CC BY
77
УДК 519.6:551.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ПАССИВНОЙ ПРИМЕСИ В АТМОСФЕРЕ ПРИБАЙКАЛЬЯ НА ОСНОВЕ СЦЕНАРНОГО ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Эльза Андреевна Пьянова
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Лаврентьева, 6, кандидат физико-математический наук, младший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Представлены некоторые результаты численного моделирования переноса примеси в Байкальском регионе. Показано влияние температурной стратификации атмосферы на распространение загрязнений в направлении акватории Байкала при северо-западном ветре.
Ключевые слова: гидротермодинамика и качество атмосферы, математическое моделирование атмосферных процессов, природоохранное прогнозирование.
STUDY OF PASSIVE POLLUTANTS TRANSPORT IN THE ATMOSPHERE OF CISBAIKALIA BASED ON SCENARIO NUMERICAL MODELLING
Elza A. Pyanova
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 prospect Akademika Lavrentjeva, Ph. D., e-mail: [email protected]
Some results of numerical modeling of pollutant transport in the Baikal region are presented. The effect of temperature stratification of the atmosphere on the pollutants spreading in the direction of Lake Baikal by the north-west wind is shown.
Key words: atmospheric dynamics, air quality, mathematical modeling of atmospheric processes, environmental prediction.
В Байкальском регионе, особенно в Иркутской области, располагается большое количество промышленных объектов. И, несмотря на то, что наиболее крупные располагаются более чем в 60км от побережья Байкала, есть вероятность, что загрязняющие выбросы от этих объектов могут достигать байкальской акватории [1, 2]. Способствовать этому могут северо-западные ветры, которые, наряду с юго-восточным направлением, являются преобладающими, а также тот факт, что многие выбросы загрязняющих веществ производятся из труб большой высоты, что также способствует дальнему рассеиванию веществ. Еще один фактор, влияющий на дальность переноса и интенсивность рассеивания, это состояние турбулентного перемешивания в атмосфере, которое напрямую зависит от распределения температуры по высоте.
В связи с этим для изучения влияния этих факторов на процессы переноса примеси от наиболее близких к байкальской акватории источников Иркутского промышленного комплекса, в работе рассмотрены результаты расчетов нескольких сценариев моделирования при северо-западном набегающем потоке и различной температурной стратификации. Представленные ниже результаты численного моделирования являются продолжением исследований по оценке
качества атмосферы Байкальского региона, поддержанных ранее Интеграционным проектом №8 СО РАН «Оценка влияния промышленных источников Прибайкалья на качество атмосферы над акваторией Байкала».
В этой работе ограничимся рассмотрением нескольких сценариев только для летнего периода, а именно для характерных ситуаций июля. Численные исследования процессов переноса осуществлялись на основе модели турбулентного переноса пассивной примеси над сложной орографией [3]. Значения метеорологических величин несущей среды, как входных данных для модели переноса примеси, рассчитывались по модели динами атмосферы[3,4], которая также адаптирована к условиям сложного рельефа Байкальского региона. По этой модели рассчитывался суточный ход метеорологических элементов, соответствующий типичным ситуациям для июля. В качестве заслуживающих внимания метеорологических сценариев был выбран эксперимент с устойчивой температурной стратификацией для нижних слоев атмосферы, и эксперимент с нейтральной стратификацией. В каждом случае для верхних слоев задавалась стратификация близкая к безразличной. Данные о средних характеристиках для температуры, влажности и других метеопараметров, на основе которых моделировалось их суточное изменение, были взяты из климатических справочников.
Моделировались атмосферные процессы над областью 666х710 км2, охватывающей озеро Байкал и части территорий Иркутской области, Республики Бурятия и Забайкальского края. Высота расчетной области 6 км. Моделирование для такой значительной территории велось с тем расчетом, чтобы более точно описать ветровые процессы в районе Байкала. Если вести расчеты над меньшей территорией, то можно недоучесть процессы формирования горных ветров в районе высоких хребтов, окаймляющих Байкал и влияющих на ветровые поля региона в целом, и тем самым получить неверные картины распределения метеорологических величин в Южном Прибайкалье.
Численные расчеты проводились на сетке 667х711х50 узлов с шагами сетки по горизонтали Ах = Ду = 1 км, по вертикали Дz = 100-200 м. Источники выбросов задавались точечными, мощность каждого источника составляла 1 условную единицу за единицу времени А1 = 60 с. Ниже рассмотрены распределения полей концентрации пассивной примеси от условных источников выбросов, расположенных в Иркутске, Шелехове и Байкальске. Во всех численных экспериментах на верхней границе расчетной области задавался фоновый набегающий поток северо-западного направления 4м/с. На всех рисунках изображены изолинии функции рельефа моделируемой области, а также поле ветра и изолинии распределения концентраций примесей на высоте 100м над поверхностью. Внешняя изолиния для каждого источника соответствует значению 0.1 условной единицы, внутренняя - 100 условным единицам.
