Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Географические закономерности формирования уровня загрязнения атмосферы на территории СССР

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Географические закономерности формирования уровня загрязнения атмосферы на территории СССР"

• МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ - И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.Ломоносова

Географический факультет

На правах рукописи

ГРОМОВ СЕРГЕЙ АРКАДЬЕВИЧ

УДК 551.550.41+551.51+542.;

ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА ТЕРРИТОРИИ СССР

11.00.09 - Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва - 1990

/ / /' ^ " /

Работа выполнена на кафедре метеорологии и климатологии Географического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и в Лаборатории мониторинга природной среды и климата Госкомгидромета СССР и АН СССР.

Научный руководитель - .доктор физико-математических наук,

профессор П. Н. Белов Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник А. Э. Алоян

кандидат географических наук, •доцент Калининского государственного университета А. Ю. Щербаков

Ведущая организация - Институт физики Литовской Академии Наук

'¿йг и&МШт г. В

Защита состоится "(Л ^" к У/Ъь990 г. в / / часов

на заседании специализированного гидрометеорологического совета Д. 053.05.30 при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСГЬЗ, Ленинские горы, МГУ, Географический факультет, 18 этаж, ауд.1801.

С диссертацией. можно ознакомиться в библиотеке Географического факультета Автореферат разослан Ученый секретарь специализированного

совета, кандидат географических наук

ьтет^-МГУ на 21 этаже. у// - г.

А

•ХМахм^О

С. Ф. Алексеева

Громов С. А.

п.1

•; I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.Необходимость оценки опасности для здо-

■рсрья людей и нормального функционирования биосферы существующих уровней загрязнения атмосферы и других сред, а также проблемы выделения главных направлений вложения средств в охрану природы, заставляет государства организовывать различные службы слежения за состоянием природы. Основными задачами общегосударственной службы наблюдения и контроля за загрязнением окружающей среды СОГСНЮ в СССР являются: наблюдения за состоянием биосферы, выделение и оценка антропогенных воздействий на природные объекты в условиях усиливающегося техногенного прессинга, прогноз изменений состояния биосферы и определение экологических резервов последней.

Большая часть антропогенных веществ поступает в природные комплексы путем переноса йтмосферными потоками из районов-источников. Традиционные способы мониторинга Сувеличение плотности пробоотборной сети, аналитических центров, рост количества анализов и измерений, работ по контролю данных и т.д.) при несомненном положительном эффекте потребуют больших материальных и трудовых затрат. Другим подходом к решению большого круга научных и практических задач ОГСНК,требующим значительно меньших затрат, является моделирование переноса примесей. Совершенствование моделей на основе сравнения результатов с данными натурных наблюдений позволит достичь точности традиционных решений, превосходя их в полноте, оперативности и экономичности. Следовательно, разработка и использование моделей распространения атмосферных примесей является одним из важнейших направлении исследований в области охраны природной среды.

Предлагаемая работа подготовлена в рамках выполнения темы V. 28.19 плана НИР Госкомгидромета СССР "Провести комплекс-

з

ное изучение и анализ фонового состояния природной среды в СССР и разработать рекомендации по усовершенствование системы мониторинга с целью создания экологической службы" Спрограмма ГКНТ СССР С.85.04 "Контроль природной среды").

Целью работы являлась разработка математической модели атмосферного переноса загрязняющих веществ от антропогенных источников, включающей описание процессов их диффузии, трансформации, сухого и влажного выведения. Реализованная в виде программного комплекса модель прелагается использовать в изучении географических закономерностей формирования уровней загрязнения в удаленных от источников районах.

Основная идея: математическое описание физических процессов переноса, диффузии, трансформации и дисперсии техногенных атмосферных примесей позволит при расчетах получить пространственно-временные характеристики распределения концентраций и выпадения последних в региональном масштабе. Основные задачи исследования.

1. Разработать модель построения траектории перемещения атмосферных частиц, использующую данные анализа или прогноза метеоэлементов во внетропических широтах Северного полушария.

2. Решить задачу параметризации планетарного пограничного слоя СППС) атмосферы для учета влияния происходящих в нем пр'^^сов, реализовав одну из известных моделей ППС.

3. ¡-азработать метод решения уравнения баланса примеси в Лагранжевой системе координат для консервативных и неконсервативных примесей.

4. Применить разработанную модель для расчета пространственного распределения концентраций и выпадений в регионе.

