Almost monthly sensing of the troposphere from 500 to 7000 m above Karakansky bor
(Novosibirsk Province) are conducted since 1997 up to now by using of the aircraft-laboratory
"Optik" based on Antonov-30 or Tupolev-134. Aerosol sampling on to Petryanov filters AFA-CP-
20 for subsequent laboratory quantitative analysis of the content of inorganic ions and the next
elements in the aerosol composition: Al, Ba, Ca, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sn, Ti, V, Be, Cd, Si,
Co, Cr, Sr, Zn, Zr was performed for each flight. For the region of the study of tropospheric aerosol,
the chemical composition of the aerosol was classified for the main air masses during the period of
airborne sounding from September 1997 to June 2017 - continental arctic, continental moderate, and
combined into one “southern” group of the continental tropical and subtropical air masses. Explicit
"southern" origin, along with silicon, have chromium, manganese, silver and bicarbonate-anion. To
the same group, the ions of chlorine and sodium are attracted, which probably were transported
together with salt particles originating from Central Asian deserts.
E3S Web of Conferences 99, 03012 (2019) https://doi.org/10.1051/e3sconf/20199903012
CADUC 2019
Data of multiyear monitoring at the TOR station are used to calculate the average concentrations
of gas and aerosol constituents in different air masses in the region of Tomsk. It is shown that CO2 and CH4
are characterized by a decrease in concentrations in going from an Arctic to a tropical air mass. Ozone shows
the opposite pattern: the largest concentrations are recorded in the tropical air mass and the smallest concen-
trations in the Arctic air mass. Such gases as CO and SO2 show distributions more complex in character.
Keywords: atmosphere, aerosol, air mass, gas, concentration, content, composition
Synoptic processes that occurred in the Tomsk region between 1993 and 2016 are analyzed. A sig-
nificant decrease in the difference between the frequency of cyclones and anticyclones over the past decade
is revealed. There are tendencies to a decrease in the frequency of Arctic air mass invasion, and to an increase,
of subtropical and tropical air masses.
Keywords: synoptic process, cyclone, anticyclone, air mass
We describe the current state and technical characteristics of Tropospheric Ozone Research (TOR)
station, created 25 years ago to monitor atmospheric composition, basic meteorological variables, and other
parameters. The multiyear observations showed that the air quality on the territory of Akademgorodok in
Tomsk has been substantially degraded since the creation and development of the Special Economic Zone on
its territory.
Keywords: monitoring, atmosphere composition, air quality
П.Н. Антохин, О.Ю. Антохина, М.Ю. Аршинов, Б.Д. Белан,
Д.К. Давыдов, А.В. Козлов, А.В. Фофонов,
M. Sasakawa, T. Machida
Предложен механизм влияния атмосферного блокирования на газовый и аэрозольный состав приземного
слоя атмосферы в зимний период. Согласно этому механизму рост концентрации метана (СН4) и углекисло-
го газа (СО2) наблюдается в циклонической части блокинга, сформированной адвекцией полярных воздуш-
ных масс и чаще локализованной в южных районах Западной Сибири. Увеличение концентрации происхо-
дит за счет уменьшения высоты пограничного слоя атмосферы и формирования инверсии. Для подтвержде-
ния предложенного механизма исследована изменчивость CH4 и CO2 в фоновых районах Западной Сибири
(сеть JR-STATION, Japan–Russia Siberian Tall Tower Inland Observation Network) в периоды атмосферного
блокирования. Всего было проанализировано 12 периодов блокирования. Оказалось, что в период блокиро-
вания концентрация CH4 и CO2 возрастает в большей части событий для станций, расположенных на юге
Западной Сибири. Средняя разница концентрации CH4 между периодами блокингов и периодами, предше-
ствующими им, составила 133 млрд−1 (диапазон изменчивости от 50 до 370 млрд−1), для CО2 – 9,5 млн−1
(диапазон изменчивости от 4 до 17 млн−1). Средний рост концентрации в период блокирования составил для
CH4 48 млрд−1/день (максимальное значение 182 млрд−1/день, минимальное – 12 млрд−1/день), для СО2 –
3 млн−1/день (максимальное значение 9 млн−1/день, минимальное – 1 млн−1/день). Средний прирост для CH4
составил 268 млрд−1, для СО2 – 17 млн−1.
