Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Моделирование распространения загрязнителей
1.1. Типы моделей рассеяния загрязнителей 9
1.2. Модели атмосферной диффузии 11
1.2.1. Параметры моделей атмосферной диффузии
1.2.2. Статистические модели диффузии 14
1.2.3. Способы замыкания уравнений 16
1.2.4. Численные методы решения уравнений диффузии 18
1.3. Модели рассеяния выбросов от автотранспорта 20
1.3.1. Особенности автотранспортного загрязнения
1.3.2. Гауссовы модели для линейного источника 22
1.3.3. Сравнения моделей рассеяния с экспериментальными данными 25
1.3.4. Модели городских каньонов 27
1.3.5. Характеристики ветровых потоков в городских каньонах 31
1.4. Статистические методы моделирования 33
1.4.1. Ограничения статистических методов моделирования
1.4.2. Регрессионные модели прогноза загрязнения воздуха в городе 36
1.4.3. Российские модели рассеяния загрязнителей в условиях города 38
Выводы к главе 1 44
Глава 2. Полуэмпирическая модель рассеяния атмосферных загрязнителей
2.1. Параметры рассеяния примеси в условиях городской застройки
2.2. Расчет концентрации примеси на автомагистрали 51
2.3. Оценка распределения загрязнителей при удалении от источника
Выводы к главе 2 55
Глава 3. Типология застройки
3.1. Основные типы застройки г. Красноярска 56
3.2. Оценка проницаемости различных типов застройки 60
Выводы к главе 3 63
Глава 4. Влияние ветровых и температурных эффектов на рассеяния загрязнителей
4.1. Расчет характеристик ветрового потока 64
4.1.1. Влияние городской застройки на снижение скорости ветра .
4.1.2. Динамическая составляющая скорости ветра 66
4.2. Учет температурных эффектов 68
4.2.1. Перегрев воздуха на автомагистрали
4.2.2. Вертикальные движения воздуха в городском каньоне 71
Выводы к главе 4 75
Глава 5. Организация численного моделирования рассеяния загрязнителей в условиях городской застройки на территории Красноярска
5.1 Метеорологические параметры для моделей TSM, CALINE-4 HOSPM 76
5.2. Характеристики застройки и параметры источников 79
Выводы к главе 5 82
ГЛАВА 6. Сравнительный анализ моделей tsm, caline-4 и ospm с данными натурных наблюдений
6.1. Сравнение результатов расчетов по различным моделям 83
6.2. Влияние метеорологических условия на результаты моделирования 87
6.3. Влияние характеристик территории на результаты моделирования 93
6.4. Оценка влияния интенсивности движения на степень снижения концентрации при удалении от автомагистрали 97
6.5. Совместное влияние характеристик территории и параметров источника 103
Выводы к главе 6 107
Выводы 108
Заключение 109
Литература 111
- Модели атмосферной диффузии
- Расчет концентрации примеси на автомагистрали
- Основные типы застройки г. Красноярска
- Вертикальные движения воздуха в городском каньоне
Введение к работе
Изучение качества воздуха на городской территории показывает, что здоровье людей подвержено влиянию загрязнителей, выбрасываемых различными источниками, либо образующихся в результате химических реакций между выхлопными газами и атмосферой. Это приводит к необходимости достаточно быстро получать практические решения о выбросах и соответствующих им уровнях загрязнения. Оценка состояния воздушного бассейна ведется по двум направлениям: натурные наблюдения и математическое моделирование. Наиболее эффективным методом решения этой задачи является совместное использование техники измерений и моделей, описывающих распространение примесей. Математические модели, которые объединяют знания о выбросах и рассеянии загрязнителей в атмосфере, являются необходимыми инструментами не только для оценки существующих уровней загрязнения, но также для прогноза, например, будущих трендов качества воздуха или для определения стратегий сокращения выбросов.
Развитие атмосферных моделей осуществляется главным образом по двум направлениям. Первое состоит в разработке теории атмосферной диффузии. Модели основываются на описании физических и химических процессов: расчет выбросов, атмосферной адвекции и рассеяния, химической трансформации и осаждения. Это направление является более универсальным, поскольку позволяет исследовать распространение примесей от источников различного типа при разных характеристиках среды. Другое направление связано в основном с эмпирико-статистическим анализом распространения загрязняющих веществ в атмосфере и с использованием для этой цели интерполяционных моделей большей частью гауссовского типа.
