Чурсин А. С., к.г.н.

Восточно-Казахстанский государственный университет

им. С. Аманжолова, г. Усть-Каменогорск, Казахстан

НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К СОЗДАНИЮ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОГНОЗА ЗАГРЯЗНЕНИЯ г. УСТЬ-КАМЕНОГОРСКА

Эффективность прогноза загрязнения воздуха в значительной мере определяется успешностью прогноза неблагоприятных метеорологических условий, при которых могут достигаться наибольшие значения концентрации примеси, при наименьших параметрах выброса её в атмосферу.

Более 30 лет отделом гидрометеорологических прогнозов Восточно-Казахстанского центра гидрометеорологии ежедневно составляется прогноз общего уровня загрязнения атмосферы Усть-Каменогорска на следующие сутки. Наиболее важен анализ синоптических условий, определяющих формирование высоких уровней загрязнения воздуха, которые представляют повышенную опасность для здоровья людей и окружающей среды. К ним в первую очередь следует отнести длительные периоды с высоким уровнем загрязнения. Однако сегодняшний подход к решению проблемы прогноза загрязнения атмосферного воздуха в городе Усть-Каменогорске как от источников выбросов от промышленных предприятий, так и от транспортных средств не может быть решен существующими методами. Необходимо выбрать предикторы, как метеорологического характера, так и технологического, чтобы создать программное обеспечение для расчета полей рассеивания основных загрязняющих веществ в атмосфере города.

Оценка климатических условий рассеивания примесей в атмосфере г. Усть-Каменогорска позволила сделать следующие выводы: для характеристики состояния атмосферы, при котором могут отмечаться большие концентрации примесей, выделяются нормальные и аномальные метеорологические условия.

При нормальных условиях в случае высоких источников неблагоприятным является наличие сверхадиабатического градиента температуры, когда вследствие развитого турбулентного обмена имеет место интенсивный перенос примесей от источников к земной поверхности, при этом могут создаваться их значительные концентрации. Степень загрязнения воздуха существенно зависит от скорости ветра. Влияние скорости ветра на загрязнение приземного слоя атмосферы имеет сложный характер, и для каждого источника существует некоторая опасная скорость ветра u_м, при которой наблюдается максимальные концентрации примесей.

Наиболее интенсивное загрязнение воздуха наблюдается при аномально неблагоприятных метеорологических условиях. К ним, в частности, относятся: приподнятая инверсия, штилевой слой у поверхности земли, туманы, характер неровностей подстилающей поверхности, неблагоприятное направление ветра.

В результате взаимного наложения и перемешивания выбросов многих источников формируется общегородское загрязнение воздуха. В связи с этим большие концентрации могут отмечаться вне зоны прямого действия отдельных источников выбросов вредных веществ в атмосферу. Загрязнение воздуха может под влиянием метеорологических условий одновременно изменяться на всей территории города. Оно характеризуется обобщенными (интегральными) показателями, которые рассчитываются по материалам фактических наблюдений.

Основным принципом разработки методов прогнозирования загрязнения воздуха в городе, в том числе разработки математических схем прогноза, является максимальный учет характера физического процесса распространения примесей в атмосфере и особенностей влияния метеорологических условий на концентрации примесей в воздухе в конкретных городах.

Изучение метеорологических условий загрязнения воздуха является основой для её прогнозирования, поскольку задача состоит в том, чтобы предсказывать и предотвращать высокие уровни концентраций, создаваемые при неблагоприятных метеорологических ситуациях.

Результаты исследований позволили сделать вывод, что определенные состояния загрязнения воздуха могут соответствовать только комплексам метеорологических параметров и исходного уровня концентраций.

Анализ массового материала наблюдений за концентрациями примесей в воздухе и соответствующими метеорологическими условиями показывает, что характер зависимостей в целом одинаков для всех городов и сезонов Отдельные различия главным образом связаны со специфическими особенностями некоторых городов. Однако отличается теснота связей, которая обуславливается преобладанием в разных городах неодинаковых метеорологических ситуаций, определяющих характер зависимости концентраций от отдельных параметров. Наконец, для каждого города должны быть свои интервалы значений параметров, определяющих повышенный или пониженный уровень загрязнения воздуха.

