Численное моделирование загрязнения атмосферы урбанизированных территорий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, кандидат физико-математических наук Баранова, Мария Евгеньевна

  • Баранова, Мария Евгеньевна
  • кандидат физико-математических науккандидат физико-математических наук
  • 2008, Санкт-Петербург
  • Специальность ВАК РФ25.00.30
  • Количество страниц 141
Баранова, Мария Евгеньевна. Численное моделирование загрязнения атмосферы урбанизированных территорий: дис. кандидат физико-математических наук: 25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология. Санкт-Петербург. 2008. 141 с.

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Баранова, Мария Евгеньевна

Сокращения.

Введение.>.

1 Моделирование загрязнения атмосферы урбанизированных территорий.

1.1 Особенности урбанизированных территорий.

1.2 Проблема загрязнения атмосферы мегаполисов.

1.2.1 Автотранспорт.

1.2.2 Энергетика.

1.2.3 Суммарное воздействие.

1.2.4 Мониторинг атмосферы.

1.2.5 Проблема интерпретации данных мониторинга.

1.3 Основные подходы к проблеме моделирование загрязнения атмосферы.

1.3.1 Классификация моделей.

1.3.2 Упрощенные модели на основе аналитических решений.

1.3.3 Лагранжевы стохастические модели.

2 Трехмерная гидротермодинамическая модель атмосферы города.

2.1 Общие уравнения.

2.2 Численное моделирование атмосферного пограничного слоя.

2.2.1 Модель горизонтально-однородного АПС.

2.2.2 Численная модель обтекания застройки.

2.3 Численное моделирование турбулентной диффузии.

2.4 Учет химической трансформации примесей.

2.5 Адаптация данных мониторинга атмосферы применительно к расчету загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта.

3 Тестирование и верификация численной модели «ГДМ+МК».

3.1 Постановка вопроса.

3.2 Тестирование алгоритмов модели «ГДМ+МК».

3.2.1 Модель атмосферного пограничного слоя.

3.2.2 Модель суточных колебаний температуры.

3.2.3 Тестирование расчета турбулентной диффузии методом Монте-Карло.

3.3 Верификации математической модели ГДМ+МК на основе измерений в аэродинамических трубах.

3.3.1 Здание кубической формы.

3.3.2 Здание U-образной формы.

3.4 Верификация модели ГДМ+МК применительно к расчету загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта.

3.4.1 Полигонные измерения в Санкт-Петербурге.

3.4.2 Полигонные измерения в Москве.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Метеорология, климатология, агрометеорология», 25.00.30 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование загрязнения атмосферы урбанизированных территорий»

Состояние качества воздушной среды в городах в настоящее время является одной из острейших проблем современности. В большинстве городов мира загрязнение воздуха достигает критических размеров. По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), показатели качества воздуха в 20 крупнейших городах мира в несколько раз превышает установленные ВОЗ нормативы. Более 1 млрд. горожан подвержены воздействию опасных для здоровья уровней загрязнения воздуха [1]. Так, например, в 11 крупнейших городах Китая загрязнение воздуха является причиной более 50 тыс. преждевременных смертей и 400 тыс. новых случаев хронических бронхитов ежегодно.

Согласно прогнозам [1], в 2010 году 70 % жителей европейских городов будут проживать на территориях с превышением ПДК по пыли, 20 % жителей - с превышением ПДК по оксиду азота, 15 % жителей - с превышением ПДК по бензолу. По мере роста количества автомобилей серьезной проблемой в городах Европы стал фотохимический смог, причиной которого являются выбросы соединений азота и углерода в атмосферу. В последние годы наблюдается резкое увеличение астмы среди детей, часто обостряемое из-за загрязнения воздуха в европейских городах, а также количественная зависимость между уровнем канцерогенов в атмосфере и раком легких у жителей европейских городов.

В Российской Федерации около 44 % населения страны живет в городах, в которых превышены установленные нормы загрязненности воздуха [2, 3, 4]. Экологическую ситуацию в городе принято оценивать применительно ко всей городской территории, однако усредненность результатов наблюдений по всему городу, публикуемых в официальных государственных и ведомственных докладах, не дает точной картины качества окружающей среды по месту проживания людей (например, [5]). В то же время общеизвестно, что на территории промышленных городов имеются различные по экологической ситуации и загрязненности участки, требующие первоочередных мер, экономических затрат и усилий общества в плане улучшения качества окружающей среды.

