ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность 3
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 7
Цель диссертационной работы
Научная новизна диссертационной работы
Заключение
Список литературы 18
Актуальность
Стремительное развитие промышленности в XX и XXI вв. нанесло значительный ущерб окружающей среде. В настоящее время чрезвычайно актуальной является проблема загрязнения атмосферного воздуха - состав атмосферы оказывает непосредственное влияние на здоровье людей, а его изменчивость является ключевым аспектом, определяющим глобальные климатические процессы Земли.
Измерения, численное моделирование и анализ полей концентраций загрязняющих компонентов в атмосфере - важные этапы в решении самых разнообразных задач физики атмосферы. Существует целый ряд подходов для оценки полей загрязнения воздуха, один из которых основан на совместном анализе результатов измерений в одном или нескольких пунктах мониторинга и информации о динамике атмосферы, и используется в методах статистики обратных траекторий (СОТ). В диссертационной работе описан метод флюид-локации атмосферы (ФЛА), который является модификацией методов СОТ. В отличие от классических методов СОТ, метод ФЛА основан на решении уравнения сохранения вещества в представлениях Эйлера и Лагранжа, что позволяет развить методику в направлении учета реальных физико-химических процессов, которым подвержена примесь в атмосфере.
В данной работе анализировалось содержание аэрозоля в атмосфере. Атмосферный аэрозоль обладает высокой временной и пространственной изменчивостью, при этом является одним из ключевых компонентов в атмосфере, оказывающих большое влияние на радиационный баланс Земли. Кроме того, разнообразие источников поступления аэрозоля в атмосферу, а также влияние некоторых аэрозолей на здоровье людей, делают исследование пространственных полей аэрозольного загрязнения сложной, но тем не менее важной задачей.
Наиболее известной научно-прикладной системой глобального аэрозольного мониторинга является система АЕЯОЫЕТ, в рамках которой проводятся спектральные фотометрические измерения оптических характеристик атмосферы по всему земному шару. Однако построение и анализ пространственных полей аэрозольного загрязнения атмосферы исключительно по данным наблюдений (без использования моделирования) возможно в регионах с достаточно густой сетью станций мониторинга (например, в Европе и США). Для российского сегмента сети мониторинга АЕЯОЫЕТ расстояния между станциями измеряется тысячами километров, поэтому восстановление пространственной структуры полей аэрозоля требует привлечения специальных методов, например, метода ФЛА, развитию которого посвящена данная работа.
Цель диссертационной работы состоит в разработке метода восстановления полей концентраций примесей в атмосфере, основанного на совместном анализе результатов приборных измерений концентраций загрязняющих веществ и данных о динамике атмосферы.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
1. Выполнить количественные оценки плотностей потоков объемных концентраций аэрозоля в различных географических регионах России на основе данных фотометрических измерений.
2. Разработать методику анализа результатов наземных фотометрических измерений АОТ, учитывающую динамические процессы в атмосфере - траектории движения воздушных потоков до их прихода в пункт мониторинга.
3. Восстановить квазидвумерные средние поля концентраций тонкодисперсного аэрозоля в атмосфере северной части евразийского континента, используя метод флюид-локации атмосферы (ФЛА).
4. Разработать методику расчета погрешностей статистической оценки средних полей концентраций, восстановленных методом ФЛА.
5. Разработать способы верификации метода ФЛА, включая сопоставление результатов моделирования аэрозольных характеристик атмосферы с данными независимых наземных и спутниковых измерений.
6. Переработать метод ФЛА для учета физических процессов сухого осаждения аэрозольных частиц на подстилающую поверхность и учета профилей вертикальных распределений аэрозоля в атмосфере.
7. Решить задачу восстановления трехмерных средних полей концентраций аэрозоля по данным наземных измерений.
Исследование носит теоретический характер, в качестве основных методов использовались: статистический анализ пространственно распределенных величин;
методы численного решения уравнения переноса примеси с использованием конечно - разностных схем; методы статистики обратных траекторий.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Предложена методика, позволяющая проводить совместный анализ результатов измерений аэрозольной оптической толщи (АОТ) атмосферы и обратных траекторий движения воздушных потоков. С помощью этой методики и с использованием инструментария геоинформационных технологий на примере анализа результ атов спектральных фотометрических измерений на Среднем Урале впервые установлено статистически значимое влияние различных типов ландшафтов, над которыми проходили воздушные потоки, на АОТ атмосферы.
2. Впервые с использованием метода ФЛА на основе данных фотометрических измерений на шести российских станциях мониторинга сети АБЯОЫЕТ восстановлено квазидвумерное среднее поле тонкодисперсного аэрозоля.
3. Предложена оригинальная методика и разработан алгоритм расчета погрешностей статистической оценки среднего поля концентраций, применимый для различных методов СОТ, включая метод ФЛА. Показана возможность восстановления среднего поля концентраций аэрозоля на большом удалении от пункта мониторинга - характерный размер зоны моделирования порядка 1000 км.
4. Впервые выполнена верификация метода ФЛА посредством: 1) сравнения результатов моделирования с данными независимых наземных измерений; 2) сравнения полей концентраций, восстановленных по данным различных независимых пунктов мониторинга; 3) качественного сопоставления расчетного поля концентраций примеси с информацией об известных источниках загрязнения; 4) сравнения результатов моделирования с данными спутникового дистанционного зондирования. По результатам верификации показано, что метод ФЛА может использоваться для восстановления полей концентраций примеси на основе данных наземных измерений.
