Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы

М. Е. Берлянд
Прогноз
и регулирование
загрязнения
атмосферы
Л ен и н гр а д
Гидрометеоиздат
1985
УДК 551.510.42:551.509.329
Рецензенты: канд. техн. наук И. М. Н азар ов (И нститут прикладной геофизики
имени академика Ф едорова Е. К .), д-р ф из.-мат. наук Ш. Д . Ф рид­
ман
Ответственный редактор канд. ф из.-мат. наук Р. И. Оннкул (Главная геофизи­
ческая обсерватория им. А. И. В оейкова)
В кн нг е с и с т ем ат и че с ки и з л а г а ю т с я р е з у л ь т а т ы в ы п о л н е н н ы х в С СС Р и з а р у б е ж о м
и с с л е дова ни й по р а з р а б о т к е м е т о д о в к р а т к о с р о ч н о г о п р о гн о з а з а г р я з н е н и я в о з д у х а с у ч е ­
т о м в о з м о ж н о с т и р е г у л и р о в а н и я в ы брос ов в а т м о с ф е р у при н е б л а г о п р и я т н ы х м е т е о р о л о ­
г иче ски х у с л ови ях.
Р а с с м а т р и в а ю т с я основы п рогн оза . П р и в о д я т с я с ве д е н и я о численных, с т ат и ст и ческ их
и си н опти ческих м е т о д а х п рогноз а з а г р я з н е н и я а т м о с ф е р ы . Д а ю т с я ре ком е н д ац и и по их
п р а к т и ч е с к о м у исп ол ьзо в ан и ю .
И з л а г а ю т с я м е т о д ы п р о гн о з а н е б л а г о п р и я т н ы х м е т е о р о л о г и ч е с к и х условий и п от ен ­
ц и а л а з а г р я з н е н и я в о з д у х а . О п и с ы в а ю т с я с п ос обы с о к р а щ е н и я выбр ос ов в а т м о с ф е р у и
у м е н ь ш е н и я вр е д н ы х во зде йс т ви й в п ер и од ы, к о г д а в с оотве тс тви и с да н н ы м и п рогн оза
могут д о с т и г а т ь с я бо л ьш и е ко н ц е н т р а ц и и п р им е с е й в п р и зе м н о м слое воздуха.
Д а е т с я а н а л и з р е з у л ь т а т о в п р о ве р к и о п р а в д ы в а е м о с т и и э ф ф е кт и вн ос т и прогнозов*
О с в е щ а ю т с я п ер с п ект и вы р а з в и т и я р а б о т по р а с с м а т р и в а е м о й п роб л ем е.
К ни га р а с с ч и т а н а на сп е ц и а л и с т ов, и н т е р е с у ю щ и х с я во п р о с а м и ко нтро ля и охраны
а т м о с ф е р ы от за г р я з н е н и я .
In th e boo k " P r e d ic tio n a n d R e g u l a t i o n of A ir P o l l u t i o n ” by М. E. B e r l y a n d In ve ­
s t ig a tio n r e s u l t s o b ta in e d in th e U S S R a n d a b r o a d on e l a b o r a l t i n g s h o r t - r a n g e air p o l l u ­
t io n f o r e c a s t i n g te c h n iq u e w ith d u e a c c o u n t fo r r e g u l a t i o n of e m is s io n s Into th e a tm o s p h e r e
u n d e r u n f a v o u r a b l e m e te o ro lo g ic a l c o n d itio n s a r e s y s t e m a t i c a l l y p r e s e n t e d .
The b a s e s of the f o r e c a s t a re c o n s id e re d . I n f o r m a t i o n on n u m e ric a l, s ta t is tic a l a n d
s y n o p tic a l te c h n i q u e s Is p r e s e n te d . R e c o m m e n d a t i o n s on th e i r p r a c tic a l us e a r e giv en.
Forecasting
te c h n iq u e for u n f a v o u r a b l e m e t e o r o l o g i c a l c o n d itio n s a n d air p o llu tio n
p o t e n t i a l Is d is c u s s e d . Th e w a y s to d e c r e a s e e m i s s i o n s in to th e a t m o s p h e r e a n d to r e d u c e
t h e i r h a r m f u l e f f e c t s in the p e r io d s w h e n a c c o r d i n g to th e f o r e c a s t m a x im u m p o l l u t a n t
c o n c e n t r a t i o n s m a y a p p e a r In th e a t m o s p h e r i c b o u n d a r y l a y e r a r e d e sc rib e d .
A n a ly sis of
v e r if i c a tio n r e s u l t s of t h e sclll sc o r e a n d e ffic ie n c y of fo r e c a sts Is p r e s e n te d .
The outl o ok of d e v e l o p m e n t of a c t iv itie s a n d f u r t h e r t a s k s In t h e c o n sid e re d
p r o b le m a rc
d is c u s s e d .
The boo k is of v a l u e
for m e t e o r o l o g i s t s a n d s p e c i a l i s t s in t h e field of
th e c o n tr o l
a n d p rote c ti on of t h e a t m o s p h e r e from p o l l u t l p n .
М а р к Е всееви ч Б е р л л н д
П р о гн о з и р егу л и р о ва н и е за гр я зн е н и я атмосферы
Р е д а к т о р JI. И. Ш тан никава.
Х у д о ж н и к В. В. Б а б а н о в .
Те хн ич ес ки й р е д а к т о р М , И. Б р а й н и н а , К о рр ек тор Э, Э. Б е л я к о в а
И Б № 1610. С д а н о в н аб ор 23.01.85. П о д п и с а н о в п е ч а т ь 27.05.85. М-22404. Ф ормат 60 x 90VuБ у м а г а тип. № 1. Л и т е р а т у р н а я г а р н и т у р а .
П ечать высокая.
Печ. л. 17. Кр.-отт. 17.
Уч.-изд. л. 19,88.
Т и р а ж 2840 экз.
Индекс
МОЛ-187.
З а к а з № 30.
Ц е па 3 р. 40 к.
Г и д р о м е т е о и зд а т . 199053, Л е н и н г р а д , 2-я л и н и я, 23.
Л ени н градск ая типография № 8 ордена
объединения
« Т е х н и ч ес к а я
к н и г а*
нм.
Г о с у д а р с т в е н н о м к о м и т е т е С С С Р по д е л а м
190000, г. Л е н и н г р а д ,
_ 1603000000-079
Б
ое.--------- 59-85
0Ь 9(0л )-об
Т р у д о в о го К рас н ого З н а м е н и Л ен и н гр а д ск о го
Евгении
Со ко лово й
С о ю зп о л н г р а ф п р о м а прн
и з д а т е л ь с т в , п о л и г р а ф и и и книж ной тор го вли .
П р а ч е ч н ы й п е р е у л о к , 6.
„
© Гидрометеоиздат, 1985 г.
П реди сл ови е
В н аст о ящ ее в р ем я н аступ и л новый эт ап исследований з а г р я з ­
нения атмосф еры . Н а р я д у с оценкой и контролем концентраций
в р е д н ы х п р и м е с е й в в о з д у х е в р а й о н е и х и с т о ч н и к о в по д а н н ы м
н аблю дений, а т а к ж е с р асч етам и кон центраци й на основе тео р е­
тических исследован ий п о я в и л ась во зм о ж н о сть осущ ествлять к р а т ­
к о с р о ч н ы е п р о г н о з ы з а г р я з н е н и я в о з д у х а и и с п о л ь з о в а т ь их д л я
р егу л и р о ван и я п ром ы ш лен н ы х вы бросов. И нтерес к таки м прогно­
з а м п р о я в л я е т с я во м н о г и х с т р а н а х .
В С оветском С ою зе о р га н и за ц и я м и Г осударственного ком итета
С С С Р по г и д р о м е т е о р о л о г и и и к о н т р о л ю п р и р о д н о й с р е д ы (Госко м ги д р о м ета) проводится ш ирокий ком п лекс научных р а з р а б о ­
ток методов прогноза загр язн ен и я атмосф еры . П ри т ер р и то р и ал ь­
н ы х г и д р о м е т ц е н т р а х о б р а з о в а н ы п р о г н о с т и ч е с к и е г р у п п ы ; по с у ­
щ еству, со зд ан а н о в а я с л у ж б а прогнозов. С ейчас прогнозы с о с та в ­
л я ю т с я в 140 г о р о д а х С о в е т с к о г о С о ю з а и п е р е д а ю т с я б о л е е ч ем
на 1000 к р у п н ы х п р е д п р и я т и й в ц е л я х п р и н я т и я н е о б х о д и м ы х м е р
по о х р а н е в о з д у ш н о г о б а с с е й н а . Д л я о б е с п е ч е н и я о п е р а т и в н о й
д е я т е л ь н о с т и э т о й с л у ж б ы и з д а н ы М е т о д и ч е с к и е у к а з а н и я (1 9 7 9 ) ,
п роведены ш и ро ки е и сп ы тани я п р ед л о ж ен н ы х методов прогноза.
Д а н н а я р або та б ы ла поло ж и тел ьн о оценена в статье И. Н ови кова,
посвящ енной итогам работы в области охраны окруж аю щ ей среды
в С С С Р , о п у б л и к о в а н н о й в ж у р н а л е « К о м м у н и с т » (№ 14, 1982).
В ней у к а з ы в а е т с я , что ш и р о к о е п р и м е н е н и е п о л у ч и л и р а з р а б о т а н ­
ные ин сти тутам и Г о ско м ги д р о м ета м етоды прогнозов уровней з а ­
грязнени я воздуш ного бассейна в период ухудш ения метеоусло­
в ий и что т а к и е п р о г н о з ы п о з в о л я ю т с у щ е с т в е н н о в л и я т ь н а с н и ­
ж ен и е вредны х вы бросов в атм осф еру, особенно в периоды о ж и ­
д ае м о й н еб л аго п р и ятн о й м етеорологической ситуации.
В п о с л е д н е е в р е м я з н а ч и т е л ь н о е в н и м а н и е р а б о т а м по п р о ­
г н о зу з а г р я з н е н и я в о з д у х а у д е л я е т В с е м и р н а я м е т е о р о л о г и ч е ­
ская организац ия (В М О ). Д л я активи зации деятельности в данном
н а п р а в л е н и и по р е ш е н и ю 7-й с е с с и и Р е г и о н а л ь н о й а с с о ц и а ц и и
д л я Е в р о п ы ( Р А V I ) в н о я б р е 1980 г. Г о с к о м г и д р о м е т о р г а ­
низовал в Л ен и н гр ад е при Г лавной геофизической обсерватории
им. А. И . В о е й к о в а к р у п н о е м е ж д у н а р о д н о е с о в е щ а н и е по р а з р а ­
ботке м етодов прогноза н е б л а го п р и я тн ы х м етеорологических у сл о ­
вий, п р и в о д я щ и х к в ы с о к и м у р о в н я м з а г р я з н е н и я в о з д у х а . Н а
с о в е щ а н и и , в к о т о р о м п р и н я л и у ч а с т и е с п е ц и а л и с т ы из 14 с т р а н ,
б ы л и в ы р а б о т а н ы р е к о м е н д а ц и и по д а л ь н е й ш е м у р а з в и т и ю и с с л е ­
дований в области р а зр аб о тк и методов прогноза загрязн ен и я
атм осф еры . Р еко м ен дац и и , уточненны е С екр етар иато м В М О , н а ­
п р а в л е н ы во вс е с т р а н ы — ч л е н ы В М О . К а к о т м е ч е н о в Б ю л л е т е н е
В М О (то м 30, № 2, 1982 г .), э т и р е к о м е н д а ц и и д о л ж н ы п о м о ч ь
вы дели ть первоочередны е з а д а ч и в реш ении данной в а ж н о й п р о б ­
лемы при кладн ой метеорологии.
1*
3
Н а п и с а н и ю д а н н о й м о н о г р а ф и и в з н а ч и т е л ь н о й степ ени с п о с о б ­
ство вал а р а б о т а авто р а над подготовкой соответствую щ его и з д а ­
ния В М О , о с н о в н ы е п о л о ж е н и я к о т о р о г о б ы л и о б с у ж д е н ы и о д о б ­
рены на у к а за н н о м м еж д у н ар о д н о м совещ ан и и В М О в Л е н и н ­
гр а д е .
Всем тем, кто способствовал подготовке м он ограф ии, особенно
А. С. З а й ц е в у , И . М . Н а з а р о в у , Р . И . О н и к у л у , И . В. Ц в е т к о в у ,
и те м , к т о в п р о ц е с с е н а п и с а н и я м о н о г р а ф и и о з н а к о м и л с я с о т ­
д е л ь н ы м и р а з д е л а м и ее и с д е л а л с у щ е с т в е н н ы е з а м е ч а н и я , а т а к ж е
Е. Л . Г е н и х о в и ч у и Л . Р . С о н ьк и н у , с о в м е с т н о с к о т о р ы м и н а п и ­
с а н а г л а в а 4, а в т о р в ы р а ж а е т с в о ю г л у б о к у ю п р и з н а т е л ь н о с т ь .
В веден и е
С р е д и з а д а ч по м е т е о р о л о г и ч е с к и м а с п е к т а м з а г р я з н е н и я а т м о ­
сф еры больш ое значение при обретаю т и сследован ия зако н о м ер н о ­
с тей р а с п р о с т р а н е н и я а т м о с ф е р н ы х п р и м е с е й и о с о б е н н о с т е й и х
п ространственно-врем енного расп р ед ел ен и я. Они яв л яю тся основой
д л я объективной оценки состоян и я и тенден ции изм енений з а г р я з ­
нения воздуш ного бассейна, а т а к ж е р а зр а б о т к и возм ож н ы х м еро­
п р и я т и й по о б е с п е ч е н и ю ч и с т о т ы а т м о с ф е р ы ( И з р а э л ь , 19 84 ). Б е з
таких исследований невозм ож но определение репрезентативны х
мест и врем ени наблю ден ий в ц е л я х с о зд ан и я системы кон тр о л я
з а чистотой воздуха. Х а р а к т е р и с т и к и за гр я з н е н и я а тм о сф ер ы сей­
ч а с все в б о л ь ш е й с т еп е н и р а с с м а т р и в а ю т с я к а к м е т е о р о л о г и ч е с к и е
величины. П оэтом у создание систем ы наблю дений за загрязнени ем
возд уха и ан ал и з полученны х р езу л ь т ат о в непосредственно см ы ­
к а ю т с я с м е т е о р о л о г и ч е с к и м и з а д а ч а м и . О ч е в и д н о , ч то и р е ш е н и е
вопросов о нормировании вредны х вы бросов непосредственно з а ­
в и с и т о т у ч е т а у с л о в и й р а с с е и в а н и я их в а т м о с ф е р е . Н у ж н а
р а зр а б о т к а принципов взаим ного разм ещ ен и я предприятий и ж и ­
лы х массивов и устан овлен ие предельно допустимы х выбросов
в а т м о с ф е р у ( Б е р л я н д , 1975, 1 983 ).
Н о в о е н а п р а в л е н и е в р а з в и т и и р а б о т по м е т е о р о л о г и ч е с к и м
а с п е к т а м з а г р я з н е н и я в о з д у х а с в я з а н о с п р о г н о з о м у с л о в и й , при
кото р ы х могут достигаться вы соки е ко н ц ентр аци и примеси в п р и ­
з е м н о м с л о е а т м о с ф е р ы . С л е д у е т о т м е т и т ь , ч то в н а с т о я щ е е в р е м я
практический интерес п р ед ставл яю т краткосроч н ы е прогнозы
(больш ей частью в пред елах суток), особенно возм ож ности р е з­
к о го, т. е. в т е ч е н и е н е п р о д о л ж и т е л ь н о г о в р е м е н и , п о в ы ш е н и я к о н ­
ц ен тр ац и й вредн ы х примесей в при зем ном слое воздуха.
Т а к о е повыш ение, отмеченное на зн ач и тел ьн о м числе пунктов
в городе, м о ж е т быть о бусловлен о н еб л аго п р и я тн ы м и д л я р ас с е и ­
в а н и я п р и м е с е й у с л о в и я м и п о г о д ы . С л е д о в а т е л ь н о , з а д а ч а с о сто и т
в п р о г н о з е з а г р я з н е н и я в о з д у х а в з а в и с и м о с т и от м е т е о р о л о г и ч е ­
с к и х ф а к т о р о в . П р и э т о м м о г у т б ы ть у ч т е н ы о ж и д а е м ы е в ы б р о с ы
в а т м о с ф е р у , а т а к ж е н е к о т о р ы е о с о б е н н о с т и их р е ж и м а , с в я з а н ­
ны е, н а п р и м е р , с р о с т о м ч и с л а а в т о м а ш и н н а у л и ц а х г о р о д о в
в н ач а л е и конце рабочего дня, увеличением количества с ж и гае ­
м о г о т о п л и в а п р и п о н и ж е н и и т е м п е р а т у р ы в о з д у х а з и м о й и т. п.
В периоды увеличения загр язн ен и я возд уха требуется принять
м е р ы по к р а т к о в р е м е н н о м у с о к р а щ е н и ю в ы б р о с о в и у м е н ь ш е н и ю
их в р е д н о г о д е й с т в и я .
В опросы регулирования вы бросов и прогноза ' загрязнени я
а т м о с ф е р ы т е с н о с в я з а н ы м е ж д у с обой . О ч е в и д н о , ч то п р о г н о с т и ­
ческие р а зр а б о т к и необходи м ы п р е ж д е всего д л я тех случаев,
когда возм ож но регулирование загр язн ен и я воздуха. В опросы р е ­
гулировани я еще недостаточно п ро р аб о тан ы и потому в данной
книге сравнительно м ал о освещ ены . Т ем не м енее целесообразн о
5
б ы л о п о д ч е р к н у т ь в ее н а з в а н и и у к а з а н н у ю с в я з ь м е ж д у р е г у л и р о ­
ванием и прогнозом загр я зн ен и я атмосф еры . Этим и конкретизи­
р у ю т с я з а д а ч и к н и г и , с о с т о я щ и е в р а с с м о т р е н и и им енно те х
прогнозов, которы е м ож н о и сп о льзо вать в ц елях реального регу­
л и р о в а н и я в ы б р о с о в . О ч е в и д н о , ч то э т о относится г л а в н ы м о б р а з о м
к краткосрочны м прогнозам.
И н т е р е с к к р а т к о с р о ч н о м у п р о г н о з у з а г р я з н е н и я в о зд у х а о б у ­
с л о в л е н п р е ж д е в сего т е м , ч то во м н о ги х г о р о д а х и п р о м ы ш ­
ленны х цен трах вы бросы вредны х вещ еств в атмосф еру и концен­
т р а ц и и их в в о з д у х е в е с ь м а в е л и к и . Н е всегда у д а е т с я в ы н е с т и
к р у п н ы е и ст о ч н и к и з а г р я з н е н и я в о з д у х а д а л е к о з а п р е д е л ы г о ­
р о д а , а с у щ е с т в у ю щ и й у р о в е н ь т е х н и к и не во всех с л у ч а я х п о з ­
в о л я е т о б е с п е ч и т ь н у ж н у ю о ч и с т к у в ы б р осо в. П о эт о м у , е с т е с т ­
венно, в о з н и к а е т в о п р о с о в о з м о ж н о с т и у м е н ь ш е н и я в ы б р о с о в
в а т м о с ф е р у х о т я бы в с р а в н и т е л ь н о к о р о т к и е п ер и оды в рем ен и ,
когд а о б р азу ется н еб л аго п р и я тн ая м етеорологическая обстановка,
при к о т о р о й м о ж е т с о з д а в а т ь с я о п а с н о е з а г р я з н е н и е в о з д у х а
в ж и л ы х р а й о н а х . К р о м е того, п р и п р о е к т и р о в а н и и и с о о р у ж е ­
нии но вы х п р е д п р и я т и й не в с е г д а в о з м о ж н о , а ин огд а э к о н о м и ­
чески н е р а ц и о н а л ь н о и з - з а н е о б х о д и м о с т и и с к л ю ч и те л ьн о б о л ь ш и х
затр ат, п р ед у см атр и вать столь м а л ы й вы брос в атмосферу, чтобы
а б с о л ю тн о ни п р и к а к и х у с л о в и я х , д а ж е и з р е д к а , н а з е м н ы е к о н ­
ц е н т р а ц и и п р и м ес и не п р е в ы ш а л и бы их п ре д е л ьн о д о п у с ти м ы е
значения — П Д К .
П ри проектировании предприятий учитываю тся неблагоприят­
н ы е м е т е о р о л о г и ч е с к и е у с л о в и я , при к о т о р ы х м о г у т н а б л ю д а т ь с я
в ы с о к и е у р о в н и к о н ц е н т р а ц и и . Н а п р и м е р , к т а к и м у с л о в и я м при
в ы б р о с а х из в ы с о к и х т р у б о т н о с я т с я скорости в етра, б л и з к и е
к о п а с н о й (см. п. 3 .1 ), и н е у с т о й ч и в а я с т р а т и ф и к а ц и я . Э ти у с л о ­
в и я д о с т а т о ч н о ч ас т о н а б л ю д а ю т с я в д н е в н ы е ч а с ы тепл ого п о л у ­
г о д и я при а н т и ц и к л о н и ч е с к о й погод е.
В м е с т е с тем в в е с ь м а к о р о т к и е п е р и о д ы в р ем е н и м огут с о з д а ­
в а т ь с я а н о м а л ь н о о п а с н ы е у с л о в и я з а г р я з н е н и я в о зд уха, н а п р и ­
м ер, при н а л и ч и и п р и п о д н я т ы х и н ве р си й , р а с п о л о ж е н н ы х н е п о ­
с р е д с т в е н н о н а д д ы м о в ы м и т р у б а м и , и о с л а б л е н и и в е т р а до ш т и л я
(см. п. 3 .6 ), п р и к о т о р ы х н а з е м н ы е к о н ц е н т р а ц и и при м есей р е з к о
в о з р а с т а ю т . Д л я и з б е ж а н и я эт о го эк о н о м и ч е с к и ц е л е с о о б р а з н о
п р е д у с м а т р и в а т ь м е р о п р и я т и я не к а п и т а л ь н ы е , а э к с п л у а т а ц и о н ­
н ы е по к р а т к о в р е м е н н о м у с н и ж е н и ю вы б р о со в в эт и п ери о ды .
В ы ш е у к а з ы в а л о с ь н а т е сн у ю с в я з ь м е ж д у з а д а ч а м и п р о г н о з а
и р е г у л и р о в а н и я з а г р я з н е н и я а т м о с ф е р ы . О чеви дн о, что п р о г н о зы
з а г р я з н е н и я в о з д у ш н о г о б а с с е й н а б у д у т э ф ф е к т и в н ы т о л ь к о т о гд а ,
к о г д а и м е е т с я р е а л ь н а я в о з м о ж н о с т ь с о к р а т и т ь или п ол ностью
п р е к р а т и т ь в р е д н ы е в ы б р о с ы , а т а к ж е и з б е ж а т ь их в о зд е й с т в и я
в с л у ч а е н е б л а г о п р и я т н о й м е т е о р о л о г и ч е с к о й о б стано вк и.
П р и это м с л е д у е т и м е т ь в в и д у и з в е с т н ы е с л о ж н о с т и , с в я з а н ­
ны е с р а з р а б о т к о й п о д о б н ы х п р о г н о з о в . О ни з а к л ю ч а ю т с я в т о м ,
что о дни и те ж е у с л о в и я п о г о д ы м о г у т о к а з ы в а т ь р а з н о е в о з д е й ­
с т в и е в з а в и с и м о с т и от т и п а и с т о ч н и к а и в п ер в ую очередь от его
6
в ы с о ты . Т а к , с о ч е т а н и е н е у с т о й ч и в о й с т р а т и ф и к а ц и и и о п а с н о й
скорости ветра явл яется неб л агоп ри ятн ы м в случае высоких
источников. В случае низких источников оп асн ы м и я в л яю т ся соче­
тан и я при зем ной инверсии и ш ти л я , ко гд а н а зе м н ы е кон центраци и
от вы соких труб будут м ал ы м и . Е стественно, им ею тся источники,
д л я которых опасны ми являю тся условия, близкие к равновесны м.
Н у ж н о отметить, что п о вы ш ение у р о в н я за г р я зн е н и я воздуха
возм ож н о и из-за резкого увели чен и я вредн ы х вы бросов в а т м о ­
сф еру в аварийн ы х ситуациях вследствие наруш ения технологиче­
с кого р е ж и м а , н е и с п р а в н о с т и о б о р у д о в а н и я , о т к л ю ч е н и я о ч и с т н ы х
устройств или при зал п о в ы х вы б р о сах . О д н а к о тако е увеличение
о д н о в р е м е н н о на м н о г и х и с т о ч н и к а х , р а с п о л о ж е н н ы х в р а з л и ч н ы х
частях города, к а к правило, м ал о вер о ятн о . П ри значительном
в о з р а с т а н и и в ы б р о с о в от о т д е л ь н о г о п р е д п р и я т и я их в о з д е й с т в и е
м о ж н о о б н а р у ж и т ь в зо н е его в л и я н и я . П р о г н о з з а г р я з н е н и я
в эт и х с л у ч а я х в ы п о л н я е т с я по о ж и д а е м о м у и з м е н е н и ю в ы б р о с о в
с у ч ет о м к о н к р е т н ы х м е т е о р о л о г и ч е с к и х у с л о в и й .
И с с л е д о в а н и я в у к а з а н н о м н а п р а в л е н и и в е д у т с я с е й ч а с во
многих странах. П о л у чен н ы е р е з у л ь т а т ы п р е д с та в л е н ы в б ольш ом
числе оп уб ли к ован н ы х статей и д о к л а д о в на р азл и ч н ы х с о в е щ а ­
ниях и симпозиумах.
М етоды прогноза загр я зн ен и я воздуха использую тся и в опе­
ративной п р акти ке в С С С Р , а т а к ж е в р я д е з а р у б еж н ы х стран.
В отдельны х ст р ан а х д л я этого п р и в л ек аю тся дан ны е а в т о м а т и зи ­
рованной системы кон троля за г р я зн е н и я воздуха.
В соответствии с п р ед у п р еж д ен и ям и о возм ож н ости резких
повыш ений приземной концентрации примесей в периоды н еб л аго ­
п р и я т н ы х у с л о в и й п о г о д ы п р и н и м а ю т с я м е р ы по с о к р а щ е н и ю в ы ­
бросов эти х вещ еств в атм о сф ер у , о гр ан и ч и в аю тся или п ер е­
с т р а и в а ю т с я т р а н с п о р т н ы е п о т о к и н а г о р о д с к и х м а г и с т р а л я х , по
р а д и о и т е л е в и д е н и ю с о о б щ а е т с я об о п а с н о с т и д л и т е л ь н о г о п р е ­
бы вания населения на откры том воздухе в отдельны х р айон ах
города.
В С С С Р н е о б х о д и м о с т ь п р и н я т и я м е р по р е г у л и р о в а н и ю в ы ­
бросов в таки е п ери оды п р е д у с м ат р и в а е т с я Г о су д ар ствен н ы м
стан д артом (Г О С Т о м ) на п р а в и л а у ст ан о в л ен и я предельно д о п у ­
стим ы х вы бросов (1978). Н а м ногих п р е д п р и я т и я х р а з р а б а т ы ­
в а ю т с я т р е б у е м ы е д л я эт о го м е р о п р и я т и я .
В зад ач у данной монограф ии входит рассм отрение и о б су ж д е­
ни е р е з у л ь т а т о в у к а з а н н ы х р а б о т .
Г лава 1
Критерии опасности загрязнения атмосферы
и их использование при прогнозе
Д л я п р о г н о з а з а г р я з н е н и я а т м о с ф е р ы в е с ь м а б о л ьш о е з н а ч е ­
ние и м е е т н а л и ч и е к р и т е р и е в его о п а с н о с т и . П р и р а з р а б о т к е с о о т ­
в е т с т в у ю щ и х м е т о д о в п р о г н о з а с т а в и т с я з а д а ч а учесть эт и к р и ­
тер и и , т. е. у с т а н о в и т ь , в к а к и х с л у ч а я х степ ень к о н ц е н т р а ц и и
в р е д н ы х п р и м ес е й в в о з д у х е д о с т и г а е т о п р е д е л е н н ы х кр и т и ч е с к и х
зн а ч е н и й и н а с к о л ь к о п о с л е д н и е м о г у т б ы т ь п р е в ы ш е н ы . В з а в и ­
сим ости от в е л и ч и н ы э т о г о п р е в ы ш е н и я м огут б ы ть д а н ы р е к о ­
м е н д а ц и и о к о л и ч е с т в е н н о й х а р а к т е р и с т и к е н е о б х оди м ого у м е н ь ­
ш ен и я в р е д н ы х в ы б р о с о в и его п р о д о л ж и т е л ь н о с т и .
1.1. И спользование п редельно допустимых концентраций
В качестве основных критериев опасности загрязнения воздуха
обы чно и с п о л ь з у ю т с я п р е д е л ь н о д о п у с т и м ы е к о н ц е н т р а ц и и ( П Д К )
в р е д н ы х п р и м ес е й или с о о т в е т с т в у ю щ и е им (в р я д е с т р а н ) с т а н ­
дарты качества воздуха.
В опросам устан овлен и я П Д К у д ел я е т с я больш ое внимание
в р а б о т а х м н о г и х а в т о р о в ( С и д о р е н к о и П и н и г и н , 1970, I z m e r o v ,
1973 и д р . ) . В 1964 г. В с е м и р н о й о р г а н и з а ц и е й з д р а в о о х р а н е н и я
( В О З ) р е к о м е н д о в а н о р а з л и ч а т ь ч е т ы р е у р о в н я опасности з а г р я з ­
нен ия в о з д у х а (о т су т с т в и е в л и я н и я , р а з д р а ж е н и е , х р о н и ч е с к и е з а ­
б о л е в а н и я и о с т р ы е з а б о л е в а н и я ) . К п е р в о м у у р о вн ю о т н о с я т с я
с л у чаи, к о г д а е щ е не о б н а р у ж и в а е т с я н и к а к о г о п р я м о г о и л и
косвен ного в о з д е й с т в и я з а г р я з н е н и я н а ч е л о в е к а .
К омитетом экспертов В О З был изд ан специальный документ,
в к о т о р о м у к а з а н ы к р и т е р и и к а ч е с т в а в о зд у х а (Air q u a lity c r i ­
te ria , 1972). Б о л ь ш о е в н и м а н и е в о п р о с а м у с т а н о в л е н и я П Д К б ы л о
уд ел ен о н а С т о к г о л ь м с к о й к о н ф е р е н ц и и О О Н по о к р у ж а ю щ е й
ср еде в 1972 г. Е е р е ш е н и я с п о с о б с т в о в а л и зн а ч и т е л ь н о м у р а с ­
ш ирению р а б о т в д а н н о й о б л а с т и , р а з р а б о т к е и у т в е р ж д е н и ю
П Д К или с о о т в е т с т в у ю щ и х с т а н д а р т о в к а ч е с т в а в о зд у х а , во м н о ­
гих с т р а н а х .
В С С С Р п р и у с т а н о в л е н и и П Д К п р и н и м а е т с я первы й, с а м ы й
ни зки й из у к а з а н н ы х В О З у р о в н е й . Д л я его о п р е д е л е н и я и с п о л ь ­
зу ю тс я в ы с о к о ч у в с т в и т е л ь н ы е те ст ы , т а к и е , к а к и зм ен ен ие б и о ­
потенциалов головного м озга, п о зв о л яю щ и е обнаруж ить м ини­
м альны е воздействи я токсических вещ еств на организм человека
при к р а т к о в р е м е н н о м их в д ы х а н и и . К р о м е того, д л я о п р е д е л е н и я
х р он и ческого
(длительного)
в о з д е й с т в и я т о кс и ч е с ки х в е щ е с т в
проводятся эксперим енты на ж и в о тн ы х в специальны х кам е р а х
с п р и м ен е н и е м ф и зи о л о г и ч е с к и х , б и о х и м и ч е с к и х , и м м у н о б и о л о г и ­
ч еск их и д р у г и х тестов, а т а к ж е и с п о л ь з у ю т с я м а т е р и а л ы э п и д е ­
м и о л о ги ч е с ки х и с с л е д о в а н и й з а б о л е в а н и я н а с е л е н и я . К п о л у ч е н ­
8
ны м л а б о р а т о р н ы м д а н н ы м о п о р о г е в о з д е й с т в и я в р я д е с л у ч а е в
вводятся дополнительно коэф ф иц иенты за п а с а , значительно сни­
ж а ю щ и е эти п о р о ги ( и н о г д а д о 100 р а з ) .
В качестве основного п о к а з а т е л я опасности з а г р я з н е н и я в о з ­
д у х а п р и н и м а е т с я в е с о в а я к о н ц е н т р а ц и я п р и м е с е й . П о к а з а н о , что
такой п о к азател ь сп р ав ед ли в т а к ж е д л я пы ли и аэр о зо л ей , хотя
в отдельных сл у чаях сущ ественную р о л ь м о ж е т играть и их д и с ­
персность.
М инистерство з д р а в о о х р а н е н и я С С С Р п ери одически у т в е р ж д а е т
пр е д е л ь н о д о п у с т и м ы е н о р м ы с о д е р ж а н и я в р е д н ы х в е щ е с т в в а т м о ­
с ф е р н о м в о з д у х е н а с е л е н н ы х м ест. К н а с т о я щ е м у в р е м е н и у ж е
у т в е р ж д е н ы П Д К б о л е е чем н а 200 в р е д н ы х в е щ е с т в . С о г л а с н о
З а к о н у об о х р а н е а т м о с ф е р н о г о в о з д у х а з н а ч е н и я П Д К я в л я ю т с я
е д и н ы м и д л я всей т е р р и т о р и и С С С Р .
В д р у ги х с т р а н а х т а к ж е у с т а н о в л е н ы д л я м н о г и х в е щ е с т в П Д К
или с о о т в е т с т в у ю щ и е с т а н д а р т ы к а ч е с т в а в о з д у х а . П р и э т о м у ч и ­
ты вается и продолж ительность воздействи я вредны х вещ еств.
П Д К устанавливаю тся д ля разного периода времени: к р ат к о ­
в р е м е н н ы е — от д е с я т к о в м и н у т д о н е с к о л ь к и х ч а с о в ( и н о г д а д о
суток) и д о л г о в р е м е н н ы е — д л я г о д а , а т о ч н е е д л я н е о г р а н и ч е н ­
ного в р е м е н и б е з с т р о г о й ф и к с а ц и и его п р о д о л ж и т е л ь н о с т и .
В С С С Р и м н о г и х д р у г и х с т р а н а х д л я о ц е н к и с т еп е н и к р а т к о ­
вр ем е н н о го в о з д е й с т в и я п р и м е с и н а о р г а н и з м ч е л о в е к а п р и м е ­
н я ю тс я м а к с и м а л ь н ы е р а з о в ы е П Д К , о т н о с и м ы е к 2 0 — 3 0 - м и н у т ­
ному и н т е р в а л у в р е м е н и .
Е с теств е н н о , что д л я к р а т к о с р о ч н ы х п р о г н о з о в з а г р я з н е н и я
в о зд у х а в к а ч е с т в е к р и т е р и е в его о п а с н о с т и о с н о в н о е з н а ч е н и е
им ею т м а к с и м а л ь н ы е р а з о в ы е П Д К и с о о т в е т с т в у ю щ и е им с т а н ­
дарты качества воздуха. С вод ка П Д К , при няты х в р азл и ч н ы х
с т р а н а х , с о с т а в л е н а В. Н е в и л л о м ( S t e r n , 1 97 7). С о о т в е т с т в у ю щ и е
с в ед е н и я п р е д с т а в л е н ы т а к ж е в р а б о т а х Б у ш т у е в о й ( 1 9 7 6 ) , Я н а г и с а в а ( J a n a g i s a v a , 1973) и др. В т а б л . 1.1 п р и в о д я т с я з н а ч е н и я
максимальных разовы х П Д К , приним аем ы х в С С С Р и в ряде
д р у ги х стран, д л я н а и б о л е е р а с п р о с т р а н е н н ы х в р е д н ы х п р и м е с е й .
С огласно д ей ствую щ и м п о л о ж ен и я м в С С С Р , д л я н екоторы х
ин гр ед иен тов н е о б х о д и м о с у м м и р о в а т ь их в р е д н о е д е й с т в и е . П р и
нал ич ии п т а к и х и н г р е д и е н т о в с о о т в е т с т в е н н о с к о н ц е н т р а ц и я м и
Ci и п р е д е л ьн о д о п у с т и м ы м и к о н ц е н т р а ц и я м и П Д К г (£ = 1 , 2 , . . . ,
п ) т р е б у е т с я , ч то б ы в ы п о л н я л о с ь с о о т н о ш е н и е
П
£
ПДК,- ^
L
( 1 Л)
В частности, с у м м и р у е т с я д е й с т в и е с е р н и с т о г о г а з а с д в у о к и с ь ю
а зота, ф е н о л о м , ф т о р и с т ы м в о д о р о д о м и л и а э р о з о л е м с е р н о й
кислоты .
П р и п р о г н о з е п о т е н ц и а л а з а г р я з н е н и я в о з д у х а в С Ш А (см.
