Том 39, номер 03, статья № 7

Аннотация:

Моделирование загрязнения воздуха в горных регионах остается сложной задачей из-за особенностей рельефа, влияющих на атмосферные процессы, и неточностей данных об антропогенных выбросах. Представлены результаты моделирования загрязнения атмосферы монооксидом углерода (CO) в условиях сложного горного рельефа на примере г. Кисловодска с использованием мезомасштабной метеорологической модели WRF и химической транспортной модели CHIMERE. Полученные результаты валидированы по данным инструментальных измерений, проводимых на Высокогорной научной станции Института физики атмосферы им. А.Н. Обухова РАН. Показано, что уточнение данных эмиссий кадастра EMEP (European Monitoring and Evaluation Programme) с учетом локальных особенностей дорожной сети (плотности и типа дорог) и их суточной/недельной динамики позволяет приблизить пространственное распределение источников загрязнения к реальному распределению улично-дорожной сети региона, а также улучшить качество воспроизведения суточного хода концентраций CO. Проведенный эксперимент позволил количественно оценить вклад орографических факторов в общий уровень загрязнения. Установлено, что сложный рельеф региона усиливает неоднородность распределения приземных концентраций CO, обусловливая до 20–50% его пространственной изменчивости и создавая зоны накопления и рассеивания загрязняющих веществ. Статистический анализ демонстрирует удовлетворительное согласие результатов моделирования с данными наблюдений. Исследование подтверждает эффективность использования комплекса WRF–CHIMERE для мониторинга и анализа качества атмосферного воздуха в курортных регионах со сложным рельефом. Полученные результаты могут служить основой для проведения фундаментальных и прикладных научных исследований, направленных на изучение механизмов формирования периодов неблагоприятных экологических условий. Моделирование качества воздуха также поможет органам местного самоуправления в градостроительном планировании, оптимизации дорожной сети и развитии рекреационных зон с учетом рельефа, а также позволит усовершенствовать региональные системы экологического мониторинга.

Ключевые слова:

загрязнение атмосферы, химическая транспортная модель, качество воздуха, монооксид углерода, орография, эмиссии автотранспорта

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Rafaj P., Kiesewetter G., Gül T., Schöpp W., Cofala J., Klimont Z., Purohit P., Heyes C., Amann M., Borken-Kleefeld J., Cozzi L. Outlook for clean air in the context of sustainable development goals // Glob. Environ. Chang. 2018. V. 53. P. 1–11. DOI: 10.1016/j.gloenvcha.2018.08.008.
2. World Health Statistics 2021: Monitoring Health for the SDGs, Sustainable Development Goals. USA, 2021. URL:ttps://iris.who.int/server/api/core/bitstreams/4339a2a8-d8bc-4f73-8570-204b08c9264f/content (last access: 28.12.2025).
3. Pope C., Thun M.J., Namboodiri M.M., Dockery D.W., Evans J.S., Speizer F.E., Heath Jr.C.W. Particulate air pollution as a predictor of mortality in a prospective study of U.S. adults // Am. J. Respir. Crit. Care Med. 1995. N 151. P. 669–674. DOI: 10.1164/ajrccm/151.3_Pt_1.669.
4. Sun Y., Zhuang G., Wang Y., Han L., Guo J., Dan M., Zhang W., Wang Z., Hao Z. The air-borne particulate pollution in Beijing – concentration, composition, distribution and sources // Atmos. Environ. 2004. V. 35, N 38. P. 5991–6004. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2004.07.009.
5. Bell M., Peng R., Dominici F. The exposure-response curve for ozone and risk of mortality and the adequacy of current ozone regulations // Environ Health Perspect. 2006. V. 114, N 4. P. 532–536. DOI: 10.1289/ehp.8816.
6. Downs S., Schindler C., Liu S., Keidel D., Bayer-Oglesby L., Brutsche M., Gerbase M., Keller R., Künzli N., Leuenberger P., Probst-Hensch N., Tschopp J.-M., Zellweger J-P., Rochat T., Schwartz J., Ackermann-Liebrich U. Reduced exposure to PM₁₀ and attenuated age-related decline in lung function // N. Engl. J. Med. 2006. V. 23, N 357. P. 2338–2347. DOI: 10.1056/nejmoa073625.
