Климатологический анализ характеристик рассеяния примесей с использованием численных моделей применительно к Северо-Западному региону России тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, кандидат географических наук Липовицкая, Ирина Николаевна

• Липовицкая, Ирина Николаевна
• кандидат географических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат географических наук Липовицкая, Ирина Николаевна

СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1.1 Общая характеристика Северо-Западного региона России.

1.1.1 Физико-географическое положение.

1.1.2 Особенность климата.

1.1.3 Источники и общая характеристика загрязнения атмосферы.

1.1.4 Потенциальный риск радиоактивного загрязнения СевероЗападного региона России.

1.2 Роль метеорологических факторов в переносе и рассеивании примесей в атмосфере.

1.3 Количественные показатели рассеивающих способностей атмосферы.

1.3.1 Общая информация о потенциале загрязнения атмосферы.

1.3.2 Методика определения климатического потенциала загрязнения атмосферы.

1.3.3 Общие понятия о неблагоприятных метеорологических условиях.

1А Характеристики условий рассеяния примеси применительно к атомной энергетике.

1.5 Проблема информационного обеспечения климатологического анализа.

2 МЕТОД РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК РАССЕИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ АТМОСФЕРЫ НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ.

2.1 Постановка вопроса.

2.2 Исходные уравнения.

2.3 Модель суточных колебаний.

2.4 Краевые условия.

2.5 Метод расчета функции тренда температуры.

2.6 Расчет категории устойчивости атмосферы по данным стандартных гидрометеорологических измерений и его верификация.

2.7 Верификация модели АПС применительно к расчету характеристик рассеяния примесей.

3 КЛИМАТОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ.

3.1 Комплектация архива исходных данных.

3.1.1 База данных метеорологических наблюдений по Северозападному региону России.

3.1.2 Данные реанализа атмосферных процессов.

3.2 Общий статистический анализ результатов расчета климатических характеристик.

3.2.1 Характеристики инверсий температуры воздуха.

3.2.2 Категории устойчивости.

3.3 Пространственный анализ.

3.3.1 Климатические карты характеристик рассеивающей способности атмосферы СЗР.

3.3.2 Характеристики инверсий температуры.

3.3.3 Пространственные характеристики ПЗА и индексов НМУ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Климатологический анализ характеристик рассеяния примесей с использованием численных моделей применительно к Северо-Западному региону России»

Актуальность работы. Северо-Западный регион (СЗР) России сформировался за последние десятилетия как крупная промышленно развитая территория, в которой сосредоточены как промышленные предприятия и объекты энергетики (в том числе ядерной), так и объекты транспортной инфраструктуры. Можно ожидать, что строительство и реконструкция портовых сооружений в Финском заливе в ближайшие годы (Санкт-Петербург, Приморск, Усть-Луга) приведет к значительному увеличению транспортных потоков.

Все это вместе делает СЗР чрезвычайно перспективным в плане размещения новых промышленных предприятий, а значит и росту и перераспределению по территории региона антропогенной нагрузки на окружающую среду, в том числе и источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Перспективное планирование такого рода размещения требует помимо всего прочего также и оценку рассеивающих способностей атмосферы.

Между тем, ранее интенсивно проводимые полевые исследования в этом направлении (например [1]) в последние десятилетия в связи с экономическими проблемами оказались практически свернутыми, причем даже при условии их повторного интенсивного развития, на получение необходимой по количеству и качеству информации потребуются не одно десятилетие.

Вышеизложенное приводит к необходимости поиска способов получения достоверных оценок рассеивающих свойств атмосферы на основании косвенной, но единственно доступной на настоящий момент информации - стандартных метеорологических наблюдений и аэросиноптических данных, что оказывается возможным с использованием методов математического моделирования.

Таким образом, основными целями диссертационного исследования являются:

• обобщение современных представлений о физических механизмах переноса и рассеивания примесей в атмосферы и формулировка требований к количеству и качеству информации об атмосфере, необходимой для их расчета;

• анализ доступных информационных ресурсов для решения задачи климатологического исследования необходимых параметров рассеивания в атмосфере в СЗР;

• проведение комплекса расчетов всех необходимых параметров, статистический анализ результатов и построение, в итоге, набора климатических карт этих параметров для всей территории СЗР.

