автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Исследование мезоклиматов и качества атмосферы промышленных регионов на базе комплекса математических моделей

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЦЕНТР СО РАН

На правах'рукописи

КОРОТКОВ Михаил Геннадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕ30КЛИМАТ0В И КАЧЕСТВА АТМОСФЕРЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ РЕГИОНОВ НА БАЗЕ КОМПЛЕКСА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Специальность: 05.13.16. - "Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск 1997г.

* #

Работа выполнена в Вычислительном Центре СО РАН

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор Пененко Владимир Викторович

доктор физико-математических наук, профессор Пушистов Петр Юрьевич

кандидат физико-математических наук Фоменко Александр Алексеевич

Институт Вычислительных Технологий СО РАН

Защита состоится ^АЙ^^ 1997г. в

час. т21_мин. ш

заседании диссертационного совета Д 002.10.02 в Вычислительной центре СО РАН по адресу г.Новосибирск, проспект Лаврентьева, 6.

С диссертацией можноознакомиться в читальном зале библиотек! Вычислительного центра СО РАН.

Автореферат разослан " _" " _" 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Г.И. Забиняко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Необходимость изучения особенностей формирования и изменений мезоклиматов 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 мезоклиматов 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 качества атмосферы промышленного региона и оценки влияния на нее региональных источников загрязняющих примесей.

3. Разработка новой версии полусферной модели переноса примесей для учета влияния на качество атмосферы региона удаленных источников загрязняющих примесей.

4. Разработка алгоритма, позволяющего проводить диагностику модели переноса примеси и восстановление поля концентрации по данным наблюдений.

5. 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 принципе в сочетании с методом расщепления. На этапе решения задачи динамического согласования полец.метеоэлементов используется явно-неявный прямой алгоритм, удовлетворяющий условиям энергетической сбалансированности. Для его реализации не требуются ограничения на температурную стратификацию атмосферы.

2. При построении модели переноса примесей для аппроксимации адвективно-диффузионных операторов применяются численные схемы с использованием решений локальных сопряженных задач, обла-

дающие свойствами монотонности, транспортивности и сохранения субстанции.

3. В полусферной модели переноса примесей используются балансные схемы с нелинейной ренормализацией адвективных потоков. Такие схемы, наряду со свойством транспортивности, обладают относительно малой схемной вязкостью. Использований схем с такими свойствами позволяет более адекватно описывать моделируемые процессы.

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 прлмесей на качество воздуха Новосибирского промышленного региона в различные сезоны года. Элементы атмосферной циркуляции, необходимые для моделирования, брались из данных „ПИГАП уровня Ша.

2. Исследование особенностей формирования атмосферной циркуляции в Новосибирском и Томском промышленных регионах в результате взаимодействия крупномасштабных воздушных потоков с неоднородностями подстилающей поверхности.

3. Оценка областей влияния региональных источников загрязняющих примесей на качество воздуха в г.г. Новосибирске, Томске и в Новосибирском Научном Центре.

4. 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 математических моделей для исследования мезоклиматов и качества атмосферы промышленных регионов с использованием новых численных схем и алгоритмов для решения задач гидротермодинамики атмосферы, переноса примесей, задачи диагностики модели переноса примесей и восстановления полей концентрации по данным наблюдений.

2. Проведены эксперименты по исследованию вычислительных свойств используемых в моделях комплекса схем и алгоритмов.

3. 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.

4. 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.

2. II Всероссийская конференция по математическим проблемам экологии ( МАПЭК-94 ). Новосибирск, 1994.

3. Конференция молодых ученых Вычислительного Центра СО РАН. Новосибирск, 1995.

4. 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 проблемам экологии ( МАПЭК-96 ). Новосибирск, 1996.

7. III Конференция рабочей группы по проекту "Аэрозоли Сибири". Томск, 1996.

8. Международный симпозиум "Атмосферный аэрозоль". Москва, 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.

ОНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит общую характеристику работы. Обосновываются основная идея и цель диссертации, обозначается ее место в ряду работ, посвященных данной тематике. Формулируются основные задачи и результаты, выносимые на защиту, отражается научная новизна используемых в работе подходов и методов.

Первая глава посвящена постановке и методам решения задачи гидротермодинамики атмосферы и переноса примесей мезо-регио-нального масштаба в а - системе координат, следящей за рельефом. Квазистатическое приближение дает возможность моделировать ат-

мосферные процессы регионального и мезомасштаба, а также описывать движения воздушных масс меньших масштабов при относительно слабых неоднородностях подстилающей поверхности и источниках тепла. Существенным в постановке задачи является использование концепции категорий землепользования для учета свойств подстилающей поверхности. Система уравнений включает уравнения движения, уравнение гидростатики, уравнение неразрывности, уравнение притока' тепла и уравнение переноса загрязняющих примесей. На нижней границе воздушной массы граничные условия задаются с использованием параметризованных моделей приземного и пограничного слоев атмосферы; на верхней границе воздушной массы и на боковых границах - условия выхода на 11 фоновые" процессы.

