Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Географические науки
Метеорология, климатология, агрометеорология

Диссертационная работа:

Баранова Мария Евгеньевна. Численное моделирование загрязнения атмосферы урбанизированных территорий : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 25.00.30 / Баранова Мария Евгеньевна; [Место защиты: Рос. гос. гидрометеорол. ун-т (РГГМУ)].- Санкт-Петербург, 2008.- 141 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-1/138

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Сокращения 4

Введение ). 5

1 Моделирование загрязнения атмосферы урбанизированных территорий 9

1.1 Особенности урбанизированных территорий 9

1.2 Проблема загрязнения атмосферы мегаполисов

1.2.1 Автотранспорт 13

1.2.2 Энергетика 17

1.2.3 Суммарное воздействие 19

1.2.4 Мониторинг атмосферы 21

1.2.5 Проблема интерпретации данных мониторинга 22

1.3 Основные подходы к проблеме моделирование загрязнения атмосферы..25

1.3.1 Классификация моделей 25

1.3.2 Упрощенные модели на основе аналитических решений 31

1.3.3 Лагранжевы стохастические модели 34

2 Трехмерная гидротермодинамическая модель атмосферы города 36

2.1 Общие уравнения 36

2.2 Численное моделирование атмосферного пограничного слоя

2.2.1 Модель горизонтально-однородного АПС 46

2.2.2 Численная модель обтекания застройки

2.3 Численное моделирование турбулентной диффузии 62

2.4 Учет химической трансформации примесей 65

2.5 Адаптация данных мониторинга атмосферы применительно к расчету загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта 70

3 Тестирование и верификация численной модели «ГДМ+МК» 76

3.1 Постановка вопроса 76

3.2 Тестирование алгоритмов модели «ГДМ+МК» 79 Стр.

3.2.1 Модель атмосферного пограничного слоя 79

3.2.2 Модель суточных колебаний температуры 82

3.2.3 Тестирование расчета турбулентной диффузии методом Монте-Карло..85

3.3 Верификации математической модели ГДМ+МК на основе измерений в

аэродинамических трубах 91

3.3.1 Здание кубической формы 93

3.3.2 Здание U-образной формы 95

3.4 Верификация модели ГДМ+МК применительно к расчету загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта 97

3.4.1 Полигонные измерения в Санкт-Петербурге 97

3.4.2 Полигонные измерения в Москве 101

4 Приложение модели «ГДМ+МК» к решению прикладных задач охраны атмосферы урбанизированных территорий 108

4.1 Потенциал загрязнения атмосферы для условий города 108

4.1.1 Общие понятия о потенциале загрязнения атмосферы 108

4.1.2 Потенциал загрязнения атмосферы для городских условий 111

4.1.3 Исходные данные для расчета потенциала загрязнения применительно к Москве 114

4.1.4 Использованием модели «ГДМ+МК» для расчета ПЗА для городских условий 120

4.2 Метод расчета среднеклиматических карт загрязнения атмосферы от автотранспорта 124

4.2.1 Общая концепция организации и проведения расчетов 124

4.2.2 Программное обеспечение и анализ результатов 127

Заключение 134

Источники 135  

Введение к работе:

Актуальность работы. Состояние качества воздушной среды в городах в настоящее время является одной из острейших проблем современности. В большинстве городов мира загрязнение воздуха достигает критических размеров. По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), показатели качества воздуха в 20 крупнейших городах мира в несколько раз превышают установленные ВОЗ нормативы. Более 1 млрд. горожан подвержены воздействию опасных для здоровья уровней загрязнения воздуха. Так, например, в 11 крупнейших городах Китая загрязнение воздуха является причиной более 50 тыс. преждевременных смертей и 400 тыс. новых случаев хронических бронхитов ежегодно.