Исходя из изложенного выше, появляется необходимость в детальном воспроизведении динамики воздушных потоков над урбанизированными территориями с учетом всех элементов ландшафта, таких как формы рельефа, жилая и промышленная застройка, наличие парковых и лесопарковых зон. Столь же детальное представление здесь требуется и для источников выбросов в атмосферу, особенно для таких сложных, как автотранспорт, занимающих в современных мегаполисах весьма значительную долю всего выброса. В этом случае, как известно, выброс загрязняющих веществ в атмосферу происходит от низко расположенного источника, погруженного в городскую застройку, который создает, таким образом, поля загрязнения с высокими пространственными градиентами и сильной временной изменчивостью (например, [6,7]).

Исследование такого рода полей чисто экспериментальными методами оказывается весьма затруднительным и требует, вообще говоря, разработки специальных математических моделей высокого пространственного разрешения, учитывающих все нюансы влияния на перенос и рассеяние примеси городской застройки. Несмотря на значительные усилия, которые предпринимались в последние десятилетия различными научными коллективами для решения проблемы построения тех или иных методик расчета загрязнения атмосферы выбросами промышленных и транспортных источников (например, [с 8 по 11]) именно упомянутым особенностям загрязнения урбанизированных территорий не уделялось надлежащего внимания.

Только с появлением в 90-х годах прошлого века персональных компьютеров, созданием и широким распространением геоинформационных систем, оказалось возможным объединить достаточно сложные гидротермодинамические модели атмосферы с современными пространственными моделями геоданных и дать в руки потребителей достаточно эффективные методы решения обозначенных выше задач (например, [12]).

Основной целью настоящего диссертационного исследования является развитие обозначенного подхода в направлении разработки и верификации методов расчета динамики атмосферы и характеристик ее загрязнения с высокой пространственной детализацией применительно к проблемам охраны атмосферы урбанизированных территорий в целом и, прежде всего, крупных мегаполисов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

- адаптировать разработанную ранее численную модель переноса и рассеяния примесей с учетом застройки ГДМ+МК (Гидродинамическая Модель + метод Монте-Карло) применительно к расчетам переноса и рассеяния примесей в окрестности тонких (толщиной менее шага расчетной сетки) элементов подстилающей поверхности;

- осуществить комплекс исследований по тестированию алгоритмов и верификации модели ГДМ+МК с учетом, также, и натурных измерений на экспериментальных площадках в таких крупных мегаполисах, как Москва и С анкт-Петербург;

- разработать метод реализации модели ГДМ+МК применительно к проведению расчетов вероятностных характеристик полей скорости ветра, а также климатологических характеристик загрязнения атмосферы от выбросов автотранспорта применительно к мегаполисам;

- разработать метод коррекции расчетных значений осредненных за длительный период значений приземной концентрации примесей от выбросов автотранспорта по данным накопленных измерений на постах городской системы мониторинга атмосферы.

Научная новизна выполненных исследований состоит в том, что впервые разработан метод и осуществлен расчет среднеклиматических характеристик загрязнения атмосферы с пространственным разрешением несколько метров для такого крупного мегаполиса как город Москва (размер несколько десятков километров) с учетом влияния застройки на конфигурацию полей загрязнения от автотранспортных источников.

Основные положения и результаты, выносим ые на защиту:

- метод расчета переноса и рассеяния примесей в атмосфере в окрестности тонких (толщиной менее шага расчетной сетки) элементов подстилающей поверхности;

- результаты верификации модели ГДМ+МК применительно к расчету полей скорости ветра и концентрации на основе натурных измерений и результатов измерений в аэродинамических трубах;

- результаты расчета потенциала загрязнения атмосферы (ПЗА) с учетом влияния на поле ветра застройки города с высоким пространственным разрешением для всей территории города Москва;

- метод коррекции результатов расчета полей загрязнения атмосферы от выбросов автотранспорта с учетом данных постов измерений городской системы мониторинга;

- результаты расчета среднеклиматических характеристик загрязнения атмосферы с высоким пространственным разрешением для всей территории Москвы.

Похожие диссертационные работы по специальности «Метеорология, климатология, агрометеорология», 25.00.30 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Баранова, Мария Евгеньевна

В заключение сформулируем кратко основные выводы из проделанной работы.

- В составе модели ГДМ+МК разработан и апробирован метод расчета переноса и рассеяния примесей в атмосфере в окрестности тонких (толщиной менее шага расчетной сетки) элементов подстилающей поверхности.

- На основе проведения комплексного тестирования и верификации модели ГДМ+МК применительно к расчету полей скорости ветра и концентрации на основе натурных измерений и результатов измерений в аэродинамических трубах оценены полные погрешности расчета характеристик загрязнения за счет влияния как погрешностей исходных данных, так и неточностью модели.

