Метеорологические условия Юго-Западного Кыргызстана, Влияющие на загрязнение атмосферы :

Краткое описание

Введение... 4

1.Физико-географические и климатические условия Юго-Западного Кыргызстана... 9

1.1. Физико-географическое положение, рельеф, орография

и метеорологическая освещенность территории...9

1.2. Типы атмосферной циркуляции территории...13

1.3. Радиационнные характеристики территории...17

1.4. Основные черты местных климатов...20

1.5. Режим скорости ветра в предгорной зоне...23

1.6. Режим атмосферных осадков и туманов в предгорной зоне...30

2. Горно-долинная циркуляция в Юго-Западном Кыргызстане...36

2.1. Проявление горно-долинной циркуляции в режиме приземных направлений ветра в долинах различной ориентации...36

2.2. Оценка повторяемости горно-долинной циркуляции по приземным ветровым данным...48

2.3. Проявление горно-долинной циркуляции в режиме направлений и скоростей ветра в нижней тропосфере...54

2.4. Параметры вертикальной структуры горно-долинной циркуляции...62

2.5. Повторяемость горно-долинной циркуляции при различных типах синоптических процессов...69

3. Инверсии температуры в Юго-Западном Кыргызстане...76

3.1. Вертикальное распределение средних температур воздуха в нижней тропосфере...76

3.2. Повторяемость и частота инверсий температуры в нижней тропосфере...82

3.3. Мощность инверсий температуры и их границы...92

3.4. Величина инверсий температуры...101

т

4. Загрязнение атмосферы в городах Юго-Западного Кыргызстана...108

4.1. Годовые и сезонные оценки загрязнения...109

4.2. Загрязнение атмосферы при различных скоростях ветра...115

4.3. Загрязнение при осадках и туманах...122

4.4. Загрязнение при инверсиях температуры...128

4.5. Загрязнение при различных типах циркуляции...132

4.6. Потенциалы загрязнения и самоочищения атмосферы...139

Выводы...144

Литература...149

Приложение 1...158

Приложение 2...159

Приложение 3...161

Приложение 4...162

Приложение 5...163

Приложение 6...167

Приложение 7...174

Приложение 8...178

Приложение 9...180

Приложение 10...181

Приложение 11...183
Введение

ВВЕДЕНИЕ

т

Юго-Западный Кыргызстан (ЮЗК) расположен на юго-западной периферии Тянь-Шаня, северной и северо-восточной периферии Памиро-Алая, занимая территорию в 79,8 тыс.км2 в пределах 40 - 42° с.ш. и 69 - 71° в.д. В ЮЗК входят хребты, обрамляющие Ферганскую долину с севера (Пскемский, Сандалашский, Чаткальский), с востока (Ферганский) и юга (Алайский, Заалайский и Туркестанский) с высотами гребневой линии 4,0 -7,1 км и разделяющие их межгорные впадины, а также соответствующие им предгорья в пределах Кыргызстана с абсолютными высотами 0,4 -1,2 км. Экономически наиболее освоенными и заселенными (~ 2,43 млн. человек) в ЮЗК являются предгорья и нижняя часть склонов горного обрамления Ферганской долины до высот около 1,5-2 км. Среднегорье (2-3 км) и высокогорье (более 3 км) преимущественно используются под пастбища. Основными городами, расположенными в низкогорье, являются областные центры: г.Ош (z~0,88 км), Жалал-Абад (z~0,76 км) и Баткен (z~l,05 км). Исследование погодно-климатических условий, влияющих на загрязнение атмосферного воздуха низкогорной зоны Юго-Западного Кыргызстана, где сосредоточено основное население и хозяйственный потенциал региона, имеет большую научную и практическую значимость.

Актуальность темы: Загрязнение атмосферного воздуха естественными и антропогенными выбросами в сельскохозяйственных и промышленно-развитых районах, к которым относится низкогорная зона ЮЗК, и особенно в крупных городах, стало важной проблемой, острота которой из года в год постоянно усиливается. Выбросы от разрастающегося парка автотранспорта, тепловых станций, строительной и горнодобывающей промышленности, бытового сектора, использования удобрений в сельском хозяйстве и других источников приводит к тому, что приземные слои атмосферы на больших территориях являются сильно загрязненными различными ингредиентами. Все это ухудшает экологические условия

проживания населения, негативно влияет на состояние здоровья и Ш продолжительность жизни людей, т.к. приводит к неуклонному снижению

качества эколого - климатических условий нижней тропосферы.