Многие существующие в настоящее время модели атмосферной диффузии, описывающие перенос и рассеяние примесей в атмосфере города, не могут быть использованы для оперативного прогноза уровней загрязнения, поскольку требуют значительных затрат времени на выполнение расчетов.
Проведенные исследования показывают, что статистические модели, основанные например, на анализе временных рядов, имеют значительные ограничения для применения в задачах моделирования загрязнения воздуха в случаях, когда основным источником являются выбросы от автотранспорта. Достоинством этих схем является разработанность формального аппарата, относительная простота реализации, возможность эффективности использования в рамках систем автоматизированного контроля загрязнения атмосферы. Но поскольку в таких моделях используют результаты измерений в определенных типах каньонов, то они оказываются под влиянием локальных условий рассеяния. Поэтому оправдываемость разрабатываемых таким образом моделей не достаточно высокая.
Кроме того, большинство моделей, позволяющих оценивать качество воздуха в городской среде, используют значительные пространственные и временные усреднения. На любой достаточно обширной территории (занимаемой, например, большим городом) существуют естественные микроклиматические различия между отдельными районами. Подобные различия значительно усиливаются в условиях сложного рельефа и большого разнообразия функционирующей градостроительной системы, что приводит к значительной неоднородности пространственно-временной структуры полей концентраций. Поэтому существенные пространственно-временные усреднения приводят к сужению области применения моделей.
Для решения задачи локального прогноза загрязнения воздуха на территории города требуется разработка полуэмпирических моделей, использующих различные параметризации аэрографических и микроклиматических особенностей территории и метеорологических параметров.
Целью работы являлось исследование закономерностей рассеяния атмосферных загрязнителей в условиях городской застройки и разработка математической модели рассеяния.
Основные задачи работы:
Параметризация процессов переноса загрязнителей в условиях городской застройки.
Разработка количественных показателей, характеризующих проницаемость городской территории относительно набегающего ветрового потока.
Построение математической модели рассеяния загрязнителей от низких источников в условиях городской застройки и верификация построенной модели с данными натурных наблюдений.
Выполнение с помощью построенной модели и моделей, используемых в мировой практике для оценки загрязнения воздуха в городских каньонах, численных расчетов для г. Красноярска.
Научная новизна работы:
На основе симметрийных представлений предложена классификация типов городской застройки.
Предложены параметрические соотношения для горизонтального и вертикального потока загрязнителей, вызываемых ветровым и температурным воздействием.
Разработана оригинальная полуэмпирическая математическая модель для оценки уровней загрязнения в городской застройке на автомагистралях и на различных расстояниях от них.
Показано, что учет плотности застройки и проницаемости территории при моделировании рассеяния загрязнителей позволяет получить результаты, хорошо согласующиеся с данными натурных наблюдений.
Практическая значимость работы состоит в разработке модели, которая даст возможность оценивать состояние воздушного бассейна примагистраль-ных территорий.
7 Личный вклад автора: участие в постановке задачи, построение и анализ представленной в работе модели, проведение численных экспериментов. Настоящая работа является итогом исследований, выполненных автором в 2001-2005 гг.
Положения, выносимые на защиту;
Описание процессов распространения примеси в условиях городской за стройки включает в себя учет таких параметров, как высота и плотность расположения зданий, проницаемость территории.
Предложенные соотношения, характеризующие температурные и механические эффекты, позволяют адекватно оценивать интенсивность вертикального и горизонтального переноса загрязнителей.
Разработанная полуэмпирическая модель корректно описывает перенос и рассеяние потока загрязнителей в городской застройке на автомагистрали и при удалении от нее.
Интенсивность очищения атмосферы на городской территории определяется, с одной стороны, скоростью набегающего ветрового потока, а, с другой стороны, свойствами территории, возмущающей ветровой поток.
Публикации. По результатам работы опубликовано 19 печатных работ, в том числе статьи в журналах «География и природные ресурсы», «Вычислительные технологии», «Экология и промышленность России».
Поддержка: индивидуальные гранты (стипендии) Красноярского краевого фонда науки на 2002, 2004 и 2005 гг., грант ККФН-РФФИ «Енисей 2005» №05-05-97709.
