Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Краткосрочный и среднесрочный прогноз загрязнения воздуха с использованием результатов синоптического анализа

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Ивлева, Татьяна Павловна, Санкт-Петербург



■/"v ,

/

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова

Ивлева Татьяна Павловна

КРАТКОСРОЧНЫЙ И СРЕДНЕСРОЧНЫЙ ПРОГНОЗ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕЗУЛЬТАТОВ СИНОПТИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

специальность 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

Научный руководитель : доктор географических наук

Л.Р.Сонькин

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение 4

I. Состояние вопроса. 7

1.1. Физический механизм влияния метеоусловий на распространение примесей в атмосфере. 7

1.2. Некоторые особенности загрязнения воздуха в городах. 12

1.3. Обобщенные показатели загрязнения воздуха в городе. 15

1.4. Методы прогноза загрязнения воздуха. 17

1.5. Оценка оправдываемости прогнозов. 2 3

1.6. Использование комплексных метеорологических предикторов. 25

II. Метеорологические и синоптические условия загрязнения

воздуха. 27

2.1. Метеорологические условия загрязнения воздуха. 27

2.2. Синоптические условия загрязнения воздуха. 36

III. Применение результатов синоптического анализа и комплексных предикторов в схемах прогноза загрязнения. 47

3.1. Выделение количественного синоптического предиктора. 47

3.2. Исходные и комплексные метеорологические предикторы. 52

IV. Усовершенствование схем прогноза загрязнения воздуха. 55

4.1. Схемы прогноза загрязнения воздуха в городе с использованием метода множественной линейной регрессии с предварительным исключением нелинейности связей. 55

4.2. Результаты использования синоптических и комплексных предикторов в схемах последовательной графической регрессии.61

4.3. Результаты использования количественного синоптического предиктора при разработках схем прогноза в подразделениях Росгидромета. 65

4.4. Схема прогноза загрязнения воздуха с использованием

метода разложения по естественным ортогональным функци-

ям (е.о.ф. ) . 67

•ч.

V. Среднесрочный прогноз загрязнения воздуха в городах на

3-5 дней. 76

5.1. Использование асинхронных связей. 76

5.2. Использование численного среднесрочного прогноза. 79 Заключение ' 92 Литература 94 Приложение 101

Введение

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

В последнее время в зарубежных странах и и нашей стране все большее внимание уделяется вопросам краткосрочного прогнозирования загрязнения воздуха и предотвращения опасного скопления примесей в приземном слое атмосферы в периоды неблагоприятных метеорологических условий. Разработка методов такого прогнозирования является одной из основных природоохранных задач, решение которых уменьшает загрязнение атмосферного воздуха в городах.

Разработанные в Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова методы прогноза загрязнения воздуха внедрены во всех управлениях системы Росгидромета. Прогнозирование загрязнения воздуха проводится в 250 городах Российской Федерации. Предупреждения о возможном росте концентраций примесей передаются более, чем на 5500 предприятий. В ряде случаев такие предупреждения были основанием для принятия конкретных мер по снижению выбросов в неблагоприятные периоды. Имеются сведения об эффективности выполненных работ по кратковременному сокращению выбросов в связи с предупреждениями о неблагоприятных условиях. На многих предприятиях получены количественные оценки снижения выбросов.

Однако для повышения эффективности работ по прогнозу загрязнения воздуха необходимо дальнейшее усовершенствование методов прогноза, в первую очередь уточнение прогнозов экстремально высоких уровней загрязнения воздуха и увеличение заблаговременности прогнозов. Это может быть достигнуто благодаря более полному учету влияния метеорологических условий на уровень загрязнения воздуха в городах.

Для решения такой задачи в данной работе изучался вопрос краткосрочного и среднесрочного прогноза загрязнения воздуха с использованием результатов синоптического анализа.

Диссертационная работа, выполненная в отделе исследования и мониторинга загрязнения атмосферы ГГО им. А.И.Воейкова, основана на анализе большого массива данных о характеристиках загрязнения воздуха и сопутствующих им метеорологических и синоптических условий .

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Целью данной работы является усовершенствование методов статистического прогноза загрязнения воздуха с использованием результатов синоптического анализа и повышение заблаговременности прогнозов до 3-5 дней .

В соответствии с этой целью в диссертации были поставлены следующие задачи:

- провести анализ и изучение синоптических условий загрязнения воздуха и дать их количественное выражение;

- выделить новые комплексные метеорологические предикторы, позволяющие повысить эффективность имеющихся прогностических схем;

- усовершенствовать схемы прогноза загрязнения воздуха;

- обеспечить увеличение заблаговременности прогнозов загрязнения воздуха до 3-5 дней.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

1.Определены синоптические ситуации, вызывающие наибольшее загрязнение воздуха в городах с различными климатическими условиями .

2.Установлен количественный синоптический предиктор, использование которого позволило повысить эффективность схем прогноза загрязнения воздуха.

3.Составлены различные варианты схем с включением в них комплексных метеорологических предикторов и количественного синоптического предиктора, что дало возможность более успешно предсказывать случаи экстремально высокого уровня загрязнения воздуха.

