Исследование влияния метеорологических условий на формирование режима загрязнения большого города и его окрестностей

В связи с интенсивным ростом количества антропогенных выбросов в атмосферу и связанным с этим колосальным ущербом окружающей природной среде в последние десятилетия возрос и интерес к изучению данной проблемы.

В условиях Сирийской Арабской республики (САР) изучение вопросов загрязнения атмосферы стало сегодня одной из важных задач, актуальность которой возрастает параллельно с нарастанием темпа промышленного производства и укрупнением городов республики, как по площади, так и по населению в них. В связи с ростом населения увеличивается и численность автотранспорта, который работает в нашей стране исключительно на двигателях внутреннего сгорания. Данное обстоятельство, даже без учета заводских промышленных выбросов, при неблагоприятных метеорологических условиях может привести к накоплению огромного количества вредных примесей и газов в воздушном бассейне больших городов. Исследование состояния загрязненности городов преобретает особый интерес в связи с размещением в них материальных и культурных ценностей, не говоря уже о здоровье людей, забота о котором имеет первостепенную важность.

Таким образом, изучение состояния загрязненности городов, установление закономерности распространения примесей в городской атмосфере, а также установление в дальнейшем связей между санитарным состоянием городского воздуха и метеорольгичес-кими условиями в целом, является очень важным и актуальным вопросом в метеорологических исследованиях.

Как известно, значения концентрации примеси у поверхности при равных условиях выброса, могут быть самыми различными под действием метеорологических факторов. Такое заключение вполне очевидно, так как перенос газообразных и аэрозольных примесей в атмосфере полностью определяется структурой воздушного потока.

Антропогенное загрязнение существенно не только в самом городе, но и в окрестности его. Как известно, примесь вымывается из воздуха осадками, выпадает на почву и растительность в сельскохозяйственной местности вблизи от города. Это приводит к повышению степени загрязненности сельхозпродукции, что может иметь значительные последствия для здоровья людей.

Исследование закономерности распространения примеси в районе города может быть полезным в проектных работах по расширению площади города, в строительстве новых предприятий и решении задач контроля загрязнения окружающей среды. Несмотря на интенсивные экспериментальные исследования, проводимые в целом ряде как советских научно-исследовательских организациях (ГГО, ИЭМ), так и в зарубежных исследовательских центрах, их практическое использование связано в первую очередь с трудностями систематизации результатов измерений, проводимых в широком диапазоне метеоусловий. Результаты исследований мезострук-туры поля концентрации в районе большого города мало освещены в литературе. В настоящей работе рассматриваются указанные выше вопросы, с применением несложных моделей атмосферных процессов.

Особое место занимает изучение влияния неблагоприятных метеорологических условий и, в частности, приподнятой и приземной инверсий на определение степени загрязненности в зоне города и его окрестности. При этом предлагаемые модели должны обладать свойством оперативности в целях их дальнейшего применения в рамках Системы Автоматизированного Контроля Загрязнения Атмосферы (САКЗА). Другими словами, эти модели должны быть peaлизуемыми на микро ЭВМ, входящих в состав такого рода комплексов.

В первой главе данной работы излагаются основные положения теории атмосферной диффузии и основные известные модели расчета характеристик пограничного слоя атмосферы. При этом дается их критическая оценка и анализируются разные способы моделирования распространения примеси в атмосфере.

Во второй главе приводятся некоторые статистические характеристики загрязненности воздуха в городе Дамаске. Исследуется суточный ход концентрации примеси и дается его интерпретация применительно к местным условиям. Такого рода исследования выполняются впервые для нашей страны.

В третьей главе для определения коэффициентов уравнения диффузии используется достаточно простая модель атмосферного пограничного слоя (АПС) в условиях стационарности и горизонтальной однородности. В систему АПС включается уравнение баланса энергии турбулентности, которое связывает и учитывает основные способы генерации энергии турбулентности и их взаимообусловленность. Учет влияния стратификации при этом производится посредством задания профиля градиента потенциальной температуры. В данной работе предлагается достаточно удобная параметризация приподнятой инверсии. Получены важные выводы о влиянии параметров инверсии на формирование поля концентрации примеси в районе города.

