Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование процессов атмосферного загрязнения территорий Сибири на основе гидродинамических моделей и данных наблюдений

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Исследование процессов атмосферного загрязнения территорий Сибири на основе гидродинамических моделей и данных наблюдений"

На правах рукописи

ЛЕЖЕНИН АНАТОЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ СИБИРИ НА ОСНОВЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

18 АПР 2013

Новосибирск - 2013

005052091

005052091

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук (ИВМиМГ СО РАН)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Шлычков Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты: Алоян Арташес Еремович

доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительной математики Российской академии наук, ведущий научный сотрудник

Огородников Василий Александрович

доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук, главный научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук

Защита состоится 24 апреля 2013 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 003.061.01 на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан 22 марта 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 003.061.01 Рогазинский Сергей

доктор физико-математических наук ^ Валентинович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Загрязнение окружающей среды является одной из важнейших проблем современности, поскольку вызывает ухудшение здоровья людей, деградацию флоры и фауны, угнетение растительности. Известно, что большинство опасных загрязняющих веществ поступают в природную среду через атмосферу. Существенное влияние на распространение загрязнителей оказывают орографические особенности местности, метеорологические условия, в первую очередь ветер и температурная стратификация. Данных наблюдений для оценки метеорологических ситуаций и экологического состояния территорий нередко бывает недостаточно. Поэтому применение методов математического моделирования является одним из эффективных средств изучения и прогноза атмосферных циркуляций и расчета переноса загрязняющих примесей в атмосфере. Особенности метеорологических и климатических условий Сибири подтверждают актуальность исследований для решения экологических задач.

Цель работы заключается в исследовании динамики воздушных потоков, изучении циркуляционных особенностей и процессов атмосферного загрязнения в крупных городах и промышленных центрах Сибири для решения экологических задач на основе численного моделирования.

Задачи исследования:

- построение моделей динамики атмосферного пограничного слоя (АПС) различной сложности для расчета атмосферных течений;

- создание баз данных по рельефу, ландшафтным характеристикам исследуемых территорий, метеорологическим параметрам, источникам валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу города;

- адаптация моделей АПС к физико-географическим условиям изучаемых территорий;

- верификация моделей по данным наблюдений;

- анализ и интерпретация результатов расчетов.

Научная новизна:

Впервые построена статистико-гидродинамическая модель локального прогноза формальдегидного загрязнения атмосферы для условий г. Томска.

С помощью численного моделирования получена пространственная картина выпадения соединений серы от Норильского горно-металлургического комбината.

Предложен метод восстановления вертикального профиля температуры в конвективном АПС по данным наблюдений.

Научная и практическая значимость:

Построенная модель прогноза формальдегидного загрязнения для г. Томска позволяет заблаговременно оценить возможность формирования опасных концентраций по территории города.

Исследования атмосферной циркуляции над г. Красноярском позволяют определить области, подверженные интенсивному антропогенному загрязнению.

Изученные особенности переноса загрязняющих примесей в условиях Норильской долины позволили идентифицировать зоны с максимальным выпадением соединений серы.

Разработанные модели распространения дымового аэрозоля в конвективных условиях могут применяться для решения экологических задач при природных и техногенных пожарах.

Исследования выполнены согласно плановых тем лаборатории математического моделирования процессов в атмосфере и гидросфере ИВМиМГ СО РАН, грантов РФФИ №05-05-97709-р_енисей_а (руководитель проекта), №№ 03-05-65279-а, 09-05-98023-р_сибирь_а (исполнитель проектов). Результаты, представленные в диссертации, использованы составной частью при выполнении тем НИР и ОКР Росгидромета № 1.4.3.12 (2008-2010 г.), № 1.7.47 (2011 г.). На базе разработок автора реализована модель прогноза формальдегида, которая используется в прогностическом режиме в Томском центре по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Модель прогноза формальдегидного загрязнения, адаптированная к условиям г. Томска.

2. Результаты исследований атмосферной циркуляции и особенностей переноса загрязняющих примесей в условиях г. Красноярска и Норильской долины.

3. Метод расчета миграции дымового аэрозоля при лесных пожарах.

Достоверность изложенных в работе результатов обеспечивается применением современных гидродинамических моделей динамики атмосферного пограничного слоя, сравнением полученных результатов модельных исследований со спутниковыми данными и с результатами натурных наблюдений.

Личный вклад автопа в выполненной работе и в совместных статьях состоял в разработке методики исследований, постановке задач, выборе методов их решения, в анализе и интерпретации полученных результатов.

