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.

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.