Имитационная система для вычислительного эксперимента в физике атмосферного загрязнения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

российская академия наук

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

г; Г г П П Г 1 :■> Ь

- "I

чан лш кыонг

На правах рукописи

УДК 551.46

ИМИТАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В ФИЗИКЕ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Специальность 01.04.(31 - техника физического эксперимента,

физика приборов, автоматизация физических исследований

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники к электроники РАН.

Научные руководители: - доктор физико-математических наук,

академик Академии естественных наук РФ КРАПИВИН В.Ф.

доктор физико-математических наук, член-корреспондент Академии естественных наук МКРТЧЯН Ф.А.

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук,

академик Международной экологической академии Флейшман Б.С. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Либерман Б.М.

Ведущая организация: - Институт проблем передачи информации РАН

(ИППИ РАН, г. Москва)

Защита состоится "// "ЛН.99г. в часов на

заседании специализированного Совета Д 002.74.03 при Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907 г. Москва, ул. Моховая 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН. Автореферат разослан "22- " Н^лё/?^ 99 ^ г.

Ученый секретарь Специализированного Совета к.ф.-м.н.

М.И. Перцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальностъ теш. Проблема исследования возможных последствий человеческой деятельности требует изучения многих взаимосвязанных биосферных процессов. Один из важнейших аспектов этой проблемы состоит в изучении процессов загрязнения атмосферы с учетом физико-географических, экологических и климатических особенностей рассматриваемой территории. Решению этой проблемы посвящены многие международные и национальные природоохранные программы, в рамках которых собраны обширные данные об уровнях атмосферного загрязнения в различных климатических зонах. Эти данные используются для моделирования процессов распространения загрязнителей в атмосфере. Созданные модели подобного рода описывают конкретные природные системы и рассматривают поведение газовых и твердых фракций загрязнителей в атмосфере.

Сложность и неоднозначность зависимостей процессов распространения загрязнителей в атмосфере от параметров окружающей среды обуславливают многообразие задач, связанных с выбором методов параметризации этих процессов и способов автоматизации обработки разнотипной информации. Важным моментом здесь является синтез имитационной системы, которая носила бы универсальный характер и ее можно было бы адаптировать к конкретным условиям изучаемой территории.

Актуальность темы диссертации определяется необходимостью автоматизации процесса моделирования атмосферного загрязнения, созданием компьютерной технологии для комплексного изучения динамики загрязнителей в атмосфере над заданными регионом и акваторий, обеспечением возможности проведения вычислительных экспериментов с учетом априорной и текущей информации о параметрах окружающей среды, а также изучения гипотетических ситуаций в рамках выбранного сценария антропогенного воздействия на эти параметры.

Настоящая работа проводилась в соответствии с планами научно-технического сотрудничества между ИРЭ РАН и рядом научных организаций СРВ, а также по программе "Экологическая безопасность России".

Цель работ. Целью диссертационной работы является построение имитационной системы для изучения процессов распространения загрязнений в реальной атмосфере и проведение вычислительных . экспериментов по оценке экологического состояния территорий на примере Вьетнама.

Ваггаюя новизна результатов. Разработанная имитационная, система для вычислительных экспериментов в физике атмосферного загрязнения (ИСФАЗ) создана впервые, а полученные с ее помощью результаты являются новыми:

1. На основе вычислительных экспериментов для климатических, физико-географических и экологических условий территории. Вьетнама впервые оценены зависимости уровней загрязнения атмосферы от влияния трансграничных переносов и показана возможность -использования ИСФАЗ в национальном экологическом мониторинге.

2. В ходе вычислительных экспериментов впервые оценена роль . растительных покровов в формировании уровней концентраций окислов, серы и азота над территорией Вьетнама. Показано, что сведение лесов и их замена другими формациями допустимо не более чем до '3040% от современного уровня. Превышение этого воздействия может повысить уровень интегральной загрязненности атмосферы на 12-1535.

3. Впервые изучены возможные нарушения биогеохимических циклов • углекислого газа и окислов серы в атмосфере над территорией Вьетнама в зависимости от антропогенных воздействий. Показано, что сжигание всех лесов на территории Вьетнама вызовет в установившемся режиме повышение содержания С02 на 1.2%.'Стационарное состояние в цикле Б02 настушт в течение одного года.

Практическая ценность. Научно-практическая ценность работы состоит в использовании предложенной технологии совместного описания контактных точечных и дистанционных трассовых и площадных измерений в рамках единой модели физических процессов переноса загрязнителей в атмосфере над заданным регионом. Построенная система использована для вычислительных экспериментов по оценке значимости различных параметров окружающей среды территории Вьетнама в формулировании и динамике пространственных распределений окислов серы и азота"" в атмосфере. Имитационная система может быть адаптирована к '"уолоеиям любого региона.

Положения вшосште на защити:

1. Разработанная имитационная система для вычислительного эксперимента в физике атмосферного загрязнения позволяет рассчитывать динамические характеристики газовых и твердых загрязненителей в атмосфере и получать пространственные распределения их концентраций над любой территорией.

