«Настоящее Руководство является основным пособием для моделирования и картирования критических уровней и нагрузок, а также значений, превышающие критические, и для динамического моделирования закисления. Оно должно ...»

Руководство по картированию

2004

Конвенция ЭКЕ ООН по трансграничному

загрязнению воздуха на большие

расстояния

РУКОВОДСТВО

по методологиям и критериям

МОДЕЛИРОВАНИЯ И КАРТИРОВАНИЯ

КРИТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК И УРОВНЕЙ,

влияния атмосферных загрязнений, а также рисков и трендов Предисловие Настоящее Руководство является основным пособием для моделирования и картирования критических уровней и нагрузок, а также значений, превышающие критические, и для динамического моделирования закисления. Оно должно помочь участникам Конвенции ЭКЕ ООН (Экономическая комиссия ООН для Европы) по трансграничному загрязнению воздуха на большие расстояния (CLRTAP) выполнять свои обязательства в отношении применения гармонизированных методов с целью получения данных для оценки воздействия и рисков. Эта работа осуществляется в рамках Международной программы сотрудничества по моделированию и картированию критических нагрузок и уровней, воздействия атмосферных загрязнений, а также рисков и трендов (ICP M&M). Эта программа была создана в 1988 году под руководством Германии; ее председателем с самого начала и до 2002 года был Хайнц Грегор, оказавший большое влияние на определение критических уровней и нагрузок и на ту роль, которую они играют в борьбе стран Европы за снижение выбросов.

Новое, полностью пересмотренное издание настоящего Руководства в основном обсуждалось и было принято на 19-й встрече Специальной группы ICP M&M в городе Тарту, Эстония (май г.); некоторые дополнительные части обсуждались и были приняты участниками 20-й встречи в Лаксенбурге, Австрия (май 2004 г.). Рабочая группа по воздействиям рассмотрела и отредактировала настоящее Руководство в 2003 году и рекомендовала его участникам Конвенции для дальнейшего использования. Настоящее издание заменяет предыдущее (1996 г.) издание Руководства, его промежуточные обновления и все остальные пособия, опубликованные в области моделирования и картирования.

Настоящее пересмотренное издание содержит новую научную информацию и методы, разработанные в процессе экспериментов по моделированию и картированию, которыми руководил Координационный центр по воздействиям, а также информацию и методы, представленные на недавних семинарах ЭКЕ ООН. Общие научные сведения и источники дополнительной информации, относящейся к методам, описанным в настоящем Руководстве, упоминаются или содержатся в соответствующих главах или приложениях.

Национальные фокальные центры внесли большой вклад в разработку методов и проверку их применения на национальном уровне. Полный пересмотр самого Руководства стал возможен только благодаря участию в нем многих ученых. Главными авторами/редакторами были:

• Тиль Шпрангер (Till Spranger), гл. 1;

• редакционная группа под руководством Рона Смита (Ron Smith) и Дэвида Фаулера (David Fowler), гл. 2;

• редакционная группа по растительности Международной программы сотрудничества под руководством Джины Миллз (Gina Mills), гл. 3;

• материалы Международной программы сотрудничества, гл. 4;

• Максимилиан Пош (Maximilian Posch), гл 5.1 – 5.4 (совместно с Джейн Холл и многими другими);

• экспертная группа по критическим нагрузкам тяжелых металлов под руководством Гудрун Шютце (Gudrun Schtze), гл. 5.5;

• Максимилиан Пош (Maximilian Posch), Жан-Пол Хеттелинг (Jean-Paul Hettelingh) и Яаап Слоотвег (Jaap Slootweg), гл. 6;

• Максимилиан Пош (Maximilian Posch), гл. 7 и 8;

Привлекательное новое оформление и презентация в интернете выполнены Гансом-Дитером Нагелем (Hans-Dieter Nagel) и его сотрудниками. Главным средством распространения должен служить интернет; обновления и дополнения можно найти по адресу: http://www.icpmapping.org.

Спасибо всем, кто внес свой вклад в нашу работу!

Тиль Шпрангер, председатель Специальной группы по моделированию и картированиюPREFACE Руководство по картированию

СОДЕРЖАНИЕ

1 Введение 1.1 Концепция критических нагрузок и уровней конвенции ЭКЕ ООН по трансграничному загрязнению воздуха на большие расстояния 1.2 Цели Международной программы сотрудничества по моделированию и картированию 1.3. Разделение задач внутри программы 1.3.1 Полномочия специальной группы программы моделирования и картирования 1.3.2 Полномочия Координационного Центра по Воздействиям (CCE) 1.3.3 Обязанности национальных фокальных центров 1.4. Задачи настоящего руководства 1.5. Структура и область интересов настоящего руководства Ссылки 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений 2.1 Общие замечания и задачи 2.1.1 Разрешение карт и применение концепции критических нагрузок 2.2 Параметры, наносимые на карты 2.3 Методы картирования, предположения, на которых они основаны, и требования к данным 2.3.1 Ссылки на списки выбросов 2.3.2 Количественная оценка и методы картирования: временные и пространственные масштабы 2.3.3 Картирование метеорологических параметров 2.3.4 Картирование концентраций и отложений озона (O3) 2.3.5 Картирование концентраций двуокиси серы (SO2) и отложения окисленной серы (SOx) 2.3.6 Картирование концентраций оксидов азота (NOx) и отложений окисленного азота (NOy) 2.3.7 Картирование концентрации аммиака (NH3), отложений пониженного азота (NHx) и общего отложения азота 2.3.8 Картирование отложения базовых катионов и хлорида 2.3.9 Картирование общего потенциального кислотного отложения 2.3.10 Неясности методов определения количества и картирования 2.4 Использование карт нагрузки и концентрации отложения 3 Mapping Critical Levels for Vegetation III- 3 Картирование критических уровней для растительности 3.1 Общие замечания и задачи 3.2 Критические уровни для SO2, NOx, NH4 и O 3.2.1 SO 3.2.2 NOx 3.2.3 NH 3.2.4 O 3.3 Научные основы критических уровней озона 3.3.1 Культуры 3.3.1.1 Чувствительность культур к озону 3.3.1.2 Основанные на устьичном потоке критические уровни снижения урожайности пшеницы и картофеля 3.3.1.3 Основанные на AOTX критические уровни для снижения потери урожайности 3.3.1.4 Критический уровень, основанный на VPD-модифицированном AOT30 для видимых повреждений культур 3.3.2 (Полу-) естественная растительность 3.3.3 Лесные деревья

СОДЕРЖАНИЕ

3.3.3.1 Условные, основанные на потоке критические уровни 3.3.3.2 Основанные на AOTX критические уровни для лесных деревьев 3.4 Расчет превышения основанных на устьичных потоках критических уровней озона 3.4.1 Этапы расчета AFstY и превышения CLef 3.4.2 Концентрации озона на высоте полога 3.4.3 Период накопления 3.4.4 Алгоритм устьичного потока 3.4.5 Расчет AFstY и превышения CLef для сельскохозяйственных культур 3.4.5.1 Концентрация озона на вершине полога, для пшеницы и картофеля 3.4.5.2 Оценка периода накопления потока озона для пшеницы и картофеля 3.4.5.3 Параметризация моделей устьичного потока для пшеницы и картофеля 3.4.6 Расчет AFstY и превышения CLef для лесных деревьев 3.4.6.1 Концентрация озона на вершине лесного полога 3.4.6.2 Параметризация модели устьичного потока для бука и березы 3.5 Расчет превышения основанных на концентрации критических уровней для озона 3.5.1 Этапы расчета превышения AOTX и CLec 3.5.2 Расчет превышений AOTX и CLec для сельскохозяйственных культур 3.5.2.1 Концентрации озона на высоте полога для сельскохозяйственных культур 3.5.2.2 Период накопления для сельскохозяйственных культур 3.5.3 Расчет превышения AOTX и CLec для садовых культур 3.5.3.1 Концентрации озона на высоте полога садовых культур 3.5.3.2 Период накопления для садовых культур 3.5.4 Расчет AOTXVPD и превышения краткосрочного критического уровня для озоновых повреждений 3.5.5 Расчет AOTX и превышения CLec для (полу-) естественной растительности 3.5.5.1 Концентрация озона на высоте полога 3.5.5.2 Временные окна для расчета AOT40 (полу -) естественной растительности 3.5.5.3 Картирование групп (полу-) естественной растительности, подвергаемых риску превышения критического уровня 3.5.6 Расчет превышения AOTX и CLec для лесных деревьев 3.5.6.1 Концентрации озона на высоте полога 3.5.6.2 Временне окно для расчета воздействия озона на лесные деревья Приложение I Подход к оценке риска для лесных деревьев на основе максимальной допустимой концентрации озона Приложение II Рекомендации относительно оценки воздействия озона на растительность с использования моделей, описанных в настоящей главе Ссылки 4 Mapping of Effects on Materials IV- 4 Картирование воздействий на материалы 4.1 Введение – цели, определения и общие замечания 4.2 Картирование «допустимых коэффициентов коррозии» и «допустимых уровней/нагрузок» для загрязняющих агентов 4.2.1 Введение 4.2.2 Функции зависимости от дозы 4.2.3 Расчет и картирование допустимых уровней/нагрузок и их превышения 4.2.4 Расчет и картирование издержек, возникающих из-за коррозии 4.2.5 Источники неясности 4.3 Прямые воздействия озона 4.4 Процедура сбора данных и картирования 4.4.1 Данные и масштаб картирования 4.4.2 Городские и сельские территории

СОДЕРЖАНИЕ

Ссылки 5 Mapping Critical Loads V- 5 Картирование критических нагрузок 5.1 Введение 5.2 Эмпирические критические нагрузки 5.2.1 Эмпирические критические нагрузки питательного азота 5.2.1.1 Введение 5.2.1.2 Данные 5.2.1.3 Классификация экосистем 5.2.1.4 Использование эмпирических критических нагрузок 5.2.1.5 Рекомендации 5.2.2 Эмпирические критические нагрузки по кислотности 5.3 Моделирование критических нагрузок для наземных экосистем 5.3.1 Критические нагрузки питательного азота (эвтрофикация) 5.3.1.1 Вывод модели 5.3.1.2 Допустимое выщелачивание азота 5.3.1.3 Источники и вывод входных данных 5.3.2 Критические нагрузки кислотности 5.3.2.1 Выведение модели: модель простого массового баланса (SMB) 5.3.2.2 Химические критерии и критическое выщелачивание кислотонейтрализующей способности 5.3.2.3 Источники и вывод входных данных 5.3.2.4 Возможные расширения модели SMB 5.4 Критические нагрузки на водные системы 5.4.1 Модель химии воды установившегося состояния (SSWC) 5.4.1.1 Выведение модели 5.4.1.2 Коэффициент F 5.4.1.3 Концентрация неантропогенного сульфата 5.4.1.4 Предел ANC 5.4.2 Эмпирическая диатомовая модель 5.4.3 Модель баланса кислотности первого порядка (FAB) 5.4.3.1 Вывод модели 5.4.3.2 Системы озер 5.4.4 Входные данные 5.5 Критические нагрузки кадмия, свинца и ртути 5.5.1 Общие методические аспекты картирования критических нагрузок тяжелых металлов 5.5.1.1 Расчеты различных типов критических нагрузок 5.5.1.2 Ограничения для объектов, позволяющие расчет критических нагрузок 5.5.1.3 Определения и обозначения/сокращения, используемые в расчетах критических нагрузок 5.5.1.4 Консервативный подход как альтернатива расчету превышения критического предела 5.5.2 Наземные экосистемы 5.5.2.1 Модель простого баланса установившегося состояния и соответствующие входные данные 5.5.2.2 Критические концентрации растворенного металла, выводимые из критических пределов в наземных экосистемах 5.5.3 Водные экосистемы 5.5.3.1 Критические нагрузки кадмия и свинца 5.5.3.2 Критические уровни ртути в осадках

СОДЕРЖАНИЕ

5.5.4 Ограничения данного подхода и возможные будущие усовершенствования Ссылки Приложение I Функции преобразования значений концентраций свинца и кадмия в различных фазах почвы Приложение II Расчет полной концентрации металла исходя из концентраций свободных ионов при помощи модели WHAM Приложение III Расчет критической полной водной концентрации из критической растворенной концентрации при помощи модели WHAM 6 Динамическое моделирование 6.1 Введение 6.1.1 Зачем нужно динамическое моделирование?

