Моделирование образования озона в атмосфере города

Моделирование образования озона в атмосфере города А.В.Старченко Томский государственный университет ENVIROMIS2004, Tomsk, 16-22 July 2004

Проблема качества атмосферного воздуха в городах Tomsk

Первичные загрязнители воздуха в городах • оксид углерода • диоксид и другие производные серы • углеводороды • оксиды азота • органические соединения • твердые и жидкие частицы

Проблема качества атмосферного воздуха в городах Загрязнение тропосферы газами обычно приводит к образованию канцерогенного фотохимического тумана, называемого смогом Los Angeles

Вторичные загрязнители атмосферного воздуха в городах При образовании фотохимического смога имеют место реакции, входящие в так называемый фотохимический цикл озона, когда под действием интенсивного солнечного излучения в ультрафиолетовом диапазоне образуются различные соединения, обладающие высокой реакционной способностью. Тем самым инициируется сложный механизм генерации таких опасных для человека веществ как озон, пероксиацетилнитраты, пероксид водорода H2O2, альдегиды и другие.

Основные реакции образования озона • R - радикалы • O - атомарный кислород • O3 - озон • NO - оксид азота • NO2 - диоксид азота • hv - ультрафиоле-товое солнечное излучение

Проблема качества атмосферного воздуха в городах Озон в приземном слое воздуха относится к одному из наиболее токсичных примесей воздуха, поскольку оказывает неблагоприятное воздействие как на биологические объекты, так и на элементы технологической среды. Поэтому по решению ВМО он включен в перечень основных соединений, за которыми должен быть установлен постоянный контроль в населенных пунктах Максимальная разовая ПДК для О3 = 160мкг/м3 или 80 ppb

Воздействие озона

В последние десятилетия математические модели широко используются: • для проведения сценарных расчетов с целью выявления характерных особенностей распространения загрязнений над выбранной территорией при различных погодных условиях, • при установлении вклада отдельных источников или их ансамблей (промышленного предприятия, автомагистрали) в общую картину загрязнения, что имеет особое значение при проектировании новостроек, оценки развития аварийных ситуаций на объектах повышенной опасности.

Компьютерная моделирующая система ТГУ и ИОА СО РАН • блок инициализации (данные о поверхности, наземные наблюдения и вертикальные профили метеопараметров, база данных о точечных, площадных и линейных источниках загрязнения) • мезомасштабная негидростатическая модель • модель переноса примеси • блок визуализации

Негидростатическая метеорологическая модель • система координат, учитывающая рельеф поверхности • негидростатические трехмерные гидродинамические уравнения • 3D уравнения энергии и влажности • двухпараметрическая «k-l» модель турбулентности • технология вложенных расчетов • усвоение данных наблюдений

Модель переноса примеси • 3D уравнения турбулентной диффузии для основных загрязнителей атмосферного воздуха (пыль, CO, SO2, NO2) • учет сухого осаждения в рамках модели сопротивления • база данных о точечных, площадных и линейных источниках г. Томска

Современные транспортные модели атмосферной химии используют: • Carbon Bond IV (CBIV) механизм - 36 газовых компонентов, 93 химические реакции (11 фотохимических), (1989) • Regional Acid Deposition Model (RADM2) механизм - 57 газовых компонентов, 158 химических реакций (21 фотохимических), (1990) • Regional Atmospheric Chemistry Mechanism (RACM) - 73 компонента, 232 реакции, (1997)

Фотохимическая схема GRS Харли (TAPM2) • 9 компонентов: O3, NO, NO2, SO2, H2O2, радикалы RP, реакционная доля смога Rsmog, устойчивые газообразные азотосодержащие вещества SGN и аэрозоли APM; • 10 химических реакций

Реакции фотохимической схемы GRS Харли (TAPM2) • Rsmog + hv => RP + Rsmog + APM • RP + NO => NO2 • NO2 + hv => NO + O3 • NO + O3=> NO2 • RP + RP => RP + H2O2 • RP + NO2=> SGN • RP + NO2=> APM • RP + SO2=> APM • H2O2 + SO2=> APM • O3 + SO2=> APM

Модель образования озона Ri - скорости химических реакций Si - интенсивность поступления компонента

Область исследования • водная поверхность • небольшая растительность • пашня • лиственный лес • смешанный лес • хвойный лес • городская застройка Томский район 50х50км2

Превышение поверхности над уровнем моря и распределение источников в городе Томске IAO TOR-station

Параметры расчетов • 338 точечных источников • 10 площадных источников • 119 линейных источников • разрешение модели - 500м • период моделирования - двое суток • использовалась многопроцессорная техника ТГУ и ИОА СО РАН

Параметры расчетов (интенсивность движения транспорта)

Результаты тестирования модели(озон и оксид азота)

Результаты тестирования модели(диоксид азота и оксид углерода)

Результаты тестирования модели(диоксид серы и аэрозоли APM)

Результаты тестирования модели(сила и направление ветра)

Результаты тестирования модели (сравнение различных кинетических механизмов) • Фотохимическая модель GRS Харли, 9 компонентов, 10 реакций • Фотохимическая модель Сейнфелда, сокращенный механизм RADM2: 12 компонентов, 12 реакций • Фотохимическая модель AIRCHEM CSIRO, сокращенный механизм CB-IV: 10 компонентов, 10 реакций

Результаты тестирования модели (сравнение различных кинетических механизмов)

Об аномально высоких приземных концентрациях озона в районе г. Томска в зимний период М.Ю.Аршинов, Б.Д.Белан и др. ЖОАиО, 2001, №4

Об аномально высоких приземных концентрациях озона в районе г. Томска в зимний период

Заключение • Для исследования образования вторичных загрязнителей в атмосфере города применена фотохимическая модель GRS Харли • Сравнение с данными наблюдений, выполненными на ТОР станции ИОА СО РАН, и результатами расчетов по другим сокращенным кинетическим схемам показало перспективность ее использования для оценки качества воздуха в городах • Проведен анализ причин возникновения аномально высоких приземных концентраций озона в городе Томске в зимнее время

Моделирование образования озона в атмосфере города

Моделирование образования озона в атмосфере города

Presentation Transcript