Согласно прогнозам, в 2010 году 70% жителей европейских городов будут проживать на территориях с превышением ПДК по пыли, 20 % жителей - с превышением ПДК по оксиду азота, 15% жителей - с превышением ПДК по бензолу. По мере роста количества автомобилей серьезной проблемой в городах Европы стал фотохимический смог, причиной которого являются выбросы соединений азота и углерода в атмосферу. В последние годы наблюдается резкое увеличение астмы среди детей, часто обостряемое из-за загрязнения воздуха в европейских городах, а также количественная зависимость между уровнем канцерогенов в атмосфере и раком легких у жителей европейских городов.

В Российской Федерации около 44 % населения страны живет в городах, в которых превышены установленные нормы загрязненности воздуха. Экологическую ситуацию в городе принято оценивать применительно ко всей городской территории, однако усредненность результатов наблюдений по всему городу, публикуемых в официальных государственных и ведомственных докладах, не дает точной картины качества окружающей среды по месту проживания людей. В то же время общеизвестно, что на территории промышленных городов имеются различные по экологической ситуации и загрязненности участки, требующие первоочередных мер, экономических затрат и усилий общества в плане улучшения качества окружающей среды.

Исходя из изложенного выше, появляется необходимость в детальном воспроизведении динамики воздушных потоков над урбанизированными территориями с учетом всех элементов ландшафта, таких как формы рельефа, жилая и промышленная застройка, наличие парковых и лесопарковых зон. Столь же детальное представление здесь требуется и для источников выбросов в атмосферу, особенно для таких сложных, как автотранспорт, занимающих в современных мегаполисах весьма значительную долю всего выброса. В этом случае, как известно, выброс загрязняющих веществ в атмосферу происходит от низко расположенного источника, погруженного в городскую застройку, который создает, таким образом, поля загрязнения с высокими пространственными градиентами и сильной временной изменчивостью.

Исследование такого рода полей чисто экспериментальными методами оказывается весьма затруднительным и требует, вообще говоря, разработки специальных математических моделей высокого пространственного разрешения, учитываю-

щих все нюансы влияния на перенос и рассеяние примеси городской застройки. Несмотря на значительные усилия, которые предпринимались в последние десятилетия различными научными коллективами для решения проблемы построения тех или иных методик расчета загрязнения атмосферы выбросами промышленных и транспортных источников, именно упомянутым особенностям загрязнения урбанизированных территорий не уделялось надлежащего внимания.

Только с появлением в 90-х годах прошлого века персональных компьютеров, созданием и широким распространением геоинформационных систем оказалось возможным объединить достаточно сложные гидротермодинамические модели атмосферы с современными пространственными моделями геоданных и дать в руки потребителей достаточно эффективные методы решения задач обеспечения экологической безопасности.

Целью работы является: развитие обозначенного подхода в направлении разработки и верификации методов расчета динамики атмосферы и характеристик ее загрязнения с высокой пространственной детализацией применительно к проблемам охраны атмосферы урбанизированных территорий в целом и, прежде всего, крупных мегаполисов.

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

адаптировать разработанную ранее численную модель переноса и рассеяния примесей с учетом застройки ГДМ+МК (Гидродинамическая Модель + метод Монте-Карло) применительно к расчетам переноса и рассеяния примесей в окрестности тонких (толщиной менее шага расчетной сетки) элементов подстилающей поверхности;

осуществить комплекс исследований по тестированию алгоритмов и верификации модели ГДМ+МК с учетом, также, и натурных измерений на экспериментальных площадках в таких крупных мегаполисах, как Москва и Санкт-Петербург;

разработать метод реализации модели ГДМ+МК применительно к проведению расчетов вероятностных характеристик полей скорости ветра, а также климатологических характеристик загрязнения атмосферы от выбросов автотранспорта применительно к мегаполисам;

разработать метод коррекции расчетных значений осредненных за длительный период значений приземной концентрации примесей от выбросов автотранспорта по данным накопленных измерений на постах городской системы мониторинга атмосферы.