В четвертой главе численно интегрируется система АПС в условиях горизонтальной неоднородности подстилающей поверхности. Исследуется поле концентрации примеси, динамические и термические характеристики в пограничном слое, особенно, в переходной области.

В пятой главе предлагается простая и практичная модель переноса примеси в городе в условиях устойчивой стратификации. Для коэффициента турбулентности и ветра используются модифицированные исправлено-логарифмические выражения, которые согласуются с выводами теории подобия и размерности. Данная модель была реализована на ЭВМ системы EC-I022. Составленные автором программы занимают по объему памяти не больше 16 к и могут быть реализованы на микро ЭВМ. Предложенные модели могут быть использованы для некоторых промышленных городов САР, таких как Хумес, Алеппо и, с некоторым приближением, для Дамаска.

I. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ И ОСОБЕННОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ.

I.I. Общая характеристика загрязнения воздуха в нижнем слое атмосферы.

Нарушение пропорции элементов, входящих в состав атмосферного воздуха и появление других веществ в результате процессов антропогенного и естественного происхождения — называют загрязнением воздуха.

Такие аномалии при определенных условиях пагубно влияют на человека, животных, растения, микроорганизмы, материальные ценности и способствуют нарушению условий комфортности. Особый интерес здесь представляет загрязнение окружающей воздушной среды в результате активной деятельности человека. Можно выделить две группы факторов, определяющих количество загрязняющих веществ в данной местности — характер источников и состояние атмосферы. Источники выбросов делят на точечные, линейные и площадные, как мгновенные, так и непрерывные, наземные и приподнятые источники. Кроме того они отличаются по типу и форме. Загрязненность воздуха зависит от целого ряда других важных характеристик источника. Очевидно, что его интенсивность, а также физические и химические свойства примеси являются главными параметрами, по которым удается классифицировать типы загрязнения.

После выброса примеси из источника ее дальнейшее рассеяние определяется атмосферными движениями различного характера и масштаба (ветер, турбулентность). Далее подробно раскрывается механизм действия турбулентной диффузии на рассеяние примеси в атмосфере. Огромное значение имеет температурная стратификация, так как она определяет устойчивость потока и, в свою очередь, влияет на интенсивность турбулентности и толщину слоя перемешивания в приземном слое атмосферы. Два последних фактора определяют рассеяние примесей по вертикали и, следовательно, скорость замены загрязненного воздуха более чистым из верхних слоев. Распространение примеси в пограничном слое по горизонтали определяется в основном полем ветра. От скорости ветра зависит как рассеяние и перенос примеси, так и ее концентрация в воздушном потоке. Скорость воздущного потока вместе с шероховатостью подстилающей поверхности определяют интенсивность динамической турбулентности. Примеси в атмосфере могут подвергаться физической и химической трансформации. Этот процесс непосредственно связан с такими метеорологическими характеристиками, как содержание водяного пара или капель, температура воздуха, интенсивность солнечной радиации и присутствие в воздухе других видов примесей. Очищение и вымывание различных веществ из атмосферного воз, иуха происходит благодаря осадкам, а также за счет гравитационного осаждения и в дальнейшем их поглощения поверхностью почвы.

Следует заметить, что даже в случае постоянства количества выбросов в данной местности, концентрация загрязненных веществ может варьировать в достаточно широких пределах. Такое изменение обусловлено изменчивостью погодных условий, а, следовательно, характером процессов диффузии, трансформации и вымывания примесей.

Несмотря на потенциальные возможности рассеяния примесей в атмосфере, нередко возникают такие условия, при которых эти процессы оказываются ослабленными. Такие ситуации характерны, главным образом, для условий выраженных инверсий температуры.

В последнее десятилетие было опубликовано огромное количество работ, посвященных вопросам связи метеорологических условий и состояния атмосферы в целом с закономерностями распространения примесей, как в микрои мезо-, так и в макро-масштабах (см., например, 5, 17, 28). В настоящей работе основное внимание уделяется изучению процессов переноса и перераспределения примеси в мезомасштабе, в данном случае в пределах воздушного бассейна большого города.

В связи с этим следует отметить, что в городском воздухе присутствует большое количество частиц, газов и разного рода аэрозолей, которые активно участвуют в процессе загрязнения воздуха [ 60, 65, 73, 74, 78, 88, 104, 170 .