7. Hvidtfeldt U. Sorensen M., Geels C., Ketzel M., Khan J., Tjonneland A., Overvad K., Brandt J., Raaschou-Nielsen O. Long-term residential exposure to PM_2.5, PM₁₀, black carbon, NO₂, and ozone and mortality in a Danish cohort // Environ. Int. 2019. V. 2, N 123. P. 265–272. DOI: 10.1016/j.envint.2018.12.010.
8. Всемирная организация здравоохранения. WHO, 2024. URL: https: //data.who.int/ru/indicators/i/80BEA0B /E2FC6D7 (дата обращения: 28.12.2025).
9. Choi Y., Wang Y., Zeng T., Cunnold D., Yang E., Martin R., Edgerton E. Springtime transitions of NO₂, CO, and O₃ over North America: Model evaluation and analysis // J. Geophys. Res.: Atmos. 2008. V. D20, N 113. DOI: 10.1029/2007JD009632.
10. Yoo J., Jeong M., Kim D., Stockwell W., Yang J., Shin H., Lee S. Spatiotemporal variations of air pollutants (O₃, NO₂, SO₂, CO, PM₁₀, and VOCs) with land-use types // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 18, N 15. P. 10857. DOI: 10.5194/acp-15-10857-2015.
11. Rajak R., Chattopadhyay A. Short and long-term exposure to ambient air pollution and impact on health in India: A systematic review // Int. J. Environ. Res. Public. Health. 2019. P. 1–25. DOI: 10.1080/09603123.2019.1612042.
12. Liang L., Gong P. Urban and air pollution: A multi-city study of long-term effects of urban landscape patterns on air quality trends // Sci. Rep. 2020. V. 1, N 10. P. 1–13. DOI: 10.1038/s41598-020-74524-9.
13. Fritze J. Introduction // National Research Council and National Academy of Engineering (ed.) Urbanization, Energy, and Air Pollution in China. Washington: The National Academies Press, 2004. P. 1–8. DOI: 10.17226/11192.
14. Liu Y., Wu J., Yu D., Hao R. Understanding the patterns and drivers of air pollution on multiple time scales: The case of Northern China // Environ. Manag. 2018. N 61. P. 1048–1061. DOI: 10.1007/s00267-018-1026-5.
15. Головко А.Г., Клецова В.А., Ромащенко Д.Д., Башкиров Л.Н., Акишина С.В., Ладохина Е.М., Неробелов Г.М. Исследование чувствительности модели WRF-Chem к учету детализированной городской среды Санкт-Петербурга // Школа молодых ученых: тез. докл. 3–6.10.2024 г. СПб.: РГГМУ, 2024. С. 12–14.
16. Nerobelov G., Virolainen Ya., Ionov D., Polyakov A., Rozanov Ye. WRF-Chem modeling of tropospheric ozone in the coastal cities of the gulf of Finland // Atmosphere. 2024. V. 15, N 7. P. 775. DOI: 10.3390/atmos15070775.
17. Коновалов И.Б., Головушкин Н.А., Журавлева Т.Б., Насртдинов И.М., Ужегов В.Н., Beekmann M. Применение модельного комплекса CHIMERE–WRF для изучения радиационных воздействий сибирского дымового аэрозоля в Восточной Арктике // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 2. С. 129–139. DOI: 10.15372/AOO20230208; Konovalov I.B., Golovushkin N.A., Zhuravleva T.B., Nasrtdinov I.M., Uzhegov V.N., Beekmann M. Application of the CHIMERE-WRF model complex to study the radiative effects of Siberian smoke aerosol in the Eastern Arctic // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 4. P. 337–347.
18. Коновалов И.Б., Головушкин Н.А. Модельный анализ механизмов формирования полупрямого радиационного эффекта сибирского дымового аэрозоля в Арктике // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 2. С. 127–137. DOI: 10.15372/AOO20240206; Konovalov I.B., Golovushkin N.A. Model analysis of origination of semidirect radiative effect of Siberian biomass burning aerosol in the Arctic // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 3. P. 382–393.
19. Вильфанд Р.М., Кирсанов А.А., Ревокатова А.П., Ривин Г.С., Суркова Г.В. Прогноз перемещения и трансформации загрязняющих веществ в атмосфере с помощью модели COSMO-ART // Метеорол. гидрол. 2017. № 5. С. 31–40.