Апробация работы: Результаты работы докладывались на следующих конфе-
ренциях и семинарах:
Международных: Третья международная школа — семинар «Физика окружающей среды» (Томск, 2002), «Enviromis 2002» (Томск, 2002), XI международный симпозиум «Гомеостаз и экстремальные состояния организма» (Красноярск, 2003), Международная конференция и школа молодых ученых «Вычислительно-информационные технологии для наук об окружающей среды, CITES 2003» (Томск, 2003), Международная конференция по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды «ENVIROMIS — 2004» (Томск, 2004), «Вычислительно-информационные технологии для наук об окружающей среде CITES-2005» (Новосибирск 2005).
Всероссийских: Пятый всероссийский семинар «Моделирование неравновесных систем-2002» (Красноярск, 2002), Всероссийская научно-практическая конференция «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов» (Красноярск, 2003), VII Всероссийская научная конференция с участием иностранных ученых «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2003), X рабочая группа «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2003), Всероссийская научно-практическая конференция «Лесной и химический комплексы — проблемы и решения» (Красноярск, 2004).
Краевых: 8-я межрегиональная научно-методическая конференция «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы Красноярского края» (Красноярск, 2003).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, изложена на 125 страницах, включает 20 рисунков и 26 таблиц; библиография — 140 наименований.
Модели атмосферной диффузии
Задача исследования загрязнения атмосферы имеет общую основу с изучением атмосферной диффузии, поскольку процессы переноса примесей в атмосфере определяются, главным образом, законами вихревого перемешивания. Систематические исследования атмосферной диффузии применительно к вопросам загрязнения атмосферы начаты сравнительно недавно - в 50-х годах прошлого столетия. Однако их научные основы закладывались в течение длительного времени. Первые работы в этой области связаны с именами Тэйлора и Шмидта [3].
Перенос примеси в приземном слое описывается с помощью уравнения турбулентной диффузии [4]: где Sc — характеризует вклад источников выбросов и осаждения примеси, Rc — химические реакции, оси х, у расположены в горизонтальной плоскости, ось z — по вертикали, и, v,w — составляющие средней скорости перемещения примеси соответственно по направлению осей х, у, z, Кх, Ку, К2 — горизонтальные и вертикальные составляющие коэффициента обмена, C(x,y,z,t) — концентрация примеси.
Существует ряд различных теорий атмосферной диффузии, но все они в качестве входных параметров содержат одни и те же характеристики турбулентности в пограничном слое атмосферы (ПСА) [3]. При разработке диффузионных теорий входными параметрами обычно служат вертикальные профили следующих элементов: компонент скорости ветра, дисперсии компонент скорости ветра, температуры. Эти элементы часто определяются через внешние параметры: скорость геострофического ветра (G), параметр шероховатости (z0) и высоту пограничного слоя (h).
Все перечисленные переменные и параметры являются эйлеровыми характеристиками, то есть они измеряются с помощью приборов, которые либо закреплены неподвижно, либо движутся в воздухе с постоянной скоростью (находясь на самолете). Однако диффузия - это лагранжев процесс, в котором воздействие атмосферы проявляется в результате безынерционного движения частиц, следующих за воздушным потоком. Таким образом, основная задача состоит в установлении связей между перечисленными выше эйлеровыми переменными и лагранжевыми переменными. Обычно используется предположение о том, что в эйлеровой и лагранжевой системах отсчета все переменные являются одинаковыми с точностью до выбора временных масштабов (например, в этих системах равны энергии турбулентности).
Сложность структуры турбулентного течения настолько велика, что детально описать его не представляется возможным, поэтому изучение турбулентных течений направлено на получение их статистических характеристик [3]. С этой целью движение разбивается на две составляющие: медленно меняющийся средний поток и быстро пульсирующие турбулентные возмущения. Для определения среднего потока необходимо выполнить осреднение по ансамблю, то есть по достаточно большому числу независимых реализаций движений. Такого рода процедуру технически осуществить почти невозможно. Поэтому при построении моделей обычно предполагают, что течение является статистически стационарным, так что средние по ансамблю не меняются во времени и могут быть заменены средними по времени, определенными в какой-либо одной точке пространства. Для каждой переменной и каждого параметра должно быть точно указано время осреднения (время отбора или измерения). Поскольку атмосфера содержит вихри в широком диапазоне масштабов, при решении каждой конкретной задачи важно выбрать подходящее осреднение.
