Краткосрочный прогноз концентрации угарного газа в атмосфере Московской агломерации

Ревокатова, Анастасия Петровна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Краткосрочный прогноз концентрации угарного газа в атмосфере Московской агломерации
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Краткосрочный прогноз концентрации угарного газа в атмосфере Московской агломерации"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На іравакр\ксшси

Ревокатова Анастас™ Пепровна

КРАТКОСРОЧНЫЙ ПРОГНОЗ КОНЦЕНТРАЦИИ УГАРНОГО ГАЗА В АТМОСФЕРЕ МОСКОВСКОЙ АГЛОМЕРАЦИИ

25.00.30- метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

7 НОЯ 2Ш

МОСКВА-2013

005537689

Работа выполнена на кафедре метеорологии и климатологии географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

КИСЛОВ Александр Викторович доктор географических наук, профессор

ГОРЧАКОВ Геннадий Ильич доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией оптики и микрофизики аэрозоля Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН

ГРОМОВ Сергей Аркадьевич старший научный сотрудник Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН

Научно-производственное объединение "ТАЙФУН" Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (г. Обнинск)

Защита состоится 28 ноября 2013 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.68 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 18 этаж, ауд. 18-01 (тел. +7 495 9391420, факс +74959328836, e-mail: science@geogr.msu.ru)

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Фундаментальной научной библиотеки Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д.27, А8. Автореферат размещен на сайте Географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (http://www.geogr.msu.ru/). Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, направлять в адрес совета.

Автореферат разослан 24 октября 2013 года

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук, профессор

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

//^¡¿7 Савенко B.C.

ОБЩАЯ ХАРКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Постоянно растущие темпы загрязнения атмосферы городов - основной среды проживания миллиардов людей - делают крайне важной для современной метеорологии задачу прогноза загрязнения воздуха в городах и городских агломерациях.

Краткосрочный пространственно-детализированный прогноз

распределения загрязняющих веществ в атмосфере должен решаться в рамках общей проблемы прогноза погоды и основываться на использовании химико-транспортной модели (ХТМ), в которой концентрация вещества определяется совокупным действием адвекции и диффузии, химических реакций, вымыванием и сухим осаждением веществ, а также их эмиссией с подстилающей поверхности. Последний фактор - самый проблемный с практической точки зрения, так как в условиях множественного действия источников он не может быть надежно определен. Необходимость преодоления этого препятствия стимулировала развитие в мировой практике косвенного подхода к оценке эмиссий.

В качестве входных данных для работы ХТМ обычно используются базы данных инвентаризаций выбросов, в которых оценка эмиссии загрязняющих веществ базируется на косвенных данных: информации о плотности населения, распределении автодорог, структуре промышленного сектора и других данных. Подобные инвентаризации выбросов - единственная информация об эмиссиях загрязняющих веществ, имеющая достаточное для работы химико-транспортных моделей разрешение. Другие доступные данные о выбросах, такие как расчеты эмиссий от промышленных предприятий и транспорта, основанные на специальных методиках, публикуемые в ежегодниках по выбросам, приводятся для каждого субъекта или для отдельного предприятия в целом за год, поэтому их невозможно использовать в ХТМ, которые требуют данные об эмиссиях с ежечасным (иногда более грубым) разрешением в узлах дискретной сетки. Информации о мощности площадного источника (сегмента

городской территории) не существует, и нет даже теоретической возможности ее получения для условий мегаполиса.

Актуальность работы

Недостаточная точность имеющихся данных об эмиссиях и необходимость задания актуальных значений выбросов для прогноза обусловливает актуальность разработки метода расчета эмиссий загрязняющих веществ на основании реальных данных измерений.

В ХТМ прогноз концентрации веществ осуществляется путем решения уравнения диффузии численными методами в узлах дискретной сетки. При этом концентрация вещества в каждый момент времени является функцией от его источника. В данной работе делается попытка оценить мощность этого источника, то есть из информации о характеристиках атмосферы (данные метеорологической мезомасштабной модели С08М0-Яи7) и содержания в ней химических соединений (данные сети ГПУ «Мосэкомониторинг») отфильтровывается эмиссионная составляющая. Подобное усвоение данных измерений позволяет получить детализированное на территории города поле эмиссий, которое характеризуется максимальной приближенностью к реальным условиям формирования выбросов в конкретный день, оперативностью получения информации и наличием физической основы для расчета, для которого используются актуальные данные.

задачу. Монооксид углерода (СО) - один из наиболее опасных токсичных газов, повышенные концентрации которого оказывают негативное влияние на здоровье человека. В мегаполисах содержание угарного газа на 95% зависит от выбросов антропогенных источников, из которых основным является автомобильный транспорт.

Исследуемая территория включала в себя г.Москву в ее старых границах (до административного присоединения территории между Калужским и Киевским шоссе) и ближайшие пригороды. Выбор расчетной территории строго зависел от наличия данных наблюдений за концентрацией монооксида углерода.

Цель и задачи работы

Целью работы является разработка метода оценки эмиссий угарного газа и реализация краткосрочного прогноза его концентрации в атмосфере Московской агломерации.

В работе поставлены и решены следующие задачи:

1) Усовершенствована методика интерполяции данных измерений сети станций ГПУ «Мосэкомониторинг» о концентрации угарного газа в узлы регулярной сетки на территории Московской агломерации.

2) Разработан и реализован в программном коде метод расчета эмиссий угарного газа с площади ячейки 7x7 км, основанный на данных о концентрациях СО и метеорологической информации, получаемой с помощью мезомасштабной модели С08М0-11и7.

3) Проведено сравнение рассчитанных эмиссий угарного газа с данными широко используемой в мире инвентаризации выбросов ТОО для нескольких временных периодов в разные сезоны.

4) С помощью модели С08М0-Ки7-АЯТ, с использованием авторской методики расчета эмиссий, осуществлен ряд численных краткосрочных прогнозов концентрации угарного газа в Московской агломерации для отдельных временных периодов.

5) Проведена верификация данных прогноза путем их сравнения с измеренными на сети ГПУ «Мосэкомониторинг» концентрациями; доказано повышение точности прогноза концентрации угарного газа при использовании для моделирования актуальных эмиссий, рассчитываемых согласно авторской методике.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Впервые разработан и реализован «он-лайн» метод расчета эмиссий угарного газа, заключающийся в определении мощности источника по реальным данным о концентрациях и метеорологической информации для узлов дискретной сетки с разрешением 7x7 км на территории Московской агломерации. Предлагаемый метод позволяет в оперативном режиме, без запаздывания по времени, получать данные о выбросах угарного газа с часовым разрешением.

• Создана методика улучшения качества интерполяции данных о концентрации СО путем переноса информации в неосвещенные районы Москвы методом добавления «виртуальных» станций.

• Впервые осуществлен краткосрочный прогноз (на одни сутки) концентрации угарного газа в Московской агломерации с использованием актуальных данных об эмиссиях, что открывает возможности реализации оперативного прогноза содержания угарного газа по территории г.Москвы.

• Сделаны первые шаги в направлении реализации совмещенного краткосрочного прогноза метеорологической и «экологической» погоды на территории г.Москвы.

