Экспериментальные оценки антропогенной эмиссии окислов азота с территории Санкт-Петербурга по данным многолетних мобильных измерений

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрены результаты серии спектроскопических измерений тропосферного содержания NO2, выполненных на замкнутом маршруте кольцевой автодороги (КАД) Санкт-Петербурга в различные сезоны в 2012, 2014, 2015 и 2016 гг. Единый подход к интерпретации всех экспериментальных данных с использованием численного моделирования распространения воздушного загрязнения и априорной информации о пространственном распределении его антропогенных источников позволил существенно повысить точность определения интегральной эмиссии NOx. Суммарный объем NOx, приведенный к валовому годовому антропогенному выбросу с территории Санкт-Петербурга, составил 81 ± 17 тыс. т. Эта величина несколько превышает официальные данные городской инвентаризации воздушного загрязнения (от 61 до 63 тыс. т в год), согласуясь в пределах погрешности с оценкой, полученной ранее на основе аналогичных мобильных измерений весной 2019 г. (75 ± 26 тыс. т в год).

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. В. Ионов

Санкт-Петербургский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: d.ionov@spbu.ru
Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9

М. В. Макарова

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: d.ionov@spbu.ru
Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9

В. С. Косцов

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: d.ionov@spbu.ru
Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9

Список литературы

  1. Беляев Д.С., Серебрицкий И.А. Доклад об экологической ситуации в Санкт-Петербурге в 2019 году. СПб: ООО “Типография Глори”, 2000, 180 с.
  2. Герман А.В., Серебрицкий И.А. Доклад об экологической ситуации в Санкт-Петербурге в 2022 году. СПб., 2023, 226 с.
  3. Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды. М.: “Мир”, 2005. 296 с.
  4. Ионов Д.В., Поберовский А.В. Двуокись азота в воздушном бассейне Санкт-Петербурга: дистанционные измерения и численное моделирование // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48. № 4. C. 422–433.
  5. Ионов Д.В., Поберовский А.В. Интегральная эмиссия окислов азота с территории Санкт-Петербурга по данным мобильных измерений и результатам численного моделирования // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53. № 2. С. 232–241.
  6. Поберовский А.В., Шашкин А.В., Ионов Д.В., Тимофеев Ю.М. Вариации содержания NO2 в районе Санкт-Петербурга по наземным и спутниковым измерениям рассеянного солнечного излучения // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2007. Т. 43. № 4. C. 547–556.
  7. Beirle, S., Boersma, K.F., Platt, U., Lawrence, M.G., Wagner T. Megacity emissions and lifetimes of nitrogen oxides probed from space // Science. 2011. V. 333. P. 1737–1739. https://doi.org/10.1126/science.1207824
  8. Cheng X., Ma J., Jin J., Guo J., Liu Y., Peng J., Ma X., Qian M., Xia Q., Yan P. Retrieving tropospheric NO2 vertical column densities around the city of Beijing and estimating NOx emissions based on car MAX-DOAS measurements // Atmos. Chem. Phys. 2020. V. 20. P. 10757–10774. https://doi.org/10.5194/acp-20-10757-2020
  9. Davis Z.Y.W., Baray S., McLinden C.A., Khanbabakhani A., Fujs W., Csukat C., Debosz J., McLaren R. Estimation of NOx and SO2 emissions from Sarnia, Ontario, using a mobile MAX-DOAS (Multi-AXis Differential Optical Absorption Spectroscopy) and a NOx analyzer // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19. P. 13871–13889. https://doi.org/10.5194/acp-19-13871-2019
  10. Draxler R.R., Hess G.D. An overview of the HYSPLIT-4 modelling system for trajectories, dispersion and deposition // Australian Meteorological Magazine. 1998. V. 47. № 4. P. 295–308.
  11. Frins E., Bobrowski N., Osorio M., Casaballe N., Belsterli G., Wagner T., Platt U. Scanning and mobile multi-axis DOAS measurements of SO2 and NO2 emissions from an electric power plant in Montevideo, Uruguay // Atmospheric Environment. 2014. V. 98. P. 347–356. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2014.03.069