Апробация. Основные результаты докладывались на конференциях различных уровней: IX, X, XIII, XIV, XVI, XVIII, XIX Рабочая группа «Аэрозоли Сибири», (г. Томск, 2002, 2003, 2006, 2007, 2009, 2011, 2012 гг.), И Советско-Болгарский семинар «Численный анализ и прогноз метеоэлементов», (г. Новосибирск, 15-19 июля 1985 г.), 5-я Международная конференций «Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (г.Томск-Красноярск, 30 июня-5 июля 2003 г.), Международная конференция «Математические методы в геофизике» (г. Новосибирск, 8-12 октября 2003 г.), Международная конференция «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (г. Красноярск, 2003 г.), Международная конференция "ENVIROMIS-2004"(r. Томск, 2004 г.), Международная конференции по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде: "CITES-2005" (г. Новосибирск, Россия, 20-23 марта 2005 года), 6-я Международная конференция "Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия" (г. Иркутск, 5-11 сентября 2005 г.), VIII Всероссийская конференция «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (г. Кемерово, 2005 г.), Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Социально-экологические проблемы природопользования в Центральной Сибири» (г. Красноярск, 28-30 ноября 2006 г.), Международная конференция «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии» (г. Томск, 25-28 июня 2007 г.), IV-VII Международные научные конгрессы «Гео-Сибирь-2008-2011» (г. Новосибирск, 2008-2011 г.), IV научно-практическая конференция «Обратные задачи и информационные технологии рационального природопользования» (г. Ханты-Мансийск, 22-23 апреля 2008 г.), II Международная конференция «Геоинформатика: технологии, научные проекты» (г. Барнаул, 20-25 сентября 2010 г.), Всероссийская конференция с участием зарубежных ученых «Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф» (г. Томск 18-20 октября 2010 г.), XI Всероссийская конференция с участием иностранных ученых «Проблемы мониторинга окружающей среды (ЕМ-2011)» (г. Кемерово, 24-28 октября 2011 г.), «ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ-2012» VIII Международная выставка и научный конгресс (г. Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.), Всероссийская

конференция «Актуальные проблемы вычислительной математики и математического моделирования» (г. Новосибирск, 12-15 июня 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, из них 11 статей представлены в отечественных и зарубежных журналах из списка ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, трех приложений, списка использованной литературы. Объем диссертационной работы - 134 страницы текста, в том числе 7 таблиц, 48 рисунков. Список использованной литературы включает 123 наименования на русском и иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и решаемые задачи, кратко излагаются содержание работы по главам.

Первая глава посвящена исследованию распространения формальдегида в условиях города Томска. Целями данной главы является реконструкция полей концентрации формальдегида в г. Томске на основе численной модели с использованием данных наблюдений при различных метеорологических ситуациях и построение модели прогноза загрязнения формальдегидом атмосферы г. Томска на основе статистических и гидродинамических методов. Это потребовало решения следующих задач:

- создание базы данных по источникам валовых выбросов в городе с учетом химических превращений углеводородных и органических соединений в формальдегид;

- построение модели локального прогноза формальдегидного загрязнения

атмосферы в г. Томске;

- идентификация параметров численной модели переноса примеси для обеспечения адекватности расчетных и фактически наблюдаемых концентраций;

- детализация ветрового режима над городом с учетом орографической неоднородности территории;

- построение среднегодовых полей экстремальных концентраций путем осреднения по румбам розы ветров.

В разделе 1.1 представлена модель переноса формальдегида. Модель адаптирована к природно-географическим условиям г. Томска. Для расчета распределения формальдегида по территории использовалось уравнение переноса и диффузии. Пространственное разрешение модели определяется

б

шагами Дх = Д>=200 м. Расчетная область 23x36 км включает г. Томск с окрестностями. Инвентаризация источников эмиссии показала, что в городе имеется 65 предприятий с прямым выбросом формальдегида разной интенсивности, около 100 с эмиссией углеводородов, ряд магистральных дорог и перекрестков (учтены 40 участков дорог). Эта информация использовалась при формировании функции интенсивности источников эмиссии. В целом консолидированный объем валовых выбросов формальдегида в атмосферу города составляет 106 т/год.

Была проведена оптимизация параметров уравнения переноса и диффузии примеси для обеспечения адекватности расчетных и наблюдаемых характеристик.

При проведении оптимизации формировался функционал ошибок

■ф = Рс^а-сГь1. Ф-+ГШП, (1)

где сГ - фактическая концентрация на постах, осредненная по всем реализациям на данном направлении, с?с - расчетные значения с, спроецированные из сеточных узлов в точки местоположения постов (для сопоставления использовался уровень измерений г = г2, соответствующий 2-метровой высоте над поверхностью). Искомым считалось решение с(х,у,г), на котором функционал (1) достигает минимального значения из всех возможных.

140 120 100

60

м3

б посты

0.2 0.4 0.6 0.8 |и|,Н ! 2 3 4

а) б)

Рис.1, а) изменение функционала ошибок Ф при вариациях скорости; б) расчетные концентрации на постах в последовательности оптимизирующих экспериментов при юго-западном ветре.

Для получения оптимальных сочетаний параметров при минимизации ошибок проводилось до нескольких десятков пробных расчетов для каждого из восьми направлений ветра. Набор данных сохранялся для последующего использования при решении полной задачи.

В разделе 1.2 описана малокомпонентная модель циркуляции атмосферного воздуха, записанная для устойчиво стратифицированного пограничного слоя. Модель основана на уравнениях мелкой воды, в которых учтены силы трения потока о подстилающую поверхность и турбулентный обмен. Расчетные поля скоростей использованы в задаче переноса экологически опасного загрязнителя - формальдегида, выбрасываемого предприятиями города. Рис.2а иллюстрирует расчетное распределение среднегодовых

экстремальных концентраций в терминах нормированных значений с = ■

Для сравнения на рис.2б построен аналог поля с, полученный применением модели ОНД-86 с равными значениями прочих параметров. Унифицированная модель ОНД-86 ориентирована на оценки максимально возможных концентраций на плоскости и дает заметные ошибки (в данном случае -занижение концентрации) при расчетах на сложно-пересеченном рельефе.

Рис.2. а) расчетное поле среднегодовой концентрации формальдегида (в единицах ПДКсс) на уровне г = гг \ б) поле концентрации, полученное по модели ОНД-86.

