Введение 3
Глава 1. Физико-химические аспекты свойств основных загрязнителей в 5
атмосфере Земли
1.1. Химические процессы в тропосфере 5
1.1.1. Оксиды азота КСх 8
1.1.2. Тропосферный озон О3 12
1.1.3. Семейство ОНх 15
1.1.4. Соединения серы 19
1.2. Пограничный слой и его влияние на динамику примесей в атмосфере 21
1.2.1. Суточная изменчивость структуры 1П1С 22
1.2.2. Турбулентная кинетическая энергия и техники приближения 24
Глава 2. Методы изучения компонентов загрязнения 28
2.1. Модель WRF-Chem 28
2.2. Параметризация Пограничного Слоя 29
2.2.1 Локальная схема MYJ 30
2.2.2 Нелокальная схема Y SU 3 2
Глава 3. Проведение численных экспериментов 34
3.1. Настройка модели. Начальные и граничные условия 34
3.2. Результаты экспериментов 37
Заключение 45
Список литературы
Тема антропогенного загрязнения среды является одной из самых важный в настоящей повестке человечества. Особое внимание уделяется загрязнению атмосферного воздуха. Примеси в атмосфере приводят к ухудшению качества воздуха, что негативно влияет на окружающую среду, а также примеси влияют на изменение метеорологических параметров, таких как температура воздуха и радиационный баланс.
Всемирная организация здравоохранения в своих докладах обозначает несколько ключевых загрязнителей атмосферы с точки зрения наносимого урона здоровью и качества жизни человека. Такими веществами являются озон, диоксиды серы и азота, а также пылевые составляющие. Эти компоненты наносят серьёзный вред состоянию здоровья человека. Как правило, наиболее активному и качественному влиянию этих загрязнителей подвержены люди, проживающие в городах.
Присутствующие в атмосфере поллютанты не ограничиваются числом выбрасываемых эмиссий. Многие компоненты образуются уже непосредственно in situ в атмосфере. Например, наиболее токсичный и опасный газ-поллютант озон образуется в атмосфере преимущественно в результате фотохимического разложения диоксида азота. При этом существуют различные варианты как дальнейшего распространения поллютантов, так и различные пути выведения их из атмосферы.
Существуют различные способы наблюдения и контроля экологического состояния атмосферы, дающие исследователю представление о пространственных и временных масштабах выбросов и качестве загрязнения. К таким методам можно отнести спутниковое наблюдение и сеть наземных станций для мониторинга выбросов. И если спутниковые методы, пусть и с некоторыми ошибками, дают нам представление об эмиссиях на довольно обширных территориях, то наземные пункты наблюдений не обладают таким свойством ввиду ограниченной распространённости. А ведь для более полной оценки степени загрязнённости и оценки влияния атмосферных поллютантов на состояние окружающей среды, необходимо рассматривать довольно обширную территорию.
Методы численного моделирования позволяют прогнозировать перенос и трансформацию примесей, а также диагностировать причины и механизмы загрязнения. Точность нашего моделирования будет зависеть от того, насколько полно мы адаптируем гидродинамическую модель к изучаемой области. Для такой адаптации необходимо определить, какие процессы и механизмы наиболее характерны для данной области, какие из схем параметризации различных химических и физических процессов наиболее точно демонстрируют реальную ситуацию в исследуемом регионе. Одной из важных составляющих моделей, отвечающих за определение рассчитываемых метеорологических и химических параметров, являются схемы параметризации Планетарного пограничного слоя Земли.
В данной работе мною и была поставлена цель изучить взаимосвязь первичных и вторичных загрязнителей в Северо-Западном регионе и, в частности, в городской агломерации Санкт-Петербург, влияющих на изменчивость качества атмосферного воздуха, а также определить, как на эту изменчивость влияют процессы перемешивания в пределах Планетарного пограничного слоя Земли (ППС).
Чтобы решить достичь целей были определены следующие задачи:
• определить загрязнители и их взаимосвязь друг с другом;
• выбрать и адаптировать численную модель для Северо¬Западного региона,
• выбрать схемы параметризации процессов перемешивания и определить их влияние на существование примесей,
• провести численные эксперименты и проанализировать полученные результаты.
В ходе данной работы были определены химические компоненты, влияющие на состояние атмосферного воздуха в Северо-Западном регионе, а именно оксиды азота, озон, соединения серы и гидроксил-радикалы. Отмечена роль процессов перемешивания в пограничном слое на существование и поведение примесей в атмосфере, и прежде всего у поверхности Земли в месте непосредственного контактирования поллютантов со средой. Прежде всего, обозначена роль высоты пограничного слоя на приземную концентрацию примесей.
Описана и экспериментально показана разница подходов параметризации пограничного слоя Земли в модели WRF-Chem на примере двух схем - локальной MYJ и нелокальной YSU. По результатам численных расчётов продемонстрировано реагирование схем параметризации на сезонные колебания в приземной концентрации загрязняющих веществ, реагирование на различные метеорологические ситуации и атмосферные явления (например, грозовая активность и процессы конвекции).
Определены химические процессы, наиболее значимые для наблюдения и прогнозирования. Выяснено, что среди двух возможных ролей, которые могут играть ПОх по отношению к O3, в С-Петербурге и пригороде окислы азота играют роль разрушителя, в отличие от сельских районов, где окислы азота продуцируют озон.
Схемы параметризации по-разному отражают различные синоптические ситуации, которые влияют на распространение примесей. Например, было показано, что в условиях летней активной конвекции нелокальная схема параметризации пограничного слоя (схема YSU) даёт более реалистичный результат в расчёте концентрации поллютантов и большую высоту погранслоя, а при грозовой активности - локальная схема параметризации пограничного слоя (схема MYJ). При этом в зимний период высота погранслоя не влияет однозначно, как в летний период. В зимний период большее влияние оказали инверсии.
Как уже было сказано ранее, важным достоинством численных моделей является возможность диагностирования механизмов загрязнения атмосферы, а также возможность создания системы мониторинга и прогноза загрязнения различными примесями в режиме онлайн. При дальнейшей работе по адаптации модели для изучения и прогнозирования переноса и трансформации примесей в Северо-Западном регионе необходимо учитывать полученные результаты. Учесть, для каких синоптических ситуаций подходят каждая схема параметризации ПС и какие химические процессы происходят в регионе.
