Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Загрязняющие вещества в атмосфере 16
1.1. Перенос загрязняющих веществ в атмосфере, свойства и степень их опасности 16
1.2. Математическое моделирование переноса загрязняющих веществ в атмосфере 23
1.2.1. Локальные модели 24
1.2.2. Региональные модели и модели дальнего переноса 27
1.3. Параметризация процессов подсеточного масштаба для диффузионных моделей переноса загрязняющих веществ в атмосфере 35
Глава 2. Сбор, обработка и хранение метеорологической информации 44
2.1. Создание, пополнение и использование архива полей объективного анализа Гидрометцентра РФ 44
2.2. Расшифровка кодовых форм, содержащих значения метеорологических элементов, в системе первичной обработки на суперЭВМ CRAY Y-M8PE 50
Глава 3. Трехмерная модель дальнего переноса загрязняющих веществ в атмосфере 58
3.1. Математическая формулировка и численная реализация модели 59
3.1.1. Адвективный перенос загрязняющих веществ 60
3.1.2. Горизонтальная и вертикальная диффузия 61
3.1.3. Коэффициент вертикального турбулентного обмена 63
3.1.4. Осаждение загрязняющих веществ на поверхность 65
3.2. Программный комплекс расчета траекторий частиц загрязнения 68
3.3. Метеорологическое обеспечение 71
3.4. Информационная база для программного комплекса расчета траекторий частиц загрязнения 74
3.5. Визуализация результатов вычислений 76
Глава 4. Результаты численных экспериментов 79
4.1. Тестовый эксперимент с моделью дальнего переноса загрязняющих веществ в атмосфере 79
4.2. Распространение загрязняющих веществ от пожаров на объектах Балтийской Трубопроводной Системы 80
4.3. Перенос песчаного аэрозоля из северной Африки через Средиземное море в район Северного Кавказа 88
4.4. Пожары в Подмосковье и смог в Москве 91
4.5. Пожары на Дальнем Востоке 93
Заключение 131
Литература 134
- Параметризация процессов подсеточного масштаба для диффузионных моделей переноса загрязняющих веществ в атмосфере
- Расшифровка кодовых форм, содержащих значения метеорологических элементов, в системе первичной обработки на суперЭВМ CRAY Y-M8PE
- Информационная база для программного комплекса расчета траекторий частиц загрязнения
- Перенос песчаного аэрозоля из северной Африки через Средиземное море в район Северного Кавказа
Параметризация процессов подсеточного масштаба для диффузионных моделей переноса загрязняющих веществ в атмосфере
Моделирование переноса загрязняющих веществ в атмосфере требует корректного учета неадиабатических факторов, таких как турбулентные движения по вертикали и удаление из атмосферы загрязняющих веществ в результате взаимодействия с подстилающей поверхностью и влажного осаждения загрязняющих веществ на поверхность. Эти процессы связаны с пространственно малыми и даже микрофизическими явлениями и потому не могут быть явно включены в диффузионную модель, поэтому они могут быть учтены только параметрически, т.е. описание мелкомасштабных физических процессов производится с помощью параметров модели - крупномасштабных переменных [46].
/ Вертикальные турбулентные движения определяют, в основном, перенос частиц загрязнения по вертикали в пограничном слое атмосферы и обмен воздухом между пограничным слоем и свободной атмосферой [33, 66]. Современный подход к исследованию пограничного слоя предполагает рассматривать параметризации в приземном слое и всем остальном пограничном слое отдельно, а не переносить свойства приземного слоя на весь пограничный слой [111]. Вертикальные движения в приземном слое определяются потоками импульса, тепла и влаги у поверхности, которые вычисляются на основе крупномасштабных метеорологических характеристик и различных эмпирических предположений [4, 78]. Коэффициент вертикального турбулентного обмена здесь вычисляется на основе потоков количества движения и тепла и в зависимости от сдвига ветра.
Турбулентность выше приземного слоя контролируется статической и динамической устойчивостью атмосферы [33, 66, 111]. Современные параметризационные схемы вертикальных движений в пограничном слое предполагают зависимость вертикального турбулентного обмена от сдвига ветра по высоте, статической устойчивости атмосферы и числа Ричардсона. Для учета вихрей различного масштаба делаются некоторые предположения о пути смешения Прандтля [74].