В разделе 1.3 представлена статистико-гидродинамическая модель прогноза формальдегидного загрязнения, адаптированная к условиям г. Томска. В качестве прогнозируемой величины принят интегральный показатель загрязнения воздуха формальдегидом в городе, рассчитанный с помощью регрессионной схемы. Таким образом, статистический компонент модели дает среднюю по городу прогностическую концентрацию, детализация пространственного распределения проводится на основе гидродинамического метода. В табл. 1 представлены результаты наблюдений и прогноза концентраций формальдегида для теплого периода (май-октябрь) 2011г. в г. Томске. Видно, что в атмосфере города преобладают повышенный и высокий

с

уровни загрязнения формальдегидом. Всего 4 дня из 128 уровни загрязнения

были низкими. Оправдываемость прогнозов за этот период составила 79%.

Таблица. 1 Оправдываемость прогноза средних концентраций формальдегида в г. Томске за период май-октябрь 2011 г._

Месяц Количество прогнозов Уровни загрязнения Количество удачных прогнозов Оправдываемость (проц.)

Низкий Повышенный Высокий

Май 20 1 15 4 13 65

Июнь 21 1 19 1 15 71

Июль 21 0 18 3 15 71

Август 23 0 : 18 5 18 78

Сентябрь 22 0 21 1 21 95

Октябрь 21 2 19 0 19 90

ИТОГО 128 4 110 14 101 79

В разделе 1.4 на основе расчетов по калиброванной численной модели получены оценки концентраций формальдегида, обусловленные автотранспортом. По результатам расчетов вклад автотранспорта оценивается в 50-80 % по отношению к суммарной концентрации формальдегида от всех источников. Алгоритм может быть использован как компонент экспертных систем или систем поддержки принятия управленческих решений, в частности, при разработке профилактических мероприятий, способствующих повышению качества атмосферного воздуха.

Вторая глава диссертационной работы посвящена изучению влияния температурного режима и атмосферной циркуляции на загрязнение приземного воздуха г. Красноярска. В разделе 2.1, используя данные микроволнового зондирования пограничного слоя, полученные с помощью профилемера МТП-5 и измерения передвижной лаборатории, исследуются особенности эволюции городского АПС и условия формирования экстремально высоких уровней загрязнения атмосферы города. В разделе 2.2 на основе данных наблюдений изучаются особенности трансформации ветровых потоков на территории г. Красноярска.

В разделе 2.3 представлена негидростатическая модель мезомасштабного АПС и с ее помощью проведены исследования влияния атмосферной циркуляции на загрязнение приземного слоя воздуха города Красноярска. Модель предназначена для расчета эволюции полей ветра, температуры, влажности и осадков, характеристик турбулентности и переноса примесей над термически, орографически и ландшафтно-неоднородной подстилающей поверхностью. В качестве базовых приняты уравнения гидротермодинамики атмосферы, записанные в приближении глубокой конвекции. Начальные данные

содержат пространственное распределение крупномасштабных (фоновых) полей ветра, температуры и влажности. Для решения задачи используется метод конечных разностей с использованием неявных алгоритмов в рамках схем расщепления. Описание физических процессов в АПС основано на использовании турбулентного замыкания в предположении анизотропии процессов по горизонтали и вертикали. Применяется двухпараметрическая Ь, е -модель полуэмпирической теории турбулентности и соотношения Смагоринского.

Для исследования динамики воздушного потока в условиях Красноярска использовалась сетка 128x128x80 узлов с шагами Д.т = 300 м, Д^»230 м, Аз = 20 м, положение верхней границы соответствует уровню 2=1500 м. Была выбрана расчетная область размерами 30x40 км2, включающую г. Красноярск с окрестностями (рис.За.). Ось * направлена на восток, у - на север. Сплошные линии показывают высоты топографии, пунктирной штриховкой выделена р. Енисей, разделяющая город на две части, массив плотно расположенных точек обозначает контуры городской застройки. Город расположен в долине, образованной высоким горным массивом в южной части области и сравнительно пологими склонами на севере. Перепад высот рельефа равен 550м.

10 20 б)

Рис.3, а) план-схема города Красноярска (заштрихованная территория в центре области). Цифры на сплошных линиях показывают высоты топографии, р. Енисей выделена пунктирными штрихами; 6) векторное поле ветра на высоте г =100 м над поверхностью.

На рис. 36 показано расчетное распределение скорости ветра на 100 метровой высоте в виде векторного поля, отражающего относительную величину и направление горизонтальной скорости (стрелка показывает направление геострофического ветра). Среди особенностей течения отметим заметное усиление ветра вдоль долины реки до 4.4 м/с (скорость невозмущенного потока на данном уровне составляла 2.5 м/с). Проведено

ю

сопоставление расчетной структуры воздушных течений, полученных в задаче обтекания рельефа внешним потоком при устойчивой стратификации АПС и при наличии городского острова тепла с переменной стратификацией. В качестве трассера использовалась пассивная примесь. Сопоставительный анализ подтверждает факт сильной зависимости пространственно-временного перераспределения атмосферных выбросов в городе от температурного режима подстилающей поверхности и стратификации АПС.

Третья глава содержит результаты расчетов локальной атмосферной циркуляции вблизи города Норильска. Город расположен в местности со сложным рельефом, перепад высот превышает 1000 м. Орографические особенности в окрестностях города обусловливают формирование горнодолинных циркуляции с большим разбросом траекторий и быстроменяющимся направлением переноса. Для описания динамики воздушного потока и перераспределения загрязнителей используется численная модель мезомасштабного АПС, представленная во второй главе.