6.1.2 Ограничительные условия для динамического моделирования по конвенции LRTAP 6.2 Основные понятия и уравнения 6.2.1 Зарядные и массовые балансы 6.2.2 От установившегося состояния (критических нагрузок) к динамическим моделям 6.2.3 Конечные буферы 6.2.3.1 Катионный обмен 6.2.3.2 Иммобилизация азота 6.2.3.3 Адсорбция сульфата 6.2.4 От почв к поверхностным водам 6.2.5 Модели биологической реакции 6.2.5.1 Наземные экосистемы 6.2.5.2 Водные экосистемы 6.3 Имеющиеся динамические модели 6.3.1 Модель VSD 6.3.2 Модель SMART 6.3.3 Модель SAFE 6.3.4 Модель MAGIC 6.4 Входные данные и калибровка моделей 6.4.1 Входные данные 6.4.1.1 Усреднение свойств почвы 6.4.1.2 Данные, используемые также для расчетов критической нагрузки 6.4.1.3 Данные, необходимые для моделирования катионного обмена 6.4.1.4 Данные, нужные для балансов азота, сульфата и алюминия 6.4.2 Калибровка модели 6.5 Расчеты моделей и представление результатов моделей 6.5.1 Использование динамических моделей для интегральной оценки 6.5.2 Расчеты намеченной нагрузки 6.5.3 Представление результатов моделей Ссылки

CONTENT

7 Расчет превышений 7.1 Основные определения 7.2 Условные критические нагрузки N и S 7.3 Два загрязнителя 7.4 Поверхностные воды 7.4.1 Модель SSWC 7.4.2 Эмпирическая диатомовая модель 7.4.3 Модель FAB 7.5 Требуемые нагрузки

СОДЕРЖАНИЕ

Ссылки 8 Основные вопросы, связанные с картированием 8.1 Сетка EMEP 8.1.1 Полярная стереографическая проекция 8.1.2 Сетка EMEP 8.1.3 Область ячейки сетки EMEP 8.2 Процентили и изолинии защиты 8.2.1 Функция кумулятивного распределения 8.2.2 Квантили и процентили 8.2.3 Функции процентиля и изолинии защиты 8.3 Среднее накопленное превышение 8.4 Превышение критической нагрузки и методы заполнения пустот Ссылки 1 Введение Руководство по картированию Критические нагрузки и стратегии снижения Национальные карты критических уровней/нагрузок Европейские карты Издержки на интегрированных сценарии снижения Глава 1 отредактирована Тилем Шпрангером (Германия), председателем специальной группы по моделированию и картированию.

1 Введение Концепция критических нагрузок и уровней – это основанный на воздействии подход, который используется для определения снижения выбросов, с целью защиты экосистем и других рецепторов. Индикаторы устойчивости определяются для специфичных комбинаций загрязняющих агентов, воздействий и рецепторов (см. определения критических уровней в гл. 3, критических нагрузок – в гл. 5.1, индикаторов и критериев, используемых в динамических моделях – в гл. 6). Критические нагрузки и уровни представляют устойчивую контрольную точку, относительно которой можно сравнивать уровни загрязняющих агентов. В дальнейшем их можно использовать для расчета показателей выбросов конкретных стран относительно приемлемых уровней загрязнения воздуха (напр., определяемые снижения критических превышений нагрузки/уровня).

Разработка критических нагрузок/уровней и их применение в рамках политики снижения выбросов можно рассматривать как рисунок процесса, происходящего в окружающей среде, используя те же модели и методы, что и для поиска причины, но в обратной последовательности (Рис. 1):

Приспособление Ограничение Критическая Требования Нет воздействия Рисунок 1: Исследование окружающей среды/окружающая среда (адаптировано по Harald Sverdrup) 1.1. Концепция критических нагрузок и уровней Конвенции ЭКЕ ООН (Экономическая комиссия ООН для Европы) по трансграничному загрязнению воздуха на большие расстояния.

В 1970-х годах признали, что трансграничное загрязнение воздуха влечет за собой экологические и экономические последствия (напр. для лесной и рыбной промышленности), причиной которых являются кислотные воздушные загрязняющие агенты. Для работы с проблемой страны ЭКЕ ООН разработала законодательную, организационную и научную структуру. Конвенция по трансграничному загрязнению воздуха на большие расстояния (LRTAP) ЭКЕ ООН стала первым международным законодательным объединяющим инструментом для работы с проблемой загрязнения воздуха в широком региональном масштабе (см. http://www.unece.org/env/lrtap).

Конвенция была подписана в 1979 году и вступила в силу в 1983.

1 Введение Конвенция требует от участников сотрудничества в исследовании воздействий серных соединений и других основных загрязнителей воздуха на окружающую среду, включая сельское хозяйство, лесную промышленность, естественную растительность, водные экосистемы и материалы (Статья 7(d) Конвенции). Конвенция также призывает к обмену информацией по физико-химическим и биологическим данным, имеющим отношение к воздействию LRTAP и уровню ущерба, причиняемого, согласно этим данным, LRTAP (Статья 8(f) Конвенции). С этой целью исполнительный комитет Конвенции организовал рабочую группу по воздействиям (Working Group on Effects WGE), поддержку которой осуществляет ряд международных программ по сотрудничеству (International Cooperative Programmes – ICPs).

В 1986 рабочая программа под эгидой Совета Министров стран Скандинавии (Nordic Council of Ministers – Nilsson 1986) выработала научные определения критических нагрузок для серы и азота.

Это послужило стимулом к работе под эгидой Конвенции, и в марте 1988 года были проведены два семинара, целью которых была дальнейшая оценка концепции критических уровней и нагрузок и получение актуальных цифр. Семинар в Бад Гарцбурге (Bad Harzburg – Германия) работал с критическими уровнями прямых воздействий воздушных агентов на леса, урожаи, полезные ископаемые и естественную растительность. Семинар в Скоклостере (Skokloster – Швеция, Nilsson и Grennfelt 1988) прорабатывал критические нагрузки для соединений серы и азота. Более того, в Бад Гарцбурге состоялось первое обсуждение возможного использования карт критических уровней/нагрузок для определения зон риска. Уже тогда предвидели, что это может сыграть важную роль в развитии этого направления.

Результатом этих семинаров стало одобрение исполнительным комитетом Конвенции учреждения программы по географическому отображению критических нагрузок и уровней (Специальная группа по картированию – Task Force on Mapping) в 1988 году под эгидой рабочей группы по воздействиям (WGE). Возглавила программу Германия (http://www.icpmapping.org). В 1989 году исполнительный комитет приветствовал предложение Нидерландов принять координационный центр по воздействиям 1 (CCE – Coordination Center for Effects), который был образован при Национальном институте здравоохранения и экологии (RIVM), г. Билтховен, Нидерланды (www.rivm.nl/CCE).

Полномочия специальной группы международной программы сотрудничества по моделированию и картированию критических нагрузок и уровней, влияния атмосферных загрязнений, а также рисков и трендов (ICP M&M) 2, координационного центра по воздействиям (CCE) и национальных фокальных центров (National Focal Centres) 3 описаны ниже. Структура программы в рамках Конвенции показана на рис. 2:

в нидерландском офисе по оценке экологической ситуации (www.rivm.nl/cce) организовано исполнительным органом в 1999 для замены группы по разметке, см. Гл. 1. В 2003 году в программе ICP M&M принимали активное участие 24 фокальных центра 1 Введение Рабочая группа по Специальная группа координиро- описанию выбросов и интегрированному программ ICP по моделированию онный центр по растительности Рисунок 2: Органограмма LRTAP Конвенция была расширена посредством восьми протоколов, которые определяли конкретные обязательства или меры, принимаемые участниками. Обсуждались первые тематические протоколы, основанные на экономической и технологической информации (напр., лучшие из доступных технологий). В них были определены задачи по снижению выбросов, одинаковые для всех участников, как в процентном отношении, так и по сравнению с предыдущим годом.

Воздействия выбросов не принимались во внимание.

Второе поколение протоколов появилось в июне 1994 года, когда тридцатью странами был подписан второй протокол по снижению серных выбросов («Протокол Осло»). В нем были определены основанные на воздействиях низкозатратные меры по снижению выбросов, которые отталкивались от анализа влияния и использования критических нагрузок. Долгосрочной задачей обсуждения снижения вредных выбросов в различных странах было устранение серных отложений, превышающих критические нагрузки, что позволило бы избежать дальнейших превышений нормы. Однако снижение выбросов двуокиси серы до получения уровней отложения 1 Введение ниже критических нагрузок оказалось экономически возможным не для всех европейских экосистем. Даже при этих условиях переговоры основывались на оценке воздействий на окружающую среду и защиты экосистем, а так же и на технических и экономических соображениях.

Применение концепции критических уровней и нагрузок и роль карт критических уровней/нагрузок в разработке и внедрению стратегий контроля за загрязнениями воздуха показаны на рис. 3.

Рис. 3: Критические нагрузки и стратегии снижения В качестве резюме к рисунку можно описать следующие действия:

• Определение методов и критериев по разработке и картированию критических нагрузок и уровней (семинары Конвенции);

• Получение международного признания (рабочая группа по воздействиям и исполнительный комитет);

• Картирование (основываясь на этом руководстве и на семинарах по обработке и картированию критических уровней/нагрузок);

• Определение зон избыточных отложений/концентраций на единицу;

• Использование результатов для разработки стратегий и обсуждения договоренностей.

1 Введение Рис. 4: Составление карт превышения критических уровней/нагрузок (источник – Gauger et al.

