Динаміка турбулентно-циркуляційних та дифузійних процесів у нижньому шарі атмосфери над Україною

Після підстановки кінцево-різницевих операторів в рівняння отримуємо:

де всі коефіцієнти ai, aj, ak і праві частини (Fq)i,j,k цих рівнянь виражаються через відомі величини u, v, w, , і значення q в попередній момент часу.

Ці рівняння розв'язуються методом одновимірної прогонки по кожній з координат X, Y, Z відповідно. Результатом останньої прогонки є поле q в момент часу t = = t0 + t. Отримане таким чином поле q використовується як початкова умова для розрахунку поля концентрацій в подальші моменти часу. Повторюючи таку процедуру розв'язання багато разів, отримаємо розрахункове поле концентрації домішки в будь-який момент часу t.

У 5.5 розглядаються підходи до чисельної реалізації крайових умов даної задачі, що є продовженням обговорення диференціальної постановки, сформульованої в 1.4, і формулюються крайові умови для рівняння турбулентної дифузії. У 5.6 описується методика ініціалізації блоку розрахунків перенесення і розсіяння домішок в ближній і далекій зонах по стандартній метеорологічній інформації. Використання концепції ближньої і далекої зон дозволяє з одного боку забезпечити фізично обгрунтований опис процесів поширення і розсіювання домішки на різних відстанях від джерела і з іншого боку вирішити складну при чисельній реалізації проблему задання джерел домішки при розв'язанні рівняння турбулентної дифузії в далекій зоні.

Наведені у 5.7 результати чисельних експериментів по розрахунку розподілу концентрацій домішок для реальних метеорологічних умов свідчать про можливість використання розробленої методики для опису процесів переносу та розсіяння домішок у нижньому шарі атмосфери.

У шостому розділі "Моделювання процесів поширення і розсіяння домішки в АПС при типових метеорологічних умовах" наводяться методика класифікації метеорологічних умов поширення і розсіяння домішок в нижньому шарі атмосфери за даними аерологічного зондування і результати використання запропонованої класифікації для визначення типових вертикальних профілів метеорологічних величин і характеристик турбулентності для різних метеорологічних умов, характерних для Східної Європи по даних 14608 радіозондувань атмосфери за 10-річний період з 1978 по 1987 роки на ст. Довгопрудний. Як фізичні параметри класифікації використовуються параметри, які характеризують взаємодію потоку, що натікає, з підстилаючою поверхнею, АПС з вільною атмосферою і фізичні механізми формування внутрішньої структури АПС,:

швидкість і напрям переносу поблизу верхньої межі АПС ();

стратифікація в приземному підшарі ();

стратифікація в верхній частині АПС ();

горизонтальна термічна адвекція ().

У результаті отримані узагальнені характеристики внутрішньої структури АПС для різних типів метеорологічних умов, які визначають умови поширення і розсіяння домішки в нижньому кілометровому шарі атмосфери. Кожен клас метеорологічних умов формування АПС характеризується унікальним п'ятизначним кодом .

Осереднені характеристики АПС отримані для 182 класів, які охоплюють широкий діапазон зміни вхідних параметрів (швидкості вітру, умов термічної стратифікації і адвекції в АПС). Незважаючи на те, що дана типізація метеорологічних умов формування АПС побудована за даними для конкретного географічного пункту, вона може бути використана для опису внутрішньої структури АПС над районами з фізико-географічними умовами, схожими з умовами ст. Довгопрудний, тобто для регіонів України, за винятком району Карпат і прибережного регіону.

Таблиця 2

Узагальнені вертикальні профілі вітру в АПС для окремих класів (чисельник - швидкість вітру в м/с, знаменник - напрям вітру в град.)

У таблицях 2-3 наведені результати узагальнення характеристик внутрішньої структури АПС для класів, які представляють особливий інтерес з точки зору умов поширення і розсіяння домішок:

а) від наземних джерел - класи зі слабким переносом (В1=1) та інверсією в приземному підшарі (В3=6)

б) від висотних джерел - класи зі слабким переносом (В1=1) і підведеною інверсією (В4=7)

в зіставленні з класами, що описують метеорологічні умови інтенсивного перенесення і розсіяння домішки.

Розраховані для конкретних класів типові профілі метеорологічних величин і характеристик турбулентності можуть бути використані при розрахунку перенесення і розсіяння домішки для термодинамічних умов, які реалізовуються в реальних метеорологічних ситуаціях. Приклади таких розрахунків наведені в параграфі 6.2.

Таблиця 3

Узагальнені вертикальні профілі коефіцієнта турбулентності (в м2/с) для окремих класів

Однак для задач планування і оцінки антропогенного впливу на атмосферу важливо отримати фонові концентрації, осереднені з урахуванням повторюваності кожного класу метеорологічних умов. У зв'язку з цим необхідно мати типові профілі метеорологічних величин і характеристик турбулентності для так званих "кліматичних класів", тобто класів, сконструйованих по розрахованих середніх кліматичних значеннях параметрів класифікації.

Осереднена по всьому 10-річному часовому ряду (для кожного з 8 секторів напрямів незбуреного потоку) величина кожного параметра розраховується по формулі:

.

де = 1, 3, 4, 5 - номери параметрів(), що відповідають таблиці класифікації,

і - номер градації параметра,

- число градацій -го параметра,

- число випадків в -й градації,

- нижня межа градації, - верхня межа градації.

По розрахованій середній величині параметра оцінювався номер класу і конструювався кліматичний клас.

Було отримано таким чином 8 кліматичних класів. У таблицях 4-5 наведені параметри внутрішньої структури АПС для цих кліматичних класів. У вказаних таблицях класи розташовані в порядку нумерації напряму незбуреного потоку на рівні 850 гПа в метеорологічній системі координат (від півночі через схід до північного заходу).

Таблиця 4

Узагальнені вертикальні профілі вітру в АПС для кліматичних класів (чисельник - швидкість вітру в м/с, знаменник - напрям вітру в град.

Як і слід було чекати, для кліматичних класів отримані близькі до середніх метеорологічні умови формування АПС - швидкість геострофічного вітру лежить в межах 8-10 м/с, лише східний і південно-східний напрями характеризуються меншою швидкістю незбуреного потоку. Для осереднених за 10-річний період термодинамічних умов характерний стан, близький до нейтральної стратифікації. У верхній частині АПС відмічається стійка стратифікація з характерним для атмосфери градієнтом.

Таблиця 5

Узагальнені вертикальні профілі коефіцієнта турбулентності (в м2/с) для кліматичних класів

Таким чином, отримані в дисертаційній роботі результати дозволяють оперативно оцінювати необхідну для розв'язання рівняння турбулентної дифузії інформацію для конкретних метеорологічних умов, які попадають в даний клас і для типових метеорологічних умов, характерних для даного напряму натікаючого повітряного потоку.

У параграфі 6.2 наведені результати чисельних розрахунків просторового розподілу концентрацій домішки від умовного точкового джерела домішки для окремих кліматичних класів метеорологічних умов (див. рис. 4-5), розглянутих в попередньому параграфі. Отримані поля концентрацій домішок можуть бути використані при оцінці екологічного стану повітряного басейну в різних регіонах України.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ І РЕЗУЛЬТАТИ

1. Сформульована постановка задачі кількісного сумісного опису динаміки турбулентно-циркуляційних і дифузійних процесів в нижньому шарі атмосфери над обмеженим регіоном.

2. Розроблена і реалізована гідродинамічна модель (АТЦДМ) сумісного опису внутрішньої структури і процесів перенесення і розсіяння забруднених об'ємів повітря в нижньому шарі атмосфери, яка включає моделі мезомасштабного АПС, регіонального перенесення і розсіяння домішок.

3. Розроблена і реалізована методика параметризації ефектів орографії в задачі відновлення внутрішньої структури АПС і екологічного стану нижнього шару атмосфери.

4. Розроблена і реалізована концепція ближньої і далекої зон при заданні джерел домішки і описі забруднення повітряного басейну на різних відстанях від джерела.

5. Виявлені основні закономірності розподілу характеристик турбулентно-циркуляційного режиму і екологічного стану нижнього шару атмосфери при характерних для України атмосферних процесах.

6. Проведена оцінка точності відновлення циркуляційної структури нижньої атмосфери при використанні різних видів стандартної метеорологічної інформації, яка дозволяє зробити висновок про те, що модель допускає прийнятні значення похибки, і, отже, може бути використана для відновлення детальної турбулентно-циркуляційної мезомасштабної структури нижнього шару атмосфери.

7. Розроблена і реалізована методика класифікації умов формування внутрішньої структури АПС для розв'язання задач екологічного моніторингу стану повітряного басейну в умовах України.

8. Отримані узагальнені характеристики внутрішньої структури нижнього шару атмосфери, регіонального перенесення і розсіяння домішок для широкого діапазону метеорологічних умов.

9. Створена комп'ютерна інформаційна система для реалізації АТЦДМ і підтримки рішень по зниженню антропогенного впливу на повітряний басейн.

МОНОГРАФІЇ

1. Степаненко С.Н. Динамика турбулентно-циркуляционных и диффузионных процессов в нижнем слое атмосферы над Украиной. - Одесса: Маяк, 1998, 286 с.

2. Шнайдман В.А., Тарнопольський А.Г., Степаненко С.М. Геофізична гідродинаміка: Підручник.- Одеса: ОГМІ, 1998. - 301с.

НАУКОВІ СТАТТІ

3. Степаненко С.М., Шнайдман В.А. Зіставлення результатів узагальнення експериментальних даних і розрахунків по трьохпараметричній моделі планетарного примежового шару атмосфери// Труди Головної Геофізичної Обсерваторії, вип. 481, 1983, с. 144-151.

4. Степаненко С.М., Шнайдман В.А. Урахування бароклінністі в моделі ПСА// Збірник наукових трудів “Прикладні питання фізики атмосфери”, -Л: ЛГМІ. - 1984.- с. 42-49.

5. Павленко С.В., Степаненко С.М., Шнайдман В.А. Розрахунок інтенсивності турбулентності і вертикальних зсувів вітру на основі теоретичної моделі примежового шару атмосфери.// Труди Гідрометцентра СРСР. - 1985. -вип. 260, с. 27-33.

6. Степаненко С.М., Шнайдман В.А. Про можливу точність обліку ефектів бароклинністі при розрахунку профілів швидкості вітру в прикордонному шарі атмосфери. - Труди Головної Геофізичної Обсерваторії. - 1986. - вип. 504, с. 89-93.

7. Степаненко С.М., Абу-Обід А.Ю. Циклонічна діяльність на сході Середземного моря та її вплив на Йорданію// Метеорологія, кліматологія і гідрологія. - 1995. -вип. 31, , с. 3-8.

8. Степаненко С.М., Абу-Обід А.Ю. Турбулентно-циркуляційний режим над сходом Середземномор'я застосовно до задачі екологічного моніторинга// Метеорологія, кліматологія і гідрологія. - 1995. -вип. 31, с. 8-11.

9. Степаненко С.М., Холодов О.М. Математичне забезпечення обробки даних об'єктивного аналізу метеорологічних полів в задачі примежового шару атмосфери// Метеорологія, кліматологія і гідрологія. - 1995. вип. 31, с 58-63.

10. Степаненко С.М., Холодов О.М. Турбулентно-циркуляційний режим примежового шару атмосфери над територією України для типової синоптичної ситуації// Метеорологія, кліматологія і гідрологія. 1995. - вип. 32, с. 83- 90.

11. Степаненко С.М., Козаченко І.В. Характеристики орографічних вертикальних рухів в районі Українських Карпат// Метеорологія, кліматологія і гідрологія. -1999. - вип. 36, с. 3- 16.

12. Степаненко С.М. Метод розрахунку концентрацій домішок в нижньому шарі атмосфери від точкового джерела// Метеорологія, кліматологія і гідрологія. - 1999. - вип. 37, с. 118- 125.

13. Stepanenko S.N. Method of restoring the atmospheric boundary layer detail three-dimensional structure with the data of routine meteorological information// Res. Activities in Atmos. and Oceanic Modelling, WMO Report No. 25, 1997, р. 5.41-5.42.

14 Stepanenko S.N. Evaluation of exactitude of restoring of the lower atmosphere circulation structure on the base of а three-dimensional ABL model// Res. Activities in Atmos. and Oceanic Modelling, WMO Report No. 27, 1998, р. 5.13-5.14.

15. Shnaidman V.A., Stepanenko S.N., Tarnopolsky A.G. and Marinin I.L. The Circulation and Turbulence Structure in Mesoscale Atmospheric Boundary Layer over non-uniform surface// Annales Geophysicae. European Geophysical Society. 23th General Assembly. Part II. Hydrology, Oceans, Atmosphere & Nonlinear Geophysics. Supplement II to Volume 15, 1997, р. 425.

16. Stepanenko S.N. Method of Restoring the Atmospheric Boundary Layer's Detail Three-Dimensional Structure with the Data of Routine Meteorological Information// Geophysical Researh Abstracts. European Geophysical Society. 24th General Assembly. Hydrology, Oceans and Atmosphere. Volume1, No. 2. 1999. - p.421.

17. Stepanenko S.N. Computing Algorithm of a Solution of the Three-Dimensional Non-Stationary Turbulent Diffusion Equation on the Base of Alternating Direction Method// Geophysical Researh Abstracts. European Geophysical Society. 24th General Assembly. Hydrology, Oceans and Atmosphere. Volume1, No. 2. 1999. - p.456.

18. Степаненко С.М., Холодов О.М., Циганова В.А. Комп'ютерний аналіз термобаричної ситуації і турбулентно-циркуляційний режиму примежового шару атмосфери над територією України. У зб. "Методичні вказівки (на допомогу синоптику)". - Київ, Держкомгідромет України, 1996, з. 9-11.

19. Степаненко С.М., Абу-Обід А.Ю. Об'єктивний аналіз метеорологічних величин - початкова інформація в задачі трансграничного перенесення над територією Середземномор'я. - Депонована стаття ДНТБ України, №1158-Ук94 від 21.06.1994р.

20. Степаненко С.М., Холодов А.М. Турбулентно-циркуляційний режим примежового шару атмосфери при поширенні області високого тиску із західних районів України. - Депонована стаття ДНТБ України, №1421-Ук95 від 02.06.1995р.

АНОТАЦІЯ

Степаненко С.М. Динаміка турбулентно-циркуляційних та дифузійних процесів у нижньому шарі атмосфери над Україною. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. - Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, Харьків, 1999.

Дисертацію присвячено питанням математичного моделювання внутрішньої структури атмосферного примежового шару (АПС) і процесів поширення і розсіяння забруднюючих речовин в нижньому шарі атмосфери на основі стандартної метеорологічної інформації. В дисертації розроблено атмосферну турбулентно-циркуляційну і дифузійну модель діагнозу і прогнозу динаміки нижнього шару атмосфери і його екологічного стану з урахуванням основних фізичних механізмів формування закономірностей просторово-часового розподілу метеорологічних величин, характеристик турбулентного обміну і перенесення забруднюючих речовин над територією України. Запропоновано методики параметризації ефектів орографії в задачі відновлення внутрішньої структури АПС і екологічного стану нижнього шару атмосфери, класифікації умов формування внутрішньої структури АПС, регіонального перенесення і дифузії забруднюючих речовин і її використання в задачах екологічного моніторингу. Встановлені основні закономірності розподілу характеристик турбулентно-циркуляційного режиму і екологічного стану нижнього шару атмосфери при характерних для України атмосферних процесах. Основні результати праці викорисковуються в оперативних прогностичних підрозділах Гідрометслужби України та Російської Федерації.

АННОТАЦИЯ

Степаненко С.Н. Динамика турбулентно-циркуляционных и диффузионных процессов в нижнем слое атмосферы над Украиной. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. - Институт радиофизики и электроники им. О.Я. Усыкова НАН Украины, Харьков, 1999.

Диссертация посвящена вопросом математического моделирования внутренней структуры атмосферного пограничного слоя (АПС) и процессов распространения и рассеяния загрязняющих веществ в нижнем слое атмосферы на основе стандартной метеорологической информации.

В диссертационной работе сформулирована и решена задача совместного количественного описания динамики турбулентно-циркуляционных и диффузионных процессов, объединяющего моделирование внутренней структуры атмосферного пограничного слоя (АПС) и процессов распространения и рассеяния загрязняющих веществ с учетом основных физических факторов формирования этих процессов, что представляет собой новую научно-прикладную проблему мезомасштабного диагноза и прогноза атмосферных процессов и экологического состояния воздушного бассейна над неоднородной подстилающей поверхностью применительно к условиям Украины. Сформулированная постановка проблемы отвечает требованиям физической обоснованности, корректности математического решения и информационной полноты.

Решены следующие теоретические и практические задачи:

разработана гидродинамическая модель АТЦДМ для совместного количественного описания внутренней структуры и процессов переноса и рассеяния загрязненных объемов воздуха в нижнем слое атмосферы;

предложена параметризация эффектов орографии и оценка её влияния на динамику турбулентно-циркуляционных и диффузионных процессов в нижнем слое атмосферы над территорией Украины;

разработана методика количественного описания процессов регионального переноса и рассеяния примесей;

разработана компьютерная информационная система (КИС) для реализации АТЦДМ с использованием различных видов стандартной метеорологической информации и сведений об основных источниках загрязнения атмосферы над Украиной;

проведена количественная оценка динамики и экологического состояния нижнего слоя атмосферы при типовых для Украины синоптических ситуациях с использованием вычислительного алгоритма АТЦДМ;

предложена классификация метеорологических условий в нижнем слое атмосферы для решения задач экологического мониторинга состояния воздушного бассейна над Украиной.

Разработанные в диссертации физико-математические подходы предполагают использование стандартной диагностической и прогностической крупномасштабной метеорологической информации. С этой целью построена компьютерная информационная система, предназначенная для оперативного мезомасштабного анализа и прогноза турбулентно-циркуляционного режима, характеристик распространения и рассеяния примесей над территорией Украины, а также для усвоения исходной стандартной метеорологической информации и представления выходной информации модели в виде, удобном для потенциального потребителя. Данная КИС может быть использована как самостоятельная система для детализации выходной информации прогностических систем, заданной на крупных сетках. В этом качестве она используется в Гидрометцентре Российской Федерации, а также в Гидрометцентре Черного и Азовского морей Госкомгидромета Украины.

Разработанная гидродинамическая модель использована для выявления комплексных характеристик состояния и эволюции нижней атмосферы над Украиной. Концепция комплексной характеристики заключается в том, что атмосферные процессы классифицировались по типовым синоптическим ситуациям. Для каждой синоптической ситуации подбирался естественный синоптический период (ЕСП), развитие процессов в котором в значительной степени соответствовало характерной динамике, наблюдаемой в этой синоптической ситуации.

В диссертации выполнена верификация разработанной модели при использовании различных видов исходной стандартной информации и приведены результаты сопоставлений, свидетельствующие о возможности её применения в оперативной практике для мезомасштабного анализа и прогноза полей метеорологических величин, характеристик турбулентности, а также для расчетов регионального пространственно-временного распределения концентраций загрязняющих веществ.

Описание процессов распространения и рассеяния примеси в рассматриваемом регионе основывается на концепции ближней и дальней зон. В ближней от источника зоне (далее “ближняя зона”), размер которой имеет порядок, не превышающий 1 км, следует воспользоваться статистической теорией турбулентной диффузии и, в частности, моделью рассеивающейся струи примеси. В этой зоне описание диффузии примеси основывается на гауссовой модели рассеяния Паскуилла-Гиффорда, лежащей в основе методик МАГАТЭ. В дальней от источника зоне (далее “дальняя зона”) - перенос и рассеивание примеси описывается уравнением турбулентной диффузии (УТД), в котором характеристиками турбулентного рассеивания являются коэффициенты вертикального и горизонтального турбулентного перемешивания.

В работе предложен новый алгоритм решения уравнения турбулентной диффузии на основе метода переменных направлений, позволяющий избежать ряд вычислительных сложностей, связанных с применением традиционных методов расщепления.

Разработана методика классификации метеорологических условий распространения и рассеяния примесей в нижнем слое атмосферы по данным аэрологического зондирования и приведены результаты использования предложенной классификации для определения типовых вертикальных профилей метеорологических величин и характеристик турбулентности для различных метеорологических условий, характерных для Восточной Европы по данным 14608 радиозондирований атмосферы за 10-летний период с 1978 по 1987 годы на ст. Долгопрудный.

Разработанные в диссертации научно-прикладное направление позволяет существенно расширить диапазон решаемых задач диагноза и прогноза мезомасштабной атмосферной циркуляции, процессов регионального переноса и рассеивания примесей . Опыт использования методик восстановления детальной трехмерной структуры турбулентно-циркуляционного режима и процессов диффузии в нижнем слое атмосферы позволяет рекомендовать их к широкому применению в научных и оперативных подразделениях Госкомгидромета Украины и Министерства по охране окружающей природной среды и ядерной безопасности Украины.

Основные результаты работы используются в оперативных прогностических подразделениях Гидрометслужбы Украины и Российской Федерации.

ANNOTATION

Stepanenko S.N. The dynamics of turbulence-circulating and diffusion processes in low atmospheric layer over Ukraine. - Manuscript.

Thesis for doctor's degree by speciality 04.00.22 - geophysics. - The Institute of Radiophysics and Electronics Engineering of National Academy of Science of Ukraine, Kharkov, 1999.

The thesis is dedicated to mathematical simulation of internal structure of an atmospheric boundary layer (АBL) and both processes of distribution and dispersion of polluting substances in the lower atmospheric layer (LAL) on the basis of the standard meteorological information. An atmospheric turbulence-circulating and diffusion model for the diagnosis and forecast of the LAL dynamics and its ecological conditions with regard to the main physical generating mechanisms of time-spatial distribution of meteorological values, features of turbulent exchange and transport of pollutants above Ukraine is developed in a thesis. The techniques of parametrization of orography effects in the task of restoring of the internal ABL structure and LAL ecological conditions, a classification of conditions of the internal ABL structure generation, regional transport and diffusion of pollutants and its use in the tasks of ecological monitoring are suggested. The principal patterns of distribution behavior of the turbulence-circulation characteristics and LAL conditions at atmospheric processes characteristic of Ukraine are determined. The results put into use with operating prognostic divisions of the Ukrainian and Russian Hydrometeorological Services.

Размещено на Allbest.ru