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

Проблема качества атмосферного воздуха в городах Tomsk

Первичные загрязнители воздуха в городах l оксид углерода l диоксид и другие производные серы l углеводороды l оксиды азота l органические соединения l 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 H 2 O 2, альдегиды и другие.

Основные реакции образования озона l R - радикалы l O - атомарный кислород l O 3 - озон l NO - оксид азота l NO 2 - диоксид азота l hv - ультрафиолетовое солнечное излучение

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 О 3 = 160 мкг/м 3 или 80 ppb Проблема качества атмосферного воздуха в городах

Воздействие озона

В последние десятилетия математические модели широко используются: l для проведения сценарных расчетов с целью выявления характерных особенностей распространения загрязнений над выбранной территорией при различных погодных условиях, l 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 l блок инициализации (данные о поверхности, наземные наблюдения и вертикальные профили метеопараметров, база данных о точечных, площадных и линейных источниках загрязнения) l мезомасштабная негидростатическая модель l модель переноса примеси блок визуализации

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

Модель переноса примеси l 3D уравнения турбулентной диффузии для основных загрязнителей атмосферного воздуха (пыль, CO, SO 2, NO 2 ) l учет сухого осаждения в рамках модели сопротивления l база данных о точечных, площадных и линейных источниках г. Томска

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

Фотохимическая схема GRS Харли (TAPM2) l 9 компонентов: O 3, NO, NO 2, SO 2, H 2 O 2, радикалы RP, реакционная доля смога R smog, устойчивые газообразные азотосодержащие вещества SGN и аэрозоли APM; l 10 химических реакций

Реакции фотохимической схемы GRS Харли (TAPM2) l Rsmog + hv => RP + Rsmog + APM l RP + NO => NO 2 l NO 2 + hv => NO + O 3 l NO + O 3 => NO 2 l RP + RP => RP + H 2 O 2 l RP + NO 2 => SGN l RP + NO 2 => APM l RP + SO 2 => APM l H 2 O 2 + SO 2 => APM l O 3 + SO 2 => APM

Модель образования озона R i - скорости химических реакций S i - интенсивность поступления компонента

Область исследования l водная поверхность l небольшая растительность l пашня l лиственный лес l смешанный лес l хвойный лес l городская застройка Томский район 50 х 50 км 2

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

Параметры расчетов l 338 точечных источников l 10 площадных источников l 119 линейных источников l разрешение модели м l период моделирования - двое суток l 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) l Фотохимическая модель GRS Харли, 9 компонентов, 10 реакций l Фотохимическая модель Сейнфелда, сокращенный механизм RADM2: 12 компонентов, 12 реакций l 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 l Для исследования образования вторичных загрязнителей в атмосфере города применена фотохимическая модель GRS Харли l 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 l Проведен анализ причин возникновения аномально высоких приземных концентраций озона в городе Томске в зимнее время