2. Программное обеспечение имитационной системы, реализующее технологию привязки системы к конкретному природному объекту; модель динамики атмосферного загрязнения в зависимости от физического состояния атмосферного слоя и земной поверхности; алгоритмы формирования пространственного образа по отрывочным во времени и фрагментарным в пространстве данным.

3. Уровень загрязнения атмосферы над территорией Вьетнама определяется транс-граничными переносами и состоянием растительных покровов. Предельно допустимым является замена лесных массивов другими почвенно-растительными формациями не более чем до 30-40% от современного уровня. Превышение этого воздействия может повысить уровень интегральной загрязненности атмосферы на 12-15%.

Апробация работ.

Основные результаты работы докладывались на заседании Секции Кибернетики НТОР и ЭС им.А.С.Попова (май 1993г.), на Всероссийской научной сессии НТОР и ЭС им.А.С.Попова (май 1994г.), на семинаре отдела'информатики ИРЭ РАН (сентябрь 1994г).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертацилнная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 116 страницах машинописного текста, включая список литературы из 63 на-наименований, 20 рисунков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформированы цели исследования, приведены представляемые на защиту основные положения работы и изложена структура работы.

В первой главе "Физические процессы распространения атмосферного загрязнения и их моделирование" дан краткий обзор литературных источников, посвященных современному состоянию проблемы, связанной с автоматизацией и моделированием физических процессов переноса загрязнителей в атмосфере. Рассмотрены вопросы оценки соотношения масштабов этих процессов с типами моделей, классификации загрязнителей и характеристики рядов данных в физике атмосферного загрязнения. Проведено сопоставление типов моделей по их информационным базам.

Выброшенный в атмосферу загрязнитель подвергается воздействию силы гравитационного оседания, турбулентному перемешиванию, ветровому переносу и вымыванию довдем. Совокупность этих воздействий определяет характер поведения облака загрязнителя, вид и форму потока загрязнителя, а также пространственную структуру распределения плотности загрязнителя над данной территорией. Учитываются различные эффекты влияния земной поверхности (растительного покрова, почвы, шероховатости, воды).

Окончательная оценка времени пребывания данного загрязнителя в атмосфере осуществляется на основе соответствующих моделей. В общем виде изменение концентрации любого загрязнителя С можно описать уравнением:

эс(г,ф,л.,ь) + = + н> (1}

дг

*

где - скорость ветра, ф -широта, X -высота, г -рремя,

В - коэффициент молекулярной диффузии, Н - изменения за счет атмосферной турбулентности, эмиссии и перемешивания.

Рассматриваются два типа моделей - модели Эйлера и Гаусса. Каждый тип моделей используется в зависимости от пространственного масштаба территории. Модель Эйлера формируется на основе конкретизации составляющих уравнения (1).

Модели гауссовского типа требуют сведений о высоте источника загрязнений и дисперсионных характеристиках внутри облака загрязнителя. Различные аппроксимации гауссовской струи в окрестности точечного источника зависят от параметров устойчивости приземного слоя атмосферы. На конфигурацию модели влияют геофизические характеристики. В частности, по отношению к горизонтальной координате на суше в направлении Еетра возможно выделение трех зон с характерными признаками: зона невозмущенной дисперсии, зона оседания и зона задержки. В каждой зоне используется соответствующая модификация модели. Например, в зоне невозмущенной ди-дисперсии распределение потока загрязнителя формируется под влиянием однородного и устойчивого слоя :

а

Р(ф,Л.,}г:Н)=

2тиЦ

ехр

' 1 " й-Н • 2 -|

ехр 2

[-4—1

.2 I аХ ) Г 1 Г Ь+В

Г "К

г п

+ ехр

где Р - концентрация загрязнителя в точке с координатами (фД.й); Н - эффективная высота струи загрязнителя, 0 - мощность источника выбросов загрязнителя, и - средняя скорость ветра, ср - направление ветра, X - координата в горизонтальной декартовой системе, 1г -

горизонтальная и вертикальная

V

а.

вертикальное направление, дисперсия ( рассеивание).

Как показали вычислительные эксперименты с использованием моделей гауссовского типа, расчет концентрации загрязнителя на территории с масштабами до 100 км оказывается вполне достоверным. Однако за пределами этого масштаба требуется привлечение более точных методов моделирования и следовательно дополнительных сведений об атмосферных процессах и характеристиках земной поверхности.

Информационная база для моделей типа Эйлера формируется согласно задаче Коши для уравнения (1). В зависимости от многообразия реальных ситуаций состав базы данных, обеспечивающей реализацию модели переноса загрязнителя, становится иерархическим. Эта иерархия определяет соотношение пространственных и временных

масштабов, она управляет точностью модели # другими ее функциональными характеристиками.

В данной работе осуществляется -синтез базовых информационных и модельных структур в единую систему (рис. 1) с целью-получения инструмента для оценки состояния атмосферы в.регионе произвольных размеров. В последующих главах изложены концепция, технология, структура и примеры использования предлагаемой имитационной системы.