Основные защищаемые положения:

1. Разработан метод расчета эмиссий угарного газа, позволяющий получать актуальные данные о выбросах СО в режиме реального времени. Получаемое пространственное распределение и мощность источников отражают условия формирования выбросов СО в г.Москве - пока что единственном на территории

России городе, имеющем сеть станций, достаточную для реализации предлагаемой технологии.

2. Доказана возможность осуществления оперативного краткосрочного прогноза (на 1 сутки) концентрации угарного газа на территории Московской агломерации с необходимой точностью.

3. Показано, что авторский метод расчета эмиссий угарного газа дает на территории г. Москвы более надежные результаты по сравнению с данными типовых инвентаризаций (TNO).

Практическая значимость. Разработанный метод расчета эмиссий делает выполнимой задачу оперативного прогноза пространственно-временного распределения концентрации угарного газа на одни сутки на территории Москвы. Предлагаемый метод способен улучшить прогноз концентрации СО за счет фактического усвоения данных измерений по сравнению с прогнозом, для которого используются данные типовых инвентаризаций. Кроме того, основные идеи, заложенные в основу разработанной методики, могут быть использованы в структурах Росгидромета и в природоохранных организациях для расчета эмиссий других загрязняющих атмосферный воздух веществ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на Международной конференции «Турбулентность, Динамика Атмосферы и Климата» (Москва, 2013 г.), посвященной памяти академика А.М. Обухова; конференции Европейского Геофизического Союза EGU (Вена, 2013 г.); на заседаниях COSMO User Seminar (Consortium for Small Scale Modelling) в 2012 и 2013 гг., на COSMO General Meeting в 2012 г.; на Научно-практической конференции «Загрязнение атмосферы городов» (Санкт-Петербург, 2013 г) и на Конференции молодых специалистов по проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды (Обнинск, 2013 г.), где работа принимала участие в конкурсе и заняла первое место. Часть результатов данной работы вошла в отчетные материалы международного проекта MEGAPOLI (Megacities: Emissions, urban, regional and

Global Atmospheric POLlution and climate effects, and Integrated tools for assessment and mitigation) и национального проекта Мегаполис.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Личный вклад автора. Основные результаты, представленные в данной работе, получены и проанализированы автором. Все численные эксперименты и их интерпретация проводились автором. Подготовка опубликованных материалов осуществлялась вместе с соавторами, но вклад автора был определяющим.

Благодарности. Автор выражает признательность сотрудникам кафедры метеорологии и климатологии географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, и особую благодарность Г.В. Сурковой за поддержку и ценные советы в период выполнения работы. Автор благодарит всех сотрудников отдела краткосрочных прогнозов погоды и опасных явлений по территории России Гидрометцентра РФ, отдельную благодарность автор выражает Г.С. Ривину и И.А. Розинкиной за создание благоприятных условий для написания диссертации; Д.В. Блинову и А.А. Кирсанову за техническую поддержку. Автор благодарит «Мосэкомониторинг» за предоставленные данные наблюдений.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 184 страницы, 54 рисунка, 19 таблиц. Список использованной литературы содержит 148 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Сформулированы основные цели и задачи диссертационной работы.

В главе 1 обобщена информация о загрязнении воздуха в городах. Рассматриваются антропогенные источники поступления газообразных веществ

в атмосферу, приводятся подходы к оценке эмиссий, описываются основные физико-химические процессы, происходящие в городской атмосфере, анализируются особенности загрязнения атмосферного воздуха в Москве.

Обычно оценка эмиссий загрязняющих веществ базируется на косвенных данных [Методика расчета, 1986; Рекомендации, 2009]. Это связано с тем, что на отдельном участке городской территории одновременно функционируют десятки источников, идентифицировать которые и провести их оперативную инвентаризацию невозможно. Публикуемые материалы [Аналитический обзор, 2009; Ежегодник выбросов, 2008] дают информацию об эмиссиях загрязняющих веществ для каждого субъекта (города, области) РФ в целом за прошедший год. Базы данных инвентаризаций выбросов (EMEP/CEIP, EDGAR, EUROSTAT, TNO, EPER) основаны на данных о плотности населения, развитии промышленности, наличии автодорог и других источниках загрязнений. Достоинством таких данных является хорошая пространственная обеспеченность информацией и регулярный шаг по пространству, недостатком - большое запаздывание по времени (1-3 года), низкое пространственное разрешение и «среднеклиматический» характер информации, при котором в каждый день и час эмиссии повторяют особенности, наблюдавшиеся в предыдущие годы.

Во второй части главы 1 приводится описание условий формирования загрязнения атмосферы в г.Москве. Показано, что загрязнение атмосферного воздуха определяется работой стационарных и передвижных источников загрязняющих веществ. Выбросы автомобилей в Москве составляют 92,4% всех антропогенных выбросов [Аналитический обзор, 2009]. За счет этого, эмиссия оксида углерода почти в два раза больше, чем во многих крупнейших городах.

Третья часть главы 1 посвящена атмосферной химии городов. Рассматриваются основные газофазные и гетерогенные реакции, а также физико-химическая трансформация аэрозолей. Рассматриваются условия формирования опасных для здоровья человека явлений, таких, как смоги и дымная мгла. Делается вывод о том, что постоянное взаимодействие газов и

аэрозолей со средой их распространения говорит о необходимости рассматривать эту систему как единое целое, что возможно сделать при использовании математических моделей.

Глава 2 посвящена описанию подходов к моделированию распространения и трансформации химических веществ в атмосфере. Дан краткий обзор этапов развития химико-транспортных моделей, рассматриваются «он-лайн» и «офф-лайн» подходы к объединению метеорологической и химической моделей, приводится обзор современных ХТМ, работающих в разных режимах эксплуатации. В конце главы дается описание модели COSMO-ART, которая являлась основным инструментом при выполнении данной работы.

COSMO-ART это химико-транспортная модель, состоящая из метеорологической модели COSMO (Consortium for Small-scale Modelling [Вильфанд и др, 2010]), которая является поставщиком информации о метеорологических параметрах, и химического модуля ART (Aerosols and Reactive Trace gases), в котором описываются газофазные и фотохимические реакции, физико-химические трансформации аэрозолей, сухое осаждение, вымывание и другие процессы. Отличительной особенностью COSMO-ART является совместный расчет метеорологических величин и химических преобразований на каждом щаге по времени, то есть используется «он-лайн» подход [Vogel et al, 2009]. Горизонтальное разрешение численной модели, используемой в настоящей работе, составляет от 7x7 км2.

В главе 3 автор предлагает метод расчета эмиссий загрязняющих веществ, доказывая его применимость на угарном газе. Этот метод основан на использовании данных о концентрациях.

Основой предлагаемого алгоритма расчета эмиссий загрязняющих веществ стал известный подход, применявшийся неоднократно в тех случаях, когда функция источника по каким-либо причинам неизвестна. В этом случае мощность источника определяется по измеренным значениям на предыдущих шагах по времени. Будем считать, что движение атмосферы описывается полем

скорости ветра сеточного масштаба (превышающего 7x7 км"') (и, V, н> - его

составляющие) и движениями подсеточного масштаба. Будем использовать

декартовую систему координат. Искажения, возникающие при этом, невелики,

поскольку предполагается, что рассматриваемая территория небольшая. В этом

случае притоки и расходы вещества, которое имеет концентрацию С (.мг/м ),

можно описать уравнением баланса массы:

дС диС ЭуС днС д2С дгС 8 . дС т

—+-+-+-= У—т + Х—¡г +—к— + Е (1)

81 8х 8у & 1 дх Л ду2 8= 8:

где/ и к - горизонтальный и вертикальный коэффициенты турбулентной

диффузии; Е характеризует появление и потери вещества в результате

химических реакций, V' плоский оператор Лапласа.