п. 5.2) ин огд а и с п о л ь з у ю т с я не з н а ч е н и я П Д К , а б о л е е г р у ­
бая оценка опасности с о д е р ж а н и я вредн ы х примесей. Н ап р и м ер ,
9
Таблица 1.1
Значения максимальных разовых П Д К
В ещ ес т во
Страны
П Д К . мг/м »
А зота двуокись
0 ,0 8 5
0 ,3
0 ,4 1
0 ,5 6
Болгария, СССР, Ю гославия
Г Д Р , Румыния, Чехословакия
К анада
Финляндия
0,1
2 ,0
ГДР
Испания
Италия
Ф РГ
А зота окись
0,8
Ф РГ
Акролеин
0,0 2
ГДР
ФРГ
СССР
Болгария, Венгрия, Чехословакия,
Ю гославия
А зота окислы
0 ,4 5
0,6
0 ,0 2 5
0 ,0 3
0 ,3
Аммиак
Болгария, Венгрия, СССР,
Чехословакия
Г Д Р , Румыния, Чехословакия
Венгрия
0 ,2
0 ,3
1 ,5
0 ,0 5
Анилин
Болгария, Г Д Р , Румыния, СССР,
Чехословакия
Ф РГ
2 ,4
0 ,3 5
Ацетон
Болгария,
вия
ГДР
Румыния
Израиль
Венгрия
ФРГ
1,0
5 ,0
2 4 ,0
180
360
Взвеш енные вещества
(пыль нетоксическая)
0,1
0
(1
,2 ( 1
0 ,5
ч)
ч)
0 ,6
0 ,7 5 (1 ч)
Венгрия, СССР,
Ю госла­
Швеция
Япония
Болгария, Г Д Р , Румыния, СССР,
Финляндия, Ф РГ, Чехословакия
Испания
Италия
Диметиламин
0 ,0 0 5
0 ,0 1 5
0 ,0 6
Д им етилсульф ид
0 ,0 8
Болгария, Г Д Р , СССР, Ю гославия
К апролактан
0 ,0 6
Болгария, СССР, Ю гославия
ГДР
СССР
ГДР
ФРГ
0,1
М етилмеркаптан
9 • Юю -6
8
Болгария, СССР, Ю гославия
ГДР
О зон
0 ,1 6
СССР
Оксиданты
0,1
Румыния
Япония
США
Аргентина
ч)
0 ,2 4 (1 ч)
0 , 2 ( 1 ч)
0 ,12
10
(1
Вещество
Свинец
Страны
П ДК, мг/м»
0,002
0 ,0 5
Венгрия
И талия
Саж а (копоть)
0 ,1 5
Болгария, Г Д Р , Румыния, СССР, Ч е­
хословакия
Серная кислота (по мо­
лекуле H 2 SO 4 )
0 ,0 5
0 ,3
ГДР
Болгария, Венгрия, Румыния, СССР,
Ю гославия
С ероводород
0 ,0 0 8
Б олгария, Венгрия, СССР, Ч ехосл о­
вакия, Ю гославия
И спания
ГДР
Румы ния
Ф РГ
И талия
Ф инляндия
Венгрия
0,01
0 ,0 1 5
0 ,0 3
0 ,0 5
0,1
0 ,1 5
0 ,3
Серы двуокись
0 , 2 6 ( 1 ч)
0 ,5
0 ,6 2 5
0 ,7 2
0 ,7 5
0,8
Сероуглерод
0 ,0 3
0 ,0 4 5
0 ,4 5
Толуол
Углеводороды (сум м ар­
ные)
Углерода окись
Б олгария, Г Д Р , Румы ния, СС СР, Ч е ­
хословакия, Ю гославия
Польш а
И зраиль
60
Болгария, Г Д Р , СССР, Ю гославия
Ф РГ
5 ,0
5 3 ,3
И зраиль
И талия
0 ,6
2 ,5 (1 ч )
3 ,0
6 ,0
40 (1 ч)
45
5 7 ,7
5 7 , 7 ( 1 ч)
Фенол
Япония
Болгария, Г Д Р , СССР, Ф РГ , Ч е х о ­
словакия, Ю гославия
Ш веция
Ф инляндия
И зраиль, И талия, Румыния, Ф РГ
Испания
Япония
Болгария, Г Д Р , П ольш а, СССР,
Ю гославия
Румы ния, Ч ехословакия
СШ А, Ф инляндия, Ф РГ
И спания
И талия
Аргентина
0 ,6
Болгария, СССР, Ю гославия
ГДР
Румы ния
Ч ехословакия
Ф РГ
Формальдегид
0 ,0 3
0 ,0 3 5
0 ,0 5
Румы ния
Б олгария, Г Д Р , СССР, Ю гославия
Ч ехословакия
Фосфорный ангидрид
0 ,1 5
Г Д Р , СССР
0,01
0 ,0 3
0 ,1
0 ,3
11
В ещ ес тво
Фториды газообр азн ы е
и хорош о растворимые
ПДК, мг/мз
0 ,0 0 5
0 ,0 2 — 0 ,0 3
Страны
Ф РГ
Болгария, Г Д Р , Испания,
СССР, Ю гославия
П ольш а,
Фториды неорганические
плохо растворимые
0 ,2
Г Д Р , СССР
Хлор
0,1
0 ,3
Болгария, Г Д Р , СССР,
кия, Ю гославия
Испания, Румыния
0 ,6
Италия, ФРГ
3 ,0
Болгария, Г Д Р , СССР, Ю гославия
Этилен
Ч ехослова­
П р и м е ч а н и е . В скобках указано время, к которому относится
если это время отлично от 20— 30 мин.
ПДК,
н е р е д к о д а е т с я п р о г н о з о том, что о ж и д а е т с я с л а б о е , у м е р е н н о е
или с и л ьн о е р а з д р а ж е н и е глаз.
1.2. Критерии опасности загрязнения атмосферы
для растений
Критерии, аналогичны е П Д К , предлагаю тся в ряде исследо­
в а н и й и в о т н о ш ен и и возд ействи я на р а с т и т е л ь н о с т ь ( Б а р к е р
и др., 1961; Г у д а р и а н , 1979; И л ь к у н , 1978; Н и к о л а е в с к и й , 1979
и д р .) . Д л я р а з н ы х в и д о в растений, к а к к у л ь т у р н ы х , т а к и д и к о ­
р а с т у щ и х , р а с с м а т р и в а ю т с я некото ры е п о р о го в ы е к о н ц е н т р а ц и и
в р е д н ы х п р и м ес е й в возд у х е , а т а к ж е ч у в ст ви т е л ьн о с т ь р а с те н и й
к п р и м е с я м р а з л и ч н ы х ко н ц е н т р а ц и й в за в и с и м о с т и от п р о д о л ж и ­
т е л ьн о сти их в о з д е й с т в и я . О д н а к о пол у ч енны е р е з у л ь т а т ы б о л ь ­
ш ей ч ас т ь ю не у т в е р ж д а л и с ь за к о н о д а т е л ь н ы м и о р г а н а м и в к а ч е ­
стве П Д К или со о т в е т с т в у ю щ и х с т а н д а р т о в , к а к э т о с д е л а н о в о т ­
нош ении в е щ е с т в , п р и ве д е н н ы х в т а б л . 1.1. В основн ом они я в ­
л я ю т с я р е з у л ь т а т а м и н а у ч н о -и с с л е д о в а т е л ь ск и х р а з р а б о т о к , не
п о л у ч и в ш и х д о л ж н о г о вн е д р е н и я в п р а к ти к у .
Н а и б о л е е п о д р о б н о изучено в л и я н и е д в у о к и с и серы. В о б зо р е ,
с о с т а в л е н н о м по м а т е р и а л а м иссл едо ван ий 1920— 1930 гг. ( Б а р к е р
и др., 1961), п р и в о д я т с я л а б о р а т о р н о - э к с п е р и м е н т а л ь н ы е д а н н ы е
О Т а р а о с р а в н и т е л ь н о й чувствительности пр и м ер н о 100 в и д о в
р а с тен и й к S 0 2 в у с л о в н ы х единицах, причем з а еди ниц у п р и н я т а
ч у в с т в и т е л ь н о с т ь л ю ц е р н ы . В табл . 1.2 д а н ы н е к о то р ы е из эти х
показателей.
Д л я с а м о й л ю ц е р н ы устан овлен о, что н а ч а л ь н ы е п р и з н а к и ее
п о в р е ж д е н и я с о о т в е т с т в у ю т к он центраци и S O 2 (у с л о в н о с;е о б о з н а ­
чим П Д К 7) , р а в н о й 3,3 м г / м 3 или 1,2 м л н - 1 при д л и т е л ь н о с т и в о з ­
д е й с т в и я 1 ч.
12
Т а бл и ц а 1.2
Сравнительная чувствительность растений к S 0 2
Чувствительность
Растение
значение
Ячмень, хлопчатник
Овес
Клевер
Пшеница
Горох
Виноград
Абрикос
Картофель
К укуруза
Огурцы
Сосна
1 ,0
1 ,3
1 ,4
1 ,5
2 ,1
2 ,2 — 3 ,0
2 ,3
3 ,0
4 ,0
4 ,2
7— 15
степень
С лабая
п
19
I)
С редняя
»>
>>
Значительная
11
”
Д л я в ел ич ин П Д К ' по о тнош ен ию к р а с т и т е л ь н о с т и О ’Г а р а
yc/гановил их з а в и с и м о с т ь от в р е м е н и д е й с т в и я t в в и д е у р а в н е н и я
П Д К '=
0 , 3 3 + 0,92/*,
(1.2)
где П Д К ' в ы р а ж е н о в м л н -1 , a t — в часах.
Т о м а с и Х и л л ( Г у д а р и а н , 1979) о б о б щ и л и у р а в н е н и е ( 1 .2 ) н а
с л у ч а й р а з л и ч н о й степ ени в о зд ей с тв и я . О н и п о л у ч и л и , ч то с л а ­
бом у п о р а ж е н и ю л и с т а с о о т в е т с т в у е т
П Д К ' = 0,94 + 0 ,24//,
(1.3)
а р а з р у ш е н и ю л и с т а на 50 и 100 % с о о т в ет с т в у е т
П Д К ' = 1 , 4 + 2, l f t и П Д К ' = 2 ,6 + 3 ,2 //.
(1.4)
Приведенные данные д ля П Д К оказы ваю тся зам етно больш е у к а ­
за н н ы х в т а б л . 1 . 1 .
В б о л е е п о зд н и х р а б о т а х т р е б о в а н и я к ч и с то т е в о з д у х а
по о тно ш ен ию к р а с т и т е л ь н о с т и п о в ы с и л и с ь. В т а б л . 1.3 д а н ы
Т абл и ц а 1.3
Максимальные разовы е П ДК для растительности
в Ф РГ
Вещ ество
П Д К , мг/м»
Фтористый в од ор од (H F )
0 ,0 0 4
Соляная кислота (НС1)
0 ,2
Двуокись серы
0 ,4
13
приняты е в Ф Р Г зн ач ен и я стан д ар то в кач ества воздуха (м акси ­
м а л ь н о р а з о в ы е П Д К ) д л я р а с т и т е л ь н о с т и ( Г у д а р и а н , 1979).
В С Ш А , н а р я д у со с т а н д а р т а м и к а ч е с т в а в о з д у х а , у к а з а н н ы м и
в т а б л . 1 .1 и о п р е д е л я е м ы м и к а к п е р в и ч н ы е , в в о д я т с я е щ е б о л е е
ж е с т к и е по своим з н а ч е н и я м в т о р и ч н ы е с т а н д а р т ы . О ни у ч и т ы в а ю т
б о л ь ш у ю ч у в с т в и т е л ь н о с т ь к о м п о н е н т о к р у ж а ю щ е й ср е д ы , в том
ч исл е р а с т и т е л ь н о с т и , к в о з д е й с т в и ю з а г р я з н е н и я а т м о с ф е р ы .
В т а б л . 1.4 п р е д с т а в л е н ы с о о т в е т с т в у ю щ и е д а н н ы е о в т о р и ч н ы х
с т а н д а р т а х с о г л а с н о д о к л а д у П о д к о м и с с и и по о к р у ж а ю щ е й с р ед е
при К о н г р е с с е С Ш А ( E f f e c ts of c h r o n ic e x p o s u re , 1975).
Т аблица 1.4
Вторичные стандарты качества в о зд у х а в США
Вторичный стандарт,
мг/м»
Вещество
Д вуок ись серы
Пыль (тверды е частицы)
Продолжительность
воздействия, ч
1 ,3
3
0 ,2
24
0 ,1 5
24
40
Окись углерода
У глеводороды (без м е­
тана)
0 ,1
Ф отооксиданты
0 ,1 6
1
3
(о т 6 д о 9 ч ут р а)
1
В р а б о т а х , в ы п о л н е н н ы х в С С С Р ( Н и к о л а е в с к и й , 1979; Н и к о ­
л а е в с к и й и П е р ш и н а , 1981) п о л у ч е н ы м а к с и м а л ь н ы е р а з о в ы е П Д К
д л я р а с т и т е л ь н о с т и ( т а б л . 1.5).
Таблица 1.5
М аксимальные разовы е П Д К для растительности
Вещество
14
ПДК, мг/м*
Вещество
ПДК, м г/м 3
Д вуок ись серы
0 ,0 2
Ф ормальдегид
0 ,2
Окислы азота
0 ,0 5
С ероводор од
0 ,0 2
Хлор
0 ,0 2 5
М етанол
0 ,2
Пары серной кис­
лоты
0 ,1
Б ен зол
0 ,1
Ц иклогексаи
0 ,2
Аммиак
0 ,0 5
Группа экспертов В О З д л я оценки воздействия S 0 2 на окру­
ж а ю щ у ю среду, ч е л о в е к а и р а с т и т е л ь н о с т ь р е к о м е н д о в а л а п о л ь з о ­
в а т ь с я г р а ф и к о м н а рис. 1.1 ( S u e s s , C r a x f o r d , 1976). И з него
с л е д у е т , что м а к с и м а л ь н ы е р а з о в ы е П Д К д л я р а с т и т е л ь н о с т и
б о л ь ш е , ч ем п р и н я т ы е в т а б л . 1.1. Т а к и м о б р а з о м , м о ж н о з а к л ю ­
чить, ч то и с п о л ь з о в а н и е з н а ч е н и й П Д К из т а б л . 1 . 1 . п о з в о л я е т во
многих с л у чаях обеспечить и необходи м ы е условия сохранения
р а с т е н и й от их п о в р е ж д е н и я в с л е д с т в и е з а г р я з н е н и я в о з д у х а .
О д н ако зависимости эти еще недостаточно исследованы . Н ер едко
Рис. 1.1. Зависимость м е ж д у кон­
центрацией S 0 2) при которой п о­
вреж даю тся растения, и временем
воздействия.
/ — обл асть значений концентраций SO s
и продолж ительности воздей ствия, прн
которых установлено п овр еж ден и е рас­
тительности; Л — то ж е , при которых
не установлено п овреж ден и е.
о т м е ч а ю т с я с л у ч а и п о в р е ж д е н и я д е р е в ь е в , о с о б е н н о х в о й н ы х , при
в е с ь м а м а л ы х к о н ц е н т р а ц и я х S 0 2. О б н а р у ж е н ы с у щ е с т в е н н ы е
повреж дения сосновых н асаж дени й д а ж е на сравнительно боль­
ш ом удален и и от р я д а круп ны х Т Э С и н ако п л ен и е ф тори сты х
с о е д и н е н и й в р а с т и т е л ь н о с т и н а з н а ч и т е л ь н о м у д а л е н и и от з а ­
в од о в по п р о и з в о д с т в у а л ю м и н и я .
М а л о и зу ч е н о и я в л е н и е с и н е р г и з м а — с о в м е с т н о г о в л и я н и я на
р астен ия нескольких ингредиентов, хотя имею тся и определенны е
у к а з а н и я н а с о в м е с т н о е в о з д е й с т в и е S 0 2 и НС1 ( Г у д а р и а н , 1 97 9),
S 0 2 и 0 3, S 0 2 и N 0 2 ( E f f e c ts of c h r o n i c e x p o s u r e , 1975).
П о э т о м у т р е б у е т с я д а л ь н е й ш е е и зу ч е н и е в о з д е й с т в и я з а г р я з ­
не н и я в о з д у х а на р а с т и т е л ь н о с т ь . В с л у ч а я х к о г д а к р и т е р и и эт о г о
в о з д е й с т в и я о к а з ы в а ю т с я б о л е е ж е с т к и м и , ч ем П Д К , п р и в е д е н н ы е
в т а б л . 1 . 1 , их с л е д у е т п р и н я т ь в м е с т о п о с л е д н и х .
1.3. Критерии качества в о зд у х а д л я особо опасны х
услови й
Б о л ьш о е значение имеет п р е д с к а за н и е особо опасного з а г р я з ­
нен и я в о з д у х а , в т о м ч и с л е и н т е н с и в н ы х с м о г о в (см. п. 3 .8 ) , к о т о ­
рые могут сопровож даться т яж ел ы м и заб олеван и ям и и д а ж е
15
с м е р т н ы м и с л у ч а я м и . И н о г д а в ы д е л я ю т с я н е с к о л ьк о групп и л и
степ еней з а г р я з н е н и я в о з д у х а , в том числе зн а ч и те л ьн о е, у м е р е н ­
ное и с л а б о е , в з а в и с и м о с т и от зн ач ен и й средн их к о н ц е н т р а ц и й
или н е к о т о р ы х и н т е г р а л ь н ы х п о к а з а т е л е й з а г р я з н е н и я в о з д у х а по
в с е м у г о р о д у или по ч а с т и его. П р и прогнозе в т а к и х с л у ч а я х
у к а з ы в а е т с я т о л ь к о об о ж и д а е м о й группе. О д н а к о степень о п а с ­
ности групп о п р е д е л я е т с я т а к ж е по соо тветству ю щ им з н а ч е н и я м
ко н ц е н т р а ц и й .
И н о г д а п р и э т о м м е р ы п р и н и м а ю т с я т о л ь к о после того, к а к
ст еп е н ь к о н ц е н т р а ц и и в р е д н ы х прим есей ф а к т и ч е с к и д о с т и г а е т
о п р е д е л е н н ы х к р и т и ч е с к и х уровней . П р о гн о з ж е м е т е о р о л о г и ч е ­
ски х у с л о в и й и с п о л ь з у е т с я д л я вы я с н е н и я в о зм о ж н о с ти д а л ь н е й ­
ш его у с и л е н и я степ ени з а г р я з н е н и я в о зд у х а. Т а к, с 1955 г. в К а ­
л и ф о р н и и п р и в о з н и к н о в е н и и ф отохи м ических см огов в в о д и т с я
с е р и я « д ы м о в ы х тр е во г» , или н а ч а л ь н ы х уровней оп ас н ы х « э п и з о ­
дов» з а г р я з н е н и я в о з д у х а .
Т аблица 1.6
Значения концентраций при различных тревогах
Концеь трация
Примесь
Уровень
тревоги
млн- 1
мг/м3
П ериод
о ср едн е­
ния, ч
Оксиданты (озон )
1
2
3
4
0 ,1
0 ,4
0 ,5
0 ,6
0 ,2
0 ,8
1 ,0
1 ,2
1
1
1
1
Двуокись серы
1
2
3
4
0 ,3
0 ,6
0 ,8
1 ,0
0 ,8
1 ,6
2 ,1
2 ,6
24
24
24
24
Пыль (твердые вещ ест­
ва)
1
2
3
4
0 ,3
0 ,6
0 ,8
1 ,0
24
24
24
24
Окись углерода
1
2
3
4
Двуокись азота
1
2
3
4
15
30
40
50
75
125
0 ,2
0 ,6
0 ,3
1 ,2
0 ,4
1 ,6
0 ,5
2 ,0
17
34
46
58
86
144
0 ,2 8
1 ,13
0 ,5 6
2 ,2 6
0 ,7 5
3 ,0
0 ,9 4
3 ,0
8
8
8
8
4
1
24
1
24
1
24
1
24
1
В 1974 г. А г е н т с т в о по о х р а н е о к р у ж а ю щ е й с р е д ы С Ш А ( F e ­
d e ra l r e g i s t e r , 1974) в в е л о н о в ы е у р о в н и т а к и х т р е в о г :
1 -й — н а с т о р а ж и в а ю щ и й ,
2 -й — п р е д о с т е р е г а ю щ и й ,
3-й — кр и ти ч е с к и й ,
4-й — очень о п а с н ы й .
Д л я к а ж д о г о из э т и х ур о в н е й у с т а н о в л е н ы х а р а к т е р н ы е з н а ч е ­
ния к о н ц е н т р а ц и й ф о т о о к с и д а н т о в , в т о м ч и с л е о з о н а и ч е т ы р е х
н а и б о л е е р а с п р о с т р а н е н н ы х п р и м е с е й : S O 2, п ы л ь ( т в е р д ы е ч а ­
с т и ц ы ), СО, N 0 2 ( т а б л . 1 .6 ).
В с л у ч а я х д о с т и ж е н и я х о т я б ы по од н о й из у к а з а н н ы х п р и ­
месей у к а з а н н ы х в т а б л . 1.6 к о н ц е н т р а ц и й , о б ъ я в л я е т с я с о о т в е т ­
с т в у ю щ а я т р е в о г а . Ч е м вы ш е у р о в е н ь т р е в о ги , тем , ес тес т ве н н о ,
он в с т р е ч а е т с я р е ж е . П о д а н н ы м М о ш е р а и д р . ( M o s h e r et al.,
1972) в р а й о н е Л о с - А н д ж е л е с а в 1955— 71 гг. з а ч е т ы р е м е с я ц а 4
л етн е-о сен него п е р и о д а в с р е д н е м о б ъ я в л е н о 15 н а с т о р а ж и в а ю ­
щ и х т р е в о г по к о н ц е н т р а ц и и о з о н а , т. е. о н а с т у п л е н и и ф о т о х и ­
м ического смога.
У с т а н о в л е н о , что н а с т у п л е н и е ч е т в е р т о г о , о ч ен ь о п а с н о г о
уровня вы зы вает затрудн ен ное д ы х ан и е и боли в груди д а ж е
у з д о р о в ы х л ю д е й , а у л и ц со с л а б ы м з д о р о в ь е м и б о л е е с е р ь е з ­
ные п о с л е д ст в и я . А н а л о г и ч н ы е т р е в о г и о б ъ я в л я ю т с я т а к ж е в Я п о ­
нии и не к о то р ы х д р у г и х с т р а н а х .
И з с к а з а н н о г о с л еду ет, что п р о г н о з ы з а г р я з н е н и я а т м о с ф е р ы
в городах и пром ы ш ленны х р а й о н ах м огут иметь больш ое п р а к ­
т и ч еск о е зн ач ение.
Г лава 2
Физические основы прогноза
загрязнения воздуха
Р а з в и т и е м е т о д о в п р о гн о за з а г р я з н е н и я в о з д у х а о с н о в ы в а е т с я
на р е з у л ь т а т а х т е о р е т и ч е с к о г о и э к с п е р и м е н т а л ь н о г о и з у ч е н и я
з а к о н о м е р н о с т е й р а с п р о с т р а н е н и я п р и м ес е й от их ис т о ч н и к о в. Т а ­
кое и зу ч ени е о с у щ е с т в л я е т с я г л а в н ы м о б р а з о м по д в у м н а п р а в ­
л е н и я м . О д но из ыих состоит в р а з р а б о т к е т е о р и и а т м о с ф е р н о й
д и ф ф у зи и на о с н о в е м а т е м а т и ч е с к о г о о п и с а н и я р а с п р о с т р а н е н и я
при м есей с п о м о щ ь ю р е ш е н и я у р а в н е н и я т у р б у л е н т н о й д и ф ф у з и и .
Д р у г о е с в я з а н о в основн ом с э м п и р и к о - с т а т и с т и ч е с к и м а н а л и з о м
распространения загрязняю щ их вещ еств в атмосф ере и с исполь­
з о в а н и е м д л я это й цели и н т е р п о л я ц и о н н ы х м о д е л е й б о л ь ш е й
ч ас т ью г а у с с о в с к о г о типа.
П ервое нап равлени е является более универсальны м, поскольку
п о з в о л я е т и с с л е д о в а т ь р а с п р о с т р а н е н и е п р и м е с е й от ис т о ч н и к о в
р а з л и ч н о г о т и п а при р а з н ы х х а р а к т е р и с т и к а х сре д ы . О н о д а е т
2
Заказ № 30
17
в о з м о ж н о с т ь и с п о л ь з о в а т ь п а р а м е т р ы т у р б у л е н т н о г о об м ен а, п р и ­
м е н я е м ы е в м е те о р о л о г и ч е с к и х з а д а ч а х о тепло- и в л а г о о б м е н е
в а т м о с ф е р е . Э то о б ст о я т ел ь с т в о в е с ь м а с у щ еств ен н о д л я п р а к ­
т и ч ес к о г о и с п о л ь з о в а н и я р е з у л ь т а т о в т е о р и и к п р о г н о з и р о в а н и ю
з а г р я з н е н и я в о з д у х а с учетом о ж и д а е м о г о и зм е н ен и я м е т е о р о л о ­
г и ч е с к и х ус л о в и й .
С р а в н и т е л ь н о просты д л я о п и сан и я за к о н о м е р н о с т е й р а с п р е д е ­
л е н и я п р и м ес и г ауссовы м одели, чем о б ъ я с н я е т с я д о в о л ь н о ш и р о ­
кое и с п о л ь з о в а н и е в р а зл и ч н ы х с т р а н а х р а б о т вт орого н а п р а в ­
ления.
О с т а н о в и м с я на о сновны х п о л о ж е н и я х обоих н а п р а в л е н и й . Б о ­
л е е п о д р о б н о е о п и с ан и е их с о д е р ж и т с я в р я д е книг ( Б е р л я н д ,
1975; P a s q u i l l , 1974; C h a n a d y , 1973; М о н и н и Я г л о м , 1965; Б ы ­
з о в а , 1974; « М е т е о р о л о г и я и а т о м н а я э н е р г и я » , 1971; N i e u w s t a d t,
V a n D o p , 1981; H a n n a , 1982; B e r ly a n d , 1982, и д р . ) , а т а к ж е в о б ­
з о р н ы х с т а т ь я х и д о к л а д а х ( Б е р л я н д , 1974, 1976, 1983; D e a r d o r f f ,
1978; T u r n e r , 1979 и д р .) .
2.1. Прогностические уравнения
Р а б о т ы по т ео ри и ат м о сф ерн ой д и ф ф у з и и , осн ов ан н ы е на р е ­
зу л ьтатах интегрирования уравнения турбулентной диф фузии
а т м о с ф е р н ы х п ри м есей , получили з н а ч и т е л ь н о е р а з в и т и е в С о в е т ­
ском С ою зе. З д е с ь б у д у т при в еден ы н е к о то р ы е из гл а в н ы х п о ­
л о ж е н и й э т и х р а б о т ( Б е р л я н д , 1972, 1975, 1982, 1983), и с п о л ь з у е ­
м ы х д л я р а з р а б о т к и м етод ов п р о гн о за з а г р я з н е н и я возд у х а .
П р и ф о р м у л и р о в к е исходны х у р а в н е н и й , оп и с ы в а ю щ и х п ро ц есс
р а с п р о с т р а н е н и я п ри м есей в а т м о с ф е р е и и зм е н ен и е их к о н ц е н т р а ­
ций во в р ем ен и , и с п о л ь з у е т с я в о з м о ж н о с т ь от д е л е н и я п у л ьс а ц и й
от с р едн их з н а ч е н и й ко н ц ен т р а ц и й п р и м ес и . Это п о зв о л я е т с п о­
м о щ ь ю и зв е с т н ы х при ем ов осредн ения п е р е й т и от у р а в н е н и я д и ф ­
ф у зи и д л я м г н о в ен н ы х ко н ц е н т р а ц и й к у р а в н е н и ю д л я средн их
зн а ч е н и й к о н ц е н т р а ц и й .
В об щ ем в и д е з а д а ч а п рогноза з а г р я з н е н и я в о зд у х а м а т е м а т и ­
чески м о ж е т б ы ть о п р е д е л ен а к а к р е ш е н и е при о п р е д е л ен н ы х н а ­
чальны х и граничны х условиях диф ференц иального уравнения
(2 .»
где i — в р е м я ; x t — ко о р д и н а ты ; щ и k i — с о с т а в л я ю щ и е средней
с к о р о с т и п е р е м е щ е н и я прим еси и к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а , о т н о с я ­
щ и е с я к н а п р а в л е н и ю оси *,• ( / = 1 , 2 , 3 ) ; а — ко эф ф и ц и ен т, о п р е ­
д е л я ю щ и й и з м е н е н и е ко н ц е н т р а ц и и з а счет п р е в р а щ е н и я прим еси.
У р а в н е н и е (2.1) оп и сы в а е т п р о с т р а н с т в е н н о е р а с п р е д е л е н и е
с р е д н и х к о н ц е н т р а ц и й , а т а к ж е их и зм е н е н и я со в р ем енем . В этой
св я зи оно м о ж е т р а с с м а т р и в а т ь с я к а к п р о гн ости ч еско е у р а в н е н и е .
О б ы ч н о в д е к а р т о в о й системе к о о р д и н а т оси *i и х 2 , р а с п о л о ­
ж е н н ы е в г о р и з о н т а л ь н о й плоскости, о б о з н а ч а ю т через х и у ,
18
а в е р т и к а л ь н у ю ось
Uz =
W И k i^ k x ,
k,2 =
х 3
— через г;
соответственно
U\ =
u. 2 ^ v ,
ti,
k y , £ 3 = = £ z.
В о б щ ем с л у ч а е к о э ф ф и ц и е н т о б м е н а в т у р б у л е н т н о м п о т о к е
п р е д с т а в л я е т с я т е н з о р о м в т о р о г о п о р я д к а . У р а в н е н и е (2.1) з а п и ­
сан о в п р е д п о л о ж е н и и , что оси к о о р д и н а т с о в п а д а ю т с г л а в н ы м и
осям и т е н зо р а , при э т о м н е д и а г о и а л ь н ы е с о с т а в л я ю щ и е его и с ч е ­
з а ю т и отли чн ы от н у л я т о л ь к о д и а г о н а л ь н ы е к о м п о н е н т ы
П р и реш ен и и п р а к т и ч е с к и х з а д а ч в и д у р а в н е н и я (2.1) у п р о ­
щ ае т с я . Т а к , если о с ь х о р и е н т и р о в а н а по н а п р а в л е н и ю с р е д н е й
с кор ости в е т р а , то у = 0. В е р т и к а л ь н ы е д в и ж е н и я в а т м о с ф е р е н а д
горизонтальной однородной п о д сти л аю щ ей поверхностью м алы
и п р а к т и ч е с к и м о ж н о п р и н и м а т ь ш = 0 в с л у ч а е л е г к о й п р и м ес и ,
не и м е ю щ е й с о б с т в е н н о й с к о р о с т и п е р е м е щ е н и я . Е с л и ж е р а с ­
см атри вается т я ж е л а я примесь, постепенно о седаю щ ая, то w предс т а в л я е т собой с к о р о с т ь о с а ж д е н и я ( к о т о р а я в х о д и т в у р а в н е ­
ние со з н а к о м м и н у с ) . П р и н а л и ч и и в е т р а м о ж н о п р е н е б р е ч ь
членом с k x , у ч и т ы в а ю щ и м д и ф ф у з и ю по оси *, п о с к о л ь к у в э т о м
направлении диф ф узионны й поток примеси значительно м еньш е
кон вективного.
В случае решения прогностических з а д а ч в принципе существенно с о х р а н е н и е в
(2 .1 )
нестационарного
члена
да
О днако
за
п ер и о ды вр ем ен и , с р а в н и м ы е со в р е м е н е м п е р е н о с а п р и м е с и
от и с т о ч н и к а к р а с с м а т р и в а е м о й т о ч к е , п р о ц е с с д и ф ф у з и и ст ац и о н и р у е т с я (п о д р о б н е е д а н н ы й в о п р о с р а с с м о т р е н в к н и г е М а р ­
ч ука ( 1 9 8 2 ) ) . И з м е н е н и я к о н ц е н т р а ц и й в а т м о с ф е р е со в р е м е н е м
н о с я т о бы чно к в а з и с т а ц и о н а р н ы й х а р а к т е р и п р а к т и ч е с к и ч а с т о
х/и
м о ж н о и с к лю ч и ть ч л е н
dq
-^ п о л о ж и в его р а в н ы м ну л ю , и п р и н я т ь
то л ь ко , что к о э ф ф и ц и е н т ы у р а в н е н и я ( 2 . 1 ) я в л я ю т с я и з в е с т н ы м и
ф у н к ц и я м и в р ем е н и t . У ч е т э т о г о ч л е н а , к а к б у д е т п о к а з а н о н и ж е ,
су щ е ст ве н т о л ь к о в о т д е л ь н ы х с л у ч а я х , в ч а с т н о с т и п р и о п р е д е ­
л е н и и э к с т р е м а л ь н ы х к о н ц е н т р а ц и й п р и м е с и от н а з е м н ы х и с т о ч ­
ников в у с л о ви я х оч ен ь с л а б о г о в е т р а и м а л о й и н те н с и в н о с т и т у р ­
б у ле н тн о го обм ен а.
Т а к и м о б р аз о м , и с х о д н о е п р о г н о с т и ч е с к о е у р а в н е н и е (2.1) с в о ­
д и т с я к о бы чно и с п о л ь з у е м о м у
уравнению
атмосферной
диф­
ф узии
( 2 . 2)
В с л у ч а е л егкой п р и м е с и (ш = 0) в т о р о й ч лен в (2.2) и с ч е за е т ,
а при р а с с м о тр е н и и с о х р а н я ю щ е й с я п р и м е с и ( а = 0 ) и с к л ю ч а е т с я
и п осл ед н и й член в п р а в о й ч а с т и у р а в н е н и я .
П р и н а л и ч и и в а т м о с ф е р е в е р т и к а л ь н ы х то ко в в ч лен е
величина
2*
w
вклю чает и вертикальную
составляю щ ую
w ~ ^ -
скорости
19
д в и ж е н и я в о з д у х а . В у с л о в и я х х о л м и стого р е л ь е ф а , ко г д а н а п р а в ­
ление в е т р а не г о р и з о н т а л ь н о и за в и с и т от р а с с т о я н и я х , необход kи x ~ д Ч
димо у ч и т ы в а т ь т а к ж е ч л е н ——
~
дх
.
дх
П р и н а л и ч и и т о ч е ч н о го и с т о ч н и к а с к о о р д и н а т а м и л' = 0 , г/ = 0 ,
в качестве граничного
условия
принимается
(Берлянд,
1963)
z = H
uq
— M 6 (y)6(z — Н )
при
х
= 0,
(2 .3 )
где М — в ы б р о с в е щ е с т в
от
и с т о чн и к а
веди ниц у
в рем ен и ,
a 6 ( g ) — д е л ь т а - ф у н к ц и я . П р и прогностич еских з а д а ч а х (с уч етом
квази стац ионарности п р о ц есса) М в общем случае р а с с м ат р и ­
в а е т с я к а к ф у н к ц и я в р е м е н и /.
Г р а н и ч н ы е у с л о в и я н а б ес к о н е ч н о м у д а л е н и и от и сточн ик а п р и ­
н и м а ю т с я в с о о т в е т с т в и и с есте ств е н н ы м п р е д п о л о ж е н и е м о том ,
что к о н ц е н т р а ц и я у б ы в а е т до н ул я :
<7— 0
при | у j —*- оо,
(2 .4 )
0
при | z | — о о .
(2 .5 )
q-*-
П р и ф о р м у л и р о в к е г р а н и ч н о г о у с л о в и я на п о д с т и л а ю щ е й по­
верхности в ы д е л я ю т с л у ч а и , к о г д а прим еси р а с п р о с т р а н я ю т с я н а д
водной п о в е р х н о ст ью . Б о л ь ш е й ч ас т ью в о д а п о г л о щ а е т при м еси ,
и поэтом у к о н ц е н т р а ц и я их не п о ср ед ств е н н о у ее п оверхн ости
р а в н а нулю , т. е.
q =
0
при 2 = 0 .
(2 .6 )
С п о в е р х н о с т ь ю почвы п р и м е с и обычно с л а б о в за и м о д е й с т в у ю т .
П о п а в на нее, пр и м ес и з д е с ь не н а к а п л и в а ю т с я , а с т у р б у л е н т ­
ными в и х р я м и с н о в а у н о с я т с я в атм о с ф е р у . П о эт о м у с д о с т а т о ч ­
ной т о ч н о ст ью п р и н и м а е т с я , что средн ий ту р б у л е н т н ы й поток п р и ­
меси у зе м н о й п о в е р х н о ст и м а л , т. е.
kz
= 0
при z = 0.
(2.7)
Д р у г и е г р а н и ч н ы е у с л о в и я б у д у т у к а з а н ы при р а с с м о тр е н и и к о н ­
кретны х з а д а ч .
2.2. Характеристики турбулентности и скорости ветра
в пограничном слое атмосферы
И з у р а в н е н и я а т м о с ф е р н о й д и ф ф у зи и (2.2) следует, что при
фиксированных п а р а м е тр ах источника
с о х р а н я ю щ е й с я п р и м еси
изм енение к о н ц е н т р а ц и и ее в а т м о с ф е р е н а д сушей о п р е д е л я е т с я
т у р б у л е н т н ы м о б м е н о м и с к о р о с т ь ю ветра. П ри прогнозе з а г р я з ­
нения в о з д у х а о снов н ой и н т е р е с п р е д с т а в л я е т опр ед ел ен ие о ж и д а е ­
мых к о н ц е н т р а ц и й у з е м н о й п о в ерх н о сти, в ж и з н е д е я т е л ь н о м сл о е
атм о с ф е р ы . О т с ю д а о с о б о е з н а ч е н и е п р и о б р е т а е т изуч ени е п р и з е м ­
ного с л о я в о з д у х а т о л щ и н о й 5 0 — 100 м.
20
К а к у с т а н о в л е н о м н о г о ч и с л е н н ы м и и с с л е д о в а н и я м и , о д н о й из
г л а в н ы х х а р а к т е р и с т и к э т о г о с л о я я в л я е т с я с о х р а н е н и е в н е м по
вы со те в е р т и к а л ь н ы х п о т о к о в т е п л а и к о л и ч е с т в а д в и ж е н и я . Е г о
о п р е д е л я ю т и н о гд а к а к слой, гд е к а с а т е л ь н о е н а п р я ж е н и е и з м е ­
н я е т с я не б о ле е чем на 10— 20 % ( Л а м л и
и Пановский,
1964
и д р .) . Д л я него с в о й с т в е н н о в м е с т е с тем з н а ч и т е л ь н о е и з м е н е н и е
с вы сотой с ко р о с т и в е т р а , т е м п е р а т у р ы и т у р б у л е н т н о с т и . З д е с ь
в е с ьм а ч етк о п р о я в л я е т с я и в л и я н и е у с т о й ч и в о с т и а т м о с ф е р ы , н е ­
п о с ре д с тв е н н о с в я з а н н о й с т е м п е р а т у р н о й с т р а т и ф и к а ц и е й .
В ы д е л я ю т у с л о в и я б е з р а з л и ч н о й (ил и р а в н о в е с н о й ) с т р а т и ф и ­
ка ц и и , к о г д а в е р т и к а л ь н ы й п о т о к т е п л а р а в е н н у л ю , а и з м е н е н и е
т е м п е р а т у р ы в о з д у х а с вы с о то й п р о и с х о д и т по а д и а б а т и ч е с к о м у
за ко н у . У ч и т ы в а я н е б о л ь ш у ю в е р т и к а л ь н у ю п р о т я ж е н н о с т ь п р и ­
зем ного с л оя , м о ж н о г о в о р и т ь о р а в н о в е с н о й с т р а т и ф и к а ц и и
и в те х с л у ч а я х , к о г д а т е м п е р а т у р а м а л о
м е н я е т с я с вы с о то й ,
в ч астн о сти при и зо т е р м и и . Н е р а в н о в е с н а я с т р а т и ф и к а ц и я х а р а к ­
теризуется тем п ературн ы м и гради ентам и , сущ ественно отличны м и
от нуля.
У с л о в и я со с в е р х а д и а б а т и ч е с к и м и г р а д и е н т а м и т е м п е р а т у р ы о т ­
но сят к н е у с т о й ч и в о м у с о с т о я н и ю а т м о с ф е р ы . В т а к и х с л у ч а я х
стратиф икация способствует р азви ти ю
случайных
возм ущ ений
в в о зд у ш н о м п о т о к е и у с и л е н и ю т у р б у л е н т н о г о о б м е н а . И н в е р с и ­
онное р а с п р е д е л е н и е , с в я з а н н о е с р о с т о м т е м п е р а т у р ы с в ы со то й ,
определяется к а к устойчивая стр ати ф и кац и я. П ри наличии инвер­
сии т е м п е р а т у р ы в о з м у щ е н и я в п о т о к е в о з д у х а г а с я т с я и интен~
с ивн ость т у р б у л е н т н о с т и з н а ч и т е л ь н о о с л а б л я е т с я .