- С целью минимизации погрешностей расчета характеристик загрязнения городской атмосферы вследствие неточности исходных данных разработан и апробирован метод коррекции результатов расчета на основе использования постов мониторинга.

- Произведен расчета потенциала загрязнения атмосферы (ПЗА) с учетом влияния на поле ветра застройки города с высоким пространственным разрешением для всей территории города Москва.

- Предложена и реализована технология расчета климатических карт характеристик загрязнения Москвы от выбросов автотранспорта с высоким пространственным разрешением.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Баранова, Мария Евгеньевна, 2008 год

1. Владимиров, В.А. Основные опасности и угрозы на территории России в начале XXI века Текст. / В.А. Владимиров.-М.: Изд. ООО «ИЦ-Редакция «Военные знания», 2002. 56 с.

2. Малышев, В.П. Основные угрозы и опасности для жителей крупных городов Текст. / В.П.Малышев // Проблемы анализа риска: Науч. журн-2006 — Т. 3, № 4.-С.338 345.

3. Киселев, А.В. Оценка риска здоровью Текст. / А.В. Киселев, К.Б. Фридман .-СПб.: Изд. АО "Дейта", 1997.-103 с.

4. Шатилов, Р.А. Динамика выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух Российской Федерации с 1990 по 2005 гг. Текст. / Р.А. Шатилов, Н.М. Иванова // Проблемы охраны атмосферного воздуха: Сб. тр. НИИ «Атмо-сфера».-СПбл, 2007.-С.144 160.

5. Баранова, М.Е. Методы расчетного мониторинга загрязнения атмосферы мегаполисов Текст. / М.Е. Баранова, А.С. Гаврилов // Естественные и технические науки-2008.-№ 4.-С.221 225.

6. Безуглая, Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах Текст. / Э.Ю. Безуглая.-JI.: Гидрометеоиздат, 1986.-200 с.

7. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей Текст. / Ред. Ф.Т.М. Ньистадт, X. Ван Дор.-Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-350 с.-(Пер. с англ.)

8. Лайхтман, Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы Текст. / Д.Л. Лайхтман.-Л.: Гидрометеоиздат, 1970.-341 с.

9. Берлянд, М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы Текст. / М.Е. Берлянд.-Л.: Гидрометеоиздат, 1975.-448 с.

10. Берлянд, М. Е. Моделирование загрязнения атмосферы выбросами из низких и холодных источников Текст. / М.Е. Берлянд, Е.Л. Генихович, Р.И. Оникул // Метеорология и гидрология-1990—№ 5.-С. 5-17.

11. Экологический программный комплекс для персональных ЭВМ Текст. / Под ред. А.С. Гаврилова -СПб.: Гидрометеоиздат, 1992 165 с.

12. Гутман, Л.Н. Введение в нелинейную теорию мезометеорологических процессов Текст. / Л.Н. Гутман.-Л.: Гидрометеоиздат, 1969.-293 с.

13. Марчук, Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды Текст. / Г.И. Марчук.-М.: Наука, 1982.—315 с.

14. Hanna, S.R. Air Quality Modeling over Short Distances // Handbook of Applied Meteorology Text. / S.R. Hanna; ed. by D.D. Houghton // A Wiley-Interscience Publication-New York: John Wiley&Sons Inc., 1985.-P.712 743.

15. Руководство по безопасности № 50-SG-S3 Текст. / МАГАТЭ.— Вена:Изд. МАГАТЭ, 1982.-105 с.-( Сер. изд. по безопасности)

16. Carruters, D. Factors affecting inter-annual variability of NOx and N02 concentration from single point sources Text. / D. Carruters, S. Dyster, C. McHugh // Clean Air and Environmental Protection.-2003.-Vol. 33, № 1.-P.15 -20.

17. Carlslaw, D.C. Development of an urban inventory for road transport emissions of N02 and comparison with estimates derived from ambient measurements Text. / D.C. Carlslaw, S.D. Beevers // Atmospheric Environment-2005.-Vol.39.-P.2049-2059.

18. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД-86) Текст.-Взамен Сн136369.74: Введен 01.01.87 / ГГО им. Воейкова.-Л.:Гидрометеоиздат, 1987.-92(1) с.

19. Гаврилов, А.С. Интеллектуальная геоинформационная система Текст. / А.С. Гаврилов //Бюллетень ГИС ассоциации.-1998.-Вып. 1(13).-С.58-59.

