Моделирование загрязнения атмосферы по оперативным данным

• Автор: Филатова, Елена Николаевна
• Шифр специальности: 25.00.30
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 100 с. : ил.

ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ АТМОСФЕРНОЙ ДИФФУЗИИ В ЛОКАЛЬНОМ МАСШТАБЕ

1.1. Принципы сопоставления модельных расчетов и данных измерений

1.1.1. Гауссовы модели

1.1.2. Модели расчета загрязнения атмосферного воздуха, основанные на совместном решении уравнений атмосферной диффузии и уравнений гидротермодинамики атмосферы

1.1.3. Модели ГГО им.А.И.Воейкова

1.1.4. Стохастические модели дисперсии

1.2. Параметризация пограничного слоя атмосферы

1.3. Особенности рассеяния примеси в условиях развитой конвекции

1.4. Ообоснование выбранного направления работ

ГЛАВА 2 РАСЧЕТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ПО ОПЕРАТИВНЫМ

ДАННЫМ
2.1. Постановка задачи
2.2. Параметризация пограничного слоя атмосферы
2.3. Решение уравнения диффузии в условиях термической конвекции
2.4. Решение уравнения диффузии примеси при нейтральной и устойчивой
стратификации
2.5/ Численная проверка перехода решения двухпотоковой системы
уравнений в стандартное уравнение диффузии
ГЛАВА 3 СРАВНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ И МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
3.1. Методология сопоставления рассчитанных и измеренных
концентраций
3.2. Фильтрация данных трассерных экспериментов для восстановления
осевой концентрации
3.3. Тестирование модели на данных измерений в Kincaid
3.3.1. Развитая конвекция
3.3.2. Нейтральная и устойчивая стратификация
3.3.3. Сравнение расчетов по различным моделям
3.4. Сравнение расчетов по модели с данными эксперимента CONDORS
ГЛАВА 4 ВОЗМОЖНОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛИ
4.1. Задача усвоения данных наблюдения сети при построении поля среднегодовых концентраций в городе
4.1.1. Описание проблемы и способ ее решения
4.1.2. Реконструкция среднегодового поля концентраций S02 для г. Пскова
4.2. Расчет внешней индивидуальной и популяционной дозы (экспозиции)
по оперативным данным
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Разработка моделей атмосферной диффузии, используемых для решения широкого круга прикладных задач, в том числе, связанных с подготовкой природоохранных мероприятий, регулированием транспортных потоков в городах, оценкой риска для здоровья населения и др., имеет большое научное и практическое значение. Такое моделирование основано на учете закономерностей распространения атмосферных примесей.
В течение ряда лет одним из наиболее важных направлений работ Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова было построение моделей, обеспечивающих расчет максимальных значений концентраций загрязняющих веществ (соответствующих верхним процентилям функции распределения вероятности концентрации), так как при проектировании и сооружении новых, а также реконструкции действующих предприятий требуется, чтобы максимальные приземные концентрации примеси не превышали соответствующие предельно допустимые значения - ПДК. Результатом этих работ явилось создание нормативных документов по расчету полей максимальных концентраций, которые широко используются в практической деятельности в области охраны воздушного бассейна от загрязнения, ведущейся в России и других странах СНГ.
В то же время, известен ряд природоохранных задач, для решения которых модели максимальных концентраций недостаточно эффективны, например:
1) оперативный прогноз загрязнения атмосферы;
2) оперативное управление качеством воздуха, опирающееся на расчет концентраций загрязняющих веществ в реальном времени с использованием конкретных метеорологических параметров;
3) усвоение данных сети мониторинга при построении, например, среднегодовых или среднемесячных полей концентраций загрязняющих веществ на основе данных инвентаризации выбросов;
4) оптимизация расположения станций сети мониторинга в городах;
5) расчет внешней дозы загрязняющих веществ перемещающихся групп населения.
Для решения указанных задач требуется иметь в наличии модели расчета концентраций, относящихся к заданному моменту времени и соответствующему набору метеорологических параметров. Так как при моделировании состояние атмосферы обычно задается ограниченным набором входных параметров, таких

соответствующей малым значениям коэффициента диффузии, в случае устойчивой и нейтральной стратификации введем новую переменную С,, определяемую ^ соотношением:
d{g) = , д=) -^-г (2.25)
Kn{z)
Для профиля коэффициента диффузии (2.12) величина С, вычисляется аналитически. Уравнение (2.2) в безразмерных переменных выглядит следующим образом:
К 8 С' 8 2С'
-^f[F„(g)-Fn(g 0)]^1 = °А (2 26)
к Эх 8д
С учетом отражения потока примеси npHz’=z0’ иг'=1 запишем граничные
^ дС'
— = 0, при С=Со и <^н (2.27)

и начальное условия для уравнения диффузии
С'(х = 0) = — 5(z-H )
U{z = H.)
КМ S(g-ge). (2.28)
и* Я [Ки (f е) - Я„ (? 0 )] К„ (де)
Использование масштаба позволяет перейти к безразмерной концентрации в и
уравнениях (2.26-2.28).
Для уравнения (2.26) была построена дискретная аппроксимация по методу баланса аналогично (2.23). Консервативная система разностных уравнений была решена методом прогонки с переменным шагом по х' и равномерным шагом по Эффективность расчетной схемы оценивалась путем сравнения с аналитическим решением уравнения диффузии при степенных профилях скорости ветра и коэффициента турбулентного обмена. Так как аналитическое решение найдено при ином граничном условии, а именно, С'-»0 при т1—>ж, может наблюдаться различие в результатах. Сравнение проводилось для низкого источника Не= 10 м, для которого расстояние Хм!, соответствующее максимуму См' приземного распределения концентраций, мало по сравнению с высотой пограничного слоя Это позволяет полагать, что отражение от верхней границы, используемое в численной схеме, не повлияет на величину и положение максимума. Разница между расчетами и аналитическими решениями не превосходила 5%.