К р о м е п р и зе м н о г о с л о я в ы с о т о й А, в ы д е л я ю т т а к ж е п о г р а н и ч ­
ный слой а т м о с ф е р ы т о л щ и н о й Я 0, в с р е д н е м р а в н о й п р и м е р н о
1 км, в п р е д е л а х к о т о р о г о четко п р о я в л я е т с я в л и я н и е п о д с т и л а ю ­
щ ей по ве р х н о ст и н а р а с п р е д е л е н и е м е т е о р о л о г и ч е с к и х
величин.
С о г л а с н о о д н о м у из о п р е д е л е н и й его, на в ы с о т е Н 0 с к о р о с т ь в е т р а
достигает скорости геострофического ветра, о п ред еляем ой гори зон ­
тальным градиентом атмосф ерного д авлен ия.
О б зо р и с с л е д о в а н и й п о г р а н и ч н о г о с л о я с о д е р ж и т с я в р а б о т а х
М а к Б и н а и др. (M e. B e a n e t al., 1 97 9) и н е к о т о р ы х д р у г и х а в т о ­
ров. В них п р и в о д и т с я б о л ь ш о е ч исло м о д е л е й и ф о р м у л д л я
определения коэф ф иц иента обм ен а k z и скорости ветра и к а к
в п р и зе м н о м , т а к и п о гр а н и ч н о м сл о е .
О дин из г л а в н ы х р е з у л ь т а т о в и с с л е д о в а н и й по п о с т р о е н и ю э т и х
м о д е л е й состоит в том, что в п р и з е м н о м с л о е в о з д у х а до у р о в н я
z = h коэфф ициент обмена в о зр а с т ае т примерно пропорционально
в ы соте z
{ k z t t k \ z ! z \ ) . П о с к о л ь к у в д а н н о м с л о е о с т а ю т с я постоянными н ап ряж ение
трения
,
ди
т = р я 2— —
и
поток
тепла
Р =
oz
дТ
= — p c p k z—^— , то из в ы р а ж е н и я
k z& k \z /z \
с л е д у е т , что
и
и
Т
яв­
ляю тся логариф мическими ф ункциям и z .
В сл о е z > / i п о д в л и я н и е м с и л ы К о р и о л и с а и и з м е н е н и я н а ­
п р я ж е н и я т р е н и я с в ы с о то й п р о ф и л ь с к о р о с т и в е т р а о т л и ч а е т с я
21
о т л о г а р и ф м и ч е с к о г о . О д н а к о из н а б л ю д е н и й и р а с ч е т о в Б е р л я н д а
( 1 9 4 7 ) , М а к Б и н а и д р . (M e B e a n et. al., 1979) сл еду ет, что в с и л у
с р а в н и т е л ь н о н е б о л ь ш о г о п о в о р о т а в е к т о р а в е т р а с высотой, о с о ­
б е н н о в д н е в н о е в р е м я , з а в и с и м о с т ь м о д у л я скорости в е т р а от в ы ­
с о т ы б л и з к а к л о г а р и ф м и ч е с к о й до у р о в н я , р а с п о л о ж е н н о г о го ­
р а з д о в ы ш е п р и зе м н о г о с л о я . По н е к о т о р ы м м о д е л я м и за п р е д е ­
л а м и п р и зе м н о г о с л о я с у в е л и ч ен и е м z к о э ф ф и ц и е н т k z п р о д о л ­
ж а е т в о з р а с т а т ь п р и к о н в е к т и в н ы х у с л о в и я х , а при б е з р а з л и ч н о м
с о с т о я н и и и и н в е р си и он у м е н ь ш а е т с я . П о н я т н о , что в о б щ е м с л у ­
ч а е н е л ь з я п о л а г а т ь , ч то с в ы с о той k z б е з г р а н и ч н о р а с т е т и л и у б ы ­
в а е т до н у л я . С у щ е с т в е н н ы е т р удн ости с ос то я т в том, что п о к а
не р а з р а б о т а н ы м о д е л и , к о т о р ы е у ч и т ы в а л и бы в л и я н и е т у р б у ­
л е н т н о с т и в ы ш е п о г р а н и ч н о г о с л о я н а н и ж е л е ж а щ и е слои.
В м е с т е с тем д л я в ы ч и с л е н и я п р и з е м н ы х к о н ц е н т р а ц и й п р и ­
м еси ч ас т о и нет н е о б х о д и м о с т и п р и н и м а т ь во в н и м ан и е д е т а л ь ­
ное р а с п р е д е л е н и е k z с в ы с о то й з а п р е д е л а м и п ри зем н ого сл о я.
Н а эт о м о с н о в а н и и в п о л н е п р и е м л е м о й д л я многих з а д а ч я в л я е т с я
м о д е л ь к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а Ю д и н а и Ш в е ц а (19 40), с о г л а с н о
к о т о р о й k z л и н е й н о р а с т е т с высотой z в п р и зем н о м слое z ^ h
и в с р е д н е м о с т а е т с я п о с т о я н н ы м при z ~ > h .
В н е п о с р е д с т в е н н о й б л и зо с т и к п о д с т и л а ю щ е й
п ов ерх н ости
м ож н о при ближ енно при н ять в качестве предельного значения k z
п р и z = 0 з н а ч е н и е к о э ф ф и ц и е н т а м о л е к у л я р н о й д и ф ф у зи и д л я
в о з д у х а v.
Т а к и м о б р а з о м , д л я р а с ч е т а к о н ц е н т р а ц и и прим еси п р а к т и ч е ­
ски д о с т а т о ч н о п о л о ж и т ь , что
и — и х
гд е
+
kz =
\
kz —
v +
In z/ z0
■■■■■ - j
1п2,/го ’
k \zlzx
при
z< ^ h ,
k {h / Z i
при
z > h ,
( 2 . 8)
z 0 — ш е р о х о в а т о с т ь п о д с т и л а ю щ е й поверхности.
У к а з а н н о е р а с п р е д е л е н и е и и k z с вы со той z х а р а к т е р н о д л я
с р а в н и т е л ь н о часто н а б л ю д а ю щ и х с я м е те о р о л о г и ч ес к и х у с л о ви й ,
о к о т о р ы х м о ж н о го в о р и т ь к а к о н о р м а л ь н ы х у сл о в и я х . К р о м е
того, н а б л ю д а ю т с я а н о м а л ь н ы е у с л о в и я , часто спо с о б с тв у ю щ и е
п о в ы ш ен и ю к о н ц е н т р а ц и и в п ри зем н ом с л о е во зд у х а (см. пп. 2.9,
2.10 и д р .) .
Д л я о п р е д е л е н и я k z и h в (2.8) м о ж н о в о с п о л ь зо в а т ь с я р е ­
з у л ь т а т а м и р а б о т Б е р л я н д а и Г е н и х о в и ч а (1973), Б е р л я н д а
( 1 9 7 5 ). В них, к а к и в р я д е д р уги х и с с л е д о в а н и й по о п р е д е л е н и ю
к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а , н а х о д и т с я с о в м ес тн о е р еш ен ие сист е м ы
у р а в н е н и й д в и ж е н и я , п р и т о к а т е п л а и б а л а н с а эн ер ги и т у р б у л е н т ­
ности. Э т а с и с т е м а з а м ы к а е т с я о т н о с и т ел ьн о неизвестной в е л и ­
чины k z с п о м о щ ь ю д о п о л н и т е л ь н о г о соо тн ош ен и я , у с т а н о в л е н н о г о
из с о о б р а ж е н и я п о д о б и я и д о п у щ ен и я , со г л а с н о к о т о р о м у д л я в ы ­
сот z > / i с у щ е с т в у е т в н е ш н и й м а с ш т а б турб ул е н т н ос т и , о г р а н и ­
ч и в а ю щ и й р о ст ви х р е й з а п р е д е л а м и п огр а н и чн о го слоя. В р е з у л ь ­
22
тате интегрирования указанной систем ы уравнений и ин терп оля­
ции п о л у ч ен н ого р е ш е н и я д л я с к о р о с т и в е т р а и и т е м п е р а т у р ы
в о зд у х а Т л о г а р и ф м и ч е с к о й ф у н к ц и е й от z на й д е н о , что в п р е д е ­
л а х п р и зе м н о го с л о я
(2 .9 )
(2. 10)
х
( l + 0,54 | х |0,8)
при
а: <
0,
(2. 11)
0,53
при
1,
где 6 Т — р а з н о с т ь т е м п е р а т у р Т н а в ы с о т а х 23 и 22, х = 0,38 ( к о н ­
станта К а р м а н а ), g — ускорение свободного падения, Т а — тем п е­
р а т у р а в о зд у х а (в к е л ь в и н а х ) .
Д л я в ы соты п р и з е м н о г о слоя h н а й д е н о , что
(2. 12)
где 0 Z— в е р т и к а л ь н а я с о с т а в л я ю щ а я у г л о в о й скорости д в и ж е н и я
Земли.
О б ы чн о при 2 i = l м д л я к о н в е к т и в н ы х у словий
= 0 , 1 -f— 0 , 2 м /с и h = 50-т-100 м, а при и н в е р с и я х т е м п е р а т у р ы k \ и h с у ­
щ еств ен н о м еньш е.
Д л я о п р е д е л е н и я k z и звестны и д р у г и е ф о р м у л ы , в ы в о д к о т о ­
р ы х в по с л ед н е е в р е м я б о л ьш е й ч а с т ь ю о с н о в а н на т еор ии М он и н а — О б у х о в а. П о л у ч е н н ы е по ни м з н а ч е н и я k z в п р и зе м н о м с л о е
б л и зк и к тем, что с л е д у ю т из ( 2 .9 ) . П р е и м у щ е с т в о р а с с м а т р и в а е ­
мой м о д ел и ( 2 .8 )— ( 2 . 1 2 ) в том , что о н а о п р е д е л я е т не т о л ь к о
з н а ч е н и я k z при z < Z h , но и в е л и ч и н у h .
В ы р а ж е н и е (2 .8 ) д л я k z о т р а ж а е т то о б с т о я т е л ь с т в о , что с у в е ­
лич ением вы соты р а з м е р ы в и хр ей , о б у с л о в л и в а ю щ и х т у р б у л е н т ­
ны й обм ен , в о з р а с т а ю т в п р и з е м н о м с л о е ( z ^ . h ) и с р а в н и т е л ь н о
м а л о и з м е н я ю т с я при 2 > А , п р и н и м а я н е к о т о р ы е х а р а к т е р н ы е
м а с ш т а б ы . Д л я в и х р е й этого м а с ш т а б а м о ж н о п о л а г а т ь , что а т м о ­
с ф е р н а я т у р б у л е н т н о с т ь вы ш е п р и з е м н о г о с л о я им еет п р и м е р н о
изотро пн ы й х а р а к т е р , в с л е д с т в и е ч е г о з д е с ь k x t t k y t t k z . Н а б о л е е
ни зки х у р о в н я х k x и k v , п р и м е р н о р а в н ы е м е ж д у собой, е с т е с т ­
венно, и з м е н я ю т с я с вы сотой, и б о н а п о д с т и л а ю щ е й п о в е р х н о ст и
они д о л ж н ы бы ть р а в н ы нулю. О д н а к о с т еп е н ь в о з р а с т а н и я с в ы ­
сотой д л я k x и k y м е н ьш е , чем д л я k Zi п о с к о л ь к у в л и я н и е п о д с т и ­
л а ю щ е й п о в е р х н о ст и на в е р т и к а л ь н у ю к о м п о н е н т у к о э ф ф и ц и е н т а
о б м е н а д о л ж н о б ы ть б о льш и м , ч е м н а г о р и зо н т а л ь н у ю . Э т о м у
23
у с л о в и ю п р и б л и ж е н н о у д о в л е т в о р я е т соотнош ение, п р е д л о ж е н н о е
Б е р л я н д о м (1 9 6 3 ),
(2.13)
k y — k 0u ,
т а к к а к в п р и з е м н о м слое и р а с те т прим ерно л о г а р и ф м и ч е с к и
с вы с о то й z, a k z ~ z . П р и н и м а я , что при z = h , т. е. на в е р х н е й
г р а н и ц е п р и з е м н о г о сл оя, где u z = u h и k z = k h , имеет м есто р а в е н ­
ст во k o U h = k h , м о ж н о найти k Q по
и kh-
2.3. К лассиф икация устойчивости приземного слоя
Д л я о п р е д е л е н и я ко эф ф и ц и е н та о б м ен а по скорости в е т р а
и р а с п р е д е л е н и ю т е м п е р а т у р ы , к а к это сделано в п. 2 .2 , н е о б х о ­
д и м ы д а н н ы е н а б л ю д е н и й за т е м п е р а ту р о й в о зд у х а , по к р а й н е й
м ере, на д в у х у р о в н я х в при зем ном слое. Т а к и е н а б л ю д е н и я в е ­
д у т с я т о л ь к о на не к о то р ы х м е теорологических ст ан ц и я х , в ч а с т ­
ности в С С С Р пр и м ер н о на 70 стан циях, и зм е р я ю щ и х те п л о в о й
баланс.
Д л я того чтобы в о с п о л ьзо в ат ьс я об ы чны м и н а б л ю д е н и я м и н а
м е т е о р о л о г и ч е с к о й сети, вводится р я д к л а с с и ф и к а ц и й у с т о й ч и в о ­
сти п р и зе м н о г о с л о я , п озво л я ю щ и х
п ро и зв оди ть
к а ч е с тв е н н у ю
о ц е н к у ее. Т а к , с о г л а с н о П э с к в и л л у ( P a s q u ill, 1962), в ы д е л я е т с я
ш е с т ь к л а с с о в у с той чи во сти при зем ного слоя в о зд у х а : 1 , 2 и 3-й
к л а с с ы о т н о с я т с я соответственно к сильной, у м ерен н о й и с л а б о й
н еусто йч иво сти; 4-й — к равновесном у (или б е з р а з л и ч н о м у ) с о ­
сто ян ию ; 5-й и 6-й — к слабой и у м ерен н о й устойчивости. К а ж ­
д о м у к л а с с у с о о т в ет с т в у ю т о п р ед ел ен ны е зн а ч е н и я скорости в е т р а
и , степенп и н с о л я ц и и и врем ени су то к (таб л . 2 . 1 ).
Т аблица 2.1
Классы устойчивости по Пэсквиллу
Об лачность ночью, ба л л ы
Степень инсоляции днем
Скоро сть ве т р а
ка вы со те 10 м,
м /с
<2
2— 3
3— 5
5 —6
>6
с ил ьн ая
умеренная
1
1— 2
2
3
3
1 -2
2
2—3
3—4
4
слабая
2
3
3
4
4
10 (общая) нлн
> 5 (нижняя)
5
4
4
4
< 4 (нкжняя)
6
5
4
4
К л асси ф и кац и я П эсквилла уточнялась в ряде исследований
с уч ет о м в ы с о ты С о л н ц а (Л.©), ко л и ч е с т в а ниж ней, верхней и о б ­
щ ей о б л а ч н о с т и ( п н , п ъ , п 0 ) , а т а к ж е н ал и ч и я с н еж н ого п о к р о в а
и н е к о то р ы х д р у г и х х а р а к т е р и с т и к (T u rn e r, 1961; U lig , 1965; Б ы ­
з о в а , 1974; М а ш к о в а и Х а ч а т у р о ва , 1979, и д р .) . К р о м е того, б ы л
24
в ве д е н е щ е с е д ь м о й к л а с с — о ч ен ь с и л ь н о й у с т о й ч и в о с т и . К л ю г
(K lu g, 1969), а з а т е м М а н и р ( M a n i e r , 1975) в м е с т о х а р а к т е р и ­
стик и н с о л я ц и и в в е л и с в е д е н и я о в р е м е н и г о д а и в р е м е н и суток.
В т а б л . 2.2 п р и в е д е н а н е с к о л ь к о м о д и ф и ц и р о в а н н а я к л а с с и ­
фикация.
С оо тн ош ен и е м е ж д у
классами
устойчивости
а т м о с ф е р ы по
П э с к в и л л у и м а с ш т а б о м М о н и н а — О б у х о в а L ' (см. в ы р а ж е н и е
Рис. 2.1. Зависимость
классов
устойчивости от масш таба М о­
нина— О бухова L ' и ш ероховато­
сти z 0.
1—6 — номе ра кл асс ов устойчивости.
(2 .1 0 )) д а н о в р а б о т е Х ин о ( H in o , 1 9 68). Г о л д е р (G o ld e r , 1972)
у с т ан о в и л за в и с и м о с т и к л а с с о в у с т о й ч и в о с т и по П э с к в и л л у от в е ­
л и ч ины L ' и ш е р о х о в а т о с т и z q (рис. 2.1) в р е з у л ь т а т е о б р а б о т к и
данны х наблю дений в А встрали и и четы рех ш т а т а х СШ А . К а к
Т абли ц а 2.2
Классы устойчивости приземного слоя атмосф еры при различных
метеорологических условиях
День
Н очь
и м /с
Д е н ь , ночь;
3
1— 2
2
2— 3
3— 4
4
Ао < 15’
2— 3
3
3
4
4
v = 8-
4
4
4
4
4
10
n Q=
5 -J- 8 или
я в = 8 - г 10J
1
ю
1
1— 2
2
3
Aq = 1 5 -f-60"
5
4
4
4
со
<2
2— 3
3— 4
5— 6
>6
А © > б°°
« о < 4
6— 7
6
5
4
4
видно из рис. 2.1, п р и 2 о = 1 см 1-й к л а с с с о о т в е т с т в у е т м а с ш т а б у
М о н и н а — О б у х о в а L ' > — 7 м, 2-й — м а с ш т а б у — 20 м < L ' < — 7 м и
3-й к л а с с — м а с ш т а б у Z / < — 20 м . Б ы з о в а (1 9 7 4 ) с в я з а л а к л а с с ы
устойчи вости с х а р а к т е р н ы м и п р о ф и л я м и т е м п е р а т у р ы в о з д у х а и
с корости в е т р а по и з м е р е н и я м н а 3 0 0 -м е т р о в о й м а ч т е .
25
2.4. Типизация метеорологических услови й
распространения примеси
М е т е о р о л о г и ч е с к и е ф а к т о р ы су щ е с т в е н н о в л и я ю т на р а с п р о ­
с т р а н е н и е п р и м е с и и, к а к с л е д с т в и е , на ф орм у д ы м о в ы х ф а к е л о в
о т источн и к о в. П о с л е д н е е и с п о л ь з у е т с я д л я т и п и за ц и и м е т е о р о ­
л о г и ч е с к и х у с л о в и й з а г р я з н е н и я в о з д у х а и с о о т ветств ую щ и х им
ф о р м д ы м о в ы х ф а к е л о в при р а з л и ч н о й с т р а т и ф и к а ц и и а т м о с ф е р ы .
П р и м е р о м т а к о й т и п и за ц и и м огут с л у ­
ж и т ь п р е д с т а в л е н н ы е на рис. 2.2 п я т ь
ф о р м д ы м о в ы х ф а к е л о в в з а в и с и м о ст и о т
р а с п р е д е л е н и я т е м п е р а т у р ы с вы сотой:
а) в о л н о о б р а з н ы й , п о р ы в и ст ы й ф а к е л
п р и с и л ь н о й кон векци и; б ) к о н у с о о б р а з ­
ны й , при с л а б о й к о н векци и и и зоте рм и и ;
в ) у зк и й , линейны й, к о г д а источн ик р а с ­
п о л а г а е т с я в инверсионном слое; г ) п р и ­
п о д н я т ы й , с р е за н н ы й снизу, к о гд а и с т о ч ­
н и к р а с п о л а г а е т с я пр и м ер н о на у р о в н е
в е р х н е й г р а н и ц ы инверсии; д)' с р е з а н н ы й
с в е р х у , з а д ы м л я ю щ и й п р и зе м н ы й слой,
п о д ы н в ер с и о н н ы й , с оо тв етству ю щ и й б о ль-
Рис. 2.2. Формы факелов.
/ — распределение
температуры с высотой,
адиабата.
2 —
сухая
ш о й з а г а з о в а н н о с т и п р и з е м н о г о сл оя в о зд у х а , о п р е д е л я е м о й
в английской ли тер ату р е к а к ф умигация.
О ч еви дн о , что при о ц е н к е ф о р м ы ф а к е л а с л е д у е т у ч и т ы в а т ь
с к о р о с т ь в е т р а . П р и с л а б о м в е т р е д ы м под н и м а етс я почти в е р т и ­
к а л ь н о , а п ри с и л ьн о м в е т р е р а с п р о с т р а н я е т с я
г о р и зо н та л ьн о ,
в д о л ь зе м н о й п о в е р х н о ст и (рис. 2 .3 ). В р а б о т е Б е л я ш о в о й и др.
(1 9 6 5 ) и с с л е д о в а л и с ь ф о р м ы ф а к е л а в зав и си м о сти от к л а с с о в
с трати ф и кац и и с учетом к а к тем п ературного профиля, так и про­
ф и л я с к о р о с т и в е т р а . В С С С Р в Р у к о в о д с т в е по ко н тр о л ю з а г р я з ­
н е н и я а т м о с ф е р ы (1979) р е к о м е н д у е т с я на пунктах, где в е д у т с я
н а б л ю д е н и я з а з а г р я з н е н и е м в о з д у х а , отм ечать и типы ф а к е л о в
от б л и ж а й ш и х д ы м о в ы х т р у б .
2.5. И нтегрирование прогностических уравнений
И с п о л ь з о в а н и е з а в и с и м о с т и м е ж д у k y и и (2.13) п о з в о л я е т
у п р о с т и т ь и н т е г р и р о в а н и е и с х о д н о г о у р а в н е н и я (2.2), в ы р а з и в р е ­
26
ш ен ие д л я с л у ч а я т о ч е ч н о г о и с т о ч н и к а q ( x , у , z ) через р е ш е н и е
д л я л и н е й н о г о и с т о ч н и к а q ' (х, z ) с п о м о щ ь ю с о о т н о ш е н и я
Ч(Х,
у,
<2 Л 4 >
Рис. 2.3. Д ы мовы е факелы при слабом (а) и силь­
ном (б) ветре.
где
q'
удовлетворяет уравнению
dq'
u - £
dq'
r
д
- w - i k - = - w
,
дд'
,
k* - k
—
а«
при
х =
0.
/о tc \
(2 Л 5 >
и н а ч а л ь н о м у у сл о ви ю
uq' =
M b { z — Н )
27
В с л у ч а е когд а и и k z з а д а н ы с теп енны м и ф у н к ц и я м и от z ,
р е ш е н и е у р а в н е н и я (2.15) в ы п о л н я е т с я ан а л и т и ч е с ки .
2.5.1.
С л у ч а й легкой п р и м ес и . Д л я л е гкой с о х р а н я ю щ е й с я п р и ­
меси (ад = а = 0) при
u =
u iz n t
k z =
(2.16)
kiZ
с уч етом (2 .14 ), с о г л ас н о р а б о т а м Б е р л я н д а (1963, 1975), н а з е м ­
н а я к о н ц е н т р а ц и я при 2 = 0
и \ Н 1+ п
М
у»
(2.17)
2 (1 + п ) k\ л/ n k ох3
Х а р а к т е р н о й о с о б е н н о с т ь ю р а с п р е д е л е н и я н а зем н о й к о н ц е н т ­
р а ц и и q по оси х (т. е. при у = 0) я в л я е т с я н а л и ч и е м а к с и м у м а
ее q m н а р а с с т о я н и и х т о т и с т о ч н и к а . В ел ич ины q m и х т н а х о д я т с я
из у с л о в и я
dq
dq
(2-17) сл едует, что
„
0 .1 1 6 (1 + п ) * М
и , / / 1,5(1 + ,1)
Ят
_
m
З а м е т и м , что
и
qm
2
3
з а в и с и т от
. / ~ к Г
/п io \
»
I2 , 1 8 '
V
k 0Ui
щн'+*
(219)
6 ,(1 + л)2 *
М ,
Н
,
k\,
U\
и
ko,
а
хт
— от
k ju \
Н.
П р и зн а ч е н и я х л = 0 ,1 5 ч -0 ,2 в е р т и к а л ь н ы е
профили ветра
в п р и зе м н о м слое в о з д у х а , п р е д с т а в л е н н ы е степенной ф у н к ц и е й
(2.1 6), б л и з к и к л о г а р и ф м и ч е с к о м у (2.8) (при 20» 0 , 0 1 м ) . П о к а ­
з а т е л ь степ ени при Н в (2.18) в э т и х с л у ч а я х р а в е н 1,7— 1,8,
а в (2.19) он р а в е н 1,15— 1,2. И з (2.17) — (2.19) сл еду ет, что
Чт
Vхт
I
\
X /
(2 . 20 )
В с л у ч а е л инейного и с т о ч н и к а бесконечной д л и н ы из (2.17)
с у ч ето м (2.14) а н а л о г и ч н о п о л у ч а е т с я ф о р м у л а д л я м а к с и м а л ь ­
ной к о н ц е н т р а ц и и q ' и р а с с т о я н и я х ' , на кот о р о м она д о с т и ­
гается:
(l-fn )M
ей. Н 1 +«
х
__
и \ Н 1+п
(2 21)
С о п о с т а в и в (2.21) и (2 .1 9 ) , в ч астн ости , м о ж н о получить, что
р а с с т о я н и е х т д л я точеч но го и с т о ч н и к а с о с т а в л я е т 2/з от х'т д л я
л и н е й н о г о исто чн ика.
Х а р а к т е р и зм е н ен и я к о н ц е н т р а ц и и с р а с с то я н и е м х с у щ е с т ­
в е н н о з а в и с и т от у р о в н я 2 , к к о т о р о м у она относится. У зе м н о й п о ­
28
верхности па н е к о т о р о м р а с с т о я н и и х т от и с т о ч н и к а о т м е ч а е т с я
максимальное значение концентрации q m . С ростом z максимум q
с м е щ а е т с я к и сточн и к у . Н а у р о в н е в ы б р о с а п р и м е с и z = H к о н ­
ц е н т р а ц и я м он о т о н н о у б ы в а е т с у в е л и ч е н и е м х . Н а б о л е е в ы с о к и х
уровнях снова н аб л ю д ается м ак си м у м q на некотором р асстоя­
нии х .
Т а к и м о б р а з о м , е с л и и з в е с т н ы о ж и д а е м ы е з н а ч е н и я ско р о ст и
в етра, п о к а з а т е л я у с т о й ч и в о с т и а т м о с ф е р ы и м о щ н о с т и в ы б р о с а ,
то м о ж н о д а т ь п р о г н о з к о н ц е н т р а ц и и п р и м ес и .
В о б щ е м с л у ч а е при в е л и ч и н а х и и k z , з а д а н н ы х (2 .8 ), р еш е н и е
у р а в н е н и я (2.15) д л я q ' в ы п о л н я е т с я ч и с л е н н о ( Б е р л я н д и др.,
1964; Б е р л я н д , 1972, 197 5). П р и э т о м нет н е о б х о д и м о с т и о п р е д е ­
л я т ь ф у н к ц и ю q ' при в с е х з н а ч е н и я х а р г у м е н т о в , ес л и в о с п о л ь з о ­
в а т ь с я н е к о т о р ы м и с о о т н о ш е н и я м и , п о л у ч е н н ы м и из с о о б р а ж е н и я
подобия. Т а к , д л я л е г к о й п р и м е с и ( ш = а = 0 ) с л е д у е т , что
^=^гф'(4г'
*)•
<
2-22>
Это п о з в о л я е т с в я з а т ь к о н ц е н т р а ц и и
от л и н е й н о г о
источника
q[{x, z)
и q'z ( x , z ) п р и ф и к с и р о в а н н ы х h и Я д л я с л у ч а е в и \ =
= u \ l\
k l = k \ l)
и и, = и (12),
k l =
k f ):
q 1 (дг, z)
х> zy
(2 -2 3 )
С о о т в е т с т в у ю щ е е в ы р а ж е н и е д л я к о н ц е н т р а ц и и о т точеч н о го ис­
т о ч н и к а q и м е е т ви д :
*)•
Для q i ( x , у , z ) и q z { x , у ,
дую щ ая ф орм ула пересчета:
«Р
z)
аналогично у стан авли вается сле­
Г u\2)k\l)
*<*. у. г)=^гу
(2’24>
(
af'fef)
\
У' *)■
<2-25>
О т с ю д а сл е д у е т , ч то н е т н е о б х о д и м о с т и п р о и з в о д и т ь р а с ч е т ы к о н ­
ц е н т р а ц и и д л я вс е х в о з м о ж н ы х з н а ч е н и й и \ и k \ , а д о с т а т о ч н о
о г р а н и ч и т ь с я о д н о й п а р о й з н а ч е н и й эт и х п а р а м е т р о в . М о ж н о т а ­
ки м о б р а з о м п о л у ч и т ь н е к о т о р ы е с т а н д а р т н ы е р а с п р е д е л е н и я к о н ­
ц е н т р а ц и и от х и z п р и р а з н ы х Н и о п р е д е л е н н ы х з н а ч е н и я х и,\
и k \ , а д л я д р у г и х и \ и k \ п р о и з в о д и т ь п е р е с ч е т по п о л у ч е н н ы м
ф о р м у л а м (2.23) и ( 2 .2 5 ) . И з (2.22) и (2 .2 4 ) в ы т е к а е т , ч то к о н ­
центрация изм ен яется обратно проп орционально скорости ветра
t i \ при д а н н о м з н а ч е н и и k \ / u \ . В л и я н и е в е р т и к а л ь н о й с о с т а в л я ю ­
щ ей к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а п р о я в л я е т с я ч е р е з в е л и ч и н у k \ / u i а н а ­
логично тому, к а к в л и я н и е его г о р и з о н т а л ь н о й к о м п о н е н т ы о п р е ­
деляется величиной k o = k v / u .
В с о о т в ет с т в и и с (2 .2 4 ) и (2.25) в р а б о т е Б е р л я н д а
и др.
(19646)
представлены
расчеты
стандартных
распределений
29
к о н ц е н т р а ц и и от точечного вы с о тн о го и сточн и к а при t*i = 4 м/с,
&i = 0,2 м2/с и 2 а = 0,01 м. О н и п р и в е д е н ы на рис. 2.4 д л я в е л и ­
чины s, п р о п о р ц и о н а л ь н о й н а з е м н о й к о н ц е н т р а ц и и q \
s = 2 • 10'2
(2.26)
nk- °М
П р и р а с с м о т р е н и и ри с у н к а о б р а щ а е т на себя в н и м а н и е а с и м ­
м е тр и ч н о с ть ф о р м ы к р и в ы х по отнош ен ию к точке х т , с о о т в е т с т ­
в у ю щ е й м а к с и м у м у q m . Р о с т к о н ц е н т р а ц и и с р а с с т о я н и е м происхо-
Рис. 2.4. Зависимость концен­
трации s от расстояния х д о
источника.
К р и в ая .
1 2 3 4 5 6 7
Ям .
.
50 100 120 150 170 260 300
д и т г о р а з д о с и л ь н е е при х < х т , чем у б ы в а н и е при х > х т ■ Д л я м а ­
л ы х Н х а р а к т е р н о б ы стр ое в о з р а с т а н и е q д о q m н а у ч а с т к е x < i x m
и с р а в н и т е л ь н о б ы ст р о е п а д е н и е q д л я б о л ь ш и х х .
С у в е л и ч е н и е м вы со ты и с т о ч н и к а Я у м е н ь ш а е т с я м а к с и м а л ь ­
ная кон центраци я и усиливается асим м етри я кривой р асп р ед ел е­
ния q . У б ы в а н и е к о н ц е н т р а ц и и q с р а с с т о я н и е м х , после того к а к
она д о с т и г л а м а к с и м у м а , п р о и сх о д и т в е с ь м а м едленно. Учет эт и х
особен но стей д и ф ф у з и и п ри м еси и г р а е т в а ж н у ю р ол ь при р а з р а ­
бо тк е м ето д о в п р о г н о з а к о н ц е н т р а ц и й п ри м есей от многих и с т о ч ­
ников и при о п р е д е л е н и и ф оново го з а г р я з н е н и я в о зд у х а д л я о т ­
д е л ь н ы х о б ъ е к т о в с в ы соки м и д ы м о в ы м и т р у б а м и .
И з ф о р м у л ы (2 .1 7 ) следует, что н а и б о л ь ш а я к о н ц е н т р а ц и я д ос т и г а е т с я при у = 0, т. е. на оси х . О т оси х в поперечном н а п р а в ­
лении у к о н ц е н т р а ц и я у б ы в а е т с и м м е т р и ч н о по э к с п о н е н ц и а л ь ­
ном у за к о н у , пр и ч е м с ростом х это у б ы в а н и е з а м е д л я е т с я . О с н о в ­
н а я ч ас т ь п ри м еси , т а к и м о б р а з о м , с о с р едоточен а в с р а в н и т е л ь н о
узкой с т р у е п р и м ес и (или ф а к е л е ) , ось кото рой со о тветств ует у =
= 0. И з в ы п о л н е н н ы х р а с ч е т о в ( Б е р л я н д н др., 1964а) сл ед у е т ,
что п р и б л и ж е н н о
м
/ —£Г ~
<7т — С. Й1 Д /
Uiko
1
я р,
,
(2 .27 )
*™ = с2^ - Я 1+ р\
«1
30
где C i, р ,- ( / = 1, 2) — п о с т о я н н ы е , к о т о р ы е , к а к п о к а з а л и и с с л е д о ­
в а н и я , с р а в н и т е л ь н о м а л о з а в и с я т о т h и го. П р и h = 100 м и 2о =
= 0,01 м з н а ч е н и я p i = 1,9 и р 2 = 0,2, a c i = 0 , 1 5 и с2 = 0,5. З н а ч е н и я
этих ве л и ч и н б л и з к и к з н а ч е н и я м
соответствую щ их величин
в (2.21) при п = 0,15-г-0,2.
Д л я о п р е д е л е н и я н а з е м н о й к о н ц е н т р а ц и и q п р и д р у ги х х , не
равных х т , мож но использовать соотнош ение м еж д у q l q m и х / х т ,
а н а л о г и ч н о е (2 .2 0 ).
В т а б л . 2.3 п р е д с т а в л е н ы р е з у л ь т а т ы р а с ч е т а q l q m в з а в и с и ­
мости от х / х т д л я р а з н ы х Я при /г = 100 м. З д е с ь ж е д а н ы с р е д ­
ние з н а ч е н и я q l q m д л я вс е х Я . О к а з ы в а е т с я , что о т к л о н е н и е от
эти х с р е д н и х з н а ч е н и й п р и р а з н ы х Я с р а в н и т е л ь н о невел ико .
Т а б л и ц а 2.3
Зависимость относительной концентрации q/qm. от относительного
расстояния х / х т
х 1х т
Я м
100
120
150
200
250
300
С р едн ее
0,25
0,5
0,75
1
0 ,3 0
0 ,3 3
0 ,4 1
0 ,3 4
0 ,2 7
0 ,2 5
0 ,3 2
0 ,7 3
0 ,7 4
0 ,8 0
0 ,7 6
0 ,7 3
0 ,7 3
0 ,7 5
0 ,9 4
0 ,9 5
0 ,9 5
0 ,9 5
0 ,9 3
0 ,9 4
0 ,9 5
1
1
1
1
1
1
1
2
0 ,7 8
0 ,7 9
0 ,8 0
0 ,8 0
0 ,8 0
0 ,8 0
0 ,8 0
3
4
0 ,5 9
0 ,5 9
0 ,6 0
0 ,6 0
0 ,6 0
0 ,5 9
0 ,6 0
0 ,4 7
0 ,4 7
0 ,4 8
0 ,4 7
0 ,4 5
0 ,4 3
0 ,4 6
2.5.2. С л у ч а й т я ж е л о й п р и м е с и . О с о б е н н о с т и р а с п р о с т р а н е н и я
т я ж е л ы х п р и м е с е й о п р е д е л я ю т с я в з н а ч и т е л ь н о й степени с о б ­
ственной с к о р о с т ь ю о с а ж д е н и я их, к о т о р а я в сво ю о ч е р е д ь з а в и ­
сит от п л о т н о с т и и р а з м е р о в ч а с т и ц а э р о з о л я .
С к ор ость п а д е н и я с ф е р и ч е с к и х ч а с т и ц м о ж е т б ы т ь о п р е д е л е н а
по известно й ф о р м у л е С т о к с а
0 1 = 1 , 3 • l < r V 2„,
(2.28)
где рп — п л о т н о с т ь ч а с т и ц п ы л и , гп — их р а д и у с .
В (2.28) w о п р е д е л я е т с я в с м /с , а рп и гЛ з а д а ю т с я с о о т в е т ­
ственно в г /с м 3 и м к м . И з (2.28) с л е д у е т , что п р и г п , р а в н ы х 10,
50 и 100 м к м , з н а ч е н и я w р а в н ы с о о т в е т с т в е н н о 1,3, 30 и 130 с м /с .
В атмосф ере встреч аю тся а эр о зо л и ш ирокого спектра р а з м е ­
р о в — от т ы с я ч н ы х д о л е й м и к р о н а д о с о т ен м и к р о н о в . Х а р а к т е р и ­
стики их р а с с м о т р е н ы в р а б о т а х Ф у к с а ( 1 9 5 5 ) , К е й д л а (1969)
И др.
П р о г н о з к о н ц е н т р а ц и й т я ж е л ы х п р и м е с е й в п р и зе м н о м с л о е
в о зд у х а о т с р а в н и т е л ь н о н е в ы с о к и х и с т о ч н и к о в п р и б л и ж е н н о м о ­
ж е т б ы ть в ы п о л н е н , к а к и д л я л е г к и х п р и м е с е й , на основе а н а л и ­
31
тич еск о го р е ш е н и я з а д а ч и д л я с л у ч а я , ко г д а с вы сотой с к о р о с т ь
в е т р а и зм е н я е т с я по степ енно м у з а к о н у , а к о э ф ф и ц и е н т о б м е н а л и ­
нейно в о зр а с т а е т .
Н а з е м н а я ко н ц е н т р ац и я от точечного источн ика в ы с отой Н
о п р е д е л я е т с я ф орм улой
д^со(1+п)цо
щН]+ п
у»
q ~
2 ( 1 + л ) 1+ 2ш Г ( 1 + © ) ( Л 1х ) , + шл/яЛо* 6
*koX * (2 -2 9 )
(‘ + n)SAlJr
где
а =
w jkx
(1 +
п
).
(2.30)
Р а с п р е д е л е н и е ко н ц е н т р а ц и и в н а п р а в л е н и и у т а к о е ж е , к а к
и в с л у ч а е легкой примеси. В р а с п р е д ел е н и и н а зе м н о й к о н ц е н т р а ­
ц и и по н а п р а в л е н и ю ве т р а ( в д о л ь оси х ) о т м е ч а е т с я м а к с и м у м q m
н а некото ро м расстояни и х т от источн ика, з н а ч е н и е котор ого н а ­
х о д и т с я т а к ж е, к а к и д л я л е г к о й примеси.
