Совместное использование данных дистанционного зондирования земли и результатов численного моделирования для оценки экологической обстановки Крымского полуострова

Задача обеспечения экологической безопасности России признана одной из основных функций государства и требует новых, современных подходов для ее решения. Экологическая безопасность определяется состоянием экологической обстановки, одним из элементов характеристики которой является степень загрязнения воздуха, в частности, определяющаяся присутствием различного рода примесей. Особое внимание в последнее время сосредоточено на присутствии в атмосфере различного рода  взвешенных веществ и их способности влиять на здоровье человека и атмосферные процессы. Взвешенные вещества играют важную роль в глобальном изменении климата, рассеивая и поглощая излучение.

Одним из современных инструментов оценки экологической обстановки является использование спутниковых наблюдений и результатов численного моделирования для анализа перемещения взвешенных веществ в пространстве. Спутниковые наблюдения обеспечивают долгосрочный непрерывный пространственный охват, являясь эффективным инструментом мониторинга глобального распределения и свойств взвешенных веществ.

Анализ спутниковых данных проводился с использованием данных Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA). NASA и его международные партнеры управляют спутниками наблюдения Земли, на борту которых находятся пассивные и активные датчики, проводящие почти одновременные исследования за широким спектром параметров.

Для проведения исследования использовались значения индекса поглощающего аэрозоля (AAI) и оптическая глубина аэрозоля (AOD), по которым определялось присутствие повышенных концентраций взвешенных частиц в атмосфере Земли.

Определение типа аэрозоля над исследуемым регионом было проведено с использованием данных спутника CALIPSO. Алгоритм CALIPSO основан на моделях аэрозолей с распределением размеров в зависимости от типа и показателя преломления и может классифицировать и выбирать различные типы взвешенных частиц: пыль пустыни, продукты сжигания биомассы, фоновые, загрязненные морские [1].

Численное моделирование формирования обратных траекторий проводилось с использованием модели HYSPLIT Национальной лаборатории океанических и атмосферных ресурсов США, которая представляет собой полную систему для вычисления как простых прямых, так и обратных траекторий воздушных выбросов, а также сложных моделей переноса, дисперсии, химического превращения и осаждения [2].

Метод анализа обратных траекторий достаточно давно применяется для оценки возможных изменений концентраций газовых смесей в связи с крупномасштабным переносом воздушных масс [3].

Исследуемая территория прихода обратных траекторий была условно поделена на три широких географических сектора для выяснения преимущественных перемещений относительно Крымского полуострова. К ним относятся регионы источников аэрозоля: первый, который включает источники выбросов в континентальной Европе; второй, включающий Южную часть Средиземного моря и Африканский континент; третий, включающий Западное Средиземноморье, Пиренейский полуостров и Атлантический океан.

Воздушные массы из первого сектора предположительно проходили через несколько промышленно развитых европейских районов, прежде чем достичь Крымского полуострова. Во втором секторе предполагалось влияние воздушных масс, проходящих по территории  Африканских пустынь. Морские и, в меньшей степени, антропогенные частицы из океана Атлантики или региона Западного Средиземноморья, как ожидалось, были перенесены из третьего сектора [4]. В работе было выдвинуто предположение, что чем больше время, которое обратная траектория находилась над сектором, тем сильнее связь с определяемым происхождением взвешенных частиц.

Расчет процента прохождения траекторий над секторами исследуемой территории и определения потенциальной возможности переноса частиц на большие расстояния проводился с использованием распределения траекторий по направлениям  на основе метода кластерного анализа.

Анализ данных дистанционного зондирования Земли и данных численного моделирования обратных траекторий позволит уточнить фоновые концентрации взвешенных частиц и использовать для оценки экологической  обстановки.

Выводы

1. Проведенное исследование с применением компьютерной траекторной модели HYSPLIT подтверждает  возможность применения упрощенного моделирования возможного негативного воздействия на экологическую обстановку Крымского полуострова источников выбросов взвешенных веществ.
2. Построение карт обратных траекторий позволяет рассчитывать процент прохождения траекторий и предположить возможность соответствующего переноса частиц на большие расстояния и как следствие — предполагаемую экологическую нагрузку на исследуемую территорию.
3. Использование метода кластерного анализа позволяет учитывать как кривизну, так и длину траекторий, группируя их исключительно с точки зрения близости в разные моменты времени.
4. Для оценки экологической обстановки необходимо использование различных типов наблюдений как наземных, так и дистанционных, различных носителей информации.
5. При использовании различных систем и методов наблюдений для измерений конкретного параметра необходимо стремиться к получению синергетического комплексного эффекта.