4.Впервые разработаны схемы прогноза загрязнения воздуха с заблаговременностью до 3-5 дней.

5.Получена схема прогноза загрязнения воздуха с использованием метода разложения по естественным ортогональным функциям.

-■55.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

1.Предложены варианты схем прогноза загрязнения воздуха для Санкт-Петербурга с заблаговременностью до 3-5 дней с использованием характеристик численного среднесрочного прогноза погоды. Схема прогноза с заблаговременностью до 3-х дней направлена для

- б -

оперативного использования в Северо-Западное УГМС.

2.Схемы, построенные по методу множественной линейной регрессии с предварительным исключением нелинейности связей и с включением в них комплексных предикторов, были внедрены в Минске, Санкт-Петербурге, Улан-Уде, Кривом Роге, Череповце. Испытания этих схем дали положительные результаты.

3,Предложенная методика анализа синоптических условий загрязнения воздуха в городах и выделения количественного синоптического предиктора (Бп) была внедрена в ряде УГМС страны. Применение методики в 44 городах России позволило усовершенствовать действующие схемы прогнозирования загрязнения воздуха. Для 18 городов составлены новые прогностические схемы с использованием синоптического предиктора.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные результаты диссертации докладывались на международном совещании ВМО РА VI (Ленинград), на Всесоюзной конференции по прогнозу загрязнения воздуха в г.Киеве (1989г.), на ряде семинаров отдела исследований атмосферной диффузии и загрязнения атмосферного воздуха ГГО им.А.И.Воейкова, на конференциях молодых специалистов ГГО им.А.И.Воейкова, на курсах повышения квалификации специалистов гидрометслужбы в г.Железнодорожном (1989-90гг.). Результаты работы были включены в Руководящий документ - "Руководство по прогнозу загрязнения воздуха", РД 52.04.306-92.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации составляет: 107 страниц машинописного текста, включая 18 рисунков, 27 таблиц.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Физический механизм влияния метеоусловий на распространение примесей в атмосфере.

Развитие методов прогноза загрязнения воздуха в значительной степени основывается на результатах теоретического и экспериментального изучения закономерностей распространения примесей в атмосфере. При этом отмечаются два основных подхода, один из которых основан на эмпирико-статистических моделях распространения примеси /1 / , а другой - на решении уравнения атмосферной диффузии. Последний из них получил значительное развитие в работах Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова (ГГО) под руководством М. Е. Берлянда /8-12 /. На основе численного решения уравнения турбулентной диффузии рассчитываются концентрации примесей от отдельных и многих источников с учетом многообразия погодных и топографических условий.

Выполненные в Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова исследования достаточно полно описывают физический механизм распределения примесей в атмосфере и влияния метеорологических условий на уровень загрязнения воздуха.

В'результате интегрирования уравнения турбулентной диффузии получены формулы для расчета максимальной приземной концентрации примесей См при сравнительно часто встречающихся неблагоприятных метеоусловиях.

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества См (мг/м ) при выбрЪсе газовой смеси из N точечных источников с одинаковыми параметрами выброса достигается на расстоянии Хм' (м) от источника и определяется по формулам /8,37/:

для горячих выбросов

з

N

1.1

уДт

для холодных выбросов

А' М' F" n" N' D 8V

р 1 • 2

н V н

где А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы; М(г/с) - масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени; F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; m и п - коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; Н(м) - высота источника выброса над уровнем земли (для наземных источников при.расчетах принимается Н = 2м); Т[ - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на I км, = I; Ат(°С) -разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Тг и температурой окружающего атмосферного воздуха Тв; V (м3/с) - объем выходящих из N труб дымовых газов.

Отнесение выбросов к нагретым или к холодным производится на основе параметра f

W02 • D

f = 103 - . 1.3

h2 ■ Ат

Здесь Wq - скорость выходящих дымовых газов (м/с);

D - диаметр трубы (м). При f < 100 выбросы относятся к нагретым, при f > 100 или при Ат ~ 0 - к холодным.

Для характеристики состояния атмосферы, при котором могут отмечаться большие концентрации примесей, выделяются нормальные и аномальные метеорологические условия.

При нормальных условиях в случае высоких источников неблагоприятным является наличие сверхадиабатического градиента температуры, когда вследствие развитого турбулентного обмена имеет место интенсивный перенос примесей от источников к земной поверхности, при этом могут создаваться их значительные концентрации. Степень загрязнения воздуха существенно зависит от скорости ветра. Влияние скорости ветра на загрязнение приземного слоя имеет сложный характер и для каждого источника существует некоторая

опасная скорость ветра им, при которой наблюдаются максимальные концентрации примесей.

Опасная скорость ветра им определяется через параметр Ум для нагретых выбросов и через Ум ' для источников с холодными выбросами

з__т__________Щ ' о

Ум = 0.65-у V Ат/Н ; Ум1 =1.3 -. 1.4

н

В случае нагретых выбросов приближенно принимается, что при Ум < 0.5 м/с - им = 0.5 м/с; при 0.5 < Ум < 2 м/с - им = Ум; при Ум > 2 м/с - им = Ум (I + 0.12|/Г).

