автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Численное моделирование влияния дымовых аэрозолей от лесных пожаров на процессы в атмосфере

На правах рукописи

Дубровская Ольга Анатольевна

Численное моделирование влияния дымовых аэрозолей от лесных пожаров на процессы в атмосфере

05 13 18 — математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

□ □3 1ьвоэ<-

Новосибирск - 2008

003168892

Работа выполнена в Институте вычислительных технологий СО РАН

Научный руководитель- доктор физико-математических наук, доцент Климова Екатерина Георгиевна

Официальные оппоненты, доктор физико-математических наук, профессор Ривин Гдалий Симонович, доктор физико-математических наук, профессор Черных Геннадий Георгиевич

Ведущая организация Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г Томск

Защита состоится 10 июня 2008 г в 15-30 на заседании диссертационного совета ДМ 003 046 01 при Институте вычислительных технологий СО РАН по адресу 630090, г Новосибирск, проспект академика М А Лаврентьева, 6, конференц-зал ИВТ

С диссертацией можно ознакомиться в специализированном читальном зале вычислительной математики и информатики ГПНТБ СО РАН (проспект академика М А Лаврентьева, 6)

Автореферат разослан 8 мая 2008 г

И о ученого секретаря диссертационного совета дтн, профессор

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Актуальность численного моделирования атмосферных процессов для описания переноса и трансформации дымовых аэрозолей вызвана необходимостью решения таких практических задач как изучение чувствительности климата, загрязнение окружающей среды, разработка систем мониторинга, обеспечения экологической безопасности

При изучении динамики облачного покрова, которая играет важную роль в формировании климата, возникает задача о детальном исследовании влияния дымового аэрозоля от массовых лесных пожаров на процессы облако- и осадкообразования Связанные с лесными пожарами выбросы аэрозоля в атмосферу могут оказывать существенное влияние на влажностные и оптические характеристики облачного покрова, а, следовательно, на процессы осадкообразования и, в результате, на погоду целого региона

Поскольку в Сибири сосредоточены большие лесные массивы, то увеличение площадей пожарищ, длительности пожарного сезона и силы пожаров приводит к тому, что высвобождаются значительные объемы углерода Поэтому одной из важных задач является описание распространения дымового аэрозоля и других продуктов горения во времени и в пространстве с привлечением фактической метеорологической информации и данных о пожарах

Цель работы:

- адаптация модели конвективного пограничного слоя атмосферы для исследования процессов распространения аэрозоля с учетом конвекции, турбулентного обмена, влажности, силы и направления ветра,

- с помощью модели конвективного пограничного слоя провести анализ влияния крупнодисперсного дымового аэрозоля, выделившегося при лесных пожарах, на процессы облако - и осадкообразования,

- разработка алгоритма восстановления значений концентрации газовых составляющих в заданном регионе по данным о лесных пожарах и метеорологической информации

Научная новизна работы. Негидростатическая модель атмосферного пограничного слоя, учитывающая фазовые переходы в системе пар-вода-лед, была использована для расчета различных сценариев формирования конвективной облачности в районе пожара и переноса дымового аэрозоля

Такой подход для моделирования облачности в условиях пожара является новым

Полученные результаты численного моделирования по распространению дымового аэрозоля учитывают процессы конвекции, турбулентного обмена, влажности, силы и направления ветра Количество и распределение осадков при наличии в атмосфере различных концентраций примесей позволили сделать предположение, что активный вертикальный тепломассоперенос, генерируемый в зоне массовых лесных пожаров, может оказаться фактором влияния локальных процессов в зоне пожара на атмосферную циркуляцию регионального масштаба Полученные результаты моделирования распространения дымового аэрозоля в тропосфере под влиянием различных метеорологических факторов являются новыми

С помощью методов математического моделирования впервые показано, что частицы крупнодисперсного дымового аэрозоля, выбрасываемого в зоне горения, могут приводить к уменьшению ливневых осадков в условиях Сибирского региона Это может быть существенным в реализации механизма положительной обратной связи, приводящей к увеличению длительности массовых пожаров на территории азиатской части России

Разработана методика восстановления значений концентрации газовых составляющих по данным космического зондирования о лесных пожарах и метеорологическим данным для оценки концентрации примеси в заданном регионе с помощью построения обратных траекторий и использованием процедуры усвоения данных Эта методика была впервые применена для конкретных случаев массовых лесных пожаров 2002 и 2006 гг Результаты численных экспериментов, полученные при использовании данной методики, согласуются с фактическим распределением дымовых шлейфов, полученным по данным спутников серии ИОАА

Достоверность изложенных в работе результатов обеспечивается применением современных математических моделей динамики атмосферы, сравнением полученных результатов модельных исследований со спутниковыми данными и с результатами других авторов Практическая значимость. Разработаны модели локального и дальнего переноса дымового аэрозоля, выделившегося при лесных пожарах Выявлен механизм влияния лесных пожаров на циркуляцию воздушных масс Разработанные методики могут быть включены в локальные и региональные

модели атмосферных циркуляций для прогнозирования условий работы авиационного и других видов транспорта, а также безопасности жизнедеятельности населения при крупных массовых лесных пожарах и задымлении местности

Основные результаты, выносимые на защиту

1 Проведена адаптация модели динамики конвективного пограничного слоя атмосферы при постановке начально-краевой задачи, отражающей наличие пожара, как теплового источника и источника эмиссии дымового аэрозоля для уравнений термогидродинамики

2 С помощью модели динамики конвективного пограничного слоя атмосферы проведена численная оценка характеристик ансамбля конвективной облачности над зоной горения Сделан расчет области распространения дымового аэрозоля для различных сценариев, выявлены закономерности турбулентного, конвективного переноса тепла, влаги и дымовых аэрозолей, а также оценено их влияние на процессы облако- и осадкообразования На основе анализа результатов численных экспериментов и спутниковых данных показано, что возможна реализация прямых и обратных связей между процессами синоптического и локального масштабов в зоне горения и задымления

3 Разработан вычислительный алгоритм восстановления значений концентрации газовых составляющих по данным о лесных пожарах и метеорологическим данным в заданном регионе на регулярной сетке Алгоритм реализован в виде комплекса прикладных программ

Представление работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды ENVIROMIS-2004, 2006 гт (г Томск), Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (г Горно-Алтайск, 2004 г ), XI, XII, XIII, Рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (г Томск, 2004, 2005, 2006 гг), VIII, IX Всероссийской конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (г Кемерово, 2005 г, г Барнаул, 2007 г), X, XI Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М Ф Решетнева (г Красноярск. 2006, 2007 гг ), Международном симпозиуме «Физика атмосферы наука и образование» (г С -Петербург - Петродворец, 2007 г), XI Всероссийской школе-

5

конференции молодых ученых «Состав атмосферы Атмосферное электричество Климатические эффекты» (г Нижний Новгород, 2007 г), Международном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2006,2007» (г Новосибирск) Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, куда входят (в скобках в числителе указан общий объем этого типа публикаций, в знаменателе - объем, принадлежащий автору) 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК (19/0 5 печ л), 4 в изданиях трудов конференций (1 2/0 42 печ л )

Личный вклад автора. В работе [1] автор участвовала в постановке задач по моделированию конвективной облачности в районе пожара, в проведении качественных оценок воздействия частиц крупнодисперсного аэрозоля на процессы осадкообразования с использованием теоретического подхода и с учетом имеющихся экспериментальных данных В работе [2] автору принадлежит проведение сопоставительного анализа результатов численных экспериментов, изучение физических механизмов, обуславливающих прямое и обратное влияние пожаров на синоптические процессы в средней тропосфере В публикации [3] автор участвовала в разработке численных алгоритмов, выполнении их программной реализации, проведении численных экспериментов по восстановлению значений концентрации двуокиси углерода (СО,) Предложенная методика была реализована с привлечением фактической метеорологической информации и данных о пожарах на примере массовых лесных пожаров 2002 и 2006 гг В работах [4-7] автор принимала участие в постановке задач и проведении численных экспериментов по моделированию конвективной облачности в районе пожара для различных метеорологических сценариев, по оценке влияния стратификации атмосферы на высоту подъема аэрозольного облака, по восстановлению полей концентрации дымового аэрозоля при массовых лесных пожарах

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 100 наименований Полный объем диссертации составляет 108 страниц, включая 44 рисунка и 4 таблиц Каждая глава разбита на параграфы