Для достижения поставленных целей в диссертационной работе были сформулированы следующие задачи:

• определить перечень параметров, характеризующих рассеивающие способности атмосферы исходя из сложившейся практики принятия управленческих решений в области природопользования;

• адаптировать разработанную ранее численную модель атмосферного пограничного слоя (АПС) к расчету характеристик рассеивания и осуществить ее верификацию применительно к СЗР;

• сформировать архивы исходных данных для расчета в достаточном для статистического и пространственного анализа количестве;

• провести комплекс расчетов и построить климатические карты параметров, определяющих рассеивающие способности атмосферы СЗР.

Научная новизна состоит в том, что впервые на основе единственно доступной для массовых расчетов информации с использованием численной модели АПС проведен комплексный статистический анализ и построены климатические карты основных параметров, характеризующих рассеивающие способности атмосферы.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Метод расчета характеристик рассеивающей способности атмосферы на основании стандартной метеорологической и аэросиноптической информации, а также результаты его верификации применительно к Северо-Западному региону РФ.

2. Результаты статистического анализа временной изменчивости характеристик рассеивающей способности атмосферы на различных территориях СЗР.

3. Климатические карты характеристик рассеивающей способности атмосферы для всего Северо-Западного региона РФ.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются результатами верификации модели АПС применительно с СЗР, строгой математической постановкой задачи о численном моделировании АПС, а также статистической обеспеченностью рассчитанных на основе архивов стандартной гидрометеорологической информации статистических характеристик рассеивающей способности атмосферы.

Теоретическая и практическая ценность диссертации состоит в разработке оригинальных методов, позволяющих лишь на основе стандартной гидрометеорологической информации рассчитывать характеристики рассеивающих способностей атмосферы и, в итоге, построении климатических карт такого рода характеристик применительно к интенсивно развивающемуся в промышленном отношении региона, которые могут найти применение при размещении новых промышленных производств, объектов традиционной и ядерной энергетики и элементов транспортной инфраструктуры.

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Липовицкая, Ирина Николаевна

В заключение сформулируем кратко основные выводы из проделанной работы.

1. Исходя из сложившейся практики принятия управленческих решений в области природопользования, составлен перечень параметров, характеризующих рассеивающие способности атмосферы.

2. Показано, что для расчета наиболее важных из них, таких как параметры приземной и приподнятой инверсии, высоты слоя перемешивания и категории устойчивости Пэскуилла-Гиффорда, требуются сведения о вертикальной структуре температуры до высот 500м с высоким пространственным разрешением.

3. Сделан вывод, что для расчета указанных характеристик вертикальной структуры поля температуры требуется либо организация на территории СЗР масштабных многолетних экспериментальных исследований, либо разработка методов восстановления профиля температуры с использованием численной модели АПС на основе доступной стандартной метеоинформации.

4. Осуществлена адаптация разработанной ранее численной модели АПС к расчету характеристик рассеивания на основании архива доступной стандартной гидрометеоинформации применительно к территории СЗР.

5. С использованием имеющихся для территории СЗР фрагментарных данных градиентных наблюдений произведена верификация используемой модели АПС.

6. Сформированы архивы исходных данных стандартных метеорологических и аэросиноптических данных за период 2000

2006 г.г. применительно к расчетам необходимых характеристик рассеивающей способности атмосферы на территории СевероЗападного региона с использованием численной модели АПС.

7. Осуществлен комплекс массовых расчетов, сформированы архивы необходимых параметров в объеме, достаточном для последующего статистического анализа.

8. На основе сформированных архивов расчетных характеристик проведен статистический анализ временной изменчивости и пространственный анализ параметров, определяющих рассеивающие способности атмосферы, применительно ко всей территории Северо-Западного Региона.

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Липовицкая, Ирина Николаевна, 2008 год

1. Берлянд М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат,1975. -448 с.

2. Исаченко А.Г., Дашкевич З.В., Карпаухова Е.В. Физико-географическое районирование Северо-Запада СССР. Л., 1965. - 248 с.

