Введение к работе
Актуальность темы: Необходимость изучения особенностей формирования и изменений мезоклпматов при одновременном воздействии естественных и антропогенных факторов, потребность в исследовании качества атмосферы и оценке экологической перспективы крупных индустриальных центров и в целом промышленных регионов ставят задачу создания математических моделей, адекватно описывающих данные процессы. Формирование циркуляции воздушных масс мезо-регионального масштаба осуществляется при взаимодействии крупномасштабных атмосферных движений с локальными не-однородностями подстилающей поверхности. Наряду с орографической неоднородностью существенное влияние оказывает термическая неоднородность, в частности, температурный контраст различных участков подстилающей поверхности, разность температур поверхности водоемов и суши, наличие или отсутствие более теплого по сравнению с окружающей территорией города. При моделировании процессов такого масштаба необходимо учитывать факторы, обусловленные деятельностью человека: искусственные источники тепла, влаги, загрязняющих примесей и изменения характеристик поверхности Земли на больших площадях.
Данная диссертационная работа является дальнейшим развитием моделей и методов исследования атмосферных процессов , разрабатываемых в ВЦ СО РАН.
Цель диссертационной работы: Формирование комплекса математических моделей для проведения исследований мезоклпматов и качества атмосферы промышленных регионов, решения задач экологического прогнозирования и проектирования и реализация его на ЭВМ.
Основные задачи:
1. Разработка новой версии модели гидротермодинамики атмо-
сферы мезо-регионального масштаба в следящей за рельефом поверхности Земли системе координат в квазистатическом приближении, предназначенной для проведения исследований условий формирования и изменения мезоклиматов.
2. Разработка модели переноса примесей для исследования каче
ства атмосферы промышленного региона и оценки влияния на нее
региональных источников загрязняющих примесей.
-
Разработка новой версии полусферной модели переноса примесей для учета влияния на качество атмосферы региона удаленных источников загрязняющих примесей.
-
Разработка алгоритма, позволяющего проводить диагностику модели переноса примеси и восстановление поля концентрации по данным наблюдений.
-
Объединение моделей в комплекс для исследования мезоклиматов и качества атмосферы промышленных регионов.
6. Создание блока визуализации моделируемых процессов и его
результатов.
5. Реализация комплекса моделей на ПЭВМ.
7. Проведение численных экспериментов.
Научная новизна:
1. При построении модели гидротермодинамики применяются
дискретные аппроксимации, базирующиеся на вариационном принци
пе в сочетании с методом расщепления. На этапе решения задачи ди
намического согласования полей_.метеоэлементов используется явно-
неявный прямой алгоритм, удовлетворяющий условиям энергетиче
ской сбалансированности. Для его реализации не требуются ограни
чения на температурную стратификацию атмосферы.
2. При построении модели переноса примесей для аппроксимации
адвективно-диффузионных операторов применяются численные схе
мы с использованием решений локальных сопряженных задач, обла-
дающие свойствами монотонности, транспортпвности и сохранения субстанции.
3. В полусферной модели переноса примесей используются ба
лансные схемы с нелинейной ренормализацией адвективных потоков.
Такие схемы, наряду со свойством транспортпвности, обладают от
носительно малой схемной вязкостью. Использований схем с такими
свойствами позволяет более адекватно описывать моделируемые про
цессы.
4. Диагностика модели переноса примесей и восстановление полей
концентрации осуществляется на базе алгоритма с использованием
сопряженных уравнений и теории функций чувствительности.
Практическая значимость результатов работы: Полученные в диссертации научные результаты использованы при проведении следующих исследований:
1. Оценка областей влияния удаленных источников загрязняющих
примесей на качество воздуха Новосибирского промышленного реги
она в различные сезоны года. Элементы атмосферной циркуляции,
необходимые для моделирования, брались из данных ЛИГАП уровня
Ша.
2. Исследование особенностей формирования атмосферной цир
куляции в Новосибирском и Томском промышленных регионах в ре
зультате взаимодействия крупномасштабных воздушных потоков с
неоднородностями подстилающей поверхности.
-
Оценка областей влияния региональных источников загрязняющих примесей на качество воздуха в г.г. Новосибирске, Томске и в Новосибирском Научном Центре.
-
Исследование влияния выбросов тепловых станций на качество воздуха в Новосибирском Научном Центре в рамках Экологической программы ННЦ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Создан комплекс алгоритмов и программ для реализации мате
матических моделей для исследования мезоклиматов и качества атмо
сферы промышленных регионов с использованием новых численных
схем и алгоритмов для решения задач гидротермодинамики атмосфе
ры, переноса примесей, задачи диагностики модели переноса приме
сей и восстановления полей концентрации по данным наблюдений.
2. Проведены эксперименты по исследованию вычислительных
свойств используемых в моделях комплекса схем и алгоритмов.
-
Сформированы наборы входных данных, необходимых для проведения исследований атмосферы Новосибирского и Томского промышленных регионов с различной степенью детализации, на основе которых проведена серия численных экспериментов по изучению особенностей формирования и изменения мезоклиматов и качества атмосферы этих промышленных регионов. Исследовано влияние выбросов тепловых станций на качество воздуха Новосибирского Научного Центра с использованием данных измерений параметров источников выбросов, выполненных сотрудниками Института Теплофизики СО РАН.
-
Проведена апробация алгоритма диагностики модели переноса примеси и восстановления поля концентрации формальдегида в Новосибирском Научном Центре по данным измерений, проводимых в 1991 г. сотрудниками ИХКиГ СО АН СССР.
Апробация работы и публикации:
Основные положения и отдельные результаты работы докладывались, представлялись и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:
1. Всесоюзная конференция "Методы математического моделирования в задачах охраны природной среды и экологии". Новосибирск, 1991.
-
II Всероссийская конференция по математическим проблемам экологии ( МАПЭК-94 ). Новосибирск, 1994.
-
Конференция молодых ученых Вычислительного Центра СО РАН. Новосибирск, 1995.
-
Конференция молодых ученых Вычислительного Центра СО РАН. Новосибирск, 1996.
5. Второй Сибирский Конгресс по Прикладной и Индустриальной
Математике ( ИНПРИМ-96 ). Новосибирск, 1996.
6. III Международная конференция по математическим пробле
мам экологии ( МАПЭК-96 ). Новосибирск, 1996.
7. III Конференция рабочей группы по проекту "Аэрозоли Сиби
ри". Томск, 1996.
8. Международный симпозиум "Атмосферный аэрозоль". Мо
сква, 1996.
По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура диссертации:
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа иллюстрирована 48 рисунками. Список литературы включает 116 наименований.