Лаборатория городской экологии и климата

Научные результаты:

1. Создана Лаборатория городской экологии и климата. Развита её методология для анализа аэрозольной нагрузки мегаполиса с высоким уровнем загрязнения воздуха на основе единого подхода количественного определения характеристик экологически-опасных компонентов аэрозолей, разработки инструментальной базы измерений в реальном времени массовых концентраций в стандартах качества воздуха, анализа их суточной, сезонной и годовой варьируемости в эмиссиях транспорта, промышленности, системы отопления и жилого сектора.
2. Созданы основы функционирования атмосферного подразделения Лаборатории городской экологии и климата на базе инструментального Аэрозольного комплекса МГУ, состоящего из системы непрерывных измерений числа частиц и распределения по размерам от 5 нм до 10 мкм, массовой концентрации черного и органического углерода, отбора аэрозолей импактором РМ10 и на фильтры автоматизированными сборниками для последующего анализа элементов, ионов, полиароматических углеводородов методами аналитической химии.
3. Оценена величина городского аэрозольного загрязнения в Москве у поверхности Земли и в столбе атмосферы по данным модели COSMO-ART и измерениям. Выявлено уменьшение концентрации аэрозоля в период локдауна COVID-19, связанное как с ограничительными мерами, так и метеорологическими особенностями; оценены также непрямые эффекты аэрозоля на облачность для этого периода.
4. Разработана лагранжева модель переноса частиц в турбулентном потоке над урбанизированной поверхностью. Создана вихреразрешающая модель пограничного слоя атмосферы над городской поверхностью, учитывающая мезомасштабную атмосферную циркуляцию. С использованием мезомасштабной модели COSMO и уточненных параметров подстилающей поверхности получены данные субкилометрового разрешения о метеорологическом режиме Московского региона для периодов волн жары.
5. Изучен гидрологический режим и динамика твердого стока в модельном бассейне реки Сетунь. Собрана база данных расходов воды в бассейне модельной урбанизированной реки Сетунь с частотой 15-30 минут, анализ которой позволил оценить время добегания. При выпадении интенсивных осадков отмечен резкий подъем уровня воды в течение 6-12 часов и достижение пиковых значений, превышающих максимальные уровни половодья. При этом наблюдался интенсивный смыв с водосбора с увеличением мутности воды в несколько раз. Максимальные значения мутности воды обнаруживают некоторое запаздывание относительно уровней воды, повышенная мутность при этом может наблюдаться в замыкающем створе реки в несколько раз дольше. Гранулометрический анализ отобранных проб взвешенных наносов в водотоках бассейна реки Сетунь показал, что средний размер частиц взвеси урбанизированных водотоков примерно в 2 раза меньше по сравнению со средними значениями в реках мира, что обусловлено более высоким вкладом мелких частиц диаметром менее 10 мкм.
6. Проведено ландшафтно-геохимическое обследование территории бассейна реки Сетунь, которое позволило получить характеристику пространственной неоднородности основных физико-химических свойств почвенного покрова и поверхностных техногенных отложений, снежного покрова (атмосферных выпадений холодного периода) и дорожной пыли. В этих депонирующих средах определено содержание приоритетных поллютантов – тяжелых металлов и металлоидов и полициклических ароматических углеводородов в функциональных зонах изучаемой территории.
7. Составлена детальная почвенная карта для бассейна реки Сетунь, которая характеризует распространение природных и антропогенно преобразованных почв, их основные свойства и приуроченность к различным комбинациям ландшафтных и техногенных факторов. Карта обеспечивает оценку пространственной неоднородности поверхностных отложений, участвующих в формировании водного и твердого стока реки Сетунь.
8. Полученные результаты гидролого-гидрохимических и почвенно-геохимических исследований в бассейне реки Сетунь создают информационную основу для реализации модели формирования стока воды, баланса наносов и загрязняющих веществ малой городской реки для оценки их изменения под воздействием как природных, так и антропогенных факторов. За основу взята физически обоснованная почвенно-гидрологическая модель SWAT с распределенными параметрами, включающая модули для описания транспорта различных загрязняющих веществ. Для учета особенностей рельефа и структуры земельного покрова речного бассейна, перехвата поверхностного стока растительностью, почвами и грунтовыми водами на территории водосбора выделены подбассейны, которые разделены на однородные элементарные операционные единицы. Модель реализуется с помощью ГИС-технологий, объединяющих различную пространственно-временную информацию в геоинформационном проекте. Влияние климатических изменений и урбанизации территории бассейна реки Сетунь на баланс наносов и загрязняющих веществ будет оценено на основе ретроспективного моделирования за относительно длительный период времени (35-40 лет). Для определения параметров модели и ее верификации в сентябре 2022 года проведены натурные исследования. Заложены почвенные разрезы в основных почвенных разностях, распространенных на территории водосбора, в которых определены морфологические свойства и гидрофизические параметры почвенных горизонтов, определяющие преобладающее направление водного стока и миграции загрязняющих веществ.
9. Для реализации почвенно-гидрологической модели малого урбанизированного водосбора формируются базы пространственно-распределенных данных, представленных как в векторном, так и растровом форматах. Объединяемая в рамках ГИС-проекта пространственная информация включает детальные данные о речной сети и водоемах в векторном формате, которые получены в результате оцифровки по базовым картам (Open Street Maps) и снимкам высокого разрешения, доступным в современных ГИС-пакетах (ArcGIS, QGIS). Данные о землепользовании в бассейне реки Сетунь получены по результатам дешифрирования архивных (1984-2021 гг.) многозональных снимков Landsat 5 и Landsat 8. В набор разновременных растровых изображений включены снимки, прошедшие дополнительную радиометрическую коррекцию и пересчитанные в значения спектральной яркости на верхней границе атмосферы. Созданы композитные изображения, объединяющие каналы, участвующие в классификации. Вычислены спектральные индексы для уточнения принадлежности объектов дешифрирования к тому или иному классу землепользования.
10. Для территории всей Москвы получена сравнительная оценка химического состава гранулометрических фракций дорожной пыли на востоке города с интенсивным воздействием промышленности и в западной части – с сильным воздействием автотранспорта. Методом PCA-MLR определены основные источники потенциально токсичных элементов в гранулометрических фракциях пыли, получена количественная оценка вкладов источников. Получены данные о высокочастотной изменчивости комплекса показателей качества воды в замывающем створе Москвы-реки, позволяющие оценить влияние всей Московской городской агломерации на химический состав воды в реке. Для Москвы-реки, чей водный и химический сток формируется наполовину из сточных вод мегаполиса, характерны повышенные значения минерализации воды по сравнению с реками региона, чей сток формируется преимущественно под воздействием природных факторов. При этом в летне-осенний период общее содержание растворенных веществ примерно в полтора-два раза ниже по сравнению с осенне-зимним, что по всей видимости вызвано разбавляющим воздействием воды из Канала имени Москвы, воды которого используются для обводнения Москвы-реки с целью обеспечения судоходства. В период отсутствия навигации в среднем и нижнем течении реки стабильный объем отводящихся сточных вод приводит к росту минерализации и более чем двукратному увеличению мутности воды. В осенне-зимний период активизируется перенос водотоком взвешенного материала, который при более высоких уровнях переходит в состав донных отложений в приплотинных участках москворецких гидроузлов.
11. Разработаны усовершенствованные версии программных кодов для высокоразрешающего гидродинамического моделирования циркуляции воздуха и примесей в городской застройке. Эти коды могут быть применены для решения задач диагноза и прогноза качества воздуха на урбанизированных территориях.