В разделе 3.1 представлена модель переноса и диффузии примеси. Негидростатическая модель АПС адаптирована для природно-географических условий Норильской долины. Расчеты проводились для территории, размером 400x400 км с центром в Норильске на равномерной сетке, содержащей 128x128x90 узлов. В разделе 3.3 получено пространственное распределение скорости ветра, обусловленного орографическим вынуждением, сделан анализ структуры воздушных течений и проведено сопоставление с данными наблюдений.

В разделе 3.4 приведены расчеты полей концентраций Х02 и продуктов выпадения соединений серы над территорией Норильской долины при различных метеорологических ситуациях. На рис. 4а представлены изолинии концентрации SO: в приземном слое воздуха. Максимум концентрации оказался смещенным к юго-востоку примерно на 60 км (выделен овальным контуром), а экстремальные значения превышают величину 1 мг/м3. Для сравнения укажем, что нормативная среднесуточная ПДК составляет 0.05 мг/м3. Отметим, что на высотах конфигурация поля концентрации меняется. Так, при г=900 м (рис. 46) шлейф примеси вытягивается к северу по среднему направлению ветра на этой высоте. Выполненные расчеты показали, что максимум выпадений продуктов соединений серы наблюдается на расстоянии 40-60 км от центра эмиссии. Согласно космической информации именно в этом районе регистрируется массовая гибель лиственницы.

а) б)

Рис.4. а) Поле приземной концентрации 802.

б) Поле концентрации Б02 при 2-900 м.

В четвертой главе рассмотрены результаты численного моделирования локальной атмосферной циркуляции над зоной лесного пожара и представлены результаты численных экспериментов для типичного пожара средних широт. Расчетные характеристики течения используются для решения задачи распространения твердых продуктов горения (частиц дыма), образовавшихся в результате лесного пожара. Изучается влияние внешних метеорологических факторов на параметры дымового шлейфа и приземную концентрацию продуктов горения.

В Заключении излагаются полученные результаты и выводы.

В Приложении 1 представлен метод восстановления вертикального профиля температуры в конвективном пограничном слое атмосферы для гидродинамических моделей. Метод основан на использовании стандартной метеорологической и аэрологической информации. При определении температуры на верхней границе квазистационарного подслоя используются теория подобия Монина — Обухова и набор универсальных функций. Проведена оценка точности восстановления температуры по материалам натурных наблюдений. В Приложении 2 описаны конечно-разностная аппроксимация и метод решения уравнений модели АПС. В Приложении 3 приведена справка о внедрении разработок автора в Томском центре по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем: 1. Построена статистико-гидродинамическая модель прогноза

формальдегидного загрязнения, адаптированная к условиям города Томска. Статистический компонент модели дает среднюю по городу

прогностическую концентрацию, детализация пространственного распределения проводится на основе гидродинамического метода. Испытания модели на независимом материале показали оправдываемость не менее 70%. Возможности модели позволяют получать относительные оценки вклада отдельных предприятий или групп источников (в т.ч. выбросов автотранспорта) в общее загрязнение городской атмосферы.

2. На основе данных микроволнового зондирования пограничного слоя исследованы особенности эволюции городского АПС и условия формирования экстремально высоких уровней загрязнения атмосферы г. Красноярска. По данным натурных наблюдений исследованы поля ветра на территории города. С помощью численного моделирования показано, что внешний воздушный поток деформируется за счет рельефа и городской застройки.

3. Представлены результаты численного моделирования атмосферной циркуляции и переноса загрязняющих примесей для Норильской долины. Получены модельные оценки выпадения соединений серы по территории Норильской долины, которые согласуются с данными космического мониторинга.

4. Проведены численные эксперименты по моделированию атмосферных циркуляции в зоне пожара на основе негидростатической модели. Поля скорости служат гидродинамической основой для расчета миграции продуктов горения. Показана важная роль процессов конвекции при описании дымового шлейфа.

Список публикации по теме диссертации

Публикации в журналах из списка ВАК:

1. Леженин A.A., Мальбахов В.М., Шлычков В.А Численная модель миграции

аэрозоля, образовавшегося в зоне лесных пожаров // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т.16, №5-6. С. 478-481.

2. Мальбахов В.М., Шлычков В.А., Леженин A.A., Дубровская O.A., Численная модель распространения дымового шлейфа при лесных пожарах с параметрическим учетом процессов горения // География и природные ресурсы. 2004. Спец. Выпуск. С. 170-174.

3. Шлычков В.А., Мальбахов В.М., Леженин A.A. Численное моделирование атмосферной циркуляции и переноса загрязняющих примесей в Норильской долине // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18, №5-6. С. 490-496.

4. Мальбахов В.М., Леженин A.A., Дубровская O.A., Климова Е.Г., Шлычков В.А Оценка влияния лесных пожаров на процессы облако- и осадкообразования // Вычислительные технологии. 2006. Т. 11. Спец. выпуск. Ч.З. С. 135-142.

5. Тасейко О.В., Михайлюта C.B., Захаров Ю.В., Леженин A.A., Хлебопрос Р.Г. Геоэкология: Ветровые характеристики в приземном слое атмосферы для прогнозирования антропогенных катастроф на неоднородной урбанизированной территории. // Инженерная экология. 2009. №4. С. 48-54.

6. Mikhailuta S.V., Taseiko O.V., Pitt A., Lezhenin A.A., Zakharov Y.V. Seasonal variations of air pollutant concentrations within Krasnoyarsk City // Environmental Monitoring and Assessment, Vol. 149, Numbers 1-4. 2009. P. 329-341.