Содержание работы Во Введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируется цель, и ставятся основные задачи работы Приведен обзор

работ, посвященных исследованиям влияния лесных пожаров на процессы облако- и осадкообразования, моделированию многофазных процессов в атмосфере Раскрывается научная новизна и практическая значимость работы Формулируются основные положения, выносимые на защиту В главе 1 содержится описание мезомасштабной математической модели для воспроизведения локальных атмосферных процессов на ограниченной территории с прямым моделированием когерентных структур в стратифицированном атмосферном пограничном слое (АПС) Эта модель разработана ; ф - м н В А Шлычковым и была использована в решении задачи о влиянии пожара и дымового аэрозоля на процессы облако- и осадкообразования и постановке численных экспериментов В параграфе 1.1 представлено краткое введение В параграфе 1.2 приводится постановка задачи о термодинамическом взаимодействии атмосферы, полей влажности и аэрозоля, при использовании модели АПС Базовая система уравнений мезомасштабной модели АПС имеет вид

ди да 8 и ] д ри

--Н И--Н V--\-~vv--

81 дх ду р дг

=-£? Я , 1

-с„П-+ /у--

" дх р

дх

дт

дт

дх

ду

Зу дv ду 1 д рч ттдгг

— + ы — + у— + — № = -с П--

51 дх ду р дг ду

(дг

1и-

ух

дт

УУ

дт

Уг

дх

д-т 5и> ды 1 др и> -^дгт , „ 1

-+ ы-+ V--— = -с.П-+ Л9- —

от дх ду р дг дг р

ду дт

дг

дт от зт

гх [ | гг

дх ду дг

0)

89 д9 д9 1 др9 „ 1

--И/--ну-+—УУ—-— + £«" = -—

д( дх ду р дг р

да 5сг 8ст дх ду дг

д ри ^ др у д ру/ дх ду дг

где и,у,н' - компоненты вектора скорости вдоль осей декартовой системы координат, 9 - возмущение потенциальной температуры от основного «фонового» значения, /- параметр Кориолиса, Я - параметр плавучести, ср -

50

удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, =

дг

температурная стратификация, Фг - фазовые притоки тепла, г

компоненты тензора турбулентных напряжений, ©,Г,р,П - потенциальная температура, абсолютная температура, давление, функция Экснера (аналог

давления), соответственно, переменные с чертой - фоновые поля, удовлетворяющие уравнениям состояния и статики

Р-R.pt, ^ = гТ = £, (2)

аг Т

где р(г) - статическое падение плотности с высотой, g - ускорение силы тяжести, - газовая постоянная

В параграфе 1.3 рассмотрены начальные и граничные условия для негидростатической модели АПС В параграфе 1.4 приведено турбулентное замыкание для расчета коэффициентов турбулентного обмена подсеточных масштабов В параграфе 1.5 представлена модель переноса влаги и параметризация микрофизических процессов Система уравнений переноса влажности и осадков рассматривается совместно с уравнениями гидротермодинамики АПС (1)-(2) и содержит уравнения для концентрации водяного пара д, взвешенной капельной д^ и кристаллической д влаги,

жидких осадков дг и снега ц В параграфе 1.6 описана конечно-разностная

аппроксимация и метод решения системы уравнений

Таким образом, в Главе 1 сформулирована математическая задача о термодинамическом взаимодействии полей влажности и аэрозоля с использованием модели динамики конвективного пограничного слоя и учетом параметризации микрофизических процессов

Глава 2 посвящена исследованиям воздействия дымового аэрозоля на процессы облако- и осадкообразования и анализу результатов численных экспериментов В параграфе 2.1 для воспроизведения конвективного облака над зоной пожара использовалась численная модель АПС совместно с моделью переноса влаги и параметризации микрофизических процессов

Процессы горения и эмиссии аэрозолей учитываются через краевые условия £ =£0, £ = 7",, при 5=0,5 = 0, при лг, у г Л, г = А,

где И - нижняя граница области, Н - верхняя граница, Т„ - превышение температуры за счет горения, Я(х,у) - область на подстилающей поверхности, ограниченная кромкой пожара, где происходит эмиссия тепла, пара и аэрозоля, 5„ - концентрация примеси. Тп и считаются заданными величинами Остальные краевые условия имеют следующий вид

К„^- = сМ («,-,„), К„^ = С0|(у|(.9-©0), К^- = Си\0\и, К^- = Сы\и\у, 6г 1 1 дг 1 1 & &

&Я &Я да ¿5

«'=0,-^ = 0, —!- = 0, -^1 = 0,—^ = 0,— = 0 при г = И, дг о: дг дг йг

я = ян, Яс=0, 9;=0, дг=0, 5 =0, и = = = 0, = Г при

г = Н,

где - заданное распределение удельной влажности на верхней границе

АПС, иг, Уг - вектор внешней (крупномасштабной) скорости ветра, у -задает устойчивую стратификацию в тропосфере На боковых границах расчетной области принято условие равенства нулю нормальных производных от искомых функций Начальные поля при (= 0 задаются следующие

.9 = 0, ? = (?(г), дс =0, =0, ^=0, ы=0,у = 0,и> = 0

В параграфе 2.2 представлены результаты численного моделирования различных сценариев формирования конвективной облачности над зоной горения и распространения дымового аэрозоля При моделировании атмосферной циркуляции зона перегрева расширялась во времени, имитируя продвижение фронта пожара. Процессы горения развивались в пределах приземного подслоя, над зоной пожара задавался турбулентный поток примеси с характерными значениями, взятыми из наблюдений Результаты эксперимента показали, что в штилевых условиях по мере нарастания температуры над очагом формируется вертикальная струя, которая переносит тепло и продукты горения вверх Максимум вертикальной скорости в струе равен \у=3 м/сек Из результатов численных экспериментов следует, что форма аэрозольного облака сильно зависит от соотношения факторов адвекции и конвекции, которые на разных стадиях развития обусловливали различные эффекты Например, даже умеренный ветер в начальной фазе пожара приводил к подавлению конвективных движений, и облако дыма стелилось по поверхности земли

В следующей серии экспериментов изучалось влияние начального поля влажности на высоту подъема аэрозольного облака В первом эксперименте моделировалось формирование конвективной ячейки над зоной пожара при относительной влажности невозмущенной атмосферы /"=30% Во втором эксперименте относительная влажность задавалась равной 90% Прочие условия были одинаковыми в обоих экспериментах, в частности полагалось и о = у „ = 0 Область горения Я представлялась в виде круга радиусом 1 км,

в котором задавалось = 1, Тп = 70' С. Расчетная сетка бралась равномерной по горизонтали и имела 128 х 128 узлов с Дх = Лу = 77 м. По вертикали сетка содержала 100 уровней, а верхняя граница области задавалась на высоте 5 км. Результаты расчетов представлены на рис. 1 а, 3 б. В случае «сухой» атмосферы аэрозольное облако достигает высоты 1700м и не выходит за пределы экмановского пограничного слоя (рис. 1 а). В атмосфере с высокой влажностью / = 90% образуется конвективное облако, а конвективная колонка вместе с аэрозольным облаком увеличивается до 3000м (рис. 1 б).

3 I. 2. км з

I

1

X. км

14 14

а) б)

Рис. I. Область распространения дымового аэрозоля при образовании облаков в условиях устойчивой стратификации а) - при /=30%, б) - при /=90%

Результаты численных экспериментов сравниваются с результатами исследований низовых и верховых лесных пожаров, проведенных в полевых условиях.

Параграф 2.3 посвящен воздействию крупнодисперсного дымового аэрозоля на процессы осадкообразования. Влияние лесных пожаров на процессы облако - и осадкообразования в средних и высоких широтах заметно отличаются от влияния пожаров в тропиках. Так, если в амазонских лесах пожары инициируют ливневые осадки, то в условиях Сибири они приводят, наоборот, к уменьшению осадкообразования. Вершины облаков, дающие ливневые осадки, расположены выше уровня изотермы -12° С и состоят из водяного пара, водяных капель, ледяных кристаллов, снега и ледяной крупы. Попадание туда достаточного количества аэрозоля, выделившегося при пожаре, а именно 100 частиц на I м3 стимулирует быструю кристаллизацию водяных капель. Облака с ледяной вершиной не дают ливневых осадков.

