УДК 551.510.42.001.572
Региональная модель формирования, трансформации и дальнего переноса аэрозольных частиц в атмосфере
С. Г. Цыро*
Рассматриваются вопросы моделирования регионального переноса взвешенных частиц, или аэрозолей, в атмосфере с учетом их физических и химических трансформаций. В модели учтены все основные процессы выбросов, формирования, трансформации аэрозольных частиц, их рассеивания и выведения из атмосферы. Представленная модель включает первичные и вторичные аэрозоли как антропогенного, так и естественного происхождения и позволяет рассчитывать массовые и счетные концентрации многокомпонентных аэрозолей и их распределение по размерам. Гибкая структура модели позволяет легко менять описание спектра аэрозолей, включать новые аэрозольные компоненты, а также модифицировать используемые и включать новые схемы расчета аэрозольных процессов. Сочетание вычислительной эффективности аэрозольной модели с удовлетворительной точностью расчетов позволяет использовать ее в ЕМЕП как для оперативных расчетов текущего трансграничного загрязнения воздуха, так и для оценки трендов и будущих возможных сценариев качества воздуха для содействия формированию стратегий регулирования выбросов в Европе.
1. Введение
В последние десятилетия во всем мире значительно усилилась обеспокоенность общественности в связи с постоянно возрастающим загрязнением воздуха аэрозолями, или взвешенными частицами (ВЧ). В первую очередь это связано с вредным воздействием ВЧ на здоровье человека, что подтверждается результатами значительного объема эпидемиологических и токсикологических исследований. Например, недавние оценки по 25 странам Европейского Союза показали, что воздействие на население воздуха, содержащего ВЧ, приводит к снижению средней продолжительности жизни на 8,6 месяца [39]. Рассеивая, поглощая и отражая радиационные потоки и влияя на процессы облакообразования и свойства облаков, атмосферные аэрозоли влияют на радиационный баланс в системе Земля — атмосфера, а следовательно на формирование погоды и климата [2, 3, 14, 16]. Часть аэрозолей, а именно ионы сульфата, нитрата и аммиака, наносят ущерб природным экосистемам, приводя к подкислению и эвтрофикации почв и водных бассейнов. Кроме того, аэрозоли способствуют коррозии металлов, деградации зданий и материалов. В отличие от газов аэрозоли
* Норвежский метеорологический институт, Норвегия; Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова.
являются комплексным загрязнителем, состоя из многих химических компонентов, а диапазон их размеров охватывает 5 порядков [2, 3, 32]. Наряду с наблюдениями химические модели переноса ВЧ играют важную роль в процессе исследования свойств атмосферных аэрозолей и ключевых процессов, обусловливающих их изменения [4].
Введение законодательного регулирования качества воздуха в отношении уровней загрязнения ВЧ в 1970-х годах в США и в 1990-х годах в Европе дало толчок быстрому развитию аэрозольных моделей качества воздуха. Осознание роли аэрозолей в воздействии на климат способствовало разработке глобальных моделей исследования воздействия аэрозолей на радиационный баланс. К концу 1990-х годов в мире существовало всего несколько трехмерных моделей переноса ВЧ, позволяющих рассчитывать химический состав и спектр атмосферных аэрозолей, например, мезомас-штабные модели [6, 8, 17]. Однако за последние 5—6 лет разработан ряд аэрозольных моделей, как мезомасштабных и региональных моделей качества воздуха [1, 9, 33], так и глобальных моделей переноса и климатических моделей [5, 11, 13, 20, 34, 40]. Одно из основных различий между моделями заключается в способе численного представления спектра частиц по размерам, при этом большинство используемых методов включает относительно большое число прогностических величин, что приводит к снижению скорости модельных вычислений.
Представленная здесь региональная аэрозольная модель ЕМЕП (Совместная программа наблюдения и оценки распространения загрязняющих веществ на большие расстояния в Европе), апробированная в 2003 г. и впервые сформулированная в [35], предназначена для исследования динамики химических свойств и физических характеристик ВЧ. Модель учитывает все основные процессы выбросов, формирования, роста и взаимодействия аэрозолей, их перенос и выведение из атмосферы с использованием эффективных параметризаций этих процессов. Используемые подходы позволили обеспечить достаточную точность результатов в сочетании с численной эффективностью расчетов региональных фоновых аэрозолей, что является главным преимуществом модели ЕМЕП. В данной статье приведено описание аэрозольной модели.
2. Общая характеристика модели
Аэрозольная модель содержит химический блок, позволяющий рассчитывать концентрации 14 соединений: газообразные соединения (SO2, H2SO4, NO, NO2, HNO3, PAN, NH3) и аэрозольные соединения (сульфат-ион (SO4~), нитрат-ион (NOj), аммоний-ион (NH^), органический углерод (OY), элементарный углерод (ЭУ), морские аэрозоли и минеральная пыль. Также рассчитывается масса воды в обводненных аэрозолях.