Антропогенные выбросы частиц главным образом связаны с процессами жизнедеятельности человека (горение, промышленное производство, строительство сооружений и других видов хозяйственной деятельности).

Особый интерес представляет присутствие в воздухе различных соединений серы, окислов углерода, углеводорода, окислов азота и ряда других вторичных примесей. Основным источником соединений серы SO, и Нг5 является сжигание топлива, содержащего серу (каменный уголь, мазут) на тепловых электростанциях и нефтеочистительных предприятиях. Окислы углерода поступают в результате неполного сгорания топлива на автотранспорте.

Углекислый газ COg часто не рассматривается как загрязняю щее вещество, поскольку он является необходимым элементом для процесса жизнедеятельности. Он поступает в атмосферу при полном сгорании топлива в присутствии достаточного количества кислорода. В целом, рост и накопление этой примеси в глобальном масштабе может оказаться на балансе длиноволновой радиации и, тем самым, на климате в целом.

Углеводороды (НС) в основном поступают в атмосферу за счет естественного гниения растений. Однако основным антропогенным его источником является сгорание жидкого топлива и испарение бензина. Углекислый газ и окись углерода поступают главным образом от автомашин, где их концентрация наибольшая на магистралях с интенсивным потоком движения автотранспорта. Что касается углеводорода НС, то основная вредность его определяется потенциальной способностью участия в образовании фотохимического смога.

Окислы азота NOy, в основном имеют природное происхождение, связанное с гниением органических веществ, а его антропогенное происхождение также связано со сжиганием топлива.

Вопросы трансформации примесей в городском воздухе рассмотрены во многих работах (см., например, 78, 104, 122, 143, 147, 168. Здесь следует, однако, заметить, что химические процессы в городском воздухе представляющем собой хаотическую смесь разных химических веществ еще до сих пор детально не изучены.

Как известно 58, 71, 73, 78, 104, 129, 151], загрязнение воздуха активно влияет на формирование микроклимата региона. В [78] указывается, что аэрозольные частицы с радиусом Т— 1мкм, активно участвуют в образовании облаков и туманов в качестве центров гетерогенных фазовых переходов вода в атмосфере. Сог ласно [71, 7з] примесь в городском воздухе способствует ослаблению потока солнечной радиации на 10−25% в г. Ленинграде. Когда фактор мутности в самом городе составляет в среднем 3.6−3.8, то в окрестности города он равен 2.8−3.0 (в летних условиях).

В городе Киеве 58] интегральная мутность в среднем за год на 10% больше, чем в пригороде (Борисполь). Подобные выводы были получены многими другими исследователями 78, 129 ] .

Среди различных по форме видов источников примеси наиболее полно изучены точечные, представляющие собой, как правило, заводские трубы, которые могут выбрасывать очень сконцентрированные и вредные примеси. Шоссейные дороги с интенсивным движением машин часто рассматриваются как линейные источники. При этом предполагается, что суммирование автомобильных выбросов от отдельных машин образует непрерывное поступление примесей в атмосферу по всей длине трассы. Выбросы всех промышленных предприятий и автотранспорта в городе в целом служат хорошим примером площадного источника.

До настоящего времени существует огромное количество работ, посвященных исследованию загрязнения от точечных и линейных источников (см., например, [16, 17, 27, 28]). Несколько в меньшей степени изучен вопрос рассеивания загрязнения в атмосфере большого города. Ниже (п. 2 и 3) дается анализ используемых методов исследования загрязнения от источников разного рода. Обсуждается также степень обоснованности тех или иных используемых методов.

Следует подчеркнуть, что в Отделе загрязнения атмосферы Главной Геофизической Обсерватории им. А. И. Воейкова (ГГО) было выполнено большое количество работ по изучению загрязнения атмосферы от точечных и линейных источников в сочетании с возможными аномалиями метеорологических условий. Данные вопросы освещены в работах Берлянда М. Е. и других сотрудников отдела. Эти вопросы были хорошо изучены также и в Институте Экспериментальной Метеорологии (ИЭМ) в работах Бызовой Н. Л. и других. На основании оригинальных исследований, выполненных в ГГО и ИЭМ, были составлены методические пособия всесоюзного значения по исследованию рассеяния примеси в пограничном слое атмосферы в зависимости от метеорологических условий [ 16, 27 ] .

