Моделі прогнозування забруднення атмосферного повітря

Розглянемо систему прогнозування якості атмосферного повітря, що знаходить сьогодні широке застосування для оперативного і довгострокового прогнозування і для ідентифікації викидів. Розв’язання задач довгострокового (від 4 діб до 1 місяця) і оперативного (від декількох годин до 3 діб) прогнозування базується на відомих підходах моделювання поширення шкідливих домішок забруднення в атмосферному повітрі і прогнозування забруднення атмосферного повітря. До моделей довгострокового прогнозування належать моделі прямого моделювання і розрахункові.

Для довгострокового прогнозування найчастіше застосовуються розрахункові (аналітичні, апроксимаційні) моделі, отримані на основі вирішення рівнянь турбулентної дифузії. Це – моделі «смолоскипа», «шухляди», кінцево-різницеві. Такі моделі покладені в основу «Методики розрахунку концентрацій в атмосферному повітрі шкідливих речовин, що містяться у викидах підприємств» (ОНД-86), широко застосовуються для інженерних розрахунків і реалізуються в ряді програмних комплексів для розрахунків забруднення атмосферного повітря.

Для оперативного прогнозування широке поширення одержали статистичні моделі лінійної і нелінійної регресії. Їхньою безсумнівною перевагою є простота реалізації й алгоритмізації. Основне обмеження застосування даних моделей – відсутність безпосереднього обліку фізичних особливостей процесу забруднення повітря, внаслідок чого вони характеризуються невисокою (хоча в багатьох випадках і прийнятною) точністю прогнозування.

Для оперативного прогнозування забруднення атмосферного повітря при аварійних залпових викидах варто використовувати розрахункові (аналітичні) моделі - моделі «клубка», застосовувані для прогнозування поширення домішок від миттєвих точкових джерел.

Вибір конкретної моделі (чи моделей) визначається метою проведення прогнозування і визначенням завдання прогнозування. Результатами розрахунків з прогнозування є:

- для довгострокового прогнозування – одержання профілів концентрації забруднюючих речовин, визначення відстаней і небезпечних швидкостей вітру, що відповідають утворенню максимальних концентрацій забруднюючих речовин, розрахунок величин гранично припустимих викидів забруднюючих речовин в атмосферу і мінімальні висоти джерел викидів, при яких зміст забруднюючих речовин не буде перевищувати припустимого значення;

- для оперативного прогнозування – одержання регресійних чи інших видів залежностей для прогнозування концентрацій забруднюючих речовин на інші періоди часу і задані відстані від джерел забруднення;

- для ідентифікації джерел забруднення – виявлення можливих джерел забруднення атмосферного повітря

Застосування статистичних моделей і методів

Моделі прогнозу даного типу ґрунтуються на статистичній обробці зібраної за кілька років інформації про концентрацію домішок і метеорологічних параметрів. У нашій країні як показник забруднення повітря звичайно використовуються середні разові концентрації q, мг/м3 і максимальні разові концентрації qm, мг/м3, а також повторюваність концентрацій, що перевищують ГДК.

Звичайно в місті протягом дня відбирається 50-100 проб повітря на різні інгредієнти. Для оцінки стану атмосфери по місту в цілому протягом конкретного дня необхідно використовувати узагальнені показники.

Концентрація q домішок, усереднена по всьому місту і за термінами спостереження даного дня, є одним з найбільш простих показників забруднення повітря якою-небудь окремою домішкою.

Як предиктори (характеристики, на основі яких складається прогноз) використовуються деякі метеорологічні параметри, а також параметр Р' (вихідна величина параметра Р). Сутність даного методу полягає у визначенні ступеня близькості конкретної ситуації (набору предикторів) до характерних ситуацій, наприклад, підвищеного, середнього і зниженого забруднення повітря. Для цього всі значення параметра Р розташовуються в порядку спадання і розбиваються на групи:

1) Р>0,35.

2) 0,35>Р> 0,2.

3) Р<0,2.

Для кожної групи розраховуються середні значення предикторів (х) і їхні середньоквадратичні відхилення.

Близькість ситуації конкретного дня до характерної ситуації і-ї групи визначається за так званою відстанню між ними: Розраховуються відстані для всіх трьох груп, і прогнозується та група станів, до якої відстань найменша.

При складанні прогнозів часто користуються методом послідовної графічної регресії. За наявним рядом спостережень будуються кореляційні графіки для визначення предиканта (параметра Р) за різними сполученнями двох предикторів. Далі виробляється попарне об'єднання кореляційних графіків, і на остаточному графіку показують залежність параметра Р від усіх використовуваних предикторів.

Методи прогнозування ситуації

Прогнозування ситуації чітко відрізняється від її розрахунку, а існуючі методи прогнозування забруднення характерні насамперед тим, що не використовують математичного апарату. Їхня технологія ґрунтується на багаторічній інформації про зміни метеорологічних параметрів і концентрацій забруднюючих речовин. Моделі прогнозу не використовуються для складання довгострокових прогнозів, хоча усереднені характеристики за тривалий період часу беруться до уваги при складанні короткострокового прогнозу. Отже, прогноз – це процес, у результаті якого оцінюється період часу і значення концентрації протягом цього періоду на основі метеорологічних пророкувань.

Розглянемо для прикладу методи прогнозу метеорологічного потенціалу забруднення повітря на території. Величина його, а також загальна кількість і характеристики викидів визначають рівень концентрації в містах, розташованих на цій території. Звернемося до двох можливих способів прогнозу розподілу потенціалу забруднення.

Перший спосіб передбачає використання для прогнозу параметра Р і якісних характеристик потенціалу, виражених через синоптичні ситуації. Параметр Р беруть як показник щоденного потенціалу забруднення повітря. Зміну його величини по днях за рахунок коливань сумарного викиду над містом можна вважати дуже малою. Значення Р в попередній день (Р') береться як характеристика вихідного потенціалу.

Для короткострокового прогнозування потенціалу забруднення в якому-небудь географічному районі необхідно, щоб не менш ніж у трьох містах розраховувався параметр Р і складалися прогнози фонового вмісту домішок в атмосфері. Передбачені види забруднення наносяться на прогностичну карту погоди, потенціал забруднення прогнозується по всій території.