Ключевые слова: атмосферное блокирование, метан, углекислый газ, концентрация, JR-STATION, зим-
ний период, высота пограничного слоя, приземное давление; atmospheric blocking, methane, carbon dioxide,
concentration, winter period, JR-STATION, height of the boundary layer, surface pressure.
П.Н. Антохин, О.Ю. Антохина, М.Ю. Аршинов, Б.Д. Белан,
Д.К. Давыдов, А.В. Козлов, А.В. Фофонов,
M. Sasakawa, T. Machida
Рис. 2. Распределение коэффициентов корреляции высоты пограничного слоя, приземного давления и повторяемости
мгновенных блокингов над Западной Сибирью в 2004–2017 гг.
Рис. 3. Распределение PV-θ и линий тока поля скорости ветра на 500 гПа для периода блокирования декабрь 2010 г. –
январь 2011 г. (30 декабря 2010 г. – дата, предшествующая блокированию)
Рис. 4. Графики изменчивости для станции Азово: а – CH4, CО2 (JR-STATION); б – CH4, CО2 (CAMS v16r1); в –
GHGS; г – приземное давление и высота пограничного слоя. GHGS рассчитан для наиболее показательных долгот,
отдельно для ноября – декабря и января – февраля, расчетные долготы для этих периодов разделены знаком « | »
Рис. 5. Графики изменчивости для станции Игрим: а – CH4, CО2 (JR-STATION); б – CH4, CО2 (CAMS v16r1); в –
GHGS; г – приземное давление и высота пограничного слоя. GHGS рассчитан для наиболее показательных долгот,
отдельно для ноября – декабря и января – февраля, расчетные долготы для этих периодов разделены знаком « | »
Ключевые слова: атмосферное блокирование, метан, углекислый газ, концентрация, JR-STATION, зим-
ний период, высота пограничного слоя, приземное давление; atmospheric blocking, methane, carbon dioxide,
concentration, winter period, JR-STATION, height of the boundary layer, surface pressure.
По данным измерений TOR-станции Института оптики атмосферы СО РАН с 1994 по 2017 г. выпол-
нено исследование зависимости изменения концентрации озона в приземном слое воздуха от величины абсо-
лютной влажности. Выявлена нейтральная зависимость при положительных температурах и неожиданно
большая и знакопеременная изменчивость при отрицательных. Абсолютная влажность оказывает отрица-
тельное влияние на образование озона в приземном слое воздуха, приводя к уменьшению его концентрации,
при температурах 0…−30 °С. При очень низких температурах (ниже −30 °C) эффект изменяется на положи-
тельный с увеличением абсолютной влажности концентрация озона растет.
Measurements at the Tropospheric Ozone Research (TOR) station in the Institute of Atmospheric
Optics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, in 1994–2017 are used to study the dependence of
variations in ozone concentration in the near-surface air layer on the absolute humidity. We found a neutral
dependence at positive temperatures and surprisingly strong and sign-alternating variability at negative tem-
peratures. The absolute air humidity negatively affects the ozone formation in the near-surface air layer, lead-
ing to decreased ozone concentration at temperatures of 0 to −30°C. At very low (below −30°C) temperatures
the effect becomes positive, i.e., the ozone concentration increases with the growing absolute humidity.
Проведен численный анализ данных самолетного зондирования шлейфа выносов примесей в летней
атмосфере Норильского промышленного района. Построена двухпараметрическая модель численного вос-
становления концентраций примеси в поперечных к шлейфу направлениях, на ее основе выполнены оценки
нижних границ эмиссии диоксида серы, соответствующих различным моментам времени выброса. Установ-
лена значительная вариабельность оценок эмиссии вследствие нестационарности поступлений диоксида серы
в атмосферу. Получена оценка средней эмиссии SO2 в атмосферу, которая составила 1,86 млн т/год, что
близко к данным государственной статистики в рассматриваемый период.
Приводятся данные измерений удельных потоков метана (CH4), полученные автоматическим камер-
ным методом в характерных растительных ассоциациях на участке «Плотниково» Бакчарского болота
(Большое Васюганское болото) в июне 2018 г. Отбор образцов воздушных проб осуществлялся в болотных
фитоценозах грядово-мочажинного микрорельефа. Рассматриваемый период отличался аномальными погод-
ными условиями по сравнению с теми же периодами предыдущих лет: в регионе наблюдались нехарактер-
ные для многолетних наблюдений экстремальные осадки и высокая температура воздуха. Выявлена суточ-
ная динамика эмиссии СН4. Корреляционный анализ позволил описать зависимости потоков СН4 от гидро-
метеорологических параметров приземного слоя атмосферы и верхнего слоя почвы болота. Высокий
уровень болотных вод оказал угнетающее влияние на метаногенез в рассматриваемый период.