Прежде чем перейти к описанию имеющихся подходов для решения задач турбулентной диффузии примеси в нижних слоях атмосферы, кратко остановимся на основных особенностях динамического и термического режимов атмосферного пограничного слоя (АПС).

Как известно, турбулизированный пограничный слой атмосферы имеет достаточно сложную структуру. Она формируется под влиянием множества факторов, таких как скорость потока, термическая стратификация и рельеф местности. Все эти факторы вместе определяют турбулентный режим данного слоя. Существует определенная и в то же время чрезвычайно сложная взаимосвязь между турбулентными потоками тепла, влаги, количества движения и пространственно-временным распределением метеорологических элементов в пограничном слое. Таким образом, вертикальные градиенты метеорологических элементов даже в простейшем стационарном случае тесно связаны между собой. Так для инверсионных условий характерны сравнительно большие вертикальные градиенты скорости ветра, а в условиях термической конвекции ветер с высотой меняется медленнее. Малые и большие вертикальные градиенты метеорологических элементов обусловлены характером турбулентного обмена.

Однако существует здесь и обратная связь. В самом деле, поля ветра, температуры и интенсивность турбулентного обмена изменяются взаимосвязано в соответствии с внешними условиями. Следовательно, при стационировании последних, соответственно этим условиям устанавливаются определенные и однозначные термический и динамический режимы. Такое равновесие нарушается при изменении внешних условий. Так, например, при увеличении потока радиации к подстилающей поверхности повышается ее температура, вследствие чего возникают и усиливаются турбулентные потоки тепла. Дальнейший рост турбулентного перемешивания приводит к уменьшению градиентов температуры и скорости ветра. В результате ослабевают и сами турбулентные потоки. Процесс взаимодействия температуры, ветра и турбулентности продолжается до тех пор, пока не достигается такой характер турбулентного обмена, который обеспечил бы тепловое и динамическое равновесие системы воздухпочва, соответствующее имеющемуся потоку радиации.

Кроме радиации существуют и другие внешние факторы, такие как горизонтальный градиент давления, определяющий, как известно, скорость ветра выше АПС. Профили метеорологических элементов в пограничном слое находятся путем совместного решения системы уравнений динамики АПС. Этот вопрос достаточно подробно рассматривается в следующих разделах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Сформулируем кратко основные результаты проведенных исследований.

В первой главе дается критический анализ исследований, опубликованных как в советской, так и в зарубежной литературе по вопросу моделирования процессов распространения примеси от источников различного рода и обосновывается выбор подхода к построению моделей переноса примеси в условиях города. Отмечается, что к числу серьезных проблем, осложняющих моделирование турбулентной диффузии в окрестности большого города, следует отнести необходимость учета характера возмущения воздушного потока, вызванного наличием горизонтальной неоднородности в шероховатости и температуре подстилающей поверхности. Кратко анализируются экспериментальные и теоретические работы, посвящкнные исследованию загрязнения города и его окрестностей и дается классификация теоретических моделей по степени их сложности.

Во второй главе дается приближенная оценка уровня загрязнения в г. Дамаске (САР) в летний период для четырех видов загрязняющих веществ. Проведен статистический анализ имеющихся данных измерений. Рассчитаны гистограммы повторяемости концентрации, имеющие, как показано в работе, ярко выраженный асимметричный вид с положительной асимметрией и коэффициентом вариации, близким к единице, что говорит о возможности их аппроксимации логарифмически-нормальным законом распределения. Анализ суточного хода концентрации примеси выявил главный максимум, наступающий в 9 часов местного времени и соответствующий, как оказалось, минимальным значениям скорости ветра в суточном ходе. Минимум в суточном ходе концентрации достигается в 13−14 часов и связан с усилением скорости ветра, способствующего интенсивному выносу примеси за пределы города. Полученные эмпирические плотности распределения уровня загрязнения для различных видов примеси в зависимости от направления ветра, позволили выявить наиболее опасные направления скорости ветра, при которых наблюдается повышение уровня загрязнения.