загрязненная) А Т М О с'Ф'е РА ¡1

подсистема наблюдения

изменение

режима

наблюдения

коррекция

блоков ..

модели

оценка прогноза

обновляемая база данных

модель динамики атмосферного загрязнения (пакет моделей различного типа)

Имитационный эксперимент с рассмотрением сценариев синоптической обстановки и получением прогнозных -оценок динамических характеристик загрязнителей в атмосфере .

Рис.1. Принципиальная схема адаптивного режима имитационного эксперимента по оценке последствий атмосферного загрязнения в режиме геоинформационного мониторинга.

Вторая глава "Разработка юлиташкнзой састеш z счбор гютода комплексной обработки данных измерений параметров атмосферного загрязнения" описывает технологию сштеза ИСФАЗ. Технология включает формирование множества пространственных идентификаторов с признаками изучаемых объектов и процессов, привязку системы к базам данных, форглирование признакового пространства для задачи пр!шятия решений и подготовку человеко-машинного интерфейса к диалоговому режиму. Излагается структура икитациепной системы.

На рис.2 приведен перечень блоков имитационной система. Б табл.1 указан состав software ИСФАЗ, обеспечивающий се функционирование. Предполагается, что вся входная информация в ИСФАЗ сосредотачивается в тематических файлах, формирование которых moest осуществляться но основе различных источников, таких как удаленные датчики, линии информационной связи, переносные стандартные и нестандартные накопители данных измерений, непосредственный ввод данных с клавиатуры или другого IBM совместимого вводного устройства. Базовый вариант ИСФАЗ рассчитан на последний случай. Переключение ИСФАЗ на другие режимы требует дополнительных элементов software, согласующих носитель информации с IBM и обеспечивающих ее преобразование з файловый накопитель.

Выберем для привязки КСФАЗ к конкретному объекту матричную иерархическую топологическую структуру (пространствешшй идентификатор), отражающую пространственную и предметную структуру территории Q, так что

fi=U П. .; П. =U П. . ; П. . =U П . и t. д.

ij si s i sJl irai s J1

n га

Согласно такому алгоритму территория П в базе данных ИСФАЗ представляется совокупностью символических матриц A^ga1^ ¡|, к=1 ,N , где, например, Ап и А2 содержат топологическую привязку к П, матрица Ад содержит геофизическую информацию об уровнях территории по отношению к уровню коря, А5 - плотность населения, Аб - средние статистические данные о скорости ветра,. А - средние статистические данные о направлении ветра, А0 - данные об интенсивности осадков. Вся информация задается за определенный отрезок времени и, следовательно, в базе данных ИСФАЗ хранятся наборы матриц А.,(1=1 ДГГ, помеченные принадлежностью к временному

интервалу. Кавдый элемент а^ иерархически расшифровывается по уровням, но не обязательно однородным образок. В матрице А3 учитываются типы источников загрязнения.

Рис.2.

Перечень блоков ИСФАЗ, обеспечивающих комплексную оценку атмосферного загрязнения над заданной территорией.

Таблица 1. Программное обеспечение ИСФАЗ.

Символическое обозначение software Характеристика soitware

STANDARD FILTER ASSENT RESTOR GAUSS EULER DEVIDE CHOICE ATMOSEA ATMOLAND SULPOT MAP SIGNAL IBMMEN NITROG OXIGEN CARBON MAIN Калибровка и масштабирование входной информации Фильтрация входных донных Пространственно-временное согласование разнотипных дашшх формирование пространственных образов Восстановление данных Гауссовская модель Зйлеровская модель Выбор сетки пространственной дискретизации и переход к блочному моделированию Изъятие необходимой для моделирования информации из базы данных Моделирование процессов переноса загрязнителей за счет взаимодействия атмосферы и моря Моделирование процессов переноса загрязнений с учетом функционирования системы "атмосфера-растительность-почва" . модель, реализующая схему потоков сеш в природе . Картографическое представление результатов моделирования. Анализ данных моделирования и их визуализация с учетом уровней ПДК. Человеко-машинный интерфейс Модель, реализующая схему потоков азота в природе. модель, реализующая схему потоков кислорода в природе. Модель, реализующая схему потоков С0„ в природе Управление и взаимосвязь блоков ИСФАз.

Один из подблоков КСФАЗ (см. рис.2) обеспечивает реализации функций принятия решений о выдаче сигнала для пользователя в соответствии с априорно заданной элементной структурой ЦЦК. Для сохранения общности полагается, что ЦЦК могут устанавливаться в каждой ячейке по независимому набору элементов. Эту

информацию содержат наборы матриц А10.

В процессе измерений или расчетов для каждого загрязнителя типа £ формируется функция распределения концентрации Р(ф,Х,11Д). В каждой точке (фД.Ь) с течением времени формируется ряд данных

Р^, р|, .....Р"... Из-за ошибок измерений и вычислений на основе

неточных данных выбор ситуаций Р <ПДК или Р ^ГЩК должен

осуществляться в какдой момент времени г на основе соответствующей статистической оценки. Здесь возможны два варианта : (1) решение принимается по отдельному показателю, (2) решение принимается по совокупности показателей.

