Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы оценрюания влияния мегаполиса на загрязнение воздушного бассейна прилегающих территорий
1.1 Общие положения 11
1.1.1 Классификация загрязнений 11
1.1.2 Источники загрязнения 21
1.2 Анализ существующей экологической ситуации в районе мегаполиса на примере Санкт-Петербурга 29
1.3 Влияние загрязнения воздуха на здоровье населения 50
1.4 Анализ современного состояния проблемы моделирования примеси в воздушном бассейне мегаполиса 53
Выводы по разделу и постановка задачи исследования 58
2. Физико-статистические модели временных рядов метеорологических параметров 60
2.1 Анализ подходов к моделированию временных рядов 60
2.2 Вероятностные характеристики полей ветра и температуры в Санкт-Петербурге 68
2.3 Модель эволюции температурно-ветрового режима атмосферы 73
2.3.1 Общий подход к прогнозированию 73
2.3.2 Модель эволюции вертикального распределения температуры 76
2.3.3 Модель эволюции скорости ветра 89
Выводы по разделу 92
3. Модель источников загрязнения атмосферы 93
Выводы по разделу 95
4. Гидродинамическая модель переноса загрязнений в атмосфере большого города 96
4.1 Модель переноса примеси в атмосфере большого города 96
4.1.1 Уравнения модели 96
4.1.2 Граничные условия 104
4.1.3 Схема численной реализации модели 104
4.2 Модель чувствительности поля концентрации примеси к вариациям параметров, характеризующих процесс переноса 108
Выводы по разделу 112
5. Имитационная модель процесса формирования полей концентрации загрязняющих веществ 113
5.1 Структура модели 113
5.2 Реализация имитационной модели 115
Выводы по разделу 117
6. Численные эксперименты и анализ их результатов. 118
6.1 Параметры модели и начальные условия 118
6.2 Анализ результатов моделирования 119
6.3 Метод оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису 123
6.4 Рекомендации по использованию метода в практике работы экологических служб 125 Выводы по разделу 126
Заключение
- Анализ существующей экологической ситуации в районе мегаполиса на примере Санкт-Петербурга
- Модель эволюции вертикального распределения температуры
- Модель чувствительности поля концентрации примеси к вариациям параметров, характеризующих процесс переноса
- Метод оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису
Введение к работе
Под совместным воздействием природных энергетических факторов -солнечной радиации, гравитационных и тектонических сил, химической и биогенной энергии — биосфера Земли сформировалась приблизительно за 2,5 млрд. лет. С возникновением социально организованного человеческого общества к природным энергетическим факторам добавился еще один -энергия мирового производства, который развивается неизмеримо быстрее и в последние годы имеет тенденцию к удвоению мощностей через каждые 14-15 лет. От организации этого производства в ближайшие десятилетия зависит, сохранится или необратимо нарушится подвижное равновесие в окружающей среде, сложившееся за миллиарды лет ее саморазвития. Наиболее реальной опасностью для жизни на Земле является нарушение химического равновесия в биосфере из-за высоких норм потери сырья при добыче и транспортировке, несовершенства технологических процессов и рассеяния в окружающей среде всех видов осадков, выбросов и стоков. Таким образом, в современном мире экологические проблемы по своему общественному значению вышли на одно из первых мест. К концу XX в. загрязнение окружающей среды отходами, выбросами, сточными водами всех видов промышленного производства, сельского хозяйства, коммунального хозяйства городов приобрело глобальный характер и поставило человечество на грань экологической катастрофы. По оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из более чем 6 млн. известных химических соединений практически используется до 500 тыс. соединений; из них около 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. являются токсичными.
Загрязнение окружающей среды происходит весьма неравномерно. Основные очаги антропогенного воздействия расположены в регионах с развитой промышленностью, максимальной концентрацией населения и интенсивным сельскохозяйственным производством. Атмосферные выбросы большого города (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды, пыль) переносятся на большие территории, создавая экологическую напряженность.
В связи с этим задача оценивания экологических последствий антропогенных воздействий на экосистемы в настоящее время приобретает все большую актуальность. Особенно острой эта проблема является для районов с интенсивным развитием промышленности, таких, как районы расположения мегаполисов. Причем для территорий, прилегающих к мегаполисам, эта задача приобретает особое значение, так как, в отличие от искусственных экосистем крупного города, экосистемы окрестностей мегаполиса, в большинстве своем, являются естественными. Это обстоятельство предопределяет то, что, с одной стороны, последние более чувствительны к антропогенной нагрузке на природную среду, а с другой, имеют гораздо меньший ресурс самовосстановления в силу своей сложной внутренней организации.