Накопление и рассеивание загрязняющих выбросов в атмосфере определяется метеорологическими условиями территории. Так, затишья и слабые ветры, инверсионные слои в атмосфере, туманы способствуют увеличению концентраций примесей, создавая над отдельными регионами значительное загрязнение атмосферы. Умеренные и сильные ветры приводят к рассеиванию примесей и их переносу на большие расстояния. Длительные обложные дожди хорошо очищают атмосферу, тогда как ливневые дожди имеют более слабое вымывающее действие за счет своей кратковременности. Синоптические ситуации, являясь комплексом различных погодных и метеорологических условий, интегрально определяют режим загрязнения над конкретной территорией.

Таким образом, актуальность темы исследования определяется большой практической важностью знания метеорологических условий, способствующих накоплению и рассеиванию загрязняющих примесей в атмосфере Юго-Западного Кыргызстана. Это необходимо для климато-экологической характеристики атмосферных условий изучаемого региона, разработки прогнозов степени загрязненности воздушного бассейна, принятия хозяйственных решений, позволяющих учесть или улучшить экологическое качество приземного слоя атмосферы, как в предгорных районах Юго-Западного Кыргызстана, так и в Кыргызстане в целом.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является количественная оценка характеристик метеорологических условий низкогорной зоны Юго-Западного Кыргызстана, являющейся наиболее густонаселенной, сельскохозяйственно и промышленно-развитой частью территории, которые влияют на загрязнение атмосферы.

В задачи исследований входило решение следующих вопросов:

1. Оценить режимные характеристики ветра в нижней тропосфере и, Л прежде всего, горно-долинной циркуляции, являющиеся одними из главных

факторов рассеивания примесей в горизонтальной плоскости.

2. Оценить режимные характеристики инверсионных слоев в нижней тропосфере, как фактора, определяющего рассеивание примесей по вертикали.

3. Оценить степень загрязнения атмосферного воздуха в г.Ош при различных типах погод и синоптических процессах, как показателя циркуляционного состояния воздушного бассейна в регионе.

Научная новизна результатов исследований заключается в том, что впервые для низкогорной зоны Юго-Западного Кыргызстана получено следующее:

• исследованы основные закономерности развития горно-долинной циркуляции в орографически сложном регионе путем статистического анализа эмпирических распределений характеристик, включая оценку параметров ее вертикальной структуры по данным радиозондирования и разработку методики оценки повторяемости по приземным данным метеостанций;

• исследованы основные закономерности режима приземных и приподнятых инверсий, а также инверсий свободной атмосферы -повторяемость, частота, годовой ход - и оценены параметры (мощность, величина и высота нижней границы) путем статистического анализа эмпирических распределений характеристик, полученных по данным радиозондирования;

• получены статистические оценки загрязнения атмосферы месячного, сезонного и годового разрешения в г.Ош различными ингредиентами при характерных типах погодных условий и циркуляции атмосферы: затишьях, слабых ветрах, усилениях ветра, приземных и приподнятых инверсиях температуры, осадках, туманах и при различных типах синоптических процессов;

6

• оценены потенциалы загрязнения, самоочищения атмосферы, параметры самоочищения и их годовой ход.

Достоверность результатов обеспечивалась применением современных научных методологий и статистических методов анализа к большим массивам метеорологической информации Кыргызгидромета:

1. Данных ветрового и температурного зондирования атмосферы АС Джалал-Абад за пятилетний период (1974 - 78гг).

2. Данных имеющихся наблюдений за пятилетний (1987 - 91гг) и двухлетний (1977 - 78гг) периоды за загрязнением воздуха в г. Ош на трех специальных постах и наблюдающихся в эти периоды погодных условиях.

3. Данных наблюдений Кыргызгидромета за пятилетний период (1987 - 91гг) за туманами на МС Ош.

4. Данных календаря типов синоптических процессов за 1968 - 82гг.

5. Данных климатических справочников и национальных докладов о состоянии окружающей среды Кыргызстана (1997, 1998 и2000гг).