При принятии решения по отдельному показателю осуществляется проверка устойчивости неравенства Р^ПДК£ в течение заданного времени д1;. В случав выполнения условия Р ^ЦЦК^ в течение времени д1; на дисплее выдается сигнал с сопутствующей информацией. Время гЛ;' определяется пользователем для каждого загрязнителя отдельно.

В другом случае, когда пользователя интересует комплексная оценка ситуации, т.е. когда показатель качества атмосферы рассчитывается по многим критериям, ИСФАЗ осуществляет нормировку всех показателей и приведение пространства признаков к однородным шкалам.

Пусть д(1,1,з,к) - показатель качества атмосферы в компартменте по 1-му параметру. Чтобы свести все показатели к единому масштабу, нормируем их:

а1=0(1,и,к)=я(1,и,к)/тах

а, 3, к

Далее осуществляется сглаживание результатов нормировки по высоте (к), по широте (1), долготе (3) и по всей территории П. Сглаженные результаты используются для оценки качества воздуха тех или иных территорий по выбору пользователя. Окончательное решение принимается на основе сопоставления оценок О1 с заложенными в банк данных наборами пороговых величин.

Комплексная оценка состояния атмосферы над заданной частью О осуществляется по векторному параметру 0=(С21,... ,0П), где О1 - 1-й признак. Этот п-мерный вектор принадлежит некоторому признаковому пространству 3, каждая точка которого соответствует конкретному сочетанию НЖР (задаваемому пользователем). Все 3 разбивается на две части: - загрязнение не превышает допустимых уровней, З^З/Зд - загрязнение достигло опасного уровня. Конкретная реализация 0 оценивается по принадлежности 30 или 31.

В третьей главе "Модель переноса загрязнений в атмосфере над территорией Вьетнама" обосновывается блок-схема базовой модели динамики загрязнителя в атмосфере над заданной территорией,

записываются и анализируются уравнения модели и выбирается программное обеспечение для компьютерной реализации модели.

Территория Вьетнама П рассматривается как совокупность иерархически подчиненных территорий, схема выделения которых регламентируется пользователем согласно описанной в гл.2 .процедуре. Созданный пользователем набор матриц (Ак> определяет :шформационную базу о входных параметрах модели. В общем виде концептуальной основой синтеза модели является соотношение ее входных и еыходных данных . В зависимости от этого автоматически выбирается одна из моделей:

-для масштабов территории до 50 нл использется модель Гауссовского облака;

-для масштабов территории свыше 50 нл используется модель Эйлера.

Обозначим через Сз(г,ф,А.,1г) концентрацию загрязнителя з-го типа на высоте 11 над точкой с географическими координатами (срД). Для модели Эйлеровского типа общие уравнения переноса загрязнителя з пространстве согласно {!) имеют еид:

з г

д

ей

-V,

ф

ас

_э

Эф

ой

ас.,

ЗА.

о

к,

ас

•ф

бф

} ах 1 ох }

-и.

(2)

-да кФ'кл11 % -- -

функция источников э-• ; : : описывающий физические данной работе учитываются только вс;. .. г; скорость вымывания загрязнителя - ; осаждения.

Для численной реализации (2) рассм^: и на каждой высоте к. осуществляется концентрации С (1;, ф.,, А., ). Уравнение ( телю много степеней свободы вплоть до Однако в МСФАЗ по умолчанию заложены изученные процедуры.

- чзрактеристическая э типе; Рз - оператор, ~р.-цэкия загрязнителя ( в •■яг физические превращения; ; -и2„- скорость сухого

т-;;1;;_.о?ся блоки дфхдХхдЬ

пошаговый расчет 2) обеспечивает пользова-рассмотрения сценариев, некоторые хорошо

В соответствии со структурой матрицы А3 е каждом компартменте дфхМ. может задаваться информация о" скоростях эмиссии э-го загрязнителя: минимальная скорость Ез т1п, максимальная скорость Е . Эти сведения в базе данных представляются в виде комбинированной матрицы Ап (с соответствующим файлом данных). Значение Ез рассчитывается согласно процедуре равномерного распределения на интервале [Е ,Е ].

5 у 3 | Ш&Х

Пользователь может выбрать второй вариант параметризации эмиссионного процесса, предполагающего, что эмиссия подчиняется гауссовской интенсивности.

Функциональное описание для и1з и г>2з в (2) дается в виде модели Златева и Кристенсена, которая предлагает линейную зависимость у. и от С с коэффициентами пропорциональности К. и К2в соответственно: и1з=к1дСв» (1=1,2); Коэффициент К1д может быть функцией времени, пространственных координат, а также зависеть от физического состояния земной поверхности. Здесь также рассматриваются несколько вариантов синтезируемых в виде матрицы А13=1ц1^||, где Ц1;(=0 в случае, если пользователь решил сухое осаждение не учитывать. При ц=1 рассматривается алгоритм К2з= К*5г>Лзй/Нт.1х(фДр1;), где К*в - множитель пропорциональности, ■и^ - скорость осаждения загрязнителя з-го типа (например, 1^=0.008 м/с для 302, 0.002 м/с для БО^, 0.001 м/с для Шг и Ш03 и т.п.), Нт1х - высота перемешанного слоя в метрах, с1 - параметр учета физического состояния земной поверхности (с1=1 для сухой поверхности, с1=2 для влажной поверхности).