5. Разработана физико-математическая модификация метода ФЛА, учитывающая вертикальный перенос аэрозольных частиц к поверхности за счет процессов сухого осаждения, включая гравитационное осаждение, приземную турбулентную
диффузию, броуновскую диффузию в ламинарном подслое и захват частиц поверхностью. Впервые методом ФЛА, с учетом процессов вертикального переноса примеси, на примере регионов Среднего Урала и Западной Сибири построены трехмерные средние поля концентрации аэрозоля на основе данных фотометрических измерений...
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
1. На основе результатов фотометрических измерений сети АЕВОЫЕТ, выполнена оценка потоков атмосферного аэрозоля в различных географических регионах России за период с 2004 по 2010 г. Для каждого пункта мониторинга найдены направления преобладающего переноса воздушных потоков, а также направления скоростей ветра, при которых реализуются максимальные и минимальные значения объемных концентраций и плотностей потоков аэрозоля. Наибольшие значения концентрации и плотности потока аэрозоля были выявлены для точки мониторинга, расположенной в Уссурийске (максимальные нормированные значения равны 4.20 и 1.80, соответственно, и реализуются при южном направлении переноса). В Якутске наблюдаются самые низкие уровни концентрации и плотности потока аэрозоля (1.98 и 0.76, соответственно).
2. Предложена методика, позволяющая проводить совместный анализ результатов измерений аэрозольной оптической толщи атмосферы и обратных траекторий движения воздушных потоков. С помощью инструментов геоинформационных технологий, на примере анализа результатов измерений на Среднем Урале, впервые удалось выявить статистически достоверное влияние различных типов ландшафтов на аэрозольную оптическую толщу атмосферы. Установлено, что аэрозольные оптические характеристики атмосферы статистически значимо зависят от того, над территориями с какими типами ландшафтов проходили траектории движения воздушных потоков до прихода в пункт мониторинга. Медианные значения АОТ, измеренные в случае прихода воздушных потоков, траектории которых проходили над засушливыми почвами (0.17) и обрабатываемыми территориями (0.18), статистически значимо выше медиан АОТ, измеренных в моменты прихода потоков, не проходивших над данными типами ландшафтов (0.14 и 0.13, соответственно).
3. Представлено описание нового метода совместного анализа результатов измерений параметров загрязнения воздуха и информации о динамике атмосферы в виде обратных траекторий - метода флюид-локации атмосферы (ФЛА). В основе метода ФЛА лежит итерационное решение уравнения сохранения примеси в атмосфере в представлениях Эйлера и Лагранжа, что позволяет развить метод в направлении учета реальных физико-химических процессов, которым подвержена примесь в атмосфере.
4. Методом ФЛА проведена оценка квазидвумерного среднего поля объемной концентрации тонкодисперсного аэрозоля на территории России. Исходными данными для моделирования служили результаты измерений аэрозольных характеристик атмосферы на шести станциях мониторинга сети АБКОЫЕТ, расположенных на территории России, за период с 2004 по 2010 гг. и семисуточные обратные траектории движения воздушных частиц на высоте 950 ГПа.
5. Статистическое усреднение концентраций в расчетных ячейках пространства
является одним из основных этапов метода ФЛА. Расчет погрешностей такого усреднения позволяет утверждать, что метод ФЛА позволяет получать
обоснованные оценки поля концентрации примеси в атмосфере на больших расстояниях от пункта мониторинга. Проведенные расчеты позволяют сделать заключение о возможности использования плотности числа траекторий на расчетную ячейку п,г =20 в качестве критерия определения зоны достоверного моделирования (области, в которой относительная погрешность статистического усреднения концентраций не превышает 30 %).
6. Представлены результаты верификации метода ФЛА четырьмя способами, включая сравнение результатов моделирования с независимыми приборными измерениями и сопоставление среднего эффективного поля концентраций, полученного методом ФЛА, с пространственным распределением тонкодисперсного аэрозоля, полученного на основе измерений аэрозольной оптической толщи (АОТ) со спутниковых платформ. Несмотря на то, что квазидвумерное приближение имеет ряд ограничений, все рассмотренные способы верификации указывают на возможность использования метода ФЛА для оценки средних полей концентраций тонкодисперсного аэрозоля.
7. Метод ФЛА модифицирован для решения задачи построения трехмерного поля концентраций аэрозоля в атмосфере, что потребовало усложнения алгоритма по нескольким направлениям: учет процессов сухого осаждения аэрозоля на подстилающую поверхность; использование трехмерных обратных траекторий движения воздушных потоков, рассчитываемых для разных высот над поверхностью Земли; расчет концентраций примеси на разных высотах согласно модельному вертикальному профилю; учет рельефа Земли.
8. С использованием модифицированного метода ФЛА на основе результатов спектральных фотометрических измерений сети АБКОЫЕТ восстановлены трехмерные средние поля концентраций тонкодисперсного аэрозоля для региона Среднего Урала и региона Западной Сибири. Проведено сопоставление результатов моделирования с данными дистанционного спутникового зондирования атмосферы, которое показало возможность применения метода ФЛА для решения задач восстановления трехмерных средних полей концентраций аэрозоля.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
