CC BY
9
УДК 519.6:551.588.74
РАЗВИТИЕ КОНЦЕПЦИИ ПРИРОДООХРАННОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО АНАЛИЗА И ПРОГНОЗА КРИТИЧЕСКИХ СИТУАЦИЙ В ГОРОДСКИХ АГЛОМЕРАЦИЯХ
Владимир Викторович Пененко
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией, тел. (383)330-61-52, e-mail: penenko@sscc.ru
Обсуждается методика, основанная на вариационном подходе, для оперативных оценок и прогнозирования последствий критических ситуаций, обусловленных воздействиями природных и техногенных факторов, влияющих на динамические процессы и качество атмосферы в городах и индустриальных регионах.
Ключевые слова: методы природоохранного прогнозирования и проектирования, математическое моделирование, вариационные методы, оценка экологических перспектив и рисков, городские агломерации.
DEVELOPMENT OF THE CONCEPT OF ENVIRONMENTAL FORECASTING FOR OPERATIONAL ANALYSIS AND FORECAST OF CRITICAL SITUATIONS IN URBAN AGGLOMERATIONS
Vladimir V. Penenko
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Professor, Head of laboratory, tel. (383)330-61-52, e-mail: penenko@sscc.ru
A methodology based on the variational approach is discussed. It is designed for rapid assessment and prediction of the consequences of critical situations caused by the effects of natural and man-made factors affecting dynamic processes and the quality of the atmosphere in cities and industrial regions.
Key words: methods of environmental forecasting and design, mathematical modeling, variational methods, assessment of ecological perspectives and risks, urban agglomerations.
Оперативные измерения объема и состава выбросов примесей непосредственно на их источниках могут дать наиболее достоверную первичную информацию для контроля загрязнения атмосферы. Эта информация и данные наблюдений с систем мониторинга на территориях требуются для обеспечения качества окружающей среды, необходимого для нормальных условий жизни и здоровья людей. В действительности, создание систем непосредственного контроля выбросов примесей даже в минимально необходимых конфигурациях, пока не включается в перспективные планы организации природоохранных стратегий на всех уровнях.
Тем не менее иметь такую информацию особенно важно в критических ситуациях типа катастроф, возникающих при различных вариантах природных и техногенных воздействий. Подобные проблемы с оценкой загрязнений имеются и в природоохранном проектировании, когда требуется учитывать влия-
ние не только действующих объектов, но и потенциально возможных в будущем, например, проектируемых новых предприятий и высоконагруженных транспортных магистралей.
В связи с возрастающей нагрузкой на окружающую среду, в последнее время возникла настоятельная необходимость более конкретно обратиться к экологическим проблемам городских агломераций, где проживает большая часть населения. В статье изложены основные положения одного из проектов, направленных на решение подобных проблем. Мы планируем на современном уровне рассмотреть проблемы города Красноярска и окружающего его промышленного региона.
Для этих целей предстоит разработка и адаптация математического аппарата для решения прикладных задач для городских территорий на базе совместного использования математических моделей динамики атмосферы и моделей переноса и трансформации загрязняющих примесей, а также доступных данных наблюдений. Речь идет не о рутинном прогнозировании погоды, которое обеспечивается учреждениями Гидрометслужбы, а о тех нестандартных ситуациях, которые возникают в г. Красноярске и окружающем индустриальном регионе и требуют разработки дополнительных моделей, алгоритмов и методов, а также их привязки к конкретным пространственно-временным условиям. Предполагается сфокусироваться на усовершенствовании методов и алгоритмов для расчетов "химической" погоды. В частности, планируется изучить вопрос о появлении неблагоприятных условий в Красноярске (ситуаций «черного неба») в зависимости от климатических, метеорологических и техногенных условий.
Основу наших исследований по природоохранному направлению составляют теория и приложения, разрабатываемые в ИВМиМГ СО РАН. Это научное направление инициировано Г. И. Марчуком [1, 2] и развивается его учениками и последователями [3-8]. Обширный обзор мировых современных систем мезометеорологии и моделей переноса примесей имеется в [9]. Наша концепция природоохранного прогнозирования и проектирования, основанная на вариационном подходе [3, 7, 8], предназначена для решения широкого круга взаимосвязанных задач окружающей среды и климата на базе моделей динамики атмосферы, модели переноса и трансформации загрязняющих примесей. Примеры решения типичных задач этого класса даны в [4, 6].
В частности, в рамках развиваемой концепции возможно решение следующих прикладных задач для условий Красноярска:
• моделирование мезоклиматов в условиях сложного рельефа и климато-экологических факторов (один из главных - незамерзающая полынья ниже ГЭС на реке Енисей зимой и холодная река летом);
• моделирование процессов переноса и трансформации многокомпонентных примесей в газовом и аэрозольном состояниях;
• оценка возможности появления вторичных токсичных продуктов трансформации первичных выбросов в различных метеорологических ситуациях;
• районирование рассматриваемых территорий по уровням опасности антропогенных воздействий;
• усвоение данных наблюдений о концентрациях примесей и решение обратных задач по идентификации параметров источников загрязнений;
• моделирование ситуаций в экстремальных условиях при ограниченном наборе информации в режиме оперативного усвоения данных.