Методы исследования. Основные методы исследования - компьютерное моделирование с использованием численной модели ГДМ+МК, а также статистический и пространственный анализ результатов.

Научная новизна состоит в том, что впервые разработан метод и осуществлен расчет среднеклиматических характеристик загрязнения атмосферы с пространственным разрешением несколько метров для такого крупного мегаполиса как город

Москва (размер несколько десятков километров) с учетом влияния застройки на конфигурацию полей загрязнения от автотранспортных источников.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

  1. Метод расчета переноса и рассеяния примесей в атмосфере в окрестности тонких (толщиной менее шага расчетной сетки) элементов подстилающей поверхности.

  2. Результаты верификации модели ГДМ+МК применительно к расчету полей скорости ветра и концентрации на основе натурных измерений и результатов измерений в аэродинамических трубах.

  3. Результаты расчета потенциала загрязнения атмосферы (ПЗА) с учетом влияния на поле ветра застройки города с высоким пространственным разрешением для всей территории города Москва.

  4. Метод коррекции результатов расчета полей загрязнения атмосферы от выбросов автотранспорта с учетом данным постов измерений городской системы мониторинга.

  5. Результаты расчета среднеклиматических характеристик загрязнения атмосферы с высоким пространственным разрешением для всей территории города Москва.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются строгой математической постановкой задачи о численном моделировании АПС, результатами верификации модели АПС применительно к условиям урбанизированных территорий, а также статистической обеспеченностью рассчитанных характеристик загрязнения атмосферы.

Теоретическая и практическая ценность диссертации состоит в разработке оригинальных методов, позволяющих рассчитывать поля загрязненности атмосферы от выбросов автотранспортных источников с высоким пространственным разрешением для крупных урбанизированных территорий.

Апробация диссертационной работы

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались:

на научных семинарах кафедры метеорологи, климатологии и охраны атмосферы Российского государственного гидрометеорологического университета (2003-2008 гг.);

на заседаниях Итоговых сессий Ученого совета РГГМУ ( 2004-2006 гг);

на заседаниях Международной научной конференции "Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон", СПб, РГГМУ (2005, 2006 гг.);

на заседании международной конференции "Изменение климата и окружающая среда", СПб, РГГМУ, 06-09.12.2005 г.;

на заседаниях Международного научно-практического семинара «Методы мониторинга атмосферы Москвы и Лондона» (Москва, сентябрь 2006г; Лондон, июнь 2007г.).

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, включающего 57 наименований. Общий объем работы составляет 141 страницу, включая 54 рисунка и 5 таблиц.

Подобные работы
Филатова Елена Николаевна
Моделирование загрязнения атмосферы по оперативным данным
Щербаков Андрей Юрьевич
Численное моделирование мезометеорологических особенностей и загрязнения атмосферы крупных городов (на примере г. Калинина)
Лукин Андрей Борисович
Усовершенствованная технология ведения режимно-справочного банка данных "актинометрия" и ее применение для исследования прозрачности атмосферы на территории России
Стрижанцева, Ольга Михайловна
Метеорологические условия Юго-Западного Кыргызстана, влияющие на загрязнение атмосферы
Мохаммед Муханнад Хайрулла
Моделирование и оценка влияния на здоровье населения выбросов в атмосферу от энергетических объектов, расположенных на территории Ирака
Оводков Михаил Владимирович
Методика моделирования и графического отображения экологических рисков, обусловленных загрязнением атмосферы
Беликов Игорь Борисович
Газовые примеси атмосферы над территорией России по наблюдениям автоматизированным комплексом аппаратуры
Гинзбург Вероника Александровна
Формирование компонентов баланса свинца в атмосфере над территорией России
Родюков Игорь Сергеевич
Геоэкологическая оценка приземного слоя атмосферы на территории аэродромного комплекса
Чихонадских Елена Александровна
Математическое моделирование осредненных характеристик загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net