Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Численное моделирование мезометеорологических особенностей и загрязнения атмосферы крупных городов (на примере г. Калинина)

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Щербаков, Андрей Юрьевич

•ВВЕДЕНИЕ. %

I . МЕТОД МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ВЛИЯНИЯ КРУПНЫХ ГОРОДОВ НА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ. б

1. Методы, используемые при изучении состояния планетарного пограничного слоя атмосферы над крупными городами . б

2. Постановка задачи и возможности применения метода физико-математического моделирования мезометеорологических особенностей и загрязнение атмосферы крупных городов. Ю

П. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НИЖНЕГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ И ПЕРЕНОСА ПРИМЕСЕЙ В ВОЗДУШНОМ БАССЕЙНЕ ГОРОДА. ^

1. Одномерная нестационарная модель.^^

2. Двумерная нестационарная модель.

Ш. ОСОБЕННОСТИ МЕ30МЕТЕ0Р0Л0ГИЧЕСК0Г0 РЕЖИМА И ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ .^

1. Суточный ход метеорологических элементов в крупных населённых пунктах.

2. Влияние распределения параметров подстилающей поверхности на структуру метеорологических полей.

3. Пространственно-временная изменчивость полей метеорологических элементов в городах разного типа. ВЗ

4. Оценка влияния начальных условий на мезометео-рологические особенности в городах с симметрич- . ным распределением параметров подстилающей поверхности

5. Особенности загрязнения воз .пушного бассейна в городах разного типа в зависимости от метеорологических условий,мощности и расположения источников загрязнения

1У. МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕ30МЕТЕ0Р0Л0ШЕСКИХ УСЛОВИЙ И ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ г. Калинина

1. Краткое физико-географическое описание территории г.Калинина и его окрестностей

2. Мезоклиматические особенности г.Калинина

3. Характеристика подстилающей поверхности г.Калинина.

4. Результаты моделирования мез©метеорологического режима г.Калинина.

5. Источники выбросов примесей и фоновое загрязнение атмосферы в г.Калинине

6. Результаты моделирования загрязнения воздуха в г. Калинине.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Щербаков, Андрей Юрьевич

Выводы, полученные с помощью физико-математического моделирования^ основном соответствуют данным натурных измерений»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из различных методов, используемых при изучении метеорологического режима и загрязнения атмосферы городов, самым эффективным является метод физико-математического моделирования.

С помощью моделирования по разработанной модели установлено следующее.

Из различных физических факторов, проявляющихся в крупных городах, максимальное воздействие на суточный ход метеорологических элементов в городе оказывают антропогенные потоки тепла и "шероховатость" поверхности.

Температура воздуха и коэффициент турбулентности в. городах, по сравнению о окружающей местностью, повышены ( в среднем на 0,6 - 1,5 °С и 3 « 7 м^/с соответственно ) и наиболее, чувствительны к антропогенным изменениям параметров подстилающей поверхности; в слое до 50 ~ 100 м прослеживается зависимость, структуры этих метеоэлементов от распределения параметров подстилающей поверхности»

Скорость ветра в, городах уменьшается ( особенно сильно ночью ) и не зависит от распределения антропогенных факторов; уменьшение скорости ветра в среднем составляет 0,3 0,9 м/с.

В поле влажности города проявляют себя как "острова сухости".

В центральных и западных районах г. Калинина формируется остров тепла, который на высотах 300 «• 500 м значительно смещен по направлению ветра. Превышение температуры воздуха у земной поверхности в городе Калинине по сравнению с окрестностями составляет в среднем 0,5 « 2,0 °С»

Поле загрязнения в г, Калинине имеет очаговую структуру; горизонтальные размеры ареалов, загрязнения обусловлены скоростью ветра.

Наиболее благоприятные с точки зрения чистоты воздуха в г* Калинине являются ситуации со значительной ( более 5м/с) скоростью ветра, южного и западного направлений.