5. Применить отдельные блоки модельного комплекса для исследований географических закономерностей формирования загряз-

нения удаленных от источников районов Сстанций комплексного фонового мониторинга), а также расчета концентраций техногенных веществ от источников на территории промышленного узла.

Новизна работы.Разработана Лагранжевая математическая модель рассеяния загрязняющих атмосферу веществ на большие расстояния, включающая описание всех основных•процессов диффузии и дисперсии, учет влияния свойств подстилающей поверхности. Расчет переноса базируется на' оригинальной' модели построения обратных траекторий по агеострофическим соотношениям между полями геопотенциала и ветра, ориентированной на использование широко доступных данных анализа и прогноза метёоэлементов. Разработана процедура численного интегрирования уравнения вертикальной диффузии сцелыэ включения, изменяющихся с высотой параметров-рассеяния. Для учета влияния метеорологических процессов, происходящих в нижних слоях переноса, была реализована и включена в програмный комплекс модель планетарного пограничного слоя СППС). Продемонстрировано применение модели к расчету концентраций антропогенных веществ в атмосфере регионов с целью получения статистико-географических характерист тик загрязнения воздуха. Выявлены основные закономерности формирования уровня содержания загрязняющих веществ в атмосфере ряда районов размещения станций фонового мониторинга.

Практическая ценность. Разработанная модель дальнего переноса атмосферной примеси является ценным инструментом для решения большого круга научных и практических задач исследования загрязнения регионов: анализа и оценки влияния процессов переноса, диффузии и дисперсии на содержание загрязняющих веществ в воздухе исследуемых районов, выявления связей "источник - рецептор", проведения различных прогнозных экспериментов в области мониторинга окружающей природной среды

и т. д. Особое значение такие работы приобретают ввиду необходимости внедрения экологических экспертиз проектов создания крупных территориально-производственных комплексов.

Важным практическим результатом, имеющим большое значение для определения доз антропогенной нагрузки на экосистемы и выработки природоохранной политики, является возможность получения географических закономерностей пространственного и временного распределения загрязнения в атмосфере регионов.

Отдельные блоки модели нашли свое самостоятельное практическое применение, что подтверждено актами внедрения. Регулярные расчеты обратных траекторий поставляются в базу данных режимно-справочного банка "Фоновое загрязнение природной среды" и предназначены для проведения оценок представительности информации с сети СКФМ, определения трендов загрязнения и других работ, связанных с обработкой наблюдений.

Блоки расчета диффузии, дисперсии и химической трансформации неконсервативных примесей явились базой модели для расчета загрязнения воздушного бассейна промышленного узла, использовавшейся при разработке территориальной комплексной схемы охраны природы г.Шебекино Белгородской области.

Реализация результатов работы. Разработанная модель реализована в виде исследовательских комплексов программ для персональных ЭВМ типа IBM PC/AT и ЕС ЭВМ, широко использующихся в учреждениях Госкомгидромета СССР и АН СССР.

Апробация модели. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научном координационном совещании по проблеме XII "Глобальная система мониторинга окружающей среды" стран-членов СЭВ (Прага,1986), на I и II Конференции молодых| ученых Лабораториии мониторинга природной среды и климата (ЛАМ) Госкомгидромета СССР и АН СССР (Москва, 1986 и

1987 гг.), на II научно технической конференции молодых ученых Куйбышевского района г. Москвы С1986), на Всесоюзном совещании "Системное моделирование загрязнения атмосферы" САлма-Ата, 1989), на семинарах отдела геофизического мониторинга ЛАМ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Основная часть содержит 95 страниц, 15 рисунков, 6 таблиц. Список литературы сострит из 79 названий источников. Результаты расчетов и тексты программ помещены в приложении.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В введении показывается актуальность проблемы исследования антропогенного загрязнения окружающей природной среды. В СССР создана трехуровенная система наблюдений для контроля и оценки степени опасности техногенного прессинга, охватывающая зоны импакт-ных Сповышенных), субрегиональных и фоновых (низких) уровней загрязнения компонентов биосферы. В соответствии с принятой терминологией под фоновым загрязнением понимается содержание техногенных веществ в удаленных от крупных источников районах. Главными путями его формирования являются процессы крупномасштабного рассеяния в атмосфере и гидросфере.

Математическое моделирование атмосферного переноса загрязняющих веществ является одним из наиболее перспективных методов исследований географического и геофизического направлений, позволяющее создать базу для прогнозов загрязнения природной среды и анализа влияния принимаемых экономических решений.

