CC BY
15
УДК 551.511.42.001.572(571.14)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СПУТНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ О ТРАЕКТОРИЯХ ДЫМОВЫХ ФАКЕЛОВ ДЛЯ РАСЧЕТА ПОЛЕЙ ВЕТРА
Анатолий Александрович Леженин
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-50, e-mail: lezhenin@ommfao.sscc.ru
Татьяна Владимировна Ярославцева
Новосибирский НИИ гигиены Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пархоменко, 7, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: tani-ta@list.ru
Владимир Федотович Рапута
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Предложен метод восстановления полей ветра в нижней атмосфере, основанный на использовании спутниковых наблюдений дымовых факелов от разновысоких труб промышленных предприятий. В качестве базовых соотношений привлекаются уравнения экманов-ского пограничного слоя. На примере г. Омска приведены результаты расчета вертикальных профилей компонентов скорости ветра и коэффициента турбулентного обмена. Обсуждаются возможности предлагаемого подхода для анализа процессов загрязнения атмосферы города.
Ключевые слова: атмосфера, дымовой факел, спутниковые наблюдения, обратная задача, численное моделирование.
USE OF SATELLITE INFORMATION ON TRAJECTORIES OF THE PLUMES OF SMOKE FOR THE CALCULATION OF WIND FIELDS
Anatoly A. Lezhenin
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Akad. Lavrentjeva, 6, senior researcher, tel. (383)330-64-50, e-mail: lezhenin@ommfao.sscc.ru
Tatyana V. Yaroslavtseva
FBSI «Novosibirsk scientific research institute of hygiene» of Rospotrebnadzor, 630108, Russia, Novosibirsk, Parhomenko, 7, senior researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: tani-ta@list.ru
Vladimir F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Akad. Lavrentjeva, 6, chief researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
A method to calculate the wind fields in the low atmosphere based on the use of satellite images of smoke plumes from the chimneys of industrial plants various heights is proposed. The model is based on Ekman layer equations. The results of calculations of the vertical profiles of wind velocity components and the coefficient of the turbulent exchange are given for the city of Omsk, an example. Some possibilities of using approach to analyze the processes of pollution of urban atmosphere are discussed.
Key words: atmosphere, plumes of smoke, satellite images, inverse problem, numerical modeling.
Введение. На космических снимках прослеживаются дымовые загрязнения атмосферы на территориях городов и промышленных площадок [1]. Они отчётливо фиксируются по тону и рисунку изображения. Направления траекторий дымовых факелов совпадают с направлениями ветра на высотах выбросов. Данные о миграции и размерах дымовых загрязнений промышленного происхождения, полученные наземными методами, весьма ограничены. Космические изображения позволяют оперативно получать обширную картину распространения шлейфов дыма. Факела от крупных ТЭЦ визуализируются на расстояниях до нескольких десятков километров. При этом видимая ширина дымовых шлейфов может варьироваться в достаточно широких пределах [1].
В работе [2] с использованием методов математического моделирования проводится анализ спутниковых снимков факелов от продувок газовых скважин на газоконденсатных месторождениях. Непосредственный контроль полноты сгорания углеводородов весьма затруднителен, поскольку факел создает высокую температуру и имеет большую протяженность, его выбросы представляют значительную опасность здоровью населения. На основе решения обратной задачи подгонки к наблюдениям расчетной формы и оптической плотности шлейфа оценивались текущие параметры атмосферы и источника эмиссии.
Объекты и материалы исследования. Материалами исследований служили зимние спутниковые снимки территории г. Омска. На них хорошо просматриваются траектории дымовых выбросов от труб ТЭЦ и промышленных предприятий. Высота источников варьируется в широких пределах: от нескольких десятков до сотен метров.
На рис. 1 приведен снимок г. Омска с ИСЗ «Landsat-8» за 3 января 2015 г., предоставленный Сибирским центром ФГБУ «Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии «ПЛАНЕТА» (http://www.rcpod.ru). Анализ снимка показывает, что направления выносов примеси от разновысоких источников существенно различаются. Для сравнительно невысоких источников, например, предприятие «Техуглерод», вынос примеси происходит в северовосточном направлении. Дымовые шлейфы от труб ТЭЦ-2 и ТЭЦ-5, имеющих высоты 265 м и 275 м соответственно, сносятся практически в восточном направлении. Следует также отметить, что в данных метеорологических условиях эффективная высота подъема газоаэрозольной примеси, выбрасываемой из этих труб, может превышать 400-500 м. Это означает, что дымовые струи находятся в верхней части зимнего пограничного слоя атмосферы. Как известно [3, 4], на таких высотах происходит правый поворот ветра, что и подтверждается космическим изображением на рис. 1. Относительно направления приземного ветра угол поворота дымовых факелов от труб ТЭЦ-2 и ТЭЦ-5 примерно составляет 35 градусов.
73"20'0"е. д. 73'40-0-в. д.
Рис. 1. Спутниковый снимок г. Омска от 3 января 2015 г. на 12 часов местного времени с ИСЗ (03.01.2015 г.)