Библиография Диссертация по географии, кандидата географических наук, Щербаков, Андрей Юрьевич, Москва

1. Закон Союза Советских Социалистических Республик об охране атмосферного воздуха: Принят на третьей сессии Верховного Совета СССР десятого созыва 25 июня 1980 г. М., „Известия", 1980, 23 с.

2. Абакумова Г.М., Евневич Т.В., Никольская Н.П, Влияние города на прозрачность атмосферы. М., Из д.МГУ, 1983 , 93 с.

3. Алисов Б.П. Климат СССР. М., „Высшая школа", 1969, 104 с.

4. Алоян А.Е., Йорданов Д.Л., Пененко В.В. Численная модель переноса примесей в пограничном слое атмосферы. Метеорология и гидрология, 1981, $ 8, с.32-43.

5. Альтшулер И.И., Ермаков Ю.Г. Количественная оценка загрязнения атмосферы соединениями серы. Вест.М1У,сер.5,„Геогр.",1978, № 5, с.38-43.

6. Ахмеджанов Х.А., Дегтярев В.И. Об оценке факторов, формирующих микроклимат Алма-Аты. Метеорология и гидрология,1979, £ I, с.66-71.

7. Ахмедов Б.Н., Закарин Э.А., Султангазин У.М. 0 постановке задачи переноса метеоэлементов в воздушном бассейне Алма-Аты в двумерном приближении. В кн.: Дифференциальные уравнения и их приложения, 1981, с.154-164.

8. Ахметов М.С. Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы в районах размещения предприятий угольной промышленности. В кн.: Методы изучения, расчетов и прогнозов водных и климатических ресурсов. Пермь, 1978, с.III-126.

9. Ахметов М.С. Методология исследования и особенности атмосферного загрязнения в промышленных городах. В кн.: Анализ и прогноз метеорологических элементов и речного стока. Вопросы охраны среды. Пермь, 1979, с.68-77.

10. Бахарева Г.M., Гербурт-Гейбович A.A. Первые результаты мезометеорологических наблюдений в Москве и ближайших пригородах. Труды ЦВГМО, 1973, вып.12, с.59-67.

11. Беер В. Техническая метеорология, J1., Гидрометиздат, 1966, 291 с.

12. Безуглая Э.Ю. Метеорологический потенциал и климатические осовенности загрязнения воздуха городов.,Л., Гидрометиздат, i960, 184 с.

13. Белинская Л.В., Вельтищева Н.С. Численные экспериментыmпо расчету вертикального распределения метеорологических элементов в пограничном слое атмосферы. Труды ГМЦ СССР, 1977, вып. 185, с.86-95.

14. Белов П.Н. Численные методы прогноза погоды. Л., Гидрометиздат, 1975, 392 с.

15. Белов П.Н,, Щербаков АЛО. Метод математического моделирования при изучении влияния крупных городов на метеорологический режим и загрязнение атмосферы. Вестн. МГУ, сер.5, "Геогр.", 1982, №3, с.58-64.

16. Белов П.Н., Щербаков А.Я. Особенности температурных условий большого города, полученные на основе метода численного моделирования. Вест.МГУ, сер.5,"Геогр.", 1983, №4, с. 52-53.

17. Белов П.Н., Щербаков А.Ю. Численное моделирование суточного хода метеорологических элементов в большом городе. Метеорология и гидрология, 1983, №7, с,45-53.

18. Белов П.Н., Щербаков А.й. Моделирование влияния городских условий и мощности источников загрязнения на пространственно-временную изменчивость концентраций примеси. Вест. МГУ,сер.5, "Геогр.", 1984, №2, с.65-69.

19. Берлянд М.Е. О распространении атмосферных примесейв условиях города. Метеорология и гидрология, 1970, № 3, с.45-57.

20. Берлянд М.Е. и др. Численное исследование атмосферной диффузии при нормальных и аномальных условиях стратификации. Труды ГШ, 1964, вып.158, с.22-33.

21. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л., Гидрометеоиздат, 1975, 448 С.

22. Берлянд М.Е., Зашихин М.Н. К теории антропогенного воздействия на локальные метеорологические процессы в городе. Метеорология и гидрология, 1982, В 2, с.5-16.