В городских условиях требуется также детальное описание процессов в приземном слое (20-50 м по вертикали). В нем осуществляется основная жизнедеятельность населения, но это лишь небольшая часть атмосферы. Все процессы здесь - это следствие того, что происходит в системе «атмосфера - вода - почва». Для решения задач качества атмосферы требуется рассматривать пограничный слой атмосферы, по меньшей мере, до высот 1,5-3 км в условиях города и переменного рельефа.
Методы исследования. Основной метод исследования - математическое моделирование на адаптированных к условиям конкретных объектов численных моделях с использованием доступных данных наблюдений.
Для проведения исследований и решения практических задач мы используем вариационный подход в формулировках со строгими и слабыми ограничениями, который объединяет все элементы технологии математического моделирования. Перечислим базовые объекты, включаемые в формулировку вариационного принципа. Это целевые критерии прогнозирования и проектирования; модели процессов; данные и модели наблюдений; априорная информация обо всех искомых элементах системы моделирования; функциональные ограничения на качество окружающей среды и санитарно-экологические стандарты качества жизни и здоровья населения агломераций.
Требования согласованности являются важнейшим фактором для работы с процессами разных масштабов и разной природы, особенно в условиях неопределенности, как в моделях, так и в данных наблюдений. Такое согласование с количественной оценкой неопределенностей как раз может обеспечить вариационный принцип со слабыми ограничениями [5, 7].
Для решения городских проблем требуются математические модели, описывающие гидродинамику атмосферы во взаимодействии с термически и динамически неоднородной поверхностью Земли; гидрологический цикл трансформации влаги в атмосфере и почве; перенос излучения в системе атмосфера -подстилающая поверхность; перенос и трансформацию различных субстанций в газовом и аэрозольном состояниях в атмосфере.
Ожидаемые результаты. Необходимо адаптировать разрабатываемые в ИВМиМГ модели и алгоритмы к условиям Красноярска для решения перечисленных выше задач.
С их помощью предполагается выполнить сценарные расчеты по воспроизведению конкретных ситуаций. Планируется также выполнить исследования по выявлению условий возникновения экологически неблагоприятных ситуаций с температурными инверсиями и специфическими проявлениями загрязнений атмосферы типа «черного неба». Предстоит также оценить пространствен-
но-временные масштабы их влияния на режимы переноса и трансформации примесей в газовом и аэрозольном состояниях с учетом процессов трансформации компонентов гидрологического цикла в атмосфере. В этом направлении уже получены предварительные результаты.
На основе оперативных данных мониторинга (безусловно, при их наличии) и математических моделей, возможно получение оценок концентрации примесей в регионе за пределами постов измерений, построение сценарных прогнозов качества воздуха, сценариев регулирования работы источников, определение расположения и мощностей неизвестных источников выбросов по имеющимся данным о концентрациях и т. д. Многие из этих задач формулируются как обратные задачи, что требует разработки специальных алгоритмов.
Необходимо понимать, что при текущем состоянии системы наблюдений в Красноярске трудно рассчитывать на качественное решение нестандартных (в том числе обратных) задач математического моделирования, которые требуют значительного объема данных наблюдений. Тем не менее, мы считаем, что нужно приступать к разработке необходимых технологий моделирования и нарабатывать опыт. Нужно также развивать теорию и создавать соответствующие алгоритмы, чтобы быть готовыми, когда впоследствии появятся возможности, например, достаточное количество стационарных постов, передвижных систем наблюдений и автоматизированные датчики на основных источниках выбросов, оперативно управлять качеством атмосферы в городе.
Работа выполняется при поддержке Программ фундаментальных исследований Президиума РАН 1.33П, П.2П.3 и гранта РФФИ № 17-01-00137-a.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Марчук Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. - М. : Наука, 1982. - 319 c.
2. Марчук Г. И. Сопряженные уравнения и анализ сложных систем. - М. : Наука, 1992. - 334 c.
3. Пененко В. В. Методы численного моделирования атмосферных процессов. - Л. : Гидрометеоиздат, 1981. - 352 с.
4. Пененко В. В., Алоян А. Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. - Новосибирск : Наука, 1985. - 286 с.
5. Пененко В. В. О концепции природоохранного прогнозирования // Оптика атмосферы и океана. - 2010. - Т. 23, № 6. - С. 432-438.
6. Пененко В. В., Алоян А. Е. Математические модели взаимосвязей между термодинамическими и химическими процессами в атмосфере промышленных регионов // Известия АН. Физика атмосферы и океана. - 1995. - Т. 31, № 3. - С. 372-384.
7. Пененко В. В., Цветова Е. А. Оптимальное прогнозирование природных процессов с оценкой неопределенности // ПМТФ. - 2009. - № 2. - С. 156-166.
8. Пененко В. В., Цветова Е. А., Пененко А. В. Развитие вариационного подхода для прямых и обратных задач гидротермодинамики и химии атмосферы // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 2015. - Т. 51, № 3. - С. 358-367.
9. Baklanov A., Mahura A., Sokhi R. S. (Eds.) Integrated systems of Meso-Meteorological and Chemical Transport Models. - Heidelberg, Springer, 2011. - 242 p.
© В. В. Пененко, 2017