3. Государственный доклад о состоянии окружающей среды Республики Карелии в 2005 году Петрозаводск, 2006. - 64 с.

4. А.Г. Исаченко Экологическая география Северо-Запада России, часть I. — Санкт-Петербург, 1995. 206

5. Берлянд М. Е. Об опасных условиях загрязнения атмосферы промышленными выбросами//Труды ГТО.-1966.-Вып. 254.-С. 15-25.

6. Берлянд М. Е., Генихович Е. Л., Оникул Р. И. О расчете загрязнения атмосферы выбросами из дымовых труб электростанций//Труды ГГО.— 1964.-Вып. 158.-С. 3-21.

7. Оникул Р. И. Методика расчета загрязнения атмосферы выбросами промышленных предприятий и тепловых электростанций.-В кн.: Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометиздат, 1971.-С. 70-81.

8. Берлянд М. Е., Оникул Р. И. К обобщению теории рассеивания промышленных выбросов в атмосферу//Труды ГТО-1971.-Вып. 254.-С. 3-38.

9. Дмитриев М. Т., Соловьева Т. В., Китросский Н. А. О физико-химическом механизме образования озона и фотооксидантов в атмосферном воздухе — Гигиена и санитария, 1971, № 10, с. 10-72.

10. Берлянд М. Е. И др. Численное исследование атмосферной диффузии принормальных и аномальных условиях стратификации/М. Е. Берлянд, Е. Л.

11. Генихович, В. П. Ложкина, Р. И Оникул.-Тр. ГГО, 1964, вып. 158, с. 2232.

12. Шевчук И. А., Веденская Л. И., Володкевич Т. Г. Повторяемость метеорологических условий, способствующих увеличению загрязнения приземного слоя атмосферы в Новосибирске.-Тр. Новосиб. Регион. ГМЦ, 1969, вып. 2.

13. Безуглая Э. Ю. Метеорологический потенциал и климатические особенности загрязнения городов-Л.: Гидрометеоиздат, 1980.- 184 с.

14. Гумбель Э. Статистика экстремальных значений.-М.: Мир, 1965.- 57 с.

15. Экологический атлас России. ЗАО Карта, Москва, 2002.- 128с.

16. Сонькин Л.Р. и др. Синоптические условия формирования периодов высокого загрязнения воздуха в различных районах СССР. Труды ГГО, 1979, вып. 436, с. 49

17. Безуглая Э. Ю., Клинго В. В. Статистический метод оценки влияния метеорологических условий на содержание примесей в атмосфере//Труды ГГО.-1974.-Вып. 314.-С. 81-96.

18. Методические указания: Руководство по прогнозу загрязнения воздуха РД 52.04.306-92.-Л: Гидрометеоиздат, 1992.-20 с.

19. Методические указания по расчету радиационной обстановки в окружающей среде и ожидаемого облучения населения при кратковременных выбросах радиоактивных веществ в атмосферу (технический документ МПА-98), М.: Минатом РФ, 1998.

20. Руководство по установлению допустимых выбросов радиоактивных веществ в атмосферу т.1 (технический документ ДВ-98), Минатом РФ, М.: 1999

21. Учет дисперсионных параметров атмосферы при выборе площадок для атомных станций. Руководство по безопасности.// Серия изданий по безопасности МАГАТЭ №50-SG-S3, Вена, 1982, 105с.

22. Handbook of applied meteorology/Ed. D.D. Houghton, Join Wiley&Sons Inc., 1985, 1461 p.

23. Briggs G.A. Plum rise prediction. Lectures on Air Pollution and Environmental Impact Analysis - Amer.Meteorol.Soc., Boston MA, 1975, p.59-111.

24. Huber A.H. Performance of a Gaussian model for centerline concentrations in the wake of buildings. Atmos. Environ., 1988, vol.22, p.1039-1050.

25. Матвеев JI.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, 751с.

26. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей // Ред. Ф.Т.М.Ньистадт, Х.Ван Доп (перевод с англ.) Л.: Гидрометеоиздат, 1985, 350 с.

27. Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы//Гидрометеоиздат,

28. Л.: Гидрометеоиздат, 1970, 341с.27. . Бин Б.Р., Даттон Е.Дж. Радиометеорология / Пер.с англ./ Под ред. A.A.

29. Семенова. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. -361с

30. C.B. Василенко, A.C. Гаврилов, И.Н, Липовицкая., А. Мханна //Моделирование атмосферного пограничного слоя применительно к проблемам климатологии. : Межвуз.научно-методический сборник — СПб.: Изд. СПбГАСУ, 2006-Вып. 12.

31. Гаврилов A.C., Гутман Л.Н., Лыкосов В.Н. Нестационарная задача о строении пограничного слоя атмосферы с учетом радиационного теплообмена. Труды Зап.-Сиб. РНИГМИ, вып.П, 1974, с.35-48.

32. Экологический программный комплекс для персональных ЭВМ /Под ред. А.С.Гаврилова СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.- 165 с.

33. Гутман JI.H. Введение в нелинейную теорию мезометеорологических процессов. Д.: Гидрометеоиздат, 1969, 293с.

34. Гаврилов A.C. Математическое моделирование мезометеорологических процессов. Д.: ДЛИ, 1988, 96с.

35. Гаврилов A.C., Лайхтман Д.Л. О влиянии радиации на режим приземного слоя атмосферы, Изв. АН СССР, ФАО, т.9, 1973, с.27-33.

36. Вагер Б.Г., Серков Н.К. Сплайны при решении прикладных задач метеорологии и гидрологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, 159с.

37. Вызова Н.Л. Е.К. Гаргер, В.Н. Иванов Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси . — Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-274с.

38. Сидоренко Г. И., Пинигин М.А. Гигиенические критерии максимально допустимой нагрузки. Сб. «Всесторонний анализ окружающей природной среды». Д., Гидрометеоиздат, 1975, с. 119-128.

39. Кобышёва Н. В., Норовлянский Г.Я. Климатологическая обработка метеорологической информации. JI.: Гидрометеоиздат, 1978. -295 с.

40. Певзнер Э. А., Зайцев А. С. Автоматический газоанализатор и некоторые результаты регистрации окиси углерода в атмосферном воздухе. Тр. ГГО, 1971, вып. 254, с. 197-204.

41. Bullock J., Lewis W. H. the influence of traffic on atmospheric pollution. — Atmos. Environ., 1968,vol. 2, N 5,P. 517-534.

42. Безуглая Э.Ю. Особенности загрязнения воздуха городов и роль метеорологических факторов. — В кн.: Проблемы контроля и обеспечения чистоты атмосферы. Д.: Гидрометеоиздат, 1975, с.14-20.

43. Murphy R. P., Ferrari М. Air pollution from motovehicles in Sydney metropolitan area. -Proc. Roy. Austral. Chem. Inst., 1969, vol. 36,N1.

44. Colucci J. M., Begeman C.R. Carbon monoxide in Detroit New York and Los Angeles air. -Environ. Sci. and Techn., 1969, vol. 3, N 1.

45. Лаклэр E. Экономические и социальные аспекты загрязнения атмосферы. В кн.: Загрязнение атмосферного воздуха. Женева, ВОЗ, 1963.

46. Air quality criteria for sulphur oxides. -Washington, D.C.:U.S. Department of Health, Education and Welfare, Jan. 1969, p. 178

47. Schrenk H. H. Air pollution in Donora. Epidemiology of unusual smog episode of October 1948. Public Health Security Agency ,1949.

48. Waller R.E., Commins В. T. Episodes of high pollution in London (19521966). -Report by Nat. Soc. for Clean Air, London, 1966, p.63

49. Holzworth G.C. Estimates of mean maximum mixing depths in the contiguous United States. -Mon. Wea. Rev., 1964, vol.92, N5,p.l7-19.

50. Fensterstoork J. Thanksgiving 1966. Air Pollution episode in the Eastern United States. U.S. Department of Health, Education and Welfare, Consumer Protection and Environmental Health Service, 1968.

51. Wolzworth G.C. Climatological aspects of the composition and pollution of the atmosphere. WMO Techn. Note,N 139, 1974,p. 43.