Все эти исходные материалы обобщались и анализировались с применением современных компьютерных программ, а также критически оценивались и сравнивались как в рамках изучаемой территории, так и по сопредельным регионам с использованием достижений современной горной метеорологии и климатологии.

Практическое использование результатов работы состоит в следующем:

• разработанная методика оценки повторяемости горно-долинной циркуляции по приземным ветровым данным может быть применена в других сложных горных регионах;

• результаты климатического анализа режима горно-долинной циркуляции и параметров инверсий температуры включены в спецкурс "Горная метеорология и климатология", читаемый студентам-метеорологам;

• основные научные результаты переданы в Кыргызгидромет и ГП «Кыргызаэронавигация» для практического использования.

7

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Методика оценки повторяемости горно-долинной циркуляции по данным типовых наблюдений за ветром на горных и предгорных метеостанциях.

2. Выявленные закономерности режима ветра в нижней тропосфере над ЮЗК, в том числе статистические оценки параметров вертикальной структуры горно-долинной циркуляции: мощности, максимальной скорости и ее высоты, основанные на первых 4 моментах (среднее, вариация, асимметрия и эксцесс) их статистических распределений.

3. Статистические оценки характеристик (повторяемость, частота, мощность, величина и высота нижней границы) распределений приземных, приподнятых инверсий и инверсий свободной атмосферы, основанные на первых 4 моментах и закономерности их годового хода.

4. Статистические оценки характеристик распределений загрязнения атмосферного воздуха над г.Ош различными ингредиентами при характерных типах погод и синоптических процессов, основанные на первых 4 моментах, закономерности их суточного и годового хода, в том числе потенциалов загрязнения, самоочищения атмосферы и параметров самоочищения атмосферы.

Апробация. Основные результаты работы докладывались на конференциях различных уровней: IV Всероссийской молодежной школе-семинаре «Теоретические и прикладные вопросы современной географии» (Томск, ТГУ, 2005 г); научных конференциях Кыргызско-Российского Славянского университета (2002-04 гг).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из Введения, 4 разделов, Выводов, Списка литературы и 11 приложений. Общий объем работы 157 с, 25 рисунков, 26 таблиц и список литературы из 97 наименований. Основное содержание работы опубликовано в 8 статьях автора, приведенных в списке литературы.

1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ И КЛИМАТИЧЕСКИЕ «• УСЛОВИЯ ЮГО-ЗАПАДНОГО КЫРГЫЗСТАНА

1.1. Физико-географическое положение, рельеф, орография и метеорологическая освещенность территории

Кыргызская Республика (Кыргызстан) занимает основную часть территории мощной горной системы Тянь-Шаня и часть еще более мощной системы Памира-Алая. Административно Кыргызстан делится на 6 областей, а по природно-климатическим условиям здесь четко выделяются 4 провинции [5, 30, 33]: 1. Северный, Северо-Западный Кыргызстан (ССЗК); 2. Юго-Западный Кыргызстан (ЮЗК); 3. Иссык-Кульская котловина (ИКК) или Северо-Восточный Кыргызстан (СВК); 4. Внутренний Тянь-Шань (ВТШ).

Районом исследований настоящей работы в целом является Юго-Западный Кыргызстан, который включает 3 административных области (Ошскую, Жалал-Абадскую и Баткенскую) и представляет собой второй по экономической значимости регион Республики (после Чуйской и Таласской долин), существенно отличающийся по климатическим условиям от остальных ее природно-климатических провинций - ССЗК, ИКК (СВК) и ВТШ.

По географическому положению ЮЗК расположен на юго-западной периферии Тянь-Шаня, северной и северо-восточной периферии Памиро-Алая в области высот от 0,4 до 6-7 км, занимая территорию в 79,8 тыс.км в диапазоне широт от 39,7 до 42,2° с.ш. и долгот от 69,3 до 71,2° в.д.[5]. На рис. 1.1. показана орографическая схема Кыргызстана с выделенными пунктиром границами ЮЗК. Как видно, в ЮЗК входят предгорья северной, восточной и южной периферий Ферганской долины (в пределах Кыргызстана) с абсолютными высотами от 0,4 до 1,2 км и хребты -Пскемский, Сандалашский, Чаткальский, Ферганский, Алайский,

(

ё

Рис. 1.1. Орографическая схема Кыргызстана с границей изучаемой территории - ЮЗК.