И з (2.29) следует, что
0 ,0 6 3 ( \ + п ) * М
-» /
kx
u t H U5( I +n)
У
М о
_
Хт~
( 1 ,5 + (о )1,5 + (0
Г (1 + ю )* а
uiHl+n
<1 + я ) а ( 1 ,5 + в>) Л| *
(2.31)
Д л я л егкой и т я ж е л о й п р и м есе й х т не з а в и с и т от k 0 \ с в о з р а ­
с тан и ем Н знач ение q m у м е н ь ш а е т с я , а х т у в е л и ч и в а е т с я . В м е с те
с тем зн ач ен и е м а к с и м а л ь н о й к о н ц е н т р а ц и и т я ж е л о й п р и м ес и q m
больш е, чем легкой, а х т м е н ьш е. Р а з л и ч и я в з н а ч е н и я х q m и х т
д л я л е гко й и т я ж е л о й при м есей в о з р а с т а ю т с у в ел и ч ен и ем с к о р о ­
сти о с а ж д е н и я частиц w .
Ч и с л е н н о е и ссл едов ан и е а т м о с ф е р н о й д и ф ф у з и и т я ж е л о й п р и ­
м еси ( Б е р л я н д и др., 19646) про вод ил ось, к а к и в с л у ч а е л е г к о й
примеси, при л ога р и ф м и ч ес к о м п р о ф и л е ско ро сти ве т р а и и м о ­
д е л и (2.8) д л я k z . И з с о о б р а ж е н и й подобия, а н а л о г и ч н о (2.23) д л я
с л у ч а я т я ж е л о й прим еси з а п и с ы в а е т с я соотнош ение
-SS
<2'32>
Н а основании соотнош ен ия (2.32) м о ж н о т а к ж е с в я з а т ь д в а в а ­
р и а н т а р еш е н и я за д ач и , о т н о с я щ и е с я к р а зл и ч н ы м з н а ч е н и я м и \ ,
k \ и w при ф и кси р ов ан н ы х в е л и ч и н а х h n Н :
ч\ (*, у,
г,
ш) —
«ц(|)
5° /\Jp^W
I ■*№’
ul\)kfi) Яг ^ ц|1)/ги *.
kfw\
г/. 2. A(i) J •
(2.зз)
В сл у ч а е т я ж е л о й при м еси достаточн о пр ои зв ести р а с ч е т ы
т о л ь к о д л я одной пары зн а ч ен и й и \ и k \ в ш ир о ко м д и а п а з о н е и з ­
м енени я w , после чего м о ж н о пер е х о д и т ь к п р о и зв о л ь н ы м з н а ч е ­
н и я м Mi, k \ и w , ис п о льзу я ф о р м у л у пересчета (2.33).
32
И з р а с ч е т о в с л е д у е т , что з а в и с и м о с т ь к о н ц е н т р а ц и и q от и \
и k \ для тяж елой и легкой примесей имеет подобный х ар ак тер .
У м е н ьш е н и е k \ э к в и в а л е н т н о в о з р а с т а н и ю до п н а о б о р о т .
П р и а н а л и з е и з м е н е н и я q от до о б н а р у ж и в а ю т с я х а р а к т е р н ы е
с в о й с т ва т я ж е л о й п р и м ес и . О н и с в я з а н ы с ч а с т и ч н ы м в ы п а д е н и е м
ее в б л и зи и с т о ч н и к а . О к а з ы в а е т с я , что з а в и с и м о с т ь к о н ц е н т р а ц и и
от с кор ости в ы п а д е н и я н а б л и з к и х и д а л е к и х р а с с т о я н и я х от
и сто чн ик а носи т п р о т и в о п о л о ж н ы й х а р а к т е р . П р и м а л ы х х с увели^
чением до к о н ц е н т р а ц и я q р а с т е т , п р и б о л ь ш и х х — у б ы в а е т , п р и ­
чем тем б о л ь ш е , чем б о л ь ш е х . Д л я п р о м е ж у т о ч н ы х х в з а в и с и м о ­
сти q от w о т м е ч а е т с я м а к с и м у м п ри н е к о т о р о м w = w m . С у в е л и ­
чением в ы с о ты Я э т и о с о б е н н о с т и в и з м е н е н и и q с о х р а н я ю т с я ,
причем р а с с т о я н и е , н а к о т о р о м д о с т и г а е т с я м а к с и м у м q в з а в и с и м о ­
сти от до, у в е л и ч и в а е т с я , а с о о т в е т с т в у ю щ е е з н а ч е н и е w m в о з р а ­
стает. Э ти р е з у л ь т а т ы к а ч е с т в е н н о с о г л а с у ю т с я с в ы в о д а м и из
а н а л и т и ч е с к о г о р е ш е н и я , но в к о л и ч е с т в е н н о м о т н о ш ен и и и м е ю тс я
значительные разли чи я.
Согласно Б е р л я н д у и О н и кулу (1 9 686), м еж д у н азем ны м и з н а ­
чениям и к о н ц е н т р а ц и и т я ж е л о й и л е г к о й п р и м е с е й q w и q н а р а с ­
с т о я н и я х х от и с т о ч н и к а в ы с о т о й Я , а т а к ж е м е ж д у их м а к с и м а л ь ­
ными з н а ч е н и я м и q w m и q m и м е ю т м е с т о с о о т н о ш е н и я :
(2.34)
З н а ч е н и я ф у н к ц и й % и %т в о б щ е м с л у ч а е о п р е д е л я ю т с я в с о о т ­
ветствии с ч и с л е н н ы м р е ш е н и е м у р а в н е н и я (2 .2). Р а з л и ч и я в к о н ­
цен траци ях легкой и т яж е л о й примесей обусл о вл и ваю тся в основ­
ном б е з р а з м е р н ы м п а р а м е т р о м w / k 1 .
П р и одном и том ж е з н а ч е н и и до р о л ь о с е д а н и я п р и м е с и б у д ет
р а зн о й в з а в и с и м о с т и от и н т е н с и в н о с т и т у р б у л е н т н о с т и . П р и
сил ьно й т у р б у л е н т н о с т и , н а п р и м е р , в с л у ч а е р а з в и т о й к о н в е к ц и и
влияние разл и ч ия в скорости оседан ия w проявляется главны м
о б р а з о м при д о с т а т о ч н о б о л ь ш и х х . В э т о м с л у ч а е при м а л ы х w
(м енее 3 см /с)
1.
В случае небольш ой высоты источника Я , когда м ож но п ри бли­
ж е н н о п о л о ж и т ь (2.16) д л я и я k z , г т а к ж е и с п о л ь з о в а т ь д л я q
и q w с о о т в е т с т в у ю щ и е в ы р а ж е н и я (2.17) и (2 .2 9 ),
(2.35)
Г (1 + © )
А н а л о г и ч н ы м о б р а з о м н а о с н о в а н и и (2.31) п о л у ч а е м в ы р а ж е н и е
д л я %т • Р а с ч е т ы п о к а з ы в а ю т , что %т с р а в н и т е л ь н о м а л о з а в и с и т
от вел и ч и н ы п .
К а к из а н а л и т и ч е с к о г о р е ш е н и я , т а к и из ч и с л е н н ы х и с с л е д о в а ­
ний с л едует, что в с е г д а д л я т я ж е л о й п р и м е с и м а к с и м у м к о н ц е н т ­
р а ц и и б о л ь ш е , а с о о т в е т с т в у ю щ е е е м у р а с с т о я н и е до и с т о ч н и к а
м еньш е, чем д л я н е в е с о м о й п р и м е с и .
3
Заказ Na 30
33
Н а о с н о в а н и и ч и с л ен н ого р е ш е н и я з а д а ч и Б е р л я н д и О н и к у л
(1971) у с т а н о в и л и за в и с и м о с т и д л я % и %т от в ы с о ты и сто чн ик а Я
и w j k 1 (рис. 2.5). З а в и с и м о с т ь %т от Я получена при a ; / 6 i = c o n s t .
И з р и с у н к а видно, что з н а ч е н и е %т д л я источников, р а с п о л о ж е н ­
н ы х в п р и зем н о м слое, п р а к т и ч е с к и не з ав и си т от вы соты Я , к а к
эт о в ы т е к а л о и из а н а л и т и ч е с к о г о р еш ен ия. О д н а к о д л я б о л е е в ы ­
с о к и х у р о в н е й и с т о чн и к а зн а ч е н и е %т с р а вн и т е л ьн о б ы стро в о з р а ­
с т а е т с в ы с ото й Я .
У д об н о р а с с м а т р и в а т ь не о т д е л ьн о плотность и спектр р а з м е ­
р о в ч ас т и ц , а б о ле е у ст о й ч и ву ю их ко м п л ек с н у ю х а р а к т е р и с т и к у
Рис. 2.5. Значения коэффициентов
X И ХтК ривая. . .
ktx/Ut . . .
1
2
300
400
3
500
4
600
б
700
) — ф у н кц и ю р а с п р е д е л е н и я веса ч астиц с р а з л и ч н ы м и с к о р о ­
с т я м и о с е д а н и я w ( Б е р л я н д и О н и ку л , 1971). О б ы ч н ы е оч истн ы е
у с т р о й с т в а , к о т ор ы е р а б о т а ю т на инерционном принципе, л у ч ш е
у л а в л и в а ю т т я ж е л ы е ч астиц ы . В с л е д с т в и е этого с в о з р а с т а н и е м
у д е л ь н о г о в е с а пыли у м е н ь ш а е т с я м а к с и м а л ь н ы й р а з м е р частиц,
в н о с я щ и х с у щ ествен н ы й в к л а д в ее спектр; о д н а к о ве л и ч и н а Р ( w )
п р и этом и зм е н я е т с я сл абее.
А н а л и з опы тны х д а н н ы х п о к а зы в а е т , что в с л у ч а е К П Д о ч и ­
с т к и б о л ь ш е 90 % ПР И ср е дн и х зн а ч е н и я х у д ел ьн о го веса ч а с т и ц
Рд о т 1 д о 2,5 г/см3' вес ч а с т и ц с w < Z b см/с с о с т а в л я е т 40— 50 °/о
о т о б щ е г о ве с а пыли, с o> = 5-f-25 с м / с — около 30— 40 % и с ш >
> 2 5 с м /с (обычно не п р е в ы ш а ю щ и м и 50 с м / с ) — пр и м ерн о 2 0 % .
С ц е л ь ю оценки ве л и ч и н % и %ш (см. (2 .3 4 )) типовой спектр
Р (т )
в о б щ е м с л у ч а е р а з б и в а е т с я н а р а в н ы е и н т е р в а л ы (обы чно
д о с т а т о ч н о 10 и н т е р в а л о в ) , д л я к а ж д о г о и н т е р в а л а п р и н и м а е т с я
с р е д н я я ск о р о с т ь о с е д а н и я w, - , и д л я ф и к с и р о в а н н ы х зн а ч е н и й
k\xju \
о п р е д е л я е т с я %• С у м м а р н ы е зн а ч е н и я к о н ц е н т р а ц и и q w =
= Т , Я-mi н а х о д я т с я по ф о р м у л е
Р (w
? „ = ? 1 > ( “ ’‘>х ( - ! г ) 34
(2-36)
И з р а с ч е т о в с л е д у е т , что п о л и д и с п е р с н о с т ь п ы л и
приводит
к разнесению полож ений м аксим ум ов кон центраци и для отдель­
н ы х ф р а к ц и й по н а п р а в л е н и ю
в е т р а и способствует
поэ то м у
ум е н ь ш е н и ю м а к с и м у м а с у м м а р н о й к о н ц е н т р а ц и и . О к а з ы в а е т с я
т а к ж е , что д л я н а з е м н о г о м а к с и м у м а к о н ц е н т р а ц и и в е л и ч и н а %т
в этом с л у ч а е с у щ е с т в е н н о м е н ь ш е з а в и с и т от в ы с о т ы и сто чн ик а Н ,
чем в с л у ч а е м о н о д и с п е р с н о й п р и м е с и , но все ж е о н а н е с к о л ь к о
в о з р а с т а е т с у в е л и ч е н и е м Н , о с о б е н н о п р и # > 3 0 0 м.
2.6. О среднение концентраций
При сравнении п ред вы чи слен н ы х и изм ерен н ы х концентраций
важ ное значение при обретает вопрос о влияни и продолж ительно­
сти и н т е р в а л а в р е м е н и , к к о т о р о м у о т н о с я т с я к о н ц е н т р а ц и и , по­
лученные в р е зу л ь тате реш ен и я у р а в н е н и я ди ф ф узи и , и времени
о т б о р а п р об п р и э к с п е р и м е н т а л ь н о м о п р е д е л е н и и к о н ц е н т р а ц и и .
Э то с у щ е с т в е н н о и п о т о м у, что р е з у л ь т а т ы от в о з д е й с т в и я з а г р я з ­
нения а т м о с ф е р ы на о к р у ж а ю щ у ю с р е д у (н а ж и в ы е о р г а н и з м ы ,
ра с ти те л ь н о ст ь , р а з л и ч н ы е п о к р ы т и я и т. п .) о п р е д е л я ю т с я не
то л ь к о к о н ц е н т р а ц и я м и п р и м е с е й , но и п р о д о л ж и т е л ь н о с т ь ю в о з ­
д ей с тв и я. В з а в и с и м о с т и от с в о й с т в п р и м е с е й и д л и т е л ь н о с т и их
д ей с тв и я у с т а н а в л и в а ю т с я с о о т в е т с т в у ю щ и е п р е д е л ь н о д о п у с ти м ы е
ко н ц е н т р а ц и и П Д К (см. п. 1.2).
Влияние периода осреднения кон ц ен трац и й долж но исследо­
в а т ь с я на о с н о в е р е ш е н и я и с х о д н о г о у р а в н е н и я с о д н о в р е м е н н ы м
учетом о с р е д н е н и я его к о э ф ф и ц и е н т о в . О д н а к о э т о с в я з а н о со з н а ­
ч и т ел ьн ы м и т р у д н о с т я м и , о б у с л о в л е н н ы м и н е о б х о д и м о с т ь ю у ч ета
влияния ш ирокого спектра вихрей, х ар а к т е р н о го д л я атмосферной
ту р б у л е н т н о с т и . П р и б л и ж е н н ы й п о д х о д к р е ш е н и ю
д а н н о г о во­
проса б ы л р а з в и т в р а б о т а х Б е р л я н д а и д р . (1 9 6 4 а , 1965). О н со­
стоит в том, что при а н а л и з е п р о ц е с с о в т у р б у л е н т н о й д и ф ф у з и и
сначала вы полняется осреднение со став л я ю щ и х коэф ф иц иента об­
м ен а и с ко р о с т и в е т р а . В п р и в е д е н н ы х в ы ш е р е ш е н и я х п р и н и м а ­
лось, что k v и k z о п р е д е л я ю т с я э й л е р о в ы м и х а р а к т е р и с т и к а м и м и к ­
р о м а с ш т а б н о й с т р у к т у р ы м е т е о р о л о г и ч е с к и х в е л и ч и н и не з а в и с я т
н е п о ср е д с тв е н н о от л а г р а н ж е в ы х х а р а к т е р и с т и к пр оц е сса .
В п. 2.2 д л я о ц е н к и k v п о л а г а л о с ь , что в ы ш е п р и зе м н о г о сл о я
k v = k z. П ри таком условии х а р а к т е р н о е в р е м я действия х ' для
вихрей, о п р е д е л я ю щ и х з н а ч е н и я k y и k z , п р и б л и ж е н н о у с т а н а в ­
л и в а е т с я по з н а ч е н и я м п у л ь с а ц и й г о р и з о н т а л ь н о й и в е р т и к а л ь н о й
с о с т а в л я ю щ и х с к о р о с т и в е т р а и ' и а / , а т а к ж е по пути с м е ш е н и я
вихрей /, т а к , что
I
х‘
■y/u'w'
П р и э т о м , по о п р е д е л е н и ю , в е л и ч и н а
П рандтля
2=
I
h
у д о в л е т в о р я е т соотнош ен ию
du
3*
35
С ледовательно,
’' “ ‘К т Ь
И с п о л ь з у я л о г а р и ф м и ч е с к о е п р е д с та в л е н и е в е р т и к а л ь н о г о п р о ­
ф и л я с к о р о с т и в е т р а ( 2 .8 ), пол уч им
х ' = - | - 1 п 2 ,/Z q.
Ч и с л е н н ы е о ц е н к и п о к а з ы в а ю т , что обычно х ' р а в н о 2— 3 мин.
П о э т о м у п о л е к о н ц е н т р а ц и и q , о п и с ы в а е м о е исходны м у р а в н е н и е м
т у р б у л е н т н о й д и ф ф у з и и (2.2) с у к а з а н н ы м и зн а ч е н и я м и k y и k z,
о п р е д е л я е т с я д е й с т в и е м в и х р е й с р а в н и т е л ь н о м а л о го м а с ш т а б а
с т ' п р и м е р н о 2 — 3 мин. О с ь л: в д ан н о м с л у чае над о о р и е н т и р о ­
в а т ь по н а п р а в л е н и ю в е т р а , о с р е д н е н н о м у за п е ри о д т 7.
В ы полненны е оценки позволяю т
п р е д п о л о ж и ть, что д а н н ы е
р а с ч е т о в по п р и в е д е н н ы м в ы ш е
формулам
будут
находиться
в о п р е д е л е н н о м с о г л а с о в а н и и с д а н н ы м и эк с п е р и м е н т а в с л у ч а я х ,
к о г д а п р о б ы в о з д у х а о т б и р а ю т с я в течени е н е с к ольк и х м инут и на
с р а в н и т е л ь н о н е б о л ь ш и х р а с с т о я н и я х от источника, т. е. при м а ­
л о м в р е м е н и п е р е н о с а п р и м еси . П о л у ч е н н ы е реш ен и я , с л е д о в а ­
т е л ь н о , п р и г о д н ы в о сн о в н о м д л я в ы чи сл ен ия м а к с и м а л ь н о й к о н ­
ц е н т р а ц и и от о т н о с и т е л ь н о н и зк и х источников, к о г д а она д о с т и ­
г а е т с я на м а л ы х р а с с т о я н и я х .
В с л у ч а е б о л е е в ы с о к и х исто чн ико в и при п р о д о л ж и т е л ь н о с т и
з а б о р а п р о б в т е ч е н и е 2 0 — 30-м инутного и н т е р в а л а оп ы тн ы е д а н ­
н ы е о к а з ы в а ю т с я с у щ е с т в е н н о н и ж е р асчетны х . П р и этом р а с х о ­
ж д е н и е т е м з н а ч и т е л ь н е е , чем б о л ь ш е р ас с то я н и я от и сто чн ик а.
В с л у ч а я х , к о г д а т 7 м е н ь ш е и н т е р в а л а врем ени з а б о р а про б t o
и в р е м е н и х / и , з а к о т о р о е о с у щ е с т в л я е т с я перенос при м еси от ис­
точн ика на расстоян и е х (за и приближ енно принимается ско­
р о с т ь в е т р а н а в ы с о т е и с т о ч н и к а ) , осредн ение к о н ц е н т р а ц и и д о л ­
ж н о п р о и з в о д и т ь с я за п е р и о д Г ' > т 7. Е сл и при этом с о х р а н и т ь
п р е ж н и е з н а ч е н и я и , k v, k z, то нуж н о учесть пу л ьс а ц и и н а п р а в л е ­
н и я в е т р а , о с р е д н е н н о г о з а в р е м я Г'.
С о г л а с н о э к с п е р и м е н т а л ь н ы м д а н н ы м Грачевой и Л о ж к и н о й
(1964) и д р., в е р о я т н о с т ь со (ф) откл он ен и й с р едн их з а п е р и о д г 7
н а п р а в л е н и й в е т р а на у г о л ф от ср едн его за п ер и од Т ' н а п р а в ­
л е н и я в е т р а п р и м е р н о п о д ч и н я е т с я з а к о н у Г а у сс а , т. е.
e - v2/ 2,,\
(2 .37)
со(ф) = ------l—
Фо V2it
где фо — д и с п е р с и я з а п е р и о д в р е м е н и Г 7.
Е с л и у ч е с т ь и з м е н е н и е к о н ц е н т р а ц и и в поперечном к в е т р у н а ­
п р а в л е н и и с о г л а с н о (2 .1 4 ), то с р е д н я я к о н ц е н т р а ц и я q з а в р е м я
Т'
( Б е р л я н д н др., 1964а, 1965) о п р е д е л я е т с я по ф о р м у л е
_ (у cos ф —х sin ф)а
л/2
<7 =
\
- л /2
36
q \y - Qe
4k°x
со(ф)^ф,
(2.38)
где <7 1у = о — зн а ч е н и е к о н ц е н т р а ц и и по оси х , ор иен ти ро ван ной по
с р е д н е м у н а п р а в л е н и ю ве т р а з а в р е м я т ', котор ое нахо д ится из
ре ш е н и й у р а в н е н и й а тм о с ф е р н о й д и ф ф у зи и . П р е д е л ы и н т е г р и р о ­
в а н и я зд е сь могут бы ть изм енены , п оск ольку ю(ф) быстро у б ы в а е т
с у в ел и ч ен и ем ф, и п р а к т и ч е с к и м о ж н о п о л а г а т ь , что ф С ^ , где г|э
о п р е д е л я е т у г л о в ы е р а з м е р ы ф а к е л а . В е л и ч и н а ^ м а л а и поэтом у
в т ф ^ ф . В р е з у л ь т а т е получим, что п р и б л и ж е н н о
q =
q \y -o f(x ,
П р и б л и ж е н н о д л я д ост а т о чн о б о л ьш и х
f(x,
9) =
-^ -
(2.39)
у).
х
д /-1 Г е
^
•
<2 -40)
Э тот э ф ф е к т осредн ен и я в р а зл и ч н о й степени с к а зы в а е т с я на
р а з н ы х х а р а к т е р и с т и к а х п ол я кон ц е н тр а ц и и . К он ц е н трац и я q на
оси ф а к е л а с у ве л и ч ен и е м р а с с т о я н и я х у б ы в а е т быстрее, чем q ,
п о с к о л ь к у в з н а м е н а т е л е ф о рм ул д л я q д оп ол н и тел ьн о п о я в л я е т с я
V х . З н а м е н а т е л ь в п о к а з а т е л е степени эк сп он ен ц и ал ьн ой ф у н к ­
ции, о п р е д е л я ю щ и й у б ы в а н и е q с увелич ен ием у , о к а зы в а е т с я т е ­
перь п р о п о р ц и о н а л ь н ы м х 2 , а не х , к а к ранее. П о эт о м у вдоль оси у
и зм е н ен и е к о н ц е н т р а ц и и происходит более м едленно и ш ирин а ф а ­
к е л а в о з р а с т а е т . С пом ощ ью (2.39) непосредственно п р о и зводи тся
п е р ех од к о ср едн ен н ы м к о н ц е н т р а ц и я м от их значений, о п р е д е л я е ­
м ы х на основе п ри в еден н ы х в ы ш е в ы р а ж е н и й д л я q , согласно ч и с­
л е н н о м у и а н а л и т и ч е с к о м у р е ш е н и я м . В частности, д л я л е г к о й
при м еси ( д о = 0 ) , ко г д а к о э ф ф и ц и ен т о б м е н а р ас те т линейно с в ы ­
сотой, а ско ро сть в е т р а и зм е н я е т с я по степ енном у закону, и с п о л ь ­
зуя (2.17), получим
_
М
Л — ------------ ™-------(1 + п )
л/2я
и \Я 1+ п_______ у »
(I + п у х
2 2 2
2ф0* .
е
(2.41)
С л е д у е т о б р а т и т ь в н и м ан и е на то, что в ф о р м у ле (2.41) к о э ф ­
ф и ц и е н т 60 о к а з а л с я исклю чен ны м и вм есто него в о ш л а в ел ич ина
фо. С о отв етств енно и зм е н я ю тс я в ы р а ж е н и я д л я м а к с и м у м а к о н ­
ц е н т р а ц и и q m и р а с с т о я н и я х т , на котором он достигается:
я
0,216*. ( 1 + л)* М
.
Ы1Я11+ '1)
Чт~
Ф.ц ? //2 <1+">
’ "
а , (1 + п)» •
{
>
В ы р а ж е н и я (2.42) сходны с ф о р м у л а м и (2.18) и (2.19) д л я q m
и х т - О д н а к о с учетом э ф ф е к т а о ср едн ен и я у м ен ьш аю тся з н а ч е ­
ния м а к с и м а л ь н о й к о н ц е н т р а ц и и и р а с с то я н и я , где она д о с т и ­
га е тс я , а за в и с и м о с т ь м а к с и м а л ь н о й кон ц ен трац и и от Н о к а з ы ­
в а е т с я зн а ч и т е л ь н о больш е.
А н а л о г и ч н ы е (2.27) ф о р м у л ы д л я q m и Х т у с т а н а в л и в а ю т с я
иа ос н о ве численного р еш е н и я з а д а ч и
=
и1
xm =
c , ^ - H
К1
t+ t\
(2.43)
37
где
К
—
k j u . \ ф0,
Рз — р , - | - 0,5, р4 « р2»
(2.44)
d и Р/
(/ = 3, 4 ) — п о с т о я н н ы е , у с т а н а в л и в а е м ы е при а п п р о к с и м а ­
ции р е зу л ь т а т о в ч и с л ен н о го р е ш е н и я с учетом э ф ф е к т а о с р е д н е ­
ния. З н а ч е н и я с 3 = 0,3, С4= 0,4 и p 3 = 2,3-f-2,5.
Д л я о п р е д е л е н и я q п ри х = £ х т уд обно в о с п о л ь з о в а т ь с я тем
обстоятельством , что по д а н н ы м р а с ч е т о в , а н а л о г и ч н ы м п р и в е д е н ­
ным в таб л . 2.3, п р и б л и ж е н н о q \ y = o / q m за в и с и т т о л ь к о от х / х т .
П одобны м о б р а з о м в р е з у л ь т а т е ос ре д н е н и я п о л у ч а ю т с я ф о р ­
м улы д л я т я ж е л о й п р и м е с и на о с н о в а н и и р е ш е н и я у р а в н е н и я т у р ­
булентной д и ф ф у з и и при w ^ O . В э т о м с л у ч а е м о ж н о с в я з а т ь ф о р ­
мулы д л я т я ж е л о й и л е г к о й п ри м есей :
Qwm
Здесь
и
Xwm
х т
==
Qщ Р
— расстояния,
*
^wm
гд е
==
•
достигаю тся
(2.45)
со о т в ет с т в е н н о
и q m , F ' и % ' — б е з р а з м е р н ы е ко э ф ф и ц и е н т ы , причем F r > 1,
а и '< 1 .
С л е д о в а т е л ьн о , д л я р а с ч е т а к о н ц е н т р а ц и и примеси н е о б х о д и м о
зн а т ь величину ср0> к о т о р а я п р е д с т а в л я е т собой д и с п е р си ю з а
в р е м я Т ' н а п р а в л е н и я в е т р а , о ср едн енно го з а и н т е р в а л в р е м е н и
т ', и я в л я е т с я с т р у к т у р н о й х а р а к т е р и с т и к о й ту р б у л ен т н о г о п о л я
в эйлеровом с м ы с л е . В е л и ч и н а Т ' з а в и с и т от п е р и о д а в рем ен и t o ,
в течение котор ого п р о и з в о д и т с я з а б о р пробы в о зд у х а д л я о п р е ­
д ел ен ия q , и от в р е м е н и х / а п е р е н о с а примеси на р а с с т о я н и е х .
Анализ п о к а зы в а е т , что п р и б л и ж е н н о м о ж н о п о л о ж и т ь
q-wm
Г
=
t Q+
(2.46)
х/и.
И з по лученны х р е з у л ь т а т о в сл е д у е т , что э ф ф е к т о с р е д н е н и я
условно о п и с ы в ае т с я з а м е н о й к о не к о то р ы м эф ф е к т и в н ы м к о э ф ф и ­
циентом k o ( x ) , и з м е н я ю щ и м с я с р а с с т о я н и е м от источн ика (Б е р л я н д и др., 1964а, 1965). В ч астно сти, м ож н о с р а в н и т ь п о л у ч е н ­
ные в ы р а ж е н и я д л я q п р и д о с т а т о ч н о б о льш их х с н е п о с р е д с т в е н ­
ным реш ением ис х о д н о го у р а в н е н и я д и ф ф у зи и (2 .2) при k y = *
= k o ( х ) и . Д л я эт о го п р е д в а р и т е л ь н о о су щ е с т в л я е т с я з а м е н а перех
менной
х
m
Х =
j*Ao(£)d£. Т о г д а а н а л о ги ч н о (2.14) пол уч им
о
q = ,4L [XjJ L
4
2 л /л Х
’
(2.47)
V
’
где q ' ( X , z ) — со о т в е т с т в у ю щ е е ре ш ен и е д л я с л у ч а я л и н е й н о го
источника.
С оп остав л яя (2.47) с (2.39) и (2.40), опред ел им , что при д о ­
статочно больш их х
ko(x)f& xq>l.
38
(2.48)
Д л я п е р е х о д а от н е о с р е д н е н н ы х з н а ч е н и й q к о с р е д н е н н ы м
к о н ц е н т р а ц и я м q по ф о р м у л а м (2.39) — (2.40) н е о б х о д и м о з н а т ь
зн а ч е н и е с р е д н ей д и с п е р с и и , к о л е б а н и й н а п р а в л е н и я в е т р а фо.
В о просы о п р е д е л е н и я ф0 н а о с н о в а н и и о б р а б о т к и о б ш и р н о г о
м атериала экспедиционных
наблю дений
излагаю тся в работах
Г р а ч е в о й и Л о ж к и н о й ( 1 9 6 4 ) , Г е н и х о в и ч а и Г р а ч е в о й ( 1 9 6 5 ).
В со от вет с т в и и с у к а з а н н ы м и в ы ш е р е з у л ь т а т а м и в в о д я т с я д в а
интервала времени осреднения н ап р ав л е н и я ветра: внеш ний Т '
Рис. 2.6. Зависимость дисперсии
направления ветра о0 от п ок аза­
теля устойчивости Б.
1 — диапазон
отклонения,
2 — число
случаев.
и в н у т р ен н и й х ' . П р о д о л ж и т е л ь н о с т ь в н у т р е н н е г о и н т е р в а л а п р и ­
н и м а е т с я р а в н о й 2,5 м и н , в н е ш н е г о — 20 м и н и б ольш е. Д и с п е р с и я
о п р е д е л я е т с я по ф о р м у л е
Y j
У
;= i
(ф* — ф)2 n i
N
где ф,- и ф — с р е д н и е н а п р а в л е н и я в е т р а д л я в н у т р е н н е г о и в н е ш ­
него и н т е р в а л о в о с р е д н е н и я , г ц — п о в т о р я е м о с т ь о п р е д е л е н н ы х н а ­
п р а в л е н и й в е т р а, N — о б щ е е ч и с л о с л у ч а е в .
П о р е з у л ь т а т а м о б р а б о т к и д а н н ы х н а б л ю д е н и й на рис. 2.6
п р е д с т а в л е н ы н е к о т о р ы е р е з у л ь т а т ы д л я с л у ч а я в н е ш н ег о и н т е р ­
в а л а Т = 2 0 мин. В к а ч е с т в е п о к а з а т е л я у с т о й ч и в о с т и и с п о л ь ­
з у е т с я п а р а м е т р Б = б Т / и 2 , гд е б Т — р а з н о с т ь т е м п е р а т у р н а в ы ­
с о т а х 2,0 и 0,5 м.
П р и не у с т о й ч и во й с т р а т и ф и к а ц и и , с о г л а с н о рис. 2.7, с р о стом
с к о р о с т и в е т р а о т 2 д о 8 м /с з н а ч е н и е Сто у м е н ь ш а е т с я п р и м е р н о
о т 10 до 4°.
О бработка д ан ны х наблю дений позволила т а к ж е исследовать
с в я з ь a t с в н е ш н и м и и н т е р в а л а м и о с р е д н е н и я Г», р а в н ы м и 20, 40
и 60 мин.
Н а рис. 2.7 п р и в о д я т с я к о р р е л я ц и о н н ы е г р а ф и к и з а в и с и м о с т и
д л я и н т е р в а л о в о с р е д н е н и я 20 и 40 м и н (аго, tf40), а т а к ж е 40
39
и 60 м и н (сг4о, Обо). И с п о л ь з у я ф о р м у л ы (2.39) и (2.40 ), м о ж н о
о п р е д е л и т ь за в и с и м о с т ь к о н ц е н т р а ц и и пр и м еси q от п е р и о д а
о с р е д н е н и я при р а з л и ч н ы х м е те о р о л о г и ч е с к и х у сл о в и я х . В ч а с т ­
ности, из э т и х ф о р м ул сл едует, что q в о з р а с т а е т с у м е н ь ш е н и е м фо.
П о э т о м у у в е л и ч е н и е ф0 с у с и л е н и ем неустойчивости и при о с л а б ­
л е н и и с к о р о с т и в е т р а с п о с о б с тв у е т ум е н ьш е н и ю к о н ц е н т р а ц и и .
С в о з р а с т а н и е м п ер и о да о с р е д н е н и я Т ' в со ответств ии с о п ы т н ы м и
д а н н ы м и к о н ц е н т р а ц и и т а к ж е у м е н ь ш а ю т с я , при чем с н а ч а л а б ы ­
стр о, а з а т е м м едл енн ее.
С о г л а с н о (2.4 6 ), Т ' = ? о + * / ы , г д е
~ продолжительность вре­
м е н и з а б о р а проб. О т с ю д а м о ж н о за к л ю ч и ть, что с у в е л и ч е н и е м
„о
°0
Рис. 2.7. Зависимость диспер­
сии направления ветра о 0 от
скорости ветра щ (а) и интер­
вала осреднения Т' (б ).
1 — неустойчивое состояние, 2 — рав­
новесное, 3 — устойчивое.
р а с с т о я н и я х (или, точнее, x j u ) в л и я н и е в р ем е н и з а б о р а проб
ослабляется.
П олучен ны е экспериментальные характеристики
согласую тся
с т е о р е т и ч е с к и м и в ы в о д ам и о за в и с и м о с т и дисперсии к о л е б а н и й
от в н у т р е н н ег о и внеш него и н т е р в а л о в (Генихович и Г р а ч е в а ,
1965; Б е р л я н д , 1975).
2.7. И спользование гауссовы х распределений
концентраций
Д л я о п и с а н и я р а с п р о с т р а н е н и я при м есей в а т м о сф ер е, н а р я д у
с р е ш е н и е м у р а в н е н и я т у р б у л е н т н о й д и ф ф у зи и , ш и р о ко и с п о л ь ­
з у ю т с я ф о р м у л ы Гауссового р а с п р е д е л е н и я ко н ц е н т р а ц и и , п о л у ­
ч е н н ы е н а стат и с т и ч ес ко й основе. О д н а из п е р в ы х р а б о т в эт о м
п л а н е п р и н а д л е ж и т С еттон у (1958), ко тор ы й п о л о ж и л , что в о б ­
щ е м с л у ч а е к о н ц е н т р а ц и я п ри м еси в то ч к е ( х , у , г ) от и сто чн и к а,
р а с п о л о ж е н н о г о в н а ч а л е ко о р д и н а т, п р о п о р ц и о н а л ь н а п р о и з в е ­
дению
Р, =
---Gy
V
2 л,
н а а н а л о г и ч н ы е ф ункции P z и Р х , отно сящ и еся к к о о р д и н а т а м z
и х . З д е с ь сг2 — д испер сия р а с п р е д е л е н и я примеси в н а п р а в л е ­
нии у . З а д а в а я опред ел ен ны й в и д л а г р а н ж е в о й к о р р е л я ц и о н н о й
ф у н к ц и и д л я к о н ц е н т р а ц и й и и с п о л ь з у я т ео рем у Т е й л о р а о с в я з и
э т о й ф у н к ц и и с Oi, Сеттон получил, что
Oi
40
1
2 / - >\2 —п
= -7 r ci (ut)
(2 .49 )
где с { — н е к о т о р ы е к о э ф ф и ц и е н т ы ( i = 1, 2, 3 с о о т в ет с т в у ю т х , у , z ),
й — средняя
по в ы с о т е с к о р о с т ь в е т р а . В с л у ч а е м г н о в е н ­
ного и с т о ч н и к а t — в р е м я п о с л е н а ч а л а д ей с тв и я и сточн и к а,
а д л я н е п р е р ы в н о д е й с т в у ю щ е г о и с т о ч н и к а п о л а г а е т с я , что
t =
х/й.
С еттон п о к а з а л т а к ж е , что п р и и з б р а н н о м им вид е к о р р е л я ц и ­
онной ф у н к ц и и д о л ж е н в ы п о л н я т ь с я с т еп е н н о й з а к о н д л я и з м е ­
нения с к о р о с т и в е т р а с в ы с о то й , г д е п о к а з а т е л ь степ ени с в я з а н
с л в (2.1 6 ). С л е д о в а т е л ь н о , п а р а м е т р п , н еоб хо ди м ы й д л я р а с ­
чета к о н ц е н т р а ц и и , м о ж н о о п р е д е л и т ь по в е р т и к а л ь н о м у про ф ил ю
скорости в е т р а и т ем с а м ы м к о с в е н н о у ч е с т ь у с л о в и я с т р а т и ф и ­
кации.
П е р в о н а ч а л ь н о С е т т о н п о л у ч и л ф о р м у л у д л я с л у ч а я н а зе м н ы х
источников, к о т о р а я з а т е м п о д т в е р д и л а с ь р е з у л ь т а т а м и н а б л ю д е ­
ний в П о р т о н е ( А н г л и я ) п р и р а в н о в е с н ы х у с л о в и я х д о с р а в н и ­
тельн о н е б о л ь ш и х р а с с т о я н и й ( н е с к о л ь к о с о т е н м е т р о в ). В п о с л е д ­
ствии э т а ф о р м у л а б ы л а п р и м е н е н а б е з д о с т а т о ч н о го о б о сн о ва н и я
и для случая высотного источника.
В ц е л я х и з у ч е н и я з а к о н о м е р н о с т е й р а с п р о с т р а н е н и я прим есей,
п р ов ер к и и у т о ч н е н и я ф о р м у л д л я р а с ч е т а атм о с ф е р н о й д и ф ф у ­
зии, о п р е д е л е н и я с о д е р ж а щ и х с я в них м е тео р о л о г и ч е с к и х п а р а ­
м етров ш и р о к о в е д у т с я э к с п е р и м е н т а л ь н ы е р а б о т ы . О б зо р 20 н а и ­
б о ле е к р у п н ы х и с с л е д о в а н и й , в ы п о л н е н н ы х з а п оследние д е с я т и л е ­
ти я в С Ш А и А н г л и и ( н а п р и м е р , р а б о т ы И с л и т ц е р а , К р а м е р а ,
С т ю а р т а , П э с к в и л л а , С м и т а , Х е я и д р . ) , а т а к ж е в Ш вец ии, н а п р и ­
мер р а б о т а Х о г с т р е м а ( H o g s t r o m , 196 4), д а н в « М етео ро л о гии
и ат о м н о й э н е р г и и » (1 9 7 1 ).