В первой главе рассматривается физическая модель дальнего переноса и рассеяния примеси в воздушной среде. По принятым в метеорологии пространственно-временным масштабам, физические процессы, определяющие изменение содержания примеси в воздухе, делятся на

крупно-, мезо- и микромасштабные. Рассеяние рассматривается, как суперпозиция их влияния, где процессы более крупного масштаба являются фоном для остальных. "

В дальний перенос , С порядка юоо км) вовлекаются газ.ообразные и мелкодисперсные примеси, рассматриваемые как невесомые состав-■ ляющие атмосферного воздуха. Их- перемещение происходит в крупномасштабных атмосферных "движениях, сопровождаясь рассеиванием при турбулентном'перемешивании в,вертикальном и горизонтальном направлении'; Оснобными процессами выведения примесей из атмосферы являются вымирание с осадками- и осаждение на подстилающую поверх-' ность. Последнее' обусловлено' шероховатостью поверхности, аэро--динамическим сопротивлением потоку в приземном пограничном слое, а также молекулярным ¡рбмено'м в микрослое на границе двух сред. Кроме, того, солнечная "инсоляция и присутствие' в атмосфере ряда активных реагентов'способствуют химической трансформации загрязняющих веществ, изменяя-их содержание .в слоё переноса. Задача моделирования Крупномасштабного- переноса' загрязняющих веществ выражается в. определении изменения концентрации примеси и интенсивности ее потока из атмосферы' под влиянием процессов эмиссии, переноса, "диффузии, осаждения,. •Трансформаций и выведения с осадками.

Математически данная физическая модель может быть реализована 6 виде' решения ' уравнения баланса атмосферной примеси с учетом географических особенностей размещения источников и стоков примеси, а также соответствующих метеорологических процессов:

а? = «Ас + « + . с».

с - объемная концентрация примеси; о, к, V - слагаемые, описывающие поступление примеси, 'Химическую трансформацию и выведение с осадками; • и кг~ горизонтальный и вертикальный коэффициенты турбулентной диффузии.

Модели загрязнения атмосферы регионально-континентального

масштаба должны отвечать ряду требований, не зависящих от способа их построения: • 1) рассматривать большое количество.источников загрязнения; 2) прослеживать перемещение загрязняющих веществ на расстояния порядка сотен и тысяч километров ' с учетом нестацио--нарности атмосферных переносов; 3) использовать способы•осреднения данных наблюдений и данных, о выбросах по- -пространству и за определенные интервалы времени; 4) включать процессы превращения химических соединений и выведения их из атмосферы. Внутри общей структуры модели появляются различные типы,. виды и варианты,- реализующие теоретические, принципы' разработчиков, и компромиссные решения в удовлетворении требований точности,- полноты, пространственной разрешающей способности,/ доступности входной информации и продуктивности использования машинного времени.

Детальный обзор научной литературы -показал,- что по способам решения основного уравнения С1) можно-выделить 3 класса моделей: лагранжевыё, статистические и эйлеровские.

Особенностью лагра'нжевых моделей является расчет диффузии, трансформации и выведения загрязняющих веществ в подвижной-системе координат, связанной с перемещающимся объемом воздуха в соответствии с.наблюдавшимся или рассчитанным полем' ветра. Статистические модели основаны на том, что при долгопериодном осреднении Спорядка сезона, года) величины- концентраций и выпадений в основном являются функцией статистических.характеристик процессов переноса, вымывания и трансформации. Полуз'мпирические статистические модели дальнего переноса имеют достаточно простую структуру и дают ясное понимание физической сущности исследуемых связей.

Модели этих типов позволяют учитывать вклад отдельных источников в загрязнение атмосферы исследуемой территории; определять балансы масс загрязнителей в регионе и трансграничные переносы; реалистично оценивать величину осаждения загрязняющих веществ с

осадками; затрачивать относительно небольшое количество ресурсов ЭВМ. Однако при этом возникают трудности в описании вертикальной структуры шлейфа выбросов и использовании нелинейной химии. Большие погрешности вносит сильная параметризованное^ процессов горизонтальной и вертикальной диффузии, и зачастую качество моделей данных типов определяется уровнем и качеством параметризации.