Поскольку в основе алгоритма решения задачи гидротермодинамики лежит метод расщепления по физическим процессам, основное . внимание в главе уделено рещёнию задачи адаптации на этапе согласования полей метеоэлементов, являющимся наиболее сложным и трудоемким в реализации этапом расщепления. Для решения этой задачи используется явно-неявный прямой алгоритм, позволяющий, при выполнении условий аппроксимации, обеспечить устойчивость вычислений независимо от температурной стратификации атмосферы. Численные схемы строятся на базе вариационного принципа в сочетании с методом расщепления. Основной функционал интегрального тождества строится, исходя из уравнения баланса энергии. Для обеспечения согласованности полей метеоэлементов по вертикали с имеющимися краевыми условиями на нижней и верхней границах воздушной массы операторы вертикальных переноса и турбулентности учитываются на этапе решения задачи адаптации. Последний параграф главы посвящен параметризации процессов турбулентного обмена.

Вторая глава посвящена описанию модели переноса примеси. Ре-

щенне задачи осуществляется на основе метода расщепления по пространственным переменным, сводящего процесс интегрирования к последовательному решению одномерных уравнений. Численные схемы при этом должны быть балансными и обладать свойствами транс-портивности и монотонности. К числу таких схем относятся численные схемы для адвективно-диффузнонных операторов, полученные с использованием решений локальных сопряженных задач. Существенным свойством этих схем является также их дифференцируемость по параметрам модели и сеточным компонентам функции состояния, что необходимо для расчета функций чувствительности, участвующих в алгоритмах решения сопряженных и оптимизационных задач.

В главе также рассматривается алгоритм, позволяющий прово-дйть диагностику модели переноса примеси и восстанавливать поля концентрации по данным наблюдений, основанный на решении сопряженных уравнений и теории функций чувствительности.

Третья глава посвящена реализации методики оценки областей влияния источников загрязняющих примесей на качество атмосферы. Для учета влияния удаленных источников, расположенных вне промышленного региона, постороена модификация полусферной модели переноса примесей. Используемые обычно в аналогичных моделях монотонные численные схемы, как правило, обладают значительной схемной вязкостью, что в сочетании с невозможностью интегрирования задачи с бесконечно малыми шагами сетки приводит к получению решения, неадекватного реальным процессам. В рассматриваемой полусферной модели используются явные схемы с нелинейной ренормализацией адвективных потоков, обладающие малой схемной вязкостью. В качестве базовой модели взята модель ВЦ СО РАН.

Расчет функции влияния на качество атмосферы региона внешних источников загрязнений производится с помощью решения сопряженной задачи. Поскольку значение вводимого в рассмотрение функ-

цнонала качества воздуха вычисляется с точностью, обусловленной выбранными для решения задачи дискретными аппроксимациями и кубатурными формулами, аппроксимация основной и сопряженной задач и оцениваемых функционалов согласованы по точности.

Для моделирования распространения примеси от удаленного, внешнего по отношению к региону источника необходимо решать прямую задачу. Практический интерес при этом представляют случаи аварийных выбросов загрязняющей примеси большой мощности.

В последнем параграфе главы изложены основные элементы сценарного подхода, предлагаемые для исследования влияния на качество воздуха источников, расположенных на территории региона. В качестве модели переноса примесей берется модель Главы 2. Здесь же перечислены некоторые задачи экологического прогнозирования и проектирования, допускающие при решении использование сценарного подхода и намечены этапы такого решения.

В четвертой главе в качестве примера использования предлагаемого комплекса математических моделей для решения конкретных практических задач представлены некоторые результаты численных экспериментов по моделированию (в рамках сценарного подхода) атмосферной циркуляции в Новосибирском промышленном регионе и исследованию влияния выбросов тепловых станций на качество воздуха в Новосибирском Научном Центре для двух сезонов. Здесь же приводится пример применения алгоритма, изложенного в Главе 2, для диагностики рассматриваемой модели переноса и восстановления полей концентрации примеси ( формальдегида ) по данным наблюдений, проводимых в Новосибирском Научном Центре.

Последний параграф главы посвящен реализации комплекса моделей на ПЭВМ. Для проведения исследований на ПЭВМ на языке программиования FORTRAN написан комплекс программ. Каждую программу можно условно отнести к одному из трех следующих ти-

пов:

- программы-"' модели";

- вспомогательные программы;

- программы визуализации.

