WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Министерство образования и наук

и РФ Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)

На правах рукописи

УДК 551.511.072 Мханна Ааед Исмаил Назир МЕТОД РАСЧЕТА И КЛИМАТОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК АТМОСФЕРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПЕРЕНОС И РАССЕЯНИЕ ПРИМЕСИ Специальность 25.00.30 – метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Санкт-Петербург 2009 2 Диссертация выполнена на кафедре Метеорологии, климатологии и охраны атмосферы Российского государственного гидрометеорологического университета.

Научный консультант: Профессор, доктор физико-математических наук, А.С.Гаврилов

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор А.Д. Егоров Кандидат физико-математических наук, доцент, А.Г.Попов

Ведущая организация: Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН (НИЦЭБ РАН)

Защита диссертации состоится “18” июня 2009 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.197.01 в Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу:

195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98, тел. (812) 444-41-63.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета по адресу:

195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.

Автореферат разослан “18” мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ. - мат наук, профессор, А. Д. Кузнецов 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В развивающихся странах за последние десятилетия достигнут существенный прогресс в развитии промышленности и энергетики. Это ставит их перед теми же проблемами в области охраны окружающей среды, что и развитые в промышленном отношении страны Европы и Северной Америки.

Между тем, в этих регионах практически полностью отсутствуют систематические исследования в области изучения рассеивающих способностей атмосферы, для которых требуется проведение достаточно обширной программы градиентных измерений в слое до 100 – 150 м над поверхностью. Вышеизложенное приводит к необходимости поиска способов получения достоверных оценок рассеивающих свойств атмосферы на основании косвенной, но единственно доступной на настоящий момент информации – стандартных метеорологических наблюдений и аэросиноптических данных, что оказывается возможным с использованием методов математического моделирования.

Целью работы является: разработка модели и проведение комплекса расчетов основных параметров, определяющих рассеивающие свойства атмосферы применительно к такому интенсивно развивающемуся региону, как Восточное Средиземноморье, их статистическое обобщение и построение, в итоге, набора климатических карт этих параметров.

Для достижения поставленных целей в диссертационной работе были сформулированы следующие задачи:

• определить перечень параметров, характеризующих рассеивающие способности атмосферы исходя из сложившейся практики принятия управленческих решений в области природопользования;

• адаптировать разработанную ранее численную модель атмосферного пограничного слоя (АПС) к расчету характеристик рассеивания и осуществить ее верификацию;

• провести анализ доступных информационных ресурсов и сформировать архивы исходных данных для расчета в достаточном для статистического и пространственного анализа количестве;

• провести комплекс расчетов и построить климатические карты параметров, определяющих рассеивающие способности атмосферы.

Методы исследования. Основные методы исследования – компьютерное моделирование с использованием численной модели АПС, а также статистический и пространственный анализ результатов.

Научная новизна состоит в том, что впервые на примере Восточного Средиземноморья проведен комплексный статистический анализ и построены климатические карты основных параметров, характеризующих рассеивающие способности атмосферы с использованием единственно доступных для этих целей архивов стандартных метеорологических и аэросиноптических данных.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Уточненный метод расчета характеристик рассеивающей способности атмосферы на базы модели АПС с использованием стандартной метеорологической и аэросиноптической информации, а также результаты его верификации.

2. Результаты статистического анализа временной изменчивости характеристик рассеивающей способности атмосферы на различных территориях.

3. Климатические карты характеристик рассеивающей способности атмосферы для Восточного Средиземноморья.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются строгой математической постановкой задачи о численном моделировании АПС, результатами верификации модели АПС, а также статистической обеспеченностью рассчитанных на основе архивов стандартной гидрометеорологической информации статистических характеристик рассеивающей способности атмосферы.

Теоретическая и практическая ценность диссертации состоит в разработке оригинальных методов, позволяющих лишь на основе стандартной гидрометеорологической информации рассчитывать характеристики рассеивающих способностей атмосферы и, в итоге, построить климатические карты такого рода характеристик применительно к интенсивно развивающемуся в промышленном отношении региону, которые могут найти применение при размещении новых промышленных производств, объектов традиционной и ядерной энергетики и элементов транспортной инфраструктуры.

Апробация диссертационной работы Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались:

• на научных семинарах кафедры метеорологи, климатологии и охраны атмосферы Российского государственного гидрометеорологического университета (2003-2008 гг.).

• на заседании Итоговых сессий Ученого совета РГГМУ (2005,2006 гг.);

• на заседаниях Международной научной конференции “Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон”, СПб, РГГМУ (2005г.);

• на заседании международной конференции "Изменение климата и окружающая среда", СПб, РГГМУ, 06-09.12.2005 г.;

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 63 наименований, и двух приложений. Общий объем работы составляет 129 страницы, включая 63 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту, теоретическая новизна и практическая значимость работы, а также кратко излагается содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены существующие проблемы и применяемые в различных странах методы оценки качества атмосферы. Особое внимание уделено природоохранной практике стран Восточного Средиземноморья (Турция, Сирия, Ливан, Египет, Израиль, Палестина, Иордания). Сделан краткий анализ имеющихся в литературе сведений о суммарных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу в этих странах и существующих тенденциях такого рода за последние годы.

Загрязнение атмосферы в городах Восточного Средиземноморья, как и южной Европы, за последние десятилетия значительно возросло. По свидетельству Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ), к числу основных загрязняющих примесей здесь следует отнести окись углерода (CO), оксиды азота (NOХ) и оксиды серы (SOХ). Установлено, что наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха на территории упомянутых стран вносит теплоэнергетика, автотранспорт и химическая промышленность.

