Автор:Бузало Н.С.
Источник:http://www.dissercat.com/content/matematicheskoe-modelirovanie-perenosa-primesi-v-mezometeorologicheskom-pogranichnom-sloe-at
Бузало Н.С. - Математическое моделирование переноса примеси в мезометеорологическом пограничном слое атмосферы. Совершенствование методов прогноза концентрации загрязняющих веществ в атмосфере путем построения математической модели и алгоритма численного исследования процессов регионального переноса примеси в пограничном слое атмосферы, исследование влияния теплофизических параметров почвы и воздуха, а также рельефа на концентрацию загрязняющих веществ.
Существующие практические методики прогнозирования чаще всего используют сравнительно простые математические модели, мало пригодные для описания переноса примеси в воздушной среде промышленного региона. С помощью этих методик невозможно учесть взаимное влияние множественных источников загрязнения, в условиях нестационарного пространственного поля скорости ветра.
В масштабе региона на распространение примеси большое влияние оказывают мезометеорологические явления, формирующиеся под влиянием подстилающей поверхности. Такие явления имеют горизонтальные размеры от единиц до нескольких сотен километров и развиваются в пограничном слое атмосферы высотой до двух километров. Вопросы моделирования динамики мезометеорологического пограничного слоя в условиях сложной орографии и неоднородных свойств воздуха мало разработаны. Также до настоящего времени не рассматривались вопросы воздействия термических неоднородностей окружающей среды и рельефа подстилающей поверхности на распространение загрязнений в воздушной среде. Для повышения точности прогноза загрязненности атмосферы и поверхности земли необходимо создание новых, более строгих математических моделей, учитывающих перечисленные факторы, и алгоритмов решения возникающих задач.
Поставленная цель и сформулированные проблемы потребовали решения следующих задач:
-создания математической модели распространения загрязняющих примесей любого типа (газообразных, аэрозолей, твердых частиц) во влажном неизотермичном пограничном слое атмосферы для областей протяженностью до нескольких сотен километров при нестационарных условиях;
-разработки новых численных алгоритмов решения задач динамики ме-зометеорологического пограничного слоя атмосферы, конвективного переноса и диффузии;
-создания программного вычислительного комплекса, позволяющего проводить мониторинг загрязнений атмосферы и поверхности земли промышленного региона;
-исследования влияния термодинамических факторов и рельефа местности на распространение примеси;
-выполнения прогноза загрязнения города Новочеркасска и территории Ростовской области различными типами примесей.
1. ППостроена математическая модель рассеивания примесей любого типа в мезометеорологическом пограничном слое атмосферы, впервые одновременно учитывающая орографическую неоднородность подстилающей поверхности, химические трансформации примесей, горизонтальную и вертикальную неоднородность турбулентно-диффузионных свойств воздуха (в частности, слоистость атмосферы), влияние конвективно-стратификационных процессов и влажности на распространение примеси.
2. На основе разностных схем расщепления для расчета нестационарных уравнений Навье-Стокса для несжимаемой вязкой жидкости в естественных переменных на частично разнесенной сетке построен численный алгоритм решения уравнений количества движения и массы для трехмерных областей со сложным рельефом, при переменных коэффициентах турбулентности.
3. Разработан численный конечно-разностностный метод расщепления по физическим процессам для решения системы уравнений мезометеорологи-ческого пограничного слоя атмосферы, включающей: уравнения количества движения; несжимаемости; энергии в атмосфере; энергии в почве; уравнение для концентрации компоненты примеси; уравнение влагосодержания в атмосфере.
3. Проведено численное исследование и выполнена оценка влияния неоднородности рельефа местности, температуры и теплофизических свойств атмосферы и подстилающей поверхности на распространение загрязняющего вещества в воздушной среде. Выявлена зависимость приземной концентрации примеси от времени суток и времени года.
1. Выполнена оценка влияния суточных колебаний радиационного баланса поверхности земли на распространение примеси в атмосфере в зависимости от времени года. Поскольку на радиационный баланс поверхности земли существенно влияет снежный покров, была проведена серия вычислительных экспериментов по изучению суточного хода концентрации загрязняющего вещества в мезометеорологическом слое атмосферы при наличии снега и культивируемых землях. При наличии снежного покрова суточные колебания концентрации, обусловленные влиянием радиационного баланса, незначительны. Напротив, в отсутствие снега прогнозируются Существенные, порядка 600 % суточные трансформации поля концентрации. Резко увеличивается его пространственная неоднородность: образуются зоны, в которых концентрация в несколько раз выше относительно аналогичных значений при снежном покрове.
2. При исследовании влияния времени года было получено существенное различие значений концентраций примеси в приземном пограничном слое. Сопоставлены особенности распространения газообразной примеси в течение суток при ясной погоде в октябре и июле. Наибольшая разница между значениями концентрации загрязняющей примеси в октябре и в июле наблюдается в интервале 5 ( <7 ч и составляет более 500 %. Это вызвано тем, что в июле в это время наблюдаются восходящие потоки воздуха, а в октябре - нисходящие).
3. Сравнение суточной динамики концентрации примеси в различное время года и при различных типах подстилающей поверхности говорит о сложном нелинейном характере отличий. Это делает невозможным введение соответствующих поправочных коэффициентов при использовании более простых моделей поля загрязнения воздуха, не учитывающих изменение радиационного баланса поверхности.
1. Семенченко Б.А., Белов П.Н. Метеорологические аспекты охраны природной среды. - М.: Изд-во МГУ, 1984. - 96 с.
2. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.
3. Бриль А.И., Другаченок М.А., Кабашников В.П. и др. Исследования рассеивания соляной пыли в Солигорском промышленном районе. // Метеорология и гидрология. 1998. № 12. С. 64-71.
4. Materials of IEAI Meeting, 1987, Chapter 3. P. 26.
5. Сонькин Л.P. Вопросы прогнозирования фонового загрязнения атмосферы в городах // Труды ГГО. 1974. - Вып.314. - С .40-45.
6. Белов П.Н. Численные методы прогноза погоды. Л.: Гидрометеоиздат, 1975.-289 с.
7. Репинская Р.П., Олейниченко A.M. Об аналитическом представлении метеорологических полей. // Метеорология на рубеже веков: итоги и перспективы развития. Тезисы докладов Всероссийской научной конференции. -Перм. ун-т. Пермь, 2000. - С. 42-43.
8. Свинухов В.Г. Физико-статистический способ прогноза загрязнения атмосферы в городе // Метеорология и гидрология. 1993. - № 8. - С. 41-47.
9. Громов В.П., Горматюк Ю.К. Рассеяние примеси от стационарных источников в приземном слое атмосферы // Метеорология и гидрология. 1989. - № 2. - С. 37-47.