научная статья по теме ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ МОДЕЛЕЙ ДАЛЬНЕГО ПЕРЕНОСА ПРИМЕСИ В АТМОСФЕРЕ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ МОДЕЛЕЙ ДАЛЬНЕГО ПЕРЕНОСА ПРИМЕСИ В АТМОСФЕРЕ»

УДК 551.510.42.001.572

Обеспечение метеорологической информацией моделей дальнего переноса примеси в атмосфере

К. Г. Рубинштейн*

Приводятся описание технологии подготовки метеорологической информации для моделей трансграничного переноса примесей в атмосфере и ее основные принципы. Описываемая система диагноза состояния нижних слоев атмосферы (СДА) разрабатывается в Гидрометцентре России начиная с 1993 г. Первая версия системы (СДА-94) успешно применялась в рамках работ Метеорологического синтезирующего центра "Восток" для решения задач трансграничного переноса примесей в атмосфере европейского региона, а также в пределах внетропической части Северного полушария. В настоящее время создана новая версия данной системы (СДА-99), позволяющая существенно расширить перечень метеорологических данных и повысить их точность. Приведено сопоставление некоторых характеристик состояния атмосферы, полученных с помощью СДА-99, с данными реанализа МСА Ю'ЫСЕР и ОРСР за 1996 г. Характеристики ветра и количество осадков сопоставляемых наборов метеорологических данных близки.

Введение

При активной хозяйственной деятельности человека в атмосферу попадает значительное количество загрязняющих веществ, многие из них распространяются на большие расстояния. Одной из важных задач охраны окружающей среды является мониторинг загрязняющих веществ в атмосфере и на подстилающей поверхности. Концентрации этих веществ в атмосфере малы, и поэтому проведение многочисленных и регулярных измерений требует дорогостоящего оборудования и занимает длительное время. Сеть измерений химического состава воздуха относительно невелика. Мониторинг загрязняющих веществ осуществляется в основном на основе моделирования. Особенно остро вопрос взаимного загрязнения воздуха отдельными странами стоит в Европе. Над проблемой модельного мониторинга загрязняющих веществ в этом регионе уже более 15 лет работают два центра: в Осло (центр "Запад") и Москве (центр "Восток").

На концентрацию долгоживущих в атмосфере загрязняющих веществ и их осаждение влияют, в первую очередь, процессы адвекции, мелкомасштабной горизонтальной и вертикальной турбулентной диффузии, сухого "прилипания" и "вымывания" примеси осадками. Интенсивность этих процессов зависит от состояния атмосферы — стратификации, наличия восходящих или нисходящих воздушных потоков, количества и интенсив-

* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации.

ности осадков. Поэтому высокое качество метеорологической информации является необходимым условием для успешного моделирования переноса загрязняющих веществ и построения реалистических карт их выпадений. В цикле статей [5—7], а также в работах [14, 15] описана первая версия системы диагноза нижних слоев атмосферы (СДА), предназначенной для обеспечения метеорологической информацией моделей дальнего переноса пассивных примесей в нижней тропосфере. Данная статья является описанием продолжения и развития этих работ и попыткой некоторого их обобщения.

Прежде чем анализировать разные способы подготовки метеорологических данных для моделей переноса примеси отметим, что вполне естественным представлялось бы построение гидродинамической модели циркуляции атмосферы, учитывающей основные физические процессы в атмосфере, химические реакции, перенос и выведение загрязняющих веществ. Было бы, наверное, важно учесть и перенос примесей в гидросфере — в океанах, морях и реках.

Входной информацией для такой модели могли бы быть данные метеорологических измерений и сведения об эмиссии загрязняющих веществ, а среди ее результатов — концентрации загрязняющих веществ в воздухе и количество осажденных на поверхность веществ. Практически так подходят к проблеме некоторые исследователи (например, [8]). Такой подход был бы естественен, например, в задаче прогноза переноса загрязняющих веществ после техногенных аварий.

Однако проблему моделирования переноса примесей в зависимости от целей решают разными способами. Для целей краткосрочного (3—5 суток) прогноза результатов техногенных аварий используют упрощенные схемы переноса и прогностическую информацию о ветре и осадках. Для целей диагноза содержания долгоживущих примесей в атмосфере используют более сложные физические и химические модели и результаты обобщают за годы. Наша работа, в первую очередь, направлена на метеорологическое обеспечение подобных задач. Но ряд процедур для перехода от крупномасштабных полей к региональным и коррекции осадков, разработанных в рамках данной технологии, по-видимому, могут быть полезны и для региональных и локальных прогнозов переноса примеси.

