Моделирование загрязнения атмосферы по оперативным данным

Краткое описание

ВВЕДЕНИЕ...4

ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ АТМОСФЕРНОЙ ДИФФУЗИИ В ЛОКАЛЬНОМ МАСШТАБЕ...8

1.1. Принципы сопоставления модельных расчетов и данных измерений...8

1.1.1. Гауссовы модели...10

1.1.2. Модели расчета загрязнения атмосферного воздуха, основанные на совместном решении уравнений атмосферной диффузии и уравнений гидротермодинамики атмосферы...15

* 1.1.3. Модели ГГО им.А.И.Воейкова...17

1.1.4. Стохастические модели дисперсии...21

1.2. Параметризация пограничного слоя атмосферы...23

1.3. Особенности рассеяния примеси в условиях развитой конвекции...27

1.4. Ообоснование выбранного направления работ...32

ГЛАВА 2 РАСЧЕТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ПО ОПЕРАТИВНЫМ

ДАННЫМ...34

2.1. Постановка задачи...34

2.2. Параметризация пограничного слоя атмосферы...37

2.3. Решение уравнения диффузии в условиях термической конвекции...42

Ф 2.4. Решение уравнения диффузии примеси при нейтральной и устойчивой

стратификации...¦...49

2.5/ Численная проверка перехода решения двухпотоковой системы

уравнений в стандартное уравнение диффузии...54

ГЛАВА 3 СРАВНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЬГХ И МОДЕЛЬНЫХ

РАСЧЕТОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА...58

3.1. Методология сопоставления рассчитанных и измеренных

концентраций...58

л 3.2. Фильтрация данных трассерных экспериментов для восстановления

осевой концентрации...60

3.3. Тестирование модели на данных измерений в Kincaid...65

3.3.1. Развитая конвекция...66

3.3.2. Нейтральная и устойчивая стратификация...70

3.3.3. Сравнение расчетов по различным моделям...72

3.4. Сравнение расчетов по модели с данными эксперимента CONDORS...73

ГЛАВА 4 ВОЗМОЖНОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛИ...77

4.1. Задача усвоения данных наблюдения сети при построении поля среднегодовых концентраций в городе...77

4.1.1. Описание проблемы и способ ее решения...77

4.1.2. Реконструкция среднегодового поля концентраций SO2 для г. Пскова...78

4.2. Расчет внешней индивидуальной и популяционной дозы (экспозиции)

по оперативным данным...83

т

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...92

ЛИТЕРАТУРА...94
Введение

Введение.

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

как скорость ветра, масштаб длины Монина-Обухова, параметр шероховатости, высота пограничного слоя и т.д., одному рассчитанному по оперативным данным значению концентрации будет соответствовать множество данных измерений, выполненных при тех же внешних условиях. Поэтому оперативная расчетная модель должна быть ориентирована на воспроизведение определенных статистических характеристик распределения измеренных значений концентраций при заданных метеорологических условиях, таких, например, как условное среднее значение или верхние процентили распределения при этих конкретных условиях Для краткости оперативная расчетная модель, воспроизводящая условное среднее значение концентраций, относящихся к заданному набору метеорологических параметров, будет в дальнейшем называться моделью расчета концентраций по оперативным данным. Разработке методологии построения такого рода моделей и ее конкретной реализации посвящается предлагаемая диссертация.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью данной работы является разработка методологии и построение модели расчета концентраций атмосферных примесей антропогенного происхождения при заданных внешних условиях на основе решения уравнения атмосферной диффузии. В качестве входной информации в модели используются данные наземных измерений.

