Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование переноса примесей в атмосфере с использованием потокового представления в задачах обеспечения народного хозяйства

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата физико-математических наук, Ширшов, Николай Васильевич, Санкт-Петербург

- с

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОТОКОВОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ В ЗАДАЧАХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА

Специальность 11.00.09,- метеорология, климатология, агрометеорология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических

наук

На правах рукописи

УДК 501.510.04.543.27

ШИРШОВ НИКОЛАИ ВАСИЛЬЕВИЧ

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук профессор С. А. СОЛДАТЕНКО доктор физико-математических наук

С. С. СУВОРОВ

Санкт - Петербург 1997 г.

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

АО - аэрозольные образования, ИАЦ - информационно-аналитический центр, КР - комбинационное рассеяние, МХ - модуляционная характеристика, ППС - планетарный пограничный слой, СЭМ -система экологического мониторинга, ЭМР -энергетическая матрица рассеяния, ЭПР - эффективная площадь рассеяния, с - вектор концентраций примесей, а я - коэффициент объемного рассеяния, 8 - вещественный вектор Стокса.

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ...................... 2

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ 5

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПЕРЕНОСА ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................... 11

1.1. Роль и место математической модели переноса примесей в системе прогнозирования уровня загрязнения воздушного бассейна.................. 11

1.2. Краткий критический анализ основных типов математических моделей распространения примесей в атмосфере.................................. 15

1.3. Постановка задачи исследования......................................................... 20

ВЫВОДЫ Пр РАЗДЕЛУ.................................................................................. 23

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ВОЗДУШНОГО ПЕРЕНОСА ЗАГРЯЗНЕНИЙ В МАСШТАБАХ БОЛЬШОГО ГОРОДА И ОБЛАСТИ............................................................... 25

2.1. Общие замечания................................................................................... 25

2.2. Знаковые потоковые модели как аппарат моделирования процессов переноса примесей в атмосфере.............................................................. 38

2.3. Структуризация воздушного бассейна и математизация внутрика-мерных и межкамерных взаимодействий................................................ 47

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ.................................................................................. 55

3. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ..................................... 57

3.1. Анализ дистанционных лазерных методов зондирования атмосферы.................................................................................................. 59

3.2. Определение газового состава атмосферы лидарными методами...... 68

3.3. Селекция загрязненных облаков радиолокационным методом...................................................................................................... 73

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ.................................................................................. 78

4. ЗНАКОВАЯ ПОТОКОВАЯ МОДЕЛЬ ВОЗДУШНОГО ПЕРЕНОСА ПРИМЕСЕЙ В МАСШТАБАХ ГОРОДА И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ..................................................... 80

4.1. Малопараметрическая модель воздушного переноса примесей..................81

4.2. Численные эксперименты и анализ их результатов..........................................................95

4.3. Предложения по получению исходных данных при реализации модели................................................................................................................................................................................................................103

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ.................................................................................. 108

ЗАКЛЮЧНИЕ.................................................................................................... 109

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................... 113

ВВЕДЕНИЕ

Современное человечество живет в эпоху интенсивного развития научно-технического прогресса, сопровождающегося значительным техногенным воздействием на окружающую природную среду. Несмотря на то, что в последние годы принимаются активные меры (главным образом в промышленно развитых странах) по охране и оздоровлению природной среды, общее ее состояние вызывает озабоченность у мировой общественности.

Масштабы воздействия хозяйственной деятельности человека на природную среду носят поистине гигантский характер. Поступление в атмосферу, океан, воды суши, почву различных химических соединений (а их примерно 100 тыс. [82]), образующихся в результате производственной деятельности, в десятки раз превосходят естественное поступление веществ при выветривании горных пород и вулканизме. К примеру, в результате сжигания природного топлива в атмосферу ежегодно поступает (даже с учетом очистки) более 20 млрд. тонн двуокиси углерода и более 700 млн. тонн других паро- и газообразных соединений и твердых частиц [81].

Усиление техногенного воздействия на природную среду породило целый ряд экологических проблем, из них самые острые связаны с состоянием атмосферного воздуха, водных и земельных ресурсов.

В Подобной ситуации особенно важной оказывается объективная информация о критических показателях антропогенного воздействия, о фактическом состоянии биосферы и прогнозах ее будущего состояния. Острая необходимость в такой информации возникает при обеспечении своевременного выявления антропогенных изменений состояния природной среды, что обусловливает потребность в создании и организации деятельности специальной информационной системы экологического мониторинга (СЭМ) или мониторинга окружающей среды для наблюдения, анализа и прогноза состояния природной сре-

ды, в первую очередь, за характером и уровнем загрязнений и эффектов, вызываемых ими в биосфере.