Н е к о т о р ы е и з э т и х и с с л е д о в а н и й х а р а к т е р и з у ю т с я вы сокой т е х ­
нической о с н а щ е н н о с т ь ю , б о л ь ш и м к о м п л е к с о м н аб л ю д ен и й и з н а ­
чительной п р о д о л ж и т е л ь н о с т ь ю . В ни х п о с т а в л е н о много т р у д о е м ­
ких и д о р о г о с т о я щ и х о п ы т о в с н а з е м н ы м и и вы сотны м и источни­
к а м и н е п р е р ы в н о г о и к в а з и м г н о в е н н о г о д е й с т в и я . Т ак, по п роекту
« Г р и н Гл о у» в ш т а т е В а ш и н г т о н ( С Ш А ) с о з д а в а л и с ь н азе м н ы е
источники с е р н и с т о г о ц и н к а . О т б о р п р о б о с у щ е с т в л я л с я в 833 т о ч ­
ках, р а с п о л о ж е н н ы х н а к о н ц е н т р и ч е с к и х д у г а х во кр у г источника,
причем д л я э т о й ц е л и н а п е р в ы х ч е т ы р е х д у г а х у с т а н а в л и в а л о с ь
по пять м а ч т в ы с о т о й д о 60 м. П о п р о е к т у « Д р а й Т а л ч » в К а л и ­
ф орн и и в ы п о л н ен о б о л е е 100 с е р и й э к с п е р и м е н т о в . Б р у к х е й в е н с к а я
н а ц и о н а л ь н а я л а б о р а т о р и я в Н ь ю - Й о р к е п р о в о д и л а пер и о дич ески е
н а б л ю д е н и я с и с п о л ь з о в а н и е м 1 3 0 -м е тр о в о й
м етео ро л огич еской
м а чт ы б о л е е 15 л е т. К р у п н ы е э к с п е р и м е н т ы п р о в о д и л и с ь в С Ш А
с и с п о л ь з о в а н и е м т е т р о н о в — п л а с т и к о в ы х б а л л о н о в постоянного
у р о в н я (н а з в а н и е их с о с т а в л е н о из н а ч а л а и ко н ца слов — тетр а э д а л ь н ы е б а л л о н ы ) . П о д ч и н я я с ь д в и ж е н и я м в озд ух а, тетр о н ы иг­
р а ю т р о л ь т р а с с е р а и п о з в о л я ю т по н а б л ю д е н и я м з а их т р а е к т о ­
р и я м и с у д и ть об и н т е н с и в н о с т и т у р б у л е н т н о г о
рассеивания
(A n g e ll et al., 1972).
В у к а за н н ы х р а б о т а х С еттон а и р я д а других исследователей
на о с н о в а н и и э м п и р и к о - с т а т и с т и ч е с к и х
с о о б р а ж е н и й нер ед ко
41
п р и н и м а ю т , ч то н а з е м н а я к о н ц е н т р а ц и я при м еси в ы р а ж а е т с я ф о р ­
мулой
q
4
=
ла
— ——
пауаги
е
нг
z
2c i
yi
у
(2.50)
20* .
v
В р я д е р а б о т (P a s q u ill, 1962, M e a d e , 1960) вм е сто а у и o z в в о ­
д я т с я ш и р и н а о б л а к а 2d' и его в ы с о т а h', о п р е д е л я е м ы е из у с л о ­
в и я у б ы в а н и я р а сч е т н о й к о н ц е н т р а ц и и на гр а н и ц е о б л а к а в 10 р а з
Рис. 2.8. Коэффициенты
горизонтальной и вертикальной
Oz
1— 6
(б).
дисперсии а у
(а)
и
— классы устойчивости.
по с р а в н е н и ю с ее осевы м и зн а ч е н и я м и . Т ак, со г л ас н о (2.50) в е ­
л и ч и н а d ' с в я з а н а с о у сл е д у ю щ и м соотнош ением
“ Р( '" 5 Г ) “
0,1,
т. е. d ' = 2 , \ 5 о у .
Е с л и в в е с т и вм есто 2 d ' угл ово е р а с ш и р е н и е д ы м о в о г о ф а к е л а
20 ', то при м а л ы х Q ' = d ' / x п олуч им 0 ' = 2,15 а у / х . М е ж д у W и о г
и м е е т с я а н а л о г и ч н о е соотнош ение: h ' = 2,15az.
Во м н о г и х из у к а з а н н ы х экс п е р и м е н т о в основное в н и м а н и е о б ­
р а щ а л о с ь н е с т о л ь к о на пр о в е р к у ф о р м у л ы (2.50), ш и р о к о и с п о л ь ­
з у е м о й при р а с ч е т а х р а с с е и в а н и я примесей, ск о л ьк о на о ц ен ку
с о д е р ж а щ и х с я в ней п а р а м е т р о в ( а у , а г или d ' , h ' ) . З н а ч е н и е у к а ­
з а н н ы х п а р а м е т р о в су щ ественно з а в и с и т от степени усто й ч и в о с ти
а т м о с ф е р ы , ско ро сти ве т р а и д р у ги х ф а кт о ро в, к о т о р ы е о б ы ч н о
о п р е д е л я ю т в соответствии с к л а с с и ф и к а ц и е й , у к а з а н н о й в п. 2.3.
В р е з у л ь т а т е о б общ е н и я и м ею щ и хся опы тны х д ан н ы х , Г и ф ф о р д
(G iffo rd , 1960) построил д л я у к а з а н н ы х в т а б л . 2.1 к л а с с о в
у с т о й ч и в о с т и с п е ц и а л ь н ы й г р а ф и к (рис. 2.8) д л я о п р е д е л е н и я а у
42
и ст2. Г и ф ф о р д в к н и г е
дит сводку ф орм ул д л я
со м д л я р а с с т о я н и я х о т
той м естности. С о г л а с н о
п о д р е д . Х а у г е н а ( H a u g e n , 1975) п р и в о ­
о п р е д е л е н и я а у и о х, с о с т а в л е н н у ю Б р и г г ­
100 м д о 10 к м д л я с л у ч а я р о в н о й о т к р ь ь
Бриггсу,
а Ух
"
Значения
а у , a z, s z
__
V ! + ' 10- * ; 1
О 9 ----
z
a zx
(х ) •
( х ) д а н ы в т а б л . 2.4.
Т аблица 2.4
Значения коэф ф ициентов a v, a z и функции s z(x)
Класс
устойчивости
ау
(*>
“z
1
0 ,2 2
0 ,2 0
2
0 ,1 6
0 ,1 2
3
0 ,11
0 ,0 8
1
1
л / 1 + 2 • 10-**
4
0 ,0 8
0 ,0 6
5
0 ,0 6
0 ,0 3
1 + 3 ■ 1 0 -4х
6
0 ,0 4
0 ,0 2
1 + 3 • 10-<х
д/ l +
1 ,5 • 10-<*
В р а б о т е Г и ф ф о р д а ( G iffo rd , 1976) п р и в о д я т с я а н а л о г и ч н ы е
данны е д л я условий города.
Специальная группа экспертов А м ериканского метеорологиче­
ского о б щ е с т в а з а н и м а л а с ь о б о б щ е н и е м и м е ю щ и х с я д а н н ы х о а у
и g z, а т а к ж е сх е м к л а с с и ф и к а ц и и у с т о й ч и в о с т и в ц е л я х их у н и ­
фикации; полученные вы воды п р ед став л ен ы в р аб о те Х анна и др.
( H a n n a et al., 1977). Н о в ы е д а н н ы е о п а р а м е т р а х д и с п е р с и и п р и ­
ведены в статьях Г и ф ф о р д а
( G if f o rd ,
1979),
Грининга и др.
( G r y n i n g e t al., 1978, 1980). Д л я у с л о в и й п е р е с е ч е н н о г о р е л ь е ф а
т а к и е д а н н ы е п о л у ч е н ы Х а н н а ( H a n n a , 198 0).
У стано в л ено , что в н е з а в и с и м о с т и от у с т о й ч и в о с т и а т м о с ф е р ы
горизонтальная дисперсия прим еси растет при м ерн о пропорцио­
н а л ьн о р а с с т о я н и ю от и с т о ч н и к а . О т м е ч е н о т а к ж е , что при у с т о й ­
чивом состоян ии а т м о с ф е р ы на н е к о т о р о м р а с с т о я н и и от и с т о ч ­
н и ка почти п р е к р а щ а е т с я р о с т в е р т и к а л ь н ы х р а з м е р о в ф а к е л а
примеси.
В ряде работ принимается
оу =
а 1х а \
oz =
b l * р|,
(2.51)
где »!, Pi и a i , b 1 — п о с т о я н н ы е , о п р е д е л я е м ы е э м п и р и ч е с к и м п у ­
тем ( W i p p e r m a n n , K l u g , 1960; R e u t e r , 1964; K lu g , 1969 и д р . ) .
С в о д к а эти х п а р а м е т р о в , с о с т а в л е н н а я Р е г л е н д о м ( R a g l a n d , 1976),
п р и в о д и тс я в т а б л . 2.5. О н и п о л у ч е н ы по д а н н ы м т р е х групп н а б ­
л ю д е н и й р а з л и ч н ы х а в т о р о в д л я р а с с т о я н и й от 1 д о 100 км н а д
о т к р ы т о й ровной м е с т н о с т ь ю с н е б о л ь ш о й ш е р о х о в а т о с т ь ю и о т н о ­
43
с я т с я к у с л о в и я м , х а р а к т е р и з у ю щ и м с я р а зн о й с т еп енью у с т о й ч и ­
вости. Э ти гр у п п ы р а с п р е д ел е н ы в за в и с и м о с т и от в ы соты и с т о ч ­
н и к а . В п е р в у ю из них вклю чены с л у чаи н а б л ю д е н и й в о к р у г в ы ­
с о к и х т р у б с в ы с о то й п р и м ер н о 200 м ( C a r p e n te r , 1979), во в т о ­
р у ю — в б л и з и т р у б высотой о коло 100 м (S m ith , 1973) и в т р е ­
т ь ю — в о к р у г н и з к и х тр уб с вы сотой при м ерн о 50 м (T u rn e r, 1970).
В р а б о т е Ф о г т а и др. ( F o g t et al., 1978) на ос н ов а н и и э к с п е р и ­
м енто в с т р а с с е р о м о пр ед ел ен ы з н а ч е н и я о у и a z в з а в и с и м о с т и
от х до р а с с т о я н и й 10 км д л я вы сот источника 50 и 100 м. О ни п о ­
л у ч и л и о т н о ш е н и я а у ( 1 0 0 ) /а у (50) и а 2( 1 0 0 ) /а 2 (50) д л я р а з н ы х
к л а с с о в у с т о й ч и в о с ти .
Т аблица 2.5
Значения параметров горизонтальной и вертикальной дисперсии
Н м
Состояние устойчивости
а|
а,
6.
Р.
200
Равновесное
С лабо устойчивое
Устойчивое
0 ,3 7
0 ,5 5
0 ,7 8
0 ,7 6
0 ,6 9
0 ,6 3
0 ,3 7
1 ,42
2 ,4 4
0 ,7 4
0 ,5 0
0 ,3 4
100
Сильно неустойчивое
Н еустойчивое
Р авновесное
Устойчивое
0 ,4 0
0 ,3 6
0 ,3 2
0 ,31
0,91
0 ,8 6
0 ,7 8
0,71
0 ,4 0
0 ,3 3
0 ,2 2
0 ,0 6
0 ,9 1
0 ,8 6
0 ,7 8
0 ,7 1
50
Сильно неустойчивое
Н еустойчивое
С лабо неустойчивое
Равновесное
С лабо устойчивое
Устойчивое
0 ,5 9
0 ,4 1
0 ,2 4
0 ,1 4
0 ,1 1
0 ,0 8
0 ,8 5
0 ,8 6
0 ,8 8
0 ,8 9
0 ,8 9
0 ,8 9
0 ,0 0
0 ,0 6
0 ,1 2
0 ,7 3
0 ,8 2
0 ,6 3
2 ,1 0
1 ,1 0
0 ,9 1
0 ,6 5
0 ,4 8
0 ,4 5
.
П р и м е р н о ан а л о г и ч н ы е р е з у л ь т а т ы получены и в с т ат ь е Д о ­
р а н а и др. ( D o r a n et al., 1978). Н а основани и э к с п е р и м е н т о в
с т р а с с е р а м и , в ы б р а с ы в а е м ы м и в ат м о с ф е р у на в ы с о та х 2, 26, 56
и 111 м при р а в н о в ес н о й и устойчивой с т р а т и ф и к а ц и и в п у с ты н н о й
м естн ости с ш ер о х о в а т о с т ью 3 см, получено, что о г у в е л и ч и в а е т с я
с ростом вы со ты источника. Р а з л и ч и я д л я н а зе м н о г о и вы сотн ого
источн ик а в о з р а с т а ю т с у силени ем устойчивости. В о тно ш ен ии о у
получены м е н е е опре д е л ен н ы е р е зу л ь т а т ы . У становл ено, что г о р и ­
з о н т а л ь н а я д и с п е р с и я о п р е д е л я е т с я в основном ф л у к т у а ц и я м и н а ­
п р а в л е н и я в е т р а и в м еньш ей степени высотой источиика.
И з с о п о с т а в л е н и я д а н н ы х таб л . 2.5 м о ж н о за к л ю ч и т ь , что по
х а р а к т е р у з а в и с и м о с т и п а р а м е т р о в дисперсии от вы соты и сто ч ­
н и ка д а н н ы е р а з л и ч н ы х эк сп ер и м ен то в не всегда с о г л а с у ю т с я
м е ж д у собой. В частности, это отно сится к т а к о м у в а ж н о м у в о ­
просу, к а к р о с т или у б ы в а н и е п а р а м е т р о в д и сп ер си и с вы сотой
и с точн и к а. В о д н о м случае о т м е ч а е т с я их рост, в д р у го м — у б ы ­
в ан и е. П о н я т н о , что д л я п р ак ти ческого и сп о л ьз о в ан и я п о л у ч е н н ы х
44
результатов требуется д ал ь н ей ш ее р азви ти е у к а за н н ы х исследо­
ваний.
П э с к в и л л ( P a s q u i l l , 1971) и р я д д р у г и х а в т о р о в и с с л е д о в а л и
за в и с и м о с т ь к о н ц е н т р а ц и и q с о г л а с н о (2.50) от о т н о ш ен и я о 2/ о у .
В р е з у л ь т а т е у с т а н о в л е н о , что н а и б о л ь ш е е з н а ч е н и е q д о с т и г а е т с я ,
когд а o j o y н е з а в и с и т о т р а с с т о я н и я , т. е. п р и Pi = а ь
2.8.
Н ачальны й подъем
примеси
В ы б р осы , п о с т у п а ю щ и е из д ы м о в ы х и в е н т и л я ц и о н н ы х труб
и отверстий , о б ы ч н о о б л а д а ю т н а ч а л ь н о й с к о р о с т ь ю п о д ъ е м а и ч а ­
сто п е р е г р е т ы о т н о с и т е л ь н о о к р у ж а ю щ е г о в о з д у х а . П р е д п р и н и м а ­
лос ь м ного п о п ы т о к с х е м а т и з а ц и и и с с л е д у е м о г о п р о ц есс а . В осно в­
ном о н а б ы л а с в я з а н а с те м , что и н о г д а н а б л ю д а е т с я з а м е т н ы й
п одъем д ы м о в о г о ф а к е л а н е п о с р е д с т в е н н о н а д т р у б о й . П р и с л а б о м
ветр е от ч е т л и в о ви д н о , что д ы м с н а ч а л а р а с п р о с т р а н я е т с я почти
вертикально вверх и только на некотором уровне начинает р ас­
п р о с т р а н я т ь с я г о р и з о н т а л ь н о . С о з д а е т с я в п е ч а т л е н и е , что источ­
ник примеси к а к б у д т о п р и п о д н я т н а д т р у б о й . П о э т о м у п р е д л а г а ­
лось учиты вать н ачальн ы й подъем примеси А Н и р ассм атри вать
в м есто р е а л ь н о г о и с т о ч н и к а на в ы с о т е Н н е к о т о р ы й у с л о в н ы й ис­
точник, р а с п о л о ж е н н ы й н а б о л е е в ы с о к о м у р о в н е ( Н е = ' Н - \ - А Н ) ,
обы чно н а з ы в а е м о м э ф ф е к т и в н о й в ы с о то й . Т а к и м о б р а з о м , з а д а ч а
с в оди тс я к о п р е д е л е н и ю А Н в з а в и с и м о с т и от с к о р о с т и в е т р а , пе­
регрева примеси и д руги х ф акторов.
П р о с т е й ш и е о ц е н к и А Н о с н о в а н ы на и с п о л ь з о в а н и и н е к о т о р ы х
р е з у л ь т а т о в т е о р и и р а с п р о с т р а н е н и я с т р у и в н е п о д в и ж н о й среде
и нахож дении эм пирических связей А Н с у казан н ы м и факторами.
П о л а г а е т с я , что н а ч а л ь н ы й у ч а с т о к ф а к е л а н а д т р у б о й м о ж н о р а с ­
с м а т р и в а т ь к а к р а с п р о с т р а н я ю щ у ю с я в в е р х стр ую , в к о т о р о й по­
степенно с в ы с о т о й з а счет р а с ш и р е н и я с т р у и з а т у х а е т ско р о с т ь
д в и ж е н и я w . В е л и ч и н а А Н н а х о д и т с я к а к у р о в е н ь z (о тсч итанн ы й
от источн ик а в в е р х ) , на к о т о р о м з н а ч е н и е в е р т и к а л ь н о й с к о р о с т и w
м а л о по с р а в н е н и ю со с к о р о с т ь ю в е т р а и и п е р е н о с при м еси при­
мерно г о р и з о н т а л ь н ы й , т. е. w ( z ) ^ e u ( e < C l ) . П о л а г а я в этом
соотнош ен ии z = A H , м о ж н о н а й т и з а в и с и м о с т ь А Н от и ( Б е р ­
ля н д , 1975).
В первых ф о р м у лах д л я определен и я А Н учиты вались только
д и н а м и ч е с к и е ф а к т о р ы , п о л а г а я , что т е м п е р а т у р а струи и о к р у ­
ж а ю щ е й с р е д ы п р и м е р н о о д и н а к о в ы . Д л я э т и х с л у ч а е в w ~ w 0z - 1,
где w q — н а ч а л ь н а я с к о р о с т ь у н о с а п р и м ес и , и получено, что
где R 0 — р а д и у с т р у б ы , а а — п о с т о я н н а я . С о г л а с н о А н д р е е в у (1 9 5 2 ) ,
а = 3,58, по э к с п е р и м е н т а л ь н ы м д а н н ы м Р а п п а
(М е т е о р о л о г и я
и а т о м н а я э н е р г и я , 1971) а = 3,0.
45
В р а б о т а х З е л ь д о в и ч а , Ш м и д т а и др. и с с л е д о в а л с я т о л ь к о
т е п л о в о й п о д ъ е м от т о ч е ч н о г о источн ика без у ч ет а д и н а м и ч е с к и х
ф а к т о р о в . В ни х н а й д е н о , что w
О т с ю д а следует, что
А Н
~
и ~ 3.
Д л я о п р е д е л е н и я э ф ф е к т и в н о й вы соты ш и р око и с п о л ь з о в а л и с ь
ф о т о г р а ф и и д ы м о в о г о ф а к е л а в естественны х и л а б о р а т о р н ы х у с ­
л о в и я х . Н а э т о й о сн ов е у с т а н а в л и в а л и с ь к о р р е л я ц и о н н ы е с в я з и ее
с п а р а м е т р а м и и с т о ч н и к а и с кор остью ветра.
И з в е с т н о б о л ь ш о е ч исл о р а з л и ч н ы х ф ор м у л д л я о п р е д е л е н и я
Л Я . С р е д и них, н а п р и м е р , ф о р м у л а Х о л л а н д а
Л Я = 3 , 0 - ^ - + 4 - Ю- 5 ~ - ,
(2.52)
гд е Л Я и R 0 в ы р а ж е н ы в м е т р а х , и и w 0 — в м/с, Q T— т е п л о в а я
м о щ н о с т ь и с т о ч н и к а — в к а л /с , а т а к ж е ф о р м у л а Л у к а с а и др.
Ql'<
A N
=
a t
—^
,
(2.53)
где a i — п о с т о я н н а я .
В п о с л е д н и е годы
ш ирокое распространение
получил р я д
ф о р м у л Б р и г г с а ( B r i g g s , 1969). С о гл а сн о одной из них (при н а ­
ли ч и и и н в е р си и т е м п е р а т у р ы в а т м о с ф е р е )
А Я = 2,6
где
ciF T = —^ ~ w q R ^ A T ,
' а
а
А Т
(2.54)
— п ерегрев примеси.
О т м е ч е н н ы е р е з у л ь т а т ы тео ретич еско го и эм п и р и ч е ск ого о п р е ­
д е л е н и я А Н , строго г о в о р я , я в л я ю т с я н е д остаточн ы м и и з-за п р и н ­
ц и п и а л ь н ы х т р у д н о ст е й в ы б о р а кри тери ев д л я у с т а н о в л е н и я А Н .
Н а п р и м е р , если п р и н я т ь , что А Н с о в п а д а е т с уровнем , где w м а л о
по с р а в н е н и ю с w 0 или с и, т о в обоих с л у ч а я х вы бор п р е д е л ь н ы х
з н а ч е н и й д л я w / w Q и w t u я в л я е т с я условны м , и чем м е н ьш е это
зн а ч е н и е , т ем б о л ь ш е А Н .
Н е в се г д а и м е ю тс я и д о с т а т о ч н о точные о п р е д е л ен и я с а м о г о
п о н я т и я « э ф ф е к т и в н а я в ы с о та » . Н а п р и м е р , в нек о то р ы х р а б о т а х
з а э ф ф е к т и в н у ю в ы с о ту п р и н и м а е т с я н а и б о л ьш и й по д ъ ем ф а к е л а ,
в д р у ги х — п о д ъ е м н а д точк о й, где п р и зе м н а я к о н ц е н т р а ц и я д о ­
с т и г а е т м а к с и м а л ь н о г о зн а ч е н и я , и т. п.
К р о м е того, не в с е г д а о б о сн о в а н а за м е н а р е а л ь н о й к а р т и н ы
п о д ъ е м а п р и м ес и н е к о т о р ы м усл овны м увеличением вы соты т о ­
чечного и ст о ч н и к а н еп о ср е д с тв е н н о над трубой. И з н а б л ю д е н и й
сл еду ет, что н е р е д к о до б о л ь ш и х р ассто ян и й происходит п о ст е п е н ­
ный п о д ъ е м д ы м о в о г о ф а к е л а . П о это м у у к а з а н н а я з а м е н а м о ж е т
при вести к и с к а ж е н и ю п о л я к о н центраци и примеси, особен но на
с р а в н и т е л ь н о б л и зк и х р а с с т о я н и я х от источника. В д ан н о й с в я зи
46
с л е д у е т п р и н и м а т ь в о в н и м а н и е , что в о к р у г и с т о ч н и к а в ы б р о са
с о зд а е т с я п о л е в е р т и к а л ь н ы х с к о р о с т е й , з а т у х а ю щ и х с у д а л е н и е м
от него и с п о с о б с т в у ю щ и х п о д ъ е м у при м еси вверх. Э то поле скоростей о п р е д е л я е т с я на о с н о в е численного р е ш е н и я системы
уравнений д в и ж е н и я и притока тепла, описываю щих р аспростра­
нение с т р у и в с н о с я щ е м п о т о к е ( Б е р л я н д и др., 1965; Б е р л я н д ,
1975)
дт
~дх~
д&
дх
дт
д у. дт
дг
dz
2 dz
д {Ъ + Та) _
д
w
1
дг
дг
w
.
г
k v - д^ у -2 4 i -K
дг
Та
■
0.
1 п,у д у 2
З д е с ь Ф — о т к л о н е н и е т е м п е р а т у р ы от т е м п е р а ту р ы
(2.55)
(2.56)
Т а.
н°м
Рис. 2.9. П олож ен ие оси факела Н° на разных
расстояниях от источника х.
.
2
Кривая
АГ-С
50
3
150
В к а ч е с т в е г р а н и ч н ы х у с л о ви й исп о льзу ет с я н ал и ч и е источника
г а зо в ы х в ы б р о с о в с н е к о т о р о й н а ч а л ь н о й скоростью и о тно с и т е л ь­
ным п е р е г р е в о м , а т а к ж е о б р а щ е н и е w и Ф в нуль на п о д с т и л а ю ­
щ ей п о в е р х н о с т и и н а б ес к о н е ч н о м у д а л е н и и от источн ика.
П р е д л о ж е н н а я п о с т а н о в к а з а д а ч и состоит в совм естн ом р е ш е ­
нии (2.55) и (2.56) и у р а в н е н и я т у р б у л е н т н о й д и ф ф у зи и примеси
(2.2). И з (2.55) и (2.56) в р е з у л ь т а т е численного и н те г р и р о в а н и я
с п ом о щ ью Э В М о п р е д е л я е т с я п о л е в е р т и к а л ь н ы х скоростей w ,
п о сл е чего их з н а ч е н и я п о д с т а в л я ю т с я в у р а в н е н и е д л я опреде­
л е н и я к о н ц е н т р а ц и й прим еси. Т а к а я п о с т а н о в к а з а д а ч и принци­
п и альн о о т л и ч а е т с я от з а д а ч , в к о т о р ы х ввод ится н е о п р е д е л е н н а я
в е л и ч и н а — э ф ф е к т и в н а я вы со та источника.
Н а рис. 2.9 п р е д с т а в л е н ы п о л у ч е н н ы е в р е зу л ь т а т е р а с ч е т а в ы ­
соты оси с т р у и Н ° при р а з л и ч н ы х п е р е гр е ва х ДГ. И з р и су н к а с л е ­
дует, что п о д ъ е м ф а к е л а о т м е ч а е т с я до рас с то я н и й в несколько
к и л о м ет р о в . П о э т о м у п о н ят и е э ф ф е к т и в н о й высоты к а к некоторого
н а ч а л ь н о г о п о д ъ е м а я в л я е т с я в е с ь м а н еоп ред ел енны м . Вместе
с тем м о ж н о у с л о в н о в в ес ти н а ч а л ь н ы й подъем из с р а в н е н и я н а ­
зем ны х к о н ц е н т р а ц и й , р а с с ч и т а н н ы х д л я источника с ф и к с и р о в а н ­
ной вы сотой в ы б р о с а и п о л у ч е н н ы х по полной схеме. С учетом
п р о в е д е н н ы х и с с л е д о в а н и й в р а б о т е Б е р л я н д а и др. (19646) б ы ла
п р е д л о ж е н а п р и б л и ж е н н а я ф о р м у л а д л я о п ред ел ен и я н а ч а ль н о го
подъема:
3,75аУо/?о I 1,6gV 1АТ
АЯ =
7>3
(2.57)
47
Здесь
и
V\ —
я /? 20Шо — о б ъ е м
уходящ их
га зо в в ед и н и ц у
вр е м е н и ,
— с к о р о с т ь в е т р а на в ы с оте ф л ю г ер а ( 2 ф = 10 м ).
2.9.
с
А номальное
распределение
скорост и ветра
высотой
В о т д е л ь н ы х с л у ч а я х , котор ы е р а с с м а т р и в а ю т с я к а к а н о м а л и и ,
о т м е ч а е т с я су щ е с т в е н н о е отли чи е о т у к а за н н о г о л о г а р и ф м и ч е с к о г о
р о с т а с к о р о с т и в е т р а с вы сотой (2.8) в н и ж н ем слое а т м о с ф е р ы
т о л щ и н о й в не ск о л ьк о сот м етров. Т а к , нап р и м е р , ветер м о ж е т
н а б л ю д а т ь с я т о л ь к о в ы ш е нек о тор ого уровня, а н и ж е д о с а м о й
Zм
г 6)
1
1
3
4 - 5
6
200
100
LL
0
510
L
u 2 j Cl I /i I /11
510
510
510
Рис. 2.10. Зависимость концентрации s от расстояния до источника х
различных профилях скорости ветра и (б).
I'— 6 —
gj
5 10 и м/с
(а) при
профили ветра.
з е м л и — ш ти ль . Э то хо р о ш о за м е т н о при н а б л ю д е н и я х за о ч е р т а ­
ни ем д ы м о в о г о ф а к е л а из труб. Д ы м с н а ч а л а из-за от с у тс т в и я
в е т р а п о д ы м а е т с я в е р т и к а л ь н о вверх, а за т е м на о пр е д е л ен н о й
вы с о те п р и н и м а е т почти го р и зо н т а л ь н о е по л о ж ен ие. В д р у ги х с л у ­
ч а я х на в ы с о т а х 100— 200 м, а иногда и выше, особенно на г р а н и ­
ц а х т е м п е р а т у р н о й ин верси и н а б л ю д а е т с я отчетливы й м а к с и м у м
ско р о ст и (см. п. 5.5).
В р а б о т а х Б е р л я н д а и др. (1964а, б) при ведены р е з у л ь т а т ы
чи сл ен н ого и н т е г р и р о в а н и я у р а в н е н и я (2.2) при р а з л и ч н ы х п р о ф и ­
л я х , су щ е с т в е н н о о т л и ч а ю щ и х с я от л о га р и ф м и че ск ого. П р и этом
у ч и т ы в а л с я т о ль ко х а р а к т е р зависи м ости и от г .
Н а рис. 2.10 к р и в ы м и 5 — 6 п р е д с та в л е н ы р е з у л ь т а т ы р а с ч е т а
ве л и ч и н ы 5 (см. 2.26), п р о п орц и о н а льн о й назем ной к о н ц е н т р а ц и и
п р и м ес и q о т источника в ы сотой 120 м д л я сл учаев р езкого у с и л е ­
н и я в е т р а в о т д е л ь н ы х с л о я х в о зд у ха. Во всех с л у ч а я х у с и л е н и е
в е т р а в к а к о м -л и б о слое п ри в оди т к ум еньш ению q , при чем ум ень48
ш ен ие т ем б о л ь ш е , ч ем н и ж е р а с п о л о ж е н т а к о й слой. О д н а к о в целом у в е л и ч е н и е с к о р о с т и в е т р а в д в о е в с л о е т о л щ и н о й 30 м не
оказы вает больш ого влияния.
С у щ е с т в е н н о б о л ь ш и е э ф ф е к т ы п р о я в л я ю т с я при н а л и ч и и ш т и ­
л евы х слоев. Э то в и д н о из р ис. 2.10, н а к о т о р о м к р и в ы м и 2 — 4
представлены аналогичны е р асп р ед ел ен и я д л я соответствую щ их
п р о ф и л е й с к о р о с т и в е т р а . И з рис. 2.10 с л е д у е т , что, к о г д а ш т и л е ­
вой слой р а с п о л о ж е н у з е м н о й п о в е р х н о с т и , к о н ц е н т р а ц и я зд е с ь
з н а ч и т е л ь н о б о л ь ш е , чем п ри о б ы ч н о м и з м е н е н и и в е т р а по л о г а ­
р и ф м и ч е с к о м у з а к о н у . А н а л и з п о к а з ы в а е т , ч то у ч ет эт о г о с л о я д л я
д о ст а т о ч н о в ы с о к и х и с т о ч н и к о в п р и б л и ж е н н о э к в и в а л е н т е н с н и ­
ж е н и ю вы с о ты и с т о ч н и к а н а в е л и ч и н у , р а в н у ю т о л щ и н е ш т и л е в о г о
слоя.
2.10. Д иф ф узи я прим еси при штиле
В с л у ч а е к о г д а и с т о ч н и к р а с п о л о ж е н в н у т р и ш т и л е в о г о сл о я ,
з а д а ч а о с л о ж н я е т с я . Д е й с т в и т е л ь н о , из п р и в е д е н н ы х в ы ш е ф о р ­
мул, п о л у ч е н н ы х к а к в р е з у л ь т а т е и н т е г р и р о в а н и я у р а в н е н и я д и ф ­
фузии, т а к и и с п о л ь з о в а н и я г а у с с о в ы х ф о р м у л , с л е д у е т , что при
и = 0 и ф и к с и р о в а н н о й вы с о те и с т о ч н и к а к о н ц е н т р а ц и я н е о г р а н и ­
ченно в о з р а с т а е т . Э то с о з д а е т п р и н ц и п и а л ь н ы е т р у д н о ст и в о ц е н к е
д о п у с ти м ы х в ы б р о с о в и н е о б х о д и м о г о с н и ж е н и я в ы б р о с о в при
прогнозе ш т и л е в ы х у с л о в и й . В с а м о м д е л е , е с л и при и = 0 л ю б о й
в ы б р о с п р и м ес и с в я з а н с н е о г р а н и ч е н н ы м р ос т о м к о н ц е н т р а ц и и
ее, то е д и н с т в е н н а я в о з м о ж н о с т ь со с то и т в п о л н о м п р е к р а щ е н и и
в ы б ро сов н а п е р и о д ш т и л я . Д а н н ы й в ы в о д я в л я е т с я с л е д с т в и е м
н еучета в ис х о д н о м у р а в н е н и и (2.2) т у р б у л е н т н о й д и ф ф у з и и по
направлению х .
П опы тки устранить указан н ы й недостаток в гауссовых ф орм у­
л а х т а к ж е д е л а л и с ь в р а б о т а х Ф о р т а к а ( F o r t a k , 1961), Н е с т е р а
( N e s te r , 1967) и д р .
Б ер л ян д и К уренбин (1969) р а зв и л и теорию распространения
прим еси п ри ш т и л е . И х р е з у л ь т а т ы я в л я ю т с я н е п о ср е д с т в е н н ы м
дополнением к приведенны м ф о р м у л ам , полученны м в р езу л ь тате
интегрирования атм осф ерной д и ф ф у зи и при наличии ветра. И с ­
ходное у р а в н е н и е в д а н н о й т е о р и и о т л и ч а е т с я от у р а в н е н и я (2.2)
д ,
да
_
тем, что в нем п о л о ж е н о и = 0, но д о б а в л е н ч л е н - — k x -— - . Д л я
дх
дх
того, чтоб ы р е ш е н и е его я в л я л о с ь п р е д е л ь н ы м в ы р а ж е н и е м р е ш е ­
ния у р а в н е н и я (2 .2 ), при « - > 0 и с п о л ь з у ю т с я з а в и с и м о с т и к о м п о ­
нент к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а от с к о р о с т и в е т р а при м а л ы х , но не
р а в н ы х пул ю з н а ч е н и я х и . П о э т о м у п р и н и м а е т с я , что
kz =
k xq x { z ) ,
u =
u lq 2 ( z ) ,
k y =
k 0u ,
где cpi(z) и ф 2 ( г ) — н е к о т о р ы е ф у н к ц и и в ы с о ты .
К р о м е того, п р о и з в о д и т с я о с р е д н е н и е q с уч етом к о л е б а н и й
н а п р а в л е н и я в е т р а во в р е м е н и , к а к э т о с д е л а н о в п. 2.6, что п о з в о ­
4
Зак аз № 30
49
л я е т п р и н я т ь , с о г л а с н о (2 .4 8 ), в м е с т о
величину
k0
х у 20 .
Д р у гая го­
р и зо н та л ь н ая ком понента коэфф ициента обмена k x полагается
р а в н о й k v , что с п р а в е д л и в о в силу г о р и з о н т а л ь н о й и зотро п н о сти
т у р б у л е н т н о г о о б м е н а п ри о т с у тст в и и в е т р а .
П р и н а л и ч и и п р и з е м н о й ин версии т е м п е р а т у р ы с у м е н ь ш е н и е м
с к о р о с т и в е т р а до ш т и л я з а т у х а е т и т у р б у л е н т н ы й обмен. В этом
с л у ч а е р а с с е я н и е п р и м е с и с ил ьно о с л а б е в а е т . О сно вн ой и н тер ес
п о э то м у п р е д с т а в л я ю т у с л о в и я д и ф ф у з и и при отсу тствии с р е д н е го
в е т р а и р а з в и т о м т у р б у л е н т н о м обмене.
Д л я э т и х у с л о в и й , к о т о р ы е с о о т в ет с т в у ю т с л у ч а ю кон векц и и ,
к * и k y , т а к ж е к а к k z , п р и н и м а ю т о т л и ч н ы е от н у л я
значения.
П о э т о м у и з с о о б р а ж е н и й р а з м е р н о с т и п о л а г а е т с я , что с у б ы в а ­
н и е м с к о р о с т и в е т р а с о х р а н я е т с я з н а ч е н и е вел и ч и н ы р2 = ф2 «i.
С л е д о в а т е л ь н о , при м а л ы х с к о р о с т я х в е т р а фо = Р / У и ь о т к у д а
f i 2x ф 2 ( г ) . И з в е с т н о т а к ж е , что при к о н в е к т и в н о м р е ж и м е не
з а в и с и т от с ко р о с т и в е т р а и k \ . П о э т о м у при м а л ы х с к о р о с т я х
в е т р а k \ ! u \ = а. / u \ , где а ' — п о с т о я н н ая .
Т о г д а и с х о д н о е у р а в н е н и е з а п и с ы в а е т с я в ц и л и н д р и ч е с к о й си ­
ст е м е к о о р д и н а т
ky =
-Е - к ^
где
+
^
ь^
гк' ^ г + - ё г
г - я ) = 0’
<2-58>
(г) и
= р 2/”ф2 ( z ) .
В к а ч е с т в е г р а н и ч н ы х ус л о в и й п р и н и м а е т с я , к а к обычно,
kz=
k\y\
k z
при 2 = 0, <7 — 0
-= 0
kr -^ r =
0
при
при r 2 - f г 2 = 0,
г —
0.
(2.59)
П о с л е д н е е у с л о в и е с л е д у е т из с и м м е т р и и г о р и зо н т а л ь н о г о п о л я
концентраций.
В с л у ч а е к о г д а ( к а к и в п. 2.5.1) k z и и о п р е д е л е н ы из (2.1 6),
т. е. п р и ф 1 ( г ) = г и ф г ( 2 ) = 2 п (п ри че м n « 0 , l - f - 0 , 2 ) , н а з е м н а я
к о н ц е н т р а ц и я о п р е д е л я е т с я по ф о р м у л е
[
a2H l + n
---------=ПГ"I2 *
(1 + rt)2 fe,
+Г]
М а к с и м у м н а з е м н о й к о н ц е н т р а ц и и q o д о с т и г а е т с я при
н е п о ср е д с т в е н н о под ис т о ч н и к о м . И з (2 .60 ) п о л у ч а ем
а
—
4m
^
^
2 п р +
(2-60)
^
г —
0, т. е.