В соответствии с этой целью в диссертации были поставлены следующие задачи:

1) Формулировка принципов сопоставления расчетов и данных измерений для рассматриваемого класса моделей расчета концентраций по оперативным данным;

2) Разработка математической модели диффузии примеси от точечного источника при заданных внешних условиях;

3) Параметризация пограничного слоя атмосферы, позволяющая по данным наземных наблюдений получить информацию, необходимую для расчетов по модели;

4) Реализация современной модели диффузии, основанной на едином методологическом подходе к вычислению рассеяния примеси при различных метеорологических условиях;

5) Развитие методологии применения разработанной модели для решения задач, возникающих в атмосфероохранной практике.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

В диссертации получены следующие новые научные результаты:

1) Развита методология построения моделей расчета концентраций по оперативным данным;

2) Разработана математическая модель диффузии примеси от точечного источника при заданных метеорологических условиях;

3) Предложена модель расчета рассеивания примеси при конвективных условиях на основе представления о перемежаемости восходящих и нисходящих течений в пограничном слое атмосферы. Результаты расчетов при стремлении турбулентного теплового потока к нулю переходят в решение уравнения диффузии при нейтральной стратификации;

4) Для сопоставления модельного расчета и трассерных измерений предложена процедура фильтрации содержащихся в данных измерений шумов, которые вызваны меандрированием факела;

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Результаты работы могут быть использованы при решении широкого круга задач, связанных с охраной воздушного бассейна от загрязнения, включая:

- усвоение данных инструментального мониторинга при построении карт полей среднемесячных, среднесезонных концентраций загрязняющих веществ,

- совершенствование методологии оперативного прогнозирования загрязнения воздуха городов за счет совместного использования данных измерений и расчетов;

- оценку ущерба здоровью различных групп перемещающегося населения (индивидуума) на основе схемы определения внешней дозы загрязняющих веществ с учетом режимов работы предприятий и автотранспорта.

На основе рассмотренной модели реализована программа расчета концентраций по оперативным данным на основе интерполяционных формул для персонального компьютера.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты работы докладывались на конференциях: «Seventh International Conference on Harmonization within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes", Belgirate, Italy, May 28-31, 2001 г., "Air Pollution Modelling and Its Application XTV", 2000 г., «Гидродинамические методы прогноза погоды и исследования климата, проводившейся в ГГО им.А.И.Воейкова 19-21 июня 2001 г.,

а также на семинарах отдела исследования и мониторинга загрязнения атмосферы ГГО. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации составляет: 100 страниц, включая 23 рисунка, 11 таблиц и библиографию из 89 наименований.

Глава 1

Особенности моделирования атмосферной диффузии в локальном масштабе

l.li Принципы сопоставления модельных расчетов и данных измерений

Разработка локальных моделей атмосферной диффузии примеси осуществляется на основе учета характеристик турбулентных воздушных потоков, определяемых с помощью системы гидротермодинамических уравнений или по эмпирическим данным (гауссовы модели) с использованием ряда входных параметров. Такое описание атмосферы является детерминистическим, в то время как в атмосфере каждому рассчитанному значению концентрации при заданных значениях параметров соответствует бесконечное множество наблюдаемых значений концентрации. Поэтому в зависимости от того, какие характеристики загрязнения атмосферы предполагается предсказывать с помощью той или иной модели, необходимо определить процедуры сопоставления расчетных и измеренных величин (Е.Л. Генихович, М.Е. Берлянд., Р.И. Оникул, 1999). Следует подчеркнуть, что требования к моделям атмосферной диффузии зависят также и от особенностей примесей, распространение которых описывается этими моделями Вопросы диффузии радиоактивных примесей в глобальном масштабе рассмотрены в монографии И.Л. Кароля (1972), в региональном и локальном масштабе этим вопросам посвящены, например, работы Р. Бергмана и А. Бакланова (1996). В настоящей диссертации мы ограничимся вопросами распространения в атмосфере химических токсических веществ.

В России широко распространенной нормативной моделью, предназначенной для расчета мажорантных полей концентраций, соответствующих определенной заданной вероятности их превышения, является модель ОНД-86 (Методика расчета..., 1987). Вычисленное с ее помощью значение концентрации для заданного расстояния от источника и параметров выброса при сравнении с данными измерений за длительный период (например, годовой ряд) соответствует 98 процентилю функции распределения измеренных концентраций, т.е превышается только в двух процентах случаев (М.Е. Берлянд, 1975).