„ I

В связи с этим представляется чрезвычайно важным дать ответ на вопрос о том, каково будет состояние окружающей природной среды и отдельных ее компонентов в ближайшем и отдаленном будущем? Сложность прогнозирования состояния окружающей природной среды объясняется особенностями развития научных исследований в этой области. Сейчас уже стало ясно, что без привлечения; к решению конкретных проблем окружающей природной среды фундаментальных наук, таких, как физика, математика, химия, а также методов математического моделирования невозможно прогнозировать состояние как природной среды в целом, так и ее компонентов.

Математическое моделирование, являясь мощным средством теоретического изучения процессов, протекающих в окружающей природной среде, должно сыграть существенную роль при оценке возможных последствий хозяйственной деятельности и экологической экспертизе различного рода народнохозяйственных проектов, поскольку с помощью математических моделей оказывается возможным оценить возмущения основных параметров, характеризующих изменения состояния природной среды, под влиянием естественных и антропогенных факторов. С точки зрения математического моделирования влияние хозяйственной деятельности человека можно интерпретировать как реализацию некоторых экспериментов [83].

Моделирование экологических объектов как метод анализа и прогнозирования развития процессов в окружающей природной среде в последнее время все чаще выходит за рамки чисто исследовательских задач. Практически ни одна программа развития, включающая вопросы экологии, не обходится без раздела, связанного с моделированием того или иного природного объекта. Процесс разработки модельного имитационного комплекса, как показывает опыт работы в этой области, имеет тенденцию превращаться в центральную ли-

нию разработки проектов, вбирающую в себя работы по исследованию отдельных частных сторон и явлений решаемой проблемы.

В общем случае проблема регулирования и управления состоянием природной среды опирается на экологическое прогнозирование и требует построения эколого-экономических моделей. Эти модели целесообразно строить на основе модульного принципа, который дает возможность производить изменения внутри любого из модулей, не производя изменений эколого-экономической модели в целом.

Одним из важных аспектов контроля экологической обстановки является слежение за качеством атмосферного воздуха, загрязнение которого происходит как естественным путем (вулканические выбросы, лесные пожары, источники космического происхождения, пыльные бури и др.), так и антропогенными источниками. С точки зрения экологических проблем необходимо, прежде всего, обладать информацией о характере загрязнения атмосферного воздуха антропогенными источниками, к числу которых следует, в первую очередь, отнести промышленные предприятия, объекты энергетики (в том числе и атомной), транспорт. Поэтому нет сомнений в том, что одним из модулей эколого-экономических моделей должен являться модуль, позволяющий описывать процессы переноса различного рода примесей в атмосфере.

Проблеме моделирования распространения загрязнений из различных источников в атмосфере и осаждению их на подстилающую поверхность посвящена обширная литература (см., например, [39,57,71,82,109,120] и библиографию к этим источникам). Атмосферные процессы развиваются при совместном влиянии естественных и антропогенных факторов различных пространственно-временных масштабов. Поэтому возникает достаточно сложный вопрос о том, как построить математические модели, чтобы одновременно учесть два конкурирующих обстоятельства. С одной стороны, многообразие физических процессов и необходимость учета широкого спектра возмущений требуют, чтобы модели были как можно богаче по своему физическому содержанию, а их

дискретные аппроксимации обеспечивали требуемое пространственно-временное решение. И в то же время необходимо, чтобы эти модели можно было бы эффективно реализовывать на ЭВМ.

Накопленный к настоящему времени опыт решения задач физики атмосферы позволил принять за основу модели, описываемые системами полных уравнений гидротермодинамики атмосферы в неадиабатическом приближении с учетом процессов влагообмена и взаимодействия атмосферы с термически и орографически неоднородной поверхностью Земли. Построение подобных моделей является делом чрезвычайно сложным и оказывается под силу специалистам достаточно высокого уровня подготовленности. Традиционное математическое описание и алгоритмические языки программирования, как показывает накопленный опыт, оказываются все же недостаточно удобным инструментом для широкого использования в экологических исследованиях. Основная причина такого положения дел - неподготовленность широких слоев пользователей -экологов к овладению средствами моделирования.

Одним из возможных выходов из сложившейся ситуации является использование в процессе разработки математических моделей языков представления знаний, которые ориентированы на конкретного пользователя, не имеющего специальной подготовки в области программирования. К числу таких языков, ориентированных на решение экологических задач, является язык алгоритмических сетей , содержащий в качестве своего алфавита набор идеограмм, математическое содержание которых соответствует некоторым наиболее распространенным соотношениям, описывающим количественную сторону циркулирующих потоков в экосистеме. В данном случае математическая модель исследуемого объекта представляется в виде ориентированного графа, дугам которого сопоставлены переменные моделируемого объекта, а вершинам - операторы языка алгоритмических сетей. Такое представление математической модели называется алгоритмической сетью модели.