----граница ЮЗК; ' государственная граница Кыргызстана

пунктирные овалы - впадины, где изучалась ГДЦ;

Заалайский и Туркестанский (также в пределах Кыргызстана) с * разделяющими их межгорными впадинами.

Экономически наиболее освоенными в ЮЗК являются предгорья и нижняя часть склонов горного обрамления Ферганской долины до высот около 1,5 -2 км. Среднегорье (2-3 км) и высокогорье (более 3 км) преимущественно используются под пастбища. Основными городами, которые расположены в низкогорье, являются: Ош (z~0,88 км), Жалал-Абад (-0,76 км), Кара-Суу (-0,86 км), Баткен (-1,05 км), Узген (-1,01 км), Исфана (-1,18 км), Сулюкта (-1,00 км), Кызыл - Кия (-0,90 км), Майли -Сай (-1,10 км), Кок- Янгак (-1,00 км), Хайдаркан (-1,90 км) и др.

По этой причине в диссертационной работе основное внимание будет обращено на исследование погодно-климатических условий и загрязнения атмосферы низкогорной зоны ЮЗК в пределах абсолютных высот до 1,5-2 км, где в основном сосредоточена вся хозяйственная деятельность и проживает основная часть всего населения (~ 2,43 млн. человек из 4,85 млн. в Кыргызской республике)[48].

Орографически территория Юго-Западного Кыргызстана имеет очень сложное строение, как это видно из рис. 1.1. С северо-запада и севера ее границы обрамлены высокими субмеридиональными хребтами-барьерами -Пскемским, Сандалашским, Чаткальским, Кураминским; с востока -аналогичной системой Ферганского и Ат-Ойнокского хребтов; с юга -системами широтных хребтов - Алайского, Заалайского и Туркестанского. От основных хребтов отходят крупные (Бабаш-Ата, Узгенский, Кичик-Алай, Академика Адышева) и более мелкие хребты - отроги, делящие территорию на межгорные впадины и долины. Второй по величине впадиной (после Ферганской) является Алайская с днищем, находящимся на высотах от 2,2 до 3,5 км. Ввиду ее слабой заселенности и особых высокогорных условий она в работе рассматривается весьма схематично и только в случае необходимости.

Основные морфометрические сведения о хребтах и межгорных * впадинах ЮЗК приведены в приложении 1 [5].

11

Из приложения 1 наглядно видно, что исследуемая территория орографически представляется исключительно сложной. Мало где можно найти такие контрасты высот и сложности в расположении хребтов, сравнимые с самыми высокогорными областями земного шара — Гималаями (с Гиндукушем), Памиром и Андами. Из орографической сложности территории следует и аналогичная сложность местных климатических условий (местных климатов). Хребты, описанные в приложении 1, являются системообразующими; территория, окаймленная ими с севера, востока и юга, представляет собой особый регион Кыргызстана, резко отличающийся от остальных областей погодно-климатическими условиями. Субмеридианально расположенные хребты (Пскемский, Сандалашский, Чаткальский, Ат-Ойнокский, Ферганский) открыты с запада и юго-запада влагонесущим воздушным потокам и их наветренные склоны собирают наибольшее количество осадков во всем Кыргызстане. Но эти хребты также надежно защищают территорию с севера и северо-запада от холодных арктических воздушных масс, вызывающих установление длительной морозной погоды зимой, возвраты холодов в весеннее время и ранние похолодания осенью. Такое уникальное орографическое положение склонов хребтов способствует формированию здесь субтропического с элементами средиземноморского климата.

Южные хребты этой системы (Алайский, Туркестанский, Заалайский) простираются широтно, и именно из-за такого их расположения влагонесущие потоки проходят касательно к их склонам, оставляя на них влаги в 1,5 - 2 раза меньше, чем на склонах субмеридианальных хребтов. Малое выпадение осадков из-за «касательного эффекта» переноса воздушных масс создает формирование здесь засушливого климата полупустынь.

Основной объект исследований - низкогорные и среднегорные впадины и долины - занимает подножье и нижнюю часть склонов хребтов, обрамляющих обширную Ферганскую долину, располагаясь на ее перифериях.

