997 по 2018 составил 0,78 млрд-1/год, что несколько ниже среднеглобального значения, наблюдавшегося последние 10 лет. Анализ многолетней изменчивости концентрации СО2 выявил особенную тенденцию в летний период. С 1997 по 2004 год значения летних минимумов на уровне 0,5 км изменялись незначительно. Начиная с 2005 года, зафиксирован рост концентрации, более интенсивный, чем на высотах 3,0 и 7,0 км. Результаты аппроксимации показывают, что на высоте 7,0 км летние значения концентрации СО2 над южными областями Западной Сибири росли с темпом 1,99 млн-1/год. Увеличения содержания CO2 в летний период с 1997 по 2004 год на высоте 0,5 км почти не происходило (0,32 млн-1/год). Начиная с 2005 года, темп прироста резко возрос и составил 2,45 млн-1/год. Проведенный анализ возможных причин такого многолетнего хода показал, что он не связан с сокращением площади лесных массивов, лесными пожарами или болезнью деревьев. Также нельзя утверждать, что сток диоксида углерода был обусловлен воздействием климатических параметров на лесную растительность. Возможно, накопление углекислого газа в атмосфере к 2004 году привело к тому, что сибирские леса уже не справляются с поглощением такого его количества. Анализ многолетнего временного хода химического состава аэрозоля на разных высотах над территорией Западной Сибири показывает значительную изменчивость. Вместе с тем какой-либо устойчивой однозначной тенденции изменения его выявить пока не удалось. Проверка наличия или отсутствия связей между динамикой метеорологических величин и газовым составом атмосферы, проведенная по среднемесячным значениям, выявила, что в многолетнем ходе концентрация СО2 почти синхронно изменяется с давлением воздуха, метан и СО2 находятся в противофазе по отношению к температуре воздуха и абсолютной влажности, соответственно. Озон, образующийся непосредственно в атмосфере, имеет устойчивую корреляцию почти со всеми метеовеличинами, за исключением направления ветра. Для СО2 и СН4 наблюдается устойчивые положительная связь с давлением воздуха и отрицательные с солнечной радиацией, температурой и абсолютной влажностью воздуха. Метан, кроме того, имеет еще и заметную связь с относительной влажностью. Концентрации остальных газов почти не коррелируют с метеовеличинами. Анализ данных измерений потоков парниковых газов показывает, что для болотной системы характерен метаногенез и поглощение СО2 в течение всего теплого периода. Вместе с тем, измерения, проводившиеся в камере, установленной на водной поверхности, показали постоянную эмиссию СО2 и СН4 за счет газовых пузырьков, поднимающихся из придонной торфяной взвеси. Сезонное поглощение СО2 из атмосферы значительно варьируется год от года, как для отдельных растительных сообществ, так и для экосистемы в целом из-за погодных условий и уровня грунтовых вод. Для газовых потоков на пойменной луговине максимальные величины поглощения СО2 приходятся на период интенсивного роста травяной растительности в начале лета. Суммарные сезонные значения поглощения СО2 показывают межгодовую стабильность (170 - 180 мг×м-2×час-1). Для потоков СН4 на луговине в течении теплых сезонов 2017 -2018 гг. были зафиксированы небольшие отрицательные значения, что свидетельствует о наличие постоянного естественного стока метана на подстилающую поверхность в речных поймах. Максимум потоков СН4 наблюдается в июле - августе (до -0,05 мг×м-2×час-1) и затем они постепенно снижаются до окончания измерений в октябре. Результаты уточнения средних значений концентрации газовых компонентов воздуха в основных типах воздушных масс показывают, что наибольшая концентрация СО2 наблюдается в арктической воздушной массе и уменьшается в более теплых массах. Наименьшая она в субтропической массе. Наибольшая концентрация СН4 фиксируется в арктической воздушной массе 2069 млрд-1, наименьшая в тропической – 2003 млрд-1. Наибольшая концентрация СО фиксируется в умеренной воздушной массе и составляет 364 мкг/м3. Немного меньшее значение 355 мкг/м3 фиксируется в тропической воздушной массе. Наименьшее значение наблюдается в арктической массе 327 мкг/м3, где отсутствуют как природные, так и антропогенные источники. Для района г. Томска, концентрация SO2 изменяется от 10,6 мкг/м3в умеренной воздушной массе до 12,5 мкг/м3 в тропической. При этом, различия между средними концентрациями во всех воздушных массах достоверны по уровню 0,001. Для озона характерен обратный, по отношению к СО2 и СН4, градиент. Его наименьшая концентрация наблюдается в арктической воздушной массе 27 мкг/м3, наибольшая в тропической - 55 мкг/м3. Различия между средними концентрациями во всех воздушных массах достоверны по уровню 0,001. Анализ роли атмосферных блокингов в изменении состава воздуха для зимнего сезона и механизмов увеличения концентрации метана показал, что в период блокирования концентрация CH4 и CO2 возрастает в большей части событий для станций, расположенных на юге Западной Сибири. Средняя разница концентрации CH4 между периодами блокингов и периодами предшествующими блокингам составила 133 млрд-1 (диапазон изменчивости от 50 до 370 млрд-1), для CО2 – 9.5 млн-1 (диапазон изменчивости от 4 до 17 млн-1). Средний рост концентрации в период блокирования составил для CH4 – 48 млрд-1/день (максимальное значение 182 млрд-1/день, минимальное 12 млрд-1/день), для СО2 – 3 млн-1/день (максимальное значение 9 млн-1/день, минимальное 1 млн-1/день). Средний прирост для CH4 составил 268 млрд-1, для СО2 – 17 млн-1