Таким образом, современные параметризации вертикального турбулентного обмена для диффузионных моделей проводятся с помощью методов, которые используется при параметризации вертикальных турбулентных движений в моделях общей циркуляции атмосферы [45, 47].
Параметризация процессов подсеточного масштаба, связанных с осаждением (гравитационным, сухим, влажным) загрязняющего вещества. Процессы удаления загрязняющих веществ из атмосферы происходят на микрофизическом уровне, поэтому в численные модели они могут быть включены только в параметрическом виде [43].
Физические механизмы захвата загрязняющих веществ элементами облаков и осадков изучены достаточно полно (см. напр. [39, 81]). Менее известен относительный вклад каждого из этих процессов в суммарное удаление загрязняющих веществ разными типами облаков и осадков при конкретных метеорологических условиях [39].
Основными механизмами захвата загрязняющих веществ являются: в облаках - разного рода коагуляция облачных капель и ледяных кристаллов с частицами загрязняющего вещества (преимущественно ядрами Айткена) и конденсация водяного пара на этих ядрах; в нижней части облачного слоя и под ним - захват частиц падающими каплями дождя и снежинками, которые захватывают преимущественно гигантские частицы и отчасти ядра Айткена. Математически процесс удаления загрязняющего вещества из атмосферы обычно выражается уравнением кинетики первого порядка: где Q -масса загрязняющего вещества в воздухе. Параметр Л, называемый коэффициентом влажного осаждения, определяется эмпирически. По результам измерений, для облаков Л составляет 10"4 - 10"5 с"1, причем наблюдаются заметные колебания, обусловленные как типом облачности, так и различием метеорологических условий в периоды проведения наблюдений. Осаждающая способность снежинок в подоблачном слое в несколько раз выше, чем капель дождя [15].
Сухое осаждение загрязняющих веществ определяется как результат двух различных процессов: гравитационного осаждения частиц по всей толще вмещающего их слоя и захвата подстилающей поверхностью при осаждении на нее частиц вследствие диффузионных процессов [26].
Расшифровка кодовых форм, содержащих значения метеорологических элементов, в системе первичной обработки на суперЭВМ CRAY Y-M8PE
Создание Глобальной системы телесвязи (ГСТ) позволило осуществлять следующие функции [53]:
а) сбор данных наблюдений;
б) распределение данных наблюдений в национальные, региональные и мировые метеорологические центры (НМЦ, РМЦ и ММЦ);
в) передача обработанной информации в другие НМЦ, РМЦ и ММЦ. ГСТ является основным связующим звеном Всемирной службы погоды. ГСТ организована на трехуровневой основе [53]:
а) главная сеть телесвязи, связывающая ММЦ между собой, а также с РМЦ и НМЦ;
б) региональные сети телесвязи;
в) национальные сети телесвязи.
По главной сети телесвязи и по региональным сетям метеорологической телесвязи Глобальной системы телесвязи производится сбор, обмен и распространение метеорологических данных в формате метеорологических сообщений. Метеорологическое сообщение - это сообщение, включающее один метеорологический бюллетень, которому предшествует начальная строка и за которым следует признак окончания бюллетеня. Метеорологический бюллетень - это одна или несколько строк, заданные в международном телеграфном коде и содержащих метеорологическую информацию.
Главный радиометцентр России (ГРМЦ) входит в ГСТ и получает всю необходимую информацию. Между ГРМЦ и Гидрометцентром РФ организован постояннодействующий канал связи, по которому происходит обмен информацией. Объем гидрометеорологической информации, поступающей в Гидрометцентр РФ, достигает 200 мб ежесуточно, в том числе на суперЭВМ CRAY Y-M8PE поступает около 100 мб (также каждые сутки). Поэтому потребовалось создание особой технологии приема и передачи метеорологических данных на суперЭВМ CRAY Y-M8PE [59].
Среди разнообразной информации, поступающей в Гидрометцентр РФ, особое место занимают данные наблюдений, которые передаются различными наблюдательными системами, расположенными по всему земному шару и в различных точках над поверхностью Земли. Эти данные разнообразны и их количество возрастает с каждым годом. Поэтому процесс выделения и расшифровки данных наблюдений сложен и требует больших затрат машинных ресурсов. Автоматизация этого процесса называется первичной обработкой гидрометеорологической информации.