Проинтегрируем уравнение (1) по вертикали в пределах высоты Н и

объединим в левой части все слагаемые, учитывающие перенос по вертикали

(С - средняя по слою концентрация).

Учитывая, что в задаче о загрязнении атмосферы эмиссия вещества

осуществляется именно с поверхности, будем считать, что потоки на уровне Я

малы по сравнению с потоками на уровне 0, совокупность которых и

определяет эмиссию. Если скорость изменения концентрации из-за химических

превращений гораздо меньше скорости изменения концентрации за счет

метеорологических процессов, то последним слагаемым (|£У=) можно

пренебречь. Будем рассматривать именно данный случай. Таким образом, эмиссия (Р) может быть рассчитана по следующей формуле:

Р = + + + (2)

й & ду дх ду &

Формула (2) включает величины, которые определяются по данным измерений, или вычисляются в соответствующих блоках атмосферной динамической модели (в данной работе - С08М0-Яи7).

Условие малости скорости изменения концентрации из-за химических превращений по сравнению со скоростью изменения концентрации за счет метеорологических процессов применимо в реальной атмосфере к угарному газу (СО), среднее время жизни которого в атмосфере составляет 1-3 мес.

Изменение концентрации СО во времени будем аппроксимировать разностью концентраций в последовательные моменты времени (3):

где к — шаг по времени; i и j — пространственные координаты.

Практическая реализация расчетов эмиссий угарного газа осуществлена путем использования результатов численных расчетов по мезомасштабной модели COSMO-Ru7 и данных о концентрации СО на 21 станции на территории Москвы и Московской области, предоставляемых по измерениям на автоматизированной сети контроля загрязнения атмосферы Мосэкомониторинг.

Расчеты эмиссии СО по выражению (2) проводились численными методами в узлах регулярной сетки 7x7 км. В программном коде на языке Fortran реализован комплекс расчета эмиссии угарного газа.

Из-за неравномерного распределения станций Мосэкомониторинга было решено добавить «виртуальные» станции в районы, не охваченные сетью наблюдений. Мы использовали комплексную экологическую карту, по которой выявляли районы с одинаковым уровнем загрязнения и типом застройки. Затем исследовалось расположение пунктов наблюдений Мосэкомониторинга, выявлялись неохваченные сетью наблюдений районы Москвы. В них мы добавляли виртуальные станции, на которые переносилась информация со станций Мосэкомониторинга, расположенных в соответствующем типе ландшафта. К 21 станции Мосэкомониторинга, данные измерений на которых нам доступны, было добавлено 11 виртуальных станций. Для определения оптимального количества необходимых виртуальных станций (ВС), автором была проведена оценка чувствительности качества интерполяции к числу ВС.

дС dt

' с 7' - с' ^

(3)

Сравнивались результаты интерполяции концентрации без добавления ВС и с добавлением различного числа ВС. Оценка результатов чувствительности интерполяции к количеству ВС показала, что нельзя однозначно сказать, улучшается ли качество интерполяции при добавлении большего количества ВС (до 43). Поэтому было решено при дальнейшей обработке данных использовать оптимальное количество виртуальных станций, равное 11. Данные о концентрации СО были переведены на регулярную сетку 7x7 км с помощью интерполяции методом обратных квадратов.

Высота слоя перемешивания (Н), используемая в уравнении (2), выбиралась с учетом условия однородного распределения примеси в рассматриваемом слое. Естественно считать, что перенос примеси по вертикали осуществляется в результате турбулентного обмена, интенсивность которого определяет и высоту слоя перемешивания. То есть, под слоем перемешивания понимается та область планетарного пограничного слоя, где воздушные массы перемешиваются посредством турбулентности, которая в случае устойчивой стратификации вызывается сдвигом ветра и волновыми процессами, а в случае неустойчивой - еще и силами плавучести [Гладких и др., 2009]. В работе [Горчаков и др., 2009] было рассмотрено вертикальное распределение угарного газа по данным измерений, проводимых на Останкинской телебашне. Установлено, что содержание СО может оставаться неизменным до высоты 350 м, в тоже время бывают дни, когда концентрация СО начинает практически от поверхности резко уменьшатся с высотой. Известно [Рекоиг е1. а1, 1993], что в период активной конвекции высота слоя перемешивания может достигать 500 м. Все вышесказанное свидетельствует о необходимости аккуратного учета высоты слоя перемешивания. По эмпирическим данным, представленным в работе [Горчаков и др, 2009], угарный газ равномерно распределен в нижнем слое атмосферы, толщиной несколько сотен метров, что совпадает с данными [Рекоиг е1. а1, 1993]. Высота слоя перемешивания - крайне важный показатель, используемый при оценке распределения примеси. Структура высоты слоя перемешивания неоднородна и может претерпевать значительные изменения в

течение суток [Локощенко, 2006]. В условиях атмосферы города неоднородность распределения определяется различным нагревом подстилающей поверхности и особенностям застройки. В городской атмосфере выделяют несколько различных слоев - слой шероховатости (где сказывается влияние зданий), слой перемешивания, урбанистический слой. Определение высот этих слоев может давать различные результаты. В связи с неоднородной структурой высоты слоя перемешивания была выбрана наиболее простая формула. Мы использовали известную оценку, основывающуюся на представлении о том, что высота пограничного слоя атмосферы определяется, как комбинация коэффициента турбулентного обмена и параметра Кориолиса:

где X - коэффициент вертикального турбулентного обмена, / — параметр Кориолиса, Н - высота слоя перемешивания. Простота подхода частично искупалась тем, что значения коэффициентов вертикального турбулентного обмена (X) рассчитывались в метеорологической модели COSMO-Ru7 с использованием одномерного прогностического уравнения турбулентной кинетической энергии [Mellor and Yamada, 1974; 1982]. Высота слоя перемешивания вычислялась для каждого часа суток.

Во второй части третьей главы приводятся результаты расчетов эмиссий, карты пространственного распределения и внутрисуточный ход выбросов в разных точках Москвы. Проводится анализ полученных данных, сравнение с данными инвентаризации выбросов TNO, описание вклада различных членов уравнения в итоговое значение эмиссии, анализируется адекватность полученных значений выбросов.

Эмиссии угарного газа были рассчитаны по выражению (2) для разных сезонов. Расчетные периоды выбирались исходя из синоптических ситуаций. Мы старались охватить наиболее разнообразные метеорологические условия -антициклональный период, прохождение атмосферных фронтов, условия сильного ветра, наличие температурных инверсий. На рис. 1 приведены

рассчитанные по данным за 20 апреля поля эмиссий в 9, 15 и 19 часов. Максимальные значения выбросов были получены для вечера - 19 ч., минимальные для дня -15 ч. Это объясняется активизацией автомобильного движения в «часы-пик». На рис. 1е можно видеть рост эмиссии в районе МКАД (юг, запад и север кольцевой дороги) и в Московской области. Выделяются области с более интенсивными выбросами на юге, севере и юго-востоке, проявляется Ленинградское шоссе в районе Химок и Сходни, где почти ежедневно скапливается большое число машин, образуются пробки. Полученные карты распределения выбросов представляются удовлетворяющими основным закономерностям формирования поля эмиссий СО.