В результате соотношение между характеристиками диффузии и турбулентности зависит от времени отбора проб, времени пролета и времени работы источника диффундирующей примеси. Время отбора — это интервал времени, в течение которого переменная «отбирается» или наблюдается, время пролета — время, прошедшее с момента испускания данной частицы примеси из источника, а время работы источника - интервал времени, в течение которого примесь поступает от источника в атмосферу. Этим временным интервалам соответствуют спектральные окна, отфильтровывающие те компоненты турбулентности, которые определяют характер наблюдаемой диффузии примеси. Если время пролета намного больше, чем время работы источника, или если время отбора намного меньше, чем время пролета, то для описания распространения примеси подходит приближение диффузии клуба. Если же время отбора и время работы источника намного больше времени пролета, то целесообразно пользоваться моделями диффузии факела от непрерывно действующего источника.
Поскольку атмосферная диффузия определяется в первую очередь турбулентностью атмосферы, а все уравнения механики турбулентных потоков являются незамкнутыми, то есть содержат больше неизвестных, чем уравнений, то и расчет диффузий примеси в окружающем нас воздухе не может быть автоматически сведен к какой-либо задаче математической физики, а обязательно требует привлечения тех или иных нестрогих гипотез и приближенных допущений. По этой причине задача о распространении примесей в атмосфере не имеет одного общепринятого «правильного решения», а характеризуется наличием целого ряда различных подходов к требуемому расчету, ни один из которых не может претендовать на полную строгость и точность. В нашей стране для расчета рассеяния загрязнений воздуха в основном используются «замыкания первого порядка», то есть параболические полуэмпирические уравнения турбулентной диффузии, коэффициенты которых подбираются по определенным правилам. Этот метод в последние годы в России получил значительное развитие и с успехом применяется для широкого круга задач о воздушных загрязнениях [4]. В США и Англии до сих пор основным является заметно более грубый (но и более простой) «метод гауссовых струй».
Расчет концентрации примеси на автомагистрали
Моделирование рассеяния атмосферных загрязнителей в городских каньонах неизбежно связано с моделированием ветровых потоков. Скорость ветра оказывает значительное влияние на локальные рассевающие факторы и, следовательно, на структуру полей концентраций. Между скоростью ветра и концентрациями поллютантов существует весьма четкая обратная корреляция, в основе которой лежит разбавление газов воздушными массами. Поэтому чем выше скорость ветра, тем сильнее процессы атмосферной турбулентной диффузии, играющие ведущую роль в рассеянии атмосферных загрязнителей.
В городском каньоне можно выделить горизонтальную и вертикальную составляющие турбулентного потока. Для описания вертикальной составляющей потока необходимо учитывать, что в приземной атмосфере в городском каньоне может наблюдаться термическая и динамическая турбулентность. Термическая турбулентность связана с конвективными движениями. Если движение развивается самопроизвольно благодаря плавучести, то такой процесс называют свободной конвекцией, а если вертикальные движения вызываются внешними факторами, то наблюдается вынужденная конвекция. При полностью вынужденной конвекции плавучесть не влияет на вертикальные смещения и целиком определяется динамическими причинами. На появление того или иного типа конвекции также влияет устойчивость атмосферы. Вынужденная конвекция преобладает при устойчивой стратификации, свободная конвекция — при неустойчивой стратификации.
Основной причиной развития динамической турбулентности в приземном слое является деформация воздушного потока при его движении над шероховатой подстилающей поверхностью, при этом, чем больше шероховатость, тем больше деформируется воздушный поток. Сопротивление элементов застройки замедляет воздушный поток, что приводит к возникновению градиента давления. По условию непрерывности замедление потока в направлении течения приводит к вертикальному движению над городской застройкой и вокруг нее. Это среднее вертикальное движение переносит поток загрязняющих частиц наверх и может быть больше, чем вертикальное движение турбулентности этого потока при отсутствии препятствий в виде городской застройки. Полные эффекты сопротивления турбулентному потоку, создаваемого различными препятствиями, обычно параметризуются через длину шероховатости z0. Такая параметризация компактна и эффективна для многих приложений, но имеет свои ограничения. Во-первых, этот метод не дает информации о характеристиках потока между отдельными элементами застройки, которая требуется для моделирования переноса и рассеяния загрязнителей в атмосфере города. Во-вторых, этот параметр определяется только в случае логарифмического профиля ветра над застройкой. Следовательно, когда поток над ней ускоряется или ослабляется, определить размер параметра шероховатости однозначно довольно сложно [122]. Поэтому для характеристики сильно неоднородной территории, какой является городская застройка, в работе используется параметр сопротивления среды (городской застройки) Lc (аналогично подходу, использованному в [123]).