Данные наблюдений поступают в виде физических записей. Физическая запись - это символьная строка, содержащая одну или несколько символьных записей. Символьная запись имеет строго определенную структуру, обусловленную типом передаваемой информации. Каждая запись состоит из нескольких символьных групп, которые не содержат пробелов. Символьная группа называется кодовой формой. Кодовые формы имеют строгую структуру и несут различные назначения. Некоторые кодовые формы содержат описания общих параметров (тип наблюдения, способ измерения, дата, срок и т.д.). Другие кодовые формы содержат значения метеорологических элементов.
Кодовые формы, содержащие значения метеоэлементов очень разнообразны и их количество составляет несколько сотен. Поэтому, было целесообразно выделить их расшифровку в процессе первичной обработки [59] в отдельный блок, который был реализован на языке программирования Фортран с использованием его основных и специальных возможностей. Кроме того, использовались таблицы соответствия кодовых цифр [54]. Кодовая цифра это целое число, для которого установлено определенное соотношение, характеризующее метеоэлемент.
В процедуре первичной обработки связь между отдельными блоками и передача информации осуществляется двумя способами: через фактические параметры и через общие блоки. Фактические параметры содержат саму кодовую форму и некоторую дополнительную информацию, необходимую для расшифровки (длины, единицы измерения), В общие блоки заносятся расшифрованные значения.
В начале процедуры первичной обработки устанавливаются таблицы соответствия кодовых цифр метеорологическим параметрам, которые остаются в памяти ЭВМ в течение всего времени выполнения процедуры первичной обработки. Таблицы соответствия кодовых цифр называются кодовыми таблицами. Далее, в процессе обработки сообщений осуществляется обращение к различным программам расшифровки кодовых форм, содержащих значения метеоэлементов.
Каждая кодовая форма представляет собой набор символов, в которой один или несколько последовательных символов имеют смысловое значение. В программах расшифровки происходит выделение смысловых групп, чтобы восстановить значение метеоэлемента.
Восстановление значения метеоэлемента происходит по следующему алгоритму. Если выделенная смысловая группа описывает отсутствие информации о метеоэлементе, то в соответствующее место в общем блоке заносится константа отсутствия. Если смысловая группа представляет кодовую цифру, то происходит обращение к соответствующей кодовой таблице. Если соответствующая кодовая таблица содержит расшифровку данной кодовой цифры, то заносится расшифрованное значение, если же кодовая таблица содержит сведения описательного характера, то заносится сама кодовая цифра. Если смысловая группа содержит значение метеоэлемента, то оно и заносится. Если же смысловая группа представляет некоторую функцию от значения метеоэлемента, то выполняется алгоритм, позволяющий восстановить значение метеоэлемента, после чего восстановленное значение заносится в соответствующее место в общем блоке.
Информационная база для программного комплекса расчета траекторий частиц загрязнения
Программный комплекс использует в своей работе различную информацию, которую можно разделить в три основные группы:
1. поля метеорологических характеристик, заданные на вертикальных уровнях модели дальнего переноса; 2. метеорологическая информация, необходимая для настройки модели на исполнение; 3. информация об источниках загрязнения. Для работы программного комплекса требуется следующая исходная метеоинформация: 1. зональный компонент скорости ветра; 2. меридиональный компонент скорости ветра; 3. вертикальный компонент скорости ветра; 4. температура воздуха; 5. удельная влажность; 6. осадки; 7. приземное давление; 8. температура поверхности; 9. поток тепла на поверхности; 10.напряжение трения на поверхности; 11. рельеф поверхности Состав второй группы определяется количественными характеристиками пространственно-временного разрешения исходной метеоинформации: 1. количество сроков метеонаблюдений; 2. индекс сетки входной информации; 3. количество уровней по вертикали; 4. минимальная широта расчетной области; 5. максимальная широта расчетной области; 6. минимальная долгота расчетной области; 7. максимальная долгота расчетной области. Третья группа содержит полное описание источников загрязнения и характеристик метеоданных и модели: 1. загрязняющее вещество; 2. предельно допустимая концентрация; 3. плотность частиц загрязняющего вещества; 4. радиус частиц; 5. фоновая величина загрязняющего вещества; 6. мощность источника; 7. начальная скорость выброса; 8. радиус трубы; 9. температура выброса; 10.географическая широта источника; 11. географическая долгота источника; 12.высота источника; 13.шаг модели по времени; 14. продолжительность прогноза; 15.дискретность метеоданных; 16. время окончания выброса. 3.5. Визуализация результатов вычислений
Графическое представление вычислений выполнялось на ПЭВМ средствами графического программирования с использованием графической библиотеки исполнительной системы компилятора языка Фортран-77 фирмы Microsoft. Библиотека содержит полный набор графических функций и поддерживает графику, основанную на элементах изображения, координатную графику и символьные шрифты.