На рис. 1 представлены результаты расчетов на момент 8 ч утра местного времени, соответствующие сценарию с устойчивой стратификацией для нижних слоев атмосферы. На рисунке можно увидеть заметное отклонение шлейфов от северо-западного направления. Это можно объяснить тем, что сформировавшийся в ночные часы горный ветер с Передового хребта взаимодействует с северо-западным фоновым потоком и сносит примесь восточнее. В более поздние
утренние часы (рис. 2а), как показывают расчеты для этого же сценария, загрязнения переносятся в направлении Байкала вдоль Ангары. В утренние часы хорошо выражены струйные течения, формирование которых характерно при устойчивой стратификации атмосферы. Этот факт также обсуждается в [2]. К полудню и позже (рис. 3 а) при прогреве подстилающей поверхности начинает развиваться турбулентное перемешивание нижних слоев, которое заметно усиливает рассеяние примеси в верхние слои и ослабляет перенос в сторону акватории Байкала. В вечерние и ночные часы при остывании поверхности опять большую роль начинают играть ветровые потоки со стороны горных хребтов (рис. 4а), расположенных на юго-западе области моделирования.
— 10 m/sec X. km
Рис. 1. Устойчивая стратификация. 8 часов утра
Результаты расчетов аналогичного эксперимента, но при нейтральной температурной стратификации в нижних слоях, показали, что для такого сценария характерно более раннее развитие турбулентного перемешивания (рис. 2б-4б) с выносом загрязнения в верхние слои и ослаблением переноса на акваторию Байкала. Влияние различий в задании фоновой стратификации температуры сказалось и на формировании ветровых потоков над всей акваторией. В первом эксперименте над Байкалом наблюдалась устойчивая трансформация северозападного фонового ветра в юго-западный поток над большей его территорией в течение всех моделируемых суток. В сценарии с нейтральной фоновой стратификацией над Байкалом формируются в основном потоки северо-западного и западного направления.
Рис. 2. Фрагмент области моделирования: а) устойчивая стратификация; б) - нейтральная. 10 часов местного времени
О 200 400 0 200 400
— 10 пЛес — 10 ш/яес
Рис. 3. То же самое, что и на рис. 2, но для12 часов местного времени
Полученное в расчетах поведение можно объяснить тем, что при нейтральной стратификации атмосферы, ветровые потоки, формирующиеся над Хамар-Дабаном и дующие с юго-запада, взаимодействуя над Байкалом с северо-западным фоновым потоком, разрушаются быстрее, чем при устойчивой стратификации, которая способствует формированию устойчивых струйных течений. Отсутствие устойчивого ветрового потока со стороны Хамар-Дабана при задании нейтральной стратификации хорошо прослеживается по поведению шлейфа от условного источника в Байкальске, расположенного на южном побережье Байкала (рис. 2б-4б).
Как показал анализ результатов сценарных расчетов, при северо-западном ветре устойчивая стратификация нижних слоев атмосферы для территории Южного Прибайкалья является неблагоприятным фактором, способствующим дальнему переносу примеси с возможностью достичь акватории Байкала. Эти
выводы согласуются с результатами наблюдений и численных экспериментов, сделанных другими исследователями [2]. Поскольку для Байкальского региона не только в летний, но особенно и в зимний период, характерны метеорологические ситуации, когда нижние атмосферные слои устойчиво стратифицированы, в том числе с инверсиями, то число неблагоприятных случаев по загрязнению Байкала сильно возрастает. Таким образом, вопрос о более детальном изучении условий, при которых вероятен перенос загрязнений на акваторию Байкала, остается актуальным [5].
Рис. 4. То же самое, что и на рис.2, но для 20 часов местного времени
Работа выполняется при поддержке Программы фундаментальных исследований № 43 Президиума РАН, проекта РФФИ № 14-01-00125-a. Расчеты выполнены на ССКЦ СО РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Pyanova E. A., Penenko V. V., Faleychik L. M. Simulation of atmospheric dynamics and air quality in the Baikal region // Proc. SPIE 9292, 20th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 929247 (November 25, 2014) [Electronic resource]. -Англ. - Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1117/12.2074998.
2. Особенности пространственного распространения диоксида серы в Прибайкалье по данным маршрутных измерений и численных экспериментов / В. А. Оболкин, В. Л. Потемкин, В. Л. Макухин, Е. В. Чипанина, И. И. Маринайте // Метеорология и гидрология. - 2014.
- №12. - С. 35-41.
3. Пьянова Э. А., Фалейчик Л. М. Информационно-вычислительная технология для сценарных оценок динамики и качества атмосферы // Вычислительные технологии. -2012. -Т. 17. - № 1. - C. 109-119.
4. Пьянова Э. А. Исследование трансформации воздушного потока над термически и орографически неоднородной подстилающей поверхностью // Вычислительные технологии.
- 2005. - Т. 10. - № S3. - С. 106-111.
5. Пененко В. В. О концепции природоохранного прогнозирования // Оптика атмосферы и океана. - 2010. - Т. 23. - № 6. - С. 432-438
© Э. А. Пьянова, 2015