 

Публикации

1. Антохин П.Н., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Фофонов А.В., Козлов А.В., Париж Ж.Д., Недэлэк Ф., Рассказчикова Т.М., Савкин Д.Е., Симоненков Д.В., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н. Distribution of Trace Gases and Aerosols in the Troposphere Over Siberia During Wild fires of Summer 2012 Journal of Geophysical Research: Atmospheres, v.123, N4, p.2285-2297 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1002/2017JD026825

2. Антохин П.Н., Гочаков А.В., Колкер А.Б., Пененко А.В. Сравнение результатов расчетов химико-транспортной модели WRF-Chem с данными самолетных измерений в г. Норильск Оптика атмосферы и океана, v. 31, N 4 , с. 282-287 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.15372/AOO20180406

3. Антохина О.Ю., Антохин П.Н., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Дудорова Н.В., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Рассказчикова Т.М., Савкин Д.Е., Симоненков Д.В., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В. Исследование состава воздуха в различных воздушных массах Оптика атмосферы и океана, т.31, №11, с.752–759 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.15372/AOO20180909

4. Антохина О.Ю., Антохин П.Н., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Недэлэк Ф., Париж Ж.Д., Рассказчикова Т.М., Савкин Д.Е., Симоненков Д.В., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В. Vertical Distributions of Gaseous and Aerosol Admixtures in Air over the Russian Arctic Atmospheric and Oceanic Optics, Vol. 31, No. 3, pp. 300–310. (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S102485601803003X

5. Антохина О.Ю., Антохин П.Н., Девятова Е.В., Мартынова Ю.В. 2004 – 2016 wintertime atmospheric blocking events over Western Siberia and their effect on the surface temperature anomalies Atmosphere, v.9, N2. 9p. (год публикации - 2018) https://doi.org/10.3390/atmos9020072

6. Белан Б.Д., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Рассказчикова Т.М., Симоненков Д.В., Толмачев Г.Н. Типизация химического состава тропосферного аэрозоля юга Западной Сибири по воздушным массам Материалы XXIV Международного симпозиума. Электронный ресурс. Томск: Издательство ИОА СО РАН., D324-D327 (год публикации - 2018)

7. Сафатов А.С., Агафонов А.П., Аршинов М.Ю., Бакланов А.М., Белан Б.Д., Буряк Г.А., Фофонов А.В., Генералов В.М., Козлов А.С., Лаптева Н.А., Малышкин С.Б., Марченко Ю.В., Олькин С.Е., Резникова И.К., Сергеев А.Н., Симоненков Д.В., Терновой В.А. и др. Complex Assessment of Atmospheric Air Quality in the City of Gelendzhik Atmospheric and Oceanic Optics, Vol. 31, No. 5, pp. 519–531. (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S1024856018050159

8. Скляднева Т.К., Белан Б.Д., Рассказчикова Т.М., Аршинова В.Г. Изменение синоптического режима Томска в конце XX – начале XXI в. Оптика атмосферы и океана, Т. 31. № 11. С. 895–901 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.15372/AOO20181106


