Введение к работе
Актуальность работы.
Загрязнение окружающей среды является одной из важнейших проблем современности, поскольку вызывает ухудшение здоровья людей, деградацию флоры и фауны, угнетение растительности. Известно, что большинство опасных загрязняющих веществ поступают в природную среду через атмосферу. Существенное влияние на распространение загрязнителей оказывают орографические особенности местности, метеорологические условия, в первую очередь ветер и температурная стратификация. Данных наблюдений для оценки метеорологических ситуаций и экологического состояния территорий нередко бывает недостаточно. Поэтому применение методов математического моделирования является одним из эффективных средств изучения и прогноза атмосферных циркуляции и расчета переноса загрязняющих примесей в атмосфере. Особенности метеорологических и климатических условий Сибири подтверждают актуальность исследований для решения экологических задач.
Цель работы заключается в исследовании динамики воздушных потоков, изучении циркуляционных особенностей и процессов атмосферного загрязнения в крупных городах и промышленных центрах Сибири для решения экологических задач на основе численного моделирования.
Задачи исследования:
- построение моделей динамики атмосферного пограничного слоя (АПС)
различной сложности для расчета атмосферных течений;
- создание баз данных по рельефу, ландшафтным характеристикам
исследуемых территорий, метеорологическим параметрам, источникам
валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу города;
адаптация моделей АПС к физико-географическим условиям изучаемых территорий;
верификация моделей по данным наблюдений;
анализ и интерпретация результатов расчетов.
Научная новизна:
Впервые построена статистико-гидродинамическая модель локального прогноза формальдегидного загрязнения атмосферы для условий г. Томска.
С помощью численного моделирования получена пространственная картина выпадения соединений серы от Норильского горно-металлургического комбината.
Предложен метод восстановления вертикального профиля температуры в конвективном АПС по данным наблюдений.
Научная и практическая значимость:
Построенная модель прогноза формальдегидного загрязнения для г. Томска позволяет заблаговременно оценить возможность формирования опасных концентраций по территории города.
Исследования атмосферной циркуляции над г. Красноярском позволяют определить области, подверженные интенсивному антропогенному загрязнению.
Изученные особенности переноса загрязняющих примесей в условиях Норильской долины позволили идентифицировать зоны с максимальным выпадением соединений серы.
Разработанные модели распространения дымового аэрозоля в конвективных условиях могут применяться для решения экологических задач при природных и техногенных пожарах.
Исследования выполнены согласно плановых тем лаборатории математического моделирования процессов в атмосфере и гидросфере ИВМиМГ СО РАН, грантов РФФИ №05-05-97709-р_енисей_а (руководитель проекта), №№ 03-05-65279-а, 09-05-98023-рсибирьа (исполнитель проектов). Результаты, представленные в диссертации, использованы составной частью при выполнении тем НИР и ОКР Росгидромета № 1.4.3.12 (2008-2010 г.), № 1.7.47 (2011 г.). На базе разработок автора реализована модель прогноза формальдегида, которая используется в прогностическом режиме в Томском центре по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
Основные результаты, выносимые на защиту:
-
Модель прогноза формальдегидного загрязнения, адаптированная к условиям г. Томска.
-
Результаты исследований атмосферной циркуляции и особенностей переноса загрязняющих примесей в условиях г. Красноярска и Норильской долины.
-
Метод расчета миграции дымового аэрозоля при лесных пожарах.
Достоверность изложенных в работе результатов обеспечивается
применением современных гидродинамических моделей динамики
атмосферного пограничного слоя, сравнением полученных результатов модельных исследований со спутниковыми данными и с результатами натурных наблюдений.
Личный вклад автора в выполненной работе и в совместных статьях состоял в разработке методики исследований, постановке задач, выборе методов их решения, в анализе и интерпретации полученных результатов.
Апробация. Основные результаты докладывались на конференциях различных уровней: IX, X, XIII, XIV, XVI, XVIII, XIX Рабочая группа «Аэрозоли Сибири», (г. Томск, 2002, 2003, 2006, 2007, 2009, 2011, 2012 гг.), II Советско-Болгарский семинар «Численный анализ и прогноз метеоэлементов», (г. Новосибирск, 15-19 июля 1985 г.), 5-я Международная конференция «Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (г.Томск-Красноярск, 30 июня-5 июля 2003 г.), Международная конференция «Математические методы в геофизике» (г. Новосибирск, 8-12 октября 2003 г.), Международная конференция «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (г. Красноярск, 2003 г.), Международная конференция "ENVIROMIS-2004"(r. Томск, 2004 г.), Международная конференции по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде: "CITES-2005" (г. Новосибирск, Россия, 20-23 марта 2005 года), 6-я Международная конференция "Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия" (г. Иркутск, 5-11 сентября 2005 г.), VIII Всероссийская конференция «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (г. Кемерово, 2005 г.), Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Социально-экологические проблемы природопользования в Центральной Сибири» (г. Красноярск, 28-30 ноября 2006 г.), Международная конференция «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии» (г. Томск, 25-28 июня 2007 г.), IV-VII Международные научные конгрессы «Гео-Сибирь-2008-2011» (г. Новосибирск, 2008-2011 г.), IV научно-практическая конференция «Обратные задачи и информационные технологии рационального природопользования» (г. Ханты-Мансийск, 22-23 апреля 2008 г.), II Международная конференция «Геоинформатика: технологии, научные проекты» (г. Барнаул, 20-25 сентября 2010 г.), Всероссийская конференция с участием зарубежных ученых «Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф» (г. Томск 18-20 октября 2010 г.), XI Всероссийская конференция с участием иностранных ученых «Проблемы мониторинга окружающей среды (ЕМ-2011)» (г. Кемерово, 24-28 октября 2011 г.), «ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ-2012» VIII Международная выставка и научный конгресс (г. Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.), Всероссийская
конференция «Актуальные проблемы вычислительной математики и математического моделирования» (г. Новосибирск, 12-15 июня 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, из них 11 статей представлены в отечественных и зарубежных журналах из списка ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, трех приложений, списка использованной литературы. Объем диссертационной работы - 134 страницы текста, в том числе 7 таблиц, 48 рисунков. Список использованной литературы включает 123 наименования на русском и иностранных языках.