Случай предусматривает задание в базе данных ИСФАЗ

скоростей сухого осавдения загрязнителей как функций координат, типа загрязнителя и состояния земной поверхности. Эти зависимости имеют вид таблиц и синтезируются в базе данных ИСФАЗ как многомерная матрица Аы. Пользователь может изменять фрагменты этой матрицы или включать ее в режиме "по умолчанию".

Параметризацию скорости и пользователь выбирает путем формирования информационной матрицы А15=Нг'1;)11- При 1^=0 полагается г»1з=0 независимо ни от каких изменений в других блоках ИСФАЗ. При "1^=1 выбирается алгоритм , где К2з=К*аг, г - интенсивность осадков. Задание г> =2 соответствует модели вымывания:

ас

—- =-л,г(г,ф,л.)с (г,фД,11) д1 3

Уравнения (2) являются уравнениями параболического типа. В зависимости от вида функций в правых частях возможны варианты, поддающиеся теоретическому анализу с точки зрения задачи о существовании я единственности решений.

В случае смешанных граничных условий уравнение (2) можно представить в обобщенном виде

где функции Ц и охватывают процессы трансформации загрязнителя в зависимости от его концентрации и пространственно-временных координат соответственно. Координата х отражает некоторое направление , не обязательно совпадающее с ф и Функция V отражает обобщенную концентрацию загрязнителя, в частности совпадающую с С,. Введем функцию и(х,1)=У(хД)-(1-кх/(к-1 ))ф("Ь) и представим уравнение (3)в эквивалентной форме краевой задачи:

иг-и^х+п(и,их,хД)=Г(х^) (4)

и(0,г)=0, * (5)

и(1,+0=кП(1,1),к#1; (6)

"(х.ОЬЩх). (7)

Сделаем следующие предположения:

з)£еЬг(0,Т;7*) (8)

ЬШ:ЯхН-»-Н удовлетворяет условиям:

Ь.1 №(0,0)=0 (9)

Ь.2) существует В^О такое что

|Ь(и,ф)-Ь(и,ф)1ср—ф( для любых и,ф,феН; (10)

Ь.ЗСуществует В2>0, непрерывная функция +и ае(0,1) такие что

Ь.3.1) Вг<^| )еЬг/М_СХ) (0) для любых У/еЬг(С}), (11)

где а=]0,Т[*Ю,1 [;

Ь.3.2) |Ь(и,ф)-11(и,ф)|$В2(|ф| )|и-и|а для любых и,и,фей; Ь.3.3) существует бе(0,1-е) такое, что

/|11(и(х),и2(х)|2сьс<оо УиеУ,

П

а

для любых и,1>=У.

Теорема . Существует Т>0 такое, что задача (4)-(7) при предположениях (8)-(12) имеет единственное решение иеЬсо(0.Т;Ь2(П))пЬ2(0,Т;У).

В случае, когда в (2) учитываются только члены, параметризующие диффузию:

г>0; (13)

и -и+=о,

XX t

0<х<х2,

И(хЛ)=Г(г), 0<х1<х2, ЪО;

их(х,1)=и(г), о<х1<х2, г>0;

и(х,0)=ио(х), 0<х<х2. удается найти регуляризованное решение краевой задачи в виде и(1;)=и(0Д), где и - концентрация загрязнителя в диапазоне пространственной координаты хе[0,х2]. Обозначим

1

Ы(х,г;у,г)= — 2

тс(г-г)~1/2|ехр

2 п

(х-у) 4(г-г)

-ехр

(х+у)с

4(г-г)

Пусть 0<х<х1, ЪО и б>0 достаточно мало. Интегрируем (Шу-Шу)у-(Щ)г=0 по области (0,х1)«(0^-е) и пусть е-»0. После неслокых преобразований имеем :

со t

1

(а*у) (1;)=

т)г»(г)с1г= ■

2тс1/21х1

(г-г)

—3/2.

«ехр

4(г-г)

и(г)аг=Р(г), геи.

Это непрерывное уравнение относительно и(1;). За счет регуляризации удается построить семейство {г)р>,э>0; которое "близко" к точному решению г>0 для правой части в НБШ), б>0; НБ(И) есть ряд функций V таких, что

(и\г\г)а/гу(Ъ)еЪг(Ю и пусть |Р-Р0|2<6(|.|2 - норма в смысла Ь2). Тогда существует регуляризованное решение ие уравнения (13) такое, что

|ие-и0|^С[1п(1/3)]~3. где С - любая константа, большая чем

23+1 /г (5+х1 )3тах|| г2а| га+1 г"г»01 г, (| г»а||+1)1 /г|

Поэтому, если г>0/|а|еЬг(Н), то |г>е-и0|$С81/2 при С>1 + |г»0/а|2 и где а есть Фурье-цреобразование от а .

