Введение к работе
Актуальность работы. Строительство и эксплуатация промышленных предприятий и других народнохозяйственных объектов зачастую оказывают негативное влияние на окружающую среду. Это влияние может быть как прямым, вследствие выбросов загрязняющих примесей, вырубки лесов и др., так и опосредованным. Опосредованное влияние может проявляться как следствие изменения свойств подстилающей поверхности территории. При открытой выработке полезных ископаемых образуются протяженные глубокие карьеры и горы отвалов; для работы ГЭС под водохранилища затапливаются значительные площади, в нижних бьефах плотин ГЭС образуются полыньи, при работе ТЭЦ, АЭС в водоемах-охладителях в зимний период также образуются незамерзающие участки открытой воды. Все это меняет термодинамические характеристики поверхности, что может привести к трансформации микро- и мезоклимата территорий. Здесь под мезоклиматом подразумеваются местные особенности климата, обусловленные орографической и термической неоднородностью подстилающей поверхности территорий, горизонтальные масштабы которых от десятков до нескольких сотен километров.
Предварительная оценка масштабов мезоклиматических изменений и возможных загрязнений воздушного бассейна (при наличии источников выбросов) еще до начала строительства промышленных объектов является важной природоохранной задачей. Такие оценки можно провести с помощью математического моделирования.
Несмотря на большие успехи в развитии численного моделирования и вычислительной техники, многие задачи по моделированию локальных атмосферных процессов, по-прежнему сложны в реализации из-за сочетания в моделях различных факторов, таких как наличие неоднородного рельефа, водной поверхности, процессов разного масштаба и др. Поэтому, для проведения предварительных сценарных исследований атмосферных процессов над территориями со сложным рельефом актуальным является создание современного программного комплекса, обладающего следующими важными свойствами: согласованность описания процессов на разных этапах моделирования; балансность, монотонность и транспортивность разностных схем для аппроксимации уравнений моделей процессов; возможность учитывать большие градиенты функции рельефа и несложная адаптация моделей и программного комплекса к условиям новых территорий.
Работа выполнялась в рамках программ научных исследований Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН и Программы 1.3 Отделения математических наук РАН, Программы Президиума РАН № 4 (16). Кроме того, исследования проводились при финансовой поддержке РФФИ (проекты 01-05-65313, 02-05-06005 мае, 00-15-98543-л, 04-05-64562, 07-05-00673,), контракта Европейской Комиссии № 013427, Интеграционного гранта СО РАН № 130.
Цель диссертации: разработать мезомасштабную математическую модель гидротермодинамики атмосферы и переноса пассивной примеси в областях со сложным рельефом и с термически неоднородной подстилающей поверхностью; исследовать с ее помощью
формирование мезоклиматов и процессы распространения пассивной примеси для горных территорий Восточного Забайкалья - в районе Удокана и в Читино-Ингодинской впадине; провести сценарные оценки размеров зон влияния водохранилищ Богучанской и проектируемой Мотыгинской ГЭС в Нижнем Приангарье на атмосферу прилегающих районов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: построены трехмерная негидростатическая математическая модель для описания гидротермодинамических процессов в атмосфере в областях со сложным рельефом и согласованная с ней трехмерная модель переноса пассивной примеси в горно-долинных областях; с использованием современных методов разработаны численные алгоритмы реализации уравнений моделей; разработан комплекс программ для реализации моделей динамики атмосферы и переноса пассивной примеси; апробирована работа комплекса на тестовых примерах.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработаны новые версии мезомасштабных моделей динамики атмосферы и переноса пассивной примеси, предназначенные для исследования локальных атмосферных процессов над территориями с термически и орографически неоднородной подстилающей поверхностью;
для реализации моделей динамики атмосферы и переноса примеси в геометрически сложной области построен новый численный алгоритм на базе вариационного принципа с использованием дискретно-аналитических схем для конвективно-диффузионных операторов, обладающих свойствами монотонности, транспортивно-сти и консервативности;
для работы в областях со сложным рельефом использован вариационный способ организации метода «фиктивных» областей, обеспечивающий точный учет краевых условий на физической нижней границе воздушных масс;