В последние десятилетия проблема оценивания антропогенных воздействий на природную среду широко изучается. Большая заслуга в разработке подходов к разрешению этой проблемы и методов решения задач, возникших в ее русле, принадлежит таким ученым, как Г.И. Марчук, М.Е. Берлянд, Д.Л. Лайхтман, Е.Л. Генихович и др. Однако, несмотря на значительные усилия, предпринятые по разрешению данной проблемы, одна из важных и актуальных задач, а именно анализ долгосрочных воздействий и оценивание осредненных за длительный срок характеристик загрязненности атмосферы, не имеет еще своего окончательного решения.
Очевидно, что решение этой задачи невозможно без построения модели процесса формирования полей концентрации загрязняющих веществ, в которой бы корректно учитывались климатические особенности рассматриваемого региона. На основе такой модели могут быть получены средние (климатические) характеристики техногенной нагрузки на окружающую природную среду с целью их последующего использования как для формирования перечня безотлагательных мер, направленных на оздоровление ситуации, так и в качестве информационной основы для планирования развития инфраструктуры мегаполиса.
7 Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется следующими обстоятельствами:
усилением антропогенной нагрузки на природную среду в районах расположения мегаполисов и, как следствие, повышением роли задач перспективного планирования этой нагрузки;
необходимостью разработки методов оценивания осредненных за длительный срок характеристик загрязненности атмосферы с учетом климатических характеристик;
потребностью в дальнейшем исследовании физических процессов переноса загрязнений в атмосфере большого города.
В соответствии с вышесказанным, целью диссертационной работы являлось построение имитационной модели процесса формирования полей концентрации загрязняющих веществ, предназначенной для оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:
проанализировать состояние проблемы оценивания влияния мегаполиса на загрязнение воздушного бассейна прилегающих территорий;
ценить вероятностные характеристики полей ветра и температуры в Санкт-Петербурге по результатам температурно-ветрового зондирования с высоким вертикальным разрешением;
разработать физико-статистические модели эволюции скорости ветра и вертикального распределения температуры для генерации реализаций их временных рядов;
предложить гидродинамическую модель переноса загрязнений в атмосфере мегаполиса для ее использования при оценивании средних характеристик загрязненности воздушного бассейна;
разработать имитационную модель процесса формирования полей концентрации загрязняющих веществ;
провести численные эксперименты и проанализировать их результаты;
8 7) разработать метод оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису, и практические рекомендации по его использованию. Основные научные результаты и их новизна состоят в следующем:
на основе уникальных данных температурно-ветрового зондирования атмосферы получены оценки вероятностных характеристик полей ветра и температуры в Санкт-Петербурге, имеющие высокое разрешение по вертикали;
построены физико-статистические модели временных рядов параметров, определяющих условия переноса загрязняющих веществ в воздушном бассейне, а именно ветра и температурной стратификации атмосферы, позволяющие получать реализации их временных рядов на временных отрезках от сезона до года;
разработана имитационная модель процесса формирования полей концентрации загрязняющих веществ в воздушном бассейне мегаполиса и его окрестностей, позволяющая корректно учитывать климатические характеристики региона при получении среднесезонных и среднегодовых оценок степени загрязненности воздушного бассейна;
разработан метод оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису.
Указанные результаты диссертационных исследований в совокупности выносятся на защиту как решение актуальной научной задачи научной задачи - разработки математических моделей осредненных характеристик загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису.
Практическая значимость работы определяется тем, что разработанная в диссертации имитационная модель процесса формирования полей концентрации загрязняющих веществ может быть использована при оценивании роли различных факторов, в том числе различных источников загряз-
9 нений, в формировании экологической обстановки, имеющей место в конкретном мегаполисе и прилегающих к нему территориях. Предложенный в работе метод оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису, может быть использован в работе экологических служб при планировании природоохранных мероприятий. Полученные оценки средне-сезонных и среднегодовых функций чувствительности полей концентрации загрязнений к вариациям интенсивности их источников могут быть использованы при выборе наиболее репрезентативных точек расположения экологических постов в Санкт-Петербурге и его окрестностях.