Составные элементы городского каньона оказывают на средний поток два эффекта. Во-первых, эффективное сопротивление препятствий, связанное со снижением давления отдельных элементов, приводит к замедлению среднего потока. Во-вторых, изменение направления течения вокруг отдельных элементов также может изменять энергию потока. Поэтому для расчета основного эффекта от воздействия препятствий в модели TSM рассматривается поток, усредненный по пространству и времени. Параметры отдельных элементов городского каньона также усредняются по пространству. Эволюция потока вычисляется по изменению плотности элементов каньона, что позволяет избегать вычисления деталей трансформации потока вокруг отдельных элементов.
Эффективное сопротивление каньона замедляет поток внутри него и, следовательно, действует только в пределах части объема, окружающего каньон. Поэтому длина сопротивления каньона Lc определяется характеристиками каньона, такими как среднее расстояние между зданиями и средняя ширина зданий. Изменение характеристик городских каньонов в различных районах города вызывает изменение длины сопротивления препятствия Lc. Так, увеличение плотности элементов застройки Рв ведет к увеличению сопротивления каньона и, таким образом, к уменьшению Lc. При выходе потока из каньона на свободную территорию сила сопротивления каньона пропадает, следовательно, в потоке ниже высоты каньона возникает дисбаланс сил, и средняя горизонтальная составляющая потока увеличивается, приводя вследствие условия непрерывности к снижению средней вертикальной скорости. При достаточном удалении от каньона пограничный слой восстанавливает свои первоначальные профили.
Длина сопротивления каньона (canopy-drag length scale) Lc представляет собой расстояние по направлению течения, требуемое каньону для снижения кинетической энергии частиц воздуха, и позволяет оценить расстояние для корректировки внешнего ветрового потока городским каньоном. Масштаб длины сопротивления можно получить из выражения [123],
Основные типы застройки г. Красноярска
Ветровой поток имеет сложную трехмерную структуру, но в соответствии с параметризацией, предложенной в модели TSM, для потока оцениваются отдельно горизонтальная и вертикальная составляющие. Снижение горизонтальной скорости ветра и оценивалось по формуле (2.9) в каньонах различного типа (рис.4.1). При этом скорость невозмущенного потока //, бралась равной 10 м/с.
Каждый тип застройки характеризуется, кроме проницаемости территории, также высотой зданий h и плотностью застройки Рв. Каждый из этих факторов ведет к снижению горизонтальной скорости ветра, но степень их влияния различна. Наиболее слабо выражено влияние проницаемости территории rj{ p), меняющейся в зависимости от направления движения потока qy.
Самое значительное влияние этого фактора наблюдается в застройке типа V (кривая V на рис.4.1), где наиболее высокая скорость ветра - в юго-западном направлении (70 град.). Это соответствует максимальному значению проницаемости TJ = 0.348 в этом направлении (рис. 3.4). В остальных типах застройки скорость потока при различных значениях проницаемости отличается незначительно.
Гораздо большее влияние оказывают плотность застройки и высота зданий. Наименьшая высота зданий - около трех метров — наблюдается в застройке II типа. Плотность зданий здесь также незначительна и составляет 15%. В связи с этим скорость ветра на этой территории самая высокая (кривая II на рис.4.1) среди всех типов застройки при одинаковой заданной скорости невозмущенного потока. Немного ниже скорость ветра в застройке VI типа (кривая VI на рис.4.1). Это связано с тем, что здесь более высокие здания — 10 м и немного выше плотность застройки - 20%.
В застройке I типа наблюдается самая высокая плотность зданий — 30%, поэтому, несмотря на их небольшую высоту — около 15 м, скорость здесь (кривая I на рис.4.1) низкая (на уровне 7 м/с).