Рисунки представляют распространение загрязнений в атмосфере и выпадение их на подстилающую поверхность. Кроме того, представлены вертикальные проекции на круг широты и долготу, позволяющие показать пространственную структуру распространения загрязнений в атмосфере.
Построение рисунков производилось по следующей схеме. С суперЭВМ CRAY Y-MP8E передаются 3 файла данных: 1). файл, содержащий данные о пространственной (трехмерной) сетке модели и с данные об источниках загрязнения, 2) файл, содержащий координаты точек распространения загрязнений (трехмерные координаты), 3) файл, содержащий данные о компонентах ветра. Одновременно передается информационный файл, содержащий основные параметры модели. Программа создания изображения в цикле по количеству сроков прогноза последовательно считывает данные и наносит их средствами графической библиотеки на монитор. Таким образом, формируется последовательность рисунков (изображений), дающая графическое представление о распространении загрязняющих веществ в атмосфере и осаждении их на подстилающую поверхность во времени. Таким же способом формируются вертикальные профили распространения загрязняющих веществ. Рисунки сохраняются на магнитных носителях. Для этого используются средства текстового редактора WORD, после чего возможно получение печатной копии рисунка (изображения).
Перенос песчаного аэрозоля из северной Африки через Средиземное море в район Северного Кавказа
Для представленного ниже эксперимента использовались данные наблюдений за приземным озоном, которые проводятся Институтом физики значения на первые сутки составляют 0.6 мг/м3, а на вторые сутки 0.09 мг/м3. Вероятность превышения ПДК в очаге пожара составляет 2 % на первые сутки и пренебрежимо мала на вторые сутки. Плотность выпадения на подстилающую поверхность за 4 суток: в среднем 100 мг/м2 и максимум 160 мг/м2, в четыре раза больше, чем при пожаре на одном резервуаре. Органические кислоты. Средние по ансамблю концентрации в очаге пожара на первые сутки составляют 0.00065 мг/м3, что пренебрежимо мало по сравнению с ПДК=0.07 мг/м3. На вторые сутки концентрация уменьшается до ничтожно малых значений 1.8x10"5 мг/мэ. Максимальные по ансамблю значения на первые сутки составляют 0.0055 мг/м3, а на вторые сутки 0.0008 мг/м3. Уровень ПДК=0.07 мг/м3 нигде не достигается. Плотность выпадения на подстилающую поверхность за 4 суток: в среднем 0.9 мг/м2 и максимум 1.5 мг/м2.
На основании анализа результатов расчетов с целью оценки последствий пожаров на трех объектах нефтепроводной системы БТС, был сделан вывод о том, что максимальные по ансамблю значения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере достигаются к концу первых суток от начала пожара. Наиболее вероятные уровни концентрации сажи нигде не превышают ПДК, составляющего 0.15 мг/м3. Сами уровни концентрации уменьшаются от первых ко вторым суткам более чем в 20 раз.
Неблагоприятные воздействия на окружающую среду в результате пожаров на рассмотренных объектах БТС скажутся в первую очередь в близлежащих от места аварии районах и, в заметной степени, определяется конкретной метеорологической ситуацией, характерной для местоположения объекта.
Для представленного ниже эксперимента использовались данные наблюдений за приземным озоном, которые проводятся Институтом физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН на Кавказской высокогорной научной станции (КВНС), расположенной на высоте около 2000 м, в 18 км от г. Кисловодск.