Для анализа состояния атмосферы в течение 3 января 2015 г. использованы результаты измерений, полученные на аэрологической станции г. Омска. Станция расположена на высоте 90 м. над уровнем моря. В табл. 1, 2 представлены распределения по высоте основных метеорологических величин на рассматриваемый день: давления, температуры, направления и скорости ветра в 6 и 18 часов местного времени. Метеорологические условия в рассматриваемый период времени характеризуется низкими температурами у поверхности земли, наличием инверсии и слабыми приземными ветрами. Из табл. 1, 2 следует, что в течение дня в пограничном слое атмосферы наблюдались резкие изменения направления ветра.
Таблица 1
Метеорологические параметры в нижней атмосфере по данным аэрологической станции г. Омска на 06 часов местного времени 3 января 2015 г.
Высота над уровнем Давление, hPa Tемпература, град Направление Скорость ветра,
моря, м С ветра, град м^
90 1007 -30,7 270 1
137 1000 -27,1 270 2
536 947 -20,7 280 6
710 925 -20,5 285 7
Таблица 2
Метеорологические параметры в нижней атмосфере по данным аэрологической станции г. Омска на 18 часов местного времени 3 января 2015 г.
Высота над уровнем Давление, hPa Температура, Направление Скорость ветра,
моря, м град. С ветра, град. м/с
90 1007 -26,5 135 3
171 1000 -24,1 180 3
215 994 -22,8 195 4
267 987 -21,3 204 5
426 966 -19,7 230 6
574 947 -18,3 237 7
749 925 -17,9 245 7
Модель оценивания вертикального профиля ветра. Аналитическое решение уравнений экмановского пограничного слоя имеет следующий вид [3]
Щг,в) = С8^-е-9' соз(0*) _ , У{2,в) = С^евг (1)
Здесь и , V - горизонтальные компоненты скорости ветра в направлении осей х, у соответственно, ось г направлена вертикально вверх, Сё - скорость геострофического ветра, О = у]/к 5 со2 - параметр Кориолиса, к - коэффициент вертикального турбулентного обмена.
Из соотношений (1) вытекает, что угол сс между вектором геострофического ветра и вектором ветра на высоте к определяется из следующего выражения
У(И) _ е-9кът(6И)
и(И)~ \-е~вксоъ(6 И)' (2)
Соотношение (2) позволяет оценить путём решения обратной задачи агрегированный параметр 0 как по измерениям компонентов скорости ветра на высоте Ь , также и по измеренному значению угла ос. Подставляя оценку параметра 0 в уравнения (1), можно восстановить профили скорости ветра во всём пограничном слое.
Результаты и обсуждения. Для тестирования модели оценивания компонентов скорости ветра в пограничном слое атмосферы были использованы данные ветрового зондирования в г. Лейпциг [4]. Лейпцигский профиль ветра был получен для достаточно большого временного периода осреднения с привлечением шаропилотных наблюдений. На рис. 2а приведены результаты восстановления компонентов скорости ветра по модели (1), (2). Оценивание параметра О проводилось по компонентам скорости ветра на высоте к =400 м. Анализ рис.2а показывает вполне удовлетворительное согласие измеренных и восстановленных составляющих скоростей ветра.
tg(a)
Рис. 2. Восстановленные с помощью модели (1), (2) компоненты скорости ветра с использований данных лейпцигского эксперимента (а) и измерению угла на спутниковом снимке (б). •, ▲ - обозначены измерения на различных высотах компонентов скорости ветра и , V соответственно
На рис. 2б представлены результаты восстановления и , V при скорости геострофического ветра Сё = 7 м/с и угле ос = 35° , измеренным между направлениями переноса дымовых факелов ТЭЦ-5 и источников промпредприя-тия «Техуглерод».
Заключение. На основе уравнений экмановского пограничного слоя разработана модель оценивания полей ветра и коэффициента турбулентного обмена. Тестирование модели выполнено на данных аэрологического зондирования в районе г. Лейпциг. Ее дальнейшая апробация проведена на данных спутниковых наблюдений дымовых факелов от высотных труб ТЭЦ г. Омска. Предложенный подход может быть использован для анализа процессов загрязнения атмосферы города и его окрестностей.
Работа выполнена при поддержке Программы РАН 18.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кондратьев К.Я., Григорьев Ал.А., Покровский О.М., Шалина Е.В. Космическое дистанционное зондирование атмосферного аэрозоля. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 216 с.
2. Балтер Б.М., Балтер Д.Б., Егоров В.В., Стальная М.В. Использование данных ИСЗ Landsat для определения концентрации загрязнителей в шлейфах от продувки газовых скважин на основании модели источника // Исследование Земли из космоса. 2014. № 2. С. 55-66.
3. Динамическая метеорология / Под ред. Д.Л. Лайхмана. Л: Гидрометеоиздат, 1976. 608 с.
4. Браун Р.А. Аналитические методы моделирования планетарного пограничного слоя. Л: Гидрометеоиздат, 1978. 151 с.
© А. А. Леженин, Т. В. Ярославцева, В. Ф. Рапута, 2016