  12. Huang Y., Li A., Xie P., Hu Z., Xu J., Fang X., Ren H., Li X., Dang B. NOx emission flux measurements with multiple mobile-DOAS instruments in Beijing // Remote Sensing. 2020. V. 12. № 16. P. 2527. https://doi.org/10.3390/rs12162527
  13. Ibrahim O., Shaiganfar R., Sinreich R., Stein T., Platt U., Wagner T. Car MAX-DOAS measurements around entire cities: quantification of NOx emissions from the cities of Mannheim and Ludwigshafen (Germany) // Atmos. Meas. Tech. 2010. V. 3. P. 709–721. https://doi.org/10.5194/amt-3-709-2010
  14. Ionov D., Poberovskii A.. Quantification of NOx emission from St.Petersburg (Russia) using mobile DOAS measurements around entire city // Int. J. Remote Sensing. 2015. V. 36. № 9. P. 2486–2502. https://doi.org/10.1080/01431161.2015.1042123
  15. Ionov D.V., Poberovskii, A.V. Observations of urban NOx plume dispersion using the mobile and satellite DOAS measurements around the megacity of St. Petersburg (Russia) // Int. J. Remote Sensing. 2019. V. 40. № 2. P. 719–733. https://doi.org/10.1080/01431161.2018.1519274
  16. Ionov D.V., Makarova M.V., Hase F., Foka S.C., Kostsov V., Alberti C., Blumenstock T., Warneke T., Virolainen Y. The CO2 integral emission by the megacity of St. Petersburg as quantified from ground-based FTIR measurements combined with dispersion modelling // Atmos. Chem. Phys. 2021. V. 21. P. 10939–10963. https://doi.org/10.5194/acp-21-10939-2021
  17. Ionov D.V., Makarova M.V., Kostsov V.S., Foka S.C. Assessment of the NOх integral emission from the St. Petersburg megacity by means of mobile DOAS measurements combined with dispersion modelling // Atmospheric Pollution Research. V. 13. № 12. P. 101958. https://doi.org/10.1016/j.apr.2022.101598
  18. Johansson M., Galle B., Yu T., Tang L., Chen D., Li H., Li J.X., Zhang Y.. Quantification of total emission of air pollutants from Beijing using mobile mini-DOAS // Atmospheric Environment. 2008. V. 42. P. 6926–6933. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2008.05.025
  19. Johansson M., Rivera C., B. de Foy, Lei W., Song J., Zhang Y., Galle B., Molina L.. Mobile mini-DOAS measurement of the outflow of NO2 and HCHO from Mexico City // Atmos. Chem. Phys. 2009. V. 9. P. 5647–5653. https://doi.org/10.5194/acp-9-5647-2009
  20. Kneizys F.X., Shettle E.P., Anderson G.P., Gallery W.O., Abreu L.W., Selby J.E.A., Chetwynd J.H., Clough S.A. Users guide to Lowtran 7. AFGL-TR-88-0177. Environmental Research Papers. № 1010. August 1988. 137 pp.
  21. Li A., Zhang J., Xie P., Hu Z., Xu J., Mou F., Wu F., Liu J., Liu W. Variation of temporal and spatial patterns of NO2 in Beijing using OMI and mobile DOAS // Science China. 2015. V. 58. № 9. P. 1367–1376. https://doi.org/10.1007/s11426-015-5459-x
  22. Makarova M.V., Alberti C., Ionov D.V., Hase F., Foka S.C., Blumenstock T., Warneke T., Virolainen Y., Kostsov V., Frey M., Poberovskii A.V., Timofeyev Y.M., Paramonova N., Volkova K.A., Zaitsev N.A., Biryukov E.Y., Osipov S.I., Makarov B.K., Polyakov A.V., Ivakhov V.M., Imhasin H.Kh., Mikhailov E.F. Emission Monitoring Mobile Experiment (EMME): an overview and first results of the St. Petersburg megacity campaign 2019 // Atmos. Meas. Tech. 2021. V. 14. P. 1047–1073. https://doi.org/10.5194/amt-14-1047-2021
  23. Merlaud A., Belegante L., Constantin D.-E., Den Hoed M., Meier A.C., Allaart M., Ardelean M., Arseni M., Bösch T., Brenot H., Calcan A., Dekemper E., Donner S., Dörner S., Balanica Dragomir M.C., Georgescu L., Nemuc A., Nicolae D., Pinardi G., Richter A., Rosu A., Ruhtz T., Schönhardt A., Schuettemeyer D., Shaiganfar R., Stebel K., Tack F., Nicolae Vâjâiac S., Vasilescu J., Vanhamel J., Wagner T., Van Roozendael M. Satellite validation strategy assessments based on the AROMAT campaigns // Atmos. Meas. Tech. 2020. V. 13. P. 5513–5535. https://doi.org/10.5194/amt-13-5513-2020
  24. Molina J.M., Molina L.T.. Megacities and atmospheric pollution // Journal of the Air & Waste Management Association. 2004. V. 54. № 6. P. 644–680. https://doi.org/10.1080/10473289.2004.10470936