20. Кузнецова И.Н., Нахаев М.И., Кирсанов А.А., Борисов Д.В., Ткачева Ю.В., Ривин Г.С., Лезина Е.А. Тестирование и перспективы технологии прогнозирования загрязнения воздуха с применением химических транспортных моделей CHIMERE и COSMO-Ru2ART // Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2022. № 4. С. 147–170. DOI: 10.37162/2618-9631-2022-4-147-170.
21. Андреев В.В., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Гордюшкин В.А., Давыдов Д.К., Демин В.И., Дудорова Н.В., Еланский Н.Ф., Иванов Р.В., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Коновальцева Л.В., Коренский М.Ю., Котельников С.Н., Кузнецова И.Н., Лапченко В.А., Лезина Е.А., Марченко О.О., Оболкин В.А., Постыляков О.В., Потемкин В.Л., Савкин Д.Е., Семутникова Е.Г., Сеник И.А., Степанов Е.В., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В., Ходжер Т.В., Челибанов И.В., Челибанов В.П., Широтов В.В., Штабкин Ю.А., Шукуров К.А. Концентрация тропосферного озона на территории России в 2023 г. // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 8. С. 688–698. DOI: 10.15372/AOO20240809; Andreev V.V., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Gordyushkin V.A., Davydov D.K., Demin V.I., Dudorova N.V., Elansky N.F., Ivanov R.V., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Konovaltseva L.V., Korenskiy M.Yu., Kotel’nikov S.N., Kuznetsova I.N., Lapchenko V.A., Lezina E.A., Marchenko O.O., Obolkin V.A., Postylyakov O.V., Potemkin V.L., Savkin D.E., Semutnikova E.G., Senik I.A., Stepanov E.V., Tolmachev G.N., Fofonov A.V., Khodzher T.V., Chelibanov I.V., Chelibanov V.P., Shirotov V.V., Shtabkin Yu.A., Shukurov K.A. Tropospheric ozone concentration in Russia in 2023 // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 6. P. 849–864.
22. Неробелов Г.М., Тимофеев Ю.М., Смышляев С.П., Фока С.Ч., Имхасин Х.Х. Сравнения результатов численного моделирования и измерений содержания СО₂ в атмосфере Санкт-Петербурга // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2023. T. 59, № 3. С. 322–335. DOI: 10.31857/S0002351523020050.
23. Шалыгина И.Ю., Кузнецова И.Н., Нахаев М.И., Борисов Д.В., Лезина Е.А. Эффективность коррекции эмиссий для расчетов химической транспортной модели CHIMERE в Московском регионе // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 6. С. 441–447. DOI: 10.15372/AOO20200604.
24. Kahraman A., Sivri N. Comparison of metropolitan cities for mortality rates attributed to ambient air pollution using the AirQ model // Environ. Sci. Pollut. Res. 2022. N 29. P. 43034–43047. DOI: 10.1007/s11356-021-18341-1.
25. Васин В.А., Ефименко Н.В., Гранберг И.Г., Савиных В.В., Поволоцкая Н.П., Мкртчян Р.И., Гинзбург А.С., Голицын Г.С., Жерлицина Л.И., Кортунова З.В., Максименков Л.О., Погарский Ф.А., Рубинштейн К.Г., Сеник И.А., Скляр А.П. Некоторые особенности изучения связи сердечно-сосудистых заболеваний с экологическими и метеорологическими факторами на низкогорных курортах России // Врач скорой помощи. 2009. № 5. С. 61–62.
26. Granberg I., Golitsyn G., Pogarski F., Istoshin N., Efimenko N. Abrupt weather changes and atmospheric pollution influence on sickness and death rates (for Moscow and Caucasian Mineral Waters regions) // Proc. ISRSE. 2009. N 5. P. 1042–1045.
27. Голицын Г.С., Гранберг И.Г., Ефименко Н.П., Поволоцкая Н.П. Атмосфера и здоровье // Земля и Вселенная. 2009. № 3. С. 27–36.
28. Макоско А.А., Матешева А.В. Загрязнение атмосферы и качество жизни населения в XXI веке: угрозы и перспективы. М.: Российская академия наук, 2020. 258 с.