В случае холодных выбросов при Ум'< 0.5 м/с - им = 0.5 м/с; при 0.5 < Ум' < 2 м/с приближенно им = Ум' ; а при Ум1>2 м/с - им = 2.2 Ум'.

Опасная скорость ветра для группы источников с различными параметрами выбросов приближенно характеризуется средневзвешенной величиной /9,22,37/

£ им-; • СМт 1 = 1 1 1

итс = - . 1.5

!> См, *<•

..1 = 1

Здесь им! и См1 - расчетные значения опасной скорости ветра и максимальной концентрации для 1-го источника, п - количество источников.

Опасная скорость ветра им зависит от параметров выбросов источников. Она увеличивается с ростом перегрева выходящих газов , а также с увеличением скорости поступления газов.

Расчеты показали, что им составляет 1- 2 м/с для многих химических производств, 5-7 м/с - для мощных тепловых электростанций и т.д.

Наиболее интенсивное загрязнение воздуха наблюдается при аномально неблагоприятных метеорологических условиях. К ним относится приподнятая инверсия с нижней границей, расположенной над источником выброса. Увеличение концентрации примеси, существенно зависит от высоты расположения нижней границы инверсии над источником. Это увеличение тем больше, чем ближе к источнику основание инверсии. В случае, когда задерживающий слой располагается непосредственно над источником, рост максимальной приземной концентра-

ции легких примесей относительно ее величины в нормальных условиях достигает 50-60% /11,33 /. Влияние инверсионных слоев на распространение выбросов для тяжелых примесей проявляется слабее, чем для легких, причем с рострм размера частиц примесей это влияние

уменьшается.

Значительное повышение концентрации примесей в приземном слое атмосферы возможно также, когда ниже источника расположен штилевой слой, а на уровне выбросов скорость ветра близка к ит . Чем толще этот слой, тем сильнее его влияние. Согласно расчетам при наличии штилевого слоя от поверхности на уровне 30 м максимальная концентрация принеси от источника высотой 100-150 м увеличивается примерно на 70 % по сравнению с концентрацией при отсутствии штиля.

Особенно сильное загрязнение воздуха у земли может наблюдаться, когда при холодных выбросах приподнятая инверсия, расположенная над источником, сопровождается слабым ветром, близким к штилю, в приземном слое воздуха.

Опасность загрязнения воздуха значительно возрастает при туманах, над которыми часто наблюдается приподнятая инверсия. Туманы аккумулируют примеси из вышележащих слоев воздуха, вследствие чего происходит возрастание концентраций вредных веществ у земли. Существенную роль здесь может играть растворение примеси в каплях тумана и образование в них«, более токсичных кислот /24/.

На скопление примесей существенное влияние оказывает также характер подстилающей поверхности. В пониженных формах рельефа могут создаваться в 1.5-2 раза более высокие концентрации примесей, чем на ровном месте /9,22/.

При расположении промышленных объектов на окраине города или за его пределами большое влияние на загрязнение воздуха в жилых районах оказывает направление ветра /4,5,13,19,27/.

Полученные теоретические результаты были подтверждены на большом экспериментальном материале ряда крупных экспедиций, проведенных Главной геофизической обсерваторией /14,21/. Весьма четко проявляется наличие опасной скорости ветра. Например, эксперимент, проведенный на Щекинской ГРЭС, показал, что опасная скорость ветра для этого объекта составляет б м/с. Это совпадает с расчетной величиной.

На основании фактических наблюдений за концентрациями 302,

пыли и др. примесей Б.Б.Горошко /21/ было показано, что максимальные концентрации примесей под факелом высокого горячего источника (ГРЭС) имеют наибольшие величины летом в дневные часы при неустойчивой стратификации. Если приподнятые инверсии формируются утром при слабом ветре, то в случае горячих выбросов ГРЭС роста концентраций примесей в воздухе у земли не наблюдается. В этом случае факел оказывается- в слое инверсии и к земле выбросы не поступают.

На основе теории атмосферной диффузии можно оценить вклад в загрязнение воздуха города не только выбросов от одиночных источников, но и от большого числа рассредоточенных источников. Расчет загрязнения воздуха от ряда источников представляет собой суммирование полей концентраций, создаваемых каждым из них. Учитывается эффект наложения выбросов при различных направлениях ветра. Расчетные концентрации от ряда объектов существенно зависят от направления ветра, их наибольшие значения отмечаются при максимальном наложении выбросов. Таким образом, можно получить поля концентраций примесей от большого числа объектов при различных сочетаниях скорости и направления ветра и выделить те из них, при которых загрязнение воздуха повышено .

Фундаментальные результаты исследований процессов атмосферной диффузии способствовали развитию разработок методов краткосрочного прогноза загрязнения воздуха от отдельных промышленных объектов и по городу в целом /11,20,30,42,46,50/.

1.2. Некоторые особенности загрязнения воздуха в городах.

Характер загрязнения воздуха в городе, с одной стороны, определяется наличием на его4 территории большого количества источников выбросов. Закономерности рассеивания таких выбросов рассмотрены в предыдущем разделе. С другой стороны, возникают новые эффекты, которые определяются взаимным перемешиванием