В модель включены частицы с диаметрами до 10 мкм (ВЧ10). Для численного представления спектра частиц использовано приближение, описанное и апробированное в [28]. Распределение ВЧ по размерам описывается с помощью четырех фракций: 1) ядрообразования (частицы с диаметром d < 0,02 мкм), 2) Айткена (0,02 мкм < d <0,1 мкм), 3) накопления (0,1 мкм < d <2,5 мкм) и 4) грубодисперсных частиц (2,5 мкм < d <10 мкм). В модели используется допущение о монодисперсном и "внутренне" сме-
шанном аэрозоле для каждой отдельной фракции, означающее, что все частицы, принадлежащие одной и той же фракции, имеют одинаковый размер и химический состав. Следует отметить, что гибкая структура модели позволяет легко менять описание спектра аэрозолей, включать новые аэрозольные компоненты, а также модифицировать используемые и включать новые схемы расчета аэрозольных процессов.
Уравнение баланса массы любой химической примеси записано в модели в виде
— (С,,/) = - т2 А н
дГ 4
У„
т
д *, д
— (С»Р) -— ($С ,р) + —
да да
К(Сур") да
+ Р (Е , ± СНЦ ± Буп1} - Ыц - Щ),
где С, — удельная концентрация (отношение смеси) примеси , во фракции у (кг/кг воздуха); Ун — вектор горизонтальной скорости ветра; Ан — оператор горизонтальной дивергенции; т — параметр искажения карты; а -вертикальная координата: а = (р -рт)/р*, р*= р$ -рт; р, р& и рт — соответственно давление воздуха на уровне а, на поверхности и верхнем уровне модельной сетки; а — вертикальная скорость ветра, Ка — коэффициент вертикальной турбулентности. Последний член в правой части описывает все источники и стоки примеси , во фракции у, где Еу — интенсивность выбросов примеси в атмосферу, СНу — скорость химического образования или разрушения, Вуп, — интенсивность процессов аэрозольной динамики, Бйу и Wdу — соответственно скорость сухого и влажного выведения. Уравнение решается численно методом расщепления по процессам [30].
Аэрозольная модель входит в состав Унифицированной модели ЕМЕП [31], построенной на полярной стереографической проекции с горизонтальным разрешением 50 х 50 км (на широте 60° е.). Расчеты проводятся на сетке ЕМЕП, покрывающей всю Европу. По вертикали модель использует а-координату и включает 21 уровень (достигая 100 гПа). Подробное описание аэрозольной модели ЕМЕП приведено в [35]. Входная метеорологическая информация рассчитывается с помощью численной модели прогноза погоды ШЯЬАМ [15].
3. Рассеивание примесей
Адвекция. Горизонтальная и вертикальная адвекция примесей в атмосфере описывается первыми двумя членами в правой части уравнения баланса массы. Численное решение уравнений адвекции осуществляется по схеме Ботта [10] с применением схемы 4-го порядка по горизонтали и 2-го порядка по вертикали. Основной шаг по времени при расчете адвекции составляет 20 мин.
Турбулентная диффузия. В настоящей версии модели принято допущение о том, что горизонтальная диффузия примесей относительно слабо влияет на пространственно-временное распределение поля концентраций примеси, что позволяет с удовлетворительной точностью рассчитывать региональные фоновые концентрации, но может привести к неточностям 36
вблизи крупных источников. Формулы для коэффициента вертикальной турбулентной диффузии в устойчивом пограничном слое и в свободной тропосфере основаны на работе [27]:
= Гц(Шс - Ш)121АГН/Д^/Ш с при Ш < Ш с; 2 [ 0,001 при Ш > Ш с,
где I — путь турбулентного перемешивания, Ш и Шлс — локальное и критическое числа Ричардсона соответственно; ¥Н — горизонтальная скорость ветра (УН = и2 + у2); 2 — высота расчетного уровня.
Коэффициент вертикальной турбулентной диффузии примеси к2 для неустойчивого пограничного слоя рассчитывается, следуя [26]:
кг(г) = кг(г,) + х | к2 (к,) - к2 (2,. ) + (2 - К)
/ \2 2 - 2
— ^ (к, ) + 2 ^ к ) - ^ (2 )
при к, < 2 < 2;
8г 2, - к,
, , . и* К2
к2(2)=——Г7 пРи 2 < к,.
Ф( 2 /Ь)
Здесь 21 — высота слоя перемешивания; к, — высота приземного слоя (к, = 0,042,); Ф — функция подобия для профиля тепла; Ь — масштаб Мо-нина — Обухова. Переход к а-координате производится по формуле ка = кгр2а (§/р*)2 (ра — плотность воздуха, § — ускорение свободного падения).
4. Выбросы в атмосферу (Ец)
Антропогенные выбросы. Входная информация включает данные об антропогенных выбросах газообразных примесей — предшественников аэрозолей: оксидов серы (БОх), оксидов азота (КОх) и аммиака (КИ3), а также о выбросах твердых частиц (ВЧ25 и ВЧ10). На основе оценок выбросов органического углерода (ОУ) и элементарного углерода (ЭУ) в европейских странах [19] выбросы ВЧ распределены на ОУ, ЭУ и частицы неорганического состава (или минеральная пыль). Далее выбросы мелкодисперсных ОУ и ЭУ распределены между фракциями Айткена и накопления [30]. На основе данных о массовых выбросах частиц и предположений о средних диаметрах и плотностях частиц рассчитывается количество частиц, выброшенных во фракциях Айткена, накопления и крупных частиц.
Естественные выбросы аэрозолей. Морские аэрозоли. В модели используются две эмпирические параметризационные схемы для расчета выноса в атмо
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.