Обоснованность и достоверность полученных в диссертационной работе результатов обусловлена аргументированностью исходных положений, логической непротиворечивостью рассуждений, корректным использованием современного математического аппарата и подтверждается согласованностью полученных результатов и сделанных выводов с некоторыми частными результатами других авторов, фундаментальными теоретическими положениями и имеющимся эмпирическим материалом.
Апробация и публикации. Результаты диссертации докладывались и получили одобрение на итоговых сессиях ученых советов и научных семинарах Российского Государственного гидрометеорологического университета, Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского, Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета.
Результаты исследований реализованы в Государственном научно-исследовательском институте прикладных проблем, Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского, Российском Государственном гидрометеорологическом университете. Реализация результатов зафиксирована соответствующими актами.
Структурно диссертация состоит из введения, шести разделов, одного приложения, заключения и списка литературы, содержащего 118 наименований.
10 В первом разделе на основе результатов экологического мониторинга
Северо-Западного территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды проводится анализ состояния проблемы оценивания влияния мегаполиса на загрязнение воздушного бассейна прилегающих территорий на для г. Санкт-Петербург и обсуждается современное состояние проблемы моделирования примеси в воздушном бассейне мегаполиса.
Во втором разделе проводятся анализ подходов к моделированию временных рядов, статистический анализ полей ветра и температуры в Санкт-Петербурге, полученных по результатам вертикального зондирования атмосферы. Полученные результаты используются для построения моделей эволюции вертикального распределения температуры и скорости ветра.
Третий раздел посвящен описанию источников антропогенной нагрузки на экосистемы.
В четвертом разделе описывается гидродинамическая модель переноса загрязнений в атмосфере большого города и ее численная реализация. На основе прямой модели распространения примеси строится модель чувствительности поля концентрации примеси к вариациям параметров процесса переноса.
Пятый раздел посвящен разработке имитационной модели процесса формирования полей концентрации загрязняющих веществ. Приводятся структура модели, результаты ее численной реализации.
В шестом разделе проводится анализ численных экспериментов по имитационному моделированию поля примеси, разрабатывается метод оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису и разрабатываются рекомендации по использованию метода в практике работы экологических служб. В заключении анализируются полученные результаты и определяются направления дальнейших исследований.
Анализ существующей экологической ситуации в районе мегаполиса на примере Санкт-Петербурга
К токсичным относят следующие компоненты выхлопных газов: оксид углерода (II), оксиды азота, углеводороды. Кроме того, некоторые виды топлива содержат серу, что обусловливает содержание в выхлопных газах диоксида серы.
С начала 30-х годов к подавляющему большинству бензинов добавляют в качестве антидетонатора тетраметил- или тетраэтилсвинец в количестве 80 мг/л. При движении автомобиля от 25 до 75 % этого свинца выбрасывается в атмосферу, осаждается на землю, попадает в поверхностные воды. Свинец аккумулируется в почве и растительности вдоль автострад (в городах - вдоль улиц с оживленным движением), заметное количество соединений свинца содержится в воздухе крупных городов. По данным США и Великобритании, до 90 % всего свинца, содержащегося в атмосфере, следует отнести на счет выхлопных газов. В настоящее время в ряде стран (Япония и др.) использование этилированного бензина запрещено.
По оценке Федеральной администрации шоссейных дорог Министерства транспорта США, на 1 января 1970 г. в мире насчитывалось около 207 млн. легковых и грузовых автомобилей и автобусов. Исходя из средних потерь нефтепродуктов на одну автомашину 10—11 л в год, общий выброс нефтепродуктов мировым автомобильным парком равен 2,1—2,2 млн.т в год, причем большая часть его попадает в почву и в гидросферу.
Коммунальное хозяйство городов. Немногим более столетия тому назад только 5 % населения земного шара жило в городах и всего 2% — в городах с населением более 100 тыс. жителей. Сегодня в городах живет почти треть населения планеты, а в наиболее промышленно развитых странах мира — США, Великобритании, Германии, Нидерландах — городское население составляет 75—80 % от всего населения страны. В наши дни городское население растет вдвое быстрее, чем население Земли в целом. В нашей стране городское население также постоянно увеличивается и приближается к 70—75 % от общей численности.