В моделях эйлеровского типа исследуемый регион разбивается на 2-х или з-хмерные ячейки, и в каждой решается набор уравнений адвекции, диффузии, трансформации и выпадения. Их положительными чертами являются возможности более детальных пространственных интерпретаций результатов и включения нелинейных химических процессов, а для расчета динамических членов уравнений не требуется пересчет данных метео- и аэрологических наблюдений. Но необходимость решения уравнений в каждой ячейке пространства ведет к требованию значительного объема памяти ЭВМ и процессорного времени. При этом надо искать способы устранения ошибок вследствие возникновения вычислительной неустойчивости и мнимой дисперсии, связанных с применением конечно-разностных аппроксимаций уравнений.

Наш выбор подхода к решению уравнению (1) определялся конкретными практическими целями: использовать модель для анализа и прогноза загрязнения атмосферы в региональном масштабе, оценить потоки загрязняющих веществ на подстилающую поверхность, проследить возможные связи типа "источник-рецептор", а также соблюсти требования компактности и экономичности расчетов.

В конце главы, исходя из этих целей, на основе оценки проанализированных подходов в моделировании, требований к точности параметров и результатов, круга задач, возникающих при решении проблем фонового мониторинга природной среды и появляющихся в хо^.е анализа и интерпретации информации с сети станций КФМ, выдвинута следующая физико-математическая формулировка модели:

1. Перенос примеси происходит в изменяющемся поле ветра, рассчитанном по данным анализа геопотенциала. ' Пути переноса определяются по траекториям воздушных, частиц в нижней тропосфере.

2. Шлейф от источника в нестационарной атмосфере аппроксимируется набором перемещающихся облаков мгновенного выброса с массой, равной поступлению от этого непрерывного источника за выбранный конечный интервал времени.

3. Влияние процессов осаждения, трансформации и вымывания описывается комплексом зависящих от метеоусловий параметров и обусловлено "возрастом" облака.

4. Расчет концентрации примеси и ее выпадений на подстилающую поверхность проводится для точки-рецептора, от которой строится обратная траектория переноса.

5. Для момента времени, относящегося к одной траектории, концентрация примеси представляется как сумма концентраций от набора площадных источников, пересекаемых проекций линии переноса.

6. Модель должна быть приспособлена к различным типам загрязняющих веществ, как первичных, так и вторичных.

Реализуемый лагранжевый рецепторно-ориентированный подход позволяет при решении уравнения баланса атмосферной примеси разделить процессы адвекции и диффузии, предполагая, что последние накладываются на крупномасштабный перенос массы загрязняющих веществ атмосферными потоками.. При реализации указанных принципов ориентиром являлось создание блочной структуры комплекса, позволяющей последовательно создавать программы расчета разных процессов, проводить их усовершенствование, не затрагивая остальных.

Глава II посвящена описанию разработанной модели загрязнения атмосферы региона. В дальнем переносе участвуют газы и атмосферные аэрозоли микронной фракции, собственной вертикальной скоростью движения которых относительно атмосферного потока можно пре-

небречь. Для каждого зафиксированного на траектории источника примеси в системе координат, связанной с центром горизонтально перемещающегося облака выброса, решается уравнение диффузии, выпадения с осадками и трансформации (13.

Предполагая, что Общий эффект всех процессов, влияющих на содержание примеси, представляет собой комплекс влияния отдельных процессов, решение для точки-рецептора ищется в виде : с(х,у,г,и = Г 0 Р,(*,у,1 )■? )■? а )■? а ) (2),

' V п 1 п г п гп ми

1-а -функции рассеяния и дисперсии 1^-время пере-

мещения облака вдоль траектории в рецептор от л-го .источника.

Основой определения пути движения облака дискретного выброса является разработанная автором модель построения обратных траекторий. Она использует стандартные данные и возможности, предоставляемые Гидрометцентром СССР- кругу пользователей. Создавая ее, мы следобади двум основным требованиям: 1) модель может быть применена для любого набора точек Северного полушария; 2) расчеты должны обеспечить реалистическую траекторию на продолжительный срок.

Траектория представляется в виде координат точек, рассчитанных против вектора ветра на заданной изобарической поверхности. Вычисление полей составляющих вектора скорости ветра производится по агеострофическим соотношениям из данных объективного анализа геопотенциала. Агеострофическое приближение выбрано для уменьшения погрешностей, вызываемых дискретностью по времени исходных данных и отклонением реального ветра от геострофического.

Для определения средней скорости ветра во всем слое переноса используется реализованная диссертантом баротропная двухслойная модель планетарного пограничного слоя СППС), разработанная Иорда-новым Д., Сираковым Д. и Джоловым Г. (Бълг. геофиз.спис. , 1981, т. VII, N 2, с. ю-22). Взяв в качестве входных данных составляющие вектора скорости ветра на верхней границе ППС, расчитываются

средние по слои значения этих величин в зависимости от услозий устойчивости атмосферы и шероховатости подстилающей поверхности.