За рубежом, однако, более широко используются модели атмосферой диффузии, предназначенные для расчета поля «актуальных» концентраций, соответствующих заданному набору определяющих метеорологических параметров, которые относятся к данному моменту времени (интервал осреднения

составляет 20 мин - 1 час). Разработчиками предполагалась возможность использования этих моделей для вычисления ежечасных, ежедневных полей концентраций для определения затем среднегодовых, максимальных значений и т.д. Тестирование таких моделей обычно проводится по данным трассерных экспериментов для точечного источника с использованием сопоставления отдельных расчетных и измеренных значений для данной точки (С. Ханна, 1988; Ю^ Никмо, 1999; Pi Пайн, 1998). При таком подходе расхождение между единичными вычисленными и измеренными значениями может составлять несколько порядков и оценка качества модели, выполненная на основе таких сравнений, представляется мало убедительной.

Из-за стохастического характера рассеивания примеси от точечного источника, расчеты будут согласовываться с измерениями значительно лучше, если

[ сравниваться будут не отдельные значения концентраций, а определенные

статистические характеристики (Е.Л. Генихович, 2003). Расчетная концентрация при заданных метеорологических условиях может сопоставляться со средним значением или другой статистической характеристикой концентраций, измеренных при заданном наборе определяющих параметров (в узком интервале изменений вокруг заданных значений), так как прямое сопоставление отдельных значений расчетных и измеренных концентраций в случае точечного источника приводит к очень высокому уровню погрешностей. Проблеме сравнения измерений и расчетов по моделям, предназначенным для определения поля «актуальных» концентраций, посвящено американское Руководство по статистической оценке качества диффузионных моделей (ASTM D6589, 2000). В этом документе рекомендуется

* после выделения ряда режимов определяющих параметров и разбивки массива

данных измерений на соответствующие им группы проводить статистическую обработку групп данных измеренных и расчетных величин. Затем для каждого режима выполняются сравнения соответствующих статистических характеристик распределений измеренных и расчетных величин.

Такие характеристики выделенной группы данных измерений как условное среднее и 98 процентиль (значение, превышаемое внутри заданного режима 2% времени), могут значительно различаться, причем степень различия зависит от дисперсии измеренных концентраций (Е.Л. Генихович, 2002). Можно

^ предположить, что если модель расчета концентраций по оперативным

данным создавалась для оценки условных средних значений концентраций, измеренных при заданном наборе определяющих параметров, то расчеты могут расходиться с мажорантными измеренными значениями концентраций и наоборот

10

Модель актуальных кощентраций, настроенную на вычисление мажорантных значений внутри каждого режима, предпочтительнее использовать, например, для расчета доз и оценке ущерба окружающей среде при авариях на химических предприятиях. Область применения оперативной модели, настроенной на оценку среднего значения концентраций, измеренных при заданном наборе определяющих параметров, может распространяться на решение таких вопросов как:

- оперативное управление качеством воздуха в динамических моделях;

- оптимизацию сети станций мониторинга в городах;

- корректировку полей среднегодовых концентраций;

- расчет потенциальной дозы перемещающихся групп населения.

В данной работе рассматривается модель расчета концентраций по оперативным данным, настроенная на сопоставление с осредненным измеренным значением при заданном наборе определяющих параметров. Такая постановка задачи осуществлена впервые.

Для сравнения приведем предварительно информацию о некоторых других моделях, применяемых при расчетах загрязнения атмосферного воздуха.

1.1.1. Гауссовы модели

В практических инженерных расчетах за рубежом в настоящее время чаще всего используются гауссовы локальные модели, в которых приземные концентрации примеси С рассчитываются по формуле: • C = QGyGz(z = 0)/U, (1.1)

где Q - мощность источника, U - средняя скорость ветра, Gy и G2(z=0) -распределения концентраций в поперечном и вертикальном направлении. При любых стратификациях Gy полагается гауссовым: Gy =(V2^^r1exp(-0.5((7-^)/o-J,)2), (1.2)

а функция Gz(z=0) может содержать сумму членов ряда вида (л/гггчх.,)"1 exp(-Q.5(zp/crz)2), описывающих факел примеси от "реального" или "мнимых" (отраженных от границ области диффузии). Здесь Zp- высота оси над ^ землей факела, ур — у координата оси факела, сту и az — параметры дисперсии