В городах активно протекают антропогенные процессы: промышленная и хозяйственная деятельность, строительство, движение транспорта - все это постоянно действующие факторы, вызывающие глубокие изменения как в окружающей среде, так и в самой структуре городского ландшафта. Города, особенно мегаполисы, загрязняют атмосферу, изменяют микроклимат, состав подземных и поверхностных вод, понижают прочность пород геологического фундамента города. Климат мегаполиса существенно отличается от климата окружающей местности. Индустриальная деятельность и бытовое отопление значительно повышают приходную часть теплового баланса; повышение температуры приводит к увеличению продолжительности безморозного периода, к сокращению периода со снежным покровом по сравнению с загородными территориями. В атмосфере большого города всегда повышенное содержание ядер конденсации, что увеличивает число дней с туманами и количество осадков. Скорость ветра в городе в 1,5—2,0 раза ниже, чем в пригородах, и в то же время часто возникают «коридорные ветры», не связанные с направлением.воздушного потока.
Современные города выбрасывают в атмосферу и водную среду около 1000 химических соединений. Загрязненная атмосфера городов поглощает около 20 % солнечного света, а при низком стоянии солнца — более 50 %. Наиболее сильно задерживается ультрафиолетовое излучение.
В загрязнении атмосферы городов принимают участие многие источники, однако основная роль принадлежит энергетике, металлургической, химической и нефтеперерабатывающей промышленности и автотранспорту. О составе и характере этих выбросов уже было сказано.
Практически в каждом городе в большом или меньшем масштабе производят строительные материалы, а эта отрасль промышленности отличается большим разнообразием атмосферных выбросов. Например, при производстве 1 т извести выделяется 200 кг пыли, а при получении 1 т строительного гипса — 140 кг пыли. Всего предприятия по производству стройматериалов в нашей стране выбрасывают ежегодно более 38 млн.т пыли, 60 % которых составляет цементная пыль. Очистные аппараты улавливают не более 90 %. Отходящие газы производства строительных материалов содержат оксиды углерода, серы, азота, углеводороды.
Еще недавно считались экологически безвредными предприятия легкой промышленности. Однако сегодня получение и использование вискозных тканей, полимеров и пластмасс, искусственной кожи, внедрение клеевых способов крепления деталей по количеству вредных выбросов сблизило предприятия этой отрасли с химической промышленностью. Атмосферные выбросы текстильной промышленности содержат оксид углерода, сульфиды, нитрозамины, сажу, серную и борную кислоты, смолы, а обувные фабрики интенсивно выделяют кожевенную пыль, аммиак, ацетон, этилацетат, сероводород и другие токсичные соединения.
В загрязнении воздуха городов одно из ведущих мест занимает автотранспорт. Во многих городах на выхлопные газы автомобилей приходится 30 %, а в некоторых — 50 % загрязнений воздуха. В Москве за счет автотранспорта в атмосферу поступает около 96 % оксида углерода, 33 % диоксида азота, 64 % углеводородов.
Газы автотранспорта остаются в приземном слое атмосферы, что затрудняет их рассеивание. Узкие улицы и высокие здания также способствуют задерживанию токсических соединений выхлопных газов в зоне дыхания пешеходов. В состав выхлопных газов автотранспорта входит более 200 компонентов, тогда как нормируются из них лишь немногие (дымность, оксиды углерода и азота, углеводороды).
Особенно опасным компонентом отработанных газов автомобилей являются полициклические углеводороды, в том числе канцерогенный бен-зпирен. По усредненным показателям, содержание в воздухе этого токсичного соединения близ транспортных магистралей крупных городов иногда в 10—12 раз превышает нормы. Бензпирен поступает в воздух и вследствие истирания автомобильных шин, поскольку присутствует в саже, входящей в состав резины, и из дорожных покрытий.
Отработанные газы автотранспорта содержат ряд продуктов полного и неполного сгорания топлива, которые могут вступать в фотохимические реакции с оксидами азота, образуя смог - сложное сочетание пылевых частиц, капель тумана, токсичных газов. Возникая при определенных погодных условиях над крупными промышленными городами, смог вызывает удушье, приступы бронхиальной астмы, аллергические реакции, раздражение глаз. От него страдают растения, покрытия зданий, скульптуры. Печально знаменитый смог 1952 г. в Лондоне за несколько дней унес более 4 тыс. жизней. Учитывая вышенаписанное и то, что Санкт-Петербург является типичным мегаполисом, проблемы загрязнения окружающей природной среды рассмотрим на его примере.