Четвертая глава "Результаты имитационного эксперимента и рекомендации по планированию измерений" содержит материалы вычислительных экспериментов с использованием имитационной модели применительно к физико-географическим условиям территории Вьетнама. На основе многочисленных экспериментов оценены эффекты воздействия транс-граничных переносов, изменений в структуре земных покровов и климатических вариаций на уровень загрязнения атмосферы над территорией Вьетнама окислами серы и азота.

Для оценки эффективности ИСФАЗ используем ее на примере мониторинга атмосферного загрязнения территории Вьетнама. По данным Национального. Центра по окружающей среда СРВ уровень ■загрязнения атмосферы над территорией Вьетнама опрэделяется совокупностью глобального фона и локальшта распределениями в зонах крупных городов. Значительную долю атмосферных загрязнителей составляют пылевые частицы, источниками которых являются завода по производству строительных материалов и зоны строительства. В данной главе на основе усредненных оценок приводятся примеры применения ИСФАЗ к оценке динамики атмосферного загрязнения.

Влияние лесов на динамику атмосферного загрязнения. Для СРВ в связи с интенсивным строительством дорог актуальной становится задача оценки последствий такой хозяйственной деятельности, которая приводит к уничтожению или нарушению естественной лесной растительности, к замене ее различными антропогенными образованиями: агроценозами, плантациями и т.п. Расчеты проведены при предположении, что лесистость территории СРВ составляет 23% Рассмотрение

различных сценариев замены лесов другими формациями показали, что из-за этого возможно замедление очищения атмосферы до 15%.

Лесопосадки во Вьетнаме составляют 140-150 тыс.га/год, что значительно отстает от темпов обезлесивания (400-500 тыс.га/год). Это отставание сопровождается снижением биоразнообразия, что чревато нарушением стабильности окружающей среда. Из расчетов видно, что критической является скорость вырубки лесов 210 тыс.га/год, что в 2 раза меньше существующих темпов обезлесивания территории СРВ:

Нарушение биогеохимического цикла углерода Исследования Крапивина В.Ф. показали, что локальные антропогенные эффекты воздействия на круговорот углерода достаточно быстро перемешиваются с глобальными эффектами. Поэтому, в рамках рассматриваемого исследования целесообразным оказывается изучение влияния физико-гоеграфических условий Вьетнама на глобальный цикл С02. На рис.3 приведен пример такого исследования. Видно, что сжигание всей растительности Вьетнама в глобальных масштабах может вызвать лишь повышение содержания С02 в атмосфере на 1.2% с температурными вариациями на уровне шума. Выброшенный при сжигании лесов углерод распределяется следующим образом: 3.5% - поглощается прибрежными водами; 0.3% - поглощается водами речной сети; 96.2% - уносится с территории СРВ.

Изменения биогеохимического цикла серы. В отличии от С0£ соединения серы не являются долго живущими и поэтому не имеют глобальных влияний. Рассмотрим ситуацию, определяемую приведенными в табл.2 данными в предположении об отсутствии других источников.

Таблица 2. Оценки интенсивностей выброса антропогенной серы

на территории Вьетнама.

Источник Интенсивность выброса, -2 -1 т км год

50г «о2 пыль

г.Ханой 0.3 0.3 0.4

г.Хошимин 0.2 0.2 0.4

г.Вунгтоу 0.05 0.05 0.1

г.Дананг 0.06 0.06 0.1

г.Хайфон 0.08 0.08 0.1

Пример результатов имитации приведен на рис. 4. Видно, что в конце дождливого сезона содержание серы в атмосфере снижается. С удалением от этого момента распределение серы в атмосфере стабилизируется. Эффектов накопления серы в атмосфере не наблюдается.

«7 150 120 90 60

N..................333..333

............333.3333.....4

----3333.....333.3.3333...

33.33333333333333333..33..

----33333344444433...4----

.....4...433333222...345..

...3......3334444443.3334.

50...........3333333333444.5

............4444444.4555..

............5455555545.

............445555545..

.............45454335..

30.............45555.-5.-

..............454......

44•■•4••

.54.

10.

.54.

10.

30.

50.

.4.44..

..5455. ..44445 .554444 .555444 ..55544 ..54444 ...5444 ...5444 ...5555 ...4444 ...4544 ...454. ..444.. ..54... ..55... ...5...

30 60 90 120 150 Е

.44...............4................N

.........3......33444.....3........

..554.....5.333334444443344333.....

.55555.5444333322333333333333333333 44.445555225223345555555333334444..

.4.4433333333333344444444444333----

443333355343333344333343445...5....

444333333332323322223334543........50

43356444.4.432222223334333.........

.555..44.3333333223455534..5.......

..4.444444444443334445.5..5........

5.....5533542233444554...5.........

44444455555565634432333............30

33334.44.5542312211221 .............

4444555555...553.2222..............

433455.55----54..222...............

33434444.....53...22..2............

444444444.....4----1...2...........10

55544555..........3................

54544555..........4..4.............

