Дистанционное измерение параметров пограничного слоя над большими городами Пекур, Михаил Сергеевич

Введение к работе

Работа посвязена исследованию пространственно
временной структуры атмосферного пограничного слоя
(АПС) над большими городами дистанционным методом,
направленному на решение экологических задач.
Применение для зтой цели метода активной акустической
локации (с поверхности земли) позволяет оперативно
определять основные локальные параметры АПС,
непосредственно влияющие на накопление, ближний
перенос и рассеяние загрязняющих примесей в атмосфере,
а . также получать данные об изменчивости этих
параметров. К таким основным характеристикам относятся
тип термической стратификации, высота слоя

перемешивания, вертикальные профили средней скорости и направления ветра, а также профили вертикальной компоненты ветра и ее дисперсии.

Актуальность темы. Растущее загрязнение воздушного
бассейна, особенно в больших городах, требует создания
измерительно - информационных систем локального
экологического мониторинга, позволяющих

диагносцировать и прогнозировать степень загрязнения атмосферы, а также обеспечивать информацию для принятия организационных мер для уменьшения" загрязнения и ослабления негативных последствий техногенных катастроф. Подобные системы экологического мониторинга, ориентированные на моделирование поля загрязняющих примесей и его эволюции, должны включать в себя, кроме оперативной информации о концентрациях загрязнений и характеристиках их источников, оперативные данные о метеорологических условиях, а также банк данных о средних (характерных) параметрах АПС и их возможных вариациях.

Традиционные контактные методы измерения основных метеопараметроз. (температура,⁷ скорость и направление ветра) при помощи радиозондо:^-'.,. летательных аппаратов или на высоких мачтах малоприменимы для получения оперативной информации об АПС из-за низкого пространственного и временного разрешения, больших

- 4 -
финансовых затрат на создание и эксплуатацию сети
станций. Радиолокационные и оптические методы,
несмотря на их бесспорную перспективность, также имеют
ограниченное применение в плотно населенной местности
и являются в настоящее время весьма дорогостоящими.
Акустические методы предоставляют . н-эдорогой,

оперативный, непрерывный, с высокыл пространственным разрешением, экологически чистый способ определения основных параметров АПС, непосредственно влияющих .на накопление, перенос и рассеяние загрязняющих примесей в атмосфере.

Целью диссертационной работы являлось:

1. Разработка метода практического применения
акустических локаторов (содаров) з экологических
исследованиях и его апробация в условиях большого
города как в долговременных, так и в краткосрочных
измерениях.

1. Исследование термической и ветровой структуры АПС над большими городами (на примере Алма-Аты и Москвы).

2. Выявление влияния локальных характеристик слоя перемешивания на приземные концентрации загрязняющих примесей.

Для осуществления поставленных целей были решены следующие задачи:

- изготовлен дезіствующий макет автоматизированного
трехкомпонентного доплеровского содара с повышенной
помехоустойчивостью для работы в городских условиях;

разработана методика применения содаров в экологических исследованиях и получения необходимой информации по даннкм акустического зондирования;

проведена апробация аппаратурного комплекса' и методики его использования в реальных экспериментах в Алма-Ате и Москве;

проведены краткосрочные содарные измерения в Алма-Ате, получек экспериментальный материал о термической и ветровой структуре АПС над городом;

- организовано ери постоянных пункта акустического
зондирования для проведения долговременных наблюдений

- 5 -в Москве (два на территории города, третий загородом);

- проведено сопоставление результатов определения
типа термической стратификации, профиля скорости и
направления ветра традиционными методами

(измерительный комплекс - на телебашне в Останкино, пункт радиологического зондирования в Долгопрудном, измерительный комплекс на высотной метеомачте в Обнинске) с данными акустического зондирования;

собран обширный экспериментальный материал о характеристиках атмосферного пограничного слоя над Москвой (его термической стратификации, высоте слоя перемешивания, повторяемости и границах приземных и приподнятых икзерсий), а также о суточных и сезонных вариациях этих характеристик;

собран экспериментальный материал для получения статистических данных о суточном ходе высоты слоя перемешивания, приземных и приподнятых инверсий для всех сезонов года в г Москва;

собран экспериментальный материал для получения оценки пространственной неоднородности АПС в Москве и окрестностях по данным одновременных содарных измерений в трех точках;

собран экспериментальный материал для оценки характеристик поля ветра над Москвой для двух сезонов; проведено сопоставление содарных данных' о параметрах слоя перемешивания с прямыми измерениями приземных концентраций загрязняющих примесей для оценки влияния типа стратификации, скорости и направления ветра на качество воздуха в Москве. Научная новизна работы заключается в следующем:

1) кзготозлен и апробирован автоматизированный
комплекс акустического зондирования пригодный для
работы в условиях большого города;

2) впервые проведены долговременные содарные
наблюдения параметров слоя перемешивания над Москвой и
получены их статистические характеристики;

3) проведено сопоставление содарных данных о
параметрах АПС, таких как высота слоя перемешивания,

-o-тип термической стратификации, скорость и направление ветра с прямыми измерениями приземных концентраций загрязняющих примесей;

4) получена оценка пространственной неоднородности АПС над Москвой и окрестностями по данным одновременных содарных наблюдений в трех пунктах.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработанный автоматизированный комплекс и методика акустического зондирования могут быть использованы в экологических исследованиях АПС в городе, а также для мониторинга параметров атмосферного пограничного слоя, влияющих на диффузию и накопление загрязняющих примесей.

2. Полученные климатологические данные о высоте слоя перемешивания, статистика приземных и приподнятых инверсий могут быть использозаны для оценки потенциала загрязнения атмосферы в Мос:-;зе.

3. Полученные оценки пространственной неоднородности термической структурі: АПС над Москвой могут быть использованы для определения количества - пунктов метеорологических измерений необходимых для получения репрезентативных данных о состоянии АПС над Москвой.

На заті^сту выносятся:

1) Комплекс для дистанционного измерения основных
параметров АПС в городских условиях.

2. Способ дешифровки =ксимильных записей эхо-сигнала (эхограмм) вертикального содара, их классификация и методика определения типа термической стратификации и высоты слоя, перемешивания.

3. Статистические данные о временном ходе и повторяемости основных типез термической стратификации по наблюдениям в Москве и Алма-Ате.

4. Результаты сопоставления с прямыми методами определения термической стратификации.

5. Результаты сопоставления приземных концентраций газовых и аэрозольных примесей с параметрами АПС по содарным данным.

6. Оценка пространственной неоднородности АПС над

- 7 -Москвой по данным содарных наблюдений в грех точках.

Апробация работы и публикации. Осноекнє результаты работы докладывались:

- на семинарах Института физики атмосферы РАК,
Института математики Казахской АН, МосЦГНС,

Метеорологической обсерватории Географического

факультета МГУ;

на Всесоюзных и Всероссийских конференциях,
совещаниях и семинарах: секции "Атмосферная акустика",
НС АН СССР "Акустика" (Москва, 1990); по
радиометеорологии (Суздаль 1988); по лазерному и
акустическому зондированию (Томск, 19г1, 1993) ; по
применению дистанционных радиофизически методов з
исследованиях природной среды (Муг ом, 1992);

"Стратегия экологической безопасности" 2.-Петербург, 1992); Ломоносовские чтения (МГУ, Москва- 1992);

на международных конференциях, совещаниях и школах: симпозиум КАЛГ "А.тмосфера-88" (Ігеван, 1988); совещание рабочей группы по взаимодейстЕ-Ьо атмосферы и океана (Москва, 1992); II сессия Российского акустического общества (Москва, 1993)* школа НАТО "Ветровой климат города" (Карлсруэ, ФРГ, 1993); симпозиум "Климатические параметры в прогнозировании распространения радиоволн" (Москва, 1994), VII симпозиум по дистанционному акустической;* зондированию (Боулдер, США, 1994) .

По теме диссертации опубликовано: -статей и кратких сообщений в отечественных и зарубежных научных журналах и тематических сборниках -16;

-тезисов докладов, представленных на всесоюзные, всероссийские и международные совещания и семинары - 12.

Перечень публикаций, в которых излгзены основные результаты выполненных исследований прісзеден в кон^е автореферата^

Дячкьгй аклад гшчюра. Содержание диссертации является частью ргдботы, проводимой в" Puzr-закустическсй лаборатории ИФА РАН, по развитию и приьгнению методов акустического зондирования атмосферы. Яетор принимал непосредственное участие во всех измерениях,

- 8 -изготовлении аппаратуры и программного обеспечения автоматизированного комплекса, разработал способ интерпретации и кодирования эхограмм для их компьютерной обработки, проводил первичную и статистическую обработку и обобщение полученных данных.

Структура. диссертации. Диссертация состоит из ведения, четырех глав, заключения, приложения и библиографии. Объем диссертации составляет /V/ страницу, зклэчая g3 рисунков, и список литературы ^из l^Z наименований.