2002, адаптировано) Рис. 4 более детально, на национальном уровне, описывает, каким образом географическая информация по рецепторам, агентам и критическим уровням/нагрузкам объединяется в процессе разметки:

На практике карты критических нагрузок использовались в качестве критериев оценки необходимости снижения размеров отложений в каждой ячейке (единице) карт EMEP. Сценарий выбросов можно получить, сравнив европейскую карту отложений с обработанными данными с европейской картой критических нагрузок. В поддержку протокола Осло стороны решили рассмотреть использование компьютерных моделей для оценки издержек и эффективности сценариев снижения выбросов. Одна из таких «моделей интегрированных оценок» - это модель Региональной информации и симуляции закисления (RAINS – Regional Acidification Information and Simulation). На рис. 5 показаны модули модели RAINS. Первый модуль отображает использование энергии, сельскохозяйственные и другие виды деятельности, в то время как соответствующие издержки контроля выбросов отражены в следующих двух модулях. В четвертом модуле рассматривается рассеивание в атмосфере, а в последнем – воздействие на окружающую среду. Модель RAINS может функционировать в двух строго определенных режимах. В режиме анализа сценариев модель работает в прямом направлении и на региональном уровне прогнозирует шаблон концентраций/отложений, которые будут иметь место в результате определенного сочетания видов экономической деятельности, а также издержки и выгоды альтернативных стратегий контроля за выбросами. В режиме оптимизации RAINS определяет наименее затратный путь к достижению заданного уровня отложений. Пользователь имеет возможность различными способами определять задачи по улучшению экологической обстановки: это может быть определенный процент снижения показателей, превышающих критические нагрузки, шаблон отложений за предыдущие годы и т.д. Этот режим работы RAINS особенно активно использовался в Европе в политических переговорах. Пожалуйста, обратите внимание, что это – спецификация и расширение общей концепции, как она показана на рис. 1.

1 Введение экономическойE mis sion control Транспорт Oдеятельности *ТЧ – Твердые частицы (от англ. PM – Particulate Matter) Рис. 5: Схема модели RAINS (Markus Amann, IIASA, адаптирована) После переговоров по протоколу Осло уровень сложности работы в ICP M&M возрос.

Во-первых, была разработана более сложная формулировка критических нагрузок: она использовалась в поддержку протокола 1999 года по снижению уровня закисления, эутрофикации и озона на уровне земли (Готенбургский протокол). В нем утверждается, что:

а) сера, так же как и окисленный и пониженный азот, вносит вклад в закисление.

Соответственно, необходимо определить две критических нагрузки для кислотности – критическая нагрузка для серной кислотности и азотной кислотности (см. гл. 5.1 – 5.4).

1 Введение б) как окисленный азот, так и летучие органические соединения способствуют образованию озона в тропосфере, критический уровень которого был определен для лесов, урожаев и естественной растительности (см. гл. 3.2.4).

в) небольшой уровень отложений азота, который может быть нейтрализован растительностью или иммобилизирован, не причиняет экосистеме вреда (см. гл. 5.3).

г) отложение как окисленного, так и пониженного азота, превышающее критическую нагрузку для азота в продуктах питания, способствует эутрофикации (см. гл. 5.1 – Во-вторых, был разработан основанный на воздействиях подход относительно тяжелых металлов с целью подготовки обзора и возможного пересмотра Архусского (rhus) протокола по тяжелым металлам 1998 года. Были разработаны критические пределы, функции преобразования и методы, принятые для определения и применения критических нагрузок по тяжелым металлам – они перечислены в главе 5.5.

1.2. Цели Международной программы сотрудничества по моделированию и Цели и задачи программы по моделированию и картированию были одобрены рабочей группой WGE на девятнадцатой сессии в 2000 году (приложение VII к документу EB.AIR/WG.1/2000/4):

«Для обеспечения Рабочей Группы по Воздействиям (WGE) и исполнительного комитета и его вспомогательных групп всеобъемлющей информацией о критических нагрузках и уровнях и их превышении конкретными загрязнителями, о разработке и применении других основанных на воздействии методов и о моделировании и картировании текущей ситуации и возможных тенденций оказываемого выбросами Краткосрочные и конкретные задачи ежегодно договариваются на сессиях специальной группы и одобряются исполнительным комитетом. Вы можете ознакомиться с документами по долго- и среднесрочным стратегиям и по рабочему плану исполнительного комитета на страницах Конвенции в Интернете (www.unece.org/env/wge и www.unece.org/env/eb соответственно).

1.3. Разделение задач внутри программы Сеть национальных фокальных центров (NFCs) под эгидой ICP M&M несет ответственность за создание блоков данных по государствам. Центры сотрудничают с Координационным Центром по Воздействиям (CCE) для разработки методик моделирования и европейской базы данных по критическим нагрузкам. Центр отчитывается о работе перед специальной группой ICP M&M.

Организация и разделение задач внутри программы между ее подразделениями одобрена WGE (EB.AIR/WG.1/2000/4) и представляет собой следующее:

«Международная программа сотрудничества по моделированию и картированию была организована в 1999 (ECE/EB.AIR/68, параграф 52 (f)) для дальнейшего развития и расширения деятельности, которой к тому моменту занималась специальная группа по картированию критических уровней и нагрузок и их превышения (возглавляется Германией) и Координационный Центр по Воздействиям (в национальном институте общественного здоровья и окружающей среды 4, г. Бильтховен, Нидерланды), согласно их полномочиям (EB.AIR/WG.1/18), исправленным для отражения существующей структуры исполнительного комитета и новых требований:

с 2003 – в нидерландском офисе по оценке экологической ситуации 1 Введение (а) Специальная группа программы поддерживает рабочую группу по воздействиям, рабочую группу по стратегиям и обзору и другие подразделения Конвенции посредством моделирования, картирования, обзора и оценки критических нагрузок и уровней и их превышения, а также посредством рекомендаций по дальнейшему развитию основанных на воздействиях подходов и по дальнейшему моделированию и требованиям к картированию;

(б) Специальная группа планирует, координирует и оценивает деятельность программы и несет ответственность за актуальность версий руководства по работе с программой, а также следит за качеством;

(в) Специальная группа готовит регулярные отчеты, представляя и, где необходимо, разъясняя данные программы.

1.3.2. Полномочия Координационного Центра по Воздействиям (CCE) ССЕ оказывает помощь специальной группе программы по моделированию и картированию и, в сотрудничестве с центрами программы под эгидой Конвенции, предоставляет научную и техническую поддержку рабочей группе по эффектам, рабочей группе по стратегиям и обзору (при необходимости), а также другим подразделениям Конвенции в их работе с воздействиями загрязнителей воздуха, включая практическую разработку методов и моделей расчета критических нагрузок и уровней и применения других основанных на воздействиях методик;

(б) В поддержку картирования критических нагрузок/уровней и моделирования, ССЕ:

(i) Предоставляет руководства и документацию по методологиям и данным, используемым при разработке критических нагрузок и уровней имеющих (ii) Собирает и оценивает индивидуальные и общеевропейские данные, используемые при моделировании и картировании критических нагрузок и уровней серьезных загрязнителей. Центр рассчитывает черновые варианты карт и технологии моделирования, предоставляет их на рассмотрение и комментарии национальным фокальным центрам, а также по мере надобности обновляет методологии моделирования и (iii) С помощью национальных фокальных центров и в сотрудничестве с специальной группой программы моделирования и картирования создает отчеты и карты по документам и картам критических нагрузок/уровней и (iv) По запросам предоставляет рабочей группе по воздействиям, специальной группе программы по моделированию и картированию, рабочей группе по стратегиям и обзору, а также специальной группе по моделированию интегрированных оценок научную консультацию по вопросам использования и интерпретации данных и методологий моделирования для критических (v) Поддерживает и обновляет соответствующие базы данных и методологии, а также организует сбор данных, имеющих отношение к критическим нагрузкам и уровням, и обмен между участниками Конвенции, консультируясь с программами международного сотрудничества и EMEP;

1 Введение (vi) Периодически проводит тренинги и семинары для поддержки работы развития и улучшения методологий, используемых параллельно работе с (в) Кроме того, Координационный Центр по Воздействиям отчитывается перед специальной группой программы по моделированию и картированию и получает от нее указания и инструкции относительно задач, приоритетов и расписаний, он также при необходимости поддерживает рабочую группу по стратегиям и обзорам, специальную группу по моделированию интегрированных оценок и другие подразделения Конвенции».

1.3.3. Обязанности национальных фокальных центров Задачи национальных фокальных центров уже ранее были определены в предыдущей версии руководства по работе с картами:

Национальные фокальные центры несут ответственность за:

а) сбор и архивирование данных, необходимых для получения карт в б) сообщение результатов национальных процессов работы с картами (данные, форматы, модели, карты) Координационному Центру по Воздействиям, в) предоставление письменных отчетов по методам и моделям, используемым для г) обеспечение возможностей для проведения тренингов для специалистов д) действия, необходимые для составления национальных карт в соответствии с резолюциями и стандартами (единицы измерения, периодичность и т.д.), е) сотрудничество с Координационным Центром по Воздействиям для получения разрешения на оценку методов, используемых для картирования информации о различных государствах (напр. использование GIS) и сравнения моделей, ж) возникающее по мере необходимости обновление Руководства по работе с картами, в сотрудничестве с специальной группой по картированию и 1.4. Задачи настоящего Руководства Основными задачами настоящего Руководства является описание методов, рекомендованных для использования участникам Конвенции, представленным национальными фокальными центрами, с целью:

а) Моделирования и картирования критических уровней и нагрузок в регионе б) Моделирования и картирования зон превышения загрязнителями воздушной в) Разработки, согласования и применения методов и процедур (включая динамическое моделирование) для оценки восстановления и риска будущего 1 Введение г) Определения и идентификации чувствительных рецепторов и зон.

Таким образом, он подводит научную базу под применение критических уровней и нагрузок, их взаимодействие и последствия стратегий их снижения, напр., оценку оптимизированного размещения снижения выбросов.

В настоящее Руководство включены методологии, в которых используются материалы ICP (гл. 4) и (относительно озона) растительности ICP (гл. 3.2.4). В отличие от Руководств (или сравнимых с ними документов по методологии) других Программ (ICP) и Химического Координационного Центра (ССС) EMEP, данное Руководство не содержит информацию по методам создания измерений детальных данных. Это отражает задачи программы по моделированию и картированию в рамках Конвенции.

Конкретную техническую информацию, а также детальные результаты и другую информацию, предоставляемую национальными фокальными центрами, можно найти в отчетах состояния CCE, которые обновляются каждые два года (см. также гл. 1.6).

1.5. Структура и область интересов настоящего Руководства В главе 2 описываются методы картирования концентраций и отложений загрязняющих агентов.

