автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование загрязнения городского воздуха источниками антропогенной и биогенной эмиссии

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

«Национальный исследовательский Томский государственный университет»

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДСКОГО ВОЗДУХА ИСТОЧНИКАМИ АНТРОПОГЕННОЙ И БИОГЕННОЙ ЭМИССИИ

05.13.18- Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

высшего профессионального образования

04201460103

На правах рукописи

Барт Андрей Андреевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник А.З. Фазлиев

Научный консультант -

доктор физико-математических наук,

профессор А.В. Старченко

Томск-2014

Оглавление

Введение....................................................................................................................................5

1 Математические модели и информационные системы для анализа и представления качества атмосферного воздуха над урбанизированными территориями... 14

1.1 Характеристики, определяющие качество атмосферного воздуха в пограничном слое атмосферы...............................................................................................14

1.1.1 Основные загрязнители атмосферного воздуха в городах и их воздействие на окружающую среду................................................................................14

1.1.2 Предельно допустимые концентрации и комплексные показатели загрязненности атмосферы................................................................................................16

1.1.3 Влияние метеорологических условий на качество атмосферного воздуха....17

1.2 Метеорологические модели атмосферы....................................................................17

1.2.1 Классификация моделей......................................................................................17

1.2.2 Глобальные модели..............................................................................................18

1.2.3 Мезомасштабные (региональные) модели.........................................................19

1.3 Мезомасштабные модели переноса и химических трансформаций примеси........22

1.3.1 Подходы к моделированию.................................................................................22

1.3.2 Эйлеровы мезомасштабные модели переноса для оценки качества воздуха в городах...............................................................................................................22

1.3.3 Кинетические схемы химических реакций, используемые в современных моделях................................................................................................................................23

1.3.4 Математическая модель атмосферной диффузии для исследования распределения первичных и вторичных загрязнителей воздуха над урбанизированной территорией.......................................................................................27

1.4 Автоматизированные информационные системы качества атмосферного воздуха в городах....................................................................................................................28

1.4.1 Информационно-измерительные комплексы....................................................28

1.4.2 Информационно-вычислительные комплексы для прогноза качества воздуха...............................................................................................................................34

1.5 Семантические модели города....................................................................................38

1.6 Выводы..........................................................................................................................39

2 Постановка задачи...............................................................................................................41

2.1 Физическая постановка задачи....................................................................................41

2.2Математическая постановка задачи............................................................................42

2.2.1 Моделирование переноса примеси с учетом образования вторичных компонент...........................................................................................................................42

2.2.2 Моделирование источников и стоков примеси.................................................47

2.3 Постановка задачи создания комплекса программ и связанных с ним информационно-вычислительных систем............................................................................49

2.3.1 Получение данных, связанных данных и онтологий........................................50

2.3.2 Построение информационной системы.............................................................51

2.4 Выводы..........................................................................................................................51

3 Метод решения и результаты тестирования транспортной модели...............................53

3.1 Численный метод решения систем адвективно-диффузионно-кинетических уравнений................................................................................................................................53

3.1.1 Аппроксимация адвективно-диффузионно-кинетического уравнения..........53

3.1.2 Устойчивость явно-неявной схемы....................................................................62

3.1.3 Решение сеточных уравнений.............................................................................64

3.1.4 Параллельная реализация численного алгоритма на многопроцессорной вычислительной технике...................................................................................................65

3.2 Методика интерполирования результатов наблюдений и глобального метеорологического прогноза...............................................................................................73

3.2.1 Использование данных наблюдений при построении локального прогноза метеорологических параметров........................................................................................77

3.2.2 Использование данных глобального метеорологического прогноза..............81

3.3 Некоторые результаты сопоставления данных численных расчетов и наблюдений метеопараметров и концентрации примеси для г. Томска...........................83

3.4 Выводы..........................................................................................................................93

4 Информационно-вычислительные системы для исследования и прогнозирования состояния атмосферного пограничного слоя и переноса примеси.........................................95

4.1 Информационно-вычислительная система «Городская химическая погода»......96

4.1.1 Описание и назначение системы........................................................................96

4.1.2 Данные для моделирования качества воздуха...................................................97

4.1.3 Промежуточное программное обеспечение для сопровождения расчетов ..100

4.1.4 Представление прогностических данных........................................................102

4.1.5 Схема слоя данных и приложений, характеризующая ИВС

«Городская химическая погода»....................................................................................106

4.2 Информационно-вычислительная система «UnIQuE»...........................................107

4.2.1. Назначение ИВС «UnIQuE».............................................................................107

4.2.2. Трехслойная архитектура ИВС «UnIQuE».....................................................108

4.2.3. Программное обеспечение ИВС «UnIQuE»....................................................115

4.3 Выводы........................................................................................................................116

Заключение............................................................................................................................117

Список сокращений и условных обозначений...................................................................119

Список литературы...............................................................................................................123

Введение

В настоящее время проблема загрязнения атмосферного воздуха является одной из важнейших задач охраны окружающей среды. Контроль состава атмосферного приземного воздуха осуществляется с помощью измерений концентраций особо опасных компонент на специальных станциях.