проведено сравнение предложенной в диссертационной работе модели переноса примеси с моделью в Лагранжевой постановке. Из анализа результатов следует, что совместное использование моделей рассматриваемого класса дает новые возможности как в воспроизведении общей структуры изучаемых механизмов, так и в детализации описания полей концентрации примесей в конкретных ситуациях;
предложенные математические модели применены для исследования особенностей формирования мезоклиматов и процессов распространения пассивной примеси в атмосфере Читино-Ингодинской впадины и в районе Удокана;
получены прогнозные оценки возможных изменений мезоклиматов для проектов Богучанской и Мотыгинской ГЭС в результате строительства этих гидротехнических сооружений;
новым также является использование геоинформационных технологий в составе разработанного комплекса моделей и программ. Это существенно упростило процессы получения входной информации о подстилающей поверхности исследуемых территорий, а также расширило возможности анализа результатов расчетов и подготовки иллюстративного материала;
- анализ выполненных сценариев показал, что использование монотонных дискретно-
аналитических схем уменьшает степень неопределенности в численных моделях при
воспроизведении полей метеорологических величин и концентраций загрязняющих
примесей за счет точного учета процессов конвекции-диффузии в широком диапазо
не изменений сеточных чисел Рейнольдса и Пекле, определяющих соотношения
масштабов конвективных и турбулентных механизмов.
Практическая ценность. Данные проведенных в диссертации исследований по моделированию атмосферных процессов в Читино-Ингодинской впадине и в районе Удо-кана могут быть использованы при подготовке предложений по планированию индустриального строительства и организации различных природоохранных мероприятий. Полученные оценки о зонах возможного влияния Богучанского и Мотыгинского водохранилищ на атмосферу позволяют выявить территории, где с большей вероятностью следует ожидать изменения природной среды и условий проживания человека. Результаты численных сценарных исследований возможного влияния водохранилищ Богучанскои и Мотыгинской ГЭС на мезоклимат прилегающих территорий были использованы в НП ЦЭО «Эколайн» и в Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН при составлении предварительной оценки воздействия на окружающую среду (ПредОВОС).
Модель динамики атмосферы и переноса примеси над сложным рельефом реализована в виде комплекса программ. Программный комплекс организован таким образом, что его можно адаптировать к условиям различных регионов с неоднородной орографией, что позволяет с его помощью проводить аналогичные оценки и для других территорий.
На защиту выносятся:
методы построения численных схем и численные алгоритмы реализации мезомас-штабной модели гидротермодинамики атмосферы и модели переноса примеси над термически и орографически неоднородной поверхностью;
алгоритм решения нестационарных конвективно-диффузионных уравнений с использованием дискретно-аналитических аппроксимаций в трехмерной области с переменным рельефом;
комплекс программ для реализации численных моделей на ЭВМ;
результаты сценариев моделирования локальных атмосферных процессов и распространения пассивной примеси для типичных ситуаций в горно-долинных областях;
результаты численных сценарных оценок влияния проектируемого и строящегося водохранилищ МоГЭС и БоГЭС на мезоклимат окружающих территорий.
Достоверность. Комплекс программ для численной модели динамики атмосферы и переноса примеси над сложной орографией апробирован на серии тестовых примеров. Результаты расчетов и теоретический анализ численных алгоритмов подтверждают адекватность предлагаемой в диссертации модели. Результаты сценарных численных экспериментов для Восточного Забайкалья качественно согласуются с данными наблюдений и результатами расчетов других авторов.
Личный вклад. Автором создан новый комплекс алгоритмов и программ для моделирования мезомасштабных циркуляции в областях со сложным рельефом. Все исследования, проведенные в диссертации, выполнены автором лично или в соавторстве.
Представление работы. Результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались автором на региональных, 11 международных и 7 всероссийских конференциях и школах-семинарах. Основные результаты диссертации опубликованы работах [1-16]. Работы [1-3] входят в список публикаций, рекомендованных ВАК для защиты кандидатских диссертаций.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 131 наименования, семи приложений, иллюстрирована 47 рисунками. Общий объем работы - 148 страниц.
