Д.т.н. Айдосов А.А., д.т.н. Айдосов Г.А., д.т.н. Заурбеков Н.С.,

к.т.н. Заурбекова Н.Д., Заурбеков И.С.

КазНУ им. Аль-Фараби, КазТрансГаз, КазЭУ им. Т.Рыскулова, КазНТУ им. К.Сатпаева, Академия КНБ РК

Общая структура и основные входные данные для

реализации модели переноса в атмосфере

Анализ данных исследования современной экологической обстановки природной среды западного нефтепромыслового региона Казахстана для обеспечения математических моделей процессов переноса вредных веществ показал, что модели динамики реальных атмосферных процессов должны учитывать механизм фазовых переходов воды (привлечения влажности как одного из важнейших параметров природы) в атмосфере, процессов в планетарном пограничном слое, влияние радиационных и турбулентных переносов энергии на развитие крупномасштабных процессов, геофизических свойств Земли и целого ряда других явлений, массовых сил вращения Земли и их неоднородности, а также на возможность исключения предположения о равенстве нулю горизонтальных градиентов потенциала силы тяжести с применением уравнений гидротермодинамики. Точное прогнозирование элементов водного баланса (влагосодержание, водность облаков, осадки, испарение) во многом предопределяет успех предсказания атмосферных процессов. Особую трудность представляет моделирование процессов, связанных с фазовыми переходами воды в атмосфере. Процессы конденсации, изменения термодинамического состояния атмосферы приводят к существенному изменению циркуляции. Важно выявление воздействия конденсационных процессов на крупномасштабные элементы циркуляции и наоборот. За счет процессов адвекции, конвекции и диффузии воздуха происходит распространения промышленных выбросов в атмосфере. Выбрасываемые в воздух примеси из крупных частиц, распространяясь в атмосфере, спускается под воздействием силы тяжести с определенной постоянной скоростью в соответствии с законом Стокса. Естественно, что все примеси в конечном итоге осаждаются под действием гравитационного поля, а легкие - в результате диффузионного процесса. Поэтому задачи, связанные изучением процессов, происходящих в атмосфере, является одним из важнейших проблем при изучении переноса вредных веществ в атмосфере. Для решения этих задач используем математических моделей, описывающие физику процессов взаимодействия атмосферы с окружающей средой. Итак, основываясь на работы И.А.Кибеля, Г.И.Марчука, Ю.Я.Белова, создадим математические модели реальных атмосферных процессов.

С этой целью нами в работах [1-4] разработаны и предложены математические модели переноса и рассеивания вредных примесей при реальных атмосферных процессах. Для реализации рассмотренных в работе методов и алгоритмов решения задачи пограничного и приземного слоя и переноса примесей создан комплекс программ, построенных на модульном принципе, что позволило упростить построение основных программ расчета, комплектуя их из отдельных программ-модулей.

Рассматриваемый комплекс программ включает в себя программные модули, реализующие следующие основные методы и алгоритмы:

- алгоритм решения системы уравнений гидротермодинамики в криволинейной системе координат;

- алгоритм решения уравнений для квазиоднородного приземного слоя;

- алгоритм расчета температуры и влажности на поверхности подстилающей поверхности;

- алгоритм решения уравнения турбулентного переноса примесей в атмосфере региона;

- алгоритм расчета вертикальных и горизонтальных коэффициентов турбулентного обмена;

- блок задания и идентификации входной информации;

- блок организации выдачи выходной информации в виде изолиний и таблиц.

В этом блоке используется сервисные программы математического обеспечения и системы визуализации. На основе комплекса моделей решен следующий класс практических и исследовательских задач по изучению локальной циркуляции в ограниченной области:

- исследование влияния антропогенных изменений свойств (термических, динамических, влажности и др.) подстилающей поверхности на динамику пограничного слоя атмосферы;

- изучение закономерностей распространения загрязняющих примесей совместно с развитием гидротермодинамических процессов при различных погодных условиях (инверсии, штиле, внешнем потоке и др.) и с учетом изменений характеристик подстилающей поверхности региона;

- оценка и контроль загрязнения атмосферы и промышленных регионов;

- численное моделирование гидрометеорологического режима региона.

Комплекс программ построен таким образом, чтобы подключение определенного блока, необходимого при решении конкретной задачи, можно было осуществить через задание входных параметров модели.

Основные входные параметры, необходимые для моделирования микроклимата локальной области: географические координаты и размеры рассматриваемой области; параметры дискретной области; время суток; зенитный угол и склонение Солнца; характеристики подстилающей поверхности (рельеф, параметры шероховатости, альбедо, теплофизические свойства почвы); значение фоновых полей метеоэлементов: компонент вектора скорости, температуры и влажности; распределение и мощности искусственных источников тепла, влаги и примесей. Все величины, задаваемые во входной информации, являются функциями пространственных координат. Фоновые значения метеополей и примесей могут быть получены либо по данным наблюдений в атмосфере, либо из крупномасштабной модели динамики атмосферы. Шаги по времени и пространству задаются из конкретных требований поставленной задачи.

В результате работы комплекса программ может быть получена следующая выходная информация:

- значения пространственных полей метеоэлементов и примесей в любой момент времени;

- поля интегральных концентраций примесей.

Выходная информация выдается в следующих формах:

- численные значения полей метеорологических элементов и концентрации примесей во всей области, ее частях или сечениях;

- изолинии полей метеоэлементов, концентраций примесей в разных сечениях;

- векторные поля скорости для различных сечений области.

Литература:

1. Айдосов А.А., Заурбеков Н.С. Теоретические основы прогнозирования природных процессов и экологической обстановки окружающей среды //Теоретические основы прогнозирования атмосферных процессов, экологической обстановки окружающей среды и построение геоэкологической карты на примере КНГКМ. – Кн.3.– А.: Қазақ университеті, 2000. – 220 с.

2. Айдосов А.А., Айдосов Г.А. Теоретические основы прогнозирования природных процессов и экологической обстановки окружающей среды // Теоретические основы прогнозирования атмосферных процессов и экологической обстановки окружающей среды. – Кн.1. – А.: Қазақ университетi, 2000. – 290 с.

3. Айдосов А.А., Айдосова Г.А., Заурбеков Н.С. Модельная оценка экологической обстановки окружающей среды при аварийных ситуациях. - Алматы, 2010. – 414 с.

4. Айдосов А.А., Айдосова Г.А., Заурбеков Н.С. Модели экологической обстановки окружающей среды при реальных атмосферных процессах. - Алматы, 2010. – 368 с.