10

X, км

_ 2. км

Исследовалось влияние крупных частиц дымового аэрозоля с размерами 1,0 < г < 1,5 мкм на ливневые облака Именно крупнодисперсная фракция дает наибольший вклад в дымы, которые образуются при верховых и низовых пожарах Распределение концентрации частиц крупнодисперсного дымового аэрозоля по вертикали рассчитывалось с помощью модели оценки эмиссии по данным о сгоревшей биомассе для Якутских пожаров 2002 г Качественные оценки показали, что на высоту изотермы -12"С попадало ^об, = 0,01x7^ = 4,Зх103 м~ъ Это достаточное количество аэрозоля, чтобы вызвать процессы кристаллизации и уменьшение осадков

Для сопоставительного анализа количества и распределения осадков при наличии в атмосфере различных концентраций примесей использовалась модель конвективного пограничного слоя атмосферы (1)-(3)

Проведена серия экспериментов, в которых температура зоны горения задавалась различными значениями Тп от 70'С до 100'С. Перепад температур на уровне слоя постоянных потоков А составлял АТ„ = 5°С и АТП = ТС Сеточная детализация 512x32 узлов по горизонтали и 100 уровней по вертикали в области 80x10x10км1 позволяет явным образом разрешать когерентные структуры (термики и конвективные облака) в стохастическом конвективно-облачном ансамбле В ходе модельного эксперимента наблюдалось формирование конвективного ансамбля, состоящего из нескольких термиков Затем, когда наиболее «мощные» термики достигают уровня конденсации, начинают образовываться конвективные облака Вертикальные размеры облаков увеличиваются и через 20-30 мин из них начинают выпадать осадки Расчеты проводились для различных концентраций примеси, вносимой в верхнюю часть облаков Количество осадков в миллиметрах в различные моменты времени для этих значений перегрева приведены на рис 2 а, 2 б

На основании полученных оценок и результатов численных экспериментов можно сделать следующий вывод если облако имеет переохлажденную вершину (именно эти облака дают интенсивные осадки) выше изотермы -12°С, то попадание туда в результате лесных пожаров аэрозольных частиц с размерами более 1 мкм приводит к ослаблению осадков

а) б)

Рис 2 Влияние аэрозоля на изменение выпавших осадков в различные моменты времени а) при АТП = 5'С 1 - количество выпавших осадков в мм на уровне г = А, I - время в минутах, 1 - аэрозоль отсутствует, 2 - концентрация аэрозоля составляет 100 частиц/м3, 3 - концентрация аэрозоля составляет 800 частиц /м3, б) То же, что в а) при Л7), = 7" С В параграфе 2.4 проведен сопоставительный анализ данных космического зондирования массовых лесных пожаров, относящихся к катастрофическим, на территории Азиатской части России в период с 2002 по 2006 гт При анализе космической информации, были выявлены следующие закономерности

• при массовых лесных пожарах над зонами пожаров и задымления устанавливается аномально сухая погода на протяжении длительного времени,

• ожидаемая резервная облачность, которая могла бы частично потушить очаги возгорания, не проходит над такими районами

Численные расчеты показали, что увеличение концентрации дымового аэрозоля в вершине облака приводит к уменьшению общего количества выпавших осадков Попадание достаточного количества дымового аэрозоля в верхние слои атмосферы стимулирует быструю кристаллизацию водяных капель Облака с «ледяной вершиной» дают более слабые осадки, чем те облака, вершины которых состоят из смеси ледяных кристаллов, снега и дождевых капель Это находится в соответствии с теоретическими представлениями и натурными наблюдениями микрофизических процессов облаков

Использование данных дистанционного зондирования спутника МОАА

дало возможность проанализировать распределение облачности и

прохождение циклонов над зонами массовых лесных пожаров с 2002 по 2006

гг На снимках видно, что непосредственно над зоной пожаров облачность

отсутствует (рис 3) Анализ космического мониторинга метеорологической

12

ситуации, прохождения циклонов и наличие облачности указывает на то, что происходит перестройка циркуляций воздушных масс над зоной пожара и в его окрестностях. В результате возникает механизм положительной обратной связи, приводящей к увеличению длительности массовых пожаров в условиях Сибирских регионов. В параграфе 2.5 представлены основные результаты главы 2.

Рис. 3. Расположение циклонов и облачности в зоне массовых лесных пожаров а) на территории Республики Саха (Якутия) 16.08.2002 г., б) на территории Ханты-Мансийского АО 01.08.2005 г.

В главе 3 представлен алгоритм восстановления значений концентрации газовых составляющих по данным о лесных пожарах и метеорологическим данным. В параграфе 3.1 рассмотрен алгоритм для оценки эмиссии СО, по данным о сгоревшей биомассе на примере Якутских пожаров 2002 г. и пожаров в районе р. Ангары в 2006 г. при использовании данных о выгоревшей площади, с соответствующим выбором эмпирических коэффициентов. В параграфе 3.2 изложена методика, основанная на вычислении обратных траекторий, для оценки территории, охваченной дымовым аэрозолем. Уравнения траекторий записываются в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Вертикальная скорость со в р - системе координат рассчитывается из уравнения притока тепла. Система уравнений решается на временном интервале [?",/°].В качестве начальных данных задаются координаты частицы (Л ,<р ,р ) в момент времени ( . На каждом временном шаге находится значение координаты р с использованием простейшей схемы односторонних разностей. Для интегрирования по пространственным координатам применяется метод Рупге-Кутта четвертого порядка точности.

В параграфе 3.3 изложена процедура усвоения данных, используемая для восстановления концентрации дымовых аэрозолей. Усвоение данных

13

проводится на основе цикла прогноз-анализ, при этом под анализом данных понимается интерполяция наблюдений в заданную точку Анализ осуществляется с помощью метода экспоненциальной интерполяции Шаг «прогноза» вдоль траектории для одного временного шага д/ можно формально записать следующим образом = ц"*1

Данные о сгоревшей биомассе рассматриваются в К точках Земной поверхности с координатами {(Л„('')>й('у))Д = I, К) в моменты времени Л У, в которых имеется спутниковая информация В момент г', производится «анализ», т е оценка значений концентрации в 1-ом сеточном узле по вычисленному на этот момент значению концентрации и данным наблюдений Полученное значение «анализа» является начальным для вычисления следующего шага «прогноза» Значение «анализа», т е значение концентрации я'„, соответствующей точке траектории (X' ,<р' ,р') определяется по значениям данных наблюдений, известным в окрестности этой точки радиусом К В момент времени , производится анализ (уточнение) значения концентрации СО, с помощью метода

экспоненциальной интерполяции 7-, где К, - количество

точек наблюдений, попавших в окрестность точки радиуса Л,

сс]к —е <л ' , г/к - расстояние между точкой траектории (/}(/'),?>(''),/>('')) и к -ой точкой наблюдений, В" - радиус корреляции, Д^=Дг % Величина т]к определяется но данным наблюдений о выделении газовых составляющих в единицу времени

В параграфе 3.4 представлены результаты численных экспериментов для массовых лесных пожаров 2002 г на территории Республики Саха (Якутия) и 2006 г в районе р Ангары (Приангарья), сделанных по предложенной методике При расчете обратных траекторий были использованы метеорологические данные о ветре, температуре и высоте в узлах сетки 2,5 х2,5° Фоновая концентрация СО, задавалась равной 340 ррш В качестве источника данных дистанционного зондирования использованы материалы спутниковых съемок низкого и среднего пространственного разрешения НОАА/АУ1ШТОУ8 и Тегга/МСЮШ территории Сибири

Восстановление концентрации проводилось для различных регионов в узлах широтно-долготной сетки 1,25' х 1,25" или 2,5' х2,5°. На рис. 4 а, 4 б приведены результаты численных экспериментов по восстановлению концентрации СОг для Якутских пожаров 2002 г. Пожары отмечены в виде черных точек. Сравнивая модельные результаты и натурные данные, можно отметить совпадение областей максимальной концентрации примеси, получаемой при переносе продуктов горения от лесных пожаров.

Рис. 4. Результаты расчетов распространения примеси и распределения в заданном

регионе 70'-172,5" в.д. и 63,5' -80" с.ш. в узлах широтно-долготной сетки 2,5"х2,5" (а); 1,25* х 1,25" (б).

В параграфе 3.5. предложен комплекс прикладных программ, для проведения численных экспериментов. В параграфе 3.6 представлены основные результаты главы 2.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Проведена адаптация модели динамики конвективного пограничного слоя атмосферы при постановке начально-краевой задачи, отражающей наличие пожара, как теплового источника и источника эмиссии дымового аэрозоля для уравнений термогидродинамики.