В застройках III, IV и V типов одинаковая и самая большая высота зданий - 30 м, а плотность застройки различна. В застройке IV типа здания наиболее разрежены, их плотность составляет 10% относительно общей площади. Но значительная высота зданий обеспечивает здесь скорость ветра (кривая IV на рис. 4.1) несколько слабее, чем в застройках I, II и VI типов. Большая плотность зданий - 15% — в застройке V типа приводит к тому, что скорость ветра на этой территории для различных направлений колеблется около 7 м/с, как и в за 66
стройке I типа. Самая высокая плотность зданий 30% одновременно с самой значительной их высотой наблюдается в застройке III типа. Поэтому скорость ветра здесь находится на уровне 6 м/с практически для всех направлений. И лишь для западного и северо-западного направлений происходит незначительное увеличение скорости.
Таким образом, самое большое влияние на снижение скорости ветра оказывает высота зданий на окружающей городской каньон территории. Несколько слабее влияние плотности застройки, а изменение проницаемости приводит к небольшим колебаниям скорости возле одного уровня для различных направлений. Влияние этих параметров сохраняется при уменьшении скорости невозмущенного потока до некоторого уровня, но при слабых скоростях ветра или штиле их влияние сглаживается. В тоже время при увеличении скорости набегающего потока различия, определяемые характеристиками отдельных территорий, увеличиваются. Но в создающихся при этом условиях концентрации загрязняющих веществ настолько низкие, что невозможно проследить влияние отдельных территорий на их уровни.
Вертикальная компонента скорости потока в модели TSM складывается из термической wt и механической wm составляющих (формула 2.7).
В различных типах городской застройки при одинаковой скорости набегающего потока Uh горизонтальная компонента и отличается, следовательно, и вертикальная компонента wm будет отличаться (рис. 4.2).
Характерная скорость такого рода вертикальных движений в пограничном слое атмосферы составляет несколько см/с [128]. Кривая 0 на рис 4.2 соответствует значениям вертикальной скорости для элементов шероховатости высотой около 1 м в отсутствии городской застройки. Значения составляют от 0.6 см/с до 3 см/с при различных значениях горизонтальной скорости.
Расчет проводился для различных скоростей невозмущенного потока Щ: 3, 5, 10 и 15 м/с. Соответствующие им значения горизонтальной составляющей находятся на уровне 2, 4, 8 и 12 м/с. Наибольшие значения вертикальной скорости возникают в застройке III типа, поскольку здесь наблюдается наибольшее замедление невозмущенного потока.
Максимальное значение 1.15 м/с достигается при скорости набегающего потока, равной 15м/с. Наименьшие значения вертикальной составляющей на застроенной территории при всех рассмотренных значениях СД наблюдаются в застройке II типа. Это объясняется тем, что в данном типе застройки самая маленькая высота зданий и незначительная плотность застройки, которые слабо возмущают внешний поток. Динамическая скорость на этой территории меняется от 2 см/с при скорости 3 м/с до 13 см/с при скорости 15м/с. В застройках IV, V и VI типов wm принимает близкие значения и при изменении скорости UH меняется от 0.2 м/с до 0.4 м/с. По сравнению с этим в застройке I типа скорость меняется более значительно. Таким образом, зависимость механической компоненты вертикальной скорости ветра wm от скорости невозмущенного потока Uh и, следовательно, от вертикальной скорости и, носит линейный характер.
В реальной ситуации в условиях городской застройки сопротивление элементов каньона воздействует как импульсное замедление частиц воздуха, поэтому значение динамической вертикальной скорости в отдельных точках, например, вблизи стен зданий, может быть намного выше, чем значения, показанные на рис. 4.2, и соизмеримо с горизонтальной скоростью. Но в модели TSM этот процесс рассматривается в приближении среднего потока. Следовательно, рассмотренные значения wm характеризуют среднюю для выделенного объема скорость.
Вертикальные движения воздуха в городском каньоне
Расчет вертикальной скорости движения wt выполнялся для высоты 3 м над поверхностью при различных значениях Т0 (рис. 4.4).
Расчет показал, что для каждого значения температуры воздуха у поверхности земли Го при отрицательных значениях температурного градиента, характеризующих неустойчивое состояние атмосферы, вертикальная скорость выше, чем при положительных градиентах, соответствующих устойчивому состоянию. Кроме того, при увеличении температуры воздуха вертикальная скорость снижается. Для выбранных условий самого большого значения (3.7 м/с) вертикальная скорость достигает при градиенте у = -А град, на 100 м и температуре Го=-20С. А самое маленькое (1.03 м/с) наблюдается при температуре 20С и градиенте 4С на 100 м.