52. Безуглая Э.Ю. К определению потенциала загрязнения воздуха. —Тр. ГГО, 1968, вып.234, с. 69-79.

53. Bryson A., Kutzbach Е. Air pollution. Assoc. Am. Geograph. Resource Pap., 1968, N2, p. 62.

54. Holzworth G.C. A study of air potential for the Western United States. J. Appl. Met., 1962, vol. 1,N 3.

55. Царев A. M. К вопросу о загрязнении воздуха при туманах. -Тр. ГГО, вып. 352, с. 113-118.

56. Hanna S.R. A simple dispersion model for the analysis of chemically reactive pollutants. -Atmos. Environ., 1973, vol. 7,N 8,p.803-817.

57. Hoagen-Smit A. j., Fox M. M. Ozone formation in photochemical oxidation of organic substances. Ind. Eng. Chem., 1956, vol. 4.

58. ГОСТ 17.21.04.77. Охрана природы. Атмосфера. Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. Основные термины и определения. -М.: Изд-во стандартов, 1978.

59. Безуглая Э.Ю. Использование статистических методов для обработки данных наблюдений за загрязнением воздуха. Тр. ГГО, 1969, вып.238,с. 42 -47.

60. Безуглая Э.Ю. К статистическому определению средних и максимальных значений концентраций примесей. Тр. ГТО, 1971, вып. 254, с. 133- 139.

61. Лайхтман Д.Л. Динамическая метеорология.—Л.: Гидрометеоиздат, 1976.

62. Орленко Л.Р. Строение планетарного пограничного слоя атмосферы-Л.:Гидрометеоиздат, 1979.

63. Гаврилов А.С. Интеллектуальная геоинформационная система // Бюллетень ГИС ассоциации 1998-Вып. 1(13).- С. 58-59.

64. Гаврил ob A.C. ZONE: следующий шаг.-СПб.:Изд. АО «ДЕИТА», 1995.-32 е.—{ Сер. "Библиотека пользователя ЭПК "ZONE").

65. Методика расчета выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях. М.,: 1996. — 22с

66. Гаврилов A.C., Лайхтман Д.Л. О влиянии радиации на режим приземного слоя атмосферы, Изв. АН СССР, ФАО, т.9, 1973, с.27-33.

67. Гаврилов A.C., Гутман JI.H., Лыкосов В.Н. Нестационарная задача о строении пограничного слоя атмосферы с учетом радиационного теплообмена. Труды Зап.-Сиб. РНИГМИ, вып.П, 1974, с.35-48.

68. Экологическая экспертиза: Обзорная информация. М.: ВИНИТИ, 2004. -№ 5. -135с.

69. Липовицкая И.Н. Метод восстановления структуры нижней тропосферы. // Научно-технические ведомости СПбГПУ № 6-1 (48) -СПб.: Изд. Политехнического университета.- 2006 . с 199

70. Пономоренко И.Н. К прогнозу приземных и приподнятых инверсий температуры. //Труды Укр. НИГМИ.- 1974.- Вып. 132. с 128-131.

71. Сонькин Л.Р. Синоптико-статистический анализ и краткосрочный прогноз загрязения атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 224 с.

72. Сонькин Л.Р., Николаев В.Д., Ивлева Т.П., Кириллова В.И. Прогноз экстремально высоких уровней загрязнения воздуха в городах и регионах. В сб. Проблемы физики пограничного слоя атмосферы и загрязнения воздуха,- СПб. Гидрометеоиздат, 2002, 363 с.

73. Зилитинкевич С.С. нелокальные свойства устойчиво стратифицированных пограничных слоев. — В сб. Проблемы физикипограничного слоя атмосферы и загрязнения воздуха,- СПб. Гидрометеоиздат, 2002, 363 с.

74. Берлянд М.Е., Генихович Е.Л., Оникул Р.И. Моделирование загрязнения атмосферы выбросами из низких и холодных источников.- Метеорология и гидрология, 1990, № 5, С.-5-17

75. Государственный доклад О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2006 году. - Москва, 2007 - 479с.