29. Bessagnet B., Menut L., Lapere R., Couvidat F., Jaffrezo J.-L., Mailler S., Favez O., Pennel R., Siour G. High resolution chemistry transport modeling with the on-line CHIMERE-WRF model over the French Alps –analysis of a feedback of surface particulate matter concentrations on mountain meteorology // Atmosphere. 2020. V. 11, iss. 6. P. 565. DOI: 10.3390/atmos11060565.
30. Bessagnet B., Thapa N., Bajga D., Sahu R., Saikia A., Cholakian A., Menut L., Siour G., Wangchuk T., Crippa M., Gurung K. High resolution air quality simulation in the Himalayan valleys, a case study in Bhutan // Atmos. Chem. Phys. 2025. N 25. P. 18675–18696. DOI: 10.5194/acp-25-18675-2025.
31. Государственный доклад о состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Ставропольском крае в 2023 году. Ставрополь: Управление Роспотребнадзора по Ставропольскому краю, 2024. 180 с.
32. Belousov V., Belikov I., Moiseenko K., Skorokhod A. Variations of organic and inorganic atmospheric boundary layer gaseous species by observations in Moscow and Zvenigorod // Rus. J. Earth Sci. V. 23. P. ES0206. DOI: 10.2205/2023ES02SI06.
33. Wolf T., Esau I., Reuder J. Analysis of the vertical temperature structure in the Bergen valley, Norway, and its connection to pollution episodes // J. Geophys. Res.: Atmos. 2014. N 119. P. 10.645–10.662. DOI: 10.1002/2014JD022085.
34. Menut L., Cholakian A., Pennel R., Siour G., Mailler S., Valari M., Lugon L., Meurdesoif Y. The CHIMERE chemistry-transport model v2023r1 // Geosci. Model Dev. 2024. N 17. P. 5431–5457.
35. Skamarock W., Klemp J., Dudhia J., Gill D., Barker D., Duda M., Huang X-Y., Wang W., Powers J. A Description of the Advanced Research WRF Version 2: NCAR Technical Note, Colorado. 2005. N NCAR/TN–468+STR. URL: https://www.research-gate. net/publication/284890700_A_description_of_the_advanced_research_WRF_Version_2_Tech_Rep_NCARTN_468STR.
36. Derognat C., Beekmann M., Baeumle M., Martin D., Schmidt H. Effect of biogenic volatile organic compound emissions on tropospheric chemistry during the atmospheric pollution over the Paris area (Esquif) campaign in the Ile-de-France region // Atmos. Environ. 2003. N 24. P. 481–518.
37. Ткачева Ю.В. Методика интерполяции кусочно-линейных данных об эмиссиях автотранспорта на регулярную модельную сетку // Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2018. № 2. С. 170–180.
38. Шалыгина И.Ю., Нахаев М.И., Кузнецова И.Н., Коновалов И.Б., Захарова П.В. Региональная адаптация базы данных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу // Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2018. № 3. С. 33–45.
39. Dore A., Carslaw D., Braban C., Cain M., Chemel C., Conolly C., Derwent R.G., Griffiths S.J., Hall J., Hayman G., Lawrence S., Metcalfe S.E., Redington A., Simpson D., Sutton M.A., Sutton P., Tang Y.S., Vieno M., Werner M., Whyatt J.D. Evaluation of the performance of different atmospheric chemical transport models and inter-comparison of nitrogen and sulphur deposition estimates for the UK // Atmos. Environ. 2015. V. 119. P. 131–143. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2015.08.008.
40. Prank M., Sofiev M., Tsyro S., Hendriks C., Semeena V., Francis X., Butler T., Denier van der Gon H., Friedrich R., Hendricks J., Kong X., Lawrence M., Righi M., Samaras Z., Sausen R., Kukkonen J., Sokhi R. Evaluation of the performance of four chemical transport models in predicting the aerosol chemical composition in Europe in 2005 // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16. P. 6041–6070. DOI: 10.5194/acp-2015-102.
41. Schaap M., Cuvelier C., Hendriks C., Bessagnet B., Baldasano J.M., Colette A., Thunis P., Karam D., Fagerli H., Graff A., Kranenburg R., Nyiri A., Pay M.T., Rouïl L., Schulz M., Simpson D., Stern R., Terrenoire E., Wind P. Performance of European chemistry transport models as function of horizontal resolution // Atmos. Environ. 2015. V. 112. Р. 90–105. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2015.04.003.