2.Модели для оценки и прогноза состояния и уровня загрязнения атмосферы

2.1. Общие сведения о моделях

Значительное количество теоретических и экспериментальных работ посвящено дисперсии загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу. В настоящем учебном пособии будут в основном представлены математические модели, используемые для описания поведения выбросов в атмосфере на расстоянии по ветру до 10-20 км от источника.

Для больших расстояний представленные ниже методы считаются менее приемлемыми. По мере увеличения расстояния масштабы распространения выброса в вертикальном направлении становятся сравнимыми с толщиной планетарного пограничного слоя, и обычные предположения об однородности не позволяют использовать упрощенные модель. Кроме того, ниже описаны условия, при которых эти модели применимы, а также видоизменения моделей, необходимые для применения в конкретных практических ситуациях, и метеорологические данные, используемые в этих моделях.

Выбор вводимых параметров и корректировка моделей в применении к конкретной ситуации зависит от характеристик исследуемой области (по терминологии руководства МАГАТЭ площадки), района ее расположения и условий выброса. Таким образом, выбор подходящей модели или необходимого сочетания моделей для конкретной площадки и конкретных условий выброса нужно основывать на тщательном изучении площадки и характеристик источников загрязняющих веществ, значимых с точки зрения дисперсии.

Особенно важно учитывать ограничения этих моделей. Модели используемые в разных странах в качестве государственных, в основном

18

Рис.2. Поведение загрязняющих веществ, выброшенных в атмосферу

Рис.2. Поведение загрязняющих веществ, выброшенных в атмосферу.

применимы к ситуациям, в которых метеорологические параметры, такие как характеристики ветров и вертикальный градиент температуры, приблизительно равномерны во времени и пространстве.

Специально отметим, что в реальности могут возникнуть ситуации, в которых метеорологические параметры быстро изменяются во времени или пространстве. Общих моделей, которые бы охватывали все ситуации, не существует.

2.1.1.Поведение потока, выбрасываемого в атмосферу

После того, как примеси (радиоактивный или токсичный газ или аэрозоль) попадают в воздух, характер их перемещения и дисперсии определяется их собственными физическими свойствами и свойствами атмосферы, в которых они находятся. Для того чтобы наглядно показать характер их

19

поведения, полезно рассмотреть поведение потока в целом после его попадания в атмосферу (см. рис.2). Выбросы проникают в атмосферу с определенной скоростью и температурой, которые обычно отличаются от соответствующих характеристик окружающей среды. Движение выбросов имеет вертикальную составляющую, обусловленную начальной вертикальной скоростью потока и разницей температур, до тех пор, пока не исчезнет воздействие этих факторов. Этот вертикальный подъем выбросов называют подъемом шлейфа. Он приводит к изменению эффективной высоты H точки выброса. На путь распространения выброса воздействуют также изменения потоков вблизи таких препятствий, как здания и сооружения.

Следуя руководству [1,2], мы будем использовать следующую терминологию.

Движение потока под действием ветра в течение и после подъема шлейфа называется переносом.

Турбулентное движение атмосферы вызывает произвольное движение выброса, приводящее к его распространению в горизонтальном и вертикальном направлениях за счет смещения с воздухом. Этот процесс называ-

ется атмосферной диффузией.

Комбинация переноса и диффузии называется атмосферной дисперсией. Модели, описывающие эти процессы, называют моделями атмосферного переноса-диффузии или моделями атмосферной дисперсии.

Выброс на стадии подъема шлейфа, переноса и диффузии может также испытывать воздействие таких процессов, как:

1)химическая трансформация примесей;

2)радиоактивный распад и накопление дочерних продуктов;

3)влажное осаждение:

•дождь или снег (пар или аэрозоль попадают в капли воды или снежинки в облаке и выпадают в виде осадков);

20

•вымывание (пар или аэрозоль захватываются ниже дождевого облака падающими осадками);

•туман (пар или аэрозоль попадают в капли воды в тумане);

4) сухое осаждение:

•седиментация аэрозолей или гравитационное осаждение (для частиц с диаметром более 10 мкм);

•отложение аэрозолей и адсорбция паров и газов на предметах, находящихся на пути ветра;

5)образование и слипание аэрозолей.

Большую часть этих эффектов можно описать математически и при необходимости включить в математические модели. Отметим, что строгих указаний на эти модели в гостированных (имеющих официальный государственный статус) методиках нет. Это фактически означает, что разработчики должны исходить из конкретной ситуации и использовать адекватные ей модели.

2.1.2.Показатели турбулентности

При использовании моделей атмосферной дисперсии стабильность атмосферы необходимо выразить в следующих метеорологических параметрах или как их функцию переменных, перечень которых и пояснения к нему приведены ниже.

Вертикальный градиент температуры. Вертикальный градиент температуры является показателем скорости понижения температуры ок-

ружающей атмосферы в зависимости от высоты. Он равен − dTdZ , где Т –

температура в градусах Кельвина, Z - высота над поверхностью земли. Колебания направления ветра. Масштабы и периодичность колеба-

ний направления ветра являются функциями интенсивности турбулентности (размера вихрей и т.д.). Поэтому на практике этот параметр использу-

21

ют для описания стабильности атмосферы. Среднее квадратичное отклонение колебаний направления ветра определяют с помощью электронной аппаратуры. Эти колебания могут быть обнаружены также в записях о направлении ветра, которые имеют различную ширину графических кривых для различных условий стабильности.

Инсоляция, облачность и скорость ветра. Тепловая турбулентность связана с тепловым потоком. Облачный покров уменьшает или увеличивает потери тепла, способствуя образованию нейтральной устойчивости. Сильные ветры, вызывающие усиленное перемешивание, также способствуют образованию нейтральной устойчивости. Ночью при ясном небе и слабом ветре атмосфера становится устойчивой, в то время как аналогичные условия в дневное время приводят к неустойчивости атмосферы. В дневное время целесообразно проводить измерения или оценки солнечной радиации для определения классов устойчивости, в ночных условиях можно использовать радиометры полного излучения; использование радиометров полного излучения может оказаться предпочтительным и в дневное время, когда коэффициент альбедо коротких волн имеет большую величину.

Число Ричардсона – Ri. Это число выражает соотношение тепловой, или конвективной, турбулентности и механической турбулентности. Оно зависит от высоты и является безразмерным параметром, определяемым формулой:

где g – ускорение силы тяжести (м \ c-2); T – температура (K);

Г – адиабатический вертикальный градиент (К× м-1);

22