Модель эволюции вертикального распределения температуры
Выполнения требования стационарности существенно упростит использование авторегрессионных методов описания статистических процессов. Для подобной декомпозиции ряда необходимо сгруппировать главные компоненты на 3 соответствующие группы. Однако, вопрос о возможности подобной декомпозиции не является тривиальным и рассматривается в рамках SSA как проблема разделимости. Общий подход к решению задачи декомпозиции {z, основывается на понимании того, что хотя критерии разделимости существуют, но процедура разделения членов сингулярного разложения на группы трудно формализуема.
Дополнительно к анализам собственных чисел и векторов и ГК разложение в ряде сложных случаев оценивалось из анализа корней характеристического полинома. На рис. 2.9 изображены комплексные корни характеристического полинома, соответствующего исходному ряду и восстановленному по первым 15 главным компонентам. Ось X соответствует вещественной части корня, а ось Y - его мнимой части. Количество корней совпадает с М и равно 170. Пара корней с одинаковой ненулевой вещественной частью и противоположными по знаку мнимыми частями соответствует синусоидальной составляющей ряда с амплитудой, меняющейся по экспоненте. Причем, если модуль корня больше единицы, то амплитуда возрастает, а если меньше 1, то она убывает. Модуль, равный единице, показывает постоянство амплитуды. Период синуса равен 2 /г, деленному на величину угла между осью X и лучом, проходящим через точку корня. Таким образом, есть возможность определять периоды по корням характеристического полинома. Вещественные положительные корни соответствуют тренду. Корень кратности 2, лежащий на единичной окружности, соответствует линейному тренду. Корень, лежащий вне единичного круга, соответствует возрастающей экспоненте, внутри - убывающей. Часть корней соответствует слагаемым, которые или не влияют на поведение ряда (в лучшем случае), или портят его поведение, добавляя ложные слагаемые. В приведенном на рис. 2.9 случае, очевидно, ряд содержит три синусоидальные составляющие с экспоненциально убываещей амплитудой, например, одна соответствует точке А.
Исходя из всех подобных соображений проводилась группировка ГК разложения исходных рядов ветра и температуры. На рис. 2.10 приведены компоненты результирующего разложения и исходный ряд: тренд ГК1-8; сезонная компонента ГК 9-80; шум ГК 80-170. Распределение шумовой компоненты аппроксимируется нормальным законом N(0.00870968,1.27297) при значении критерия согласия Колмогорова-Смирнова d=o,03929 со значимостью р о.20. Для остальных разложений днные приведены в Приложении 1 таблицы 2.24-2.26. На рис. 2.11 приведены автокореллограмма и график вероятность-вероятность для выделенной шумовой компоненты. Отсутствие преиодичности, по крайней мере, свидетельствует о премлемом качестве выделения шума.
На следующем этапе анализа строится модель, описывающая поведение сезонной компоненты исходного ряда. На первом шаге осуществляется идентификация порядка модели АРПСС (2.14). Именно, ставится задача определения количества параметров модели р, d, q, Р, D, Q и периода Т при необходимости. При этом, значение может быть принятым равным нулю, т.е. принимается решение и о типе модели. Общепринятым является требование построения экономных моделей, под которым здесь будет понимаеться выбор наименьшего количества параметров модели АРПСС, адекватно описывающей эволюцию температуры. Не существует формализованных процедур определения р, d, q, Р, D, Q и обычно идентификация осуществляется на основе экспертных оценок раслич-ных статистических характеристик ряда. Традиционный подход к идентификации на первом этапе предусматривает анализ корреляционной функции для компенсации возможного нестационарное ряда и принятия решения о параметре d. Однако, преимущество использованного выше разложения с использованием SSA заключается в возможности контролировать характеристики рядов при их композиции. Хотя это несколько упрощает анализ поведения случайной функции при идентификации модели, но не меняет последовательности шагов при анализа порядка модели АРПСС. Именно, основным требованием при выделении сезонной компоненты было ее стационарность. Если эта задача при разложении была решена, то можно ожидать отсутствии трендов в исходном ряде. Поэтому, параметр d априори можно принять равным нулю. Если это условие не выполняется, то неободим дополнительный анализ трендов. Вместо визуального анализа самого временного ряда можно анализировать поведение более устойчивых значений автокорреляционной и частной автокорреляционной функций, первая их которых связана тем же самым уравнением авторегрессии но без дополнительного случайного импульса. В общем виде правила, использованные при идентификации модели, можно сформулировать следующим образом[2,18,38]:
Модель чувствительности поля концентрации примеси к вариациям параметров, характеризующих процесс переноса
Формирование поля примеси протекает под влиянием большого количества разнообразных факторов и процессов, наиболее существенные из которых были описаны ранее. В настоящем разделе обобщаются результаты исследования параметров возмущения, вида передаточной функции и параметров, определяющих интенсивность протекания рассеивания для атмосферы, рассматриваемой как системы, формирующей поле примеси, приводится структура и алгоритм реализации имитационной модели процесса формирования полей примеси.