2. С помощью модели динамики конвективного пограничного слоя атмосферы проведена численная оценка характеристик ансамбля конвективной облачности над зоной горения. Сделан расчет области распространения дымового аэрозоля для различных сценариев, выявлены закономерности турбулентного, конвективного переноса тепла, влаги и дымовых аэрозолей, а также оценено их влияние на процессы облако- и осадкообразования. На основе анализа результатов численных экспериментов и спутниковых данных показано, что возможна реализация

прямых и обратных связей между процессами синоптического и локального масштабов в зоне горения и задымления

3 Разработан вычислительный алгоритм восстановления значений концентрации газовых составляющих по данным о лесных пожарах и метеорологическим данным в заданном регионе на регулярной сетке Алгоритм реализован в виде комплекса прикладных программ

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1 Дубровская О А Оценка влияния крупных дымовых частиц на процессы осадкообразования [Текст] /ВС Козлов, В М Мальбахов // Оптика атмосферы и океана - 2005 -том 18, №5-6 -С 430-435

2 Дубровская О А Влияние массовых лесных пожаров на циклонические процессы в Сибири [Текст] / В М Мальбахов , В А Шлычков // Вычислительные технологии -2007 - том 12, №2 - С 58-66

3 Дубровская О А Прогнозирование распространения дымовых аэрозолей на территории Сибири [Текст] / Е Г Климова // Вычислительные технологии - 2007, том 12, №5 - С 68-77

Публикации по материалам конференций

4 Дубровская О А, О влиянии пожаров на процессы облако- и осадкообразования [Текст] / А А Леженин, В М Мальбахов, А И Сухннин, В А Шлычков II География и природные ресурсы - 2004 -специальный выпуск - С 158-161

5 Мальбахов В М Численная модель распространения дымового шлейфа при лесных пожарах с параметрическим учетом процессов горения [Текст] / В А Шлычков, А А Леженин, О А Дубровская // География и природные ресурсы -2004 - специальный выпуск - С 170-175

6 Мальбахов В М Численное моделирование некоторых экстремальных атмосферных явлений [Текст] / В А Шлычков, О А Дубровская // Труды VIII Всероссийской конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» - Кемерово, 2005 С 228-237

7 Мальбахов В М Оценка влияния лесных пожаров на облако- и осадкообразование [Текст] / А А Леженин, О А Дубровская, Е Г Климова, В А Шлычков//Вычислительные технологии -2006 - том 11, часть 3, специальный выпуск - С 135-142

Тираж 100 экз.

Формат 60x84 1/16 Заказ № V d i

Отпечатано в ЗАО РИЦ «Прайс-курьер» 30 04 2008

630090, г Новосибирск, ул Кутателадзе, 4 а

Введение.

Глава 1. Мезомасштабная модель конвективного пограничного слоя атмосферы.

Введение.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Граничные и начальные условия.

1.3. Турбулентное замыкание.

1.4. Модель переноса влаги и параметризация микрофизических процессов.

1.5. Конечно-разностная аппроксимация и метод решения.

Глава 2. Исследование воздействия дымового аэрозоля на процессы облако-и осадкообразования с помощью модели АПС.

Введение.

2.1. Постановка начально-краевых условий для модели динамики конвективного пограничного слоя при наличии пожара как теплового источника и источника эмиссии дымового аэрозоля.

2.2.Влияние стратификации атмосферы на высоту подъема аэрозольного облака. Численные эксперименты и результаты расчетов.

2.2.1. Численный эксперимент по распространению концентрации дымового аэрозоля над зоной пожара при штилевых условиях.

2.2.2. Численный эксперимент по распространению концентрации дымового аэрозоля над зоной пожара при задании внешнего ветра.

2.2.3. Численный эксперимент по распространению концентрации дымового аэрозоля над зоной пожара при различных значениях начального поля влажности.

2.3. Воздействие крупнодисперсного дымового аэрозоля на процессы осадкообразования. Численные эксперименты и результаты расчетов.

2.4. Влияние массовых лесных пожаров на циклонические процессы.

2.5. Основные результаты главы 2.

Глава 3. Моделирование дальнего переноса дымовых аэрозолей от массовых лесных пожаров.

Введение.

3.1. Оценка концентрации СОг по данным о сгоревшей биомассе.

3.2. Вычисление распространения аэрозоля с помощью обратных траекторий.

3.3. Усвоение данных при восстановлении концентрации дымовых аэрозолей.

3.4. Численные эксперименты.

3.5. Программный инструментарий для реализации алгоритма восстановления значений концентрации газовых составляющих.

3.6. Основные результаты главы 3.

Возникающие лесные пожары в различных местах земного шара в настоящее время привлекают к себе внимание не только как природные бедствия, приносящие огромный экономический ущерб, но и как фактор динамики экосистем.

Они играют важную роль в формировании локальной, региональной и даже глобальной экодинамики, что проявляется, например, в выбросах в атмосферу парниковых газов и аэрозоля. Согласно имеющимся оценкам около 30% тропосферного озона, окиси углерода и углекислого газа, содержащихся в атмосфере, приходится на долю лесных пожаров [1]. Связанные с лесными пожарами выбросы аэрозоля в атмосферу могут оказывать существенное влияние на микрофизические и оптические характеристики облачного покрова, а, следовательно, на процессы осадкообразования и в результате на погоду целого региона.

Анализ информации о лесных пожарах демонстрирует противоречивую природу данного явления. С одной стороны, это стихия природного (иногда и антропогенного) происхождения, причиняющая ощутимый материальный ущерб, а с другой, необходимый компонент для эволюции и обновления растительного покрова. Лесной пожар представляет собой стихийное аэротермохимическое явление, в рамках которого имеют место испарение свободной и связанной в органическом веществе воды, пиролиз и горение лесных горючих материалов, сопровождающийся переносом энергии и веществ из зоны пожара в результате конвекции, излучения и диффузии.

Под зоной пожара понимается часть природной среды, внутри которой термодинамические параметры отличаются от равновесных значений, в результате изменения температуры и состава окружающей среды вследствие физико-химических превращений во фронте пожара. Эти параметры определяются погодными условиями и типом растительности.

Под фронтом пожара понимается зона, в которой имеет место горение лесных горючих материалов и образование продуктов пиролиза [2].

В течение миллионов лет лесные и степные пожары служили составной частью эволюции растительности и животного мира. На Земле осталось немного территорий, целиком покрытых лесом. Это, в первую очередь, влажные тропические леса, мало подверженные пожарам из-за частых дождей. Регионами, целиком покрытыми лесом, и относительно мало подвергшимся деятельности человека являются: Север Европейской части России и Скандинавских стран, центральная и северная часть Сибири, Якутия, Хабаровский и Приморский края, а также Север Канады и Аляска. Наибольшими по площади в России являются леса ее Азиатской части. Эти леса являются естественным объектом для изучения влияния лесных пожаров, как биологического, экологического, климатообразующего фактора, а также природно-климатических и ландшафтно-геохимических изменений.

Прямое воздействие дымового аэрозоля заключается в понижении прозрачности атмосферы, что приводит к изменению температуры подстилающей поверхности и большому количеству вторичных эффектов, таких как изменение характера воздушных циркуляций в зоне дымового факела. Согласно [3], общий вклад пожаров в состав атмосферного аэрозоля стоит на третьем месте после морской соли и мелких частиц почвенной пыли. Концентрация соли и пыли в атмосфере варьируется незначительно, в то время как количество аэрозоля, выделяющегося при лесных пожарах в разные годы, изменяется на порядок, что может влиять на короткопериодные колебания климата. В период пожаров основная масса аэрозоля сконцентрирована в дымовом шлейфе и именно в нем происходят взаимодействия с газовыми, жидкими и твердыми компонентами, входящими в состав атмосферы. Таким образом, аэрозольная фракция оказывает существенное влияние на радиационный баланс атмосферы (проблема глобального потемнения) [4], вызывая серьезные экологические проблемы.

Особое место занимает проблема химических реакций на частицах водного (облака) и твердого аэрозоля. Важная роль динамики облачного покрова в формировании климата состоит в детальном изучении сложных взаимодействий и влиянии дымового аэрозоля от массовых лесных пожаров на процессы облако- и осадкообразования.