23. Вызова Н.Л. Рассеяние примесей в пограничном слое атмосферы. М., Гидрометеоиздат, 1974, 192 с.

24. Вызова Н.Л., Кротова И.А., Натанзон Г.А. О граничном условии в задачах рассеяния примеси в атмосфере. Метеорология и гидрология, 1980,, № 2, с.14-20.

25. Вызова Н.Л., Нестеров A.B. Приземная концентрация и шж>к

26. ЗШ, оседающей примеси. Метеорология и гидрология, 1983, № I, с.30-36.

27. Вельтшцев Н.Ф., Желнин A.A., Кисельникова В.З.,Пекенес Е.М., Прессман Д.Я. Мезомасштабный численный прогноз погоды. Метеорология и гидрология, 1982, 4, стр.5-15.

28. Вельтищева Н.С. Моделирование загрязнения городской атмосферы от серии непрерывных приподнятых источников. Метеорология и гидрология, 1975, № 9, стр. 52-58.

29. Вельтищева Н.С., Белинская Л.В. К вопросу о расчете суточного хода метеорологических элементов в пограничном слое атмосферы. Труды 1Щ GCCP, 1978, вып.199, с.50-57.

30. Вельтищева Н.С. Трёхмерная негидростатическая модель для описания циркуляции над городским островом тепла. Труды 1МЦ СССР, 1979, вып.219, с.66-82.

31. Воробьев В.А., Комар А.Г. Строительные материалы. М.,Из-во лит-ры по строительству, 1972, 219 с.

32. Гаврилов В.П. 0 рассеянии примеси в пограничном слое атмосферы. Метеорология ж гидрология, 1979, £ 2, с.29-39.

33. Гисина Ф.А., Пономарева С.М. Расчет распространенияв атмосфере выбросов высотных промышленных источников при приподнятых инверсиях, Метеорология и гидрология, 1979, $ 9, с.49-55.

34. Гербург-Гейбович A.A. и др. Суточный ход температуры воздуха в Москве и пригородах при различных условиях погоды. Труды ШЦ, 1981, вып.233, с.79-95.

35. Дьяконов В.Г. Разностные схемы с расщепляющимся оператором для общих параболических уравнений второго порядкас переменными коэффициентами. Журнал вычислительной математики и математической физики, 1964, т.4, №2, с.278-291.

36. Дьяконов Е.Г. Экономичные разностные методы, основные на расщеплении разностного оператора, для некоторых систему равдений в частных производственных. В сб.вычислительные методы и программирование, НУ, 1967, т.6,с.144-152.

37. Елекоева Л.И., Чувашина И.Е. Анализ поля концентраций сернистого газа методом разложения по естественным ортогональным составляющим. Труды ГГО, 1979, т.436, с.72-78.

38. Ермаков Ю.Г. Физико-географические аспекты загрязнения , атмосферы. Вест.МЕУ, сер.5, „Геогр.", 1973,Л 6,с.76-80.

39. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. Л., Гидроштеоиздат, 1979, 375 с.

40. Казаков A.A., Лазриев Г.Л. 0 параметризации приземного слоя атмосферы и деятельного слоя почвы. Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1978, № 3, с.257-264.

41. Калиткин H.H. Численные методы. М., „Наука", 1978,512 с.41* Кастров В.Г. Об отражении радиации городом. Метеорология и гидрология. 1940, М, с.3-10,

42. Климат большого города (на примере особенностей климата г, Москвы).М., Изд.МГУ, 1965, 196 с.

43. Климат Владимира. Л., Гидрометиздат, 1980, 136 с.

44. Климат Ленинграда. Л., Гидрометиздат, 1982, 252 с.

45. Климат Ярославля. Л., Гидрометиздат, 1979, 140 с,

46. Кондратьев К. Я. Радиационные характеристики атмосферы и земной поверхности. Л., Гидрометиздат, 1969, 563 с.

47. Кратцер П.А. Климат города. М., Изд. "Иностранная литература", 1958, 238 с.