Их можно использовать для создания карт превышения нормативов путем вычитания из них критических уровней/нагрузок. В европейском масштабе результаты модели EMEP используются для создания подобных карт. Смоделированные концентрации и отложения агентов получаются из данных по выбросам стран, что позволяет проводить переговоры по контролю за выбросами.

Кроме того, приветствуется предоставление национальными фокальными центрами карт с высоким разрешением, которые можно использовать для оценки воздействия на конкретные экосистемы в национальном и местном масштабе. В разработке этой главы принимали участие и эксперты EMEP.

В главе 3 описываются методы, разработанные для количественного определения и картирования критических уровней / потоков газообразных загрязняющих агентов и их влияния на растительность. Она, главным образом, основывается на заключениях и рекомендациях семинаров Конвенции и, относительно озона, на результатах интенсивной работы, скоординированной программой по растительности (ICP Vegetation) в сотрудничестве с EMEP.

В главе 4 описывается происхождение допустимых уровней и их применение к воздействиям на материалы. Глава представляет собой неформальное Руководство программы по материалам (ICP on Materials - www.corr-institute.se/ICP-Materials).

В главе 5 описывается, каким образом производить подсчет и наносить на карту критические нагрузки по азоту, содержающимся в продуктах питания, потенциальной кислотности и тяжелым металлам. Так как это задание до сих пор является центральным для программы моделирования и картирования, глава содержит наибольшее количество деталей. Структура была изменена по (эмпирический/моделирование), но не воздействие (эутрофикация/ кислотность). Глава начинается с обзора, включающего определения (5.1), затем следует описание эмпирических критических нагрузок (5.2) с подразделами по азоту, содержащемуся в продуктах питания (результаты семинара в Берне в 2002 году), и кислотности (результаты семинара в Йорке в 2000 году). В главе 5. описываются методы моделирования критических нагрузок наземных экосистем (модель SMB), опять же с подразделением на описание азота, содержащегося в продуктах питания (эутрофикация), и кислотности. Глава была обновлена по сравнению с предыдущим Руководством за счет результатов семинаров в Копенгагене (1999) и Йорке (2000), а также других семинаров CCE. В главе 5.4 рассматриваются критические нагрузки для поверхностных вод (разработаны в тесном сотрудничестве с программой по водоемам – ICP Waters). В завершение, в главе 5.5.

описываются методы моделирования и картирования критических нагрузок для тяжелых металлов.

1 Введение В главе 6 описываются динамические модели и использование их результатов. Авторы разработали ее в тесном сотрудничестве с Группой Объединенных Экспертов (Joint Expert Group) по динамическому моделированию.

В главе 7 описывается, как определять превышение CL, а также его параметры (изолинии защиты, [средние] накопленные превышения).

В главе 8 описываются процедуры, необходимые для производства карт, включая их геометрию, проекции, обобщение пространства и представительность, а также оценка неясностей и отклонений.

В дополнение, на веб-сайте ICP M&M (www.icpmapping.org) перечислены документы, имеющие отношение к теме (напр., методы выявления отложений, эмпирические критические нагрузки для азота, содержащегося в пищевых продуктах), которые более детально описывают конкретные методологические аспекты.

Ссылки Об исторических деталях основания специальной группы по картированию и о полномочиях сторон, сотрудничающих в моделировании и картировании, см. EB Air/R.18/Annex (Приложение) IV, Section (Раздел) 3.6 and EB Air/WG.1/R.18/Annex (Приложение)I, а также EB.AIR/WG.1/2004/3.

Историческое развитие программы и подходов, использованных для вычисления критических нагрузок и уровней, можно проследить по следующим материалам:

(а) Report of the Initial ECE Mapping Workshop, Bad Harzburg 1989 (Отчет о первом (б) Mapping Vademecum 1992 (Справочник по картированию), доступен в Координационном Центре по Воздействиям (Coordination Center for Effects), Билтховен, Нидерланды, (Bilthoven, The Netherlands) отчет RIVM No.

(в) Manual on Methodologies and Criteria for Mapping Critical Loads/Levels (First Edition), (Руководство по методологиям и критериям картирования критических нагрузок/уровней (первое издание)); Texte Umweltbundesamt 25/93, Federal Environmental Agency (UBA)(ed.), Berlin, Germany (г) Manual on Methodologies and Criteria for Mapping Critical Loads/Levels and Geographical Areas Where They Are Exceeded (fully revised in 1995/1996), (Руководство по методологиям и критериям картирования критических нагрузок/уровней и географических территорий, где они превышены (полностью пересмотрено в 1995/1996); Texte Umweltbundesamt 71/96, Federal Environmental Agency (UBA)(ed.), Berlin, Germany (д) различные промежуточные редакции (г), например относительно картирования (е) многочисленные научные статьи, перечисленные в следующих главах.

Состояние, результаты и планы программы по моделированию и картированию описаны в различных документах, которые можно найти на интернет-сайте Конвенции (www.unece.org/env/wge). Различные технические и научные аспекты и детальные результаты национальных фокальных центров можно найти в публикациях CCE, в частности в отчете CCE (www.rivm.nl/cce), который проводится каждые два года.

Amann et al. (Аманн и др.) IIASA, The RAINS model (модель RAINS), www.iiasa.ac.at/rains 1 Введение Gauger T, Anshelm F, Schuster H, Erisman JW, Vermeulen AT, Draaijers GPJ, Bleeker A, Nagel HD (Гоже Т., Аншельм Ф., Шустер Г., Эрисман Дж.У., Вермейлен А.Т., Драайерс Дж.П.Дж., Бликер А., Нагель Г.Д.) (2002) Mapping of ecosystem specific long-term trends in deposition loads and concentrations of air pollutants in Germany and their comparison with Critical Loads and Critical Levels, (Картирование специфичных долгосрочных трендов экосистем относительно нагрузок отложений и концентраций загрязнителей воздуха в Германии, и их сравнение с критическими нагрузками и критическими уровнями), Final Report, 299 Umweltbundesamt Berlin Nilsson J (Нильсон Й.) (ed) (1986) Critical Loads of Nitrogen and Sulphur. Environmental Report 1986:11, Nordic Council of Ministers, Copenhagen, (Критические нагрузки для азота и серы.

Экологический отчет, ноябрь, 1986, Совет министров скандинавских стран, Копенгаген), Nilsson J, Grennfelt P (Нильсон Й., Греннфельт П.), (eds.) (1988) Critical loads for sulphur and nitrogen (Критические нагрузки для серы и азота) Report from a workshop held at Skokloster, Sweden 19-24 March 1988. Miljorapport 15, 1-418.

2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений Руководство по картированию Пограничное сопротивление Глава 2 представляет собой обновленную и расширенную версию Руководства по картированию 1996 года. Она была отредактирована обзорной группой под руководством Дэвида Фаулера и Рона Смита.

2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений 2.1 Общие замечания и задачи Задачей настоящей главы является предоставление руководства для стран-участниц по созданию карт уровней концентрации и нагрузок отложений для ряда загрязнителей и их сравнению с картами критических уровней/нагрузок. Этот документ задуман как источник справочной информации общего характера со ссылками на последнюю литературу. Здесь Вы найдете конкретные рекомендации, схематическое описание процедур и информацию по специализированным публикациям на тему определения параметров и моделирования подходов, описанных здесь.

Общее отложение – это сумма сухих (турбулентных движений газов и частиц к поверхности), влажных (попадающих через дождь, снег или град), а также содержащихся в тумане и воде облаков отложений. Все три пути необходимо учитывать, но они настолько сильно различаются, что было предложено рассматривать их отдельно, а затем объединять количественные показатели для оценки общих отложений (Хикс и др. 1993).

Программа по нанесению на карту Европы концентраций и отложений преследует две цели:

Первая заключается в создании карт превышений, соотносимых с критическими уровнями и нагрузками, которые затем распределяются по выбросам в различных странах. Полученные таким образом коэффициенты между выбросами всех европейских стран и превышениями в каждой ячейке сетки программы сотрудничества по отслеживанию и оценке трансграничных загрязнителей в Европе (EMEP) особенно хорошо подходят для получения научных результатов для а) осуществления и соответствия с существующими протоколами Конвенции LRTAP 1 и б) их обзора и расширения. Эти данные важны для моделирования интегрированных оценок, и карты концентраций и отложений, рассчитанные через модели EMEP, предназначены для этих целей. Учитывавшие неясности, присущие обсуждению будущих отношений по вопросам выбросов-отложений, экономические и энергетические запросы стран и наше знание воздействий на окружающую среду, карты масштаба 150 х км показали себя адекватными для разработки международных протоколов. Новая эйлерианская модель EMEP обеспечивает более высокое разрешение полей концентрации и отложений – 50 х 50 км.

Вторая задача заключается в картировании концентраций и отложений, которые можно использовать для оценки воздействия, оказываемого на конкретные экосистемы. Такие данные должны подаваться с пространственным разрешением, бльшим, чем для моделирования интегрированных оценок. Национальные фокальные центры должны прийти к достаточному разрешению карт при работе с моделями и сетями оценки, используемыми в их странах. EMEP продолжит предоставлять фоновые переносимые по воздуху компоненты дальнего действия, которые можно использовать в качестве граничных условий для таких национальных моделей. В главе будут описаны различные техники получения карт концентрации и отложения, применяемые в зависимости от ресурсов и целей страны, при этом показатели EMEP будут расцениваться как данные по умолчанию, способствующие повсеместному завершению этого процесса.

В странах Европы уровень экспертизы и технических возможностей для измерения концентраций и потоков загрязнителей довольно неоднороден. Представленные методы сильно варьируются, поэтому необходимо обозначать диапазон возможностей. Важно Здесь и ниже см. файл «аббревиатура» - Прим. перев.

Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений подчеркнуть, что участие в процессе измерения и моделирования, как часть общей работы по оценке, приветствуется. Разработка достойных стратегий для контроля выбросов загрязнителей требует полного участия не только в политическом процессе, но и в сопутствующей ему научной работе.

Пространственный масштаб, на который ориентируется программа картирования, отличается от направленного на территории подхода в международной программе сотрудничества ECE по объединенному мониторингу и по лесам (уровень II): необходимы не разрозненные данные об отдельных территориях, а региональная информация о конкретных экосистемах по всей Европе. Таким образом в фокусе нашего описания находятся методы, способные произвести карты превышения критических уровней/нагрузок для целых государств, используя модели перемещения дальнего действия в комбинации с данными измерениями концентраций маломасштабного моделирования сухих отложений и интерполированных данных измерения влажных отложений, полученных при мониторинге территорий (ICP, EMEP, национальных, региональных). Измерения сухих отложений и вклада растительного покрова на уровне территорий предназначены, например, для параметризации процесса (главным образом, микрометеорологических измерений) и для независимого освидетельствования модели (главным образом, измерения сквозного падения;

см. главы 2.3.1, 2.3.2 и 2.3.10).

Следовательно, эта глава содержит гораздо меньше деталей в описаниях полевых и лабораторных методов, чем соответствующие параграфы Руководства ICP и публикации EMEP по методологии мониторинга (EDC 1993 (Интегрированный мониторинг (Integrated monitoring) ICP); UNECE ICP Forests 1999; EMEP/CCC 1996).