  25. National Geophysical Data Center. U.S. Standard Atmosphere (1976) // Planetary and Space Science. ISSN 0032-0633. 1992. V. 40. № 4. P. 553–554. https://doi.org/10.1016/0032-0633(92)90203-Z
  26. Oda T., Maksyutov S. A very high-resolution (1 km × 1 km) global fossil fuel CO2 emission inventory derived using a point source database and satellite observations of nighttime lights // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 543–556. https://doi.org/10.5194/acp-11-543-2011
  27. Platt U., Stuz J. Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS), Principles and Applications. Berlin-Heidelberg: Springer, 2008. 598 pp. https://doi.org/10.1007/978-3-540-75776-4
  28. Rivera C., Sosa G., Wohrnschimmel H., B. de Foy, Johansson M., Galle B. Tula industrial complex (Mexico) emissions of SO2 and NO2 during the MCMA 2006 field campaign using a mobile mini-DOAS system // Atmos. Chem. Phys. 2009. V. 9. P. 6351–6361. https://doi.org/10.5194/acp-9-6351-2009
  29. Rivera C., Barrera H., Grutter M., Zavala M., Galle B., Bei N., Li G., Molina L.T. NO2 fluxes from Tijuana using a mobile mini-DOAS during Cal-Mex 2010 // Atmospheric Environment. 2013. V. 70. P. 532–539. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2012.12.026
  30. Rozanov V.V., Buchwitz M., Eichmann K.-U., de Beek R., Burrows J.P. SCIATRAN – a new radiative transfer model for geophysical applications in the 240–2400 nm spectral region: the pseudo-spherical version // Adv. Space Res. 2002. V. 29. № 11. P. 1831–1835. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(02)00095-9
  31. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric chemistry and physics: from air pollution to climate change (3rd edition). New York: John Wiley & Sons, 2016. 1152 pp.
  32. Shaiganfar R., Beirle S., Sharma M., Chauhan A., Singh R.P., Wagner T. Estimation of NOx emissions from Delhi using car MAX-DOAS observations and comparison with OMI satellite data // Atmos. Chem. Phys. 2001. V. 11. P. 10871–10887. https://doi.org/10.5194/acp-11-10871-2011
  33. Shaiganfar R., Beirle S., Petetin H., Zhang Q., Beekmann M., Wagner T. New concepts for the comparison of tropospheric NO2 column densities derived from carMAX-DOAS observations, OMI satellite observations and the regional model CHIMERE during two MEGAPOLI campaigns in Paris 2009/10 // Atmos. Meas. Tech. 2015. V. 8. P. 2827–2852. https://doi.org/10.5194/amt-8-2827-2015
  34. Shaiganfar R., Beirle S., Denier van der Gon H., Jonkers S., Kuenen J., Petetin H., Zhang Q., Beekmann M., Wagner T. Estimation of the Paris NOx emissions from mobile MAX-DOAS observations and CHIMERE model simulations during the MEGAPOLI campaign using the closed integral method. Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17. P. 7853–7890. https://doi.org/10.5194/acp-17-7853-2017
  35. Wang S., Zhou B., Wang Z., Yang S., Hao N., Valks P., Trautmann T., Chen L.. Remote sensing of NO2 emission from the central urban area of Shanghai (China) using the mobile DOAS technique // Journal of Geophysical Research. 2012. V. 117. D13305. https://doi.org/10.1029/2011JD016983
  36. Wu F.C., Xie P.H., Li A., Chan K.L., Hart A., Wang Y., Si F.Q., Zeng Y.M., Qin M., Xu J., Liu J.G., Liu W.Q., Wenig M. Observations of SO2 and NO2 by mobile DOAS in the Guangzhou eastern area during the Asian Games 2010 // Atmos. Meas. Tech. 2013. V. 6. P. 2277–2292. https://doi.org/10.5194/amt-6-2277-2013
  37. Wu F., Li A., Xie P., Chen H., Hu Z., Zhang Q., Liu J., Liu W. Emission flux measurement error with a mobile DOAS system and application to NOx flux observations // Sensors. 2017. V. 17. № 231. https://doi.org/10.3390/s17020231
  38. Wu F., Xie P., Li A., Mou F., Chen H., Zhu Y., Zhu T., Liu J., Liu W. Investigations of temporal and spatial distribution of precursors SO2 and NO2 vertical columns in the North China Plain using mobile DOAS // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18. P. 1535–1554. https://doi.org/10.5194/acp-18-1535-2018