48. Ландсберг Г.Е. Климат города. Л., Гидрометиздат, 1983, 248 с.

49. Марчук Г.И., Пененко В.В., Алоян А.Е., Лазриев Г.Л. Численное моделирование микроклимата города. Метеорология и гидрология, 1979, Ш, с.5-15.

50. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М., "Наука", 1982, 316 с.

51. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л., Гидрометиздат, 1976, 639 с.

52. Матвеев Л.Т. Особенности метеорологического режима большого города. Метеорология и гидрология, 1979, №5, с.22-25.53. метеорология и атомная энергия. Л., Гидрометиздат, 1971, 648 с.

53. Мищенко Т.В. Влияние атмосферы города на составляющие радиационного баланса. Сборник работ Иркутской гидрометеорология. обсерватории им, А.В.Вознесенского, 1966, выги!, с.13-20.

54. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. 4.1. М., Наука, 1965, 639 с.

55. Обиркова В.В., Широкова H.G., Щербаков А.10. Некоторые особенности поля температуры воздуха в городе Калинине. В об.: Формирование и прогноз природных процессов. Калинин, 1980, с.85-92.

56. Оке Т.Р. Климаты пограничного слоя. Л., Гидрометиздат, 1982, 360 с.

57. Паршин В.Н. Влияние большого города на температуру воздуха. Метеорология и гидрология, 1980, №5, с.37-41.

58. Погосян Х.П., Бачурина Л.А. Метеорологический режим города и градостроительства. Л., Гидрометиздат, 1977, 67 с.

59. Пененко З.В., Алоян А.Е. Численный метод расчета полей метеорологических элементов пограничного слоя атмосферы. Метеорология и гидрология, 1976, №6, с.11-25.

60. Петренко В.К. Об исследовании вертикального распределения концентраций примесей по наблюдениям на Останкинской телевизионной башне. В кн.: Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы, т.2, М., Гидрометеоиздат, 1981, с.56-61.

61. Пономаренко И.Н. и др. Синоптико-статистический краткосрочный прогноз загрязнения воздуха отдельными примесями. Труды Укр.Н.-и.гидрометеорол.ин-та,, 1979, т.176, с. 75-82.

62. Природа и хозяйство Калининской области. Калинин, 1960, 655 с.

63. Пушистов П.Ю., Малбахов В.М., Конененко С.М. Распространение тяжелой примеси в пограничном слое атмосферы при нестационарной проникающей конвекции. Метеорология и гидрология, 1982, Кб, с.45-53.

64. Расторгуева Г.П. Особенности термического режима городов. Труды ГГО, 1969, вып.238, с.145-152.

65. Расторгуева Г,П. Некоторые результаты экспериментальных исследований термического режима города Запорожья. Труды

66. ГГО, 1974, вып.332, 0.24-29.

67. Садоков В.П., Штейнбок Д.Б., Мелконян P.A. Применение сопряженных уравнений к задаче моделирования глобального переноса атмосферной примеси. Труды ГМЦ СССР, 1978, вып.204, с.65-70.

68. Садоков В.П., Мелконян Г.А. Оценка осредненного загрязнения атмосферы в условиях рельефа Армении. Труды ГМЦ СССР, 1930, вып.222, с.9-18.

69. Самарский A.A. Теория разностных схем, М., 1977, 656 с.

70. Серова Н.В. Распределение теплофизических характеристик почв по Европейской территории СССР. Труды ГГО, 1969, вып. 241, с.97-107.

71. Смит К. Основы прикладной метеорологии. JI., Гидрометеоиз-дат, 1973, 424 с.

72. Справочник по климату СССР. Вын,8.,Л., Гидрометеоиздат, 1966.

73. Фондовые материалы кафедры физической географии Калининского госуниверситета.

74. Хромов С.П., Мамонтова Л.И. Метеорологический словарь. Л., Гидрометиздат, 1974, 563 с.

75. Широкова Н.С., Щербаков А.10. Некоторые прогностические характеристики загрязнения воздуха города Калинина. В сб.: Проблемы рационального использования и прогнозирования природных ресурсов. Калинин, 1981, с.103-115.