Changes in ozone concentration during precipitation are studied using data of ozone monitoring
in the surface air layer in Tomsk and at Karadag. It is found that these changes can be either positive or neg-
ative. The largest jumps in ozone content are observed during frontal precipitations. During air mass precip-
itation, the sign and magnitude of the changes are determined by the diurnal behavior of ozone concentra-
tion. Analysis showed that the increase in the ozone concentration during precipitation and ozone increase
in the diurnal behavior are time-coincident in 59% of cases in Tomsk and in 63% of cases at the Karadag. The
decreasing wave of ozone concentration in the diurnal behavior coincides in time with ozone decrease during
precipitation even more often, in 85% of cases in Tomsk and in 79% of cases at Karadag. Based on data of
aircraft sensing, it is shown that ozone descent from the boundary air layer occurs in a number cases when the
temperature stratification during precipitation changes to neutral.
Дано описание трех разработанных и изготовленных в Институте оптики атмосферы автоматических осадкосборников, предназначенных для сбора атмосферных осадков в жидкой и твердой фазе, в разных климатических условиях, а также для сбора сухих осаждений с целью исследования химического состава.
В работе по данным мониторинга озона в приземном слое воздуха в г. Томске и на Карадаге исследу-
ется изменение его концентрации при выпадении осадков. Выявлено, что эти изменения могут быть как по-
ложительными, так и отрицательными. Наибольшие скачки содержания озона наблюдаются при выпадении
фронтальных осадков. В случае внутримассовых осадков знак и величину изменения определяет суточный
ход концентрации озона. Анализ показал совпадение роста концентрации озона в осадках с его увеличением
в суточном ходе в 59% случаев в Томске и в 63% – на Карадаге. Совпадение волны падения концентрации
в суточном ходе с ее уменьшением в осадках еще выше – 85% в Томске и 79% на Карадаге. На основе дан-
ных самолетного зондирования показано, что в ряде случаев наблюдается оседание озона из пограничного
слоя при переходе температурной стратификации в осадках к нейтральной.
В работе, посвященной 50-летию Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, в определен-
ной хронологии представлен обзор экспериментальных исследований, определивших важные этапы разви-
тия комплексного изучения жизни аэрозоля в атмосфере. Кратко обсуждаются основные результаты серий
экспедиционных исследований оптических и микрофизических свойств аэрозоля морских прибрежных
дымок, аридной зоны и различных географических районов Мирового океана. Описан современный набор
методов и аппаратуры, применяемых нами для измерения аэрозольных характеристик в режиме мониторинга
на сети станций ИОА СО РАН. Представлены результаты многолетних исследований тропосферного аэро-
золя с применением самолета-лаборатории.
По данным многолетних измерений концентрации парниковых газов в приземном слое воздуха и сво-
бодной атмосфере определены тренды изменения их концентрации на территории Сибири. Установлено,
что скорости роста концентраций СО2 и СН4 превышают среднеглобальные, а для NO2 скорости ниже сред-
неглобальных.
Dmitry Belikov, Mikhail Arshinov, Boris Belan, Denis Davydov, Aleksandr Fofonov,
Motoki Sasakawa, Toshinobu Machida
We analyzed 12 years (2005–2016) of continuous measurements of atmospheric CO2 and
CH4 concentrations made at nine tower observation sites in the Japan–Russia Siberian Tall Tower
Inland Observation Network (JR-STATION), located in Siberia. Since the data are very noisy and
have a low temporal resolution due to gaps in instrument operation, we used the recently developed
Prophet model, which was designed to handle the common features of time series (multiple strong
seasonalities, trend changes, outliers) and has a robust performance in the presence of missing data
and trend shifts. By decomposing each sampled time-series into its major components (i.e., annual
trend and seasonal, weekly, and hourly variation), we observed periodically changing patterns of tracer
concentrations. Specifically, we detected multi-year variability of tracers and identified high-concentration
events. The frequency of such events was found to vary throughout the year, reaching up to 20% of
days for some months, while the number of such events was found to be different for CO2 and CH4.