12

К сожалению, исследуемая территория недостаточно хорошо освещена метеорологическими станциями (МС). В приложении 2 приведена характеристика имеющихся МС, данные которых использовались в настоящей работе и на основании которых также выполнены климатические исследования других авторов [5,15,33,34,49,62,65,94]. Всего было использовано 26 в разное время действовавших метеорологических станций (МС). При этом за МС сохранены те названия, под которыми они приведены в климатических справочниках.

Таким образом, особенность географического положения Юго-Западного Кыргызстана на юго-западной окраине горной системы Тянь-Шаня и Памиро-Алая, открытость территории с запада к основным влагонесущим потокам, близость к центрально-азиатским пустыням, значительная изрезанность рельефа создают на изучаемой территории особые климатические и циркуляционные условия, а также в силу активного хозяйственного освоения низкогорных зон региона - условия повышенного загрязнения атмосферного воздуха различными выбросами. Метеорологическая освещенность Юго-Западного Кыргызстана позволяет удовлетворительно изучить погодно-климатические условия, влияющие на накопление и рассеивание загрязняющих примесей атмосферного воздуха, низко- и среднегорной зоны региона, являющейся наиболее обжитой частью территории.

1.2. Типы атмосферной циркуляции территории

Циркуляция атмосферы является одним из важнейших климатообразующих факторов, что диктует необходимость рассмотрения ее основных свойств, аналогично как это было сделано в п. 1.1 для орографии ЮЗК. Масштабы циркуляционных процессов атмосферы соизмеримы с размерами континентов, анализ их для ЮЗК возможен только в рамках

13

Центральной Азии и в целом Кыргызстана, с указанием на особенности, характерные для изучаемого региона.

Общие черты циркуляционных условий Центральной Азии и в том числе Кыргызстана изложены в работах [15,32,33,37,52,94].

В силу орографической обособленности Юго-Западного Кыргызстана и принадлежности его к южной части Центральной Азии, циркуляционные процессы протекают здесь несколько по иному, чем на остальной территории республики. Так, высокие горные хребты (Пскемский, Чаткальский, Ферганский, Ат-Ойнокский), выступая как климаторазделы, значительно ослабляют воздействие холодных воздушных масс, проникающих с севера в весенне-осеннее время, а также влияние отрога сибирского антициклона, распространяющегося с востока в зимнее время. Весной, осенью и нередко зимой на территорию ЮЗК проникают южные циклоны, принося повышение температуры и обильные осадки. В летнее время устанавливается малоградиентное поле пониженного давления, либо термическая депрессия, редко проникающая в другие области Кыргызстана.

Местная горно-долинная циркуляция, возникающая из-за различного термического прогрева долин и горных склонов и развивающаяся в период циклонически малоактивных процессов, наблюдается во всех впадинах, долинах и узких горных ущельях ЮЗК. Горно-долинная циркуляция способствует охлаждению долинных районов в ночные часы прохладным горным ветром со склонов, создавая более мягкий микроклимат территории ЮЗК, в дневные же часы долинный ветер способствует развитию конвекции над горными склонами и выпадению осадков ливневого характера.

Типизация атмосферных процессов, наблюдающихся над Кыргызстаном и в том числе над ЮЗК, подробно описана в [15,32,37,52,73]. Для Кыргызстана принято 17 типов синоптических процессов (табл. 1.1), и они длительное время употребляются в оперативной практике Кыргызгидромета.

14

Таблица 1.1

Годовая повторяемость (%) синоптических процессов над Юго-Западным Кьфгызстаном (1968-82гг.) и над всем

Кыргызстаном (1968-78,1994-97гг.)

Тип синоптического процесса ЮЗК Весь Кыргызстан Тип синоптического процесса ЮЗК Весь Кыргызстан

1 .Южнокаспийский циклон 1,8 1,5 9а. Южная периферия антициклона 8,2 11,6

2. Мургабский циклон 1,3 1,3 96. Юго-восточная периферия антициклона 13,2 8,0

3 .Верхнеамударьинский циклон 0,3 0,9 10. Западное вторжение 11,4 15,1

4. Широкий вынос тёплого воздуха 0,1 ОД 11. Термическая депрессия 0,7* 1,5*

5. Северо-западное вторжение 3,4 3,8 12. Малоградиентное поле пониженного давления 16,2 10,4

6. Северное вторжение 2,2 3,0 12а. Малоградиентное поле повышенного давления 5,3 6,3

7. Волновая деятельность 6,8 7,4 13. Центральная часть антициклона 0,8 0,2

8. Малоподвижный циклон над Средней Азией 5,1 3,0 14. Тёплый сектор циклона или предфронтальное положение 10,7 13,9

9. Юго-западная периферия антициклона 13,2 12,8

*-синоптический процесс отмечается только в летние месяцы.