В третьей главе вводится в рассмотрение и анализируется система уравнений гидротермодинамики стационарного атмосферного пограничного слоя. Первоначально исследуется простейший вариант исходной системы уравнений, соответствующий турбулентному потоку над горизонтально-однородной подстилающей поверхностью. Подробно проанализирована зависимость характера загрязнения от «параметров задачи и, прежде всего, от параметра устойчивости пограничного слоя атмосферы. Показано, что в городе с усилением неустойчивости концентрация примеси уменьшается по сравнению с нейтральной стратификацией (приблизительно в два раза, и во столько же раз возрастает в случае достаточно сильной устойчивости, в то время как изменение концентрации примеси в пригородной зоне в зависимости от устойчивости носит обратный характер.

Предложена достаточно простая трехпараметрическая схема для описания приподнятой инверсии в модели атмосферного пограничного слоя. Проведен широкий комплекс численных экспериментов по исследованию влияния параметров инверсии на уровень загрязнения вблизи подстилающей поверхности. Показано, что определяющее влияние на уровень загрязнения оказывает высота инверсионного слоя. Получена приближенная формула, описывающая зависимость приземных значений концентрации примеси от пара метров инверсии.

В четвертой главе изложена модель атмосферного пограничного слоя над горизонтально-неоднородной подстилающей поверхностью и исследована зависимость уровня загрязнения нижних слоев атмосферы от характера такого рода неоднородностей.

Динамическое воздействие городской застройки на турбулентный поток учитывается с помощью задания параметра шероховатости в виде некоторой функции горизонтальной координаты. Эффекты, связанные с учетом неоднородности шероховатости, проявились, как показали расчеты, прежде всего в возникновении вертикальных упорядоченных скоростей: положительных на наветренной стороне города (за счет торможения потока) и отрицательных на подветренной стороне (за счет ускорения потока). Это обстоятельство, как оказалось, существенным образом влияет на распределение примеси, создавая условия для значительного уменьшения уровня загрязнения. Так, например, при возрастании параметра шероховатости в районе города в десять раз по сравнению с пригородной местностью, уровень загрязнения у земной поверхности снижается в 1.5−2.0 раза.

В этом же разделе проведены численные эксперименты по оценке влияния горизонтальных неоднородностей в поле температуры подстилающей поверхности на режим загрязнения. Для этой цели в дополнение к исходной системе уравнений атмосферного пограничного слоя численно интегрировалось уравнение турбулентной теплопроводности. Показано, что учет эффектов «острова тепла» так же, как и неоднородностей в поле шероховатости, приводит к появлению упорядоченных вертикальных токов, хотя и нестоль ярко выраженных, как в первом случае. Однако определяющее влияние на режим загрязнения оказывает возрастание интенсивности турбулентного обмена за счет термической неустойчивости на наветренной границе города.

Полученные в данном разделе диссертации результаты, свидетельствуют о том, что в достаточно точных моделях переноса примеси в условиях города динамические и термические особенности городской застройки должны быть учтены.

В пятой главе предложена упрощенная модель турбулентного переноса примеси в районе города, предназначенная для реализации на микропроцессорных ЭВМ. Модель является двухслойной, с аналитическим представлением зависимости профилей скорости ветра и коэффициента турбулентности от высоты. Численно интегрируется лишь уравнение турбулентной диффузии. Достоверность данной упрощенной модели оценивалась путем сравнения результатов расчетов поля концентрации примеси с аналогичными расчетами по описанной в предыдущих разделах замкнутой модели атмосферного пограничного слоя при устойчивой стратификации. Сравнение показало, что максимальное расхождение концентрации между двумя моделями имеет место в нижних слоях пограничного слоя и не превосходит 20%. Практическая реализация предложенной упрощенной модели планируется на микроЭВМ, входящую в Систему автоматизированного контроля загрязнения атмосферы, вводимую в строй в н настоящее время в ряде городов Сирийской Арабской Республики.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю профессору Матвееву Л. Т. и научному консультанту Гаврилову А. С. за руководство работой и оказание неоценимой помощи и постоянной поддержки и внимания автору во время работы над диссертацией.