Существует ряд доступных публикаций с детальными описаниями теории и методов, на которые в этой работе стоит опираться, а также моделирования. Они включают в себя процедуры, разработанные на нескольких посвященных этой теме семинарах ECE, наиболее заметным из которых был «Семинар по отложениям» в Гётеборге (Швеция) (Лёвблад и др., 1993), «Семинар по точности измерений» 1993 года с сессией по «Определению представительности замеренных параметров на заданной площади сетки по сравнению с модельными расчетами», спонсировавшейся ВОЗ, проходивший в Пассау, Германия (Берг и Шауг, 1994, Эрисман и Драайерс, 1995, Суттон и др., 1998, Сланина, 1996, Фаулер и др., 1995а, 2001а) и Руководство по лесам ICP (ЭКЕ ООН 1999). Дополнительную информацию можно найти в процедурах других семинаров и в научных журналах.

Национальным фокальным центрам настоятельно рекомендуется документировать методологию мониторинга и моделирования, описанную в перечисленных ниже публикациях, в разработках или проверках баз данных для национальных карт концентраций и отложений (а также превышений критических уровней и нагрузок). Совместимость этих карт с другими национальными картами в рамках программы картирования, а также методов мониторинга, задействованных в других программах по мониторингу отложений (ICP по лесам и интегрированному мониторингу EMEP) имеет серьезное значение.

2.1.1 Разрешение карт и применение концепции критических нагрузок При использовании данных по отложениям с данными по критическим нагрузкам очень часто сталкиваются с различными масштабами их источников. В большинстве случаев данные по критическим нагрузкам даны с бльшим разрешением, чем данные по отложениям. Чтобы избежать путаницы, необходимо проставлять различные масштабы в легенде карты. Важно, однако, заметить, что применение данных по отложениям в более грубом масштабе по отношению к высокому разрешению данных по критическим нагрузкам обычно дает превышения, которые систематически недооцениваются (см. 2.3.2).

Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений 2.2 Параметры, наносимые на карты Каждому государству необходимо наносить на карту следующие параметры:

Для карт превышения критической нагрузки:

концентрация озона (величины AOT40) и поток озона, концентрация двуокиси серы, концентрация двуокиси азота, концентрация аммиака.

Как данные, вводимые в описание и расчет критических нагрузок:

количество осадков и другие метеорологические параметры (при необходимости), влажные, сухие, содержащиеся в облаках/тумане отложения и отложенияаэрозоли.

Для карт превышения критических нагрузок:

отложение оксида серы (SOx) (общее и не происходящее от морской соли (не морского происхождения)), отложение оксида азота (NOy), отложение пониженного азота (NHx), отложение базовых катионов и хлорида (общее и не морского происхождения), общее отложение азота, общее потенциальное кислотное отложение.

Отложение тяжелых металлов (ожидается соглашение по критическим нагрузкам):

аэрозольное и влажное отложение свинца (Pb), кадмия (Cd), цинка (Zn) и меди (предложенные как минимум), общее отложение ртути (Hg).

Для всех карт необходимо использовать самые последние из имеющихся данных и не возвращаться назад более чем на 5 лет.

Параметры карт, имеющие отношение к уровням газообразных загрязнителей, необходимо наносить на карты в порядке, подробно рассмотренном в главе 3 настоящего Руководства.

Концентрации и средние периоды основаны на открытиях семинаров ECE по критическим уровням, проведенным в Бад Гарцбурге (Германия) в 1988 году, в Эгхэме (Великобритания) в 1992 году, Берне (Швейцария) в 1993 году, Ст. Галене (Швейцария) в 1995 году, Куопио (Финляндия) в 1996 году, Харрогате (Великобритания) в 2002 году и Гётеборге (Швеция) в 2002 году.

2.3 Методы картирования, предположения, на которых они основаны, и требования к данным 2.3.1 Ссылки на списки выбросов Существует несколько методов для оценки концентраций граничных слоев атмосферы и влажных, сухих и содержащихся в облаках/тумане отложений в различных масштабах времени и пространства.

Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений Лишь некоторые из этих методов привязаны к спискам выбросов (см. табл. 2.2): основанные на списках выбросов (группа А: моделирование EMEP и национальное моделирование по перемещению дальнего действия, также в сочетании с маломасштабными моделями сухих отложений) необходимо отделять от независимых от списков выбросов (группа B:

национальный и проводимый EMEP мониторинг концентрации воздуха и влажных отложений, местные микрометеорологические измерения, измерения сквозного падения).

Цели методов группы А (привязанных к выбросам) следующие: 1) анализ настоящей и предшествующей ситуации, и 2) предоставление базы для анализа сценариев и последующего обсуждения снижения выбросов.

Цели методов группы B (не привязанных к выбросам) следующие: 1) оценка моделей, и 2) местный анализ воздействий (см. главу 2.1 и таблицу 2.2).

2.3.2 Количественная оценка и методы картирования: временные и пространственные масштабы Во временнм масштабе ежегодных коэффициентов отложений достаточно для определения превышения критических нагрузок, в то время как для превышений критических уровней иногда возникает потребность в краткосрочной информации (см. главы 3 и 4). Что касается отложений, здесь могут возникать серьезные колебания в различные годы, например, из-за изменений количества осадков, поэтому рекомендуется для расчета превышений критических нагрузок применять промежуток в 3 года.

Для различных пространственных масштабов существуют три группы методов:

Модели перемещения дальнего действия – наиболее широко используемый источник данных по отложениям, данные вводятся в ряд пространственных масштабов (50 х км2 для EMEP, 5 х 5 км2 для моделей с масштабом стран) Вложенные модели высокого разрешения – используются для обеспечения более высокого пространственного разрешения (1 х 1 км2).

Измерения, привязанные к местности или дренажу – предоставляют местные оценки отложений (от 1 до 1000 га);

методы включают в себя следующее:

Методы сквозного падения (масштаб растительного покрова) Модели перемещении дальнего действия (LRT – long-range models) предоставляют средние оценки концентраций и коэффициентов отложения для крупных сеток (обычно от х 5 км2 до эйлерианской модели EMEP с ячейкой 50 х 50 км2). Они, как было определено выше, принадлежат к группе А: основываются на списках выбросов и, таким образом, больше всего подходят к анализу сценариев и сравнению бюджетов различных стран («матрицы вины»), к которому прибегают во время переговоров по снижению выбросов (если моделью пользуются более чем в одной стране). Результаты модели перемещения дальнего действия доступны для европейского региона UN ECE, их можно брать за основу или модель для согласования формы подачи результатов.

Стандартные концентрации за много лет от EMEP даются как одно число в год на компонент на ячейку 50 х 50 км2, а потоки отложений – или как среднее отложение на ячейку 50 х км2 или как данные, специфичные для экосистемы. Выходные данные модели EMEP можно предоставлять и для более коротких отрезков времени, но при этом необходимо учитывать, Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений что один из основных параметров входных данных для списка выбросов часто представляется как общее годовое количество.

От масштаба, в котором наносятся на карты критические уровни/нагрузки и концентрации/отложения, серьезно зависит разбег величин превышений (Спрангер и др.

2001, Бак 2001, Лёвблад 1996, Смит и др. 1995). Если, например, средняя величина ячейки х 50 км2 сопоставляется с критическими нагрузками на 250 квадратах площадью 1 х 1 км внутри ячейки сетки размером 50 х 50 км2, превышение критической нагрузки в целом будет меньшим, чем, если бы отложение было доступно в масштабе 1 х 1 км2. Единственным условием, при котором такая недооценка не произойдет, будет сопоставление мест расположения больших отложений с местами расположения высоких критических нагрузок.

На многих территориях Европы происходит как раз обратное. Во областях со сложной топографией части ландшафта, получающие наибольшее количество отложений, например, высоко расположенные участки гор в Северо-западной Европе, также являются наиболее чувствительными к воздействиям отложений (напр., закислению). То же самое касается и лесных территорий, которые ассоциируются с бедными почвами в крупных областях Европы. Ситуация более проблематична для компонентов с низкими местными источниками (NH3, NOx), т.к. распространение источников внутри ячейки не отражается в средней оценке ячейки в модели LRT, а разбег данных по отложению внутри ячейки заметно увеличивается, а с ним и превышение критической нагрузки. Так как в настоящем оценки отложений, предоставляемые EMEP предлагаются в масштабе, гораздо большем, чем масштаб такого пространственного разбега, превышения критических нагрузок для этих территорий недооценены.

Эти воздействия можно свести к минимуму через оценку отложений в минимальном возможном масштабе. Есть, однако, скрытая вероятность, что превышения критической нагрузки возрастут по мере приближения пространственного разрешения отложений к разрешению критических нагрузок.

Модели высокого разрешения. Во второй группе методов разработчики пытаются преодолеть эти проблемы масштаба, применяя «выведенные» модели меньшего масштаба и используя при этом крупномасштабную метеорологию и поля концентрации, либо полученные в моделях LRT (см. выше), либо путем интерполяции сеток измерения достаточной плотности (см. ниже).

Сухое отложение получается путем умножения концентрации на скорость отложения интересующего компонента (Хикс и др. 1987, 1993). Последнее рассчитывается с использованием модели сопротивления, в которой описывается перемещение к компоненту или его поглощение поверхностью. Сопротивления моделируются с использованием наблюдений за метеорологическими параметрами и параметризации процессов обмена на поверхности для поверхностей различных рецепторов и климата выбросов, как это описывают Эрисман и др. (1994а), Смит и др. (2000), Немитц и др. (2001), Эмберсон и др.

(2000), Грюнхаге и Хэнель (1997), Гаугер и др. (2003). Аналогично можно оценку дать скорости отложения капель облаков/тумана, моделируя момент перемещения (Фаулер и др.

1993). Такая же технология была применена и для оценки отложения базовых катионов (Драайерс и др. 1995). Параметры, определяющие скорость отложения, включают в себя атмосферные параметры (напр., скорость ветра, температуру, относительную влажность, атмосферную стабильность, частоту появления облаков и/или тумана) и условия поверхности (напр., шероховатость, влажность, устьичное реагирование, почвенные воды). К сожалению, до настоящего момента не существует надежных европейских полей концентраций для облаков/тумана, что затрудняет работу по оценке отложений в облаках/тумане на европейском уровне.

Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений Карты землепользования, применяемые для такого моделирования отложений, должны быть идентичными картам подверженных риску запасов, используемым для работы с критическими уровнями/нагрузками (см. гл. 6). Кроме географического расположения чувствительных экосистем, тип землепользования/растительности, высоту растительности и покрытие кроной также необходимо наносить в масштабе, который позволит верно определять расположение всех типов экосистем на территории модели.

Неясности «выведенных» моделей отложений описаны в гл. 2.3.10.