(2
‘
(
6П
'
Н а о снове ф о р м у л (2.61) д л я q m при ш т и л е и (2.42) д л я q m при
Б е р л я н д и К у р е н б и н (1969) п р е д л о ж и л и и н т е р п о л я ц и о н ­
ную ф о р м у л у
иФ О
л
Ят
50
_
0 .2 1 6 Ш , ( 1 + « ) 3
(1 ,3 6 3 4 + Ф0 ^ ) / / 2 ( 1 + л ) ’
,псоч
[
}
которая пригодна д л я расчета м акси м ал ьн о й
при н а л и ч и и , т а к и п ри о т с у т с т в и и в е т р а .
2.11.
концентрации к ак
П риподнят ая инверсия температуры
В отдельны х ан о м ал ьн ы х с л у ч ая х отм ечаю тся сущ ественны е
о т к л о н е н и я в р а с п р е д е л е н и и к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а с в ы с о то й от
в е р т и к а л ь н о г о п р о ф и л я , о п р е д е л я е м о г о ф о р м у л о й (2.8 ). Э т и о т ­
к л о н ен и я в з н а ч и т е л ь н о й с т е п е н и о б у с л о в л е н ы н а л и ч и е м п р и п о д ­
нятой и н в е р с и и т е м п е р а т у р ы , а о т ч а с т и — о т к л о н е н и я м и в в е р т и ­
к а л ь н о м п р о ф и л е с к о р о с т и в е т р а от л о г а р и ф м и ч е с к о г о
(см.
п. 2.9).
И з наблю дений, в частности, за п у л ьсац и ям и ветра следует,
что в и н в е р с и о н н ы х с л о я х р е з к о о с л а б л я е т с я т у р б у л е н т н ы й о б м е н
(В ор онц о в, 1960, и д р . ) - В с л у ч а я х с у с т о й ч и в о й с т р а т и ф и к а ц и е й
при д о с т а т о ч н о б о л ь ш и х и н в е р с и о н н ы х г р а д и е н т а х т е м п е р а т у р ы
неред ко о т м е ч а е т с я п оч ти п о л н о е и с ч е з н о в е н и е в ы с о к о ч а с т о т н ы х
кол е б а н и й . З а п и с и а к с е л е р о г р а ф а н а с а м о л е т е в э т и х с л у ч а я х
представляю т собой прям ую линию с р едким и длиннопериодны м и
в о зм у щ е н и я м и , о б у с л о в л е н н ы м и м е з о м а с ш т а б н о й т у р б у л е н т н о с т ь ю .
Теоретические и ссл едо ван и я зав и си м о сти коэф ф иц иента обмена
от г р а д и е н т а т е м п е р а т у р ы d T J d z в о с н о в н о м о т н о с я т с я к с л у ч а я м
м онотонного и з м е н е н и я т е м п е р а т у р ы в п о г р а н и ч н о м сл о е в о з д у х а .
Н а основании этих исследован и й
можно т ак ж е сделать вывод
о значительном ослаблении турбулентности и в случае располо­
ж е н и я и н в е р си и н а д п р и з е м н ы м с л о е м ( z > h ) . В э т о м с л у ч а е д л я
вы со т z > h н е л ь з я п р и н и м а т ь в е л и ч и н у k z п ос т о я н н о й , к а к п о л а ­
г ал о сь д л я н о р м а л ь н ы х у с л о в и й , а с л е д у е т у ч е с т ь з а в и с и м о с т ь k z
от г р а д и е н т а т е м п е р а т у р ы . П р и б л и ж е н н о э т у з а в и с и м о с т ь м о ж н о
оп ре д е л и ть, и с п о л ь з у я д л я с л о я z > h ф о р м у л у т и п а
k 2 = k z p (l
где
k zV
- R i / R i Kp)ai,
— значение коэф ф ициента
— число
kz
при
Ричардсона,
(2.63)
равновесных
условиях,
© — потенциальная
тем -
п е р а т у р а . Э т а ф о р м у л а с л е д у е т из р я д а р а б о т , в т о м ч исле в ы п о л ­
ненны х М. И . Б у д ы к о , А. С. М о н и н ы м и А. М . О б у х о в ы м и др.
П о д о б н ы е ф о р м у л ы р а з н ы х а в т о р о в р а з л и ч а ю т с я в о сн о в н о м з н а ­
чен иям и п о к а з а т е л я ст еп е н и a i , к о т о р ы й о б ы ч н о не п р е в ы ш а е т
единицы , и к р и т и ч е с к о г о ч и с л а Р и ч а р д с о н а ( R iKp).
С о г л а с н о (2 .6 3 ), з а в и с и м о с т ь k z от г р а д и е н т а т е м п е р а т у р ы
d Q / d z является
асимметричной.
При
конвективны х условиях,
когд а d Q / d z < 0, д а ж е в э к с т р е м а л ь н ы х с л у ч а я х (1 Ri j » R i Kp) з н а ­
чение k z не п р е в ы ш а е т з н а ч е н и я
б о л е е ч е м н а 40 %. П р и устойд©
чивой с т р а т и ф и к а ц и и , к о г д а —
и Ri б л и з к о к R iKp, k x п р и ­
нимает весьм а м ал ы е значения
л ен тн о сть р е з к о о с л а б л я е т с я .
4*
и в
инверсионном
слое
турбу­
51
Б о л е е с т р о г а я м о д е л ь изм ен ен ий k z в с л о е п р и п о д н я то й ин в ерси и
п р е д л о ж е н а в р а б о т е Б е р л я н д а и Г ен и хо ви ча (1 9 7 3 ). И з нее с л е ­
д у е т д л я и н в е р си о н н о г о слоя
(2.64)
Здесь приближенно
U
где
V
ба^!
х/ %
] / Л*
(2.65)
«1 = 0,7, c i = 0 , 0 4 5 — п о стоя н н ы е у р а в н е н и я б а л а н с а энергии т у р б у ­
ле н т н о с т и , и н д е к со м i о б о значен ы в ел ич ины А * и k Zt о т н о с я щ и е с я
к н и ж н е й г р а н и ц е инверсии z*.
К а к в и д н о из (2.65), в еличина L i у б ы в а е т п р и у в ел и ч ен и и Ri
в слое и н в е р си и , хотя д а ж е при Ri = l зн а ч е н и е Ь-^ ф 0. П р и с р е д ­
ни х з н а ч е н и я х п а р а м е т р о в в (2.65) з н а ч е н и е L t = 1 0 0 --1 5 0 м.
Т а к и м о б р а з о м , при нал ич ии п р и п о д н я ты х с л ое в инверсии с о ­
з д а е т с я с л о ж н ы й п р о ф и л ь изм ен ен ия к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а с в ы ­
сотой.
Р е ш е н и е з а д а ч и о р а с п р о с т р а н е н и и примеси при н ал и ч и и п р и ­
п о д н я т ы х ин в е р си й в ы п о л н я е т ся с пом ощ ью ч и с л ен н ы х м етодов.
В р а б о т а х Б е р л я н д а и др. (1964а) п р и в о д я т с я р е з у л ь т а т ы
р а с ч е т о в п р и зе м н о й к о н ц е н т р а ц и и д л я с л учаев р а с п о л о ж е н и я и н ­
в е р с и и на р а з н ы х у р о в н я х вы ш е п ри зем н ого сл оя ( z > h ) . Т р у д н о ­
сти ч и с л ен н о го р е ш е н и я за д а ч и , с в я з а н н ы е с р е зк и м о с л а б л е н и е м
о б м е н а в ин верси и, п р е о д о л е в аю т ся с пом ощ ью в в е д е н и я э ф ф е к ­
ти в н о г о к о э ф ф и ц и е н т а обм ен а, к а к это д е л а л о с ь д л я при зем но го
с л о я , г д е k z т а к ж е б ы стро и зм ен яе т с я с вы сотой. О к а з ы в а е т с я ,
что н а л и ч и е з а д е р ж и в а ю щ е г о слоя с ос л а б л ен н о й т у р б у л е н т н о с т ь ю
н а д од и н о ч н ы м источником приводит к у величению н азе м н о й к о н ­
ц е н т р а ц и и в 1,5— 2 р а з а , а иногда и б о л ьш е (см. гл. 3).
2.12.
В л и я н и е стратификации на н ачальны й п о д ъ ем
примеси
П р и н а л и ч и и п р и п о д н я ты х инверсий з а г р я зн е н и е в о зд у х а м о ­
ж е т бы ть зн а ч и т е л ь н о больш ее, чем у к а з а н о в п. 2.11. Д о п о л н и ­
т е л ь н о с л е д у е т учесть, что инверсии о к а з ы в а ю т в л и я н и е и на н а ­
ч а л ь н ы й п о д ъ е м А Н . О к а з ы в а е т с я , что при ин верси и з н а ч е н и е А Н
не м о ж е т н е о г р ан и ч е н н о у в е л и ч и ва ть ся с у м е н ьш е н и е м с к о р о с т и
в е т р а и , к а к это с л е д у е т из (2.57) д л я р а в н о в е с н ы х условий. П о ­
вы ш е н и е т е м п е р а т у р ы в о зд у х а с вы сотой п р и в о д и т к тому, что
в ы б р о сы из т р у б не м огут п о д н и м а т ьс я вы ш е о п р е д е л ен н о г о
52
ур о в н я — п о т о л к а (zn), к о т о р ы й с о г л а с н о Б е р л я н д у ( 1 9 6 6 ), п р и ­
б л и ж е н н о о п р е д е л я е т с я по с л е д у ю щ е й ф о р м у л е :
(2 .66)
Д л я м о щ н ы х т е п л о в ы х и с т о ч н и к о в , н а п р и м е р Т Э С , z n = 200-f-=-800 м. Д л я с р а в н и т е л ь н о х о л о д н ы х в ы б р о с о в из т р у б н е б о л ь ­
ш ого д и а м е т р а z n = 20-1-40 м.
2.13.
Тум аны
и смоги
К а н о м а л ь н ы м м е т е о р о л о г и ч е с к и м у с л о в и я м , при к о т о р ы х з н а ­
чительно в о з р а с т а е т о п а с н о с т ь з а г р я з н е н и я в о з д у х а , о т н о с я т с я
и т ум ан ы .
В л и я н и е т у м а н о в на с о д е р ж а н и е п р и м е с е й в в о зд у х е носит
сложный характер. П ри ту м ан ах нередко н аб л ю д аю тся специфи­
ческие у с л о в и я р а с п р е д е л е н и я м е т е о р о л о г и ч е с к и х ве л и ч и н , с п о с о б ­
ств ую щ ие ув е л и ч ен и ю к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с е й у зе м л и . П р и м е с и
частично п о г л о щ а ю т с я в о д я н ы м и к а п л я м и , п р и их р а с т в о р е н и и
иногда о б р а з у ю т с я н о в ы е б о л е е в р е д н ы е в е щ е с т в а . П р и п о в ы ш е н ­
ном с о д е р ж а н и и г и г р о с к о п и ч е с к и х ч а с т и ц с у щ е с т в е н н о у х у д ш а е т с я
видим ость, п о с к о л ь к у к о н д е н с а ц и я в л а г и н а ч и н а е т с я п р и о т н о с и ­
тельн ой в л а ж н о с т и в о з д у х а , м е н ь ш е й 1 0 0 % , а т а к ж е и з м е н я ю т с я
микрофизические х ар актер и сти ки т у м а н а (увели чи вается число к а ­
пель з а счет у м е н ь ш е н и я их р а з м е р о в ) . О с а ж д е н и е в л а г и на а э р о ­
з о л я х у в е л и ч и в а е т их р а з м е р ы и с к о р о с т ь г р а в и т а ц и о н н о г о с м е щ е ­
ния к зе м н о й поверх н ости. В с е в е р н ы х р а й о н а х при н и зк и х т е м п е ­
ратурах в результате
автомобильных
вы бросов
возмож но
образование та к назы ваем ы х л е д я н ы х тум анов.
Ввид у с л о ж н о с т и п р о т е к а ю щ и х п р о ц е сс о в п р и о б р е т а е т о с о б у ю
в а ж н о с т ь р а з в и т и е т е ор и и з а г р я з н е н и я а т м о с ф е р ы при т у м а н а х .
А тм осф ерная диф ф узи я при т у м ан е и сследуется на основе чис­
ленного и н т е г р и р о в а н и я
у р а в н е н и я (2 .2 ) с уч ет о м
последнего
ч лен а a q , к о т о р ы й х а р а к т е р и з у е т с т о к п р и м е с и в с л е д с т в и е п о г л о ­
щ ен и я ее к а п л я м и т у м а н а (в н е т у м а н а п р и н и м а е т с я а = 0 ) . Э т о т
член м о ж е т б ы ть в о б щ е м в и д е о п р е д е л е н из с о о т н о ш е н и я
оо
aq
=
J
о
Р (г) N
(г)
dr
(2.67)
где Р ( г ) — к о л и ч е с т в о п р и м е с и , п о г л о щ а е м о е к а п л я м и т у м а н а
д и у са г в е д и н и ц у вр е м ен и , a N ( r ) — ф у н к ц и я р а с п р е д е л е н и я
пель по р а з м е р а м .
С о г л а с н о Х р г и а н у и М а з и н у ( 1 9 6 2 ), N ( г ) = а г 2 ехр (— Ь г ),
а и Ь — пос тоя н н ы е . П о л а г а я , что г а з о в ы е п р и м е с и п о л н о с т ь ю
г л о щ а ю т с я на п о в е р х н о ст и к а п е л ь , п о л у ч и м , что
P( r) — 4nvqr, а = 0,6л^—^
ра­
ка­
где
п о­
(2.68)
53
г д е v — к о э ф ф и ц и е н т м о л е к у л я р н о й д и ф ф у зи и д л я возд у х а , р в =
= 1 г/см 3 — п л о т н о с т ь воды, Д — в о д н о с ть т у м а н а ,
г т — радиус
к а п е л ь , с о о т в е т с т в у ю щ и й м а к с и м у м у ф у нкц ии р а с п р е д е л е н и я .
С л е д о в а т е л ь н о , д л я к о л и ч е с т в е н н о й оценки в л и я н и я т у м а н а н е ­
о б х о д и м о з н а т ь р а д и у с к а п е л ь г т и водность Д, а т а к ж е р а с п р е ­
делен ие этих хар актер и сти к в пространстве. Следует учитывать
т а к ж е , что в т у м а н е о б ы чн о п р о и с х о д и т п е рестро й ка
профилей
т е м п е р а т у р ы и к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а . И з - з а н е д о с т а т к а д ан н ы х
н а б л ю д е н и й т а к и е х а р а к т е р и с т и к и и з у ч а л и с ь м ало. Д л я их о п р е д е ­
л е н и я б ы л а р а з в и т а т е о р и я о б р а з о в а н и я речны х т у м ан о в , к о т о ­
р ы е в о з н и к а ю т в основн ом в х о л о д н о е в р е м я года в р а й о н а х н е з а ­
м е р з а ю щ и х р е к и в о д оем ов , и н а и б о л е е часто в с т р е ч а ю щ и х с я р а ­
диационны х туманов.
2.13.1.
Речные и радиационные туманы. В р а б о т е Б е р л я н д а
и О н и к у л а (1 9 6 8 а ) т е о р и я р е ч н ы х т у м а н о в стро ится на о снов ани и
ч и с л ен н о го р е ш е н и я си стем ы у р а в н е н и й тепло- и в л а г о о б м е н а
в у с т а н о в и в ш е м с я потоке в о з д у х а , п е р е м е щ а ю щ е г о с я н а д р е ко й
и л и в о д о е м о м и н а д их б е р е г а м и . П р и этом х о л о д н ы й в озд у х, не
н а с ы щ е н н ы й в л а г о й , н а т е к а е т н а б о л е е теплую н е з а м е р з ш у ю по­
в е р х н о с т ь ре к и , п о с л е чего с м е щ а е т с я н а д пок р ы той снегом п о ­
верхностью подветренного берега.
П о л у ч е н н ы е х а р а к т е р и с т и к и р е чн ого т у м ан а и с п о л ь з о в а л и сь
д л я ч и с л ен н о го р е ш е н и я у р а в н е н и я т у рбул е н тн о й д и ф ф у зи и в с о ­
о т в е т с т в и и с и з л о ж е н н о й в ы ш е сх ем ой ( Б е р л я н д и др., 1 9 68а).
И з р а с ч е т о в с л ед у е т , что в т у м а н е к о н ц е н т р а ц и я при м еси р е з к о
у б ы в а е т з а счет ее п о г л о щ е н и я в к а п л я х .
В р а б о т е Б е р л я н д а и К а н ч а н а (1 973) а н ал о ги ч н ы м о б р а з о м
и с с л е д о в а л и с ь у с л о в и я р а с п р о с т р а н е н и я примеси в р а д и а ц и о н н о м
т у м ан е . В основ у ее п о л о ж е н о р е ш е н и е системы у р ав н е н и й т у р б у ­
л ен тн ого т еп л о - и в л а г о о б м е н а в а т м о с ф е р е и у р а в н е н и я т е п л о ­
пр о в о д н о с т и в почве с учетом н е с т а ц и о н а р н ы х изменений т е м п е ­
р а т у р ы и в л а ж н о с т и в о з д у х а н о ч ью в период р а д и а ц и о н н о г о
в ы х о л а ж и в а н и я . П о и зм ен ен и ю р а с п р е д е л е н и я т е м п е р а т у р ы с в ы с о ­
той и со в р е м е н е м о п р е д е л я л и с ь со от вет с т в у ю щ и е и зм е н ен и я к о ­
э ф ф и ц и е н т а о б м е н а , к о т о р ы е у ч и т ы в а л и с ь при и н те г р и р о в а н и и
у р а в н е н и я т у р б у л е н т н о й д и ф ф у зи и .
Согласно расчетам, в разви том радиационном тумане р а з р у ­
ш а ю т с я п р и з е м н ы е ин в ерси и и о б р а з у ю т с я п р и п о д н я ты е ин верси и
т е м п е р а т у р ы . Это в е д е т к у в е л и ч е н и ю н а зе м н ы х ко н ц е н т р а ц и й .
К р о м е того, п о с т у п а ю щ и е о т и с т о ч н и к а примеси почти полностью
п о г л о щ а ю т с я к а п л я м и . Н а п р и м е р , по д а н н ы м р а с ч е т а у ж е на р а с ­
ст о я н и и 0,5 км от ис т о ч н и к а в ы с о т о й 100 м пр а к ти ч ес к и к о н ц е н ­
т р а ц и я г а з о о б р а з н о й при м еси в в о з д у х е б л и зк а к нулю. К а к и д л я
р е ч н ы х т у м а н о в , т а к и д л я р а д и а ц и о н н ы х ту м ан ов получено, что
к о н ц е н т р а ц и я прим еси у б ы в а е т не т о л ь к о на всех у р о в н я х в с л о е
т у м а н а , но и в слое в о зд у х а , р а с п о л о ж е н н о м н а д тум ан о м .
С л е д о в а т е л ь н о , при о б р а з о в а н и и т у м ан а , в его к а п л я х к о н ­
ц е н т р и р у е т с я не т о л ь к о при м есь, к о т о р а я н а х о д и л а с ь в б л и зи п о д ­
с т и л а ю щ е й п о ве р х н о ст и в его о тсутствии, но т а к ж е и з н а ч и т е л ь ­
54
н а я ч ас т ь п р и м е с и из в ы ш е л е ж а щ и х ( н е р е д к о н а и б о л е е з а г р я з н е н ­
н ы х) слоев. Т а к и м о б р а з о м , к а п л и т у м а н а к а к бы а к к у м у л и р у ю т
пр и м ес ь из в е с ь м а п р о т я ж е н н о г о с л о я , что с у щ е с т в е н н о у в е л и ч и ­
вает сум м арное загр язн ен и е воздуха вбли зи
подстилаю щ ей по­
верхности.
В с в я зи с эт и м д л я с л о я т у м а н а у д о б н о и с п о л ь з о в а т ь п о н я т и е
полной к о н ц е н т р а ц и и <7п = <7+ <7т, гд е q T — к о н ц е н т р а ц и я п р и м е с и
в кап лях тум ан а, п ересч и тан н ая на единицу
объема
воздуха.
И з п о л у ч е н н ы х р е з у л ь т а т о в м о ж н о з а к л ю ч и т ь , что в т у м а н е п о л ­
н а я к о н ц е н т р а ц и я п р и м е с и в ы ш е той, к о т о р а я б ы л а бы з д е с ь при
отсутствии т у м а н а и п р о ч и х р а в н ы х у с л о в и я х . Н а д т у м а н о м , н а ­
оборот, п о л н а я
концентрация,
равная
концентрации
п р и м ес и
в воздухе, м е н ь ш е к о н ц е н т р а ц и и , к о т о р а я бы о т м е ч а л а с ь з д е с ь при
отсутствии т у м а н а .
2.13.2.
С м оги. В р е д н о е д е й с т в и е д ы м о в ы х и г а з о в ы х п р и м е с е й
при т у м а н а х о б н а р у ж и в а е т с я б о л е е остро, чем п р и д р у г и х п о г о д ­
ных у с л о в и я х ; н а л и ч и е п р и м е с е й в т у м а н а х д о п о л н и т е л ь н о у х у д ­
ш а е т в и д и м о с т ь. О т м е ч а е т с я и о б р а т н ы й э ф ф е к т , к о г д а н а л и ч и е
д ы м а с п о с о б с тв у е т к о н д е н с а ц и и а т м о с ф е р н о й в л а г и . Т а к и м о б р а ­
зом , в за и м н о у с и л и в а ю т с я д е й с т в и я д ы м о в и т у м а н о в . Д л я х а ­
рактеристики ды м отум анного состояния получил ш ирокое р асп р о ­
с т р а н е н и е с п е ц и а л ь н ы й т е р м и н « см ог» .
Д л я некоторы х примесей х а р а к т е р н ы и други е эф ф екты . Т ак,
сернисты й газ, р а с т в о р е н н ы й в к а п л я х т у м а н а , з н а ч и т е л ь н о б ы ­
стрее, чем в г а з о о б р а з н о м с о с т о я н и и , о к и с л я е т с я до с е р н о г о а н ­
ги д ри д а. Э то о б у с л о в л е н о тем , что о б ы ч н о в к а п л я х т у м а н а с о ­
держ атся
некоторые м икроэлементы , о б лад аю щ и е к атал и ти ч е­
ски м и с в о й с т в а м и ; в их п р и с у т с т в и и о к и с л е н и е п р о и с х о д и т б о л е е
интенсивно. В в и д у того, что с е р н ы й а н г и д р и д при в з а и м о д е й с т ­
вии с водой о б р а з у е т с ер н у ю к и с л о т у , м о ж н о д л я п р о с т о т ы г о в о ­
р и т ь о ч ас т и ч н о м о к и с л е н и и с е р н и с т о г о г а з а в а т м о с ф е р е до с е р ­
ной к и с л о т ы и о б р а з о в а н и и ее а э р о з о л я .
П р и о б р а з о в а н и и с ерн ой к и с л о т ы п р о и с х о д и т и о п р е д е л е н н о е
в о з р а с т а н и е в е с о во й к о н ц е н т р а ц и и в р е д н о й п р и м е с и . Т а к , н а п р и ­
мер, при о к и с л е н и и 1 г с е р н и с т о г о г а з а с о т н о с и т е л ь н о й м о л е к у ­
л я р н о й м ассо й 64 о б р а з у е т с я п р и м е р н о 1,5 г с ер н ой
кислоты
с о т н о с и т е л ьн ой м о л е к у л я р н о й м а с с о й 98.
П оявление в к а п л я х ту м ан а а эр о зо л я серной кислоты, о б л а ­
д а ю щ е й б о л ь ш е й т о к с и ч н о с т ь ю , ч ем S 0 2, х а р а к т е р н о д л я см о гов,
н а б л ю д а в ш и х с я в А н г л и и и р я д е д р у г и х с т р а н . Э ти см оги и н о гд а
назы ваю т сернокислотносульф атны м и.
Определенную роль в загр язн ен и и
приземного слоя воздуха
м о ж е т и г р а т ь о с е д а н и е к р у п н ы х к а п е л ь т у м а н а , п ри к о т о р о м р а с ­
т в о р е н н а я п р и м е с ь из в ы ш е л е ж а щ и х и ч ас т о оч ен ь з а г р я з н е н н ы х
слоев п е р е н о с и тс я к п о д с т и л а ю щ е й п о в е р х н о с т и . П р о и с х о д и т я в ­
л ение, н а п о м и н а ю щ е е к и с л о т н ы й д о ж д ь . О н о о т м е ч а л о с ь , н а п р и ­
мер, в Л о н д о н е , к о г д а п р и с и л ь н ы х т у м а н а х н а п о д с т и л а ю щ у ю п о ­
вер х н о с т ь в ы п а д а л а м о р о с ь, к а п л и к о т о р о й с о д е р ж а л и з а м е т н ы е
к о н ц е н т р а ц и и серн ой ки с л о т ы .
55
Н а и б о л ь ш у ю и з в е с т н о с т ь п р и о б р е л и см оги д ы м о т у м а н н о й при-*
р о д ы , п е р и о д и ч е с к и о б р а з о в ы в а ю щ и е с я в Л о н д о н е ; их часто н а з ы ­
в а ю т л о н д о н с к и м и или л о н д о н с к о г о т и п а . С о г л а сн о К а м у ф о (С а m u ffo , 19 80), э п и зо д ы с н а и б о л е е интен си вны м з а г р я з н е н и е м в о з ­
д у х а о т м е ч а л и с ь в п е р и о д ы зи м н и х т у м а н о в п р и с л а б о м в ет р е,
д у ю щ е м из и н д у с т р и а л ь н ы х район ов.
С м о г а м и н а з ы в а ю т и с л у ч а и зн а ч и т е л ь н о г о з а г р я з н е н и я в о з ­
д у х а , не с о п р о в о ж д а ю щ и е с я т у м а н а м и . Н е р е д к о п р и зе м н ы й слой
в о з д у х а ин тен си вн о з а г р я з н я е т с я р а з л и ч н ы м и г а з а м и , особен но
вы хлопны ми газам и автомаш ин, которые в результате фотохими­
ческих пр оц ессо в п о д в л и я н и е м солнечной р а д и а ц и и п р е в р а щ а ю т с я
в а э р о з о л и , т а к ж е в о п р е д е л е н н о й степ ени с н и ж а ю щ и е ви д и м о ст ь.
В п е р в ы е т а к о е я в л е н и е о б н а р у ж и л о с ь в 30-е годы XX в е к а в Л о с А н д ж е л е с е . П о э т о м у д а н н ы й тип с м ога пр и обр ел ещ е н а з в а н и е
л о с - а н д ж е л е с с к о г о или ф ото хи м ическ ого. Д л я
него х а р а к т е р н о
о б р а з о в а н и е зн а ч и т е л ь н о й к о н ц е н т р а ц и и токсичны х
ок си д а н т о в ,
ос об е н н о о зо н а.
А н а л и з п о к а з а л , что о зо н неп осредственно не с о д е р ж и т с я в в ы ­
бросах в атмосферу. Он образуется в результате преобразования
д р у г и х газов . О сновной причиной этого я в л я ю т с я ф ото х и м и ч е с к и е
р е а к ц и и , в р е з у л ь т а т е к о т о р ы х , к а к б ы л о отмечено, ин тен си вно
о б р а з у ю т с я и а э р о зо л и . У с т а н о в л е н о , ч то в процессе ф о т о х и м и ч е ­
ски х р е а к ц и й п о я в л я ю т с я и д р у ги е в е щ е с т в а со зн а ч и т е л ь н о б о л ь ­
ш ей т о кси ч н остью , чем при м еси , с о д е р ж а щ и е с я в вы б р о са х , п о­
с т у п а ю щ и х в в о зд у ш н ы й б ас се й н городов.
В ы д е л я ю т н е с к о льк о основн ы х групп ф отохи м ических р е а к ц и й
при смоге, в к о т о р ы х г л а в н ы м и исходны м и п р о д у к т а м и я в л я ю т с я
о к и с л ы а з о т а , с в о б о д н ы е р а д и к а л ы , о б р а з у ю щ и е с я из у г л е в о д о ­
ро д о в и д р у г и х о р г а н и ч е с к и х веществ, и сернисты й газ. В се эт и
р е а к ц и и п р о и с х о д я т под в о зд е й с тв и ем у л ь т р аф и о л е т о в о г о и з л у ч е ­
н и я С о л н ц а , ко гд а з н а ч е н и е с у м м арной солнечной р а д и а ц и и , д о ­
с т и г а ю щ е й зем ной п ов ер хн о сти, п р е в ы ш а е т о п р ед ел ен ны й порог,
о ц е н и в а е м ы й н е к о то р ы м и а в т о р а м и п р и м ер н о 0,5 к а л / ( м и н - с м 2).
В е д у щ у ю роль в о б р а з о в а н и и озона обычно о т в о д я т о к и с л а м
а з о т а . И зв е ст н о , что в естеств енны х у с л о в и я х а зо т ве с ьм а и н е р ­
т е н и не в с т у п а е т в р е а к ц и и с ки сло ро д о м . Этим о б е с п е ч и в а е т с я
по с т о я н н о е со отнош ен ие м е ж д у этим и г а з а м и в атм ос ф е ре . П о л о ­
ж е н и е и з м е н я е т с я при в ы с о к и х т е м п е р а т у р а х . В р е з у л ь т а т е с ж и ­
г а н и я т в е р д о го , ж и д к о г о и газового т о п л и в а о б р а з у е т с я з н а ч и ­
т е л ь н о е к о л и ч е с т в о о к и с л о в азота, особенно много их с о д е р ж и т с я
в в ы б р о с а х ав т о м а ш и н . С н а ч а л а в ы д е л я е т с я
гл а в н ы м о б р а з о м
оки сь а з о т а ( N 0 ) . З а т е м о н а до вольн о быстро о к и с л я ет с я в а т ­
м о с ф е р е д о д в у о к и с и а з о т а (N O 2). П р и этом о б р а з у е т с я а т о м а р ­
ный ки с л о р о д , которы й м о ж е т вступать во в за и м о д е й с т в и е с у г л е ­
в о д о р о д а м и н д р у ги м и о р ган и ч е ски м и вещ ествам и, с о д е р ж а щ и ­
м ися в в ы х л о п н ы х г а з а х ав т о м а ш и н . В р е з у л ь т а т е о б р а з у ю т с я
к а к с в о б о д н ы е р а д и к а л ы R , весьм а а к т и в н о в с т у п а ю щ и е в р е а к ­
цию и с у щ е с т в у ю щ и е в а т м о с ф е р е н е п р о д о л ж и т е л ь н о е вр е м я , т а к
и д ру ги е, р е а к ц п о н н о с п о с о б н ы е о р ган и ч ески е соединения.
56
Некоторые органические
соединения
при
взаимодействии
с окислами азо та о бразую т нитраты , п ар ы которы х имею т п а р ц и ­
а л ь н о е д а в л е н и е б о л е е н и зк о е , а с л е д о в а т е л ь н о , они и м е ю т и м е н ь ­
ш у ю л е т у ч е с т ь по с р а в н е н и ю с и с х о д н ы м и в е щ е с т в а м и . П о э т о м у
п р ои сх оди т их ч а с т и ч н а я к о н д е н с а ц и я в а т м о с ф е р е и о б р а з о в а ­
ние о р г а н и ч е с к и х а э р о з о л е й . П р и
таких
реакциях
возникаю т
весьм а т о к с и ч е с к и е п р и м ес и , в ы з ы в а ю щ и е с и л ь н о е р а з д р а ж е н и е
гл а з, п о в р е ж д е н и е р а с т и т е л ь н о с т и и д р у г и е н е б л а г о п р и я т н ы е э ф ­
ф екты . О д н и м из т а к и х в р е д н ы х в е щ е с т в я в л я е т с я п е р о к с и а ц е т и л нитрат (П А Н ).
(100 м л н )'1
Рис. 2.11. Зависимость коэффициента
k' от времени суток.
/ — 12 о к т я б р я ,
2 — 13 о к т я б р я .
И м ею тся и други е примеси в атм осф ере, которы е с участием
сернистого г а з а и о к и с л о в а з о т а п р и в о д я т к п о я в л е н и ю а э р о з о л я .
П одробно вопрос о ф отохим ических р е а к ц и я х при об р азо ван и и
смогов р а с с м а т р и в а л с я Д и м и р д ж а н о м и д р . ( D e m e r j i a n et ol., 19 74),
Г р е й д е л о м и д р . ( G r a e d e l et ol., 1976) и д р .
П ри м атем атическом описании атм осф ерн ой д и ф ф узи и газовы х
при м есей с у ч е т о м их т р а н с ф о р м а ц и и в п р о ц е с с е ф о т о х и м и ч е с к и х
ре а к ц и й и с п о л ь з у е т с я у р а в н е н и е ( 2 .2 ) , в к о т о р о м р а с п а д и о б р а ­
зо в а н и е пр и м ес и у ч и т ы в а ю т с я с п о м о щ ь ю
с л а г а е м ы х а^,-, где
q i — к о н ц е н т р а ц и я г-го и н г р е д и е н т а , п о с к о л ь к у с к о р о с т ь и зм е н е н и я
концентрации п роп о р ц и о н альн а сам ой кон центраци и. К о эф ф и ц и ­
енты а { с в я з а н ы с к о н с т а н т а м и с к о р о с т е й р е а к ц и й и з а в и с я т от
концентраций других примесей, п р и н и м аю щ и х участи е в реакции.
Е сли,
наприм ер, учесть
фотохимическую
трансформацию NO
в N O 2, то на о с н о в а н и и п о л у ч е н н ы х д а н н ы х по к о н ц е н т р а ц и я м
q N O и <7no2 м о ж н о р а с с ч и т а т ь к о н ц е н т р а ц и ю о з о н а q o 3 , о б р а з у ю ­
щ егося в этой ф о т о х и м и ч е с к о й р е а к ц и и , и с п о л ь з у я с о о т н о ш е н и е
?о, = * ' - т Р - .
?NO
(2.69)
З н а ч е н и е k ' з д е с ь з а в и с и т от и н те н си в н о с т и у л ь т р а ф и о л е т о в о й
р а д и а ц и и . С т е ф е н с ( S t e p h e n s , 1969) п р и в о д и т д а н н ы е Л е й т о н а , по
ко т о р ы м k ' — 10~2 м л н - 1 .
В р а б о т е Ф и г л и и д р . ( F e i g l e y et al., 1983) п р и в о д я т с я з н а ч е ­
ния k ' в з а в и с и м о с т и от в р е м е н и с у т о к д л я р а й о н а Л о с - А н д ж е л е с а
(рис. 2.11).
57
А н а л о г и ч н о р а с с ч и т ы в а е т с я и зм е н е н и е к о н ц е н т р а ц и и S 0 2 з а
с чет т р а н с ф о р м а ц и и в S 0 3. Д л я эт о го м о ж н о , н а п р и м е р , и с п о л ь ­
з о в а т ь э к с п е р и м е н т а л ь н ы е д а н н ы е , со г л асн о к о торы м в со л н е ч н ы й
д ен ь з а 1 ч п р е в р а щ а ю т с я в S 0 3 в ср едн ем 0,1— 0 ,2 % S 0 2. П р и
н а л и ч и и в в о з д у х е р я д а о к и с л и т е л е й и н е к о тор ы х д р у ги х в е щ е с т в
д а н н ы й п р о ц е с с п р о и с х о д и т бы стрее.
В к о л и ч е с т в е н н о м о т н о ш е н и и ф ото х и м и ч е с к и е процессы и с к о ­
ро сти их р е а к ц и и и зу ч е н ы б о л е е п од ро бн о в л а б о р а т о р н ы х э к с ­
п е р и м е н т а х . В о п р о с п е р е н о с а пол уч енны х р е зу л ь т а т о в на е с т е с т ­
в е н н ы е п р о ц е сс ы е щ е т р е б у е т р а зв и т и я . П о н а б л ю д е н и я м в Л о с А н д ж е л е с е б ы л и у с т а н о в л е н ы к о н с т а н т ы скорости не к о то р ы х
р е а к ц и й , о д н а к о они е щ е не о б о б щ е н ы и отн ося тся к к о н к р е т н ы м
д н я м . Н е к о т о р ы е в о п р о с ы по п о с т а н о в к е з а д а ч и об оп и сан и и
а т м о с ф е р н о й д и ф ф у з и и п р и м е с и п ри ф ото хи м ическ ом см оге р а с ­
с м о т р е н ы в р я д е и с с л е д о в а н и й ( E s c h e n r o e d e r, M a r t in e z , 1971;
R e y n o ld s et al., 1973; H a n n a , 1972; P e te r s o n , D e m e r jia n , 1976; P e ­
te r s , R ic h a r d s , 1977; M e R a e et al., 1982 и д р .).
2.14.
В лияние
рельеф а
Ч а с т о и с т о ч н и к и в р е д н ы х при м есей и ж и л ы е м а с с и в ы в о к р у г
них р а з м е щ а ю т с я в п ересечен н ой местности. Т е п л о в ы е э л е к т р о ­
стан ц и и , м е т а л л у р г и ч е с к и е и д р у ги е п р е д п р и я т и я нередко с о о р у ­
ж а ю т с я в п о н и ж е н н ы х м е с т а х вб ли зи в одоем ов или в по й м ах рек,
а ж и л ы е м а с с и в ы р а с п о л а г а ю т с я при этом на в о зв ы ш е н н ы х м е ­
с тах . П р и в е т р е с п р е д п р и я т и й зд е сь с о зд а ю т с я з н а ч и т е л ь н ы е к о н ­
ц е н т р а ц и и в р е д н ы х ве щ е с т в . В п о н и ж е н н ы х ф о р м а х р е л ь е ф а ч а щ е
з а с т а и в а е т с я во зд у х , что т а к ж е п р и в о д и т к усил ени ю оп а с н ос т и
з а г р я з н е н и я в эти х м е с т а х . П о д в л и я н и е м неровностей м естн ости
и з м е н я е т с я х а р а к т е р д в и ж е н и я и т у р б у л е н т н ы й р е ж и м в о зд у ш н ы х
потоков, что в ы з ы в а е т с у щ е с т в е н н о е изм енение
распределения
к о н ц е н т р а ц и и от исто чн и к ов .
О п и с а н и е т у р б у л е н т н о й д и ф ф у з и и прим еси в у с л ов и я х х о л м и ­
стой м естн о сти п р о и з в о д и т с я т а к ж е с пом ощ ью у р а в н е н и я (2 .2 ),
но за п и с а н н о г о д л я о б л а с т и с кр и во л инейн ой границей. П р и этом
к о э ф ф и ц и е н т ы этого у р а в н е н и я
оказы ваю тся
сложными ф ун к­
ц и я м и к о о р д и н а т . З а д а ч а у п р о щ а е т с я в пр ед п ол ож е н и и , что в н а ­
п р а в л е н и и оси у (п е р п е н д и к у л я р н о й к н а п р ав л е н и ю в е т р а ) п о д ­
с т и л а ю щ а я п о в е р х н о с т ь о д н о р о д н а . Это
п о зв о л я е т и с п о л ь з о в а т ь
с о о т н о ш е н и е (2 .1 3 ) м е ж д у k y и и и перейти к у р а вн ен и ю (2 .15 )
д л я к о н ц е н т р а ц и и от л и н е й н о го источн ика. Д а л е е удобно вв ести
з а м е н у п е р е м е н н ы х ( Б е р л я н д и др., 1965, 1968а):
z' — z
где
—
h(x),
х' =
х,
z = h ( x ) о п и с ы в а е т г р а н и ц у п о д с т и л а ю щ е й поверхности.