An analysis of weather conditions showed that, in most cases, high-concentration events were caused
by a temperature inversion and low wind speed. Additionally, wind directions were found to be
different for high- and low-concentration events. For some sites, the wind direction indicated the location
of strong local sources of CO2 and CH4. As well as elucidating the seasonality of greenhouse gas
concentrations, this study confirmed the potential of the Prophet model for detecting periodicity in
environmental phenomena.
The effect of the latent heat flux on the urban heat island formation is estimated for Tomsk as an example. It is shown that
the latent heat flux is close to zero in winter and takes negative values in summer, reducing the urban heat island intensity.
Keywords: Urban heat island, evaporation, latent heat flux, temperature, humidity
Here, we present the results of a mobile campaign undertaken in late October to early November of 2018 to survey
heterogeneity of the spatial distribution of CO2 and CH4 concentrations across West Siberia using the Picarro G4301
mobile gas concentration analyzer. The measurements were carried out along the following routes Tomsk–Karasevoe–
Tomsk and Tomsk–Omsk–Tobolsk–Noyabrsk–Tobolsk–Chelyabinsk–Omsk–Tomsk. The highest baseline level of
carbon dioxide mixing ratio of 431.0±2.2 ppm was observed at the western route segments between Chelyabinsk and
Kurgan, and the lowest ones at segments Tomsk – Karasevoye, Demyanskoe – Noyabrsk, and Tobolsk – Yalutorovsk,
where average concentrations of CO2 were 410.1±1.1 ppm, 410.7±1.6 ppm, and 411.5±1.5 ppm, respectively. Enhanced
methane background (> 2000 ppb) was recorded in the oil and gas production areas, as well as in the vicinity of such large industrial centers as Kurgan and Chelyabinsk.
Keywords: carbon dioxide, methane, spatial distribution, heterogeneity, West Siberia
The article provides a joint analysis of the aerosol chemical composition data on the content of inorganic components
(chemical elements and ions) and hydrocarbons (n-alkanes) as part of an aerosol over Karakansky bor (a large forest with
prevailing coniferous trees on the right bank of the southern part of the Novosibirsk reservoir) in aircraft sounding from
2011 to 2016. Correlation analysis showed the greatest connection with n-alkanes of three metals - copper, cobalt and
aluminum, especially copper and cobalt, with 5-6 hydrocarbon homologues right away Sodium, potassium, calcium and
barium correlate with 1-2 n-alkanes. Soil aluminum and silicon, and a number of other trace elements find a connection
with 1-3 n-alkanes. The homologs that are often correlated with one metal are consistently in the same row, which may
indicate a significant catalytic activity of this metal in the atmosphere.
The experience of research on the analysis of industrial and atmospheric aerosols by atomic emission spectroscopy is
summarized. Various methods of Petryanov filters preparation for spectral analysis have been investigated. It has been
shown that for all brands of these aerosol analytical filters, the best at the moment is a combined method of sample
preparation. To optimize the conditions of atomic emission analysis, an appropriate carrier was selected. On the basis of
the research conducted, a technique for the atomic emission determination of metals in atmospheric air samples, the
working area and emissions has been developed.
Keywords: atmosphere, chemical composition, elements, heavy metals (HMs), technique, accuracy, trueness, precision.
The paper presents the results of the estimations of vertical methane fluxes obtained by using the gradient
method. The gradient measurements of methane concentration and meteorological parameters have been ob-
tained from the Observatory Fonovaya of V.E. Zuev Atmospheric optics institute SB RAS from July 2016 to
December 2018
The paper studies the changes in the gas composition of the atmosphere in the surface layer for the Tomsk region
(Akademgorodok) during the periods of sharp change of air masses. Studies were conducted for the summer seasons
(June-August 1993-2018) for the periods of change of air masses from warm to cold. Ozone, carbon dioxide, carbon
monoxide and sulfur dioxide (O3, CO2, CO, SO2) concentrations were used for the analysis of the change in chemical
composition. The concentrations have been derived from TOR station. For the analysis of air mass change, ECMWF
Era-Interim data on the potential temperature on the dynamic tropopause (PV-θ) was used. The paper studies the
processes air mass change in which the difference of PV-θ anomaly was about 20-30 K. It was found that the
concentration of CO2 is mainly increasing, and concentrations of O3 and aerosol are decreasing during the polar
intrusion. For CO and SO2, no dependence on a sharp change in the air mass properties was found.
Keywords: atmospheric composition, gas, aerosol, air masses, polar intrusion, PV-θ.
Открыть (0.5 Mb)