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В течение 2019 года были выполнены следующие измерения и исследования. Продолжалось измерение состава воздуха в приземном слое на постах российско-японской сети парниковых газов, находящихся на территории Западной Сибири; на постах комплексного мониторинга ; вертикального распределения состава воздуха с помощью самолета-лаборатории Як-40 «Оптик»; потоков парниковых газов на границе почва - атмосфера в теплый период на трех измерительных площадках. Проведены четыре полевых эксперимента по исследованию пространственного распределения концентрации CO2 и CH4 в приземном слое атмосферы над значительной частью территории Западной Сибири (54,5°-63,2° с.ш., 62,3°-85° в.д.). По данным сети парниковых газов и комплексного мониторинга проанализирована динамика пространственного распределения концентрации парниковых газов в приземном слое воздуха на территории Западной Сибири. Оценены тенденции изменения их содержания в отдельных районах. Выполнено исследование неоднородностей пространственного распределения концентрации CO2 и CH4 на территории Западной Сибири с использованием портативного газоанализатора Picarro G4301, которое проводилось в ходе четырех мобильных кампаний: конце октября – начале ноября 2018 г.; марте, июне и августе 2019 г. По самолетным данным оценены многолетний тренд концентрации парниковых газов на разных высотах, особенно обращено внимание на летний период. В отчетный период было продолжено экспериментальное исследование атмосферного аэрозоля с самолета-лаборатории Выполнен анализ многолетнего временного хода химического состава на разных высотах над территорией Западной Сибири. Проведен совместный анализ химического и дисперсного состава аэрозоля в различных воздушных массах и по разным тропосферным слоям с целью выявления наиболее характерных для каждой воздушной массы химических компонентов. Осуществлено сопоставление данных измерений с численными оценками по модели WRF-Chem. Для уточнения причинно-следственных связей между многолетней динамикой метеорологических величин и газовым составом атмосферы исследовалась взаимосвязь CH4, CO, CO2, NO, NO2, O3, SO2 и счетной концентрации аэрозоля с диаметром частиц больше 0,4 мкм. с метеовеличинами: температура воздуха (Т), давление (Р), направление (d) и скорость (V) ветра, суммарная солнечная радиация (SR) и ультрафиолетовая радиация в диапазоне 295-320 нм (UVB), относительная влажность (U) и упругость водяного пара (Е). Выполнен анализ распределения концентрации CO2 и CH4 в основных синоптических объектах: циклонах и антициклонах, а также их суточная динамика. Продолжена работа, начатая в 2018 году, по моделированию изменчивости концентраций CO2 и CH4 для периодов атмосферного блокирования с использованием WRF Chem модели. Проведено обобщение многолетнего режима солнечной радиации на территории Западной Сибири. В результатн проведенных измерений дополнены базы данных по результатам измерения состава воздуха в приземном слое на постах сети парниковых газов на территории Западной Сибири, и на постах комплексного мониторинга; потоков газового обмена между подстилающей поверхностью и атмосферой; вертикального распределения состава воздуха над югом Западной Сибири. Начато формирование базы данных по пространственной неоднородности распределения парниковых газов по территории Западной Сибири. Результаты оценки многолетней тенденции изменения содержания парниковых газов в приземном слое воздуха в отдельных районах Западной Сибири показаи, что на большей части рассматриваемой территории продолжались рост концентрации углекислого газа от 2,23 млн-1 до 2,44 млн-1, при среднеглобальной 2,21 млн-1. Рост концентрации метана в последние годы изменяется от 6,8 до 13,2 млрд-1. При этом среднеглобальный рост концентрации метана составляет 6,5 млрд-1. Проведение четырех измерительных кампаний позволили восстановить картину сезонной изменчивости фоновых концентраций CO2 и CH4 в приземном слое атмосферы над значительной территорией Западной Сибири. Максимальные уровни CO2 наблюдались в марте 2019 г. Анализ данных, полученных в июне и августе 2019 г показал, что широтное распределение концентрации CO2 становится неравномерным. В отличие от углекислого газа, распределение концентрации метана в приземном слое атмосферы Западной Сибири имеет более сложную пространственную и сезонную структуру. Так в октябре 2018 г., когда биогенная эмиссия CH4 на подавляющей части региона уже практически прекратилась, а его накопление в тонком приземном слое атмосферы вследствие антропогенных выбросов еще не набрало силу, пространственное распределение по всей территории было достаточно равномерным с уровнями концентрации, не превышавшими 2,0 млн-1. В марте 2019 г. же антропогенная составляющая стала более заметной во всех районах, особенно в нефтегазодобывающих (от Тобольска до Ноябрьска). В июне получилась обратная картина. Возобновление биогенной эмиссии в более прогретых южных районах, привело к более высоким атмосферным концентрациям метана, чем в северных. К августу концентрации CH4 превысили 2,0 млн-1 практически на всей территории Западной Сибири, за исключением степных районов. Анализ временной динамики вертикального распределения концентрации парниковых газов над южными районами Западной Сибири выявил следующее. Продолжадся рост концентрации углекислого газа на всех высотах. В 2017 году значения скорости роста СО2 пошли на спад, а в 2018 году их рост возобновился, достигнув очередного периодического максимума зимой 2019 г. Концентрации метана в 2018 и 2019 г.