Внедрение результатов исследования:

Происходит внедрение программного обеспечения, разработанного в лаборатории для мониторинга составляющих радиационного баланса и УФ радиации, в Метеорологической Обсерватории МГУ.

Образование и переподготовка кадров:

• Подготовлены и защищены 2 кандидатские диссертации.

• Разработан раздел дисциплины «Геоинформационный анализ городских экосистем и ландшафтов», посвященный цифровому картографированию городских почв (читается магистрантам МП «Экология городов» с.н.с. О.В. Черницовой).
• Информация по результатам измерений включена в курсы лекций по физической метеорологии, гидрометеорологическим банкам данных, климату и атмосфере крупных городов, в межфакультетский курс «Солнечная радиация и биосфера». Результаты докладывались на профильных международных конференциях «IRS 2022» (Греция), «ECUVM 2022» (Австрия).
• Разработана лабораторная работа для студентов и стажеров географического факультета на тему «Микромасштабное моделирование скорости ветра в городской застройке».
• В 2022 г. сотрудниками лаборатории разработана программа дополнительного образования (повышения квалификации молодых ученых) «Экологическая оценка водных систем». Цель программы - формирование у слушателей представления о методах оценки водоемов в экологических исследованиях, разнообразии и взаимосвязях между спецификой водоемов и их сообществ. В данном курсе гидрологические особенности водоёмов рассмотрены с позиции их значимости для экосистемных функций. Особое внимание уделяется оценке загрязнения воды и моделирования распространения поллютантов водными потоками, методикам определения балансов загрязняющих веществ в пределах речных систем урбанизированных территорий.

Сотрудничество:

• Национальный центр научных исследований «Демокритос» (Греция), Болонский университет (Италия): совместные публикации в ведущих международных журналах «Atmospheric pollution research», «Nature Geoscience», «Atmospheric Chemistry and Physics», «Atmospheric Enviroment».
• Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук, Институт вычислительной математики им. Г.И. Марчука Российской академии наук, Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук (Россия): совместные разработки математических моделей пограничного слоя, мониторинг структуры атмосферной турбулентности в городской застройке, совместные научные мероприятия (конференции серии CITES, ENVIROMIS в 2021 и 2022 гг.).
• Finnish Meteorological Institute (Финляндия): сотрудничество по оценке эмиссий загрязняющих веществ (2021 г.).
• Университетский колледж Лондона (Англия): стажировка магистранта (2022 г.).