7. Taseiko O.V., Mikhailuta S.V., Pitt A., Lezhenin A.A. and Zakharov Y.V. Air pollution dispersion within urban street canyons // Atmospheric Environment. 2009. V. 43. P. 245-252.

8. Шлычков B.A., Селегей T.C., Мальбахов B.M., Леженин A.A. Диагноз экстремальных концентраций формальдегида в г. Томске на основе численного моделирования // Оптика атмосферы и океана. 2010. Т. 23, №6. С. 493^98.

9. Селегей Т.С., Шлычков В.А., Леженин A.A., Мальбахов В.М. Модель локального прогноза формальдегидного загрязнения атмосферы в г. Томск на основе статистических и гидродинамических методов // Метеорология и гидрология. 2012. №4. С. 35^4.

10.Михайлюта C.B., Леженин A.A., Тасейко О.В., Битехтина М.А. Экологическая индустрия: ветровые потоки в городской застройке Красноярска // Инженерная экология. 2012. №3. С. 26-37.

11.Битехтина М.А., Михайлюта C.B., Леженин A.A., Тасейко О.В. Эволюция пограничного слоя и особенности загрязнения атмосферы в условиях города // Вестник КемГУ. 2012. № 4 (52). Т.2. С. 143-148.

Прочие публикации:

12.Леженин A.A., Мальбахов В.М., Селегей Т.С., Шлычков В.А. Численное моделирование переноса атмосферных загрязнителей в условиях г. Томска // ГЕО-СИБИРЬ-2008. Т.З. Сборник материалов IV Междунар. научн. конгресса «Гео-Сибирь-2008», Новосибирск: СГГА. 2008. С. 180-186.

13.Леженин A.A., Мальбахов В.М., Шлычков В.А. Расчет переноса аварийных выбросов в атмосферу в условиях городской застройки // Проблемы совершенствования природной, техногенной и пожарной безопасности населения и территорий муниципальных образований субъектов Российской Федерации Сибирского федерального округа. Материалы научно-практической конференции. Новосибирск. 2008. С. 106-107.

14.Леженин A.A., Мальбахов В.М., Селегей Т.С., Шлычков В.А. Исследование режимов формирования высоких концентраций формальдегида в городах Сибири // Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф: Материалы Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых. Томск: Изд-во Том. ун-та. 2010. С. 78.

15.Битехтина М.А., Михайлюта C.B., Тасейко О.В., Леженин A.A. Эволюция пограничного слоя и особенности загрязнения атмосферы в условиях города // Проблемы мониторинга окружающей среды: Сборник трудов XI

Всероссийской конференции с участием иностранных ученых (24-28 октября 2011 г. ). Кемерово: КемГУ. 2011. С. 149.

16.1Плычков В.А., Селегей Т.С., Мальбахов В.М., Леженин A.A. Диагноз экстремальных концентраций формальдегида в г. Томске на основе численного моделирования // Труды СибНИГМИ. 2011. Вып. 106. С. 33-43.

17.Леженин A.A., Мальбахов В.М., Шлычков В.А. Численное моделирование переноса примеси в атмосфере в условиях сложной орографии // Обратные задачи и информационные технологии рационального природопользования. Материалы IV научно-практической конференции. 2008. Ханты-Мансийск: Изд-во Полиграфист. С 145-147.

18.Леженин A.A. Численное моделирование атмосферного пограничного слоя над неоднородной местностью // ГЕО-СИБИРЬ-2007. Т. 3. Сборник материалов III Междунар. научн. конгресса «Гео-Сибирь-2007», Новосибирск: СГГА, 2007. С. 315-319.

19.Mikhailyuta S.V., Taseiko O.V., Lezheiiin A.A. Seasonal variations of the air pollutant concentrations for Krasnoyarsk non-uniform urban territory // Bull. NCC. Ser. Num. Model, in Atmosphere, Ocean and Environment Studies. Novosibirsk: NCC Publisher. 2007. Issue 11. P. 25-42.

20.Леженин A.A., Михайлюта C.B., Тасейко О.В., Шлычков В.А. Влияние атмосферной циркуляции на загрязнение приземного слоя воздуха города Красноярска //Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф. Труды VIII Всероссийской конференции. Кемерово: Инс-т угля и углехимии СО РАН, 2005. С. 194-203.

21.Михайлюта C.B., Тасейко О.В., Захаров Ю.В., Суховольский В.Г., Леженин A.A. Временная динамика загрязнения атмосферы в условиях города // Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф. Труды VIII Всероссийской конференции. Кемерово: Инс-т угля и углехимии СО РАН, 2005. С. 238-246.

22.Тасейко О.В., Михайлюта C.B., Захаров Ю.В., Суховольский В.Г., Леженин A.A. Перенос загрязнителей от низких источников в условиях города // Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф. Труды VIII Всероссийской конференции. Кемерово: Инс-т угля и углехимии СО РАН, 2005. С. 322-329.

23.Леженин A.A., Шлычков В.А., Мальбахов В.М. Численное моделирование атмосферной циркуляции в зоне лесных пожаров // Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия: Материалы 6-й Международной конференции. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2005. С. 70-71.

24.Леженин A.A., Мальбахов В.М., Шлычков В.А. Результаты численного моделирования процессов распространения дымового шлейфа от лесного пожара // Труды международной конференции «Математические методы в геофизике» 4.2. Новосибирск: Изд-во ИВМиМГ СО РАН, 2003. С. 482-486.