Для статистического описания повторяемости типов синоптических процессов над Юго-Западным Кыргызстаном был использован календарь синоптических процессов за 14 лет (1968 - 82 гг.), составленный в Кыргызгидромете по четырём стандартным срокам наблюдения (00, 06, 12, 18 час). За случай каждого типа принималось его наблюдение не менее двух сроков подряд, т. е. с длительностью от полусуток и более, что позволило избежать случайных ошибок в определении типа. Годовая повторяемость типов синоптических процессов (%), возникающих над ЮЗК, представлена в табл. 1.1, где также приведена их повторяемость, рассчитанная для всего Кыргызстана [52].

Анализ повторяемости синоптических процессов над ЮЗК и всем Кыргызстаном (табл. 1.1) показывает, что хорошо прослеживается обособленность ЮЗК в протекании различных синоптических процессов. Так, наблюдается уменьшение повторяемости над ЮЗК циклонических вторжений (типы 5,6,7,10) на 0,4-3,7% по сравнению с повторяемостью над всем Кыргызстаном. Отмечается существенное увеличение повторяемости малоградиентного поля пониженного давления (на 6,2%). Термическая депрессия над ЮЗК отмечается в 0,7% случаев, что меньше чем над всем Кыргызстаном, но велика повторяемость типа 12 (16,2%), что возможно есть следствие ошибок в определении типа 11, т. к. в проявлении погоды тип 11 и 12 схожи. Повторяемость выходов южных циклонов в целом невелика как для ЮЗК (0,3-1,8%), так и для всего Кыргызстана (0,9-1,5%),поэтому небольшое увеличение выходов южных циклонов над ЮЗК на 0,3% является, видимо, заметным. Южная периферия антициклона (тип 9а) над ЮЗК встречается реже (на 3,4%), так как этот тип формируется чаще над Северным Кыргызстаном, чему способствуют широтно расположенные Киргизский и Таласский хребты, усиливающие градиенты давления над севером республики.

Таким образом, типы атмосферной циркуляции над ЮЗК имеют ряд особенностей, способствующих формированию над изучаемой территорией

16

местных климатов, отличных от типов климата над остальной территорией ** Кыргызстана. К таким особенностям относятся следующие:

а) из-за южного расположения территории в холодный период года ЮЗК попадает под влияние ПВФЗ умеренных широт, которая активизирует выходы южных циклонов с воздушными массами средиземноморского происхождения;

б) в летнее время сюда распространяется тропический воздух, при этом формируется летняя термическая депрессия или малоградиентное поле пониженного давления;

в) в переходные сезоны из-за закрытости ЮЗК с севера высокими хребтами сюда мало проникают северо-западные и северные вторжения, приносящие заморозки, но открытость с запада позволяет приходить влажным воздушным массам с западными вторжениями.

г) расположенный с востока Ферганский хребет ослабляет влияние отрога сибирского антициклона на территорию ЮЗК.

щ

1.3. Радиационные характеристики территории

Наряду с орографией и циркуляцией атмосферы третьим основным климатообразующим фактором является солнечная радиация. Некоторые вопросы радиационных факторов климата в горных районах Средней Азии рассмотрены в работах [14,58]. В приложении 3 для центральных месяцев сезонов и года приведены основные характеристики радиационного режима Юго-Западного Кыргызстана по данным МС [44,45]. В нем даны продолжительность солнечного сияния (т, час и в % от максимально возможной), суммы суммарной радиации при ясном небе (Qa ) и средних условиях облачности (Qo), радиационный баланс при средних условиях облачности (Во). При этом для более полной характеристики режима Qg, Qo и Во во всех трех высотных зонах - низкогорной, среднегорной и

17

Список литературы