Рис. 1. Эмиссии угарного газа 20 апреля 2011 в Москве в 9 часов (а), 15 часов (6) и 19 часов (в), рассчитанные по уравнению (2), кг/час с ячейки.

О Ю 1500 1500 Ю 4000 4000 Ю 8000 ВО00 10 10500 10500 И 13000

Согласно выражению (2) эмиссия угарного газа рассчитывается с использованием данных об адвекции и изменении концентрации СО со временем. Для того, чтобы оценить вклад различных членов выражения в суммарную эмиссию, обратимся к Таблице 1, где приведен фрагмент расчетов различных составляющих уравнения и суммарной эмиссии 20 апреля 2011 г. В случае если сумма членов давала отрицательный результат, эмиссия считалась равной нулю.

Горизонтальная турбулентная диффузия, утром и вечером незначительно влияет на эмиссию. Вклад в эмиссию члена уравнения (2), характеризующего

«изменения по времени», утром и вечером заметно больше, чем в дневное время. Это отражает активизацию автомобильного движения в часы-пик. Днем суммарная эмиссия уменьшается за счет небольшого (а иногда и отрицательного) вклада члена, характеризующего «изменения по времени» (отражающего суточный ход). Из Таблицы 1 видно также, что адвективное слагаемое вносит весомый вклад в суммарную эмиссию, особенно вечером рассматриваемого дня, когда увеличилась скорость ветра.

Таблица I. Вклад разных членов выражения (2) в эмиссию СО, 20 апреля 2011 г.

(фрагмент данных для нескольких расчетных ячеек)

Время Град. Эмиссия с площади ячейки, кг/ч Вклад, кг/ч

С.Ш. в.д. изменения по времени адвекции горизонтальной турбулентной диффузии

Утро

8 37.8245 55.63 1669 1260 409 0,550

8 37.8245 55 69 1771 1322 448 0,677

8 37.8245 55.75 499 1334 -834 -0,005

8 | 37.8245 55.81 0 1361 -1402 -0,590

8 37.8245 55.88 942 1362 -420 0,077

День

13 37,5745 55,63 2137 -369 2508 -1,551

13 37,5745 55,69 88 -299 378 8,920

13 37,5745 55,75 0 -120 -2142 -0,970

13 37,5745 55,81 391 -583 973 -0,001

Вечер

20 37,512 55,94 436 1089 -653 0,343

20 37,575 55,56 1397 670 727 0,158

20 37,575 55,63 4290 632 3661 -2,815

20 37,575 55,69 1907 299 1600 7,637

Эмиссии, рассчитанные по авторской методике, были сопоставлены с данными TNO, которые является наиболее удобными для использования в качестве входной информации в COSMO-Ru7-ART. Эмиссии TNO имеют высокое разрешение (горизонтальное — 8x8 км, временное разрешение - 1 час), которое достигается с помощью специальной интерполяции. В настоящее время доступны данные TNO с 2003 по 2007 гг. [Van der Gon et al., 2011]. Ha последующие годы эмиссии интерполируются с помощью методики IIASA (Международный институт прикладного системного анализа) [Pulles et. al, 2007]. Поля эмиссий TNO имеют радиальную структуру: в центре города (в том

числе и Москвы) выбрасывается максимальное количество СО, а на окраинах -минимальное. Локальные факторы загрязнения, в большинстве случаев, не учитываются. Таким образом, игнорируется влияние отдельно стоящих промышленных предприятий, ТЭЦ и других источников.

В Таблице 2 приведены средние и максимальные значения эмиссий угарного газа, полученные двумя разными способами для территории Москвы. Максимальные значения выбросов, по данным ТЫО, наблюдаются зимой. Завышенные значения выбросов в это время года могут быть связаны с преувеличением эмиссий от ТЭЦ, которые в зимний период работают активнее. Из таблицы 2 видно, что, в целом, порядок значений рассчитанных эмиссий и данных ТЫО совпадает. Среднее значение по исследуемой территории (Москва и ближайшее Подмосковье) составляет от 1000 до 5000 кг/час с ячейки. Максимум выбросов не превышает 20 000 кг/час с ячейки.

Таблица 2. Средние и максимальные значения актуальных эмиссий угарного газа и эмиссий

по данным ТЫО для территории Москвы.

февраль апрель август ноябрь

Актуальные эмиссии тао Актуальные эмиссии ТЫО Актуальные эмиссии ТЫО Актуальные эмиссии ТЫО

Среднее 1199 4793 1786 2360 2416 1697 1224 2941

Максимум 11869 18847 13611 14562 20003 15700 8902 16300

В целом, средние и максимальные значения рассчитанных эмиссий получили хорошее согласование с данными положительно зарекомендовавшей себя базой данных о выбросах - ТЫО. Сравнивая значения актуальных эмиссий с данными ТЫО, мы хотели получить подтверждение адекватности рассчитанных нами значений выбросов, в чем мы и убедились.

4 глава посвящена использованию рассчитанных эмиссий СО для прогноза концентрации угарного газа на одни сутки с помощью ХТМ СОБМО-Ли7-АК.Т. Приводятся результаты моделирования с использованием эмиссий ТЫО и эмиссий, рассчитанных предложенным в данной работе методом.

Прогностическая концентрация СО сравнивается с измеренной на ближайшей станции, попадающей в пределы модельной ячейки.

Для реализации оперативного прогноза пространственно-временного распределения угарного газа необходимо знать распределение и мощность его источников с достаточным разрешением на период прогноза. Такая информация отсутствует и не существует возможности ее получения для условий мегаполиса. Поэтому было предложено при прогнозе на сутки использовать эмиссии, рассчитанные по данным предыдущего дня. При этом предполагается, что в течение следующих суток сохраняется та же структура выбросов. В случае переноса значений эмиссий на следующий день нужно учитывать недельный ритм большого города: эмиссии, рассчитанные по данным пятницы, не корректно переносить на субботу, так же как выбросы в воскресенье не корректно использовать для прогноза в понедельник. Таким образом, предлагаемая схема может оперативно работать для прогноза концентрации в следующие дни недели: вторник, среда, четверг, пятница. Именно для таких временных периодов и производились расчеты.

Идея об использовании средних эмиссий за неделю или за несколько последовательных дней была отклонена автором, так как это имеет больше общего с инвентаризациями, нежели с оперативным расчетом.