Лесные пожары являются мощным генератором большого количества аэрозольных частиц, которые, поступая в атмосферу, значительно меняют ее оптические (видимость, светорассеяние), радиационные (температурные эффекты), термодинамические (ядра конденсации в процессах облако- и осадкообразования) и экологические (загрязнение воздуха) характеристики. Известно, что по своим климатическим и экологическим последствиям лесные пожары рассматриваются как природный аналог массовых ядерных взрывов. Понимание актуальности этой проблемы позволило разработать имитационные численные модели. Эти модели учитывают влияние полей влажности и температуры на обмен газовыми компонентами между подстилающей поверхностью и атмосферой при меняющихся свойствах поверхности.

Количество содержащихся в тропосфере некоторых газовых примесей, а именно углекислого газа (СО2), закиси азота (К02), метана (СН4), озона (03) и хлорвтороуглеводородов, возрастает. Эти газы практически прозрачны для поступающей солнечной коротковолновой радиации, но поглощают и испускают длинноволновое излучение и, таким образом, могут оказывать влияние на климат Земли. Концентрация углекислого газа, который является вторым после Н20 по значимости парниковым газом атмосферы, в течение последних десятилетий растет со скоростью 0,7 ррш в год. Фоновое содержание двуокиси углерода у поверхности Земли по разным оценкам составляет 334-356 ррш [5]. В городских районах содержание С02 может достигать 500 ррш. Естественный источник образования диоксида углерода -растения, океан, вулканические выбросы, лесные пожары. Быстрое развитие промышленности на основе топливной энергетики, а также изменение I I характера землепользования (вырубка лесов и расширение сельскохозяйственных угодий) привели к увеличению роста концентрации СО2 в атмосфере, что может привести к изменению глобального климата, поэтому прогноз будущих концентраций углекислого газа является важной задачей [5].

Большой интерес к анализу процессов, определяющих влияние аэрозоля и облаков на климат, вызван высоким уровнем неопределенности оценок прямого и косвенного их воздействия. Эти неопределенности связаны с процессами сложного взаимодействия между аэрозолем и облаками, зависящими от микроструктуры, химического состава и типа облаков, а также изменений свойств частиц аэрозоля, возникающих при взаимодействии с облачными каплями внутри облаков.

Процесс взаимодействия между аэрозолем и облаками проявляется двояко. С одной стороны, частицы аэрозоля функционируют, как облачные ядра конденсации. С другой стороны, наблюдается обратное воздействие облаков на аэрозоль, которое приводит к изменению счетной концентрации, микроструктур и химическому составу аэрозоля. Изменения свойств частиц аэрозоля возникают в процессе коагуляции облачных капель, когда наблюдается рост облаков за счет добавления вещества при окислении некоторых малых газовых компонент в жидкой фазе (каплях), а так же путем изменения концентрации аэрозоля в атмосфере за счет вымывания аэрозольных частиц [6].

Изучение различных свойств дымовых аэрозолей (дисперсных продуктов сгорания лесных горючих материалов (ЛГМ)) представляет интерес для совершенствования моделей лесных пожаров, дымовых шлейфов, переноса продуктов горения, развития оптических и радиационных методов обнаружения и мониторинга очагов пожаров. Образующиеся дымовые частицы, находясь в зоне горения, активно воздействуют на распространение пожара, процессы облако- и осадкообразования, непосредственно участвуя в процессах массопереноса и передачи тепла излучением.

Следует отметить, что вопросы создания необходимых для отмеченных задач микрофизических моделей дымовых аэрозолей, описывающих их влияние на формирование облако-, осадкообразования и циркуляции воздушных масс при лесных пожарах для средних и высоких широт, исследовано недостаточно.

Что касается влияния лесных пожаров на процессы облако - и осадкообразования, то в условия Сибири они заметно отличаются ст влияния пожаров в тропиках. Так, если в амазонских лесах пожары инициируют ливневые осадки [7], то в Сибири при лесных пожарах в отдельных случаях над зоной горения может возникать кучевое облако, как правило, не дающее осадков. Кроме того, анализ большого количества спутниковых фотографий облачности показывает, что на территории азиатской части России над зоной массовых пожаров осадки не выпадают [8]. В отдельных случаях ясная погода имеет место лишь над территорией, занятой дымовыми шлейфами от массовых лесных пожаров, что свидетельствует о существовании механизма подавления процессов облако - и осадкообразования под влиянием дымового аэрозоля.

Очевидно, что в жаркие и засушливые годы вероятность природных пожаров существенно возрастает. Очень сложно проследить цепочку изменений в ландшафте, природе и климате, происходящих под влиянием лесных пожаров. Например, если рассматривать климатические изменения на образовавшихся гарях, то условия водного и радиационного обмена между почвой и атмосферой существенно меняются. Корневая система деревьев перестаёт поднимать влагу к поверхности земли и в хвою деревьев, из-за чего количество пара, поступающего в атмосферу, уменьшается. Кроме того, из-за большего поглощения солнечной радиации температура почвы выше, чем внутри лесного массива, что приводит к дополнительному её иссушению. Кроме того возникает механизм, благодаря которому над более теплой подстилающей поверхностью возникает конвекция и увеличивается вероятность формирования внутримассовых облаков и выпадения осадков над гарями [9].

Остановимся вначале на прямом воздействии пожаров на движение воздушных масс. Данные наблюдений и результаты численного моделирования [5, 10], показывают, что при лесных пожарах непосредственно над зоной горения возникает конвективная колонка высотой до 2 км. При большой влажности атмосферы конвективная колонка может достигать 5 км. В этом случае в верхней части колонки расположено кучевое облако [11]. Площадь, занимаемая конвекцией, составляет несколько квадратных километров. Территория, покрываемая дымовыми шлейфами от лесных пожаров, больше в десятки и сотни раз. Так, дым от массовых лесных пожаров в районе р. Ангары в 2006 году достиг г. Томска, а продукты горения Сибирских лесных пожаров 2003 года оказали негативное влияние на экологию Аляски, Канады, США [12, 13]. В настоящее время современные методы дистанционного зондирования и космического мониторинга позволяют более полно исследовать распространение, структуру и динамику дымовых загрязнителей, а также осаждение на подстилающую поверхность. Со спутника поступает информация о задымленности территории в районах лесных пожаров, а также дымовых шлейфах и дымовых колонках, о фронтальной облачности с активной грозовой деятельностью.

Наиболее существенен общий вклад аэрозолей в процессы конденсации и сублимации водяного пара, коагуляции и кристаллизации водяных капель. Обзор работ, посвященных изучению механизмов воздействия аэрозолей на процессы облако — и осадкообразования, изложен в работах [14-18]. Основные выводы, сделанные в этих исследованиях, следующие. На процессы конденсации водяного пара основное влияние оказывает аэрозоль, состоящий из мелких частиц «морской» соли, почти всегда имеющихся в достаточных количествах в атмосфере. Таким образом, влияние лесных пожаров на начальную стадию облакообразования незначительно. Более заметно влияние дымовых частиц на процессы осадкообразования. Обусловлено это тем, что крупные дымовые частицы активно коагулируют с водяными каплями и являются ядрами кристаллизации водяных капель в переохлажденной части облака. В тропической и субтропической зоне, где осадки выпадают из «теплых» облаков, лесные пожары интенсифицируют процессы осадкообразования. Кроме того, в тропических лесах Амазонки дымовой аэрозоль, скопившийся в нижнем слое атмосферы при лесных пожарах, повышает количество молний при грозах [7].

Леса Азиатской части России обладают огромными сырьевыми запасами и выполняют глобальные экологические функции. Вместе с тем «экологический потенциал» лесов Сибири существенно подорван вследствие возрастающего воздействия пожаров [19]. Согласно наиболее вероятным сценариям, наблюдаемое потепление климата повлечет увеличение горимости лесов, количества выбрасываемой в атмосферу двуокиси углерода и других парниковых газов.

Анализ наблюдений показывает, что основное влияние на перенос аэрозолей оказывают сила и направление ветра, которые зависят от синоптической ситуации и орографии.

Влияние горения биомассы на состав атмосферы стало приниматься во внимание научным сообществом, начиная с ранних работ НоЬЬз и ЯасПсе [20] и Еа§ап а1. [21]. Интерес к этой проблеме возрос после первых исследований, которые выявили зависимость загрязнения атмосферы от наземных пожаров [22,23].

Первые исследования были сосредоточены на лесных пожарах, проходивших в тропиках, но постепенно выяснилась значимость пожаров в бореальных областях.