При решении обеих задач, как правило, отдельно создают технологию подготовки метеорологической информации ("МЕТ"-модели) и технологию, которая учитывает эмиссию загрязняющих веществ в атмосферу, определяет горизонтальный и вертикальный переносы примесей в атмосфере, а также рассчитывает выпадение, деградацию и химическое взаимодействие веществ ("ХИМ"-модели). Основное внимание в публикации будет уделено описанию и анализу возможных подходов к созданию технологии подготовки метеорологической информации и описанию свойств конкретной реализации такой системы.

Основные подходы к созданию системы диагноза атмосферы

Традиционное разделение моделирования переноса примесей на две технологические задачи возникло, по нашему мнению, по двум причинам. Первая (скорее техническая) связана с необходимостью проведения многочисленных длительных экспериментов с помощью "ХИМ"-моделей при 18

решении прикладных задач. И поэтому естественно стремление исследователей зафиксировать метеорологическую информацию и заниматься лишь проблемами "ХИМ"-моделей. Другая, более принципиальная причина связана с требованием малой диффузионной вязкости адвективных схем в "ХИМ"-моделях. В "МЕТ"-моделях, как правило, используются большие физическая и счетная вязкости, определяемые счетной устойчивостью, пространственным разрешением и описываемыми физическими процессами. В принципе, эта проблема преодолима. Известно, что в случае, когда эмиссия загрязняющих веществ определяется крупным производством и относительно стабильна, именно метеорологическая информация в большой мере определяет пространственную и временную изменчивость концентраций примесей в атмосфере и полей осевших долгоживущих загрязняющих веществ. В ситуациях аварийных выбросов или для городского транспортного загрязнения эмиссия непредсказуема, но и в этих случаях метеорологическая ситуация может играть определяющую роль в распространении и выпадении примеси. Поэтому определение оптимального набора метеорологических величин, используемых в "ХИМ"-моделях, их пространственного и временного разрешения и методики их подготовки может в большой мере определить реалистичность получаемых с помощью "ХИМ"-моделей результатов (пример в работе [1]).

При рассмотрении вопроса о возможных принципах создания СДА необходимо иметь в виду следующие обстоятельства: "ХИМ"-модели, как правило, требуют задания данных в узлах регулярной сетки (в них используется обычно подход Эйлера или смешанный Эйлера — Лагранжа); в "ХИМ"-моделях необходимо рассчитывать переносы в областях, где отсутствуют регулярные метеорологические наблюдения (например, над морями, океанами, горами и пустынями); "ХИМ"-модели подчас используют неизмеряемые параметры (например, вертикальные скорости, потоки тепла и влаги, характеристики турбулентности и т. д.).

В связи с перечисленными выше особенностями СДА невозможно строить на основе только обработки данных метеорологических наблюдений, необходимо привлечение гидродинамических "МЕТ"-моделей. Здесь уместно заметить, что обеспечение метеорологическими данными моделей переноса примеси в атмосфере является относительно новой проблемой моделирования метеорологических процессов, имеющей свою специфику. Она может отличаться от численного прогноза погоды или четырехмерного усвоения данных, так как, например, может решаться по данным за прошедшие годы (для анализа долгоживущих примесей); при ее решении нет необходимости в сроке отсечения данных, а необходим учет всей доступной информации. Основной целью СДА является максимально близкий к реальности диагноз и прогноз состояния атмосферы. В задачах прогноза последствий техногенных аварий или городского загрязнения важна детализация метеорологической информации, превышающая возможности измерительной метеорологической сети. Эта задача, очевидно, отличается от задачи моделирования общей циркуляции атмосферы или изменения климата, так как она реализуется при режиме постоянного усвоения данных наблюдений. Для обеспечения метеорологической информацией моделей долгоживущих примесей идеологически близка технология так назы-

ваемого реанализа (см., например [10]). Но и здесь имеются принципиальные различия, заключающиеся в необходимости воспроизведения характеристик атмосферы в разных регионах с разной пространственной структурой и специфической номенклатурой выходных данных (например, с характеристиками турбулентности, необходимыми для расчета переноса загрязняющих веществ, и т. д.). Кроме того, одно из основных требований реанализа — однородность используемой технологии — нельзя рассматривать как самое существенное для СДА.

В настоящее время существуют два принципиально различающихся подхода в конструировании СДА. Первый — это создание "МЕТ"- и "ХИМ"-моделей с идентичной пространственной структурой, проведение непродолжительных прогностических расчетов по этим моделям (на период, превышающий период приспособления и меньший, чем время заметного роста систематических ошибок), а затем использование результатов этих прогнозов для расчетов по "ХИМ"-моделям. По этому пути пошли, например, при создании СДА в Метеорологическом синтезирующем центре "Запад" (Осло) [18]. Необходимость создания модели с пространственной структурой, точно совпадающей с пространственной структурой "ХИМ"-модели, связана с тем, что наиболее важными для переноса загрязняющих веществ являются нижние турбулизированные слои атмосферы. Характеристики циркуляции атмосферы в этих слоях непосредственно

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.

Показать целиком