С развитием физико-математического аппарата моделирования атмосферных процессов появлением эффективных численных методов, высокопроизводительной вычислительной техники во всем мире стали разрабатываться программные комплексы для численного исследования, получения прогноза качества воздуха на основе математических моделей физических и химических процессов в атмосфере и оповещения о расположении критически загрязненных объемов воздуха над городами и промышленными объектами [1].

Математическое моделирование загрязненности городского воздуха обычно заключается в определении источников загрязнения и исследовании распространения загрязнения с учетом состояния окружающей среды. Для получения основных уравнений используют либо Лагранжев либо Эйлеров подход. Выбор подхода зависит от поставленной задачи. При Лагранжевом подходе точка отсчета выбирается таким образом, что она движется вместе с переносимым ветром воздушным объемом и поэтому не происходит никакого массового обмена между частью воздуха и его окружением. Выбор точки отсчета при Эйлеровом подходе предполагает её неподвижность в пространстве. Частицы входят в каждую неподвижную ячейку и покидают ее через границы ячейки. При этом концентрация примеси в каждой точке пространства является функцией времени [2]. При Эйлеровом подходе учитывается турбулентная диффузия, определяющаяся, как правило, по метеорологической модели [3]. Кроме членов, описывающих изменение концентрации примесей во времени, адвекцию и турбулентную диффузию, в модельное уравнение входит источниковый член, представляющий поступление и осаждение примеси.

На практике турбулентные коэффициенты получают до моделирования переноса, так как установлено, что концентрация примеси слабо влияет на турбулентность и метеорологические характеристики.

Моделирование уровня загрязненности городского воздуха подразумевает определение концентрации ансамбля загрязнителей, поэтому для каждой компоненты примеси составляется уравнение адвекции-диффузии, уравнения решаются в системе.

Известно, что примеси (загрязнители), поступая в атмосферу, химически взаимодействуют друг с другом, образуют новые соединения или, наоборот, распадаются на

более простые вследствие фотолиза. Поэтому, наряду с переносом, моделируется протекание химических реакций в атмосфере.

В зависимости от поставленной задачи выделяется ряд наиболее характерных химических реакций. В атмосферной химии, как правило, рассматривают унарные (фотохимические), бинарные и реакции третьего порядка [2]. В зависимости от природных и индустриальных особенностей исследуемой территории выделяется ряд наиболее характерных химических реакций. Знание скоростей выделенных реакций позволяет определить коэффициенты дифференциальных уравнений, характеризующих кинетику примесей. В случае большого количества реакций и однотипности некоторых веществ, участвующих в них, используются приближенные кинетические уравнения, в которых однотипные вещества объединены в классы и каждый класс описывается одним кинетическим уравнением, характеризующим поведение представителя этого класса. Описанию кинетического поведения веществ в атмосферной химии посвящено значительное число работ, среди которых работы Дж. Зайнфелда [2], В. Стоквела

[4].

Математические модели переноса используются для решения следующих задач: оценки и прогнозирования распространения загрязняющих веществ, попавших в атмосферу вследствие аварийной ситуации, оценки вклада в загрязнение атмосферного воздуха от отдельно взятого источника, исследования распространения примеси в зависимости от метеорологических условий. Математическому моделированию переноса примеси в атмосфере посвящены работы М.Е. Берлянда [5,6], Г.И. Марчука [7] и А.Ф. Курбацкого [8,9], В.В. Пененко [10,11], А.Е. Алояна [12,13].

Для задания турбулентных и метеорологических характеристик используются метеорологические модели. Наибольший интерес представляет собой атмосферный пограничный слой (АПС), так как именно он является средой обитания человека и большей части животного мира. В АПС протекает турбулентный обмен, вызванный орографической и температурной неоднородностью подстилающей поверхности. Исследованию турбулентности, присутствующей в АПС, посвящены работы A.C. Монина и А.М. Обухова [14], Б.Б. Ильюшина [15], Г. Меллораи Т. Ямады [16,17], А. Андрэна [18].