Измерения, привязанные к конкретной местности или дренажу. Все методы, основанные на точечных измерениях (напр., измерения влажных отложений, микрометеорологические измерения влажных отложений, сквозные измерения) принадлежат группе B, т.к. их нельзя напрямую привязать к спискам загрязнителей. Карты, основанные непосредственно на этих измерениях, можно составлять, только если сеть будет достаточно плотной для пространственного (и временнго) разбега. Сетки, измеряющие воздушные концентрации компонентов с небольшим пространственным разбегом или измерения влажных отложений в зонах простой топографии – как раз такие случаи. Сетевые (точечные) измерения необходимо интерполировать с использованием техник кригинга, для интерполяции может оказаться полезным и включение данных мониторинга соседних государств. Для некоторых воздушных концентраций, напр. аммиака, или для дождевых концентраций на территориях со сложной топографией требуемая плотность сети измерения может быть слишком высокой для практического применения. В таких случаях рекомендуется получать концентрации на менее плотных сетках и использовать для интерполяции простые модели, напр., зависимость от высоты. Предпочтительнее интерполировать концентрации по дождю или по воздуху, а затем рассчитать отложение на территории-рецепторе, используя локальные оценки выпадения дождей или специфичные для данного типа землепользования коэффициенты приземных сухих отложений (см. выше).

Можно провести дополнительный мониторинг воздушных концентраций газов с подборками диффузных образцов, чтобы получить плотную сеть в качестве основы для картирования.

Такие подборки образцов можно использовать для ряда газов (озона, двуокиси серы, двуокиси азота, окислов азота (NOx), аммиака, азотной кислоты, ртути, хлористого водорода и др.). Подборка образцов дает среднюю концентрацию за определенный период времени, как правило, от одной недели до одного месяца. Это простой и дешевый дополнительный метод, которым можно пользоваться параллельно с другими методами, предоставляющими также и временнй разбег (Ферм и Сванберг 1998, Ферм 2001, Съёберг и др. 2001).

Влажное отложение. В большинстве случаев разбег при крупных масштабах влажных отложений внутри регионов определяется (более) разбегом количества осадков и (менее) разбегом концентраций в дожде или снегу. Кроме того, количество осадков обычно получают из метеорологических измерений с достаточно плотной сеткой. Поэтому, если разбег концентраций невелик, карты ежегодных коэффициентов влажных отложений не должны составляться путем интерполяции замеренных коэффициентов влажных отложений;

рекомендуется интерполировать замеренные концентрации растворов и оценивать влажное отложение как продукт нанесенной на карту концентрации в растворе и количества осадков, получая последние в метеорологических службах страны. Это довольно важный этап, т.к.

поля осадков определяются плотными полями приемников. Дополнительный и немаловажный прирост влажных осадков имеет место в высокогорьях Северной Европы изза размывания орографических облаков через выпадение дождя или снега. Так как, как правило, не проводят замеры на высоких участках топографически сложных территорий, эти воздействия чаще всего пропускают в замерах сетей. Физический процесс, лежащий в основе этого явления, хорошо задокументирован, а воздействия можно смоделировать, используя данные сети (Дор и др. 1992, Фаулер и др. 1995b).

Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений Сухие отложения, и отложения в облаках/тумане возможно оценить, исходя из замеров концентрации субстанций воздушного происхождения путем микрометеорологических измерений на уровне процесса (для SO2: Фаулер и др.2001c; для NH3: Флечард и Фаулер 1998; для облаков: Бесвик и др. 1991). За последнее десятилетие стало возможным проведение долгосрочных микрометеорологических измерений потоков (т.е. непрерывных замеров потоков на протяжении более одного года). Это было продемонстрировано для O3, NOx и SO2 (проект LIFE, Эрисман и др. 1998a) и для CO2 и H2O (Обине и др. 2000). Такие измерения предоставляют информацию о сезонном и демисезонном разбеге потоков.

Таким образом эти измерения потоков отложений превратились в прямые (непосредственные), и их стало возможным применять к загрязняющим газам. Первичной задачей измерений, однако, является представление параметров для моделирования в качестве инструмента для экстраполяции по территории ландшафта, т.к. измерительные станции дороги в обслуживании. Это значит, что в реальности количества станций по сухим отложениям может оказаться недостаточно для прямого интерполирования потоков на пространственные масштабы. Существуют также и недорогие микрометеорологические методы, такие как система градиента усредненного времени (TAG – Time Averaged Gradient) (Фаулер и др. 2001b). Они предоставляют средства для получения параметров отложений для большего количества представительных сухопутных территорий в Европе.

Упомянутые здесь методы работают только при строгом соблюдении предпосылок, касающихся микрометеорологических переменных (напр., однородности поверхности). Их нельзя экстраполировать непосредственно, но знания о процессах, полученные в результате проведения таких измерений, можно параметризировать в выведенных моделях, а потоки – наносить на карты, используя эту информацию (см. выше о моделях высокого разрешения).

Измерения сквозного падения и потоков на стволах можно использовать для оценки общего отложения серы в растительном пологе, главным образом в лесах (влажные плюс сухие плюс облака/туман). Данные можно применить для параллельного изучения воздействия, что позволит оценить коэффициенты отложений на основе полевых данных, полученных из существующих программ мониторинга, и подтвердить оценки других отложений. Эти данные также помогут в сборе информации по сезонным колебаниям и тенденциям отложений. Во многих ситуациях мониторинга сквозного падения бывает достаточно, и поток на стволах замеряют только для некоторых видов деревьев – для которых этот параметр считается важным (напр., бук) (ЭКЕ ООН 1999). На практике чаще всего невозможно определить общее отложение веществ, для которых поглощение или выщелачивание внутри покрова во многом зависит от параметров (напр., нитратов, аммиака, кальция, калия и магния), полученных при измерении сквозного падения.

Измерения сквозного падения дешевле и их, как правило, проще осуществить, чем микрометеорологические измерения. Они также дают и хороший обзор ситуации с отложениями в лесу не только для серы, но и для соединений азота. Недавние эксперименты, проведенные в Швеции, выявили проблемы при сравнении измерений сквозного падения с влажным отложением, если вклад сухого отложения в общее очень мал (перс. комм.

Вестлинга), что характерно для серы в Европе уже в течение многих лет. Большие неясности по влажным отложениям на продуваемых ветром территориях были выявлены при полевых исследованиях через взаимное сравнение (Драайерс и др. 2001). Даже при неспособности этого метода дать оценку общему отложению азота, можно установить более низкий порог.

Точный подход к подбору образцов (напр., месторасположение приемника, состав видов, пространственный разбег) очень важен для достижения хороших результатов. Требования к подбору образцов детально описаны в Руководстве программы по лесу (ICP Forests (ЭКЕ ООН 1999)) и в обзорных статьях, таких как Драайерс и др. (1996a) и Эрисман и др. (1994b).

Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений Для интерпретации данных, отношение между общим отложением и сквозным падением можно выразить следующим образом:

Общее ОТЛ=СУХОЕ + ВЛАЖНОЕ + ОБЛАКА/ТУМАН = THF - CEX где:

THF = Поток в сквозном падении (Flux in throughfall) (плюс поток на стволах - Stemflow) DRY, WET, Cl/Fog = отложение: сухое, влажное, облако/туман CEX = обмен покрова; CEX > 0 для выщелачивания, CEX < 0 для поглощения При CEX=0 сухое отложение можно оценить как разницу между общим потоком в сквозном падении и независимыми измерениями влажного отложения и отложения в облаках/тумане.

Если CEX отличается от 0, то получить сухое отложение из внутреннего цикла невозможно.

Этот метод может привести к большой переоценке реального потока отложения (CEX>0) изза выщелачивания покрова (для некоторых базовых катионов) или к большой недооценке реального потока отложения (CEX90%, сопротивление поверхности отложению становится очень низким, а поток главным образом определяется атмосферным сопротивлением (Эрисман и др. 1994a).

Для аэрозоли SO42- сухие отложения являются самыми высокими для лесов и других шероховатых поверхностей, находящихся далеко от источников SO2 (Галлагер и др. 1997).

Скорости сульфатных отложений можно оценить, используя модель Слинна (1982) или схожую модель отложения единичных частиц (напр., Эрисман и др. 1995, Руийгрок и др.

1996). До сих пор ведется серьезная работа по усовершенствованию этих оценочных Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений технологий, поэтому будет разумным использовать модели, специфичные для территорий, чтобы добиться лучших показателей по отложениям LRT сульфата-аэрозоли.

Карты влажных отложений можно составлять, используя данные мониторинга в соответствии с описаниями, данными в гл. 2.3.2, включая орографические воздействия, где необходимо. Наиболее важным фактором усовершенствования оценки влажных отложений в локальном масштабе является доступность карт выпадения дождей, полученных через плотные сети сборщиков дождя. Если плотности сети мониторинга концентрации недостаточно, можно сочетать данные по концентрации, смоделированные EMEP/MSC-W, с местными картами выпадения дождей, что позволит получить более точные оценки влажных отложений.

(в) Мониторинг и интерполяция концентраций Станции измерения SO2 необходимо размещать на территориях, которые не испытывают прямого влияния локальных выбросов. Что касается сети EMEP (и, наоборот, не касается региональных, национальных программ или программ по охране здоровья ЕЭС), то главной целью сети измерений не обязательно является определение наивысших концентраций окружающей среды (которые приводят к высоким превышениям критических уровней), а, скорее, выявление крупномасштабных концентраций, возникающих вследствие перемещения на дальние расстояния. Отдельные измерительные станции должны представлять максимально возможную территорию, проводя, таким образом, интерполяцию и картирование концентраций, не испытывающих воздействия возможных локальных источников. Критерии для размещения измерительных станций перечислены, например, в EMEP/CCC (1996).

Так как SO2 является первичным загрязнителем, плотность сети измерений, особенно в зонах выбросов, таких как Центральная Европа, должна быть высокой, с тем, чтобы ошибка интерполяции (обусловленная, напр., анализом вариограммы при использовании кригинга) была минимальной относительно замеряемых величин. То же верно и для гористых местностей из-за наличия вертикального градиента. Так как концентрации вторичных загрязнителей изменяются довольно медленно, плотность сети для аэрозоли SO42- и для SO42в дождевой воде может быть гораздо ниже, чем для SO2. Методы определения (и занесения в базы данных) представительности измерений, а также их точности, перечислены в источнике «Берг и Шауг (1994)».

Карты возможно создавать посредством интерполяции измерений, если выполнены все упомянутые выше критерии (точность, представительность). Для некоторых приложений будет уместен подход по принципу смешивания высот, где наблюдения на уровне земли экстраполируются до 50 м вверх (смешанная высота) с использованием модели сопротивления. На такой высоте концентрация менее зависима от процессов, происходящих на поверхности, и может быть интерполирована на большие территории (Эрисман и Драаийерс 1995). Предпочтительнее проводить интерполяцию при помощи кригинга, который также выдает и ошибку интерполяции.