Каждый раз модель С08М0-Яи7-АЯТ запускалась на 24 часа от 00 часов иТС. При этом для каждого дня производилось 2 запуска с разными данными об эмиссиях СО. При первом запуске использовались данные инвентаризации выбросов ТОО, при втором - актуальные эмиссии. При этом, во втором случае в модель сначала поступают данные о выбросах ТЫ О, далее происходит считывание второго поля эмиссий - актуальных, рассчитанных по авторской методике. Второе поле заменяет первое в тех ячейках сетки, где присутствуют данные. Таким образом, в Москве и в ближайшем Подмосковье (Зеленоград, Сходня, Долгопрудный) производилась замена эмиссий ТЫО актуальными выбросами. А на остальной территории Московской области, где отсутствовали данные о концентрациях и, соответственно, было невозможно рассчитать

эмиссии, использовались данные ТТчЮ. Такой подход в неурбанизированном Подмосковье должен давать адекватные результаты, так как в отсутствии большего количества антропогенных источников выбросов СО, средние многолетние данные, подготавливаемые ТЫО, отражают картину довольно правдоподобно. На рис. 2. приведена схема прогноза концентрации СО с использованием актуальных эмиссий и эмиссий ТЫО.

Измеренная концентрация -виртуальные станции

СОЗМО-Ки7

и, V, X

Расчет «актуальных» эмиссий

_ ,,,оС 8Си ССУ -дії су ^гЯч

оі дх су д.х су сг

С08М0-Яи7-АЯТ

/Эмиссии ТЫО для М.обл і

Прогноз по актуальным эмиссиям

Эмиссии ТЫО

С05М0-Яи7-АаТ

Прогноз ПО ТЫО

а) б)

Рис. 2. Схема прогноза концентраі(ии СО с использованием актуальных эмиссий (а) и эмиссий ТЫО (б).

На рис. 3. показано пространственное распределение концентрации СО в 8 ч. 25 февраля и особенности суточного хода концентрации в районе станции «МАДИ» в рассматриваемый период. Синоптическая ситуация во время расчетного периода практически не менялась, поэтому концентрация угарного газа варьировала день ото дня, в основном, за счет эмиссий. Из графика видно, что использование данных ТЫО приводит к систематическому завышению

концентрации. В суточном ходе проявляются 2 максимума: в 9 ч. - от 2 до 3 мг/м3; в 20 ч. - около 1.5 мг/м3. Столь высокие значения не согласуются с данными измерений. При использовании актуальных эмиссий, модельные результаты показали очень хорошее согласование с измеренными концентрациями. Исключение — 23 февраля. В этот день модель завысила концентрации угарного газа. Это связано с тем, что для расчетов 23 февраля использовались эмиссии, рассчитанные на основании концентрации 22 февраля, а так как 23 февраля - выходной день, реальные выбросы СО были несколько ниже. Таким образом, подтверждается сделанное выше заключение о том, что перенос эмиссии на последующие сутки должен выполняться при учете выходных дней. 25 февраля отмечалось превышение ПДК с.с. в 8 ч. при использовании для прогноза данных ТЫО. Резкий рост концентрации связан как с увеличением выбросов, так и со «сносом» высоких значений эмиссий из центра города. Видно (рис. 3), что использование актуальных эмиссий позволяет избежать ошибок в прогнозе и необоснованного прогноза того, что произойдет превышение ПДК с.с.

Рис. 3. Пространственное распределение концентрации СО в 8 ч. 25 февраля (сверху) и особенности суточного хода концентрации СО в районе станции МАДИ в рассматриваемый период по данным прогноза на 1 сутки, осуществленного моделью СОЗМО-Яи7-АЯТ (снизу) с использованием эмиссий ТЫО (1-зеленый цвет); актуальных эмиссий (2- красный цвет). (3- синий цвет) - данные наблюдений. 3.0 - ПДК с. с, Мг/м'

В Таблице 3 приведены значения средних отклонений модельных данных от измеренных на станциях Мосэкомониторинга концентраций. Видно, что в большинстве точек отклонение при использовании данных ТЫО больше, чем при использовании актуальных эмиссий.

1 Пш: ТХО 0 0 !0 0 2

■ С 2 !0 0 4

И^ННЩУ^ 0 4 » 0 6

а 0 * » 0 «

■ 0 -в 50 1 0

■ 10» 12

■ 12 (О 14

■ 1 4 !0 2 0

* * йк!^ ■ 2 0 » 3 0

вВ Явш ■ 30 й 40

1 —2 —3

Ала л

1 ) •> / ■пнмчлчлл

Таблица 3. Средние отклонения рассчитанных концентраций от измеренных за расчетный период (22 - 25 февраля 2011 г.) с использованием разных типов эмиссий, мг/м*

Откл. "модель -наблюдения" ул. Казакова Чаянова МАДИ ул. Толбухина Косино Полярная Шаболовка Сред, откл.

Актуальные эмиссии 0,35 0,33 0,36 0,50 0,11 0,20 0,40 0,32

ТІЧО 0,55 0,55 0,53 0,85 0,30 0,18 0,53 0,50

На рис. 4. приведены результаты прогноза концентрации для апреля. На рис. 4а представлен график изменения концентрации угарного газа в районе станции «Полярная». Видно, что 19 и 20 апреля концентрация невосока и хорошо предсказана моделью, во второй половине расчетного периода концентрация начинает повышаться, что связано со сменой синоптической ситуации: 21 апреля над Москвой установился антициклон, что способствовало застою воздуха и слабому рассеянию примесей. При использовании данных ТЪЮ модель сильно завышает концентрации. Использование актуальных эмиссий позволяет получить лучший результат. Ночью 21 апреля на станции Полярная наблюдались очень высокие значения концентрации СО - до 2.5 мг/м3. Этот максимум не был отражен моделью. Возможно, он связан с появлением локального и очень мощного источника угарного газа (например, автомобильной пробки) у станции в ночные часы. Такой факт не мог быть предсказан заранее.

3,0

\ 1 3

2,5

т 2.0 Д 1.5 5 1.0

0.5

0.0

---гад с.с.

Рис. 4. Средняя часовая концентрация СО в районе станции «Полярная» (а) и Бутлерова (б) по данным прогноза на I сутки, осуществленного моделью СОБМО-ЯиТ-АКТ с использованием эмиссий ТЫО (1); актуапьных эмиссий (2). 3 - данные наблюдений.

На рис. 46 приведены результаты для узла сетки, находящегося в районе ул. Бутлерова. Существенное превышение концентрации СО (при использовании данных ТТЧО) начинается с первых дней расчетного периода. Максимальная ошибка - вечером 22 апреля, когда концентрация СО достигает почти 4.5 мг/м3, то есть практически предельно допустимой максимальной разовой концентрации (ПДК м.р. = 5 мг/м3). Такое завышение связно не только с преувеличением эмиссий, заложенных в ТГчЮ, но с метеорологическими условиями: вечером 22 апреля ветер сменил направление на северное и все эмиссии (выбрасываемые ПчЮ в центре Москвы) были снесены на юг, как раз в район ул. Бутлерова.

Рассмотрим теперь некоторые данные, полученные для периода 29 ноября - 2 декабря 2011 г. На рис. 5. показано изменение концентрации СО в Зеленограде и пространственная структура поля распределения концентрации СО в 15 ч. 1 декабря 2011 г. Видно, что максимальная концентрация угарного газа в Зеленограде наблюдалась 1 декабря. При этом рост наблюдался как по данным наблюдений, так и по модельным данным. Это связано со сменой направления ветра на южное. Из-за этого шлейф загрязнения от Москвы распространялся на север и северо-запад, что хорошо видно из карт, приведенных на рис. 5 (снизу). При использовании завышенных эмиссий ТЪЮ, 1 декабря концентрация СО получилась выше измеренной в 2.5 раза. Нужно отметить, что в другие дни, концентрация СО была ниже измеренной и не имела выраженного суточного хода. Анализ рис. 5 позволяет заключить, что использование актуальных эмиссий помогает исключить ошибки в прогнозе и способствует воспроизведению моделью близкой к измеренной концентрации.