примеси. Эти величины оцениваются по профилю ветра, температуры, параметрам турбулентности в пограничном слое атмосферы и эмпирическим данным и формулам. В моделях используются многочисленные эмпирические параметризации и константы. Например, в модели HPDM (С. Ханна, 1988)

11

используется набор параметризаций для средних квадратических отклонений турбулентных пульсаций скорости ветра, для лагранжева временного масштаба дисперсии примеси в зависимости от стратификации, высот источников и тд Модель HPDM создавалась для расчета приземной концентрации от высоких труб в условиях сильных ветров или конвекции. Входной метеорологической информацией являются данные специализированных метеонаблюдений (в том числе с использованием метеорологической мачты). Если же они недоступны, модель предусматривает расчет и параметризацию искомых величин по данным стандартных наблюдений: скорости ветра на фиксированной высоте, инсоляции, облачности, температуре и определенному из климатологических данных отношению турбулентного потока тепла и влаги. В конвективных условиях вначале проводится расчет теплового потока тепла у поверхности земли с использованием большого числа эмпирических констант, определенных по данным измерений в Нидерландах и США.

Модель ISC3 (User guide..., 1995) создавалась как нормативная модель на основе предыдущих разработок Американского агентства по охране окружающей среды. Она позволяет вычислять часовые концентрации примеси от разнообразных промышленных источников и включает набор эмпирических формул, учитывающих, например, эффекты влияния аэродинамических теней ближайших к источнику зданий, выпадения и распада примеси и т.д. Расчет концентрации производится для точечных, линейных, объемных, площадных источников загрязнения в сельской и городской местности. Входящие в расчетные формулы параметры вычисляются в зависимости от классов устойчивости, которые, в свою очередь, определяются по данным ежечасных наземных наблюдений и измерениям высоты пограничного слоя, проводящимся дважды в день. Дисперсионные параметры ау, az, используемые в данной модели, являются функциями расстояния от источника с коэффициентами, различающимися для классов устойчивости, характера местности и не зависят от высоты источника и параметров пограничного слоя.

В недавней (2002 г.) модификации AERMOD гауссовых моделей, созданной взамен серии моделей ISC, применяющихся уже 25 лет, используются более современные представления о строении пограничного слоя и о процессе диффузии в конвективных условиях, во многом заимствованные из модели HPDM (С. Ханна, 1988). Входными метеорологическими параметрами являются ежечасные данные наземных наблюдений и данные утреннего вертикального зондирования, включая высоту пограничного слоя и профиль потенциальной температуры. К данным

12

наземных наблюдений относятся: скорость и направление ветра на фиксированной высоте, температура окружающего воздуха, шероховатость подстилающей поверхности, альбедо, отношение Боуэна, облачность. Если облачность не определена, используются значения температуры на двух уровнях и солнечная радиация. На основе полученной информации с помощью метеорологического препроцессора рассчитываются параметры пограничного слоя: скорость трения, масштаб длины Монина-Обухова, масштаб конвективной скорости, масштаб потенциальной температуры, высоту пограничного слоя и поверхностный поток тепла. С использованием соотношений подобия восстанавливаются вертикальные профили скорости ветра, температуры, градиента температуры, параметров турбулентности.

Эффективная высота подъема примеси определяется по формулам Бриггса. В моделях ISC и AERMOD производится учет зданий, расположенных вблизи источника выброса, для чего строится траектория оси факела в зависимости от расстояния, позволяющая определить, следует ли учитывать эффекты ветровой тени. Основные параметры, определяющие высоту эффективного подъема примеси, это динамический Fm и термический потоки Fb:

где vs скорость выхода примеси, ds -диаметр трубы, Ts температура примеси и Та температура воздуха в градусах Кельвина, АТ= Ts -Ta.