Так, например, в Турции, за период 1980 – 2005 гг. суммарный годовой выброс оксидов азота вырос почти в 3 раза, а оксидов серы – примерно в 1.8 раза. Интенсивный рост выбросов в атмосферу отмечен в Ливане: лишь за 3 года с 1997 по 2000гг количество выбросов NOХ увеличилось почти в 2.5 раза, а SOХ – почти в 3 раза. За последние годы за счет интенсивного расширения автопарка столицы Египта г. Каира, концентрация NOХ выросла в несколько раз, что совместно с эффектом непрерывного поступления из прилегающей пустыни взвешенных аэрозолей привело к образованию почти непрерывно висящего над городом облака загрязнения.

Существующий уровень исследований качества атмосферы в этом регионе заметно отстает от стремительного роста загрязнения. Из стран региона в настоящее время системы атмосферного мониторинга существуют лишь в нескольких крупных промышленных центрах, таких, например, как Каир, где в 2001 г. при поддержке западных стран была создана современная система мониторинга атмосферы на базе 42 станций.

Это приводит к необходимости в дополнение к существующим прямым методам измерения чистоты атмосферы развивать и косвенные методы такого рода оценок, основанные на расчетах собственно рассеивающих способностей атмосферы.

За последние десятилетия неоднократно осуществлялись попытки установления некоторых интегральных показателей, характеризующих климатические условия загрязнения атмосферы. Так, Э.Ю. Безуглая (1980) предложила методологию использования такого показателя, как потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА).

Кроме того, для прогноза неблагоприятных метеорологических условий (НМУ) были сформулированы так называемые «индексы НМУ» для шести групп источников (высокие горячие, высокие холодные, средние горячие, средние холодные, низкие и специальные низкие) для составления предупреждений предприятий трех степеней опасности. Применительно к потенциально опасным ядерным объектам в этом отношении действует единая методология, сформулированная в документах по безопасности МАГАТЭ, предусматривающая использование таких показателей, как категория устойчивости атмосферы Пэскуилла-Гиффорда, градиент температуры и высота слоя перемешивания.

Для проведения климатологического анализа рассеивающей способности атмосферы для региона Восточного Средиземноморья существует, между тем, проблема информационного обеспечения. Действительно, если сформулировать основные требования к качеству информации об атмосфере, необходимой для расчета перечисленных выше параметров, то можно прийти к следующему перечню:

- значения скорости ветра в приземном слое для использования при расчете индекса НМУ;

- данные о температуре до высоты несколько сотен метров над подстилающей поверхностью с вертикальным разрешением несколько метров для последующей оценки градиента температуры, высоты слоя перемешивания, а также верхней и нижней границ температурных инверсий;

- вертикальные градиенты скорости ветра и температуры для расчета категорий устойчивости Пэскуилла-Гиффорда.

Известно, что данные вертикального зондирования атмосферы оказываются недостаточно точными для нижнего слоя тропосферы, поскольку радиозонд не дает возможности корректно оценить вертикальный профиль температуры в нижнем 100200 м слое и высоту слоя перемешивания, да и производятся они на очень небольшом числе станций зондирования. Другие методы (содарное и лидарное зондирование, высотные градиентные мачты) предоставляют вообще лишь эпизодический материал и непригодны для получения надежной статистики и последующего пространственного анализа.

Скорость ветра в приземном слое атмосферы определяется стандартными измерениями на метеостанциях, остальная дополнительная информация для проведения климатологического анализа рассеивающей способности атмосферы может быть получена двумя способами:

- организация специальных масштабных экспериментальных исследований для каждой территории;

- путем расчета с использованием математических моделей атмосферы на основе стандартной гидрометеорологической информации.

Совершенно очевидно, что первый путь оказывается чрезвычайно затратным и требует длительного времени накопления данных. Реализация альтернативного, второго пути, как раз и является целью настоящего исследования.

Во второй главе излагается метод расчета характеристик рассеивающей способности атмосферы на основе численной модели атмосферного пограничного слоя (АПС) и некоторые его уточнения, реализованные в настоящей работе.

Известно, что основным источником экспериментальных данных в части оценки ее рассеивающих способностей (в первую инверсий и категорий устойчивости) до сих пор являлись лишь градиентные измерения в приземном слое, охват высот которых, как правило, невелик, а накопленных рядов наблюдений оказывается крайне недостаточно для удовлетворения все возрастающих требований практики.

По этой причине возникает проблема разработки таких методов анализа, которые позволили бы использовать для расчета различных климатических характеристик АПС данные стандартных метеорологических наблюдений – единственной информации, которая имеется на настоящий момент в количестве, обеспечивающем получение достоверных статистических оценок. Между тем, они проводятся на одном уровне (температура и влажность измеряются на высоте 2 м, а скорость и направление ветра – 10 м) и, таким образом, впрямую оказываются непригодными изучения вертикальной структуры.

В данной главе предложен и апробирован метод восстановления вертикальной структуры АПС по рядам наблюдений на одном уровне в атмосфере с привлечением физически содержательной численной модели, корректно описывающей суточные колебания. Метод базируется на том очевидном предположении, что именно суточные колебания температуры воздуха, обязанные своим происхождением колебаниям инсоляции, как раз и являются ответственными за формирование вертикальных градиентов температуры в нижней части АПС и, как следствие, определяют вертикальную структуру атмосферной турбулентности, скорости и направления ветра.

В разделе 2.2 данной главы сформулированы исходные уравнения, а в пункте 2.3 – описана модель суточных колебаний. Для АПС над достаточно однородной подстилающей поверхностью систему уравнений динамики для отклонений u = U1 -UG, v = U2 -VG можно записать:

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»