Все это позволяет выявить наиболее общие зависимости, имеющие место практически во всех случаях. В то же время совершенно очевидно, что создание единой универсальной схемы прогнозирования загрязнения воздуха, пригодной для непосредственного использования во всех без исключения городах, принципиально невозможно. Они должны разрабатываться для конкретных городов. На сегодняшний день фактический материал наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха по городу Усть-Каменогорску имеется почти за более чем 30-летний период.

Нами предпринята попытка, создать математическую модель для прогноза загрязнения атмосферного воздуха в городе Усть-Каменогорске на основе имеющихся материалов ВК центра гидрометеорологии и статистических данных ВК ОТУООС.

Выбрано пять ситуаций типичных для города Усть-Каменогорска, при которых возможно различное загрязнение атмосферного воздуха.

Ситуация 1:

- количество выбросов от стационарных источников в течение времени постоянное;

- ветер неустойчивый 0-3 м/сек;

- температура воздуха - +25-30⁰С;

- ясно. Без осадков.

Сочетание выше указанных параметров приведет к высокому загрязнению атмосферы при небольших значениях ветра в приземном слое в сочетании с высокой средней температурой в слое 0-3000 м. Наиболее высокие уровни загрязнения будут характерны для центральной части города. Такая ситуация имеет большую повторяемость в теплый период года (июль-август).

Ситуация 2:

- количество выбросов от стационарных источников в течение времени постоянное;

- ветер неустойчивый 0-3 м/сек;

- температура воздуха - минус 25-30⁰С;

- ясно. Без осадков.

Сочетание выше указанных параметров приведет к высокому загрязнению атмосферы при больших значениях ветра в приземном слое в сочетании с относительно низкими температурами в слое 0-3000м. Наиболее высокие уровни загрязнения будут характерны для центральной части города. Такая ситуация имеет большую повторяемость в зимний период года (декабрь-январь) при стационировании над Востоком Казахстана отрога сибирского антициклона.

Ситуация 3:

- количество выбросов от стационарных источников в течение времени постоянное;

- ветер юго-восточный 5-10 м/сек;

- температура воздуха - минус 10-20⁰С (зима), +20-30⁰С (лето);

- количество осадков более 1 мм.

Загрязнение атмосферного воздуха в городе будет ниже ПДК, с небольшим превышением в северо-западной части.

Ситуация 4:

- количество выбросов от стационарных источников в течение времени постоянное;

- ветер северо-западный 5-10 м/сек;

- температура воздуха - минус 10-20⁰С (зима), +20-30⁰С (лето);

- количество осадков более 1 мм.

Загрязнение атмосферного воздуха в городе будет ниже ПДК, с повышенным содержанием примесей в октябрьском районе.

Ситуация 5:

-количество выбросов: 30,50,70, 100 тыс. тонн/год;

-ветер неустойчивый 0-3 м/сек;

- температура воздуха - минус 10-20⁰С (зима), +20-30⁰С (лето);

- без осадков.

Состояние загрязнения атмосферного воздуха при изменении параметра выбросов от промышленных предприятий практически меняться не будет.

Высокое загрязнение атмосферного воздуха в городе связано в большей степени с метеоусловиями, а именно частой повторяемостью слабых ветров и штилей, т.е. выбросы оседают или переносятся на небольшие расстояния от источников. По многолетним наблюдениям за ветром в 44% случаев отмечаются штили. Штили и слабые ветры до 3 м/с наблюдаются в 87% случаев, тогда как в других городах слабые ветры и штили отмечаются реже. Так, например, в Балхаше в 2% случаев наблюдаются штили, в Астане в 7% случаев, в Караганде, Кустанае и Алматы соответственно в 12, 21 и 26%. К слабым ветрам накладываются др. метеорологические факторы, которые в комплексе формируют условия застоя воздуха или неблагоприятные метеоусловия. Продолжительность периодов с НМУ в зимнее время, когда стационирует сибирский (монгольский) антициклон, доходит до 15-20 дней.

Использованная литература:

1. М.Е.Берлянд. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Ленинград, Гидрометиздат, 1985. - 271 с.

2. Э.И.Безуглая. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. Монография, Ленинград, Гидрометиздат, 1986. - 199 с.

3. Прогноз высоких уровней загрязнения воздуха в городах и регионах. Прогноз загрязнения воздуха на трое суток. (Методические рекомендации). Санкт-Петербург, Гидрометиздат, 2001 г. -32 с.