Перенос загрязняющих веществ в атмосфере может сказываться на изменение содержания озона в атмосфере. Перенос запыленной тропической воздушной массы на Северный Кавказ нарушает нормальный суточный ход озона, содержащего в атмосфере, и концентрации этой субстанции остаются на не характерном для высокогорья низком уровне. При этом, сохраняются первоначальные свойства воздушной массы: относительная влажность уменьшается до 30 %, а иногда еще ниже. Чаще всего такая ситуация складывается весной и в начале лета. Одним из таких случаев является эпизод, имевший место в апреле 1998 года. Он также иллюстрирует достаточно редкий эффект- реакцию озона на трансграничный шлейф загрязненного воздуха.
Эксперимент (А) был выполнен с целью исследования переноса аэрозольных частиц минерального происхождения. В этом эксперименте в качестве метеорологических данных использовались поля объективного анализа Гидрометцентра РФ за 7-12 апреля 1998 г. Пять постоянно действующих источников (имитация площадного источника) были помещены в район Северной Африки в точки с координатами: 30 с.ш., 15 в.д., 29 с.ш., 17 в.д., 31 с.ш., 13 в.д., 28 с.ш., 14 в.д., 26 с.ш., 16 в.д. Рис. 4.3.1 - 4.3.5 показывают, что попавшая в воздушную массу пыль переносилась через Балканский полуостров в район Северного Кавказа. Загрязняющие вещества оставляют след на подстилающей поверхности (рис.4.3.6). Рис. 4.3.7 - 4.3.10 свидетельствуют, что загрязняющие вещества уже на третьи сутки интегрирования занимают весь пограничный слой атмосферы. Таблица 4.3.1 показывает те города, в которых произошло загрязнение.
В это время в районе КВНС были отмечены следующие изменения Температура повышалась до +16 - +22С.
В первый день адвекции тропического воздуха (10.04.98) был нарушек обычный суточный ход озона: около полудня наблюдался максимум содержания. Судя по траекториям, он был обусловлен генерацией озона из-за перенос загрязняющих веществ из Северной Африки. Но этот узкий шлейф проявляла очень короткое время; в последующем доминировал процесс интенсивной разрушения озона в сухом, очевидно, запыленном и обедненном O30HON африканском воздухе - концентрации озона к концу следующего дня (11.04.98 уменьшились.
На поверхности аэрозольных частиц минерального происхождения может происходить уменьшение содержания озона [58]. Причем, этот процес значителен при концентрациях озона близких к фоновым. Аэрозоли вносят существенный вклад в разложение атмосферного озона; аэрозольный цикі разложения озона соизмерим с кислородным циклом. Такое разрушение озона ш аэрозоле, поднятого с поверхности земли мощными конвективными движениям в пустынных районах Африки, подтверждает наши предположения о связ адвекции тропической воздушной массы с низкими концентрациями озона і районе КВНС.
12 апреля после 9 часов утра отмечался еще одно непродолжительное - і течение 30-40 минут - увеличение содержания озона. Кратковременнук генерацию озонного слоя в тропосфере можно объяснить тем, что вновь потоков был занесен шлейф антропогенных загрязняющих веществ из Южной Греции откуда воздух переместился менее чем за сутки. Пульсирующий шлейф мої достигать КВНС и в ночное время, но в отсутствии солнечной радиации он н угрожал трансформации озонового фона. После непродолжительного увеличение содержания озона почти так же быстро - за 30 мин - концентрации озон понизились. Одновременно уменьшилась относительная влажность воздуха; к после полудня, когда температура поднялась до +22С, она достигла 32%. Дс середины следующих суток поступал воздух, захваченный циклоном над] Северной Африкой. Он, как свидетельствуют рис. 4.3.7 - 4.3.10, переносился на высотах 2-3 км, что препятствовало насыщению воздуха влагой и озоногенерирующими загрязняющими веществами. До утра четвертого дня адвекции тропического воздуха концентрации озона оставались на уровне нормы, пока не произошла смена воздушных потоков. Южный циклон двигался на северо-восток и вовлек сухие, но загрязненные воздушные массы, прошедшие над Южной Грецией, а затем над странами Ближнего Востока. Когда шлейф полютантов из указанных районов достиг до Северного Кавказа, при относительной влажности около 40% началась интенсивная генерация озона и к 13 часам его концентрации превысили норму, оставаясь на этом уровне до конца суток. В этом эксперименте озон был чувствительным маркером различных загрязняющих веществ в сходных по происхождению тропических воздушных массах.