Следует отметить, что до настоящего времени язык алгоритмических сетей не использовался при решении задач физики атмосферы, оценивания и прогнозирования чистоты воздушного бассейна.

Настоящая диссертационная работа имеет целью создание алгоритмического и программного инструментария для решения задач прогнозирования воздушного переноса примесей, ориентированного на пользователей, не имеющих специальной подготовки в области программирования.

В соответствии с целью задачи исследования сводятся к следующим:

1) анализ состояния проблемы моделирования и прогнозирования переноса примесей в атмосфере;

2) обоснование необходимости и возможности использования знаковых потоковых моделей в задачах прогнозирования воздушного переноса загрязнений;

3) обоснование принципов структуризации воздушного бассейна;

4) математическое описание межкамерных и внутрикамерных процессов;

5) построение разностной схемы укрупненной математической модели воздушного переноса загрязнений и ее реализации в терминах языка алгоритмических сетей;

6) проведение численных экспериментов по моделированию процессов воздушного переноса загрязнений и их анализ;

7) разработка практических рекомендаций по использованию знаковых потоковых моделей в задачах оценивания экологической обстановки.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые предложен алгоритмический и программный инструментарий для решения задач прогнозирования переноса примесей в атмосфере, основанный на знаковых потоковых моделях.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные модели могут быть использованы в задачах оценивания экологической обстановки в масштабах города, области, региона, а также оценивания последствий аварий на объектах атомной энергетики.

Основные научные результаты, выносимые на защиту, состоят в следующем:

1) разработаны принципы построения малопараметрической агрегированной математической модели переноса аэрозольных образований в атмосфере;

2) сформулирована малопараметрическая агрегированная математическая модель воздушного переноса загрязнений;

3) разработаны в терминах языка алгоритмических сетей алгоритмы, реализующие математическую модель воздушного переноса загрязнений на вычислительной технике;

4) разработаны практические рекомендации по использованию знаковой потоковой модели в практике метеорологического и экологического обеспечения народного хозяйства.

Результаты диссертационных исследований докладывались и получили одобрение на Всесоюзных научно-технических конференциях по совершенствованию метеорологического, гидрометеорологического и геофизического обеспечения Вооруженных Сил (Ленинград, 1984 и 1985 гг., Санкт-Петербург, 1993 г.), Всесоюзной конференции по дистанционному зондированию агропоч-венных и водных ресурсов (Барнаул, 1990 г.), семинарах кафедры технических средств контроля природной среды и автоматизированной обработки геофизической информации ВИКА имени А.Ф. Можайского.

Основные результаты диссертации опубликованы в статье, шести тезисах докладов на всесоюзных конференциях, двух отчетах по НИР.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПЕРЕНОСА ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Роль и место математической модели переноса примесей в системе прогнозирования уровня загрязнения воздушного бассейна

Проблема взаимодействия человека с окружающей природной средой в настоящее время представляет активно развивающуюся область приложения методов математического моделирования. Математические модели дают возможность проследить за характером и уровнем загрязнения компонентов природной среды: атмосферы, океана, вод почвы, суши, и оценить возмущения основных параметров, характеризующих изменения состояния земной климатической системы под влиянием как естественных, так и антропогенных факторов [26,28,107,11/7,118].

Естественный и антропогенный аэрозоль (пыль, дым, сажа и т.д.) в атмосфере трансформируется благодаря адвективному переносу, конвекции (в том числе и самоиндуцируемой, если аэрозоль сильно поглощает коротковолновую солнечную радиацию), горизонтальной и вертикальной турбулентной диффузии, седиментации, атмосферному влагообороту. Кроме этого, аэрозоль в зависимости; от своего состава может изменяться вследствие химических превращений. Для того, чтобы иметь возможность контролировать характер и уровень загрязнения атмосферного воздуха в зависимости от реально складывающейся метеорологической обстановки необходимо, прежде всего, обладать информацией о структуре динамики поля антропогенного аэрозоля. В решении этого вопроса неоценима роль специализированных математических моделей, которые позволяют прогнозировать эволюцию пассивных и химически активных (реагирующих) примесей в атмосфере [3,53,100]. Заметим, что примесь называется пассивной, если вплоть до выпадения на земную поверхность она не претерпевает изменений. Если же она в процессе распространения в атмосфере вступает в химические реакции с водяным паром и другими компонентами ат-

мосферы или переходит из одного химического состояния в другое, то такая примесь называется активной (реагирующей).

Однако, построение математических моделей необходимо выполнять с учетом существующих реалий, а именно - с учетом требуемого и возможного информационного обеспечения модели, возможностей имеющейся в распоряжении исследователя