Т огд а (2 .1 5 ) п р и а = 0 п е р е х о д и т в
— k
58
(2.70)
(2 .71 )
С о с т а в л я ю щ и е с ко р о с т и д в и ж е н и я
нием н е р а з р ы в н о с т и
и
и
w
здесь связаны у р ав н е­
- | Г + - | Г “ 0.
(2-72)
В и д у р а в н е н и я (2 .7 1 ), а т а к ж е и г р а н и ч н ы х
условий после
п р е о б р а з о в а н и я (2 .7 0 ) т а к о й ж е , к а к в с л у ч а е п л о с к о й п о в е р х н о ­
сти почвы. Э то п о з в о л я е т и с п о л ь з о в а т ь т е ж е м е т о д ы р е ш е н и я з а ­
д ачи, что и д л я р о в н о й м е с тн о с ти .
В с л у ч а е п о л о го го р е л ь е ф а , к о г д а у г л ы н а к л о н а с к л о н о в м алы»
в о зд у ш н ы й п о т о к п р а к т и ч е с к и п о л н о с т ь ю о б т е к а е т н е р о в н о с т и м е ­
стности. П р и э т о м и и k z я в л я ю т с я ф у н к ц и я м и т о л ь к о в ы с о т ы н а д
подсти лаю щ ей п о верхн остью : u = u [ z — h ( x ) \,
kz= kz [ z — h(x)].
Н а о с н о ва н и и
(2 .7 2 ) п о л у ч а е м ,
что
w =
u - —^
— .
Тогда
(2 .7 1 )
с води тся к у р а в н е н и ю д и ф ф у з и и д л я р о в н о г о м е с т а п ри о т с у т с т в и и
в е р т и к а л ь н ы х с к о р о с т е й д в и ж е н и я . Э то о з н а ч а е т , что п о л о г и й
р е л ье ф не о к а з ы в а е т с у щ е с т в е н н о г о в л и я н и я н а р а с п р о с т р а н е н и е
примеси. Д а н н ы й в ы в о д , с д е л а н н ы й в п е р в ы е в р а б о т е Б е р л я н д а
и др. (1 96 5), и м е е т с у щ е с т в е н н о е п р а к т и ч е с к о е з н а ч е н и е . И з него
с л еду ет т а к ж е , что и з м е н е н и е п о л я к о н ц е н т р а ц и й п о д в л и я н и е м
неровностей м ес тн о с ти в о з н и к а е т в те х с л у ч а я х , к о г д а в е л и ч и н ы и
и k z з а в и с я т н е т о л ь к о от z — h ( x ) , но и от х . К с о ж а л е н и ю , эти
за в и с и м о с т и м а л о и зу ч е н ы к а к т е о р е т и ч е с к и , т а к и э к с п е р и м е н ­
тальн о.
К настоящ ем у врем ени вы полнен ряд круп ны х исследований
о р о г р а ф и ч е с к и х в о з м у щ е н и й в о з д у ш н ы х т е чени й. Э ти и с с л е д о в а ­
н ия в осно вн о м о т н о с я т с я к п р о ц е с с а м с р а в н и т е л ь н о б о л ь ш о г о
м а с ш т а б а и не м о г у т б ы т ь н е п о с р е д с т в е н н о и с п о л ь з о в а н ы д л я р е ­
ш ен ия р а с с м а т р и в а е м ы х з а д а ч . П о э т о м у р е ш а т ь у р а в н е н и е (2 .71 )
следует одновременно с оп ределен ием коэф ф иц иентов, входящ их
в него, т. е. с и с с л е д о в а н и е м с т р у к т у р ы п о г р а н и ч н о г о с л о я а т м о ­
сферы .
В посл е д н е е в р е м я п о л у ч е н р я д п р и б л и ж е н н ы х о ц е н о к в л и я н и я
ф ор м р е л ь е ф а на р а с п р е д е л е н и е п р и м е с и в ц е л я х и с п о л ь з о в а н и я
их в п р а к т и ч е с к о й р а б о т е . К ни м н у ж н о о т н е с т и т е о р е т и ч е с к и е
и с с л е д о в а н и я Ш т ю м к е (S tiim k e , 1964), Х ин о (H in o , 1968), Х а н т а
и Д ж е к с о н а ( H u n t , J a c k s o n , 1974), И г а н а в к н и г е п о д ред. Х а у ­
гена ( H a u g e n , 1975) и д р. И н т е р е с н ы е р е з у л ь т а т ы п о л у ч е н ы и п у ­
тем э к с п е р и м е н т а л ь н ы х н а б л ю д е н и й г л а в н ы м о б р а з о м на м о д е л я х
в аэродинам ической трубе.
Н аиболее полно рассм отрено реш ен ие дан ной задачи, получен­
ное н а основе и н т е г р и р о в а н и я у р а в н е н и я т у р б у л е н т н о й д и ф ф у з и и
в р а б о т а х Г л а в н о й г е о ф и з и ч е с к о й о б с е р в а т о р и и ( Б е р л я н д и Генихович, 1971; Б е р л я н д и д р., 1968а, 1970, 1979а, 1982; Б е р л я н д ,
1975).
В работе Б е р л я н д а и Г ени ховича (1971) р а з в и т а теория п о г р а ­
ничного с л о я в о б л а с т и с к р и в о л и н е й н о й г р а н и ц е й . О б ы ч н о д л я
с в ед е н и я у р а в н е н и й д в и ж е н и я к у р а в н е н и я м п о г р а н и ч н о г о с л о я
59
т р е б у е т с я , ч т о б ы о д н а из к о о р д и н а т осей с о в п а д а л а с н а п р а в л е ­
нием п р е о б л а д а ю щ е г о д в и ж е н и я . Т а к о е с о в п а д е н и е не в ы п о л ­
н я е т с я при к р и в о л и н е й н о й г р а н и ц е в с л у ч а е п р и м ен е н и я д е к а р т о ­
вой с и с т е м ы к о о р д и н а т . П о э т о м у и сп о льзую т с я по то ковы е п е р е ­
м ен н ы е, в к о т о р ы х о б л а с т ь т е ч е н и я п р е о б р а з у е т с я в п о л у п л о с ­
кость.
И сходные уравнения движ ения
принимаю тся в следую щей
ф о р м е:
U
ди
дх
,
д и __ д
' W дг
дх
dw
u - a r +
.
dw
и
д
ди
х ~дх
«
dw
w ~ s r = - a r k ’‘ - a
.
'
д
дг
,
r +
и
д
да
2 dz
.
1
р
dw
s r k^ - W
др
дх
I
- —
, v
'
*’
др
Ж
~ о ч
-
<2 -73)
где р — д а в л е н и е , F x — п р о е к ц и я силы К о р и о л и са . З д е с ь н а р я д у
с вертикальной составляю щ ей коэффициента
обмена k z учиты ­
в а е т с я и его п р о д о л ь н а я к о м п о н е н т а к х , п о с к о ль ку в пересеченной
м естн ости т е ч е н и е не г о р и з о н т а л ь н о . О д н а к о в д о л ь потока в л и я ­
ние т у р б у л е н т н о г о п е р е м е ш и в а н и я сущ ественно с л абее, чем а д ­
ве кт и в н о го п ер е н о с а, и есл и р а с с м а т р и в а т ь не очень к р у т ы е ф о р м ы
нер о в н о ст е й , то м о ж н о п о л а г а т ь , что k x t t k z . Это п р е д п о л о ж е н и е
с у щ е с т в е н н о у п р о щ а е т р е ш е н и е з а д а ч и и исп о льзу ет с я при д а л ь ­
нейших преобразованиях.
У ч и т ы в а е т с я т а к ж е у р а в н е н и е б а л а н с а энергии т у р б у л е н т н о ­
сти Ь, д о п о л н я е м о е ч л е н о м , о п и с ы в а ю щ и м ее а д в е к т и в н о е и з м е ­
нение. Э то п о з в о л я е т о ц е н и т ь в л и я н и е р е л ь е ф а не т о л ь к о на
п о л е с к о р о ст е й д в и ж е н и я , но и н а ту р б у л е н т н ы й ре ж и м . Д л я п е ­
р е х о д а от эн е р г и и т у р б у л е н т н о с т и Ь к к о э ф ф и ц и е н т у о б м е н а k
и с п о л ь з у е т с я то ж е с о отн о ш ен и е, что и при оп р ед ел ен и и k в п. 2 .2 .
В у к а з а н н о й си с т е м е у р а в н е н и й о с у щ е с т в л я е т с я пер ех од от д е ­
к а р т о в ы х к о о р д и н а т к п о т о к о в ы м п ер ем енн ы м — п о т е н ц и а л у с к о ­
рос т ей ф и ф у н к ц и и т о к а -ф п о т е н ц и а л ь н о г о течени я в р а с с м а т р и ­
ваемой области.
П р и т а к о й за п и с и в у р а в н е н и и эн ерги и тур бул ен тн о сти в о т л и ­
чие от с о о т в ет с т в у ю щ е го у р а в н е н и я д л я у словий го р и зо н та л ь н о й
о д н о р о д н о й п о ве р х н о ст и о т ч е т л и в о в ы д е л я е т с я д о п о л н и т е л ь н о е
с л а г а е м о е , п р о п о р ц и о н а л ь н о е р а д и у с у к р и в и зн ы гр а н и ц ы р е л ь е ф а .
Н а д в ы п у к л ы м и у ч а с т к а м и пове р х н о ст и э т о с л а г а е м о е о п и с ы в а е т
о с л а б л е н и е ге н е р а ц и и т у р б у л е н т н о й эн ерги и, н а д вогнуты м и у ч а ­
с т к а м и — дополнительную
трансформацию
среднего
движения
в эн ерги ю т у р б у л е н т н о с т и .
П р и у с т а н о в л е н и и г р а н и ч н ы х условий у ч и т ы в ае т с я , что в н а б е ­
г а ю щ е м п о т о к е р а з в и в а е т с я вн утрен н и й пограни чн ый слой н а д
п р е п я т с т в и е м . Н а д о с т а т о ч н о б о л ь ш о м у д ал е н и и от п о д с т и л а ю щ е й
п о в е р х н о ст и ее в л и я н и е з а т у х а е т и скорости д в и ж е н и я во в н у т ­
рен н ем п о г р а н и ч н о м с л о е н е п р е р ы в н о п е р е х о д я т в скорости н а б е ­
г а ю щ е г о п о т о к а . П р и н и м а е т с я т а к ж е , что на б есконечности з а т у ­
х а е т до н у л я эн е р г и я т у р б у л е н т н о с т и , п о с к о л ь к у г е н е р а ц и я ее
п р о и с х о д и т под в л и я н и е м п о д с т и л а ю щ е й поверхности.
60
Найденные значения горизонтальной и вертикальной состав­
ляю щ их скорости ветра, а т а к ж е ко эф ф иц иента обм ена, использо­
в а л и с ь д л я ч и с л ен н о г о р е ш е н и я у р а в н е н и я д и ф ф у з и и ( 2 .2 ) в с л у ­
ч ае вы с о тн ы х и ст о ч н и к о в , р а с п о л о ж е н н ы х в р а з н ы х ч а с т я х х о л ­
м истой м естн ости .
В р а б о т е Б е р л я н д а и д р. ( 1 9 7 9 а ) в ы п о л н е н р а с ч е т и з м е н е н и я
зн а ч е н и й о т н о ш е н и я м а к с и м а л ь н ы х
к о н ц е н т р а ц и й о т и сточн и к о в
в ы сотой Я , р а с п о л о ж е н н ы х н а д х о л м о м ( q m ) и н а д п л о с к о й п о ­
вер хн остью (<7^ ) п ри п е р е м е щ е н и и и с т о ч н и к а в д о л ь л и н и и т о к а
Qm/Qm
Рис. 2.12. Отношение q m \ q ^ в зав и ­
симости от полож ения
источника
в холмистой местности.
Кривая .
НЦю . .
1
0,1
2
0,2
3
0,5
о тносител ьно х о л м а . Р е з у л ь т а т ы р а с ч е т а п р е д с т а в л е н ы н а рис. 2.12.
И з п р и в е д е н н ы х д а н н ы х с л ед у е т , ч то н а и б о л ь ш и е к о н ц е н т р а ц и и
достигаю тся при расп о л о ж ен и и источн ика на подветрен ном склоне,
особенно это з а м е т н о , к о г д а
вы сота источника
( Я ) м а л а по
ср а в н е н и ю с в ы с о то й х о л м а (/io). С у в е л и ч е н и е м Я в л и я н и е х о л м а
на м а к с и м а л ь н у ю к о н ц е н т р а ц и ю q m у м е н ь ш а е т с я , и в с л у ч а е ,
ко г д а Я //г 0> 0 , 5 , оно с р а в н и т е л ь н о м а л о .
Это
позволяет упро­
стить н а х о ж д е н и е р е ш е н и я р а с с м а т р и в а е м о й з а д а ч и , и с п о л ь з у я
приближ енны й м етод п отен ц и ал ьн ы х течений, и оценить пределы
его п р и м ен е н и я .
С ущ н о с т ь д а н н о г о м е т о д а , р а з в и т о г о в у к а з а н н ы х р а б о т а х Б е р ­
л я н д а и др., в ч а с т и о ц е н к и в л и я н и я р е л ь е ф а н а р а с п р о с т р а н е н и е
прим еси, состои т в в в е д е н и и а н а л и т и ч е с к о й ф у н к ц и и x [ t ) = ’
= ф ( х , 2 ) + п 1э(х, z ) от к о м п л е к с н о г о а р г у м е н т а
t = x + i z , с по­
м о щ ью ко т о р о й о с у щ е с т в л я е т с я к о н ф о р м н о е о т о б р а ж е н и е и с с л е ­
дуем о й о б л а с т и т е ч е н и я с к р и в о л и н е й н о й
границей на полуп ло­
скость. Ф у н к ц и и ф и ч|э п р е д с т а в л я ю т со б о й п о т е н ц и а л с к о р о с т и
и ф у н кц и ю т о к а .
Горизонтальная и в е р т и к а л ь н а я ком поненты скорости потен­
ц и а л ьн о г о т е ч е н и я в р а с с м а т р и в а е м о й о б л а с т и в ы р а ж а ю т с я ф о р ­
мулами
_ дф
дф
дф
дф
ип —
w n
(2.74)
дх
~дг
дг
дх
К р и в ы е -ф (x, z ) = c o n s t п р е д с т а в л я ю т с о б о й л и н и и т о к а и с с л е ­
д уем о го т е ч ен и я. В ч а с т н о с т и , л и н и я oJd(x, z ) = 0 я в л я е т с я г р а н и -
61
цей о б л а с т и . О б р а т н а я ф у н к ц и я t { т) = л:(ф , г |) ) + /2 (ф, -ф) о с у щ е ­
с т в л я е т к о н ф о р м н о е о т о б р а ж е н и е по л у п л о с к о с ти на ф и зи ч е с к у ю
о б л а с т ь т е ч е н и я . Д а л е е в у р а в н е н и и д и ф ф у зи и о с у щ е с т в л я е т с я
п е р е х о д от п е р е м е н н ы х х и г к «пото ко вы м » к о о р д и н а т а м ф и г|).
В п о л у ч е н н о м у р а в н е н и и м о ж н о п р ен еб р е ч ь ч л е н а м и , о п и с ы в а ю ­
щ и м и д и ф ф у з и о н н ы й п е р е н о с в д о л ь потока, п о с к о л ь к у он м а л п о
с р а в н е н и ю с к о н в е к т и в н ы м пер еносо м . Т о г д а у р а в н е н и е т у р б у л е н т ­
ной д и ф ф у з и и ( 2 . 2 ) д л я к о н ц е н т р а ц и и от линей ного и с т о ч н и к а
принимает вид
дЧ' -
3
дф
dtp
к , Ж
Зф-
(2.75)
,
а начальны е и граничные условия:
q' =
M 6 ( ^ —
*фя )
при ф = фя,
=0
при ор = О,
при о|э-»-оо.
(2.76)
З д е с ь ф н , 'Фя — п о т о к о в ы е к о о р д и н а т ы источн ика, н а х о д я щ е ­
гося в т о ч к е х = х ъ , z = H + h ( x 0) , а -ф = 0 — п р я м а я , в к о т о р у ю при
отображ ен ии переходит границ а z = h ( x ) .
П о л у ч е н н о е у р а в н е н и е и гр а н и ч н ы е у с л о в и я с о в п а д а ю т по
ф о р м е с и с п о л ь з у е м ы м и в з а д а ч е атм о сф ер н о й д и ф ф у зи и н а д о д ­
н о р о д н о й по г о р и з о н т а л и п о верх н о стью , причем р о л ь вы соты и г ­
р а е т к о о р д и н а т а г|). Н а э т о м ос н о ва н и и п р и н и м а е т с я, что к о э ф ф и ­
ци ент о б м е н а k z = k z ( г|)), т. е. что он я в л я е т с я ф у нкц ией т о л ь к о
л и н и и т о к а и, с л е д о в а т е л ь н о , п р о в о д и т с я естественное о б о б щ е н и е
об ы чн о и с п о л ь з у е м о й м о д е л и д л я k z ( z ) . Это п о з в о л я е т з а п и с а т ь
р е ш е н и е (2 .7 5 ) и (2.76 ) в в и д е
q' =
q
' { ф — ф я,
%/)•
(2.77)
Т о ч к а фж, где д о с т и г а е т с я м а к с и м у м н а зе м н о й к о н ц е н т р а ц и и ,
о п р е д е л я е т с я из у с л о в и я
дует , что фж —
qt H =
f
- = 0 при г|) = 0. Т о г д а из (2.77) с л е ­
—
('Фн) и
q'm = q ' m ( \ j)H ).
Это о зн а ч а е т, что д л я
источн и к о в, р а с п о л о ж е н н ы х на одной и той ж е л инии т о к а , м а к ­
с и м а л ь н а я н а з е м н а я к о н ц е н т р а ц и я о д и н а к о в а. Э тот в ы во д с п р а ­
в е д л и в т а к ж е и д л я м а к с и м а л ь н ы х н а зе м н ы х ко н ц е н т р а ц и й от т о ­
ч еч н ы х источн и к о в.
П р и в е д е н н ы е в ы ш е ф о р м у л ы д л я q m и фт в потоковы х к о о р ­
д и н а т а х з а п и с ы в а ю т с я в в ид е
Qm — 0 )3
М К
(
Уо*
V
oo
У ’3
-3
I 'W
’
(2-78>
^ = o '4 j t ( - r t Y С ледовательно, изменяется такж е вы раж ение д ля
62
q ! q m•
В ф о р м у л а х (2 .7 8 ) У » — м о д у л ь с к о р о с т и п о т е н ц и а л ь н о г о т е ­
ч ения н а б е с к о н е ч н о с т и , т. е. в н а б е г а ю щ е м п о т о к е вне в л и я н и я
подстилаю щ ей поверхности; К — о п р ед ел яется соотнош ением вер ­
тикальной и горизонтальной компонент коэф ф ициента турбулент­
ного об м е н а . В (2 .7 8 ) к о н с т а н т ы я в л я ю т с я р а з м е р н ы м и .
З н а ч е н и я q m и <pm в (2 .78 ) м о г у т б ы т ь с в я з а н ы с с о о т в е т с т ­
в у ю щ и м и з н а ч е н и я м и q m и х т д л я п л о с к о й м е с тн о с ти , если к по­
сл е д н и м в ве с ти п о п р а в к и
(2.79)
К р о м е того, молено о п р е д е л и т ь с о о т н о ш е н и е м е ж д у в ы с о т а м и
источн иков в у с л о в и я х и с с л е д у е м о г о р е л ь е ф а и п л о с к о й м естности,
п о л а г а я , что м а к с и м а л ь н ы е к о н ц е н т р а ц и и от и сто чн ик ов п р и н и ­
м а ю т одни и те ж е з н а ч е н и я . О к а з ы в а е т с я в у с л о в и я х к р и в о л и н е й ­
ной г р а н и ц ы м а к с и м а л ь н а я к о н ц е н т р а ц и я п р и н и м а е т то ж е з н а ­
чение, что и м а к с и м а л ь н а я к о н ц е н т р а ц и я о т и с т о ч н и к а вы со той
# о на п л о с к о й м е с тн о сти , е с л и и с т о ч н и к р а с п о л о ж е н на л и н и и
то ка, к о т о р а я в н а б е г а ю щ е м п о т о к е н а х о д и т с я на р а с с т о я н и и Я 0
от ни ж н ей гр а н и ц ы . В ы с о т а ж е и с т о ч н и к а при <р = ф я о п р е д е ­
л я е т с я р а с с т о я н и е м z ( фя > 'Фн) — г(ф /г , 0 ) л и н и и т о к а -ф =
до
у р о в н я п о д с т и л а ю щ е й п о в е р х н о ст и . С л е д о в а т е л ь н о , с о о т н о ш е н и е
меж ду рассм атр и ваем ы м и вы сотам и о п ред еляет поправочный ко­
э ф ф и ц и е н т pi к в ы с о т е и с т о ч н и к а Я :
Р1 = 7 р [ 2 ( ф я , ^я) — 2(ф Я, 0)].
(2.80)
Д л я о т д е л ь н ы х ф о р м р е л ь е ф а , н а п р и м е р д л я х о л м а (см. рис. 2 . 1 2 ),
д л я ф у нкц ий x ( t ) и t ( т ) у д а е т с я п о д о б р а т ь с р а в н и т е л ь н о п р о с т ы е
аналитические в ы р а ж е н и я , достаточно полно описываю щ ие гр а­
ницы о б л а с т и т е ч е н и я .
В случае границ ы п о д сти л аю щ ей поверхности произвольной
ф о р м ы к о н ф о р м н о е о т о б р а ж е н и е ее з а д а е т с я с п о м о щ ь ю и н т е г р а л а
типа
ОО
— ОО
/ (a) d s
s —х
(2.81)
и в ы п о л н я е т с я ч и с л ен н о . П р и э т о м в и д ф у н к ц и и l ( s ) о п р е д е л я е т
ур а в н е н и е г р а н и ц ы о б л а с т и т е ч е н и я с у ч ет о м в л и я н и я и зм е н е н и я
скор ости в е т р а на вы с о ту н а ч а л ь н о г о п о д ъ е м а Л Я (2.57 ).
В работе Б е р л я н д а и др. (1979а) п р ед ставл ен ы р езу л ьтаты р а с ­
четов д л я б о л ь ш о г о ч и с л а р а з н о о б р а з н ы х ф о р м р е л ь е ф а . Н е к о т о ­
ры е из них б у д у т р а с с м о т р е н ы в гл. 3. В н а с т о я щ е е в р е м я в е д у т с я
р а б о т ы по и с с л е д о в а н и ю а т м о с ф е р н о й д и ф ф у з и и и н а д т е р м и ч е ­
ски н е о д н о р о д н ы м р е л ь е ф о м . О к а м о т о и О г б а ( O k a m o to , O h b a ,
1978) в ы п о л н и л и ч и с л е н н ы й а н а л и з р а с п р о с т р а н е н и я п р и м е с и
в горной м е с тн о с ти п р и у с т о й ч и в о й с т р а т и ф и к а ц и и . О н и п о л у ч и л и ,
что в э т и х у с л о в и я х п р и з е м н а я к о н ц е н т р а ц и я п р и м е с и м о ж е т
63
с у щ е с т в е н н о в о з р а с т а т ь , в ч астн ости , и з-за у м е н ь ш е н и я н а ч а л ь н о г о
п о д ъ е м а п р и м е с и з а в о зв ы ш е н н о с т я м и .
В р а б о т е Б е р л я н д а и д р . (19 8 2 ) д л я с л у ч а е в т е р м и ч е с к и н е ­
однородного рел ьеф а реш аю тся обобщенные уравнения диф фузии,
д в и ж е н и я , п р и т о к а т е п л а и б а л а н с а т у р б у л е н т н о с т и с у ч ето м криволинейности гран и ц ы подстилаю щ ей
повер хн ости. В с л у ч а я х ,
к о г д а р е л ь е ф о д н о р о д е н в п е р п ен д и к у л я р н о м к ветру н а п р а в л е ­
нии, э т и у р а в н е н и я в систем е «по то ковы х»
к о о р д и н а т £i и £з
з а п и с ы в а ю т с я в виде:
S ?' = 0,
V
+ - щ
S
u
S - « , - j L + u ,-jL —
^
г ] { 1 -
d
- u
b
и Ь у ж
^
—
а
^
ь +
£ M
gi , A e fd&> . a»\
i
-
(2-82)
k
^
k°
-
]
i t +
ж
‘1^
- t r - “aJl r -
(2-83)
< 2 -8 4 )
(Vxb y - |
З д е с ь h = q > I L \ V o o , l 3 = t y / L i V o o , а ф и ip — ве щ е с т в е н н а я и м н и м а я
части ф у н к ц и и , к о н ф о р м н о о т о б р а ж а ю щ е й о б л а с т ь течени я на п о ­
л у п л о с к о с т ь , т. е. п о т е н ц и а л скоро сти и ф у н к ц и я т о к а , V — м о ­
д у л ь ско р о с т и п о т е н ц и а л ь н о г о течения, V o o — его зн а ч е н и е н а б е с ­
к о н ечн о м у д а л е н и и от п о д с ти л а ю щ е й поверхности, L \ — х а р а к ­
терный м асш таб рельеф а, u i и и$ — составляю щ ие
ско ро сти
в е т р а по о с я м | i и |з , k — к о э ф ф и ц и е н т о б м е н а , k ° — его з н а ч е ­
ние в н а б е г а ю щ е м потоке, Ф — откл о н е н и е п о т ен ц и а л ьн о й т е м п е ­
р а т у р ы 0 от ее з н а ч е н и я 6 °, н о р м и р о в а н н о е н а А 0 О, т. е. н а п е р е ­
п а д т е м п е р а т у р ы н а п о д с ти л а ю щ ей поверхности. П р и р е ш е н и и
(2.82) и (2.83 ) у ч и т ы в а ю т с я т а к ж е д о п о л н и т е л ьн о е соо тн ош ен и е
д л я к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а и у р а в н е н и е неразр ы в н ости .
Т е ч е н и е в окр ес т н о с т и п реп ятств и я — х о л м а или в п а д и н ы —
трапецеидальной формы задается конформным отображ ением по­
л у п л о с к о с т и т = —-— (ф-ftil))' н а ф и зи ч еску ю о б л а с т ь т е ч е н и я / =
= —
L\
64
(дc +
iz).
П р и н и м а е т с я , что г = т + Х ' Ф ( т ) , где Ф ( т ) — ф унк-
ц и я, з а д а в а е м а я в з а в и с и м о с т и от ф о р м ы р е л ь е ф а , X ' — б е з р а з ­
м е р н а я в ы с о т а ( Я ' ; > 0 ) и л и г л у б и н а (А/<С.О) п р е п я т с т в и я . В к а ­
ч естве о д н о г о и з г р а н и ч н ы х у с л о в и й п р и н и м а е т с я , ч то р а с п р е д е л е ­
ние т е м п е р а т у р ы н а п о д с т и л а ю щ е й
поверхности
определяется
ф у н к ц и е й f ( h ) , т а к , что ■
0,| b = o e r /f (£0 . а г '
вы бирается в зави ­
симости от х а р а к т е р а н агр ев а склонов: г ' = 1 д л я наветренного
и г ' = — 1 д л я подветренного склонов.
Н а рис. 2.13 п р е д с т а в л е н ы п р и м е р ы р а с ч е т о в и зм е н е н и я з н а ­
чений о т н о ш е н и я
скорости
ветра
и,
коэф ф ициента обмена
k\
Л
Рис. 2.13. Р асп ределени е значений отно/N
шения скорости ветра и, коэф ф ициента
обмена k и максимальных концентраций
q m/ q “ к их значениям на ровном месте
в зависим ости от пол ож ени я источника
над термически н еоднор одной п овер х­
ностью рельефа.
Кривая. . .
г'
................
1
О
2
1
3
—1
■3
-/
-2
0 - 1
2
3
и м а к с и м у м о в к о н ц е н т р а ц и и q m l q \J к их з н а ч е н и я м на р о в ­
ном м е с т е в з а в и с и м о с т и от п о л о ж е н и я и с т о ч н и к а в р а з л и ч н ы х
ч а с т я х т р а п е ц и е д а л ь н о г о х о л м а . Д л я к а ж д о й из р а с с м а т р и в а е ­
м ы х в е л и ч и н д а ю т с я т р и к р и в ы е (п р и А/ = 0 , 2 и р а з н ы х г ' ) , о д н а
из к о т о р ы х о т н о с и т с я к т е р м и ч е с к и о д н о р о д н о м у ( г ' = 0 ), а д в е
д р у г и е ( г ' = ± 1 ) — к т е р м и ч е с к и н е о д н о р о д н о м у со с то я н и ю по­
верхности р ел ьеф а. О б щ и й вид всех тр ех кр и вы х примерно одина­
ков. О д н а к о а м п л и т у д ы и з м е н е н и я их н е с к о л ь к о р а з л и ч н ы при
наличии или отсутствии неоднородности в распределении тепловых
/ч
/ч
по т о ко в . Р е з к о е у б ы в а н и е и и у в е л и ч е н и е k , а т а к ж е со о т в ет с т ­
в у ю щ и е и з м е н е н и я к о н ц е н т р а ц и и о т м е ч а ю т с я на с к л о н а х х о л м а ,
п р и ч е м они з а м е т н о б о л ь ш е н а п о д в е т р е н н о м
с кл о н е. В л и я н и е
тепловы х ф акто р о в у си л и в ается с у величен и ем термической неод­
нородности, в кач естве п о к а з а т е л я которой м ож н о принять вели­
ч ину g L i A 0 o/ ( 0 V 2eo).
5
Заказ № 30
65
Гл ава 3
Численные методы прогноза
загрязнения воздуха
П р а к т и ч е с к а я э ф ф е к т и в н о с т ь к р а т к о с р о ч н ы х прогнозо в з а г р я з ­
н е н и я в о зд у х а ч ет к о в ы я в л я е т с я в т е х случаях, ко г д а и звестны
его источники и м о г у т б ы т ь п р и н я т ы м еры по с о к р а щ е н и ю в р е д ­
н ы х в ы б р о со в в п е р и о д ы н е б л а г о п р и я т н ы х м етео ро л о ги ч ески х у с ­
ловий. В ч а с т н о с т и , это с л у ч а и , к о г д а п р е д п р и я т и я сосредоточен ы
в одной ч а с т и г о р о д а , а ж и л а я з а с т р о й к а — в другой. Д л я п р и м е р а
м о ж н о у к а з а т ь , что в г. Р у с т а в и в ы б р о с ы от п ред п ри я ти й на ж и ­
л ы е к в а р т а л ы п о п а д а ю т т о л ь к о в 4 — 8 % случаев. А н а л о ги ч н ое
п о л о ж е н и е х а р а к т е р н о д л я Ч и м к е н т а , С ум гаита, Н е в и н н о м ы с ск а.
О т м е ч а л о с ь , что в Б р а т и с л а в е , Д р е з д е н е и Торонто н а и б о л ь ш е е
з а г р я з н е н и е в о з д у х а н а б л ю д а л о с ь п ри ю ж ны х ветр ах , в Л о д з и и
П а р и ж е — п р и ю го-восто чн о м в е т р е и т. п. П р и этом д а ж е у к а з а ­
ние на о ж и д а е м о е н а п р а в л е н и е в е т р а со стороны п ре д п р и я т и й на
населенные район ы
я в л я е т с я о п р е д е л ен н ы м п р е д о сте р е ж ен и е м .
О п а с н о с т ь у с и л и в а е т с я п р и н а л и ч и и и д р у ги х н е б л а го п р и я т н ы х у с ­
л о в и й погоды .
П р и в е д е н н ы е в гл. 2 ф о р м у л ы п о зв о л я ю т пред вы чи сл и ть у р о ­
в ен ь з а г р я з н е н и я к а к в э т и х с р а в н и т е л ь н о простых, а т а к ж е в б о ­
л е е с л о ж н ы х с л у ч а я х , если и м е ю т с я сведен ия об о ж и д а е м ы х х а ­
р а к т е р и с т и к а х м е те о р о л о г и ч е с к и х усл ов и й и р е ж и м а вы б р осо в от
и сточн иков. Д л я р е ш е н и я п р а к т и ч е с к и х з а д а ч больш ой и н терес
п р е д с т а в л я е т , п р е ж д е всего, п р о г н о з условий зн а ч и т е л ьн о го з а ­
г р я зн е н и я в о з д у х а , к о г д а при д а н н ы х п а р а м е т р а х в ы б р о са д о с т и ­
г а ю т с я н а и б о л е е вы с о к и е у р о в н и к о н центраци и. Д л я р а з р а б о т к и
м е т о д а т а к о г о п р о г н о з а у д о б н о во с п о л ь зо в а т ь с я у к а з а н н ы м в гл. 2
р а з д е л е н и е м н е б л а г о п р и я т н ы х м ете о р о л о ги ч е с ки х у сл овий н а н о р ­
м а л ь н ы е (о т н о с и т е л ь н о ч ас т о в с т р е ч а ю щ и е с я ) и а н о м а л ьн ы е .
3.1.
П рогноз м акси м альн ы х концентраций примеси
от о т д е л ь н ы х и с т о ч н и к о в
Д л я р а с ч е т а м а к с и м а л ь н ы х к о н ц е н т р а ц и й , с о зд аю щ и х с я н а о п ­
р е д е л е н н о м р а с с т о я н и и от и с т о ч н и к а , при н о рм а л ьн ы х у с л о в и я х
в с о о т в ет с т в и и с р а б о т а м и
Б е р л я н д а (1975), Б е р л я н д а и др.
(1965) в о б щ е м с л у ч а е м о ж е т б ы ть и сп ользо ван а ф о р м у л а (2.43)
д л я q m . В ней з а в ы с о ту и с т о ч н и к а д о л ж н ы пр и н и м аться его э ф ­
ф е к т и в н а я в ы с о т а Н е = Н - \ - А Н , где Н — высота трубы , а А Н о п р е ­
д е л я е т с я с о г л а с н о (2 .57). П р и эт о м следует иметь в виду, что q m
с у щ е с т в е н н о з а в и с и т от м е те о р о л о г и ч е с к и х условий в соответствии
с с о д е р ж а щ и м и с я в (2.43) п а р а м е т р а м и . О собое зн а ч е н и е им еет
з а в и с и м о с т ь q m от с кор ости в е т р а и . С одной стороны, при ф и к с и ­
р о в а н н о й вы с о те и с т о ч н и к а q m в о з р а с т а е т с у м еньш ением и; с д р у ­
гой стороны, с у м е н ь ш е н и е м и в о з р а с т а е т А Я. К р о м е того, от и
66
з а в и с и т и К (см . ( 2 . 4 4 ) ) . П о э т о м у с у щ е с т в у е т н е к о т о р а я « о п а с ­
н а я » ско р о с т ь в е т р а и м , п р и к о т о р о й д о с т и г а е т с я н а и б о л ь ш е е з н а ­
чение к о н ц е н т р а ц и и . Т а к а я к о н ц е н т р а ц и я н а х о д и т с я из у с л о в и я
дЯ т /ди
= 0.
(3.1)
Д л я о п р е д е л е н и я м а к с и м а л ь н о г о з н а ч е н и я q m в (2.43) с л е д у е т
п р и н я ть и н а и б о л ь ш и е з н а ч е н и я К , у ч и т ы в а я з а в и с и м о с т и k i / u i и
Фо к а к от с к о р о с т и в е т р а , т а к и от т е м п е р а т у р н о й с т р а т и ф и к а ц и и ,
обы чно о п р е д е л я е м о й п а р а м е т р о м 5 = б7'/и2, г д е 6 Т — р а з н о с т ь
температур на д вух вы сотах в при зем н ом слое воздуха. В случае
неустойчивой с т р а т и ф и к а ц и и ( б Г с О ) с р о с т о м м о д у л я Б у в е л и ­
ч и в а ю т ся k j u i и фо; п р и у с т о й ч и в о й
стратиф икации
( 6 Г > 0)
с у вел и ч ен и ем Б у м е н ь ш а е т с я k i / U i . Н а ч и н а я с н е к о т о р ы х з н а ч е ­
ний Б , и м е е т т е н д е н ц и ю к у в е л и ч е н и ю и фо. З н а ч е н и е фо в м е с те
с а о достигает некоторого м ин и м ум а при условиях, бли зки х к р а в ­
новесны м (рис. 2 .6 ). З н а ч е н и я К , т а к и м о б р а з о м , п р и и н в е р с и о н ­
ной с т р а т и ф и к а ц и и
у м е н ь ш а ю т с я с у с и л е н и е м у с т о й ч и в о с ти и,
в об щ ем , не п р е в ы ш а ю т з н а ч е н и й п р и н е у с т о й ч и в о й с т р а т и ф и к а ­
ции. С л е д о в а т е л ь н о , п р и п р о ч и х р а в н ы х у с л о в и я х м а к с и м у м п р и ­
земной к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с и (в с и л у п р о п о р ц и о н а л ь н о с т и ее К )
при с в е р х а д и а б а т и ч е с к о м г р а д и е н т е б о л ь ш е , ч ем п ри и н в е р с и о н ­
ном.
В р е з у л ь т а т е п о л у ч е н о , что з н а ч е н и е о п а с н о й с ко р о с т и о п р е д е ­
л я е т с я с о о т н о ш ен и е м
u M=
vM
при
и м< 2
м/с,
(3.2)
«M = tJM( l + 0,12 У Т )
при
t>M> 2 м/с,
где
0,65
f =
2 .
1 0 * -^ -.
(3 .3 )
Зд есь, к а к и в ( 2 .5 7 ) , Vi = я /? 2 о;о — о б ъ е м у х о д я щ и х г а з о в . Н а и ­
больш ая концентрация с ш д л я группы N бли зко располож енны х
источников с о д и н а к о в ы м и п а р а м е т р а м и в ы б р о с а в с л у ч а е н е б л а ­
гоп р и я т н ы х м е т е о р о л о г и ч е с к и х у с л о в и й , х а р а к т е р и з у ю щ и х с я и н ­
тенсивны м т у р б у л е н т н ы м о б м е н о м и з н а ч е н и е м о п а с н о й с ко р о с т и
« м, о п р е д е л я е т с я по ф о р м у л е
- М—
AMFmn
Н2
V
w
'
Здесь V = N V 1 — сум м арн ы й объем газов. К оэф ф иц и ен т
лен с о о т н о ш е н и е м
<3 -4 >
А
опреде­
Ц,<р0 и\ = 2 м/с
З д е с ь з н а ч е н и е а н е с к о л ь к о з а в и с и т от ш е р о х о в а т о с т и п о д с т и л а ю ­
щ ей п о в е р х н о ст и z o и о т в ы с о т ы п р и з е м н о г о с л о я h . Д л я с р е д н е й
ш е р о х о в а т о с т и а = 0,3.