2.3.6 Картирование концентраций оксидов азота (NOx) и отложений окисленного азота (NOy) Эти данные получены посредством моделирования перемещения на дальние расстояния, возможно с применением маломасштабного моделирования (см. (a) и (б) ниже), или сетей мониторинга (см. (в) ниже).

NOx (=NO+NO2), как и SO2, испускается как высокими (напр., высокими деревьями), так и низкими (напр., транспорт) источниками, главным образом в виде NO. Пространственный Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений разбег концентраций NOx, как правило, выше разбега озона и нитрата, но ниже аммиака вследствие реакции NO с O3. В сельских районах выброс NO из почв (как из сельскохозяйственных, так и полу-естественных) также может вносить свой вклад в локальные уровни NO2. Многие национальные работы по моделированию способны предоставить оценки концентрации NO2 у поверхности с разрешением больше, чем 50 х 50 км2, например, 5 х 5 км2, как в Нидерландах и Великобритании (база данных качества воздуха Великобритании – www.airquality.co.uk), таким образом можно объединять модели для подгонки цифр концентраций под локальные выбросы, используя, например, расстояние до основных магистралей.

(а) Результаты модели LRT Что касается SOx, у EMEP/MSC-W есть концентрации и отложения NOx (NO и NO2), NO3- в аэрозоли и дождевой воде, и HNO3.

(б) Моделирование с высоким разрешением Можно применять процедуры, описанные для SOx, со следующими комментариями: для выведенного моделирования сухих отложений, кроме карт концентрации NOx потребуются карты концентраций аэрозоли NO3-, и HNO3 (в идеале также HONO). Так как в большинстве стран количество проведенных измерений слишком мало для осуществления интерполяции, придется проводить оценку на основе атмосферных моделей. Наиболее важный фактор, являющийся причиной разбега в NOx – это локальные выбросы, которые также необходимо принимать во внимание при моделировании с высоким разрешением. Скорости отложения NO2 почти исключительно зависят от устьичных раскрытий (устьичная траектория:

необходимо параметризировать, используя тип растительности/землепользования и метеорологические данные), а важная для отложения SO2 поверхностная влажность не играет роли для NO2. Для доли аэрозоли отложение HNO3 определяется атмосферными сопротивлениями, т.к. поверхностное сопротивление слишком мало (наиболее важны шероховатость поверхности и скорость ветра), а скорости отложений аэрозоли NO3оцениваются аналогично аэрозоли SO42-.

Как было сказано выше, на градиенты озона могут оказывать воздействие быстрые химические реакции между O3, NO2 и NO. Эти реакции также затронут градиенты и, следовательно, поглощение NO2. В моделях LRT этот эффект во внимание не принимается.

Хотя тому и нет прямых доказательств, но возникает ощущение, что поглощение низкой растительностью задето лишь погранично (Дуизер и др. 1995). С другой стороны, эффект, оказываемый на поглощение лесами NO2 и O3 может быть вызван химическими реакциями, имеющими место в покрове (Уолтон и др. 1997).

(в) Мониторинг и интерполяция концентраций Измерительные станции для NOx необходимо располагать на территориях, не испытывающих прямого влияния локальных источников (важный момент – не вблизи дорожных магистралей). Критерии для размещения измерительных станций такие же, как и для SOx. Вследствие того, что NO является первичным загрязнителем, и реакции с NO проходят сравнительно быстро, плотность сети измерения должна быть высокой, как и для SO2. Другие соединения азота, как предполагается, обладают более медленно меняющимися концентрациями, поэтому и плотность сети измерений можно понижать соответственно.

Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений 2.3.7 Картирование концентрации аммиака (NH3), отложений пониженного азота (NHx) и общего отложения азота Аммиак испускается главным образом низкими сельскохозяйственными источниками с различной интенсивностью. Газообразный NH3 обладает коротким сроком существования в атмосфере (Эрисман и Драаийерс 1995), и в результате его концентрации в воздухе могут демонстрировать довольно крутой горизонтальный и вертикальный градиент (Асман и др.

1988). Даже на территориях, не испытывающих воздействия сильных локальных источников, концентрация аммиака в среде может различаться в три или четыре раза в масштабе меньше нескольких километров.

Сам локализованный участок концентрации аммиака, а также сухого отложения аммиака, играет роль в процессе картирования. Здесь не будет рассматриваться метод картирования концентраций аммиака путем интерполяции одних измерений, т.к. в этом случае необходимая плотность сети измерений будет чрезвычайно высокой, а метод – осуществимым только для небольших территорий. Критический уровень аммиака, однако, настолько высок, что, за исключением случаев с близко расположенным источником (фермы), его превышение маловероятно.

Модель перемещения дальнего действия с пространственным разрешением, например, 50 х 50 км2 не разрешит вопрос таких больших колебаний ни для концентраций аммиака, ни для его сухих отложений, которые будут составлять основную часть общего отложения пониженного азота вблизи источника аммиака. Т. о. оценки превышений критических нагрузок будут различаться при использовании моделей LRT. При отсутствии очень подробных данных о выбросах (на уровне каждой конкретной фермы) при измерениях в плотной сети будет необходимо соблюдать их высокий уровень точности (Асман и др. 1988).

Важно также обратить внимание на то, что аммиак может испускаться и отлагаться на растительность, поэтому необходимо использовать моделирование поверхностноатмосферного обмена для расчета чистого обмена на определенном ландшафте. Разработки, позволяющие симулировать эти процессы, используют подход компенсированной точки (Шйорринг и др. 1998, Суттон и др. 2000).

(а) Моделирование перемещения дальнего действия (LRT) Для SOx, у EMEP/MSC-W имеются концентрации и отложения NH3 и NH4+ в аэрозоли и дождевой воде. Однако, интерпретация оценок концентрации и сухих отложений аммиака должна быть квалифицированной из-за пространственного разрешения модели и эффектов локальных источников. В настоящий момент разрабатываются усовершенствования составляющей аммиака модели EMEP/MSC-W LRT.

(б) Моделирование с высоким разрешением В результатах модели LRT от EMEP/MSC-W предполагается, что распределение концентрации аммиака в ячейке сетки однородно, в то же время обычно имеют место колебания концентрации внутри ячейки. Пространственное разрешение, с которым будут моделироваться концентрации, сильно зависит от имеющихся в наличии оценок выбросов.

Там, где они доступны в масштабе порядка 1 х 1 км2, возможны серьезные улучшения оценок модели LRT от EMEP/MSC-W с сеткой 50 х 50 км2. Существуют модели и для более детальных расчетов, такие как модель OPS в Нидерландах (см. ниже) и модель FRAME в Великобритании (Синглз и др. 1998).

Модель OPS (Operationele Prioritaire Stoffen), разработанная в RIVM, способна просчитывать растворение (и отложение) NHx в сетке 5 x 5 км2 на территории Нидерландов (Асман и Ван Йаарсвельд 1992; Эрисман и др. 1998b). Модель может описывать перемещения как на Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений дальние, так и на короткие расстояния. Средние концентрации (и отложения) можно рассчитать для масштаба времени от 1 дня до более 10 лет, модель может учитывать как точечные источники различной высоты, так и рассеянные источники различной формы и высоты. Основой модели в локальном масштабе является формула Гауссовского пера для точечного источника. Расчеты проведены для ограниченного количества метеорологических ситуаций (классов) с представительной метеорологией для каждого класса, полученной путем реальных наблюдений. Неясность относительно величин выбросов оказалась самым важным фактором, определяющим неясность концентраций. Результаты модели и замеры концентрации в воздухе в Нидерландах достаточно хорошо соотносятся, но существенную разницу абсолютных величин еще необходимо объяснить количественно (Дуйцер и др.

2001). При концентрациях, данных в масштабе 5 х 5 км2, отложения NHx в Нидерландах прошли оценку. Выяснилось, что они хорошо согласуются с результатами измерений сквозного падения (скорректированными для обмена покрова) и микрометеорологическими измерениями (Эрисман и др. 1995).

Для отложений в аэрозоли и влажных отложений к NH4+ можно применять описанные выше для SOx процедуры.

(в) Мониторинг и интерполяция концентраций Точные представительные измерения концентраций NH3, особенно в областях высокой плотности выбросов, требуют большого количества точек замера. Обычно большинство градиентов концентрации присутствуют в пределах нескольких километров от источника, и мониторинг в местном масштабе в таком случае – ценный инструмент для понимания процесса. С разработкой новых технологий пассивного забора образцов стал возможным крупномасштабный мониторинг концентраций аммиака, и уже существуют национальные сети мониторинга аммиака в Нидерландах и Великобритании (Суттон и др. 2001a,b). Для мониторинга NH3 необходимо учитывать условия местности, чтобы затем верно интерполировать данные. Основным применением сетей измерения аммиака являются модели, используемые для предсказания колебания концентрации в местном масштабе, т.к.

ни модели, ни измерения сами по себе не могут адекватно прогнозировать концентрации.

Критерии для размещения измерительных станций для аммония – те же, что и для SOx.

Предполагается, что колебания его концентраций происходят медленнее, соответственно плотность сети может быть ниже.

Общее отложение азота необходимо для многих работ, проводимых в рамках критических нагрузок. Оно определяется как сумма общего отложения пониженного (NHx) азота [сухое отложение NH3, отложение-аэрозоль NH4+, влажное отложение NH4+, отложение NH4+ в облаках и тумане] и окисленного (NOy) азота [сухое отложение NO2, сухое отложение HNO3, отложение-аэрозоль NO3-, влажное отложение NO3-, отложение NO3- в облаках/тумане].

Методологические соображения, касающиеся картирования отложений NHx и NOy, необходимо применять соответственно.

2.3.8 Картирование отложения базовых катионов и хлорида Отложение физиологически активных базовых катионов “Bc” (Bc = Ca+Mg+K; т.е. сумма кальция, магния и калия) нейтрализует воздействие кислотных отложений и может улучшить положение с продуктами питания экосистемы относительно эутрофикации в результате воздействия азота. Потоки натрия (Na+) необходимы для оценки роли доли серы, хлорида и Bc морского происхождения, а также как индикаторы для моделей покрова и почвы. Кроме того, вклад Bc, также как и Na+ и хлорида (Cl-) определяет потенциальную кислотность отложения.

Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений Так как целью Конвенции является сведение к минимуму кислотных отложений, независимо от других выбросов искусственного происхождения, вклад базовых катионов, не связанный с выбросами окисляющих соединений (напр., выбросами пыли Сахары, крупномасштабной ветряной эрозии базовых частиц верхних слоев почвы и т.д.), не стоит принимать во внимание при работе с критическими нагрузками. Не-антропогенный, не-морской атмосферный вклад базовых катионов определяется как собственность экосистемырецептора и косвенно проявляется в уравнении кислотности (см. главу 5). В настоящее время, однако, не существует метода для дифференциации антропогенных и неантропогенных отложений базовых катионов вследствие недостатка списков выбросов и моделей перемещения дальнего действия, которые бы предназначались для выполнения этой задачи.