г. также продолжила свой рост на всех высотах. (рис. 9), начавшийся в 2007 г. после периода стагнации 2000-2006 гг. Причем увеличение содержания метана по всей толще тропосферы от 0,5 до 7,0 км, в среднем за период 2007-2019 гг., составило +7,4 млрд-1/год, что на 0,5 млрд-1/год выше значения, усредненного по всему земному шару за последние 10 лет. Многолетние вариации и линии тренда концентрации N2O на разных высотах в тропосфере показали, что ее концентрация в слое 0,5-7,0 км изменяется с высотой незначительно. В среднем же линейный тренд изменения концентрации закиси азота в тропосфере сибирского региона за период с 1997 по 2019 гг. составил 0,79 млрд-1/год, что несколько ниже среднеглобального значения, наблюдавшегося последние 10 лет. Данные о межгодовой изменчивости потоков парниковых газов на границе подстилающая поверхность – атмосфера выявляют, что болотная система является источником поступления метана в атмосферу в течение всего теплого периода года и стоком углекислого газа. Результаты анализа многолетнего временного хода химического состава аэрозоля на разных высотах над территорией Западной Сибири показывают, что наибольшие значения концентрации были зафиксированы в 2001 году, вторичные максимумы проявились в 2016 и 2018 годах. Можно предполагать периодичность изменения химического состава аэрозоля с интервалом около 15 лет. Однако, для твердого утверждения необходим хотя бы один дополнительный период. При этом, ионный состав аэрозольных частиц выявляет иную периодичность, близкую к 11 летней солнечной активности. Из сопоставления данных многолетнего хода состава воздуха и метеовеличин следует, что у озона имеется значимая положительная или отрицательная корреляция почти со всеми анализируемыми метеовеличинами, за исключением направления ветра. Наблюдаются высокие отрицательные связи углекислого газа с солнечной и УФ-Б радиацией, температурой и упругостью водяного пара. Причем, концентрация СО2 по отношению к этим метеовеличинам имеет обратный годовой ход. Поскольку у метана годовой ход близок к изменению СО2, то это отражается на характере его взаимосвязи с метеовеличинами, как и у углекислого газа у него наблюдается значимый отрицательный коэффициент корреляции. У диоксида азота, помимо положительной зависимости от давления, фиксируется две значимых отрицательных связи с температурой воздуха и скоростью ветра. Вероятно, антикорреляцию со скоростью ветра можно интерпретировать, также как и для озона, повышением рассеивания за счет турбулентности. Атмосферный аэрозоль, также как и газовые примеси воздуха, имеет устойчивую положительную связь с давлением воздуха и отрицательные связи с солнечной радиаций, УФ-Б радиацией, температурой воздуха и упругостью водяного пара. Учитывая, что годовой ход счетной концентрации аэрозоля (D>0.4 мкм), обратный по отношению к указанным метеовеличинам, то такой результат выглядит закономерно. Данные сопоставления не выявляют значимых связей метеовеличин и таких компонент как SO2, CO и NO. Проведенный анализ возможных причин показывает, что обнаруженные связи О3, СО2, СН4, NO2 и счетной концентрации аэрозоля с давлением воздуха имеют другую природу. Поэтому была предпринята попытка анализа распределения парниковых газов в циклонах и антициклонах. Результаты сравнения показали, что распределение парниковых газов в антициклоне и циклоне имеет противоположный характер и значительно изменяется в течение суток. Суточные амплитуды изменения СО2 и СН4 были сопоставлены с глубиной циклона и мощностью антициклона: разницей между давлением в центре синоптического образования и изобарой, ограничивающей его. Оказалось, что чем больше глубина циклона или мощность антициклона, то есть перепад давления между их центром и периферией, тем больше суточная амплитуда изменения СО2 и СН4. При этом, суточные амплитуды имеют своеобразный годовой ход. Они имеют максимум в теплый или холодный период и минимумы в переходные сезоны. Величина суточного изменения концентрации СО2 почти не отличается между циклоном и антициклоном. Для СН4 она несколько больше в циклоне, чем в антициклоне. Пока сложно интерпретировать эти данные. Требуется дополнительный анализ. В результате проведения численного моделирования и верификации его с данными измерений было получено подтверждение увеличения концентрации метана в период блокирования. При этом результаты моделирования показывают, что расчетная скорость роста концентрации метана в условиях атмосферного блокирования описывает в среднем около одной трети от наблюдаемой на постах измерений. Это говорит о том, что скорее всего мощность источников эмиссий в модели занижена. Доля эмиссий от пожаров, для модельных данных, в период блокирования в среднем составляет половину от всех использованных эмиссий. Причем иногда их доля может доходить до 80 %. По данным сети постов наблюдения за состоянием атмосферы в приземном слое период 2004-2018 гг. на территории Западной Сибири характеризуется устойчивым радиационным режимом. Диапазон среднего годового поступления суммарной радиации – от 2917 МДж/м2 в зоне северной тайги до 4584 МДж/м2 в лесостепной зоне. С 2013 года наблюдается незначительный рост поступления суммарной солнечной радиации. В современный период замедлился рост температуры относительно исторического периода. Наибольший вклад в понижение интенсивности потепления внес январь. Анализ синхронных измерений приземной концентрации озона и УФ-В радиации в разные сезоны, выявил высокую степень взаимосвязи временной изменчивости концентрации озона и УФ радиации.