Сопагс! и др. [24] оценили вклад годовых глобальных эмиссий углерода (С) от лесных пожаров для 1998 года, когда была повышенная пожарная активность в России. Этот вклад составил 14 - 20%. Также в 1998 Татто1:о е1 al. [25] обнаружили аномальное увеличение СО в Японии, что было вызвано пожарами на Дальнем Востоке России. Dlugokencky et al. [26] обнаружили, что причиной глобальных метановых аномалий в 1998 также частично стал сезон большой пожарной активности в России. Более того, Fromm et al. [27] предположили, что значительное количество дыма от бореальных пожаров 1998 г. поднялось в атмосферу, где он находился в течение нескольких месяцев.

Kasichke и Bruhwiler [28] выполнили анализ данных наблюдений для лесных пожаров России и Северной Америке в 1998 г. для пяти различных регионов, в которых были зарегистрированы лесные пожары, для оценки выбросов в атмосферу углерода за счет СО?, СО, СН4. С этой целью были введены и рассмотрены различные категории и уровни биомассы и различные пропорции потребляемого углерода в процессе пожара для пяти регионов Сибири и Дальнего Востока. Выбросы газовых компонент составили 290-383 Тг (общий углерод), 828-1105 Тг(С02), 88-128 Тг(СО) и 2,9-4,7 Тг(СН4). Вклад лесных пожаров в России в 1998 г. составил 78% по отношению к суммарным выбросам (19% приходится на долю Северной Америки).

Amber J. Soja et al. [29] получили результаты, которые показывают, что различия в количестве углерода, запасенного в каждой конкретной экосистеме, и сила пожаров могут влиять на общую прямую эмиссию углерода. Вклад этой эмиссии углерода оценивается в размере 50%. В годы с экстремальной пожарной активностью общая прямая эмиссия углерода может быть на 37-41%) больше, чем в годы с нормальной пожарной активностью по причине увеличенного сгорания органических веществ в почве.

Для более точного моделирования и прогнозирования распространения дымового аэрозоля необходимо располагать информацией о концентрации, свойствах и времени жизни аэрозоля в различных атмосферных условиях. Как отмечено в литературе [6], сравнительно длительное время жизни частиц аэрозоля определяет возможность их дальнего переноса. Шлейфы аэрозоля континентального происхождения часто характеризуются повышенной концентрацией ядер конденсации различного состава (сульфаты, нитраты, пыль, углеродный и сажевый аэрозоль) при повышенном вкладе аккумуляционной моды (диаметр частиц 0,1-1,0 мкм) в микроструктуру аэрозоля. При анализе данных наблюдений выявилось существование мощных «рек» загрязненных потоков воздуха от континентов в удаленные районы океана. Неоднократно наблюдался дальний перенос к западному побережью Северной Америки пылевого аэрозоля и малых газовых компонент из пустынь Монголии, из промышленных регионов Восточной Азии, а также из Сибири, где происходили мощные лесные пожары.

Осуществленные за последние два десятилетия натурные эксперименты в удаленных районах земного шара обнаружили присутствие значительного количества антропогенных загрязнений в атмосфере. Ранее эти зоны рассматривались как свободные от загрязнений. Такими регионами стали Арктика и Антарктика, удаленные районы Тихого и Атлантического океанов. Анализ данных самолетных наблюдений выявил крупномасштабные шлейфы загрязнений и аэрозольные слои в атмосфере, которые образовались в результате промышленных выбросов, сжигания биомассы с последующим дальним переносом малых газовых компонент.

Для исследования влияния лесных пожаров на локальную, региональную и глобальную экодинамику необходимо развитие систем наблюдений (при особом внимании к метеорологическому, лидарному и спутниковому дистанционному зондированию), применение новейших геоинформационных систем, и также численного моделирования многофазных процессов в атмосфере с учетом динамики и химических реакций атмосферного аэрозоля.

При изучении динамики облачного покрова возникает задача о детальном исследовании влияния дымового аэрозоля от массовых лесных пожаров на процессы облако- и осадкообразования. Связанные с лесными пожарами выбросы аэрозоля в атмосферу могут оказывать существенное влияние на влажностные и оптические характеристики облачного покрова, а, следовательно, на процессы осадкообразования и, в результате, на погоду целого региона.

Цель исследований:

- адаптация модели конвективного пограничного слоя атмосферы для исследования процессов распространения аэрозоля с учетом конвекции, турбулентного обмена, влажности, силы и направления ветра; анализ влияния крупнодисперсного дымового аэрозоля, выделившегося при лесных пожарах, на процессы облако - и осадкообразования; при использовании модели конвективного пограничного слоя провести

- разработка вычислительного алгоритма восстановления значений концентрации газовых составляющих в заданном регионе по данным о лесных пожарах и метеорологической информации.

Научная новизна работы.

Негидростатическая модель атмосферного пограничного слоя, учитывающая фазовые переходы в системе пар-вода-лед, была использована для расчета различных сценариев формирования конвективной облачности в районе пожара и переноса дымового аэрозоля. Такой подход для моделирования облачности в условиях пожара является новым.

Получены результаты численного моделирования по распространению дымового аэрозоля с учетом конвекции, турбулентного обмена, влажности, силы и направления ветра, а также количества и распределения, осадков при наличии в атмосфере различных концентраций примесей. На их основе сделано предположение о том, что активный вертикальный тепломассоперенос, генерируемый в зоне массовых лесных пожаров, может оказаться фактором влияния локальных процессов в зоне пожара на атмосферную циркуляцию зонального (синоптического) масштаба. Результаты численного моделирования распространения дымового аэрозоля в тропосфере под влиянием различных метеорологических факторов являются новыми.

С помощью методов математического моделирования впервые показано, что частицы крупнодисперсного дымового аэрозоля, выбрасываемого в зоне горения, могут приводить к уменьшению ливневых осадков в условиях Сибирского региона. Такое влияние аэрозоля может быть существенным в реализации механизма положительной обратной связи, приводящей к увеличению длительности массовых пожаров на территории азиатской части России.

Разработана методика восстановления значений концентрации газовых составляющих по данным космического зондирования о лесных пожарах и метеорологическим данным для оценки концентрации примеси в заданном регионе с помощью построения обратных траекторий и использованием процедуры усвоения данных. Эта методика была впервые применена для конкретных случаев массовых лесных пожаров 2002 и 2006 гг. Результаты численных экспериментов, полученные при использовании данной методики, согласуются с фактическим распределением дымовых шлейфов, полученным по данным спутников серии >ЮАА. Практическая значимость.

Разработаны модели локального и дальнего переноса дымового аэрозоля, выделившегося при лесных пожарах. Выявлен механизм влияния лесных пожаров на циркуляцию воздушных масс. Разработанные методики могут быть включены в локальные и региональные модели атмосферных циркуляций для прогнозирования условий работы авиационного и других видов транспорта, а также безопасности жизнедеятельности населения при крупных массовых лесных пожарах и задымлении местности. Представление работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: ENVIROMIS-2004, 2006гг. (г. Томск), Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (г. Горно-Алтайск, 2004г.), XI, XII, XIII, Рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (г. Томск, 2004, 2005, 2006гг.), VIII, IX Всероссийской конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (г. Кемерово, 2005г., г. Барнаул, 2007г.), X, XI Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева (г. Красноярск, 2006, 2007гг.), Международном симпозиуме «Физика атмосферы: наука и образование» (г. С. Петербург - Петродворец, 2007г.), XI Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты» (г. Нижний Новгород, 2007г.), Международном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2006, 2007» (г. Новосибирск).

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 100 наименований. Полный объем диссертации составляет 108 страниц, включая 44 рисунков и 4 таблиц. Каждая глава разбита на параграфы.

Основные выводы и результаты проведенных исследований состоят в следующем:

1. Проведена адаптация модели динамики конвективного пограничного слоя атмосферы при постановке начально-краевой задачи, отражающей наличие пожара, как теплового источника и источника эмиссии дымового аэрозоля для уравнений термогидродинамики.

2. С помощью модели динамики конвективного пограничного слоя атмосферы проведена численная оценка характеристик ансамбля конвективной облачности над зоной горения. Сделан расчет области распространения дымового аэрозоля для различных сценариев, выявлены закономерности турбулентного, конвективного переноса тепла, влаги и дымовых аэрозолей, а также оценено их влияние на процессы облако- и осадкообразования. На основе анализа результатов численных экспериментов и спутниковых данных показано, что возможна реализация прямых и обратных связей между процессами синоптического и локального масштабов в зоне горения и задымления.