Расчет траектории проводится против вектора основного потока-в предположении, что ускорение между сроками расчета поля ветра постоянно. Сегмент траектории на ,)-ом. шаге между га и Сп+1) полями определяется по формуле:

од меяду сроками анализа, L-кссрдикаты точки 1. Входными данньт для этой подели являются поля объективного анализа геопотенциала поверхности S50 гПа через 12-часовые интервалы, хранящиеся в Банке данных "Прогноз" ГМЦ СССР. В модели эти данные подготавливаются на декартовой сетке с шагом 150 или зоо км по всему полушарию. При вычислении для временных точек, пене.; чем на 8 часов отстоящих от срока поступления данных, принималось, что поля температуры квазистационарны, а расчеты по модели ППС экстраполировались на этот период. Шаг по времени выбран 1 ч. Восстановление траекторий проводится "назад" по времени на 5 суток для любой точки внетропических широт северного полушария.

Турбулентное рассеивание Примеси в горизонтальном направлении близко к изотропному и описывается распределением Гаусса:

я2=(х-хс) г+(у-ус)2расстояние .от т. Сх,у) до центра облака, o=aCt ) -горизонтальная дисперсия примеси. Для а используется параметризация , полученная по данным ряда измерений в длительные периоды, связанные с дальним переносом CNOAA Tech. memo. ERL-ARL-50, 1375):

Сконстанта имеет размерность скорости). Следует отметить, что С4) и способ параметризации С 5) строго справедливы для равнинных территорий и горизонтально-изотропных условий турбулентной диффузии.

а ~ а + ъ-1

о

С 5)",

Функция -рассеивания по вертикали является решением уравнения:

ар ар а а р

—г. = - + — к — ь с 6),

й [ а г а г х а г . '

с граничными условиями задания потока примеси через границы слоя

переноса.

При моделировании в масштабах крупных регионов для учета пространственно-временных изменений параметров диффузии и сухого осаждения тоже применяется модель планетарного пограничного слоя. Она построена на решении уравнений гидротермодинамики ППС в предположении стационарности процессов и использует в качестве вход-нь'х условий число Россби и внешний параметр стратификации, расчитываемые .по данным крупномасштабного анализа температуры на границах слоя. Модель. через внутренние параметры ППС позволяет определить вертикальные профили распределения компонентов скорости ветра и коэффициент турбулентного обмена в виде:

Г гсг) 2 & 2 1 Ь

К = - С7)

I /"СЬ )• г > Ь

» *

г( г)- линейная функция зависимости к от высоты, Ь- высота, приземного слоя. Время, в течение которого режим ППС можно принять стационарным, значительно меньше моделируемого' периода перемещения клуба -примеси. Расчитывая к в сроки крупномасштабного анализа метеоэлементов и проводя между значениями интерполяцию, мы в значительной степени учитываем нестационарность процессов в ППС.

Качественная оценка значимости факторов изменчивости скорости сухого осаждения показывает, что для моделирования над большими территориями необходимо в первую очередь задать крупномасштабную изменчивость поверхности и, сезонные изменения. В качестве первого приближения использовалось пространственное распределение параметра шероховатости го и рассчитанные с его помощью по модели ППС значения динамической скорости и .' Приняв за нижнюю границу

области расчета С z^) высоту , слоя, в котором вертикальный поток примеси постоянен, скорость сухого осаждения задается в виде VdCz) = VdCz,)[ 1 + М^Я In 4 Г' С8),

ь 1 х о z

L * - 1 J

z=i м-уровень, к которому обычно приводят измерения, х- постоянная Кармана. При выводе использовалось предположение о логарифмическом профиле концентрации примеси в этом слое. Внутригодовые изменения задаются сезонными значениями. Подтверждения отдельных опубликованных соотношений Vd в дневные и ночные часы не найдены.

Решение уравнения С 63 производится численным интегрированием его конечно-разностного аналога. Область переноса разбивается на N слоев по вертикали разной толщины. Для интегрирования по времени использовалась устойчивая схема Кранка-Николсона с аппроксимацией центральными разностями пространственных производных. Из условия сходимости шаг по времени расчитывается по соотношению: «Is mini 2(<5z)2/ К ] С 9)

г

Трансформация неконсервативных примесей ограничивается реакциями первого порядка и описывается экспоненциальной функцией: Р а ) = ехрС- х t ) СЮ),

г п г п

х -средневзвешенный коэффициент химических превращений. Для моделирования переноса сернистого газа он выбран по оценкам времени жизни so при дальнем переносе в юо час Сили \г - о, 7-0,8«/час).