 

Публикации

1. Антохин П.Н., Антохина О.Ю., Антонович В.В., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., Козлов А.В., Фофонов А.В. Measurements of methane fluxes in the surface layer of the atmosphere over Western Siberia Proceeding SPIE, V.11208 (год публикации - 2019)

2. Антохина О.Ю, Антохин П.Н., Мартьянова Ю.В. The ratio of methane emissions from wetlands and the most extreme fires in Western Siberia based on MACC / CAMS and GFED data IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci., 386 012032 (год публикации - 2019)

3. Антохина О.Ю., Антохин П.Н., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Белов В.В., Гриднев Ю.В., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Ло К., Неделэк Ф., Париж Ж.-Д., Рассказчикова Т.М. Comparison of Distributions of Atmospheric Gas Admixture Concentrations Measured by Remote and In Situ Instruments over the Russian Sector of the Arctic Atmospheric and Oceanic Optics, Vol. 31, No. 6, pp. 626–634. (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S1024856018060027

4. Антохина О.Ю., Антохин П.Н., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Дудорова Н.В., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Рассказчикова Т.М., Савкин Д.Е., Симоненков Д.В., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В. Study of Air Composition in Different Air Masses Atmospheric and Oceanic Optics, Vol. 32, No. 1, pp. 72–79. (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S1024856019010020

5. Дудорова Н.В., Белан Б.Д. The role of evaporation and condensation of water in the formation of the urban heat island Proceeding SPIE, V. 11208 (год публикации - 2019)

6. Симоненков Д.В., Белан Б.Д., Толмачев Г.Н., Рассказчикова Т.М. The influence of tropical and subtropical air masses on the chemical composition of the tropospheric aerosol of Western Siberia based on the results of systematic aircraft sounding in 1997-2017 E3S Web of Conferences CADUC 2019, 99, 03012 (год публикации - 2019)

7. Скляднева Т.К., Белан Б.Д., Рассказчикова Т.М., Аршинова В.Г. Change in the Synoptic Regime of Tomsk in the Late 20th–Early 21st Centuries Atmospheric and Oceanic Optics, 2019, Vol. 32, No. 2, pp. 171–176. (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S102485601902012X

8. Белан С.Б., Белан Б.Д., Аршинова Вю, Давыдов Д.К., Козлов А.В., Рассказчикова Т.М., Скляднева Т.К., Фофонов А.В. Dependence of the air composition in the atmospheric surface layer on the variability of meteorological quantities Geophysical Research Abstracts EGU General Assembly 2019, Vol. 21, EGU2019-8777-1 (год публикации - 2019)


Возможность практического использования результатов
Данные необходимы для уточнения прогноза изменения глобального климата и окружающей среды. Более уверенный прогноз изменения климата позволит уточнить прогноз социально-экономического развития региона тем самым уменьшить риски при дальнейшем его освоении.