76. Щербаков А.Ю. Некоторые особенности климатических условий Г.Калинина. В сб.: Изучение динамических процессов в геосистемах. М., Московский филиал ГО СССР, Калининский отдел, 1930, с.46-53.

77. Щербаков А.¡8., Москвин П.В. о{Гарактере подстилающей поверхности в городе Калинине в сб.: Проблемы рационального использования и прогнозирования природных ресурсов. Кали1. НИН, 1981, с.II8-I29.

78. Щербаков А.Ю. Модель нижнего слоя атмосферы и переноса примесей в воздушном бассейне города, в об.: Изменение природных комплексов Нечерноземной зоны под воздействием хозяйственной деятельности человека. Калинин, 1982,с.134-154.

79. Щербаков А.Ю. Влияние городов разных типов на метеорологический режим и загрязнение атмосферы. В сб.: Изучение последствий воздействия человека на природные комплексы. Калинин, 1983, с.35-51.

80. Ackerman Т. P. A Model of the Effects of Aerosols on Urban Climates with Particular Applications to the Los Angeles Basin. J. Atm.Sci., 1977, vol.$4, Щ, pp.531-54-7.

81. Atwater M.A. Urbanization and Pollutant Effects on the Thermal Structure in Pour Climatic Regions. J. App.Met., 1977, vol. 16, N 9, pp. 888-895«

82. Bennett M., Saab A.E. Modelling of the Urban Heat Island and its Interaction With Pollutant Dispersal. Atm.Env., 1982, vol.16, N 8, pp.1797-1822.

83. Clarke I.F. Noctural Urban Boundary Layer Over Cincinati, Ohio. Mon. Wea. Rev., 1969, vol.97, N 8, pp.582-589.

84. Clarke I.F., Peterson I.T. An Empirical Model Using Eigenvectors to Calculate the Temporal and Spatial Variations of the St. Louis-Heat Island. J.APp. Met., 1973, vol. 12, N I, pp. 195-210.

85. Delage Y. Numerical Studies of Heat Island Circulation. Bound. Layer Met., 1970, vol. I, N 2, pp. 201-226.

86. Estoque M.A. A Numerical Model of the Atmospherec Boundary Layer. J. Geoph. Res., 1963,' vol.68, N 4, pp.II03-IIl3.

87. Estoque M.A., Bhumralkar C.M. A Numerical Method for Solving the Planetary Boundary Layer Equations. Bound. Layer Met., 1970, vol.1, N 2, pp. 169-194.

88. Garstang M., Tyson P.D., Emmit G.D. The Structure of Heat Island. Rev. Geoph. Space Phys., 1975» vol.13, N I, pp. 139-165.

89. Ivanyi Z., Mersich I. Simulation of the Urban Air Pollution Based on a Numerical UBL Model. Atm. Env., 1982, vol.16, N 8, pp. 1835-1849.

90. Lee R.L., Olfe D.B. numerical Calculations of temperature Profiles over an Urban Heat Islands. Bound.-Layer Met., 1974, vol. 7, pp. 39-52.

91. Lettan H. Note on Aerodynamic Roughness Parameter Estimation on the Basis of Roughness Element Description. - J. App. Met., 1969, vol. 8, N 5, pp.828-832.

92. Lin C.T., Goodin W.R. A Two-Dimensional Model for the Transport of Pollutants in an Urban Basin. AIGHE Symp. Ser., 1977, vol. 73(165), PP. 25-35.

93. Mc Elroy I.L. A Numerical Study of Nocturnal Heat Island Over a Medium Sized Mid-Latitude City (Columbus, Ohio). Bound.-Layer Met., vol3, pp. 442-453.

94. Morgan D., Myrup L., Rogers D., Baskett R. Microclimates within an Urban Area. Ann. Ass. Amer. Geog., 1977, vol. 67, N I, pp. 55-65

95. Myrup L.O. A Numerical Model of the Urban Heat Island.-J. App. Met., 1969, vol. 8, N 6, pp. 908-918.

96. Nicholas F.W., Lewis I.E. Relationships Between Aerodynamic Roughness and Land Use and Land Cover in Baltimore, Maryland. Geolog. Sur. Profess. Paper, 1980, 1099 C, pp. 1-36.