25.Kazakov A.L., Lezhenin A.A., Speransky L.S. Resultates Preliminares del Estudio de la Capa Limite Mesometeorologica de la Atmosfera en la Costa Norte

is

Colombiana aplicando un Modelo Numérico // BOLETIN CIENTIFICO CIOH. 1996.No.17. P. 17—26.

26.Леженин A.A., Костюков B.B., Корчагина З.А. Об объективном анализе полей облачности // Труды ЗапСибНИГМИ. 1991. Вып. 95. С. 22-26.

27.Леженин А.А., Сперанский Л.С О восстановлении вертикального профиля температуры в пограничном слое атмосферы / В кн. Численный анализ и прогноз метеоэлементов. М: Гидрометеоиздат, 1987. С. 43—48.

Подписано в печать 20.03.2013 Формат 60x84 1\16 Усл. печ. л. 1 Объем 16 стр. Тираж 100 экз. Заказ № 44 Отпечатано Омега Принт 630090, г. Новосибирск, пр. Ак.Лаврентьева,6 email: omegap@yandex.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Леженин, Анатолий Александрович, Новосибирск

3.5. Выводы главы 3.................................................................93

Глава 4. Миграция аэрозоля, образовавшегося в зоне лесных пожаров..95

4.1. Введение..........................................................................95

4.2. Постановка задачи..............................................................97

4.3. Результаты численного моделирования процессов

распространения дымового шлейфа от лесного пожара....................100

4.4. Выводы главы 4...............................................................104

Заключение.................................................................................105

Приложение 1. О восстановлении вертикального профиля температуры в

пограничном слое атмосферы.............................................................107

Приложение 2. Конечно-разностная аппроксимация и метод решения.......115

Приложение 3. Справка о внедрении..................................................121

Список литературы......................................................................122

- анализ и интерпретация результатов расчетов.

Научная новизна:

Впервые построена статистико-гидродинамическая модель локального прогноза формальдегидного загрязнения атмосферы в условиях г. Томска.

С помощью численного моделирования получена пространственная картина выпадение соединений серы от Норильского горно-металлургического комбината.

Предложен метод восстановления вертикального профиля температуры в конвективном АПС по данным наблюдений.

Научная и практическая значимость:

Построенная модель прогноза формальдегидного загрязнения для г. Томска позволяет заблаговременно оценить возможность формирования опасных концентраций по территории города.

Исследования атмосферной циркуляции над г. Красноярском позволяют определить области, подверженные интенсивному антропогенному загрязнению.

Изученные особенности переноса загрязняющих примесей в условиях Норильской долины позволили идентифицировать зоны с максимальным выпадением соединений серы.

Разработанные модели распространения дымового аэрозоля в конвективных условиях могут применяться для решения экологических задач при природных и техногенных пожарах.

Исследования выполнены согласно плановых тем лаборатории математического моделирования процессов в атмосфере и гидросфере ИВМиМГ СО РАН, грантов РФФИ №05-05-97709-р_енисей_а (руководитель проекта), №№ 03-05-65279-а, 09-05-98023-р_сибирь_а (исполнитель проектов).

Результаты, представленные в диссертации, использованы составной частью при выполнении тем НИР и ОКР Росгидромета № 1.4.3.12 (2008-2010 г.), № 1.7.47(2011 г.). На базе разработок автора реализована модель прогноза формальдегида, которая используется в прогностическом режиме в Томском центре по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

Положения, выносимые на защиту:

1. Модель прогноза формальдегидного загрязнения для г. Томска.

2. Результаты исследований атмосферной циркуляции и особенностей переноса загрязняющих примесей в условиях г. Красноярска и Норильской долины.

3. Метод расчета миграции дымового аэрозоля при лесных пожарах.

Личный вклад автора в выполненной работе и в совместных статьях состоял в разработке методики исследований, постановке задач, выборе методов их решения, в анализе и интерпретации полученных результатов.

Апробация работы:

Основные результаты докладывались на конференциях различных уровней: IX, X, XIII, XIV, XVI, XVIII, XIX Рабочая группа «Аэрозоли Сибири», (г. Томск, 2002, 2003, 2006, 2007, 2009, 2011, 2012 гг.), II Советско-Болгарский семинар «Численный анализ и прогноз метеоэлементов», (Новосибирск, 15-19 июля 1985 г.), 5-я Международная конференция «Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (г.Томск-Красноярск, 30 июня-5 июля 2003 г.), Международная конференция «Математические методы в геофизике» (ММГ-2003, г. Новосибирск, 8-12 октября 2003 г.), Международная конференция «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (г. Красноярск, 2003 г.), Международная конференция "ЕтаБЮМ18-2004"(г. Томск, 2004 г.), Международная конференции по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде: "С1ТЕ8-2005" (г. Новосибирск, Россия, 20-23 марта 2005

года), 6-я Международная конференция "Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия" (г. Иркутск, 5-11 сентября 2005 г.), VIII Всероссийская конференция «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» ( г. Кемерово, 2005 г.), Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Социально-экологические проблемы природопользования в Центральной Сибири» (г. Красноярск, 28-30 ноября 2006 г.), Международная конференция «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии» ( г. Томск, 25-28 июня 2007 г.), IV-VII Международные научные конгрессы «Гео-Сибирь-2008-2011» ( г. Новосибирск, 2008-2011 г.), IV научно-практическая конференция «Обратные задачи и информационные технологии рационального природопользования» ( г. Ханты-Мансийск, 22-23 апреля 2008 г.), II Международная конференция «Геоинформатика: технологии, научные проекты» ( г. Барнаул, 20-25 сентября 2010 г.), Всероссийская конференция с участием зарубежных ученых «Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф» ( г. Томск 18-20 октября 2010 г.), XI Всероссийская конференция с участием иностранных ученых «Проблемы мониторинга окружающей среды (ЕМ-2011)» ( г. Кемерово, 24-28 октября 2011 г.), VIII Международная выставка и научный конгресс «ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ-2012» ( г. Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.), Всероссийская конференция «Актуальные проблемы вычислительной математики и математического моделирования» (г. Новосибирск, 12-15 июня 2012 г.).