На рис. 6. приведено схематическое изображение статистических характеристик (максимального, минимального, среднего значений; квантилей 0.25 и 0.75) пространственного распределения концентрации СО для нескольких дней по модельным данным (с разными видами эмиссий) и по данным наблюдений. Видно, что при использовании данных ТТчЮ, максимумы сильно завышены по сравнению с данными наблюдений, в то время как при

прогнозе на основе актуальных эмиссий, этот разрыв заметно сокращается (рис. 6 а, г).

Рис. 5. Изменение концентрации СО в Зеленограде (сверху) и пространственная структура концентрации СО в 15 ч. 1 декабря 2011 г. на территории Москвы по данным прогноза на 1 сутки, осуществленного моделью СО$МО-Ки7-АКТ с использованием эмиссий ТЫО (а); и актуальных эмиссий (б). (в) - данные наблюдений. Мг/м3

Представленные на рис. 6 графики характеризуют суточный ход концентрации угарного газа, который, как видно из данных наблюдений (Рис. 6 б, д), далек от классического — «двугорбого». В августе по модельным данным и по данным измерений, суточный ход концентрации СО (Рис. 6, ж, з, и) был похож: наблюдался максимум в 9-10 утра и второй, сглаженный максимум в вечерние часы. Однако при использовании эмиссий Т>Ю утренний максимум не проявляется в средних значениях, а значение квантили 0.75 не превышает 0.45 мг/м3. Для этого же дня модель показала лучшую согласованность с наблюдениями при использовании актуальных эмиссий. К особенностям прогностической концентрации СО на основе ТТМО можно

отнести большие пространственные контрасты, которые выражаются в сильном завышении концентрации в центре города, и занижении - в Московской области.

COSMO-ART, Актуальные Наблюдения Cosmo-ART, Эмиссии TNO

эмиссии

Февраль, 24

1.6 п -л-

ЙЕ!

Апрель, 20

^sylil1]

Il......I.........Il ; д) 0 nTTTTi 11 ■ 11 ' I и 11 гт e) rn : и 111 111 и и и

Август, 9

Рис. 6. Статистические характеристики (максимальное, минимальное, среднее значения, квантили 0.25 и 0.75) распределения концентрации СО по пространству по данным модели СО5МО-Яи07-АЯТ с использовании актуальных эмиссий (слева), данных TNO (справа); концентрации, излюренные на сети «Мосэкомониторинг» (в центре). Ось абсцисс - время суток. Мг/м3.

В заключении перечислены основные полученные результаты и сформулированы выводы по диссертационной работе:

• Усовершенствованная методика интерполяции концентрации угарного газа, измеренной на сети ГПУ «Мосэкомониторинг», в узлы регулярной сетки на территории Московской агломерации позволяет восстановить более приближенную к истинной структуру поля концентрации угарного газа.

• Разработан и реализован в программном коде метод расчета эмиссий угарного газа с площади ячейки 7x7 км, основанный на данных о концентрациях СО и метеорологической информации, получаемой с помощью мезомасштабной модели СОЗМО-Яи7.

• Проведенное сравнение рассчитанных по авторской методике эмиссий угарного газа с данными широко используемой в мире инвентаризации выбросов ТЫО для нескольких временных периодов в разные сезоны показало хорошее совпадение средних и максимальных значений, что говорит об адекватности полученных значений выбросов.

• Осуществление ряда численных краткосрочных прогнозов концентрации угарного газа для отдельных временных периодов с помощью модели С05М0-Яи7-АЯТ с использованием авторской методики расчета эмиссий показало возможность осуществления оперативного краткосрочного прогноза (на 1 сутки) концентрации угарного газа на территории Московской агломерации с достаточной точностью.

• Верификация данных прогноза путем их сравнения с измеренными на сети ГПУ «Мосэкомониторинг» концентрациями, показала повышение точности прогноза концентрации угарного газа при использовании для моделирования актуальных эмиссий, рассчитываемых согласно авторской методике.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК:

1. А.П. Ревокатова. Метод расчета эмиссий угарного газа для прогноза загрязнения воздуха в Москве. // Метеорология и Гидрология. - 2013 -№6,- С. 43-55.

2. А.П. Ревокатова, Г.В. Суркова, A.B. Кислов. О методе оперативного расчета эмиссий загрязняющих веществ в атмосферу на примере Москвы и Московской области. // Вестник МГУ, серия География. - 2013 - № I,-С. 33-42.

3. А.П. Ревокатова, Г.В. Суркова, A.A. Кирсанов, Г.С. Ривин. Прогноз загрязнения атмосферы Московского региона с помощью модели COSMO-ART. // Вестник МГУ, серия География. - 2012 - №IV- С. 25-32.

Содержание диссертации также отражено в следующих публикациях:

4. А.П. Ревокатова, Г.В Суркова, A.B. Кислов. Краткосрочный прогноз концентрации угарного газа в атмосфере Москвы. Тезисы конференции молодых специалистов по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Обнинск, - НПО «Тайфун». - 2013. - С. 257-260.

5. А.П. Ревокатова, Г.В Суркова, A.A. Кирсанов, A.B. Кислов, Г.С. Ривин. Краткосрочный прогноз концентрации угарного газа в атмосфере Москвы. Труды научно-практической конференции «Загрязнение атмосферы городов». - СПб, - ГГО им. А.И. Воейкова - 2013. - С. 72-74.

6. Г.В Суркова, А.П. Ревокатова, A.A. Кирсанов, A.B. Кислов, Г.С. Ривин, И.А. Розинкина. Краткосрочный прогноз концентрации загрязняющих веществ в атмосфере мегаполиса (на примере Москвы) в Гидрометцентре РФ с использованием химико-транспортной модели COSMO-Ru7-ART. Труды научно-практической конференции «Загрязнение атмосферы городов». - СПб, - ГГО им. А.И. Воейкова - 2013. - С. 70-72.

7. А.А. Кирсанов, А.П. Ревокатова, Г.С. Ривин, Г.В. Суркова. Численное моделирование загрязнения атмосферного воздуха в период лесных пожаров на Европейской части России летом 2010 года с использованием химико-транспортной модели COSMO-Ru7-ART. Труды научно-практической конференции «Загрязнение атмосферы городов». - СПб, -ГГО им. А.И. Воейкова - 2013. - С. 74-75.

8. A. Revokatova, G. Surkova and A. Kislov. Short-term forecast of carbon monoxide concentrations over Moscow region. Vol. 15, EGU General Assembly, 2013. Geophysical Research Abstracts - id. EGU2013-879.

9. A. Revokatova, G. Surkova, A. Kirsanov, G. Rivin. Applications of COSMO-ART for short-term forecast of air pollutants' concentrations over the center of the European part of Russia. Book of abstracts. COSMO User Seminar 2012. 2012.-P. 12.