В настоящее время Банк данных ГМЦ СССР не может предоставить достоверную информацию об интенсивности осадков в узлах сетки, совмещенной с полем анализа геопотенциала, поэтому в модели вымывание примеси также рассматривается в виде экспоненциального уменьшения с коэффициентом л^Сдля so' ab=o,4«io"sc"1). При такой параметризации выведение зависит не от интенсивности осадков, что применимо при крупномасштабных исследованиях, а только от времени их выпадения. Последнее определяется по времени прохождения клуба

примеси через районы, где дефицит точки росы на уровнях 850 и 700 гПа составлял не более 3°, а относительная влажность у земли - не менее' ■80«. ■ При решении проблемы поиска данных по количеству и интенсивности осадков, данный блок,будет модифицирован.

Для использования модели были начаты работы по -созданию базы крупномасштабных полей эмиссии, имеющих географическую привязку и содержащих характеристики источников.. В качестве первого этапа адаптированы опубликованные данные б выбросах серы антропогенного происхождения, собранные в рамках, программы ЕМЕР и представленные в виде пространственной сетки идеализированных площадных источников размером 150X150 км на территории Европы. В модели вводится сезонный, ход выбросов, заданный в виде синусоиды, с максимумом в яйваре и минимумом в июле. Изменения более коротких периодов пока не- учитываются., Высота выбросов задается исходным значением функции вертикадьного распределения в зависимости-от источника,.

Ввод- данных полей эмиссии ряда тяжелых металлов (кадмий; ванадий, свинец), рассчитанных по косвенным характеристикам потребления топлива и производства- основных видов продукции, отложен в связи с нёобходимостью проверить.эти значения по другим расчетам.

Результатами расчета являются вертикальные профили концентраций веществ', суммы влажных и сухих выпадений в точке-рецепторе

за- заранее определенный интервал времени:

- q = c(x,y,0,U V д{ ' си),

а а

. q = С1 - е'Л.М) f"°c(x,y,z,tJ dz С12). " о

Для каждой точки-рецептора в течение одного интервала построения траектории заложен следующий порядок расчетов : 1. По данным геопотенциала восстанавливается обратная траектория на 5 суток, с определением по модели ППС в ее точкам коэффициента турбулентного обмена, составляющих скорости ветра в ППС и

динамической скорости у подстилающей поверхности;

2. Определяется набор источников по положению точек траектории через выбранный интервал времени переноса (например, через 3 часа), высота выброса и характеристика сезона;

3. Анализируется возможность осадков вдоль Линии траектории;

4. Для каждого облака примеси рассчитываются функции горизонтального и вертикального рассеяния¡ химической трансформации и выведения с осадками;

5. В точке-рецепторе определяются концентрация и значения • плотностей сухого и влажного -выпадений примеси.

Для региона процедура'повторяется для каждой выбранной точки в течение одного интервала: Осреднение с, <1 производится при накопления рассчетов за выбранный период (сутки, декада, месяц).

В главе III описывается 'тестирование модели и сравнение получаемых и контролируемых параметров с наблюдениями или исследованиями. Возможность получения достоверных оценок в наибольшей степени определяется расчетом траекторий. ■ В ГМЦ СССР точность получаемых в ходе объективного анализа значений метеоданных оценивается По величине разницы данных в узлах сеток, подготавливаемых в разных мировых метеорологических центрах. Известно, что в нижней и средней тропосфере она выше для геопотенциала и температуры и ниже для модуля вектора скорости ветра^ Это заставило • нас ориентироваться на расчетные способы анализа полей переносов.

Также большие погрешности возникают при принятии стационарности метеополей между сроками анализа сетевой Информации. Уменьшение интервала экстраполяции путем использования полей приземно" го давления (измерения от 4 до 8 раз в сутки) приводит к усложнению анализа траекторий из-за необходимости учета его суточного хода и особенностей изменения при адвекциях тепла и холода.