До сих пор не существует списков выбросов, поэтому отложения базовых катионов и хлорида пока не подвергались оценке с использованием «классических» моделей LRT.

Продолжается работа с отложениями базовых катионов и хлорида в европейском масштабе с разрешением 50 х 50 км2. Как только модели EMEP, основанные на списках (антропогенных) выбросов, будут применены к базовым катионам, будет необходимо определить различные источники базовых катионов, и из них только те, которые имеют отношение к контролю кислотных отложений, включенных в расчеты критических нагрузок.

Влажное отложение не-морского хлорида (Cl*) можно оценить через коррекцию локальных потоков Cl для доли морской соли (см. гл. 2.3.5, уравнение 2.2), интерполируя затем полученную концентрацию Cl* (см. раздел по влажным отложениям гл. 2.3.2). Эти же процедуры можно применить к картированию концентраций неморских базовых катионов Ca*, Mg* и K* для получения влажного отложения неморских базовых катионов.

Отложение базовых катионов в частицах можно оценить через концентрации во влажном отложении и эмпирические коэффициенты очистки (Эдер и Деннис 1990, Драаийерс и др.

1995). Скорости сухих отложений можно вывести как для аэрозоли SO42-, и полученные оценки сухого отложения сложить с замеренными и интерполированными оценками влажных отложений (напр., Гаугер и др. 2003). Схожий подход использовался и в Великобритании (RGAR 1997, CLAG 1997).

Для северных стран отложение базовых катионов прошло оценку, основанную на данных мониторинга по концентрациям базовых катионов в осадках и частицах воздушного происхождения.

2.3.9 Картирование общего потенциального кислотного отложения Общее потенциальное кислотное отложение определяется как сумма общего отложения сильных кислотных анионов и не-морских отрицательных катионов аммония.

Как было сказано в предыдущем разделе, большая часть вклада хлорида, как предполагают, имеет происхождением морскую соль, и эту часть можно удалить из уравнения путем удаления всех других вкладов морской соли (т.е. базовых катионов, в том числе Na и сульфат), используя «поправку на морскую соль» с Na в качестве индикатора. Такое действие основывается на предположении, что морская соль нейтральна и не содержит карбонатов. Вклады избытков хлорида (Cl*dep), скорее всего, возникают вследствие выбросов HCl антропогенного характера.

Сумма критической нагрузки (для серы) и фонового (не-антропогенного) отложения базовых катионов ранее определялись как критическое отложение (серы), напр., на переговорах второго протокола по сере (Осло, 1994). Для сравнения с CL(S+N) (CL – критическая нагрузка), как определяется в главе 5.3.3 (уравнение 5.16), необходимы только величины Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений отложения S и N. Если, однако, нам интересен размер общего кислотного вклада (напр., для сравнения с CL(Acpot), как описано в гл. 5.3.2), отложения не-морских базовых катионов и хлорида необходимо включить в ту часть уравнения потенциального кислотного превышения, которая содержит вклад:

где:

SO*x, dep = отложение не-морского сульфата NOy dep, NHx dep = общее отложение окисленного/пониженного азота BC*dep, Cl*dep = отложение не-морских катионов/хлорида На территориях сильного влияния морской воды (водяной пыли) (крупные вклады Na, Cl, S) определение «общей потенциальной кислоты» уравнения 2.3 становится проблематичным, т.к. базовые катионы оказывают благотворный питательный эффект вне зависимости от их химической формы (напр., CaCl против CaCO3). На семинаре в Гранж-овер-сэндз в выяснили, что для определения критических нагрузок для кислотности необходимо использовать коэффициенты общего отложения Mg+Ca+K (Свердруп и др. 1995) (см. главу 5.3.2).

Как утверждается в главе 5.3.2, уравнение 2.3 предполагает, что отложенный NHx полностью нитрифицируется и выводится из системы как NO3-, таким образом ее окисляя. Поэтому, с учетом подкисления почв, предполагается, что 1 моль SO*x образует 2 моля H+, а 1 моль NOy, NHx и Cl* - каждый 1 моль H+.

Важно быть последовательными при определении общих кислотных вкладов: если результаты определяются на уровне местности и процесса, и если коэффициенты отложения H+ определяются независимо, вклады NH4+ (максимум 2 эквивалента H+ на моль) необходимо определять из вкладов NH3 (максимум 1 эквивалент H+ на моль). Это же относится и к SO2 ( эквивалента H+ на моль), в отличие от SO42- (0 эквивалентов H+ на моль). В более крупном масштабе это можно не учитывать: обратите внимание, что выброс и следующее за этим отложение 1 моля SO2 и 2 молей NH3 приводит к такому же потенциальному кислотному отложению, как и отложение 1 моля продукта их реакции (NH4)2SO4, а именно эквивалентам.

2.3.10 Неясности методов определения количества и картирования Ошибки, сопутствующие различным методам, в большой мере зависят от рассматриваемого масштаба и доступности данных. Приведенный ниже анализ сосредотачивается на картировании концентраций и отложений в модели EMEP/MSC-W LRT, выведенных моделей и интерполированных измерений.

Хотя и ожидается, что пересмотренная эйлерианская LRT модель EMEP/MSC-W 50 х 50 км станет стандартной моделью с 2003 года, результаты, полученные посредством ее применения, практически не были доступны для анализа. Тем не менее, на настоящий момент видится, что различия между результатами моделирования и измерениями будут не больше, чем у предыдущей лагранжевой модели EMEP/MSC-W с сеткой 150 х 150 км2, а в отношении некоторых компонентов ожидаются и серьезные усовершенствования. С точки зрения критических нагрузок/уровней переход с масштаба 150 х 150 км2 на 50 х 50 км2 – это серьезное улучшение. Следующий заметный шаг – в переходе от ларганжевой к эйлерианской модели – заключался во включении в модель EMEP/MSC-W потоков сухих отложений, специфических для растительности. Этот ход серьезно продвигает модель EMEP/MSC-W на пути к полной локальной выведенной модели, т.к. потоки загрязнителей, получаемые на выходе, теперь соотносятся со спецификой растительности, и вопрос Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений применения средних для ячеек величин к конкретным типам растительности, напр., к лесам, снят. Вопрос же масштаба до сих пор имеет значение, т.к. концентрации и метеорологические входные данные все еще являются «средними» величинами для всей ячейки 50 х 50 км2. Там, где ожидается, что концентрации будут медленно меняться, напр., в случае с аэрозолью сульфата, концепция «средней» концентрации не будет настолько важна, но такой подход все еще является неадекватным для быстро меняющихся полей концентраций, связанных с некоторыми первичными загрязнителями. Некоторые вопросы будет необходимо решать с помощью локальной метеорологии в качестве «средних» величин ячейки. Так, например, скорость ветра не будет верной для многих экосистем, например для лесов, расположенных выше внутри ячейки. Следовательно, неясность отложений в эйлерианской модели будет уменьшена по сравнению с лагранжевой моделью, но все равно не достигнет тех уровней неясности, которые можно было бы достичь выведенной моделью с местным масштабом. Полный анализ неясности в эйлерианской модели EMEP/MSC-W – задача довольно сложная.

Существует ряд ссылок на источники, сравнивающие лагранжевую модель EMEP/MSC-W с доступными измерениями EMEP (напр., Барретт и др. 1995), и с результатами других моделей (Айверсен 1991) и предыдущей версией Руководства (UBA 1996). При переоценке взаимных сравнений измерений моделей важно помнить, что а) в измерениях также существуют неясности и б) модель может оценивать нечто отличающееся от того, что измеряется, напр., концентрация NO2 на конкретном участке в ячейке 50 х 50 км2 – это только оценка из образца размером «средней» концентрации NO2 в этом квадрате, что является величиной, которую модель EMEP/MSC-W пытается достичь. Оценка общей неясности модели требует некоей информации по воздействиям пространственного распределения точек измерения, которая будет получена в будущем.

Выведенные модели отложений подходят к ним как к одномерному (вертикальному) переходу в однородные поверхности с бесконечной длиной при постоянном слое потока. Это значит, что поток на контрольной высоте 50 м предполагается равным потоку у поверхности.

Контрольная высота должна быть достаточно большой, чтобы концентрация не испытывала существенного влияния сухого отложения, но должна быть ниже высоты приповерхностного слоя. Быстрые химические реакции, а также влияние усиливающегося турбулентного обмена, вызванного локальными изменениями шероховатости (кромки леса, холмы, горы), во внимание не принимаются. Компоненты, отложение которых сильно зависит от аэродинамического сопротивления (напр., HNO3, аэрозоли и капли облаков/тумана), продемонстрируют более высокие коэффициенты отложения, чем смоделированные.

Влияние изменений на коэффициенты сухих отложений таких компонентов, как NO2, отложение которых главным образом определяется устьичным сопротивлением, будет относительно невысоким.

Основные неясности по сухим отложениям соединений серы и азота в выведенной схеме возникают вследствие 1) неясностей с параметризацией поверхностного сопротивления, информация по ним доступна не для всех видов растительности и типов поверхности, и 2) неясностей в оценках концентрации, которые для всех реактивных газов демонстрируют целый ряд пространственных колебаний, слишком широких, чтобы определить их количественно с помощью измерений. Влажность поверхности, являющаяся одним из главных факторов, определяющих сухое отложение растворимых газов (SO2, NH3), до настоящего времени параметризирована очень приблизительно. Общая неясность, связанная с поверхностным сопротивлением, колеблется между 20% и 100%, в зависимости от компонента и типа поверхности (Ван Пул и др. 1995).

В случае с отложением соединений азота основные источники неясности были описаны Лёвбладом и Эрисманом (1992) – это неясности, связанные с выбросами, концентрациями и Руководство по картированию 2004 • Глава II Картирование уровней концентрации и нагрузок отложений Стр. II - 2 Рекомендации относительно картирования уровней концентрации и нагрузок отложений поверхностными сопротивлениями сухому отложению, а также влажность поверхности и отложение частиц NHx, особенно в северо-западной и центральной Европе.

Используя методы распространения ошибки и предполагая, что упомянутые выше неясности представляют случайные ошибки, общая неясность относительно сухого отложения окисляющих соединений для средней ячейки 10х20 км2 оценивается в 50-100%.

Систематические ошибки по сухим отложениям могут возникать, если не учитывать общие особенности местности, способные повлиять на параметризацию скорости отложения, а также в результате других упрощений (см. гл. 2.3.2). Так как эти расчеты зависят от масштаба и основываются на относительно грубом пространственном разрешении, на самом деле неясность может быть гораздо больше. Например, для NH3 были обнаружены гораздо более крупные неясности даже на небольших территориях (Драгосиц и др. 2002).

Кроме того, возникают дополнительные неясности при оценке сухого отложения базовых катионов (i) при параметризации скорости отложения, (ii) при создании карт концентрации осадков и (iii) в коэффициентах очищения, используемых для выведения концентраций приземных частиц воздушного происхождения из концентраций в осадках.