97. Nkemdrun L.C. Dynamics of an Urban Temperature Field A Case Study. J. App. Met., 1975, vol. 15, N 8, pp.818-828.107.0*Brien I.I. A Note on the Vertical Structure of the Eddy1.„ '

98. Exchange Coefficient in the planetary Layer. J. Atm. Sci.,1970, vol. 27, N 8, pp. I2II-I2I3.

99. Оке Т.Н., East M.E. The Urban Boundary Layer in Montreal. Bound»— bayer Met., 1971» vol.1, N 4, pp. 411-437.

100. Оке Т.Е. Review of Urban Climatology I968-I973. WMO Tech. Note N I34, 1974, 132 p.

101. НО. Оке T.R. Review of Urban Climatology I973-I976. WMO Tech. Note N 169, 1979, ЮОр.

102. Pielke R.A. Mesoscale Numerical Modelling. Adv. Geophys., 1981, vol. 23, pp. 185-344.

103. Ragland K.W., Dennis R.L., Wilkining K.E. Boundary Layer Model for Transport of Urban Air Pollutants. AICHE Symp. Ser., 1977, vol. 73(165), pp.1-9.

104. Sakurai Ken-ichi. Relation Between the Air Pollution and the Meteorological Condition at Asahikawa (on the Heat Island Effect). J. Рас. Sci. Hokkaido Univer., 1979, ser. YII (Geoph.), vol.6, N I, pp.115-125»

105. Sawai T. Formation of Urban Air Mass and the Associated Local Circulation. J. Met.Soc.Jap., 1978, ser, II, vol.56,1. N 3, PP. 159-174.

106. Sekiguti Т., Takano K. Mathematical Simulation of Heat Island Model. Jap. Prog. Climatol. 1975, pp.80-81.

107. Sorbjan Z., Uliasz M. Some Numerical Urban Boundary-Layer Studies. Bound. Layer Met., 1982, vol.22, N 4, pp.481-502.

108. Taesler R. Urban Meteorological Studies in Uppsala. Abs. Uppsala Dissertation Faculti Sci., 1981, 21 p.

109. Torrance K.E., Shum S.W. Time varing Energy Consumption as a Factor in Urban Climate. Atm. Env., 1976, vol.10, N 4, PP. 329-337.

110. Vukovich F.M., Dunn I.W., Crissman I.E. A Theoretical Study of the St. Louis Heat Island: The Wind and Temperature Distribution. J. App. Met., 1976, vol. 15, pp.417-440.

111. Vukovich P.M., King W.I. A Theoretical Study of the St. Louis Heat Island: Comparisons Between Observed Data and Simulation Results on the Urban Heat Island Circulation. J. App. Met., 1980, vol.19, N 7, pp.76I-778.

112. Wu I.S. A Study of Heat Transfer Coefficients in the Lowest 400 m of the Atmosphere.■J. Geophys. Res., 1965» vol. 70, N8, pp.I80i-I807.

113. Yu T.W., Wagner U.K. Numerical Study of $he Nocturnal Urban Boundary Layer. Bound. Layer Met., 1975, vol.9, N 2, pp. 143-162.

114. Zdunkowski W.G., Trask D.C. Application of a Radiation-Conductive Model to the Simulation of Nocturnal Temperature Changes Over Different Soil Types. J. App. Met., I97I, vol. 10, pp. 937-948.

115. Zdunkowski W.G., McQuage N.D. Short-term Effects of Aerosols on the Air Layer Near the Ground. Tellus, 1972, vol. 24, N 3, pp.237-255.

116. Zdunkowski W.G., Welch R.M., Peagle I. One-dimentional Numerical Simulation on the Effects of Air Pollution on the Planetary Boundary Layer. J. Atm. Sei., 1976, vol.33, pp. 2399-2414.