Ошибки, определяемые алгоритмами расчета траекторий, связаны

с .упрощениями в выбранной модели динамики нижней тропосферы и точностью схем аппроксимации. Использование прямых измерений скорости ветра на высотах возможно лишь в регионах с относительно густой сетью аэрологических станций, а расчет геострофического или балансового ветра может вносить значительные ошибки в определение траекторий в планетарном пограничном слое.В представленной модели обратных траекторий для уменьшения такого рода ошибок используются более точное агеострофическое приближение в расчете ветра, учитывающее тенденцию геопотенциала между измерениями, и модель ППС.

Сравнение результатов модельных расчетов с линиями переноса, проанализированными по картам барической топографии 850 гПа показывает, что отклонения полусуточных сегментов по направлению не превышают 15-25 градусов, а по длине рассчитанные короче проанализированных на ю-15%. Это следовало ожидать, так как включение агеострофичности должно давать коррекцию направления, а использование модели ППС учитывает тормозящий эффект в слое переноса. Данное сравнение не позволяет судить о степени соответствия модельных траекторий реальным переносам, однако позволяет сделать вывод о том, что программы расчетов не содержат грубых ошибок.

При анализе введения численного расчета вертикальной диффузии при профиле к с изломом С7) получено, что он показывает более интенсивное вертикальное рассеяние, чем аналитическое решение Срис.1). Включение численного интегрирования уравнения (6) с изменяющимся по высоте коэффициентом турбулентной диффузии увеличивает затраты ресурсов ЭВМ. Однако рост производительности компьютеров и табулирование ряда расчетных функций позволит сохранить эффективность применения этих алгоритмов.

Сформированная при создании блочная структура модели позволяет вносить усовершенствования без изменения всей схемы расчетов,, а использование параметров дисперсии в виде входных данных в бло-

Рнс.1.Профиль функции вертикального рассеяния через 24 ч. (I), 72 ч.(П) н 120 ч. (III) в отсутствия сухого осаждення (1) и при ¥<1-1.0 м/с (2): а)-численнос решение, Ь) -аналитическое (по книге:"Мониторинг трансграничного переноса загрязняющих веществ",1987, с. 117)

Рнс.2.Поле концентраций сернистого газа над ETC при устойчивом западном переносе летом (станции КФМ: 1-в Березннс-ком БЗ, 2-в Прнокско-Террасном БЗ. З-Прейла, 4-в Центрально-Лесном БЗ )

ках обусловило большую универсальность модели к набору веществ.

Анализ возможных погрешностей показывает, что на представительность результатов влияет как точность информации о выбросах и метеополях, так и значительная' параметризация эффектов трансформации и выведения - процессов 'меньших временно масштабов, чем основной перенос. Опубликованныё оценки показывают, что-ошибки из-за неопределенности и неточности исходной информации' при любом типе моделей могут-составлять в среднем'до 50« на интервалах времени порядка i сут и 10-25» - месяца и более. При этом поля концентраций и выпадений, заметно .устойчивы. к внутреннему устройству моделей, когда результаты осредняются 3¿ месяц и более.

В главе" IV кратко рассмотрена программа 'комплексно'го фонового мониторинга СКФМ) природной среды с точки зрения оценки загрязнения атмосферы. Атмосферный перенос антропогенных примесей служит odHQBHbiM путем их проникновения в природные- комплексы и трофические цепи экосистем. Цель наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в воздухе и осадках - определение интенсивности их поступления в удаленные от источников Сфоновые) районы.

Комплексный' подход к анализу загрязнения .природной среды, большой на<5ор измерений, необходимость высокой чувствительности химических методов, уникальность аппаратуры определили- большую разреженность сети станций КФМ. Прбстой, статистический анализ данных наблюдений характеризует в первом приближении только различия между регионами. Исследования закономерностей формирования уровня и динамики загрязнения в регионе,' расчет балансов загрязняющих веществ и прогноз их содержания в. компонентах природных комплексов невозможны без анализа метеорологических и климатических условий переноса примесей, географических особенностей подстилающей поверхности и распределения источников выбросов.

Пространственные особенности размещения СКФМ заставляют ори-

ентироваться на исследования влияния крупномасштабных атмосферных процессов. Было - продемонстрирована применение модели построения обратных траекторий как составной части методов изучения влияния ■ дальнего переноса на загрязнения удаленных от' источников районов.

При эпизодических экспедиционных наблюдениях расчет траекторий и тщательный анализ условий переноса проводился с целью объяснения непериодических изменений концентрации примесей в воздухе и осадках и определения списка влияющих районов-источников.