Программы-модели являются основными. Они реализуют алгоритмы, представленные в диссертационной работе, и служат для решения задачи динамики, прямой и сопряженной задач переноса примесей, задачи диагностики модели переноса примесей и восстановления полей концентрации по данным наблюдении.

Вспомогательные программы осуществляют подготовку входных данных, необходимых для работы программ-моделей.

Программы визуализации предоставляют возможность более наглядного представления процесса и результатов моделирования в виде различных карт-схем, векторных полей и изолиний полей скалярных величин для двумерных сечений области, параллельных одной из трех координатных плоскостей. Поверхность сечения определяется исследователем и может проходить через любую точку сеточной области. Для удобства и наглядности различные поля можно изображать на одном рисунке. Возмолшости ПЭВМ позволяют представлять результаты в виде сплошных цветных изображений. Написана программа, в которой совмещены решение задачи переноса примеси и программа визуализации, в результате чего моделирование процесса распространения примеси отобралшется на экране монитора ПЭВМ как компьютерный фильм. Программы визуализации написаны с использованием процедур пакета программ СМОГ, разработанного в ВЦ СО РАН.

Программы всех трех типов написаны безотносительно к какому-либо определенному региону или области моделирования. Привязка к конкретному объекту осуществляется заданием набора данных, определяемого таюке характером и целью проводимых исследований.

Заключение содержит краткие выводы о целесообразности использования для решении практических природоохранных задач математических моделей, по возможности, более полных по физическому содержанию и адекватно описывающих атмосферные процессы. Рассматриваются принципиальные возможности и пути дальнейшего развития и совершенствования моделей, входящих в комплекс. Формулируются основные результаты проведенных исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе работы над диссертацией решены следующие задачи:

1. Создан комплекс алгоритмов и программ для реализации математических моделей для исследования мезоклиматов и качества атмосферы промышленных регионов с использованием новых численных схем н алгоритмов для решения задач гидротермодинамики атмосферы, переноса примесей, задачи диагностики модели переноса примесей п восстановления полей концентрации по данным наблюдений.

2. Проведены экспериментальные исследования вычислительных свойств используемых в моделях комплекса схем и алгоритмов.

3. Сформированы наборы входных данных, необходимых для проведения исследований атмосферы Новосибирского и Томского промышленных регионов с различной степенью детализации.

4. Проведена серия численных экспериментов по исследованию особенностей формирования и изменения мезоклиматов и качества атмосферы Новосибирского и Томского помышленных регионов. Исследовано влияние выбросов тепловых станций на качество воздуха Новосибирского Научного Центра.

5. Проведена апробация алгоритма диагностики модели переноса примеси и восстановления поля концентрации формальдегида в Новосибирском Научном Центре по данным измерений.

СШЛпьрЛМ^ НА- с ■

Подписано в печать 02.06.97 г.

Формат бумаги 60x84 1/16 Объем 1 п.л.

Тираж 100 экз. Заказ №44

Ротапринт ВЦ СО РАН, Новосибирск-97

Основное содержание работы опубликовано в работах:

1. Коротков М.Г. Исследование метода диагностики и восстановления структуры полей по данным измерений на базе двумерной модели гидродинамики //В сб. "Численное моделирование для задач динамики атмосферы и охраны окружающей среды" ВЦ СО АН СССР. Новосибирск, 1989. -С.21-38.

2. Бобылева И.М., Коротков М.Г. Использование схем с нелинейной параметризацией адвективных потоков в модели переноса примесей //Тр. ВЦ СО РАН. Новосибирск, вып.2, 1993. -С.15-28.

3. Пененко В.В., Коротков М.Г. Математическое моделирование гидротермодинамики и загрязнения атмосферы городов и промышленных регионов //В сб. "Математические проблемы экологии" СО РАН. Новосибирск, 1994. -С.81-86.

4. Коротков М.Г. Использование сценарного подхода в решении задач экологического прогнозирования и проектирования //Тр. конф. молодых ученых ВЦ СО РАН. Новосибирск, 1995. -С.69-81.

5. Коротков М.Г. Диагностика модели переноса примесей и восстановление полей концентрации по данным наблюдений // Тр. конф. молодых ученых ВЦ СО РАН. Новосибирск, 1996. -С.36-45.

6. Коротков М.Г. Использование метода диагностики модели и восстановления полей по данным наблюдений в задаче мониторинга качества атмосферы //В сб."Математические проблемы экологии" СО РАН. Новосибирск, 1996. -С.161-168.