Оценка пространственного распределения потенциальных источников атмосферного аэрозоля на основе фотометрических измерений на Среднем Урале

Атмосферный аэрозоль отличается высокой временной и пространственной изменчивостью, существенно влияет на процессы образования облаков, осадков и радиационный теплообмен. Разнообразие источников аэрозолей и их негативное влияние на здоровье обусловливают необходимость детального изучения их распределения в атмосфере.

Цель настоящей работы – идентифицировать основные географические регионы-источники различных классов аэрозолей на основе спектральных измерений аэрозольной оптической толщи (АОТ), проводившихся на Среднем Урале в рамках глобального аэрозольного мониторинга AERONET (https://aeronet.gsfc.nasa.gov/).

Для оценки полей источников атмосферных примесей применялся метод Л. Эшбо, который основывается на нахождении функции потенциального вклада источника (Potential Source Contribution Function, PSCF), связывающей результаты измерений с обратными траекториями воздушных потоков, что позволяет идентифицировать регионы расположения вероятных источников аэрозоля.

Географическая область делилась сеткой на ячейки с индексами (i,j), где i и j нумеруют географические координаты  ̶ долготу и широту центра выделенной ячейки.

Функция PSCF оценивает вероятность того, что воздушные потоки, проходящие через конкретную ячейку сетки, несут определенный класс аэрозоля. PSCF для ij-й ячейки определяется как отношение числа траекторий, проходящих через эту ячейку и доставляющих в точку мониторинга определенный тип частиц (m_ij) к общему числу траекторий, проходящих через эту ячейку (n_ij).

Классификация региональных типов аэрозолей была выполнена методом k-средних на основе измерений спектральных АОТ. В качестве начальных центров кластеров задавались спектральные значения коэффициентов ослабления излучения, рассчитанные на основе данных региональной аэрозольной модели MUrA и глобальной модели CALIPSO. Было выделено пять типов аэрозолей: пыль (Dust), чистый континентальный (Clean Continental), загрязнённый континентальный/дым (Polluted Continental/Smoke), загрязнённая пыль (Polluted Dust), высокие дымы (Elevated Smoke).

Были проанализированы данные о переносе воздушных масс на Среднем Урале к точке с координатами 57.038 с.ш., 59.545 в.д., полученные с использованием программного обеспечения модели Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) за период 2007-2020 гг. Для расчёта обратных траекторий использовались поля метеорологических параметров Северного полушария, полученные из архива базы данных Global Data Assimilation System (GDAS1).

Полученные результаты демонстрируют чёткую пространственную дифференциацию источников атмосферных аэрозолей для некоторых различных классов. Высокие значения PSCF (более 0.6) для аэрозолей класса высокие дымы сосредоточены в районе Западной Сибири. Это связано с периодическими интенсивными лесными пожарами, которые возникают в данном регионе. Для аэрозолей класса пыль максимальные значения PSCF превышают 0.8 и локализуются в южных регионах, включая степные районы Казахстана. Здесь основными источниками являются природные процессы – пыльные бури и эрозия почв. Для других типов аэрозолей значения PSCF ниже 0.5, что не позволяет однозначно выделить их источники как значимые. 

Авторы выражают признательность: М.В. Панченко, C.М. Сакерину, С.А. Бересневу, С.Ю. Горда, Ю.И. Маркелову, B. Holben, A. Smirnov за содействие в проведении фотометрических измерений в пункте мониторинга AERONET, расположенном на Среднем Урале.

Исследование выполнено за счет субсидий Минобрнауки РФ на выполнение научной темы FUMN-2024-0004.