Набор обратных траекторий за длительный период для предполагаемого места размещения наблюдательного полигона позволяет определить наиболее вероятные источники -регионального масштаба, как это наглядно демонстрирует карта охвата территории вокруг станции КФМ Боровое■траекториями различной временной продолжительности.

Определение вкладов региональных источников .в формирование уровня загрязнения длительных периодов предложено проводить путем статистических исследований рядов наблюдений в зависимости от повторяемости направлений переносов. Проведенный анализ, показал, что для района Березйнского заповедника летом относительно высокие концентраций большинства веществ связаны с траекториями южного румба, однако наибольший вклад в формирование уровня Загрязнения воздуха вносят переносы с западного и юго-западного направлений. На станции Боровое в Северном Казахстане в этот сезон наиболее высокие концентрации сернистого газа и свинца наблюдаются при переносах с северо-запада и запада, причем эти направления дают наибольший вклад в загрязнение.

Использование модели для расчета средних по траекторным секторам концентраций веществ показал, что даже без учета процессов влажного выпадения и при завышении результатов, особенности формирования в виде вкладов отдельных направлений отражаются довольно хорошо.

Одним из главных результатов проделанной работы является получение пространственного распределения уровня загрязнения атмосферы над ETC в теплый и холодный сезоны. Показано, что при устойчивом западном переносе наблюдается значительный градиент концентрации вокруг промышленных регионов с характерным вытягиванием изолиний по направлению переноса С рис.2). Рассчитанные концентрации находятся в пределах изменений измерений станций КФМ.

Анализ перспектив использования в фоновом мониторинге результатов математического моделирования распространения атмосферных. примесей позволил выделить несколько классов применения последних СРис. з). В настоящее ' время, на наш взгляд, наиболее существенными являются аналитические способы, так как необходимость детальной оценки масштабов антропогенного прессинга на окружающую среду, выявление пространственно-временных особенностей этого процесса, его тенденций, определение уязвимых районов и природных территориальных комплексов не только чрезвычайно важны в настоящее время для разработки хозяйственной и природоохранной политики, но и необходимы в качестве основы для подготовки корректных научно-обоснованных прогнозов состояния природы.

В заключении сформулированы■основные выводы и результаты:

1. Создана лагранжевая модель дальнего переноса атмосферной примеси для умеренных и высоких широт Северного полушария, основанная на расчетах диффузии и дисперсии вдоль обратной траектории переноса. Модель ориентирована на получение параметров загрязнения- как над регионами, так и в интересующей точке.

2. Показано, что моделирование становится одним из основных методов решения "задач фонового мониторинга, характеризующихся географичнобтыо и большими временными периодами исследований, а также при развитии и' контроле функционирования сети СКФМ.

3. Глабные особенности: расчеты вдоль обратных траекторий, возмож-

ность выбора модельного региона любой конфигурации в любом месте внетропических широт Северного полушария, численное интегрирование уравнения диффузии по вертикали, включение планетарного пограничного слоя, - предлагают широкий спектр применения модели.

4. Были проведены статистические расчеты для двух станций фонового мониторинга, показавшие достаточно хорошее описание географических и климатических особенностей формирования уровня загрязнения удаленных от источников районов.

5. С помощью представленной модели дальнего переноса получены картины пространственного распределения концентраций и интенсивности сухого осаждения сернистого газа над Европейской территорией СССР в определенных метеорологических ситуациях. Показано, что модель реалистично воспроизводит процессы переноса примеси в умеренных широтах.

Результаты диссертации опубликованы в следующих'работах:

1. Об одном способе анализ'а изменений содержания загрязняющих веществ • в атмосфере фоновых районов. - -.Труды I конференции молодых ученых ЛАМ, 1986, с. 18-21.

2. Сравнение подходов к метеорологическому анализу загрязнения воздушной среды в удаленных районах.-Тезисы II.науч.-техн. конференции молодых ученых Куйбышевского р-на г.Москвы, .1987, с. 82-84. Св соавт. с Парамоновым С. Г. ).

3. Возможности применения экономической информации' в фоновом мониторинге природной среды.-там же,с. 89-91. Св с. с Шаруденко М. Н.).

4. Метеорологические аспекты в задачах фонового мониторинга загрязнения атмосферы. - Сб.: Мониторинг фонового загрязнения природных сред, 1989, ВЫП. 5, С. 126-135.

5. Использование модели анализа крупномасштабного атмосферного переноса в фоновом мониторинге атмосферы. -Труды II конференции молодых ученых ЛАМ, 1989,с. 17-22. С в соав1. с Парамоновым С. Г.).