По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, в том числе, 11 статей - в журналах, включенных в Перечень ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.

помощью проведены исследования влияния атмосферной циркуляции на загрязнение приземного слоя воздуха города Красноярска.

В третьей главе приведены результаты расчетов локальной циркуляции воздуха вблизи Норильска выполненные с помощью негидростатической модели АПС. Город расположен в местности со сложным рельефом, перепад высот превышает 1000 м. Орографические особенности в окрестностях города обусловливают формирование горно-долинных циркуляций с большим разбросом траекторий и быстроменяющимся направлением переноса. Для описания динамики воздушного потока и перераспределения загрязнителей используется численная модель мезомасштабного АПС, адаптированная для природно-географических условий г. Норильска. Получены модельные оценки выпадений соединений серы над территорией Норильской долины в различных метеорологических ситуациях.

В четвертой главе рассмотрены результаты численного моделирования локальной атмосферной циркуляции над зоной лесного пожара и представлены результаты численных экспериментов для типичного пожара средних широт. Изучается влияние внешних метеорологических факторов на параметры дымового шлейфа и приземную концентрацию продуктов горения.

В Приложении 1 представлен метод восстановления вертикального профиля температуры в конвективном пограничном слое атмосферы, основанный на использовании стандартной метеорологической и аэрологической информации. В Приложении 2 описаны конечно-разностная аппроксимация и метод решения уравнений модели АПС. В Приложении 3 приведена справка о внедрении разработок автора в Томском центре по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

Автор выражает признательность научному руководителю д.ф.-м.н. В.А. Шлычкову. Считаю приятным долгом поблагодарить д.ф.-м.н. В.М. Мальбахова, к.г.н. Т.С. Селегей, к.т.н. C.B. Михайлюту и к.ф.-м.н. О.В. Тасейко

за совместную плодотворную работу. Считаю своим долгом поблагодарить профессора, д.ф.-м.н. В.И. Кузина, д.ф.-м.н. В.Ф. Рапуту и д.ф.-м.н. E.H. Голубеву за полезные обсуждения и поддержку на всех этапах работы.

Глава 1

Исследование распространения формальдегида в условиях г. Томска

Проблема загрязнения атмосферы формальдегидом остро стоит во всех крупных городах России, причем в Сибири формальдегидная нагрузка в 2 раза выше, чем в целом по стране, а среднегодовые концентрации составляют 5 и более ПДК [Селегей, 2005]. Формальдегид является токсичным веществом 2-го класса опасности, обладает канцерогенным действием и негативно влияет на центральную нервную систему человека. Время жизни формальдегида в атмосфере определяется процессами его взаимодействия с реакционно способными частицами и интенсивностью фотолиза. Последний зависит от географической широты местности и от высоты солнца над горизонтом. Так, в средних широтах в январе в полдень время жизни формальдегида равно 8.6 ч, в июле в полдень - 3.8 ч [Состояние загрязнения атмосферы в городах на территории России в 2001-2006 гг.].

Основными источниками поступления формальдегида в атмосферу являются предприятия нефтехимии, деревообработки, производства пластмасс, котельные, автотранспорт. Вторичными источниками служат различные углеводородные соединения (метан, этилен, и др.), которые в результате фотохимических реакций преобразуются в формальдегид [Скубневская, Дульцева, 1994].

В г. Томске имеется шесть стационарных постов наблюдений, на которых проводится контроль за содержанием формальдегида (положение постов можно видеть на рис. 1.1,а). Для анализа закономерностей формирования концентраций обработаны ряды наблюдений по постам за период 2003-2007 гг. Полученная информация разбита на 3 группы: а) благополучное экологическое состояние городского воздуха; б) повышенная концентрация формальдегида, когда на отдельных постах регистрировалось превышение среднесуточных значений

11

- построение среднегодовых полей экстремальных концентраций путем осреднения по румбам розы ветров.

1.1. Модель переноса формальдегида

В горизонтальной плоскости введем декартову прямоугольную систему координат (х,у,г), в которой ось х направлена на восток, ось у - на север, а ось г - вертикально верх. Определим область решения как

О < х < /_х, 0 < у < Ъ <2 <Ь,

где ¿.х =23 км, 1-у =36 км - размеры области, включающей г. Томск с окрестностями (рис.1,а), функция 5(х,у) описывает рельеф местности (рис. 1,6), Л - верхняя граница расчетной области.

Для расчета распределения формальдегида по территории использовалось уравнение переноса и диффузии вида

дс 8с дс д дс д „ дС д ,, дс . /11ч

— + и — + v— = —К — + — К — + — К — + J, (1.1)

Эх ду дх хдх ду Уду дг * дг У '

где с - искомая концентрация, и,у - компоненты горизонтальной скорости

ветра, Кх, Ку, Кг - коэффициенты турбулентной диффузии, Л - интенсивность

источников эмиссии.