Разработка имитационной модели основывается на понимании и формализации связей между источниками примеси и характеристиками поля примеси, как отклика атмосферы, представимой в виде системы с выделенными ведущими параметрами [44,46,50,51,65]. В качестве последних наиболее существенную роль играют термодинамические характеристики атмосферы, такие как температура и скорость ветра. Безусловно, атмосфера как большая и сложная система, характеризуется много бо льшим количеством и процессов и параметров. Однако, решение задачи диссертационных исследований невозможно без учета выделенных, а увеличение их числа - сложный и небезусловно эффективный путь повышения качества анализа антропогенного воздействия на примыкающие к мегаполису экосистемы. В связи с этим, в предыдущих разделах и было реализовано моделирование структуры, представленой на рис На рисунке не отражена дополнительная информацияне, например, необходимая для учета вымывания примеси. Система, изображенная на рис 5.1 отражает основные и наиболее существенные элементы имитационной модели.
Модель источников (раздел 2) обеспечивает блок оценки чувствительности информацией о координатах и временном режиме работы источников. Это позволяет получить характеристики поля чувствительности безотносительно к величинам реальных антропогенных нагрузок. Вместе с тем, для учета последних, модель источников предоставляет информацию о реальных величинах выбросов, которая, совместно с функцией чувствительности и позволяет получить оценку значения концентрации загрязняющих веществ.
Модель термодинамических параметров рассматривалась в 3 разделе и обеспечивает получение статистически значимых величин для параметров вектора ветра и температуры - основных факторов, определяющих значение передаточной функции атмосферы.
Основная модель распространения примеси предназначена для предоставления вида оператора, отвечающего за рассеяние примеси и использующегося для получения оператора модели чувствительности. Оператор основной модели, описанный в разделе 4, непосредственно в расчетах не используется, но обеспечивает физическую обоснованность модели чувствительности, которая при расчетах получает как параметры значение вектора ветра и коэффициенты диффузии.
Функция чувствительности является результатом реализации модели чувствительности для текущего источника при некотором состоянии атмосферы и представляет из себя отклик на единичное возмущение поля источников [49]. Для перехода к реальному полю концентрации примеси ее значение умножается на величину воздействия, предоставляемую моделью источников.
Дополнительно к представленным на рис. 5.1 имитационная модель обеспечивается информацией о шероховатости и задерживающих свойствах подстилающей поверхности. Безусловно, геометрия области поиска решения и параметры пространственной и временной дискретизации всех полей оказывают решающее значение на качество получаемых результатов.
Реализация имитационной модели процесса формирования полей концентрации загрязняющих веществ основана на применении алгоритма, приведенного на рис. 5.2.Общий алгоритм реализации имитационной модели. На первом этапе предварительно выполняются шаги 1 и 2 и строится статистическая модель временных рядов ветра и температуры. Полученные коэффициенты приведены в приложении 1. Вместе с тем, модель АРПСС, принятая за основу, в разделе 2 приведена только в общем виде, что объясняется возможной необходимостью учета всех операторов. После анализа результатов конкурирующих статистических моделей для численной реализации была выбрана упрощенная модель АРСС для получения которой в виде, пригодном для численной реализации, необходимо раскрыть операторы. Именно, для выделенной компоненты исходного ряда без тренда оператор Vd равен единице, а оператор Vr переводит исходный ряд в разности вида Z, - Z,_r. Тогда, учитывая максимальный порядок разработанных моделей, соотношение (2.14) можно переписать в следующем виде.