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Риc. 1. Карты маршрутов мобильных DOAS-измерений вокруг Санкт-Петербурга в 2012 и в 2014–2016 гг. Цветовая палитра отображает измеренное содержание NO2 в точках маршрута (от 0 до 20 × 1015 молекул см–2). Красными символами обозначено расположение трех метеорологических станций – “Санкт-Петербург”, “Ломоносов” и “Кронштадт”; прямые линии в этих точках указывают направление приземного ветра в 12:00 местного времени, длина прямой характеризует скорость ветра.

Скачать (544KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Априорное пространственное распределение антропогенной эмиссии NOx с территории Санкт-Петербурга, сформированное на основе данных глобальной инвентаризации об антропогенных эмиссиях CO2 (ODIAC).

Скачать (614KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Содержание NO2 (1015 молекул см–2) в приземном слое атмосферы (0–1500 м) во время мобильных DOAS-измерений вокруг Санкт-Петербурга в 2012 и в 2014–2016 гг. по результатам моделирования HYSPLIT на срок 13:00 местного времени.

Скачать (612KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Содержание NO2 (×1015 молекул см–2) на маршрутах КАД в 2012 и 2014–2016 гг. по данным мобильных измерений (DOAS) и результатам моделирования (HYSPLIT) в сроки измерений в точках маршрута. Модельные расчеты приведены к результатам измерений с использованием коэффициента линейной регрессии, представленной на рис. 5.

Скачать (454KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Сопоставление средних значений содержания NO2 в шлейфе городского загрязнения, полученных для каждого из мобильных экспериментов по данным DOAS-измерений и результатам расчетов HYSPLIT в 2012 и 2014–2016 гг. (слева). Справа представлена вариация среднего значения измеренного содержания NO2 от эксперимента к эксперименту, в сравнении с данными моделирования, приведенными к результатам измерений (используя коэффициент линейной регрессии kR на графике слева).

Скачать (209KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Оценки суммарной антропогенной эмиссии NOx с территории Санкт-Петербурга по данным мобильных DOAS-измерений в 2012 и 2014–2016 гг., полученные различными методами: интегрирование по замкнутому контуру, CIM [Ionov, Poberovskii, 2015], сопряжение с расчетами моделирования, HYSPLIT_1 [Ionov, Poberovskii, 2019], и сопряжение с расчетами моделирования с привлечением детальной априорной информации об источниках эмиссии, HYSPLIT_2 [настоящая работа].

Скачать (171KB)
Метаданные


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».