Для перегретой примеси (АГ 0) подъем вычисляется по разным формулам в зависимости от того, что является главным фактором подъема: динамический или термический поток. Для этого вводится величина (ЛГ)С , определяемая для равновесной и неустойчивой стратификации как:

(АГ)С = 0.02977;

j2/3

При Fb 55, (AT)C = 0.00575Г, -%¦.

Если АГ (АГ)С подъем примеси определяется термическим потоком и его величина равна:

5, Яе = А +21425^—, (1.3)

рЗ/5

при^655, He = h, +38.71-*—

13

где hs - геометрическая высота источника, щ - скорость ветра на уровне источника, Не - эффективная высота подъема примеси.

Если AT , х/7

(F V"

Если AT (ДТ)С, Не = hs + 2.6 — ,

{ us)

Если АТ0Azt

25М^5 Л (д)«ш,'

где hp(x)- высота центра тяжести факела.

В модели AERMOD учитьшается также влияние меандрирования факела на расчетное значение концентрации примеси. Так как вычисленная по приведенным выше формулам концентрация примеси соответствует случаю отсутствия смещения направления ветра при перемещении примеси от источника до точки наблюдения, т.е. когерентному факелу, концентрация примеси в точке находится интерполяцией между случаем когерентного и однородно распределенного по углу 2ти факела.

15

Гауссовы модели ISC и AERMOD создавались для расчета по оперативным данным средних концентраций загрязняющих веществ, а модель HPDM ориентирована на предсказание максимальных концентраций. Как обсуждалось в п.1.1., оперативные расчеты концентраций по моделям, настроенным на соответствие с условным средним группы данных измерений, могут значительно различаться с расчетами по моделям, ориентированным на моделирование 98 процентиля (значение, превышаемое внутри заданного режима параметров в течение 2% времени), в зависимости от дисперсий логарифмов данных наблюдений.

Действительно, как следует из работы С. Ханна (1988), при тестировании модели HPDM по данным независимых измерений в Кинкейде и Бул Ране, не использованным при моделировании, оказалось, что модель HPDM хорошо предсказывает максимальные значения концентраций (ошибки до 17%) и не очень хорошо прогнозирует «актуальные» концентрации - процент расчетных значений, отличающихся в 2 раза от максимального измеренного по дуге данного расстояния равен по SF6 49% по 175 данным Кинкейда, 33% по 158 данных Бул Рана и по SO2 -18% по 2880 данным Кинкейда.

В рассмотренных гауссовых моделях в расчетные формулы входят многочисленные эмпирические константы, требующие серьезной проверки для районов с различными климатическими данными, а входная информация, включающая аэрозондирование, может быть недоступна на значительной территории. Поэтому, несмотря на простоту и наглядность, применение гауссовых моделей невозможно в районах, где доступна только наземная метеоинформация.

Ф

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

При построении численных моделей локальных атмосферных процессов, используемых при совместном решении с уравнениями переноса и диффузии примеси, могут использоваться системы полных уравнений гидротермодинамики атмосферы в неадиабатическом приближении с учетом процессов влагообмена и взаимодействия атмосферы с термически и орографически неоднородной поверхностью земли (В.В. Пененко, 1985; Г.И. Марчук, 1982; А.Е. Алоян и др.,

16

2002). В квазистатическом приближении для локальных атмосферных движений после выделения фоновых, крупномасштабных составляющих метеорологических полей и возмущений u=U+u\ v=V+v', w=W+w', &=©+Э', п=П+п\ q=Q+g', исходными являются уравнения:

ди' , , дяг' „ _ _, 7, 9тп 9т19 дтлъ

+ЛЗХ&+ /v+ + + dt dx дх ду dz

+ divuV+XSv&lu++ + dt ду у дх ду dz

дтг' dz

dt xx у у г дх ду dz '

р

dt Ч dz Kdz x x) Kdz y y дх ду dz

ди' dv1 dw' n — + — + — = 0, дх ду dz

где X, S -параметры конвекции и стратификации, ©Xjy, Qx,y - горизонтальные градиенты фоновой потенциальной температуры и удельной влажности, Ь(х,у) -функция, описывающая рельеф местности, п - функция температуры и потенциальной температуры, Ф — скорость образования жидкой фазы,