Введение к работе
Актуальность темы. Необходимость оценки опасности для здо-ья людей и нормального функционирования биосферы существующих уровней загрязнения атмосферы и других сред, а также проблемы выделения главных направлений вложения средств в охрану природы, заставляет государства организовывать различные службы слежения за состоянием природы. Основными задачами общегосударственной службы наблюдения и контроля за загрязнением окружающей среды СОГСНЮ в СССР являются: наблюдения за состоянием биосферы, выделение и оценка антропогенных воздействий на природные объекты в условиях усиливающегося техногенного прессинга, прогноз изменений состояния биосферы и определение экологических резервов последней.
Большая часть антропогенных веществ поступает в природные комплексы путем переноса атмосферными потоками из районов-источников. Традиционные способы мониторинга Сувеличение плотности пробоотборной сети, аналитических центров, рост количества анализов и измерений, работ по контролю данных и т.д.) при несомненном положительном эффекте потребуют больших материальных и трудовых затрат. Другим подходом к решению большого круга научных и практических задач ОГСНК,требующим значительно меньших затрат, является моделирование переноса примесей. Совершенствование моделей на основе сравнения результатов с данными натурных наблюдений позволит достичь точности традиционных решений, превосходя их в полноте, оперативности и экономичности. Следовательно, разработка и использование моделей распространения атмосферных примесей является одним из важнейших направлений исследований в области охраны природной среды.
Предлагаемая работа подготовлена в рамках выполнения темы V. 28.19 плана НИР Госкомгидромета СССР "Провести комплекс-
ное изучение и анализ фонового состояния природной среды в СССР и разработать рекомендации по усовершенствование системы мониторинга с целью создания экологической службы" Спрограмма ГКНТ СССР С.85.04 "Контроль природной среды").
Целью работы являлась разработка математической модели атмосферного переноса загрязняющих веществ от антропогенных источников, включающей описание процессов их диффузии, трансформации, сухого и влажного выведения. Реализованная в виде программного комплекса модель прелагается использовать в изучении географических закономерностей формирования уровней загрязнения в удаленных от источников районах.
Основная идея: математическое описание физических процессов переноса, диффузии, трансформации и дисперсии техногенных атмосферных примесей позволит при расчетах получить пространственно-временные характеристики распределения концентраций и выпадения последних в региональном масштабе.
Основные задачи исследования.
1. Разработать модель построения траектории перемещения атмо
сферных частиц, использующую данные анализа или прогноза
метеоэлементов во внетропических широтах Северного полушария.
-
Решить задачу параметризации планетарного пограничного слоя СППС) атмосферы для учета влияния происходящих в нем пр'^^сов, реализовав одну из известных моделей ППС.
-
і-азработать метод решения уравнения баланса примеси в Лагранжевой системе координат для консервативных и неконсервативных примесей.
-
Применить разработанную модель для расчета пространственного распределения концентраций и выпадений в регионе.
-
Применить отдельные блоки модельного комплекса для исследований географических закономерностей формирования загряз-
нения удаленных от источников районов Сстанций комплексного фонового мониторинга), а также расчета концентраций техногенных веществ от источников на территории промышленного узла.
Новизна работы,Разработана Лагранжевая математическая модель рассеяния загрязняющих атмосферу веществ на большие расстояния, включающая описание всех основныхпроцессов диффузии и дисперсии, учет влияния свойств подстилающей поверхности. Расчет переноса базируется на' оригинальной' модели построения обратных траекторий по агеострофическим соотношениям между полями геопотенциала и ветра, ориентированной на использование широко доступных данных анализа и прогноза метёоэлементов. Разработана процедура численного интегрирования уравнения вертикальной диффузии сцелыэ включения, изменяющихся с высотой параметров-рассеяния. Для учета влияния метеорологических процессов, происходящих в нижних слоях переноса, была реализована и включена в програмний комплекс модель планетарного пограничного слоя СППС). Продемонстрировано применение модели к расчету концентраций антропогенных веществ в атмосфере регионов с целью получения статистико-географических характерист тик загрязнения воздуха. Выявлены основные закономерности формирования уровня содержания загрязняющих веществ в атмосфере ряда районов размещения станций фонового мониторинга.
Практическая ценность. Разработанная модель дальнего переноса атмосферной примеси является ценным инструментом для решения большого круга научных и практических задач исследования загрязнения регионов: анализа и оценки влияния процессов переноса, диффузии и дисперсии на содержание загрязняющих веществ в воздухе исследуемых районов, выявления связей "источник - рецептор", проведения различных прогнозных экспериментов в области мониторинга окружающей природной среды
и т. д. Особое значение такие работы приобретают ввиду необходимости внедрения экологических экспертиз проектов создания крупных территориально-производственных комплексов.
Важным практическим результатом, имеющим большое значение для определения доз антропогенной нагрузки на экосистемы и выработки природоохранной политики, является возможность получения географических закономерностей пространственного и временного распределения загрязнения в атмосфере регионов.
Отдельные блоки модели нашли свое самостоятельное практическое применение, что подтверждено актами внедрения. Регулярные расчеты обратных траекторий поставляются в базу данных режимно-справочного банка "Фоновое загрязнение природной среды" и предназначены для проведения оценок представительности информации с сети СКФМ, определения трендов загрязнения и других работ, связанных с обработкой наблюдений.
Блоки расчета диффузии, дисперсии и химической трансформации неконсервативных примесей явились базой модели для расчета загрязнения воздушного бассейна промышленного узла, использовавшейся при разработке территориальной комплексной схемы охраны природы г.Шебекино Белгородской области.
Реализация результатов работы. Разработанная модель реализована в виде исследовательских комплексов программ для персональных ЭВМ типа IBM PC/AT и ЕС ЭВМ, широко использующихся в учреждениях Госкомгидромета СССР и АН СССР.
Апробация модели. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научном координационном совещании по проблеме XII "Глобальная система мониторинга окружающей среды" стран-членов СЭВ (Прага,1986), на I и II Конференции молодыхі ученых Лабораторний мониторинга природной среды и климата (ЛАМ) Госкомгидромета СССР и АН СССР (Москва, 1986 и
1987 гг.), на II научно технической конференции молодых ученых Куйбышевского района г. Москвы С1986), на Всесоюзном совещании "Системное моделирование загрязнения атмосферы" САлма-Ата, 1989), на семинарах отдела геофизического мониторинга ЛАМ.
Публикации, По теме диссертации опубликовано 5 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Основная часть содержит 95 страниц, 15 рисунков, 6 таблиц. Список литературы состоит из 79 названий источников. Результаты расчетов и тексты программ помещены в приложении.
