ВВЕДЕНИЕ
В связи с интенсивным ростом количества антропогенных выбросов в атмосферу и связанным с этим колоеальным 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 боль -ших городов. Исследование состояния загрязненности городов преобретает особый интерес в связи с размещением в них мате -риальных 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.
- b -
Кан 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 по -тока.
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 реше -нии задач контроля загрязнения окружающей среды. Несмотря на интенсивные экспериментальные исследования, проводимые в це -лом 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 ме -теорологических условий и, в частности, приподнятой и приземной инверсий на определение степени загрязненности в зоне города
- 6 -
и его окрестности. При этом предлагаемые модели должны обла -дать свойством оперативности в целях их дальнейшего применения в рамках Системы Автоматизированного Контроля Загрязнения Ат -мосферы (САКЗА). Другими словами, эти модели должны быть pea -лизуемыми 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 исследова -ния 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 горизон -тальной однородности. В систему АПС включается уравнение баланса энергии турбулентности, которое связывает и учитывает основные способы генерации энергии турбулентности и их вэаи -мообусловленность. 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.
- 7 -
В четвертой главе численно интегрируется система ШС в условиях горизонтальной неоднородности подстилающей поверхности. Исследуется поле концентрации примеси, динамические и терми -ческие характеристики в пограничном слое , особенно, в пере -ходной 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 согла -суются 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 ЗВМ. Предложенные модели могут быть использованы для некоторых промышленных городов САР, таких как Хумес, Алеппо и, с некоторым приближением, для Дамаска.
- 8 -
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
- 9 -
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 переме -шивания 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 воз -душном потоке. Скорость воздущного потока вместе с шерохова -тостью подстилающей поверхности определяют интенсивность динамической турбулентности. Примеси в атмосфере могут подвергаться физической и химической трансформации. Этот процесс непос -редственно связан с такими метеорологическими характеристиками, как содержание водяного пара или капель, температура воздуха, интенсивность солнечной радиации и присутствие в воздухе дру -гих видов примесей. Очищение и вымывание различных веществ из атмосферного воздуха 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
- 10 -
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 коли -чество работ, посвященных вопросам связи метеорологических условий и состояния атмосферы в целом с закономерностями распространения примесей, как в микро- и мезо-, так и в макро-масшта-бах (см.,например, | 5, 17, 281 ). В настоящей работе основное внимание уделяется изучению процессов переноса и перераспределения примеси в мезомасштабе, в данном случае в пределах воз-,пушного 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 1 .
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 различ -ных соединений серы, окислов углерода, углеводорода, окислов азота и ряда других вторичных примесей. Основным источником соединений серы S 0г и Нг 5 является сжигание топлива, содержащего серу (каменный уголь, мазут) на тепловых электро -станциях и нефтеочистительных предприятиях. Окислы углерода поступают в результате неполного сгорания топлива на автотранспорте.
Углекислый газ С0^> часто не рассматривается как загрязняю -
- II -
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 масш -табе 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 каса -ется углеводорода НС , то основная вредность его определяется потенциальной способностью участия в образовании фотохимического смога.
Окислы азота N0x , 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, 168J . 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 ? — 1мкм, активно участвуют в образовании облаков и туманов в качестве центров гетерогенных фазовых переходов воды в атмосфере. Сог -
- 12 -
ласно [71, 73] 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 Св летних условиях).
В городе Киеве [ 58] интегральная мутность в среднем за год на ICffo больше, чем в пригороде (Борисполь). Подобные выводы были получены многими другими исследователями [ 78, 129J .
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 ат -мосферу по всей длине трассы. Выбросы всех промышленных пред -приятии 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. Z 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 вы -полнено большое количество работ по изучению загрязнения атмос-
- 13 -
феры 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 J .
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 опре -деляют 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 метео -рологических элементов даже в простейшем стационарном случае тесно связаны между собой. Так для инверсионных условий харак -терны 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.
_ 14 -
Однако существует здесь и обратная связь. В самом деле, поля ветра, температуры и интенсивность турбулентного обмена изменяются взаимосвязано в соответствии с внешними условиями. Следо -вательно, при стационировании последних, соответственно этим условиям устанавливаются определенные и однозначные термический и динамический режимы. Такое равновесие нарушается при измене -нии 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 тем -пературы, ветра и турбулентности продолжается до тех пор,пока не достигается такой характер турбулентного обмена, который обеспечил бы тепловое и динамическое равновесие системы воздух-- почва, 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.
1.2. Основные положения теории турбулентной диффузии примеси в атмосфере
Диффузия примеси в атмосфере по своей физической природе близка к процессу переноса турбулентными вихрями характеристик воздуха (количества движения, тепла, влаги). До сих пор нет единой целостной теории, которая хорошо описывала бы процесс диффузии в атмосфере. Существуют две разные концепции теории атмосферной диффузии. Первая - так называемая теория градиентного переноса примесей в атмосфере (или полуэмпирическая теория турбулентной диффузии), вторая - статистическая теория турбу -лентной диффузии.
Первая теория является эйлеровской, так как она рассматривает свойства движения жидкости относительно системы координат, жестко закрепленной в определенной точке пространства. Стати -стическая теория рассматривает движущуюся частицу или некоторый объем жидкости, изменение свойств которого исследуется относительно движущейся среды, где начало системы координат связано с самой частицей.
Таким образом, вторая теория по своей природе является Лаг -ранжевой. Этот подход впервые появился в работе Тейлора в 1921г. и развивался в последующих работах целого ряда авторов (см.,например, [ 3, 28, 69, 76, 82, 83, 91, 105, 106, 115, 116,152, 167] ).
В рамках указанных работ кратко остановимся на процессе рассеяния примеси от точечного, непрерывно действующего источника, в перпендикулярном среднему потоку направлении. При этом рассматривается случай динамически пассивной примеси, где частицы не влияют на параметры движения потока и перемещаются с его скоростью. В данном случае диффузия примеси определяется
|
