Статья поступила в редакцию 15.01.11. Ред. рег. № 924 The article has entered in publishing office 15.01.11. Ed. reg. No. 924
УДК 504.3.054; 504.064
МНОГОУРОВНЕВЫЙ ДИСТАНЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДСКОЙ АТМОСФЕРЫ
В.М. Гараев, И. С. Гаджиев
НИИ Аэрокосмической Информатики Азербайджан, AZ1123, г. Баку, ул. Р.Мамедова, д. 25 Тел.: (994 12) 4621733, (994 12) 4627837, факс: (994 12) 4621733 E-mail: asadzade@rambler.ru
Заключение совета рецензентов: 30.01.11 Заключение совета экспертов: 14.02.11 Принято к публикации: 24.02.11
Проанализированы известные результаты многоуровневых экспериментов типа «Спутник (MODIS) - Земля». На основе обобщения рассмотренных известных результатов дистанционного контроля предложен новый алгоритм многоуровневого контроля загрязнения атмосферы газами типа NO^. Показана принципиальная возможность синтеза шести аналогичных по смыслу алгоритмов проведения многоуровневых экспериментов по дистанционному контролю загрязнения атмосферы.
Ключевые слова: атмосфера, дистанционный контроль, загрязнение; аэрозоль, наземные и спутниковые измерения.
MULTI- LEVEL REMOTE CONTROL OF POLLUTION OF URBAN ATMOSPHERE
V.M. Qarayev, I.S. Hajiyev
Scientific Research Institute of Aerospace Informatics 25 R.Mammadov str., Baku, AZ1123, Azerbaijan Тel.: (994 12) 4621733, (994 12) 4627837, fax: (994 12) 4621733 E-mail: asadzade@rambler.ru
Referred: 30.01.11 Expertise: 14.02.11 Accepted: 24.02.11
The analysis of known results of multi-level remote sensing experiment of "Satellite (MODIS) - Earth" type is carried out. On the basis of generalization of considered results of remote sensing the new algorithm for multilevel control of pollution of atmosphere with NO^ type gases is suggested. The possibility of synthesis of six similar algorithms of multilevel remote control of pollution of urban atmosphere is shown.
Keywords: atmosphere, remote control, pollution, aerosol, ground and satellite measurements.
Как указывается в работе [1], в настоящее время широко развит «мультиподход» к осуществлению дистанционного контроля и зондирования. Классический пример такого подхода к осуществлению дистанционного контроля заключается в проведении измерений изучаемого объекта с различных высот или расстояний. Очевидно, что при этом следует оперировать различными масштабами и параметрами разрешения. При более широком подходе к идее «мультиконтроля» и зондирования можно выделить следующие варианты организации проводимых измерений:
1. Использование нескольких платформ-носителей измерительных устройств (мультиплатформен-ный измерительный эксперимент).
2. Многоступенчатая или многоуровневая схема дистанционного контроля (многоуровневый измерительный эксперимент).
3. Мультиспектральные системы дистанционного контроля и зондирования (проведение измерений на нескольких спектральных участках).
4. Мультивременной дистанционный контроль и зондирование (проведение измерений в течение нескольких временных промежутков с учетом сезонных и др. затруднений).
5. Мультиисточниковый дистанционный контроль и зондирование (дистанционный контроль и зондирование с использованием информации, получаемой из нескольких независимых источников).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
6. Мультифазный дистанционный контроль и зондирование (некоторые измерительные данные коррелируют друг с другом или с другими типами данных).
Очевидно, что в реальной практике дистанционного контроля и зондирования также возможны некоторые комбинации вышеуказанных вариантов организации измерений, например, возможно сочетание многоуровневых измерений с мультивременны-ми измерениями, когда измерительные приборы размещены на разных высотах и осуществляют последовательные во времени измерения по специально установленному алгоритму.
Далее в настоящей статье мы рассмотрим возможность организации многоуровневых измерительных экспериментов с привлечением спутниковых и наземных измерительных приборов для осуществления совместного акустико-фотометрического дистанционного контроля и зондирования уровня загрязнения атмосферы городов таким опасным загрязнителем, как NOx.
Прежде всего рассмотрим некоторые особенности организации дистанционного контроля загрязнения атмосферы с помощью наземного содара. Как отмечено в работе [2], при проведении акустического измерительного эксперимента по определению высоты слоя перемешивания был использован содар типа METEK DSD3x7. При этом высота слоя перемешивания определялась как минимальная высота приземного высокотемпературного атмосферного слоя, создающего эхо, или максимальная высота эхо-сигнала. Отметим, что геометрически высота слоя перемешивания отождествляется с высотой образования в нижней тропосфере высокотемпературного слоя, т.е. температурной инверсии. Смог, образовавшийся в современных крупных городах, существует ниже указанного высотного предела, что обусловливает сильную отрицательную корреляционную связь между высотой слоя перемешивания и концентрацией загрязнителей воздуха.