Метод оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису
Оценка экологических последствий антропогенных воздействий на экоси-сттемы является и приобретает все большую актуальность. Особенно острой эта проблема является для районов с интенсивным развитием промышленности. Но, если для искусственных экосистем городов актуальность имеет, в основном, качество воздуха, то для территорий, прилегающих к мегаполисам, следует рассматривать влияние на естественные экосистемы, которые являются, с одной стороны, и более чувствительными к подобного рода воздействиям и, с другой, имеют гораздо меньший ресурс самовосстановления в силу своей сложности.
В последнее время проблемы антропогенных воздействий широко изучаются. Однако, один из важных и актуальных аспектов, а именно, оценка долгосрочных воздействий, не нашли еще должного решения. В связи с этим, в работе были рассмотрены некоторые основные вопросы оценки ос-редненных характеристик загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису. Цель работы заключалась в разработке имитационной модели процесса формирования средних за сезон и год полей концентрации загрязняющих веществ, необходимой для получения характеристик загрязненности атмосферы, например, индекса загрязненности. В работе рассмотрены наиболее важные аспекты решаемой задачи.
В первой главе проведен анализ экологической обстановки в г. Санкт-Петербург, описаны измерительная сеть и результаты натурных измерений, основные параметры выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. При анализе подходов к решению задачи исследований отмечено, что получение осредненных характеристик, в силу нелинейности задачи, невозможно по осредненным параметрам среды. Возможным математическим аппаратом для оценивания характеристик загрязненности выбрана теория чувствительности и предложено на ее основе строить итоговую методику.
Так как получение осредненых значений полей концентрации основано на осреднении функции чувствительности, то вторая глава была посвещена разработке имитационной модели термодинамических параметров атмо 128 сферы. На основе годового ряда результатов температурно-ветрового зондирования с высоким разрешением проведен анализ существующих математических подходов к описанию временных рядов. В качестве основной выбрана модель авторегрессии со скользящим средним. Проведен статистический и спектральный анализ рядов ветра и температуры. Основная проблема при моделировании рядов заключалась в их нестационарности. Возможности модели АРПСС в решении подобных задач были признаны неудовлетворительными. Поэтому была проведена декомпозиция исходных рядов на стационарную часть, тренд и шумовую составляющую с использованием сингулярного спектрального анализа. Для стационарной и шумовой компоненты построены сезонные и годовые модели временных рядов температуры и ветра в слое 0-1000 м. с шагом 100 м по высоте.
В третьем разделе рассмотрены основные формальные параметры, необходимые для учета источников в разрабатываемой методике. Выделены такие характеристики, как координаты, тип, геометрические размеры, динамика, состав и параметры выбросов.
В четвертом разделе рассматриваеся гидродинамическая модель распространения примеси в атмосфере. Модель учитывает основные процессы, от-ветрственные за распространение загрязняющих веществ: перенос и диффузию примеси; модификацию примеси из-за физико-химических превращений и коагуляции; сток примеси за счет поглощения земной поверхностью и влажного вымывания; гравитационное оседание (седиментация) и самоиндуцированный вертикальный подъём. На основе оператора этой модели вводится сопряженная модель, решение которой представляет функцию чувствительности, использующуюся далее в разрабатываемой методике. Обсуждаются вопросы численной реализации моделей, осложняющиеся наличием у функции распределения концентрации разрывов или высоких градиентов. Приводятся алгоритм численного решения уравнений модели, основанный на расщеплении по процессам и координатам и численные схемы для каждого из процессов.
В пятом разделе объединяются результаты второго и четвертого и приводится общая схема имитационной модели распространения примеси и алгоритм ее численной реализации.
В шестом — заключительном, разделе приводятся и обсуждаются анализы численных экспериментов. Показано, что модель обладает удовлетворительным качеством, например, ошибки направления и концентрации составляют 10 град и 20 % соответственно. Обобщаются алгоритмы реализации блоков общей имитационной модели и приводится итоговый алгоритм метода оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна близких к мегаполису территорий. В заключение в разделе обсуждаются практические аспекты реализации результатов работы.
Безусловно, хотя предложенная методика и обладает удовлетворительным качеством, но она имеет достаточно большой резерв для совершенствования. В первую очередь, следует выделить повышение качества моделирования распространения примеси в условиях городской застройки. Связанные с этим вопросы, например, учет очагов тепла и особенности поведения коэффициентов диффузии, являются достаточно сложными и актуальными. Кроме того, одним из путей повышения качества может служить разработка более полных моделей источников примеси.