Многообразие подходов при построении моделей загрязнения воздуха и используемых данных порождают разнообразие комплексов программ для исследования и прогноза качества воздуха в АПС городов с различными типами ландшафта. В работе Д.А. Беликова [19] предложен программный комплекс для исследования распределения первичных и вторичных загрязнителей воздуха над урбанизированной территорией с учетом поступления примеси от антропогенных источников, но не рассматриваются источники биогенного типа. Тем не менее

выявлено, что в глобальных масштабах изопрен, как биогенный источник, дает основной вклад при образовании формальдегида в период роста растений. Для многих городов Западной Сибири наблюдается превышение предельно допустимых концентраций формальдегида, но исследований образования формальдегида с учетом химических трансформаций в масштабах городов не проводилось.

При моделировании переноса примеси в АПС требуются данные о метеорологических и турбулентных характеристиках, которые при отсутствии данных измерений можно получить на основе прогностических данных расчетов по метеорологической модели глобального масштаба, например ПЛАВ [20]. Использование такого прогноза позволит выполнять прогностические расчеты переноса примеси, но требует создания методики интерполяции глобальных метеорологических данных к мезомасштабным данным.

Математическое моделирование переноса примесей с учетом химических реакций сводится к решению системы сложных дифференциальных и алгебраических уравнений, аналитическое решение которой может оказаться невозможным. Такая система уравнений может быть решена приближенно с использованием вычислительной техники. Численное решение переноса примесей с учетом химических реакций является ресурсоемкой задачей и требует времени. Для сокращения времени расчетов, особенно при прогнозировании, требуются эффективные параллельные алгоритмы, основывающиеся на схемах аппроксимации высоких порядков и учитывающие архитектуру суперкомпьютерной техники.

Для моделирования переноса примеси в АПС с целью принятия решений о качестве воздуха требуется создать комплекс программ для обеспечения модели входными данными, выполнения расчетов на суперкомпьютерах и представления результатов расчетов в виде базы знаний.

Автоматический контроль качества воздуха в настоящее время осуществляется как в региональном масштабе, так и в крупных населенных пунктах, главным образом, в промышленных центрах и мегаполисах. С этой целью созданы измерительные комплексы (например, [21-25]) и информационно-вычислительные системы [26-28]. Дальнейшее развитие систем автоматического контроля загрязнений может проходить в двух плоскостях. С одной стороны, развитие сотовой связи позволяет снимать данные с огромного числа мобильных устройств, которые могут содержать измерительные компоненты. Реализация этого подхода приведет к развитию распределенных измерительных систем. С другой стороны, влияние интернет технологий на передачу информации и данных стало настолько значительным, что технологии и рекомендации (стандарты) Semantic Web [29] будут превалировать в процессах разметки и обработки информации. Более того, использование этой

технологии решает ряд задач, характерных для распределенных систем: автоматическое согласование информационных ресурсов, интеграцию данных с учетом их семантики, семантический поиск ресурсов и т.д. Для решения этих задач необходимо представлять информационные ресурсы [30] в форме вычислимых онтологий [31 -33], следуя, например, рекомендациям \УЗС [34— 36]. Существенную роль при работе с онтологиями играет выбор машины вывода [37-39]. Представление информационных ресурсов в форме онтологий требует, в свою очередь, построения математических моделей выходных данных, написанных на языках декларативного программирования. Можно утверждать, что в предметных областях построение индивидов, классов и свойств, наделенных характеристиками, стало трудоемкой задачей, а результаты декларативного программирования в совокупности со средствами их создания являются комплексами программ, лежащими в основании трехслойных информационных систем [39, 40].

Целью диссертационного исследования является повышение качества расчета переноса примесей в воздухе над урбанизированными территориями, поступающих как от антропогенных, так и от биогенных источников.

В рамках указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать модификацию математической мезомасштабной модели переноса и образования вторичных компонент примеси с целью исследования влияния эмиссии от источников как антропогенного, так и биогенного происхождения на качество атмосферного воздуха в городах.

2. Разработать эффективный параллельный алгоритм расчета по мезомасштабной модели переноса примесей, опирающийся на технологию опережающей рассылки при двумерной декомпозиции расчетной области.

3. Создать методику подготовки входных данных для математической мезомасштабной модели переноса примесей по выходным данным глобальной метеорологической модели.

4. Разработать комплекс программ для обеспечения мезомасштабной модели переноса примесей входными данными, решения системы дифференциальных уравнений переноса примесей с учетом химических реакций и представления результатов в форме онтологической базы знаний.

Научная новизна результатов проведенных исследований:

1. Впервые разработана модификация математической мезо-масштабной модели переноса примесей над территорией городов, учитывающая поступление изопрена би