В результате экспериментальных исследований, проведенных в ряде крупных городов [2], была установлена сильная отрицательная корреляционная взаимосвязь между высотой слоя перемешивания и концентрацией NOx. Одновременно также была обнаружена отрицательная корреляционная взаимосвязь между высотой перемешивания и концентрацией аэрозоля PM2,5. При этом коэффициенты корреляции составили, соответственно, -0,76 и -0,73.
Результаты проведенных исследований показаны на рис. 1, где отчетливо видна сильная отрицательная корреляционная связь между высотой слоя перемешивания в тропосфере и концентрацией PM2,5.
Для теоретического обоснования предлагаемой многоуровневой схемы дистанционного контроля и зондирования загрязнения атмосферы газами типа NOx с привлечением спутниковых средств далее проанализируем результаты исследований аэрозольного загрязнения атмосферы спутниковыми и наземными средствами, изложенные в [3].
Рис. 1. Результаты экспериментальных исследований высоты слоя перемешивания (кривая 1) и концентрации аэрозоля РМ2,5 (кривая 2) [2] Fig. 1. Results of experimental research of mixing layer height (curve 1) and concentration of aerosol PM2,5 (curve 2) [2]
Как указано в работе [3], проведенные исследования отчетливо показали, что результаты спутниковых измерений оптической толщины аэрозоля с помощью спектрорадиометра MODIS имели высокую степень корреляции с результатами наземных измерений PM2,5. Однако при этом была обнаружена сильная зависимость коэффициента корреляции от таких факторов, как относительная влажность и высота слоя перемешивания. Максимальная корреляция была обнаружена при относительной влажности RH = 40-50% и высоте слоя перемешивания 100-200 м.
Результаты, полученные в ходе проведенных исследований, отображены на рис. 2 [3]. Как видно из представленных графиков, коэффициент корреляции растет с уменьшением высоты слоя перемешивания и при высоте 100-200 м достигает величины 0,8.
Рис. 2. Зависимость коэффициента корреляции между оптической толщиной аэрозолей измеренного MODIS и результатом наземных измерений массы РМ2,5 от высоты слоя перемещения в тропосфере [3] Fig. 2. Dependence of correlation coefficient between optical depth of aerosol measured with MODIS and results of ground measurements of PM2,5 mass from height of mixing in troposphere
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1 (93) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
На основе анализа и сопоставления вышеизложенных результатов исследований, проведенных в [2, 3], можно предложить следующий алгоритм проведения многоуровневого дистанционного контроля и зондирования степени загрязнения тропосферы газами типа N0*.
1. Осуществление спутниковым спектрорадио-метром измерения оптической толщины атмосферы.
2. Проведение наземных измерений концентрации аэрозоля РМ2,5.
3. Проверка наличия сильной корреляции между измеренными величинами таег и РМ2,5.
4. В случае позитивного ответа по пункту 3 осуществить проверку уровня относительной влажности (КН). Определяется, находится ли КН в пределах ИИ < 40%.
5. В случае позитивного ответа по пункту 4 осуществить содарные измерения уровня слоя перемешивания (МИ). Определяется принимает ли МИ минимальное значение.
6. В случае положительного ответа по пункту 5 выводится заключение о максимальной величине загрязнения атмосферы загрязнителями типа N0*. Блок-схема алгоритма показана на рис. 3.
Рис. 3. Блок-схема предлагаемого алгоритма многоуровневого дистанционного контроля наличия сильного загрязнения
тропосферы газами типа Nox
Fig. 3. Chart diagram of suggested algorithm of multi-level remote control of presence of heavy pollution of troposphere with gases of
NOX type
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Рассмотрим вопрос об осуществлении алгоритмического синтеза вариантов многоуровневого контроля. Возможность осуществления такого синтеза возникает по причине концептуальной некритичности выбора последовательности проведения операций по блокам 1, 2, 3, показанных в блок-схеме алгоритма. Очевидно, что параллельное выполнение всех трех блоков чревато риском неоправданного расхода сил и средств, так как на выходе каждого блока су-
ществует предикат, отрицательный ответ на вопрос которого приводит к приостановке проводимого эксперимента. Общее количество N возможных вариантов алгоритма многоуровневого контроля определяется по известной формуле N = п!, где п - количество блоков. С учетом п = 3 имеем N = 6. Для примера на рис. 4 приведен один из вариантов синтезированных алгоритмов многоуровневого контроля.
Начало
Измерения RH
Да
RH < 40%
Нет
Наземные измерения РМ2,5
Да
Вывод заключения NOX = максимум
Нет
Стоп
Рис. 4. Один из синтезированных вариантов проведения многоуровневых измерений Fig. 4. One of synthesized variants of realization of multi-level measurements
Международный научный журнал «Альтернат
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.