3. Разработан вычислительный алгоритм восстановления значений концентрации газовых составляющих по данным о лесных пожарах и метеорологическим данным в заданном регионе на регулярной сетке. Алгоритм реализован в виде комплекса прикладных программ.

Заключение.

1. Кондратьев К. Я., Григорьев Ал. А. Лесные пожары как компонент природной экодинамики // Оптика атмосферы и океана, 2004. том 17, № 4, с. 279-292.

2. Гришин A.M. Математические модели лесных пожаров // Издательство Томского университета, 1981. с. 9-45.

3. Кабанов М.В., Панченко М.В. Рассеяние оптических волн дисперсными средами. Часть III. Атмосферный аэрозоль // Издание Томского филиала СО РАН, 1984, 189 с.

4. Кондратьев К.Я. Атмосферный аэрозоль как климатообразующий компонент атмосферы // Оптика атмосферы и океана, 2004. Том 17, №1, с. 5-24.

5. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. Под редакцией Б. Болина, Б.Р. Дееса, Дж. Ягера, Р. Уоррика. // Гидрометеоиздат, 1989, с. 33-234.

6. Кондратьев К.Я. От нано- до глобальных масштабов: свойства, процессы образования и последствия воздействий атмосферного аэрозоля. 6. Дальний перенос и процессы осаждения // Оптика атмосферы и океана, 2005. том 18, № 4

7. Knowles M.S., Captain John В. Thesis: The influence of forest fire induced albedo differences on the generation of mesoscale circulations. //

8. Department of Atmospheric Science, Colorado State University, 1993,86 pp.

9. Шлычков В.А., Мальбахов B.M. Расчет высоты подъема дымового аэрозоля, вовлекаемого в облачные системы в зоне лесного пожара. // Оптика атмосферы и океана, 2004. том 17, №5-6, стр.453-456.

10. Мальбахов В.М., Лсженин А.А., Дубровская О.А., Климова Е.Г., Шлычков В.А. Оценка влияния лесных пожаров на процессы облако-и осадкообразования // Вычислительные технологии. Новосибирск, 2006. Т. 11(3), спец.выпуск, стр. 135-142.

11. Балин Ю.С., Ершов А.Д., Коханенко Г.П., Пеннер И.Э., Самойлова С.В. Лидарные исследования тропосферы в период сибирских лесных пожаров // Тезисы XIII Рабочей группы «Аэрозоли Сибири», 2006, с. 57.

12. И.Мейсон Б. Дж. Физика облаков // Гидрометеоиздат, Ленинград, 1961. -541с.

13. Шлычков В.А., Пушистов П.Ю., Мальбахов В.М. Влияние атмосферной конвекции на вертикальный перенос аридных аэрозолей // Оптика атмосферы и океана 2001. - Том 14, № 6-7, с. 578-582.

14. Ramanatlian, V., P. J. Crutzen, J. T. Kielil, and D. Rosenfeld Aerosols, climate, and the hydrological cycle // Science, 2001. 294(5549), 8.

15. Сулаквелидзе Г.К. Ливневые осадки и град // Гидрометеорологическое издательство, 1963. 412 с.

16. Харук В.И., Двинская М.Л., Рэнсон К. Дж., Им С.Т. Проникновение вечнозеленых хвойных деревьев в зону доминирования лиственницы и климатические тренды // Экология, 2005. N 3, с.186-192.

17. Hobbs, P. V., and L. F. Radke Cloud condensation nuclei from a simulated forest fire // Science, 1969. 279-280.

18. Eagan, R. С., P. V. Hobbs, and L. F. Radke Measurements of cloud condensation nuclei and cloud droplet size distribution in the vicinity of forest fires // J. Appl. Meteorol., 1974. V.13, 553- 557.

19. Crutzen, P. J., L. E. Heidt, J. P. Krasnec, W. H. Pollock, and W. Seiler Biomass burning as a source of atmospheric gases CO, H2, N20, NO, CH3C1 and COS //Nature, 1979.v. 282, 253-356.

20. Seiler, W., and P. J. Crutzen Estimates of gross and net fluxes of carbon between the biosphere and atmosphere // Clim. Change, 1980. v.2, 207-247.

21. Conard, S. G., A. I. Sukhinin, B. J. Stocks, D. R. Cahoon Jr., E. P. Davidenko, and G. A. Ivanova Determining effects of area burned and fire severity on carbon cycling and emissions in Siberia // Clim. Change, 2002. v.55(l- 2), 197-211.

22. Dlugokencky, E. J., B. P. Walter, K. A. Masarie, P. M. Lang, and E. S. Kasischke Measurements of an anomalous global methane increase during 1998 // Geophys. Res. Lett., 2001. v. 28(3), 499-502.

23. ICasischke, E. S., and L. P. Bruhvviler Emissions of carbon dioxide, carbon monoxide, and methane from boreal forest fires in 1998 // J. Geophys. Res., 2003. v.108(D1), 8146, doi: 10.1029/2001JD000461.

24. Deardorff J.W. Three-dimensional numerical study of turbulence in an entraining mixed layer // Boundary Layer Meteorology, 1974, v.7, p. 199226.

25. Белоцерковский O.M., Опарин A.M. Численный эксперимент в турбулентности: от порядка к хаосу // Наука, 2000. 223 с.

26. Михайлова JI.A., Орданович А.Е. Когерентные структуры в пограничном слое атмосферы (обзор) // Изв. АН СССР, ФАО, 1991, т.27, N 6, с. 593-609.

27. Монин А.С. Об определении когерентных структур // Доклады АН СССР, 1991, т. 318, N 4, с. 853-856.

28. Moeng С.-Н. A Large-Eddy-Simulation model for the Study of Planetary Boundary Layer Turbulence. // J. Atmos. Sci., 1984, v. 41, № 13, p 20522062.

29. Rodi W., Mansour N.N., Michelassi V. One-equation near-vail turbulence modeling with the aid of direct simulation data. // Jornal of Fluids Engineering, 1993, v.115, p.195-205.

30. Вагер Б.Г., Надежина Е.Д. Пограничный слой атмосферы в условиях горизонтальной неоднородности. // Л., Гидрометеоиздат, 1979, 136 с.

31. Илюшин Б.Б., Курбацкий А.Ф. О применимости Е-1 и Е-е моделей турбулентности к нейтральному горизонтально однородному атмосферному пограничному слою. // Изв. РАН, сер. ФАО, 1994, т.ЗО, N 5, с. 615-622.

32. Лыкосов В.Н. О проблеме замыкания моделей турбулентного пограничного слоя с помощью уравнения для кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации. // Изв. РАН, сер. ФАО, 1992, т. 28, N 7, с. 696-704.

33. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. // С.Петербург, Гидрометеоиздат, 1992, Т.1. 694 с.

34. Mason P.J. A Large-Eddy Simulation of the Convective Atmospheric Boundary Layer. // J. Atmos. Sci., 1989, v. 46, № 11, p 1492-1506.

35. Гутман Л.Н. Введение в нелинейную теорию мезометеорологических процессов. // Л.,Гидрометеоиздат, 1969, 295 с.

36. Шлычков В.А., Мальбахов В.М., Пушистов П.Ю. Атмосферная конвекция и ее роль в вертикальном массопереносе // Оптика атмосферы и океана, 2001. т. 14, N 10, с. 957-960.

37. Kessler E. On the distribution and continuity of water substance in atmospheric circulations. // Meteorol. Mon., 1969, v. 10, N 32, 84 p.

38. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики // Новосибирск, Наука, 1973, 352 с.

39. Мейсон Б. Дж. Физика облаков. // JL: Гидрометеорологическое издательство, 1961. 541 с.

40. Шлычков В.А., Мальбахов В.М. Расчет высоты подъема дымового аэрозоля, вовлекаемого в облачные системы в зоне лесного пожара. // Оптика атмосферы и океана. Томск, 2004г., Тематический выпуск «Аэрозоли Сибири», Том 17, №5-6, стр.453-456.

41. Монин A.C., Обухов A.M. Основные закономерности турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы // Тр. Геофиз. Ин-та АН ССР. 1954. №24(151). С. 163-187.