Краевые условия на боковых границах задавались в виде дс

— = 0 при ип > 0, с = 0 при ип < 0, (1-2)

дп

где п - направление внешней нормали, ип - нормальная скорость на границе. По вертикали принято

д с д с

— = 0 при г = 8, К7 — =-а„с при г = /?, (1.3)

дг г 1 дг 9

где ад - декремент затухания профиля концентрации на высотах, полученный

из формул гауссова факела [Атмосферная турбулентность..., 1985]. В качестве начальных условий принято с = 0.

Движущие силы в системе обусловлены касательными напряжениями тх/ту, которые необходимо задать как независимые внешние параметры.

Процедура оптимизации, описанная выше, проводится теперь в терминах величин тх,ту, которые регулируют амплитуды скоростей по области и, в

частности, на постах наблюдения. Восстановление полей ветра проводилось интегрированием уравнений (1.7) на установление. На реальном рельефе расчетные скорости заметно отклоняются от постоянных значений и параметры тх, Ту приходилось пересчитывать, т.е. подбирать опытным путем так, чтобы

скорость ветра была близка к оптимальной. По сравнению с упрощенным вариантом прямого задания скоростей сложность оптимизации здесь значительно возрастает за счет организации дополнительного временного цикла, обеспечивающего решение задачи (1.7)-(1.8).

Трение о подстилающую поверхность определялось в ходе расчета параметров приземного слоя. Необходимые для модели морфометрические данные по исследуемой территории выбирались с 3-секундным разрешением (92.5 м) из сетевых ресурсов и интерполировались на расчетную сетку.

Расчет средней годовой концентрации формальдегида проводился в следующем порядке. Для каждого из направлений ветра решалась система динамических уравнений с некоторыми значениями параметров тх,ту и

рассчитывалось среднее по толщине устойчивого слоя распределение скорости ветра на территории. Трехмерная структура скоростей и коэффициентов вертикального обмена Кг восстанавливалась с помощью универсальных функций модели приземного слоя. Полученные поля использовались как гидродинамическая основа при интегрировании уравнения переноса и диффузии примеси. Значения концентрации формальдегида подставлялись в соотношение (1.4) для вычисления текущей ошибки. Последняя сравнивалась с ранее полученными значениями Ф, что позволяло определить вектор градиента

в пространстве оптимизируемых параметров и повторить процедуру с обновленными величинами хх,ту/Кх.

Каждое из 8 направлений ветра характеризовалось собственным набором данных наблюдений с'™', оптимальная совокупность параметров также индивидуализирована по румбам. Результирующее поле концентрации представляет характерное распределение формальдегидной нагрузки по городу в экстремальных эколого-метеорологических ситуациях, реализация которых возможна с вероятностью, отвечающей доле данного румбового направления в розе слабых ветров. Например, для северного ветра эта вероятность равна 0.054. Важно отметить, что построенные поля согласованы с данными наблюдений, т.е. в точках местоположения постов расчетные значения концентрации совпадают или близки к фактическим.

Если провести весовую суперпозицию 8 частных полей по всему кругу направлений, то получим некоторое среднеожидаемое годовое поле концентрации, единое для всех направлений ветра. Рис. 1.3,а иллюстрирует расчетное распределение среднегодовых экстремальных концентраций в

— с

терминах нормированных значений с =-. Видно, что область влияния

ПДКсс

основных источников эмиссии покрывает практически всю территорию города, где средняя концентрация изменяется в пределах 5-18 ПДК. Экстремально высокое содержание формальдегида наблюдается в центральной и южной частях города а также в непосредственной близости от нефтехимического комбината. Шлейф максимальных концентраций вытянут в северном направлении в соответствии с господствующими юго-западными ветрами. Для сравнения на рис. 1.3,6 построен аналог поля с, полученный применением модели ОНД-86 с равными значениями прочих параметров. Из рисунка можно видеть, что зона влияния источников заметно уменьшилась, понизился и максимум концентраций до значения 8-12 ПДК. Конфигурация шлейфа

вертикальных профилях метеополей отсутствуют. Это приводит к необходимости исключить из состава предикторов приземную стратификацию, что увеличивает неопределенность исходных данных и ухудшает предсказуемость прогностической модели. Другим фактором, ухудшающим качество прогноза, является неизвестный уровень фонового содержания формальдегида, который формируется в процессе дальнего переноса за счет выделения болотного метана, при лесных пожарах, трансформации промышленных загрязняющих примесей.

К положительным качествам статистического моделирования следует отнести мягкость по отношению к полноте входной информации, которая означает, что с уменьшением полезности исходных данных ухудшение результатов прогноза происходит, как правило, постепенно и монотонно. Детерминированные гидродинамические модели в принципе не могут функционировать без полнокомплектной системы данных, предусмотренной схемой конфигурации. Преимущества гидродинамического подхода заключаются в фундаментальной физической содержательности исходных положений и в возможности высокой пространственной детализации численных полей.

Гибридная схема прогноза использует упомянутые преимущества обеих моделей и состоит из двух расчетных этапов. Вначале, исходя из регрессионных зависимостей, определяется среднее по городу прогностическое значение концентрации формальдегида сргодп по оптимальному набору

предикторов, отвечающих периоду прогноза. Статистическая модель обеспечивает достаточно высокое качество предсказания средних с оправдываемостью около 70% [Селегей, Шлычков, Леженин, Мальбахов, 2012]. Величина сргодп служит далее нормирующим фактором при интерпретации

пространственно распределенного поля концентрации, полученного с помощью

калиброванной гидродинамической модели с постоянно действующим набором

источников. Ниже будет представлена статистико-гидродинамическая модель

24

сложной орографией местности, которая обусловливала своеобразие процессов переноса концентрации. �