10. A. Revokatova. Possibilities of short-term forecast of air pollutants' concentrations over the center of the European part of Russia on the basis of chemical-transport model. Abstracts of Summer School on "Integrated Modeling of Meteorological and Chemical Transport Processes / Impact of Chemical Weather on Numerical Weather Prediction and Climate Modeling" Odessa. 2011.-P. 28-29.

11. G. Surkova, A. Revokatova, A.Kirsanov, I. Rozinkina, (J. Rivin. l-'irst experience of the use of COSMO-ART in Russian 1 lydrometeorological Centre for the European Russia. Collection of abstracts. COSMO I Iscr Seminar 2011.2011.-P. 33-34.

Подписано в печать: 18.10.2013

Заказ № 8921 Тираж - 150 экз. Печать трнфарегпан. Обьсм: I усл.ил. Типогрифпм « 11-11 ФОРМАТ» ИНН 77263.1(1400 115230, Москва, Нпршшч кос ш., 36 (499) 788-78-56 WWW.iUllorclcrill.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Ревокатова, Анастасия Петровна, Москва

московским государственный университет

имени М. В. ЛОМОНОСОВА Географический факультет

На правах рукописи

04201364722

РЕВОКАТОВА Анастасия Петровна

КРАТКОСРОЧНЫЙ ПРОГНОЗ КОНЦЕНТРАЦИИ УГАРНОГО ГАЗА В АТМОСФЕРЕ МОСКОВСКОЙ АГЛОМЕРАЦИИ

25.0030- метеорология, климатология, агрометеорология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор КИСЛОВ А.В.

Москва-2013

Содержание:

Введение.............................................................................................................3

1. Глава 1. Загрязнение атмосферного воздуха в городах...........................................10

1.1. Источники загрязнения атмосферы..................................................................10

1.1.1. Антропогенные эмиссии газообразных веществ и аэрозолей в атмосферу.....11

1.1.2. Основные загрязняющие вещества в атмосфере городов и их влияние на здоровье человека......................................................................................14

1.1.3. Особенности временной изменчивости и пространственного распределения концентрации примесей в городах........................................21

1.1.4. Содержание угарного газа в атмосфере...................................................23

1.1.5. Способы оценки эмиссий загрязняющих веществ. Базы данных....................29

1.1.6. Спутниковая информация....................................................................41

1.1.7. Обратное моделирование.....................................................................43

1.2. Загрязнение атмосферы Московской агломерации............................................48

1.3. Атмосферная химия городов........................................................................52

1.3.1. Газофазные и жидкофазные реакции.....................................................52

1.3.2. Физическая и химическая трансформация аэрозолей..................................59

1.3.3. Опасные явления загрязнения атмосферы................................................60

2. Глава 2. Моделирование распространения и трансформации химических веществ в атмосфере...................................................................................66

2.1. Подходы к моделированию переноса примеси в атмосфере................................66

2.2. Химико-транспортные модели в мире............................................................71

2.2.1. История и развитие.............................................................................71

2.2.2. «Он-лайн» и «офф-лайн» подходы...........................................................73

2.2.3. Химические модули в моделях..............................................................76

2.2.4. Аэрозоли.........................................................................................80

2.2.5. Входная информация...........................................................................81

2.2.6. Использование ХТМ в мировой практике..................................................82

2.3. Модельная система COSMO-Ru7-ART............................................................88

2.3.1. Метеорологическая модель COSMO........................................................89

2.3.2. ART - блок химических и физических трансформаций газов и аэрозолей........75

2.3.3. Использование COSMO-Ru7-ART в Гидрометцентре России......................100

3. Глава 3. Эмиссии загрязняющих веществ......................................................101

3.1. Расчет эмиссий.......................................................................................101

3.1.1. Обработка данных измерений концентрации угарного газа............................105

3.1.2. Оценка высоты слоя перемешивания.....................................................114

3.2. Анализ величин эмиссий угарного газа, определенных описанным методом...........118

3.2.1. Пространственно-временная структура.....................................................118

3.2.2. Сравнение полученных эмиссий с данными TNO........................................130

4. Глава 4. Реализация метода прогноза концентрации угарного газа на территории Москвы...................................................................................136

4.1. Прогноз пространственно-временного распределения концентрации СО по данным COSMO-Ru7-ART с использованием эмиссий, полученных из разных источников...........136

4.1.1. 9-12 августа.......................................................................................138

4.1.2. 22- 25 февраля.....................................................................................144

4.1.3. 19-22 апреля....................................................................................149

4.1.4. 29 ноября - 2 декабря.............................................................................154

4.2. Статистические характеристики качества прогноза..............................................159

Заключение...........................................................................................................165

Список использованной литературы............................................................................166

Введение

Постоянно растущие темпы загрязнения атмосферы городов - основной среды проживания миллиардов людей, делают крайне важной для современной метеорологии задачу прогноза загрязнения воздуха в городах и городских агломерациях.

Краткосрочный пространственно детализированный прогноз

распределения загрязняющих веществ в атмосфере должен решаться в рамках общей проблемы прогноза погоды. Совместный прогноз трех типов погоды: собственно погоды, химического состава воздуха (концентрации опасных газовых и аэрозольных соединений) и экологического воздействия, включающего оценку степени воздействия химических соединений, в том числе пыльцы и других аллергенов, на здоровье и самочувствие населения [А1ара1у е1:. а1., 2012] основан на использовании химико-транспортной модели (ХТМ), в которой концентрация вещества определяется совокупным действием адвекции и диффузии, химических реакций, вымыванием и сухим осаждением веществ, а также их эмиссией с подстилающей поверхности. Последний фактор самый проблемный с практической точки зрения, так как в условиях множественного действия точечных источников он не может быть надежно определен. Необходимость преодоления этого препятствия стимулировала развитие в мировой практике косвенного подхода к оценке эмиссий, который не способен обеспечить надежных результатов в краткосрочном прогнозе.

при использовании их в прогностических целях считается, что в каждый конкретный день и час эмиссии повторяют особенности, наблюдавшиеся в прошлые годы. Подобные инвентаризации выбросов - единственная информация об эмиссиях загрязняющих веществ, имеющая достаточное для работы химико-транспортных моделей разрешение. Другие доступные данные о выбросах, такие как расчеты эмиссий от промышленных предприятий и транспорта, основанные на специальных методиках, публикуемые в ежегодниках по выбросам [Ежегодник выбросов, 2008], приводятся для каждого субъекта или для отдельного предприятия в целом за год, поэтому их невозможно использовать в ХТМ, которые требуют данные об эмиссиях с ежечасным (иногда, более грубым) разрешением в узлах дискретной сетки. Информации о мощности площадного источника - сегмента городской территории, не существует, и нет даже теоретической возможности ее получения для условий мегаполиса Актуальность работы

Недостаточная точность имеющихся данных об эмиссиях и необходимость задания актуальных значений выбросов для прогноза, обуславливает актуальность разработки метода расчета эмиссий загрязняющих веществ на основании реальных данных измерений.

информации и наличием физической основы для расчета, для которого используются актуальные, «живые» данные.