20. Матвеев, JI.T. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы Текст. / Л.Т. Матвеев.-Л.: Гидрометеоиздат, 1984.-751 с.

21. Пененко, В.В. Модели и методы для задач охраны окружающей среды Текст. / В.В. Пененко, А.Е. Алоян Новосибирск: Наука, 1985.-254 с.

22. Роуч, П. Вычислительная гидродинамика Текст. / П. Роуч.-М.: Мир, 1980.-616 с.

23. Lumley, J.L. Turbulence modeling Text. / J.L. Lumley // J. Appl. Mech.-1983 .-Vol.50, № 4b.-P. 1097 1103.

24. Carlslaw, D.C. Development of an urban inventory for road transport emissions of N02 and comparison with estimates derived from ambient measurements Text. / D.C. Carlslaw, S.D. // Beevers Atmospheric Environment .- 2005-Vol. 39 — P.2049 2059.

25. Venkatram, A. The Development and Application of a Simplified Ozone Modelling System (SOMS) Text. / A. Venkatram, P. Karamchandani, P. Pai & R. Goldstein // Atmospheric Environment 1994.-Vol. 28, № 22.-P.3365 - 3678.

26. Баранова, М.Е. Информационное сопряжение результатов расчетов и измерений для создания карт загрязнения атмосферы городов Текст. / Баранова // Научно-технические ведомости.-СПб.: Изд. СПбГПУ, 2007-Вып. 4-2(52).-С.66 69.

27. Бызова, Н.Л. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси Текст. / Н.Л. Бызова, Е.К. Гаргер, В.Н. Иванов — Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-274 с.

28. Гаргер, Е.К. Сравнение рассчитанных и измеренных дисперсий координат и концентрации примеси Текст. / Е.К. Гаргер, Г.П. Жуков, Н.Ф. Лукоянов, А.В. Найденов, Д.Б. Уваров // Труды ИЭМ.-1983.-Вып. 29(103).- С.69 82.138

29. Гаргер, Е.К. Экспериментальное исследование поперечной турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы Текст. / Е.К. Гаргер, И.Ф. Мазурин, А.В. Найденов, Д.Б. Уваров //Изв. АН СССР. Сер. ФАО.-1982.-Т.18, № 4-С.356-362.

30. Kastner-Klein, P. Gaseus pollutant dispersion around urban-canopy elements: wind tunnel case studies Text. / P. Kastner-Klein, E. Plate, E. Fedorovich // J. Environment and Pollution.- 1997.-Vol.8, №.3 6.-P.727 - 737.

31. Kastner-Klein P., Plate E. Windkanalversuche zur Verbesserung der Er-mittlung von Kfz-bedingten Konzentrationsverteilungen in Stadgebieten. 12.Statuskolloquim des PEF, Marz,1996, Karlsruhe.

32. Трофименко, Ю.В. Методы расчета загрязнения атмосферы крупных городов выбросами автотранспорта Текст. / Ю.В. Трофименко, Г.И. Воронов, М.Ю. Скворцов.-СПб.: ДЕЙТА, 1996.-36 с.-( Сер. "Библиотека пользователя ЭПК "ZONE")

33. Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы городов: утв. приказом Госкомэкологии РФ от 16.02.1999 № 66.-СП6, 1999.

34. Безуглая, Э.М. Метеорологический потенциал и климатические особенности загрязнения воздуха Текст. / Э.М. Безуглая.-JI.: Гидрометеоиздат, 1980.-184 с.

35. Holzworth, G.C. Estimates of mean maximum mixing depths in the contiguous United States Text. / G.C. Holzworth // Mon. Wea. Rev.-l964 -Vol.92, №5.-17-19.

36. Fensterstoork, J. Air Pollution episode in the Eastern United States Text. / J. Fensterstoork- Thanksgiving: U.S. Department of Health, 1968.—( Education and welfare, Consumer Protection and Environmental Health Service).

37. Holzworth, G.C. Climatological aspects of the composition and pollution of the atmosphere Text. / G.C. Holzworth// WMO Techn. Note 1974.-№ 139.-P. 43.

38. Баранова, М.Е. Методы расчетного мониторинга загрязнения атмосферы мегаполисов Текст. / М.Е. Баранова, А.С. Гаврилов // Естественные и технические науки.-М.: Компания Спутник+, 2008.-4 С.221 -225.

39. Степовой, Б. Экологическая карта Москвы / Б. Степовой Электронный ресурс.: Офиц. портал газеты «Известия».-М., 2008-Режим доступа к порталу: http://www.izvestia.ru/russia/archive/14-10-08/.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.