42. Валендик Э.Н., Матвеев П.М., Трунов И.А. Влияние лесного пожара на пограничный слой атмосферы. В кн.: Горение и пожары в лесу. Красноярск: Ин-т леса и древесины СО РАН СССР, 1973. с. 56-76

43. Гришин A.M. Математические модели лесных пожаров. // Издательство Томского университета. Томск. 1981, с. 9-45

44. Козлов B.C., Панченко М.В. Исследование оптических свойств и дисперсного состава древесных дымовых аэрозолей // Физика горения и взрыва, 1996. т.32, №5, с. 122-133.

45. Сулаквелидзе Г.К. Ливневые осадки и град // Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1963. 412 с.

46. Голицин Г.С. Природные аналоги ядерной катастрофы Климатические и биологические последствия ядерной войны. // М. Наука, 1987. С. 100-12-3.

47. Рахимов Р.П., Макиенко Э.В., Панченко М.В., Козлов B.C., Шмаргунов В.П. Изменение микроструктуры древесных дымов в малогабаритной аэрозольной камере под воздействием различных факторов // Оптика атмосферы и океана, 2003. №4 с.337-346.

48. Кабанов М.В., Панченко М.В. Рассеяние оптических волн диссперсными средами. Томск, Препринт, 1984, часть 3, стр. 37-42.

49. Мальбахов В.М., Шлычков В.А. Влияние конвекции на обмен газоаэрзольных эмиссии между подстилающей поверхностью и атмосферой. // Химия в интересах устойчивого развития, 2002. Т. 10. N 5. С. 651-657.

50. Гришин A.M. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними // Новосибирск, Наука, Сибирское отделение, 1992. 404 с.

51. Мальбахов В.М. Гидродинамическое моделирование эволюции атмосферных конвектив ных ансамблей // Новосибирск, Издательство ВЦ СО РАН, 1997, 185 с.

52. Дубровская O.A., Козлов B.C., Мальбахов В.М. Оценка влияния крупных дымовых частиц на процессы осадкообразования // Оптика атмосферы и океана, 2005. т. 18, N 5-6, с. 430-434.

53. Дубровская O.A., Леженин A.A., Мальбахов В.М., Сухинин А.И., Шлычков В.А. О влиянии пожаров на процессы облако- и осадкообразования // География и природные ресурсы. Специальный выпуск, Томск, 2004, С. 158-161.

54. Мальбахов В.М. , Шлычков В.А., Леженин А.А., Дубровская О.А.

55. Численная модель распространения дымового шлейфа при лесных пожарах с параметрическим учетом процессов горения // География и природные ресурсы. Специальный выпуск, Томск, 2004, С. 170-175.

56. Chapin III, F.S., Oswood, М., Cleve, K.V., Viereck, L.A., Verbyla, D., 2006a. Alaska's Changing Boreal Forest. // Oxford University Press, Oxford, p. 354.

57. IPCC, 2001. Climate change 2001: the scientific basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. // Cambridge University Press, New York, USA, p. 881.

58. Amber J. Soja, Nadezda M. Tchebakova, Nancy H.F. French, Michael

59. D. Flannigan, Herman H. Shugart, Brian J. Stocks, Anatoly I. Sukhinin,

60. E.I. Parfenova, F. Stuart Chapin III, Paul W. Stackhouse Jr. Climate-induced boreal forest change: Predictions versus current observations. // Global and Planetary Change Volume 56, Issues 3-4, April 2007, Pages 274-296.

61. Shvidenko, A., Goldammer, J.G. Fire situation in Russia. // International Forest Fire News 2001. v.24, 41-59.

62. Goldammer, J.G. The wildland fire season 2002 in the Russian Federation: an assessment by the Global Fire Monitoring Center (GFMC). // International Forest Fire News, 2003. v.28, 2-14.

63. Soja, A.J., Sukhinin, A.I., Cahoon Jr., D.R., Shugart, H.H., Stackhouse Jr., P.W. AVHRR-derived fire frequency, distribution and area burned in

64. Siberia. // International Journal of Remote Sensing 2004b. v.25 (10), 1939— 1960.

65. Cahoon Jr., D.R., Stocks, B.J., Levine, J.S., Cofer III, W.R., Pierson, J.M. Satellite analysis of the severe 1987 forest fires in northern China and southeastern Siberia. J// ournal of Geophysical Research, 1994. v.99 (D9), 18627-18638.

66. Cahoon Jr., D.R., Stocks, B.J., Levine, J.S., Cofer III,W.R., Barber,

67. J.A. Monitoring the 1992 forest fires in the boreal ecosystem using NOAA AVHRR satellite imagery. // In: Levine, J.S. (Ed.), Biomass Burning and Global Change.MIT Press, Cambridge,Mass, 1996. pp. 795-801.

68. Дубровская О.А., Мальбахов В.М., Шлычков В.А. Влияние массовых лесных пожаров на циклонические процессы в Сибири // Вычислительные технологии. Новосибирск, 2007, том 12, №2, С.58-66.

69. Мицель А.А., К.М. Фирсов, Б.А. Фомин. Перенос оптического излучения в молекулярной атмосфере. — Томск, 2001 с 67-80.

70. Sutton, R.T., A. O'Neill,F.M. Taylor High-resolution stratospheric tracer fields estimated from satellite observations using lagrangian trajectory calculations //J.Atmos.Sci.,, 1994, 51, 2995-3005.

71. Khattatov B.V., J.C. Gill, L.V. Lyjak, G.P. Brasseur, V.L. Dvertsov, A.E. Roche, J.W. Waters. Assimilation of photo chemically active species and a case analysis of UARS data. // Journal of Geophys. Res., 1999, Vol.104, p. 18715-18737.

72. Hao W. M., Ward D. E Methane production from global biomass burning //J. Geophys. Res. 1998. №11. p. 657-661

73. Development of Emissions Inventory Methods for Wildland Fire. // Final Report. (2002). Thompson G. Pace, D205-01, Research Triangle Park, North Carolina 27711, EPA Contract No. 68-D-98-046, Work Assignment No. 5-03

74. Stocks B. J., Kaufman J. B. Biomass consumption and behavior of wildland fires in boreal, temperate, and tropical ecosystems // Records of Biomass Burning and Global Change, Springer-Verlag, New York. 1998. №51. p. 169-188.

75. Alexeyev V. A.,. Birdsey R. A, Stakanov V. D., Korotkov I. A., Carbon storage in the Asian boreal forests of Russia // Climate Change, and Carbon

76. Cycling in the Boreal Forest. Springer-Verlag, New York. 2000, p. 289311.

77. Bertschi, I., Yokelson R. J., Ward D. E., Babbitt R. E., Susott R. A., Goode J. G., Hao W. M. Trace gas and particle emissions from fires in large diameter and belowground biomass fuels // J. Geophys. Res. 2002, №108, p 69-84.

78. Белоусов СЛ., Юсупов Ю.И. Расчет трехмерных траекторий воздушных частиц // Метеорология и гидрология, 1991. № 12, с.41-48.

79. Калиткин Н.Н. Численные методы. М., Изд. «Наука», 1978, с. 237260.

80. Климова Е.Г., Киланова Н.В. Численные эксперименты по оценке эмиссии метана на основе системы усвоения данных о пассивной примеси в атмосфере Северного полушария // Оптика атмосферы и океана, 2006. т. 11, с.961-964.

81. Киланова Н.В., Климова Е.Г. Численные эксперименты по оценке систематической ошибки модели в задаче усвоения данных о концентрации пассивной примеси // Вычислительные технологии, 2006, т. 11, №5, с.32-40.

82. Климова Е.Г., Ривин Г.С. Схема численного трехмерного многоэлементного анализа для Сибирского региона. // Метеорология и гидрология, 1992, с.235-240.

83. Гандин Л.С. Объективный анализ метеорологических полей. Л., Гидрометеоиздат, 1963, 287 с.

84. Bratseth A.M. Statistical interpolation by means of successive correction. // Tellus, 1986, 38A, p.439-447.

85. Владимиров A.M., Ляхин Ю.И., Матвеев Л.Т., Орлов В.Г. Охрана окружающей среды. Л., Гидрометеоиздат, 1991, с 87-116.

86. Sukhinin A.I., Kashkin V.B., Ponomarev E.I. (1999). Monitoring Forest Fire In Eastern Siberia From Space // Proceeding Of SPIE, 1999, V. 3983 -P. 206-214.

87. Дубровская O.A., Климова Е.Г. Прогнозирование распространения дымовых аэрозолей на территории Сибири // Вычислительные технологии. Новосибирск, 2007, том 12, №5, С.68-77.