Зависимость термической скорости от температуры окружающего воздуха и обуславливает суточные и годовые колебания скорости. Любой город является термически неоднородным, поэтому различные значения вертикальной скорости могут возникать в разных частях города в одно и тоже время. Неоднородность подстилающей поверхности является одной из причин, определяющих неоднородность термического режима в городе, называемую «островом тепла». «Остров тепла» является отражением суммы микроклиматических изменений, связанных с антропогенными преобразованиями городской поверхности. Ведущим фактором в образовании «острова тепла» является наличие большого количества примесей в воздухе и вызванные ими изменения радиационного режима [130]. Наличие крупной реки (р. Енисей) также оказывает заметное влияние на термический режим города, являясь причиной расщепления дневного острова тепла в летнее время. Температурные контрасты ярче всего проявляются в вечерние часы, непосредственно перед закатом и после него. Наибольшие различия наблюдаются между центральными районами города и его окраинами, что говорит о наличии острова тепла.
Остров тепла не является стационарным. Различия в температуре между разными территориями города меняются в зависимости от состояния пограничного слоя атмосферы и синоптической ситуации над городом. Эти различия имеют и сезонную динамику. В зимний период термические различия значительно больше, чем в летний, что связано с дополнительными тепловыделениями от сжигания большого количества топлива. Средняя интенсивность острова тепла в различных городах составляет около 5С [130], но исследования, проведенные в различных городах Северной Америки, показали различия в 14С. Согласно натурным наблюдениям, проведенным на территории г. Красноярска в 2002 — 2004 гг., в зимние месяцы максимальные температурные различия между центром города и его окраинами доходит до 12С, в то время как в летние месяцы его максимальная разница может достигнуть лишь 8С.
Таким образом, в некоторые дни различия вертикальных скоростей в отдельных районах города могут доходить до 1 м/с.
Вертикальная скорость значительно меняется с высотой даже в пределах городской застройки. Наибольший интерес в задаче рассеяния примесей от автомагистрали представляет исследование изменения скорости wt в зависимости от высоты до уровня 30 метров, соответствующего средней высоте зданий в самых глубоких каньонах на территории г. Красноярска. Расчет выполнялся для различных значений вертикального градиента температуры при фиксированном значении 7о=20С (рис. 4.5).
На рис. 4.5 видно, что различия в скоростях ветра на уровне 3 м для всех значений градиентов незначительны, но на 30 м эти различия усиливаются. Так для минимального градиента температуры, равного -4С на 100 м, наблюдается наибольший рост вертикальной скорости с высотой, начиная от 1.8 м/с на высоте 3 м и заканчивая 6.3 м/с на высоте 30 м. Зависимость скорости от высоты носит линейный характер. Для градиента температуры, равного -2С на 100 м, скорость ветра на высоте 30 м достигает уже 4.3 м/с. Оба эти градиента характерны для неустойчивой стратификации атмосферы. Вертикальная скорость ветра при нейтральной стратификации также будет расти с высотой, но не так значительно, как в условиях неустойчивой стратификации.
В атмосфере одновременно с восходящими потоками наблюдаются и компенсационные нисходящие потоки. При этом в целом по экспериментальным данным термические скорости нисходящих потоков значительно меньше скоростей восходящих потоков [121]. Согласно модельным расчетам, представленным на рис. 4.5, отрицательные значения вертикальной скорости, характе 75 ризующие нисходящие потоки, появляются при положительных градиентах температуры. Так, при градиенте температуры 2.5С на 100 м нисходящий поток появляется на высоте 30 м и скорость его равна 0.18 м/с. При еще более устойчивом состоянии атмосферы с градиентом температуры, равным 4С на 100 м, нисходящий поток возникает на меньшей высоте — около 20 м. К 30 м скорость его достигает 1.6 м/с. При снижении температуры окружающего воздуха рост скорости восходящих потоков с высотой будет усиливаться, а уровень возникновения нисходящих потоков возрастет вследствие увеличения разницы между температурами примеси и воздушной среды.