Широко поставленная проблема по мере исследования сужалась до реально выполнимой задачи. Оказалось, что без серьезных погрешностей, из ряда важных с точки зрения влияния на здоровье человека веществ, возможна оценка функции источника угарного газа - химически инертной примеси. Для других веществ, например, таких как оксиды азота и диоксид серы, оценка мощности источника потребовала бы обязательный учет потерь и образования вещества за счет химических реакций, что повлекло бы за собой ряд приближений и параметризации, приводящих к ошибкам. Изучение и прогноз концентрации СО в городской атмосфере представляет собой актуальную задачу. Моноксид углерода (СО) - один из наиболее опасных токсичных газов, повышенные концентрации которого оказывают негативное влияние на здоровье человека. В мегаполисах содержание угарного газа на 95% зависит от выбросов антропогенных источников, из которых основным является автомобильный транспорт. Дополнительную опасность представляют лесные и торфяные пожары в окрестностях мегаполиса, во время которых концентрация СО может многократно превышать фоновые значения. Помимо этого, СО является климатическим газом, так как при уменьшении его концентрации, снижается количество окислительных реакций с гидроксил-радикалом, и в атмосфере остается больше ОН для окисления метана - парникового газа.

Ограничения разрабатываемой методики были связаны и с учетом такой особенности эмиссий, как недельный ритм мегаполиса. Для прогноза на сутки использовались эмиссии, рассчитанные за предыдущий день, так как информации об изменении концентрации в течение последующих суток нет и, соответственно, эмиссии рассчитать невозможно. При таком подходе предполагалось, что в течение следующих суток сохраняется та же структура выбросов. Понятно, что эмиссии, рассчитанные по данным пятницы, не корректно переносить на субботу, так же как выбросы в воскресенье некорректно использовать для прогноза в

понедельник. Таким образом, предлагаемая схема может оперативно работать для прогноза концентраций в следующие дни недели: вторник, среда, четверг, пятница. Именно для таких временных периодов и производились расчеты. Исследуемая территория включала в себя г. Москву в ее старых границах (до административного присоединения территории между Калужским и Киевским шоссе) и ближайшие пригороды. Выбор расчетной территории строго зависел от наличия данных наблюдений за концентрацией монооксида углерода.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка метода оценки эмиссий угарного газа и реализация краткосрочного прогноза его концентрации в атмосфере Московского мегаполиса.

В работе поставлены и решены следующие задачи:

1) Усовершенствована методика интерполяции данных измерений сети станций сети ГПУ «Мосэкомониторинг» о концентрации угарного газа в узлы регулярной сетки на территории Московского мегаполиса.

2) Разработан и реализован в програмном коде метод расчета эмиссий угарного газа с площади ячейки 7x7 км, основанный на данных о концентрациях СО и метеорологической информации, получаемой с помощью мезомасштабной модели С08М0-Яи7 .

3) Проведено сравнение рассчитанных эмиссий угарного газа с данными широко используемой в мире инвентаризации выбросов ТТчЮ для нескольких временных периодов в разные сезоны.

4) С помощью модели С08М0-Яи7-АКТ, с использованием авторской методики расчета эмиссий, осуществлен ряд численных краткосрочных прогнозов концентрации угарного газа в Московском мегаполисе для отдельных временных периодов.

5) Проведена верификация данных прогноза путем их сравнения с измеренными на сети ГПУ «Мосэкомониторинг» концентрациями, доказано повышение точности прогноза концентрации угарного газа при

использовании для моделирования актуальных эмиссий, рассчитываемых согласно авторской методике.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Впервые разработан и реализован «он-лайн» метод расчета эмиссий угарного газа, заключающийся в определении мощности источника по реальным данным о концентрациях и метеорологической информации для узлов дискретной сетки с разрешением 7x7 км на территории Московского мегаполиса. Предлагаемый метод позволяет в оперативном режиме, без запаздывания по времени, получать данные о выбросах угарного газа с часовым разрешением.

• Впервые осуществлен краткосрочный прогноз (на одни сутки) концентрации угарного газа в Московском мегаполисе с использованием актуальных данных об эмиссиях, что открывает возможности реализации оперативного прогноза содержания угарного газа по территории г. Москвы.

Основные защищаемые положения:

1. Разработан метод расчета эмиссий угарного газа, позволяющий получать актуальные данные о выбросах СО в режиме реального времени. Получаемое пространственное распределение и мощность источников отражают условия формирования выбросов СО в г. Москве - пока что единственном на территории России городе, имеющем сеть станций, достаточную для реализации предлагаемой технологии.

2. Доказана возможность осуществления оперативного краткосрочного прогноза (на 1 сутки) концентрации угарного газа на территории Московского мегаполиса с необходимой точностью.

Практическая значимость

Разработанный метод расчета эмиссий делает выполнимой задачу оперативного прогноза пространственно-временного распределения конццентрации угарного газа на одни сутки на территории Москвы. Предлагаемый метод способен улучшить прогноз концентрации СО за счет фактического усвоения данных измерений по сравнению с прогнозом, для которого используются данные типовых инвентаризаций. Кроме того, основные идеи, заложенные в основу разработанной методики, могут быть использованы для расчета эмиссий других загрязняющих атмосферный воздух веществ.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на Международной конференции, посвященной памяти академика А. М. Обухова, «Турбулентность, Динамика Атмосферы и Климата» (май 2013); конференции Европейского Геофизического Союза в Вене (EGU-2013); на заседаниях COSMO User Seminar (Consortium for Small Scale Modelling) в 2012 и 2013 гг., на COSMO General Meeting в 2012 г., на Научно-практической конференции «Загрязнение атмосферы городов» (Санкт-Петербург, 2013 г) и на Конференции молодых специалистов по проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды (Обнинск, 2013 г.), где работа принимала участие в конкурсе и заняла первое место. Часть результатов данной работы вошла в отчетные материалы международного проекта MEGAPOLI (Megacities: Emissions, urban, régional and Global

Atmospheric POLlution and climate effects, and Integrated tools for assessment and mitigation) и национального проекта Мегаполис.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 184 страниц, 54 рисунка, 19 таблиц. Список использованной литературы содержит 148 наименований.

Глава 1

Загрязнение атмосферного воздуха в городах

1.1. Источники загрязнения атмосферы

Атмосфера - газовая оболочка Земли. Ее состав начал изучаться учеными еще до нашей эры. Однако вплоть до XVIII века единой гипотезы относительно состава и происхождения атмосферного воздуха выдвинуто не было. Часть исследователей считало воздух смесью газов, другие - веществом. Одним из камней преткновения в правильном понимании состава атмосферы был тот факт, что смесь газов должна была под действием силы тяжести разделиться на слои. Главной ошибкой в этой версии был недоучет процесса перемешивания.

Исследования XVIII века выявили наличие в атмосфере азота, кислорода и аргона. В дальнейшем стало понятно, что в воздухе одновременно присутствует еще и множество других газов, содержание которых мало по сравнению с основными газовыми составляющими. Все газы и примеси в атмосфере можно разделить на 4 основные группы:

1) Основные газовые составляющие - азот, кислород и аргон;

2) Малые газовые соста�

Информация о работе

Ревокатова, Анастасия Петровна
кандидата географических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.30

Диссертация

Краткосрочный прогноз концентрации угарного газа в атмосфере Московской агломерации - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы