Оценивание полей атмосферного переноса примесей от площадного источника Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

---------------------------------- © Т.В. Ярославцева, В.Ф. Рапута,

2009

УДК 551.511.61

Т.В. Ярославцева, В. Ф. Рапута

ОЦЕНИВАНИЕ ПОЛЕЙ АТМОСФЕРНОГО ПЕРЕНОСА ПРИМЕСЕЙ ОТ ПЛОЩАДНОГО ИСТОЧНИКА

Для описания процессов распространения аэрозолей от площадного источника разработана модель, основанная на аналитических решениях полуэмпириче-ского уравнения турбулентной диффузии. Модель апробирована на данных экспедиционных исследований, полученных в окрестности Селитренного озера Алтайского края.

Ключевые слова: численное моделирование, аэрозольное загрязнение, площадной источник.

~П традиционных задачах переноса и диффузии аэрозоль--Я-М ных примесей в атмосфере режим функционирования источников предполагается заданным. Ситуация существенно меняется в случае, когда источником примеси является подстилающая поверхность. Тогда ветровой подхват примеси и её дальнейший перенос будет в значительной степени зависеть от состояния этой поверхности (влажности, гранулометрического состава, прочности сорбции примеси на подстилающей поверхности и т.д.). Решение задачи ветровой миграции в общей постановке представляет значительные затруднения [1].

1. Экспериментальные исследования. В качестве объекта исследования выбрано Селитренное озеро расположенное в западной части Алтайского края и представляющее собой открытое хранилище кристаллического сульфата натрия площадью около 6 км2. При определённых метеорологических условиях и технологических процессах возможен вынос значительной части сульфатных частиц размером 0,05-10 мкм в пограничный слой атмосферы.

Положение озера и схема пробоотбора представлены на рис. 1. Отбор аэрозольных проб производился на высоте 2 метра над поверхностью земли при юго-западном ветре. Средняя скорость ветра при отборе проб в 1997 году составляла 6-8 м/с.

Рис. 1. Схема отбора проб воздуха. Восстановленное поле счётной концентрации фракции 0.3-0.4 мкм сульфатного аэрозоля в окрестностях Селитренного озера, образованное при юго-западном направлении ветра

При экспедиционных исследованиях в 2004 году скорость ветра была несколько ниже и колебалась в пределах от 4 м/с до 6 м/^ Для определения фона точка 1 располагалась с наветренной стороны относительно озера. Наблюдения в остальных точках проводились с подветренной стороны по маршруту, практически совпадающему с направлением ветра.

2. Постановки обратных задач. Анализ имеющихся экспериментальных данных о концентрации аэрозолей в воздухе, системе наблюдений, пространственно-временной структуре рассматриваемых источников, метеорологических условиях показывает, что интерпретацию протекающих процессов загрязнения атмосферы предпочтительно провести в рамках постановок обратных задач переноса примеси.

а) Приближение линейного источника. При юго-западном

ветре концентрацию qл (Г) на расстоянии Г от площадного источника можно приближённо вычислить по формуле

где Г ориентировано по направлению ветра; L - эффективная ширина площадного источника в направлении ветра; Ч1 ( X ) - концентрация от линейного источника.

Тогда, используя аналитическое решение полуэмпири-ческого уравнения турбулентной диффузии в приближении лёгкой примеси [2] , получим следующее представление

4ж ( г , Р ) = Р ’ (2)

Г

где параметр Р оценивается по данным наблюдений.

б) Аппроксимация точечными источниками. Аппроксимируя площадной источник совокупностью точечных источников одинаковой мощности, в силу принципа суперпозиции поле концентрации слабо оседающей аэрозольной примеси можно вычислить по формуле [2]

т(х,у,0 ) = 01 -X

ехр

N

Г 02 0з (У - У, )2 ^

х - X,

(x - x^ )2

(3)

~1 (X - X, )2

где ось X совпадает с направлением ветра, ось у расположена поперёк.

Оценки вектора 0 находятся с помощью метода наименьших квадратов.

3. Численное моделирование.

а) С использованием модели (2) проведён численный анализ данных наблюдений массовой концентрации сульфат-ного аэрозоля.

На рис. 2 приведены результаты восстановления приземной концентрации пыли в направлении маршрута пробоотбора. В качестве опорной точки взята точка № 2. Сопоставление расчётов с наблюдениями в контрольных точках № 3-5 показывает достаточно высокий уровень соответствия. Весьма показательным моментом является возможность использования зависимости (2) для интерпретации данных наблюдений, проведённых как 1997 году, так и 2004 году.

мг/м3 а) мг/м3 б)

расстояние от озера по маршруту наблюдений, КМ расстояние от озера по маршруту наблюдений, КМ

Рис. 2. Измеренные и рассчитанные значения массовой концентрации сульфатного аэрозоля

------расчётная кривая, о, • - измерения в опорной и контрольных точках

а)

тысяч частиц/

^литр

б)

4,5

8

7

6

5

4

3

2

расстояние от озера по маршруту наблюдений, КМ

расстояние от озера по маршруту наблюдений, КМ

°0 2 4 6 8

° 0 1 234 567

Рис. 3. Измеренная и рассчитанная счётная концентрация для фракции 0.3-

0.4 мкм

б) С использованием предложенной модели (3) по ограниченному числу точек наблюдений численно восстановлены поля счётных концентраций различных фракций аэрозольных примесей. Для данного размещения системы точек пробоотбора характерное значение $3 задавалось для дневных условий [2]. Результаты моделирования представлены на рис. 3.

Анализ процессов распространения примеси и численное исследование данных натурных наблюдений позволили выявить существование достаточно простых и устойчивых закономерностей аэрозольного загрязнения приземного слоя воздуха площадным источником. Для близких состояний пыления поверхности озера и режима турбулентного обмена в приземном слое атмосферы, полученные оценки параметров дают возможность также проводить численное описание процессов распространения аэрозоля в окрестности озера при произвольном направлении ветра.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 16.4, ИП СО РАН №

84.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1.Бютнер, Э.К. Динамика приповерхностного слоя воздуха / Э.К. Бютнер. -Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 159 с.

2.Берлянд, М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы / М.Е. Берлянд. - Д.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.

Yaroslavtseva T. V., Raputa V.F.

ESTIMATION OF ATMOSPHERIC TRANSFER OF AEROSOL

ADMIXTURE FROM COARSE SOURCE

To describe the processes of aerosol dusting from coarse source a model is developed, which is based on analytical solutions of a semiempirical equation of turbulent diffusion. The model is approved on observational data in the vicinity of Saltpeter lake in Altai region.

Key words: numerical modeling, aerosol dusting, coarse source.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------

Рапута Владимир Федотович - доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, E-mail: raputa@sscc.ru Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН,

Ярославцева Татьяна Владимировна - кандидат технических наук, младший научный сотрудник, тел. (383) 330-61-51