5554555............5.5.............

.455555...................55.......

.55544......................5......10

.44554.5...............55..........

.44444.4...............44444.......

.44445.5.............3333444..:----

.4554................33334444......

-.454.................3334345......30

-.5...................3.334........

...............................4...

.........................4....5----

.50

150 120

90

60

30

60

90 120 150

Рис. 3.

Вариации глобальной температуры атмосферы через месяц после мгновенного сжигания всех лесов на территории Вьетнама. Шкала: (1-5)*0.02 °С.

104В 108Е

_|_!_

«««♦♦♦**оо«*******»»»» «♦♦♦«♦««ооооо«**»»*»»»

«00100000011о*********

0011111113221»«»*«*» »0011111253321**»*»*»* »»»11112454432000-••*•

***1112368864432......

***12234899578........

»»»»«♦«778366.........

20Ы »»«»»«»»3543..........

«♦♦♦«♦23211.........»*

«»»«#«11121........*»»

««««♦**1 ........♦♦*

«*»»«****11........«*♦

♦♦♦♦«♦♦*«1 Ц.......«*♦

***«***#*»111.........

***»***«**«11.........

♦♦««♦*«*****11........

.......

♦»♦«♦♦♦«♦♦♦♦♦111......

16Н ***************134>•'• ♦«♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦«♦2342-•• ♦♦♦«♦♦«♦♦♦♦»♦♦♦12222-• ***************11111.. ♦♦♦♦«♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦1111.. ************«***11111-*»********»****111111-♦♦♦♦♦♦♦«♦♦♦♦♦♦♦111111-*«*************111111. ♦♦«♦«♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦111111-************«**1111111 ************«*«111111-12И »»**»»*****«»»1110111 ..♦♦♦♦♦♦♦**««11111111. .••«»♦»♦«♦**011231101• ...***««»**111258421••

.--♦»«»♦1122367431----

■••■»«»1123365421.....

.....1-2223345........

........12223.........

........11111.........

........111...........

•.......11............

........1.............

-1-1-

104Е 108Е

20Ы

Рис. 4.

Карто-схема распределения серы

(£0г) в атмосфере над территорией

Вьетнама. Начальные данные заданы на 1 января нулевыми. Результаты моделирования приведены для 1 Мая.

Шкала: 1 - 0.02+0.2; 2 - 0.2+0.4; и т.д. 9 - более 2 лг/ж3. Направление ветра западное изменялось

равномерно на южное против часовой стрелки.

12И

Приводятся кривые стабилизации концентрации в среднем по территории Вьетнама для Б02, ГГО2 и пыли. Видно, что без учета граничных эффектов концентрации газов и шли стабилизируются более чем через 9 месяцев на уровнях, ниже ПДК.

- Рассмотрим иммитационные эксперименты по оценке эффектов атмосферного загрязнения территории СРВ в стрессовой ситуации с определением допустимых норм выброса Б02 и Ю2. .В гл. 4 приведена интегральная оценка зависимости установившейся концентрации бЬ2+Ю2 от номинального увеличения мощности перечисленных в табл.2 источников. При ПДК=0.5 яг/я? предельный национальный уровень увеличения интенсивности выброса Б02+Ы02 составляет 5 раз.

Для территории Вьетнама с протяженной границей по суше с Китаем, Лаосом и Кампучией получение достоверной оценки уровня атмосферного загрязнения требует учета трансграничных переносов загрязнителей. Продемонстрируем это на примере, когда интенсивности антропогенных эмиссий 302+ГГО2 с прилегающих территорий являются управляемыми параметрами. Результат формирования установившегося поля Б02+Ш2 над территорией Вьетнама оценим при "предположении, что за ее пределами на суше имеет место уровень в 5 баллов по шкале рис.4. Предполагается, что время жизни Б02 -7 дней, ГО2 + 3 часа, дождливый сезон занимает февраль, март; умеренно дозд0швый сезон занимает апрель, сентябрь и октябрь; остальное время года осадки не выпадают. Направление ветра принимается западным на' 1 января, изменение направления ветра происходит равномерно против часовой стрелки. Скорость ветра неизменно равна 200 км/сут.

Предполагается, что по всей территории О в момент 1=0 [302+Ы02]=0 и при г^О отсутствуют источники загрязнений. Из результатов имитации видно, что только за счет трансграничного переноса уровень загрязнения атмосферы в цейтре северной части Вьетнамской территории и по всему побережью ниже 16°ГТ достигает 2-х баллов. На остальной части территории этот уровень возрастает, достигая максимального уровня загрязненности в 5 баллов. Этот эффект сохраняется и при других сценариях. Поэтому для органи--зации мониторинга атмосферного воздуха над территорией СРВ необходимо измерять трансграничные эффекты.

В Заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Разработана имитационная система для вычислительного эксперимента в физике атмосферного загрязнения (ИСФАЗ), учитывающая пространственные неоднородности в распределении земных покровов и -параметров систем атмосфера-суша и атмосфера-море.

2. Предложен алгоритм адаптации ИСФАЗ к базе данных, к физико-географическим и экологическим параметрам изучаемой территории. Алгоритм основан на множестве пространственных идентификаторов. •

3. Разработана структура и построены уравнения базовой модели ИСФАЗ, обеспечивающей расчет динамических характеристик загрязнителей атмосферы с учетом, метеорологических особенностей, территории и при заданном распределении источников. Модель основана на совместном использовании моделей эйлеровского и гауссовскокго типа в зависимости от масштаба территории.

4. Создано программное обеспечение ИСФАЗ, реализующее ее функции по калибровке, фильтрации и масштабированию входной информации, пространственно-временному согласованию разнотипных данных, интерполяции данных по пространству и формированию карто-схем.

5. Проведено аналитическое исследование базовой модели в одномерном случае. Доказана теорема о существовании решения и его единственности.

6. На основе вычислительных экспериментов для климатических, физико-географических и экологических условий территории Вьетнама оценены зависимости уровней загрязнения атмосферы от влияния трансграничных переносов и показана возможность использования ИСФАЗ в национальном экологическом мониторинге.

7. В ходе вычислительных экспериментов оценена роль растительных покровов в формировании уровней концентраций окислов серы и азота над территорией Вьетнама. Показано, что сведение лесов и их замена другими формациями допустимо не более чем до 30-40% от современного уровня. Превышение этого воздействия может повысить уровень интегральной загрязненности атмосферы на 12-15%.

8. Изучены возможные нарушения биогеохимических циклов С02 и Б02 в атмосфере над территорией СРВ. Показано, что сжигание всех лесов вызовет повышение содержания С02 на 1.2%. Стационарное состояние в цикле БО наступает в течение одного года.

Основные результат диссертации отражены в следующих работах:

1.V. У. Thanh, D. N. Thanh, N. Т. Bang, V.F.Krapivin, F.A.Mkrtchyan, H. В. Lan, Tran Luu Cuong, N. T. Long. An analysis or some differential equations arising In mathematical ecology and other applications. Preprint, IREE.oi RAS, 1994, 30 p.

2.Tran Luu Cuong. Existence, uniqueness and asymptotic behaviour of solutions of nonlinear differential equation involving Bessel's operator. In: Ее о informatics Problems, Moscow: IREE Of RAS,1994,p.18-25. . • '

3.Nguyen Thanh Long, Tran Luu Cuong, Huynh Ba Lan. On the nonlinear boundary value problem. In: Ecoinformatlcs Problems, Moscow: IREE of RAS, 1994, p.26-34.

4-.Huynh Ba Lan, Tran Luu Cuong. On a semillnear parabolic equation with boundary mixed conditions. In: Ecoinformatlcs Problems, Moscow: IREE of RAS, 1994,p.45-52.

5.Dinh Ngoc Thanh, Vu Van Thanh, Tran Luu Cuong, Huynh Ba Lan. Stable approximation of solutions of a Cauchy problem for the Lapluce equation In the upper half-plane. In: Ecoinformatlcs Problems, Moscow: IREE of RAS, 1994,p.53-56.

6.Dinh Ngoc Thanh, Vu Van Thanh, Tran Luu Cuong, Huynh Ba Lan. A Cauchy problem for the Laplace equation in the exterior of a unit circle. In: Ecoinformatlcs Problems, Moscow: IREE of RAS,1994,p.57-61.

T.Nguyen Thuan Bang, Tran Luu Cuong, NguyenThanh Long, Huynh Ba Lan. On the nonlinear vibrations equation with coefficient containing integral. In: Ecoinformatlcs Problems, Moscow:1994,p.62-71.

8.Vu Van Thanh, Nguyen Cam, Huynh Ba Lan, Tran Luu Cuong. A problem of geothermal measurements in boreholes. In: Ecoinformatlcs Problems, Moscow: IEEE of RAS-, 1994, p. 72-74.

9.Sun Yl.Cu Thanh Son, Pham Huu Tri, Tran Luu Cuong. Автоматизированная система принятия решений в гидрофизическом экспериментею В сб.: Проблемы экоинформатики, М.:ИРЭ РАН, 1994,С.88-90.

Ю.Си Thanh Son, Sun Yi, Tran Luu Cuong, Pham Son. Возможности применения последовательного анализа в гидрофизическом мониторинге. В сб.: Проблемы экоинформатики,М.: ИРЭ РАН,1994,С.91 -95.

11 .Vu Van Thanh, Nguyen Cam, Huynh. Ba Lan, Tran Luu Cuong. A method of extrapolation of gravity data in geophysics. In: Ecoinformatics Problems, Moscow: IREE RAS,1994,p.101-105.

12.Мкртчан Ф.А..Huynh Ba Lan, Tran Luu Cuong, Pham Huu Tri.

О создании автоматизированного банка данных дистанционного мониторинга. В сб.: Проблемы экоинформатики.М.: ИРЭ РАН, 1994, с.106-109.

Подписано в печать 15.II.1994 г.

Формат 60x84/16. Объем 1,39 усл.п.л. Тираж 100 экз.

Ротапринт ИРЭ РАН. Зак.101.