5*
67
З н а ч е н и я А у с т а н о в л е н ы д л я о т к р ы т ы х р о в н ы х м естн о стей
в р а з л и ч н ы х г е о г р а ф и ч е с к и х о б л а с т я х при условии, что с н в ы р а ­
ж е н о в м г /м 3, М — в г/с, Я — в м е т р а х , V — в м 3/с, Т — в °С. Д л я
С р е д н е й А з и и ю ж н е е 40° с. ш. Л = 2 4 0 ; д л я д ру ги х р ай о н о в С С С Р
с ж а р к и м кли м атом и в лесных областях, характеризую щ ихся ин­
т е н с и в н ы м т у р б у л е н т н ы м об м ен ом , А = 200; д л я ц е н тр а Е в р о п е й ­
с к о й т е р р и т о р и и С С С Р , гд е
турбулентность более слабая, А =
= 1 2 0 ; д л я о б л а с т е й со с р е д н е й интен си вностью ту р б у л е н т н о го п е ­
р е м е ш и в а н и я А = 160. И н т е р в а л о с р е д н е н и я кон ц е н т ра ц и и п р и н я т
Рис. 3.1. Графики д л я определения коэффициентов т, п и d.
р а в н ы м 20 мин. Д л я т е р р и т о р и и д р у г и х стр ан зн а ч е н и я А м о г у т
п р и н и м а т ь с я по с х о д с т в у к л и м а т и ч е с к и х х а р а к т е р и с т и к т у р б у л е н т ­
ного р е ж и м а с у к а з а н н ы м и о б л а с т я м и .
К о э ф ф и ц и е н т F р а з л и ч е н д л я г а з о в , легких а эр о зо л е й и пы ли.
О н з а в и с и т от д и с п е р с н о с т и ч астиц , к о т о р а я в свою очередь при
н а л и ч и и п ы л е у л о в и т е л е й с в я з а н а с их коэф ф иц иентом п ол езно го
д ей с тв и я. Д л я г а зо в и л е г к и х а э р о з о л е й (со скоростью о с е д а н и я
м е н ь ш е 5 м /с ) F — 1, д л я пы ли, р а с п р о с т р а н я ю щ е й с я к а к т я ж е л а я
п р и м ес ь п р и К П Д п ы л е у л о в и т е л е й б о л е е 90, р а в н ы х 75— 90 и м е ­
не е 75 % з н а ч е н и я F р а в н ы со отв етств ен н о 2, 2,5 и 3.
К о э ф ф и ц и е н т ы т и п о п р е д е л я ю т с я по п а р а м е т р а м им и f (3.3)
с п о м о щ ь ю в с п о м о г а т е л ь н о г о г р а ф и к а (рис. 3.1). К о н ц е н т р а ц и я см
д о с т и г а е т с я н а р а с с т о я н и и х м от источн ик а:
x u
где ( 1 й = ~ (5 — F ) , a
ифП ы,
стояние
d
d 0H ,
(3.5)
о п р е д е л я е т с я по рис. 3.1. В сл у ч ае к о г д а
н а и б о л ь ш а я к о н ц е н т р а ц и я сми и соответствую щ ее ей р а с ­
х ми о п р е д е л я ю т с я из соотнош ен ий
См и — ГСМ
68
=
И
Х ми — р Х и .
З а в и с и м о с т ь к о н ц е н т р а ц и и н а оси ф а к е л а с от р а с с т о я н и я
при и = им и и ф и н в ы р а ж а е т с я с о о т в е т с т в е н н о ф о р м у л а м и
С=
К онцентрация на расстоянии
у
-(8-в)
от оси ф а к е л а
cy = ^ [ w ( - f - ) 2] .
р,
х
(3.7)
Н а рис. 3.2 п р и в о д я т с я г р а ф и к и д л я о п р е д е л е н и я ф у н к ц и й
а на рис. 3.3 — д л я s i и s 2.
Рис. 3.2. Графики для определения
коэффициентов г к р.
г
и
Рис. 3.3. Графики для оп р еде­
ления
функций s i ( x l x n )
и
S 2 [ u ( y / x ) 2].
>
В случае холодны х выбросов
100 м / ( с 2 • °С)
или в общем
/0 оч
A M FnRoN
4 V H
rl -
с л у ч а е при f ; >
'■
( З Л
)
где к о э ф ф и ц и е н т п н а х о д и т с я с п о м о щ ь ю рис. 3.1, но по з н а ч е н и ю
v M, которо е
вд а н н о м с л у ч а е о п р е д е л я е т с я по ф о р м у л е
2 ,6 -
w 0Ro
Я
Приближенно:
им
u M=
« ом
при
vM
< 2 м/с,
2,2vM
при
vM
> 2 м/с.
(3.9)
При практи ческом применении при веденн ы х формул следует
определять неблагоприятны е условия, когда при нормальном ме­
т е о р о л о г и ч е с к о м р е ж и м е м о гут д о с т и г а т ь с я м а к с и м а л ь н ы е к о н ц е н ­
т р а ц и и п р и м е с и в р а й о н е р а с с м а т р и в а е м ы х и с точн и к о в. С н а ч а л а
н у ж н о у с т а н о в и т ь н а п р а в л е н и я в е т р а , п ри к о т о р ы х ф а к е л от и с т о ч ­
69
н и к а м о ж е т п о п а д а т ь на ж и л ы е р а й о н ы , особенно густо з а с е л е н ­
ные, а т а к ж е н а л е ч е б н ы е и д е т с к и е у ч р е ж д е н и я , м е с та о т д ы х а
и т. п. З а т е м т р е б у е т с я в ы ч и с л и т ь з н а ч е н и я
опасно й с к о р о ст и
в е т р а по ф о р м у л е (3 .2 ), а в с л у ч а е х о л о д н ы х вы б р о со в — по ф о р ­
м у л е (3.9).
Д л я м о щ н ы х н а г р е т ы х в ы б р о со в , х а р а к т е р н ы х д л я т е п л о в ы х
э л е к т р о с т а н ц и й , м е т а л л у р г и ч е с к и х з а в о д о в и т. п. обы чно мм =
= 3 - ь 5 м /с, д л я с р а в н и т е л ь н о х о л о д н ы х в ы б р осов от в е н т и л я ц и ­
о н н ы х у с т р о й с т в н а х и м и ч е с к и х и д р у ги х п р е д п р и я т и я х и м = 1 — ■
-т- 2 м/с.
П р и в ы б р о с а х из д ы м о в ы х , в е н т и л я ц и о н н ы х т ру б и д р у ги х в ы ­
с о к и х и сточн и к ов к н е б л а г о п р и я т н ы м у сл о ви я м с т р а т и ф и к а ц и и о т ­
нос и тс я п а д е н и е т е м п е р а т у р ы с вы сотой, когд а о т м еч а етс я и н т е н ­
си вн ы й т у р б у л е н т н ы й об м ен . Д л я э т и х условий
р а с с ч и т ы в а е т ся
м а к с и м у м к о н ц е н т р а ц и и см и, если необходимо, кон ц ен трац и и на
о п р е д е л е н н о м р а с с т о я н и и от и с т о ч н и к а или в целом поле к о н ц е н ­
т р а ц и и п р и м еси при о ж и д а е м о м н а п р а в л е н и и ветра. П р и этом р а с ­
ч ет н ы е к о н ц е н т р а ц и и д о л ж н ы д о б а в л я т ь с я к ф оновы м к о н ц е н т р а ­
ци ям , с о з д а в а е м ы м от д р у г и х источн иков.
В не к о то р ы х р а б о т а х п о л у ч ен ы ф о р м у л ы д л я о п р е д е л ен и я н а и ­
б о л ьш ей к о н ц е н т р а ц и и и в с л у ч а е пр и м ен е н и я г а у с с о вы х м о д е л е й
(см. п. 2 .7 ), п о л о ж е н н ы х в о сн ов у м е т о д а р а с ч е т а к о н ц е н т р а ц и й
в р я д е стран . П р и э т о м о т ы с к а н и е э к с т р е м у м а о г р а н и ч и в а е т с я
и с п о л ь з о в а н и е м у с л о в и я (3 .1 ), т. е. за в и с и м о с т и т оль ко от с к о р о ­
сти в етра. В э т и х и с с л е д о в а н и я х при оты скании эк с т р е м у м а не
у ч и т ы в а е т с я , в отли чи е от р а с с м а т р и в а е м ы х р а б о т Г л а в н о й г е о ф и ­
зи ч е ско й о б се р в а т о р и и , в л и я н и е устойчивости а т м о с ф е р ы или, т о ч ­
нее, интен си вности т у р б у л е н т н о г о об м е н а . В к а ч е с тв е п р и м е р а м о ­
ж н о при вести р а б о т у Р е г л е н д а ( R e g la n d , 1976), в которой с н а ч а л а
в со отв етств и и с ф о р м у л а м и (2.50) д л я q | z«=o при у = 0 и (2.51)
д л я о у и a z из у с л о в и я d q / d x = 0 о п р е д е л я е т с я м а к с и м а л ь н а я к о н ­
ц е н т р а ц и я q m н а р а с с т о я н и и х т - З а т е м и с п ользу ется в ы р а ж е н и е
д л я начального подъема
А И = В0/и,
где В о — н е к о то р ы й п а р а м е т р , з а в и с я щ и й от х а р а к т е р и с т и к в ы ­
б р о са и у стой чи во сти а т м о с ф е р ы . Д а л е е , из у р а в н е н и я d q m / d u = 0
находятся: н аи б о л ьш ая концентрация
ai + Pi
Afptg
20 ,
_
р а с с то я н и е , к к о т о р о м у он а о тн оси тся
70
pl
0C| + Pi
Ctl (Qj + Pi) I 201
rtaiftidiBo
х к
Tai
Н
J
(3.10)
а т а к ж е о п асн ая скорость ветра
т И г -
<ЗЛ1>
где
Н — геометрическая высота трубы .
К а к б ы л о о т м еч е н о в п. 2.7, с о г л а с н о П э с к в и л л у ( P a s q u i l l ,
1971), с а м о е б о л ь ш о е з н а ч е н и е q m д о с т и г а е т п р и a i = pi. Т о г д а из
<3.9) — (3.11)
_ 0 ,0 5 8 6 (M
------- Вой'Ги
Для
различны х
состояний
/ q 1г)\
•
устойчивости
в
с о о т в ет с т в и и
н ы м и т а б л . 2.4 (см. п. 2.7) Р е г л е н д п о л у ч и л т а к ж е , что
и
= fH ~
R
8, — —
- = s ,
х м = * ф Я р. З н а ч е н и я f,
1
'
ij) и
s,
р
с дан­
—=
представлены
Н
в т абл . 3 . 1 .
Таблица 3.1
Значения коэф ф ициентов /, s, -ф, р
Н м
С остояние у сто й ч и во сти
f
S
1?
р
5 ,9 0
0 ,6 2
0 ,0 3
1 ,3 5
2 ,0 0
2 ,9 4
200
Равновесное
Слабо устойчивое
Устойчивое
0 ,0 5 6
0 ,1 6 0
0 ,5 1 0
1 ,0 2
1 ,3 8
1 ,8 5
100
Сильно неустойчивое
Неустойчивое
Равновесное
Слабо устойчивое
0 ,0 5 8
0 ,0 5 4
0 ,0 4 0
0 ,0 2 6
1
1
1
1
4 ,0 0
5 ,4 0
1 0 ,9 0
2 1 ,8 0
1 ,1 0
1 ,1 6
1 ,2 8
1 ,3 3
50
Сильно неустойчивое
Н еустойчивое
Слабо неустойчивое
Равновесное
Слабо устойчивое
Устойчивое
0 ,0 0 5
0 ,0 1 6
0 ,0 3 0
0 ,2 2 0
0 ,3 4 0
0 ,3 0 0
0 ,4 1
0 ,7 9
0 ,9 7
1 ,6 3
1 ,8 4
1 ,9 8
9 1 ,0 0
2 2 ,3 0
15 ,5 0
1 ,7 7
1 ,2 6
2 ,0 5
0 ,4 8
0 ,9 1
1 ,1 0
1 ,8 3
2 ,0 7
2 ,2 1
3.2.
Линейные
и наземные
источники
В реальны х условиях вы брос прим есей в атмосф еру может
о с у щ е с т в л я т ь с я не т о л ь к о из и с т о ч н и к о в т о ч е ч н о го т ипа ( д ы м о ­
вы е и в е н т и л я ц и о н н ы е т р у б ы , д е ф л е к т о р ы и т. п .) , р а с с м о т р е н н ы х
вы ш е, но и от л и н е й н ы х и с т о ч н и к о в . П о с л е д н и е с т и л и з у ю т в ы ­
бросы от п о т о к о в а в т о м а ш и н ( C o ld e r , 1973, и д р .)> а т а к ж е от
промы ш ленны х предприятий при в ен ти ляц и и через аэраци онны е
ф он а р и , п р е д с т а в л я ю щ и е собой п р о е м ы в к р ы ш а х ко р п у с о в б о л ь ­
ш ой п р о т я ж е н н о с т и . Д л и н а т а к и х ф о н а р е й н а а л ю м и н и е в ы х
71
з а в о д а х , н а п р и м е р в Б р а т с к е , д о с т и г а е т 600 м. П о д о б н о го т и п а
а э р а ц и о н н ы е ф о н а р и и с п о л ь з у ю т с я д л я в е н т и л я ц и и цехов э л е к ­
троплавильны х, химических и других предприятий.
Д о п у с т и м , что в о б щ е м с л у ч а е л и н е й н ы й и сто чн и к кон ечн ой
д л и н ы р а с п о л о ж е н по оси у в и н т е р в а л е ( L i , L 2) , причем н а п р а в ­
л е н и е в е т р а с о с т а в л я е т у г о л р с осью х (о тсч ет в е д е т с я от оси х
п р оти в ч а с о в о й с т р е л к и ) . Т о г д а у д о б н о , н а р я д у с системой к о о р ­
д и н а т х , у , z , в в е с т и с и с т е м у х \ у ' , z т а к , что ось х ' н а п р а в л е н а
в д о л ь в е т р а, а у ' — п е р п е н д и к у л я р н о к ней:
х' =
а'
— т\ s in р,
у' =
b'
—
ц
cos р,
г д е а ' = х cos р + у sin р , Ь ' = у cos р — л: s in р , т) — о т р е зо к п е р е м е н ­
ной д л и н ы в и н т е р в а л е (Li, L 2) . В с и л у п р и н ц и п а суперпо зици и
п е р е х о д от к о н ц е н т р а ц и и q д л я т о ч е ч н о го и с т о ч н и к а к к о н ц е н т р а ­
ци и <7д Для л и н е й н о го и с т о ч н и к а о п р е д е л я е т с я соотнош ением
Lt
J
z)=
У,
q (а' —
Г]s in р,
— r ic o s р)
Ь'
(3.13)
йц.
Lx
С о гл а сн о Б е р л я н д у и др. (1 9 7 4 ), п о с л е п о д с тан о в к и в (3.13)
в ы р а ж е н и я (2.41) д л я q с л е д у е т , что
________<Х|___________1__ / b ' —Т1 cos Р 42
L
М
q *
~
2ф2 ^ а ' —Т) sin Р J
Г*—Т1 sin р
(1 + я) А,фо д /2 я
6
£
dr]
(а ' —
Л sin Р)3 *
(3.14)
где
и 1Н [ + п
( l - f n ) 3 fe, *
П о с л е р я д а п р е о б р а з о в а н и й им е е м
„2 „2
2Й
а , (1 - с о з Р)
а 1 ф 0 sln Р
х
2x2
qл = ~2 ~ q<*>e
(erf t2 — er f/,),
(3.15)
гд е
_
М
qc° — jfe,(l + п ) х е
ф0а! sin р , ____________ х _______
/.
х л/2
фо л/2 sin Р (а' — Li sin Р)
cos |
~
фо л/2 sin Р
(* = 1 > 2 ),
t
erf / = —7— \
V* о
(3.16)
e~ v dl.
Е с л и р а с с м а т р и в а т ь и с т о ч н и к с о б щ е й д л и н о й 2 /0, к к о т о р о м у
в е т ер н а п р а в л е н п е р п е н д и к у л я р н о (р = 0 ), при чем н а ч а л о к о о р д и ­
н а т в ы б р а н о в ц е н т р е и с т о ч н и к а , то
__
1 Л
У Л- U
У—I
Д л я расчета р ассеи ван и я п ро м ы ш л ен н ы х вы бросов от линейны х
источников ну ж н о у ч и т ы в а т ь т а к ж е н а ч а л ь н ы й п о д ъ е м А Н . В э т и х
ц е л я х Б е р л я н д и д р . (1974) и с п о л ь з о в а л и р е з у л ь т а т ы э к с п е р и м е н ­
тов в а э р о д и н а м и ч е с к о й т р у б е ( А б р а м о в и ч , I 9 6 0 ) , с о г л а с н о к о т о ­
рым д ля источника с прям о у го л ьн ы м сечением р азм ер о м I X d ве­
лич ину А Н м ож н о о п р е д е л и т ь по ф о р м у л е , п о л у ч е н н о й д л я с л у ч а я
кру гл о го сечения, но с э ф ф е к т и в н ы м р а д и у с о м R e = l d / ( l + d ) , при
условии, что с р е д н я я с к о р о с т ь у н о с а w 0 в о б о и х с е ч е н и я х о д и н а ­
к о в а . П о н я т и е э ф ф е к т и в н о г о р а д и у с а о б о б щ а е т с я и на с л у ч а й д о ­
стато ч но д ли н н ого и с т о ч н и к а . П р и l ^ > d , п о л у ч и м R e = d .
Д л я п р и б л и ж е н н о г о о п р е д е л е н и я н а и б о л ь ш е й к о н ц е н т р а ц и и см
о т линей ного и с т о ч н и к а в (3.13) п о д с т а в л я е т с я в ы р а ж е н и е д л я
к о н ц е н т р а ц и и от т о ч е ч н о г о
источника
c = c MS i ( x / x M) s 2 [ u M ( y / x ) 2\
д л я и = и м в с о о т в ет с т в и и с (3.6) и (3.7) и а н а л о г и ч н о е в ы р а ж е ­
нию д л я с л у ч а я и ф и и . П р и э т о м и с п о л ь з у е т с я у к а з а н н о е з н а ч е н и е
R e и со о тветств ен н о V i e = n R 2 WQ.
Т о гда д л я а э р а ц и о н н о г о ф о н а р я , п р е д с т а в л я ю щ е г о со бой л и н е й ­
ный источн ик д л и н о й I с к о о р д и н а т а м и его г р а н и ц L \ и L % по оси
у , согл асн о (3 .13 ) п о л у ч а е м , что
=
где
(3.18)
и'
и х ' — в е л и ч и н ы с м, и м и х м д л я
т о че ч н о го источМ М
м
н и ка, р а с с ч и т а н н ы е п р и R o = R e , V i = ' V i e и з н а ч е н и и М , р а в н о м о б ­
щ е м у в ы б р о су п р и м е с и из всего а э р а ц и о н н о г о ф о н а р я .
И з ф о р м у л ы (3.18) с л е д у е т , что к о н ц е н т р а ц и я по н а п р а в л е н и ю
в е т р а у б ы в а е т з н а ч и т е л ь н о м е д л е н н е е , чем в д р у г и х н а п р а в л е н и я х .
П о э т о м у н а и б о л ь ш и е з н а ч е н и я ее д о с т и г а ю т с я в с л у ч а е , к о г д а в е ­
тер н а п р а в л е н в д о л ь л и н и и и с т о ч н и к а , т. е. п ри (3 = 90°. Д л я эт о г о
с л у ч а я м а к с и м у м к о н ц е н т р а ц и и см. л с о о т в е т с т в у ю щ е е ем у р а с с т о я ­
ние х м _ л от ц е н т р а а э р а ц и о н н о г о ф о н а р я и о п а с н а я с к о р о с т ь и м . л
определяю тся соотношениями:
с' ,
См. л = = СМ53 ( f / X м), Хм. л =
Хщ, л^4 ( i f Хм) ~Ь ^/2 1
(3.19)
U m . л = = Чм
при и н те р п о л я ц и о н н ы х в ы р а ж е н и я х :
д /м —
1 + 0 ,4 %
1 .....
1 + 0 ,4 5 £ + 0 ,1 £ 2 ’
4
1 + 0 ,6 1
’
1 = 1 / Хи.
В с л у ч а е к о г д а ве т ер н а п р а в л е н п е р п е н д и к у л я р н о к л и н и и и с­
точника ( р = 0 ), ко н ц ен тр ац и я в точке ( х , у ) при и — и к оп ред е­
л я е т с я по ф о р м у л е
Сл =
—
Si (•Х/ Хи ) [(\
+ (1- ^
+
М
—J - ) S s
^
( 2y + l
'
г Г - “ “) ] •
Um)
<3 -20>
73
где
s 5 (£, и м) = 0 ,6 —р = у и м
при
им
< 0,5,
В (3.20) д л я д о с т а т о ч н о б о л ь ш и х х ( * » / ) м н о ж и т ел ь в к в а д ­
р а т н ы х с к о б к а х п р а к т и ч е с к и р а в е н 2 s 2 { \ y \ l x ) \ то гд а сл с о в п а д а е т
с в ы р а ж е н и е м д л я с у от т о ч е ч н о г о и сто чн и к а.
ум
/ ООО г - а )
г- б )
800
600
Lz
иоо
200
о
Рис. 3.4. П оле концентраций от линейного источника при 0 = 9 0 ° (а ), 0 = 30° (б)
и р = 0 ° (е ).
Н а рис. 3.4 п р е д с т а в л е н ы р е з у л ь т а т ы р а с ч е т а сл при / = 500 м
и и = 2 м/с. Н а эт о м р и с у н к е и з о б р а ж е н ы изолинии сл/ с 'г д л я трех
н а п р а в л е н и й в е т р а. И з р а с ч е т о в с л е д у е т , что в случае, ко г д а ветер
н а п р а в л е н в д о л ь и с т о ч н и к а (р = 9 0 °), м а к с и м у м кон ц ен трац и и з н а ­
ч и тел ьн о б ольш е, чем при д р у ги х н а п р а в л е н и я х ветра. Ч е м м еньш е
различаю тся направления ветра и линии
источника, тем б л и ж е
к подветренному краю источника полож ение м аксимума концен­
т р а ц и и и тем б о л ь ш е с а м м а к с и м у м .
К а к и в с л у ч а е т о ч е ч н ы х и с т о ч н и к о в , по о ж и д а е м ы м зн а ч е н и я м
с кор ости в е т р а и у ст о й ч и в о с ти а т м о с ф е р ы , а т а к ж е по зн а ч ен и ю
в ы б р о с а с п о м о щ ь ю п р и в е д е н н ы х ф о р м у л мож но о п р ед ел и ть п р о ­
г н о зи р у ем ы е з н а ч е н и я к о н ц е н т р а ц и й от линейны х источников.
П р и а н а л и з е з а г р я з н е н и я в о з д у х а зн а ч и т е л ьн о е в н и м ан и е п р и ­
в л е к а ю т с л у ч а и н а з е м н ы х и сто чн и к ов , д л я которых отсутствует н а ­
ч ал ь н ы й п о д ъ е м при м еси . Т а к и е ист о ч н и к и во зн и каю т при р а з р ы в е
т р у б о п р о в о д о в , и с п о л ь з у е м ы х , н а п р и м е р , д л я тра н сп о р т и р о в к и п р и ­
ро д н о го г а з а и а м м и а к а . К ним о т н о с я т с я т а к ж е а в т о т р а н с п о р т ,
у ч а с т к и п р о л и т ы х л е г к о к и п я щ и х и л е т у ч и х ж и д к о сте й ( а м м и а к а ,
74
р а с т в о р и т е л е й и т. п .) , п р у д ы -о т с т о й н и к и , н е к о т о р ы е
промплощ адки, карьеры и др.
Во м ногих с л у ч а я х к о н ц е н т р а ц и я п р и м е с и о т н а з е м н о г о и с т о ч ­
ни ка м о ж е т б ы т ь о п р е д е л е н а из п р и в е д е н н ы х в ы ш е ф о р м у л без
уч ет а н а ч а л ь н о г о п о д ъ е м а А Н , т. е. п о л а г а я в н и х вы с о ту и с т о ч ­
н и ка ра в н о й нулю .
В к а ч е с тв е н а з е м н о г о и с т о ч н и к а л и н е й н о г о т и п а н е р е д к о п р е д ­
с т а в л я ю т с о в о к у п н о с т ь а в т о м а ш и н , д в и г а ю щ и х с я в д о л ь у л и ц ы или
а в т о тр а с с ы . Р а с ч е т к о н ц е н т р а ц и и q n д л я него п р о и зв о д и т с я по
ф о р м у л а м (3.15) и (3.17) при a i = 0. В с л у ч а е д о с т а т о ч н о п р о т я ­
ж ен н о го п о т о к а м а ш и н , к о г д а его м о ж н о р а с с м а т р и в а т ь к а к б е с ­
конечно д л и н н ы й и с т о ч н и к , п р и п е р п е н д и к у л я р н о м н а п р а в л е н и и
в е т р а ( р = 0 ) в с о о т в е т с т в и и с р а б о т о й Б е р л я н д а (1963) >
1Ж
u\z^ "Ьп
Чл= - ^ - е ~ “ +">■*.* ,
(3.21)
где
a, =
l / ( / t - f 1).
(3 .2 2 )
Б е р л я н д и д р . ( 1 9 7 9 а ) , Г е н и х о в и ч и Ч и ч е р и н (1979) п о л у ч и л и
р еш ен ие д л я б о л е е о б щ е г о с л у ч а я и з м е н е н и я с к о р о с т и в е т р а и к о ­
э ф ф и ц и е н т а о б м е н а k z с в ы с о т о й z с о г л а с н о ( 2 .8 ). И з иего с л е д у е т ,
что при у ч ете л о г а р и ф м и ч е с к о г о р а с п р е д е л е н и я и и при и зм е н ен и и
kz с 2
по м о д е л и с « и з л о м о м » н а в ы с о т е п р и з е м н о г о с л о я
вид в ы ­
р а ж е н и я (3.21) д л я q *
с о х р а н я е т с я , но к о э ф ф и ц и е н т a i о п р е д е ­
ляется следую щ им образом :
а, = 0 , 8 3
а, = 0 , 5
при
£ ,< 0 ,5 7 ;
+ 0 ,44 д / l l
пРи Ei > 0 ,57.
(3 .2 3 )
Здесь
2(oz*
In
z \
~t~ Zp
Zq
где cdz — в е р т и к а л ь н а я с о с т а в л я ю щ а я у г л о в о й с к о р о с т и в р а щ е н и я
З е м л и . П р и эт о м в с о о т в е т с т в и и с (2.12) у ч те н о , что /i = O,O5^i / 2 i 0 z.
И з с о п о с т а в л е н и й д а н н ы х р а с ч е т а к о н ц е н т р а ц и и по ф о р м у л е
(3.21) при з н а ч е н и я х ai, о п р е д е л я е м ы х по (3.22) при п = 0,2 и по
(3.23), п ол уч е н ы о д и н а к о в ы е р е з у л ь т а т ы д о р а с с т о я н и я х \ =
0,207«i
__
-- --------------------- . К а к
,
CDZIn
21
+20
вид но ,
Xi
у в ел и ч и в ается с ростом
т.
2о
и с п о л ь з о в а н и е (3.21) при (3.22) в е д е т к з а н и ж е н и ю
б о л е е б ы ст р о м у у б ы в а н и ю q „ с у в е л и ч е н и е м х .
x > x t
_
Для
q n
и
75
В с л у ч а е к о г д а ось х , н а п р а в л е н н а я по скорости в етра, с о с т а в ­
л я е т с а в т о м а г и с т р а л ь ю у г о л а и н а ч а л о к о о р д и н а т с о в п а д а е т с се­
рединой линейного источника длиной L ,
л
<7л = 0
при
о ю м
t .—
х
L
^
------2 ~ cos а >
а и)
X
2k\ | у cos ct— х sin а |
4
_
> -L
у
2
Q, 83М [ 1 - sign (у — X tg a) erf U]
2k\ | у cos а — x sin a |
— ~ cos а <
x
^
< -^-co sa,
(3.24)
где
У -----S- sin a
/ --f 3 --------------.
фо У 2
Z
4 __
*4 —
у -j— cT sin a
------cos
Z
фо л /2 + “ ^ “ sin a)
З д е с ь ф 0— с р е д н е е к в а д р а т и ч е с к о е о т к л о н е н и е н а п р а в л е н и я в е т р а.
В н е п о ср е д с тв е н н о й б л и зо с т и от п о т о к а а в т о м а ш и н в с л ед с т в и е
и х д в и ж е н и я н е с к о л ь к о у с и л и в а е т с я т у р б у л е н т н ы й обмен, что с п о ­
со б ств ует п е р е м е ш и в а н и ю в ы б р а с ы в а е м о й прим еси в нек отор ом
н а ч а л ь н о м о б ъ е м е . П р о т я ж е н н о с т ь п о с л е д н ег о по в е р т и к а л и п р и ­
м ерно с о в п а д а е т со средн ей в ы со то й а в т о м а ш и н d . И зм е н е н и е к о н ­
ц е н т р а ц и и на в ы с о те на к р а ю а в т о м а г и с т р а л и п р и б л и ж е н н о о п р е ­
д е л я е т с я р е ш е н и е м у р а в н е н и я д и ф ф у з и и от линейного источн ика,
с о о т в ет с т в у ю щ и м зн а ч е н и ю х = х о , п р и котором к о н ц е н т р ац и я на
у р о в н е d у б ы в а е т в е р а з по с р а в н е н и ю с наземной.
И з (3.21) и (3.22) д л я q n п о л у ч а е м
* - i r w
i r -
( 3 -2 5 )
Р а с ч е т ы к о н ц е н т р а ц и й п р о и з в о д я т с я д л я х > а'о.
П р и п р о гн о зе з а г р я з н е н и я в о з д у х а от ав т о м а ш и н сл е д уе т и м е ть
в виду, что их к о л и чество д н е м зн а ч и т е л ь н о у в ел и ч и в ается . П о ­
эт о м у в д н е в н о е в р е м я м огу т н а б л ю д а т ь с я на и б о л ьш и е к о н ц е н т р а ­
ции, н е с м о т р я на то, что д л я н а з е м н о г о источника н е б л а г о п р и я т ­
н а я с т р а т и ф и к а ц и я я в л я е т с я ин верси он н ой , больш ей ч астью с о о т ­
в е т ст в у ю щ е й
ночном у врем ени. И н о г д а использую тся и д р у ги е
с р а в н и т е л ь н о пр о с т ы е ф о р м у л ы д л я р а с ч е т а концентраций от а в т о ­
м а ш и н на а в т о т р а с с а х . Ц и м е р м а н и То м псо н подготовили с п р а в о ч ­
ное п о со б ие по р а с ч е т у з а г р я з н е н и я в о зд у х а от т р ан с п о р т н ы х по­
т о к о в ( Z i m m e r m a n , T h o m s o n , 1975). В р а б о т е М а н а и др. ( M u n n
et al., 1972) п р и в о д и т с я ф о р м у л а Д ж о н с о н а и др. д л я к о н ц е н т р а ­
ции С О на го р о д с к о й улице, р а с с м а т р и в а е м о й к а к некий кан ьон
(рис. 3.5 ). П р и это м в ы д е л я е т с я п о д в е т р е н н а я и н а в е т р е н н а я с т о ­
р о н ы у л ицы . К о н ц е н т р а ц и я ( м л н - 1 ) от а в т о м аш и н на п о д в е т р е н ­
76
ной и н а в е т р е н н о й с т о р о н а х о п р е д е л я е т с я с о о т в е т с т в е н н о по ф о р ­
мулам
/7
_____________ 0 , 0 7 N i ______________
( 0 ,5 + и 0) ( 2 + У * 2 + z 2) ’
а
—
Я л~
^
(>
'
.
0.07Л^1
D i ( 0 , 5 + «о)
»
V ' 2 ')
где N i — ч исло а в т о м а ш и н в 1 ч, и о — с к о р о с т ь в е т р а
(м /с ) на
уровне крыш , D i — ш ирина улицы (м етр ы ), х и z координаты
точк и н а б л ю д е н и я ( м е т р ы ) .
Рис. 3.5. Схема распространения вы бросов от автомаш ин на улицах города.
Н а з е м н ы е и с т о ч н и к и , п р и с т р о г о м о п р е д е л е н и и этого п о н я т и я ,
не им ею т н а ч а л ь н о г о п о д ъ е м а , т а к к а к они о т н о с я т с я к ф и к с и р о ­
ванн ой вы со те Н = 0. В э т о м с л у ч а е из ф о р м у л ы (3 .2 1 ), а т а к ж е
из д р у ги х а н а л о г и ч н ы х ф о р м у л с л е д у е т , что к о н ц е н т р а ц и я п р и ­
меси н е о г р а н и ч е н н о р а с т е т п ри у б ы в а н и и с к о р о с т и в е т р а и к о э ф ­
ф и ц и ен та о б м е н а ’ до н у л я . В э т о м з а к л ю ч а е т с я с у щ е с т в е н н о е о т ­
л ич ие от с л у ч а е в п р о м ы ш л е н н ы х и с т о ч н и к о в , д л я к о т о р ы х х а р а к ­
терно н а л и ч и е н а ч а л ь н о г о п о д ъ е м а А Н . И м е н н о в с л е д с т в и е того,
что при и->- 0 з н а ч е н и е А / / - * - о о , д л я п р о м ы ш л е н н ы х и ст о ч н и к о в
значение опасной скорости ветра, соответствую щ ее м акси м у м у н а ­
зем ной к о н ц е н т р а ц и и , о т л и ч н о от н у л я , что п о з в о л я е т н о р м и р о в а т ь
вы бросы .
П р и в е д е н н ы е ф о р м у л ы д л я н а з е м н о г о и с т о ч н и к а не п о з в о л я ю т
о с у щ е с т в л я т ь н о р м и р о в а н и е , ибо и з ни х с л е д у е т , ч то п р и с к о л ь
угодно м а л о й м о щ н о с т и и с т о ч н и к а в с л у ч а е ш т и л я и с л а б о й т у р б у ­
л ен тн о сти к о н ц е н т р а ц и я м о ж е т б ы т ь б о л ь ш е л ю б о г о н а п е р е д з а ­
д ан н о го у р о в н я . О б ъ я с н я е т с я э т о т е м , что д а н н ы е ф о р м у л ы п о л у ­
чены в р е з у л ь т а т е р е ш е н и я у р а в н е н и я д и ф ф у з и и д л я у с т а н о в и в ш е ­
гося с о с то я н и я без у ч е т а д и ф ф у з и и по н а п р а в л е н и ю в е т р а .
77
В д е й с т в и т е л ь н о с т и , п р и м а л ы х с к о р о с т я х ветр а и м а л о м к о э ф ­
фициенте турбулентности значительно возрастает п р од олж итель­
ность в р е м е н и п е р е н о с а п р и м е с и о т и сто чн ик а до точки н а б л ю д е ­
ний. Э то в е д е т к том у, что в р е м я у с т а н о в л е н и я п р о ц е сс а в е л и к о и
т р е б у е т с я р е ш е н и е н е с т а ц и о н а р н о г о у р а в н е н и я д иф ф у зи и . П р и т а ­
ки х у с л о в и я х н е л ь з я п о л а г а т ь , что п а р а м е т р ы за д а ч и , х а р а к т е р и ­
з у ю щ и е м е т е о р о л о г и ч е с к и е у с л о в и я и в ы бросы , о с т аю т ся н е и з м е н ­
н ы м и в т е ч е н и е в е с ь м а д л и т е л ь н о г о врем ени. О бы чно в п ри зем но м
с л о е п о л н о е б е з в е т р и е и л и очень г л у б о к и е инверсии п р о д о л ж а ю т с я
всего л и ш ь н е с к о л ь к о ч ас о в . Ч а с т о огранич ено и в р е м я д е й с т в и я
ис т о ч н и к а . Н а п р и м е р , в с л у ч а е а в а р и и га зо п р о в о д а утечк а г а з а
м о ж е т быть п р и о с т а н о в л е н а з а 1 — 2 ч.
В р а б о т е Б е р л я н д а и д р . (19 7 7 а ) р а с с м а т р и в а е т с я общий п о д ­
х о д к у ч ету н е с т а ц и о н а р н о с т и р а с п р о с т р а н е н и я примесей от н а з е м ­
ного и с т о ч н и к а в ц е л я х о п р е д е л е н и я н е б л а го п р и я тн ы х м е т е о р о л о ­
гич еских ус л о в и й и р а з р а б о т к и принципов р е гу л и р о в а н и я вы б р осов
при т а к и х у сл о в и я х .
В ы р а ж е н и я д л я к о н ц е н т р а ц и й , отнесенны е к 2 = 0 и у = 0, д л я
точечного ( q ) и л и н ей н о го ( q ' ) источников, з а п и с ы в а ю т с я в с л е ­
д у ю щ е м виде:
q =
где
q
i и
M q \ {t,
q \
х,
cli),
q' =
M q[{t,
x,
a t)
(i =
1, 2, . . . ) ,
(3.28)
— ф ункц ии, к о т о р ы е н а х о д я т с я в р е зу л ь т а т е р е ш ен и я
н е с т а ц и о н а р н о г о у р а в н е н и я д и ф ф у зи и . В них, кром е t и х , в ы д е ­
л е н ы м е т е о р о л о г и ч е ск и е п а р а м е т р ы а*, в том числе скорость вет р а
Mi, в ы с о та п р и зе м н о г о с л о я h и к о э ф ф и ц и е н т обмена k при z ^ /г,
а т а к ж е б е з р а з м е р н ы е х а р а к т е р и с т и к и в е р т и ка л ьн ы х
п р о ф и л ей
с ко р о с т и в е т р а и к о э ф ф и ц и е н т о в д и ф ф у зи и. З н ач е н и я этих п а р а ­
м етро в , при к о то ры х д л я д а н н ы х t и х ко н ц е н т р а ц и я д о ст и г а е т
м а к с и м у м а , у с т а н а в л и в а е т с я из у с л о в и я
(3.29)
Н а ос н о ва н и и со в м естн о го р е ш е н и я системы (3.28) м о ж н о з а ­
п и сать, что u M = u M { t , х ) , k M = k K ( t , х ) , h M = h M { t , х ) . Д л я д р у ги х
Oi а н а л о г и ч н о : а ы = а т ( ( , х ) . И з с о о б р а ж е н и й р а зм е р н о с т и сл едует,
что
X
мм— С] - ,
k u — С2
X
j
, hf&
С3 Х,
(3.30)
где с ь с 2 , с 3 — по стоянны е.
Т а к и м о б р а з о м , д л я о п р е д е л е н н ы х значений t и х у с т а н а в л и ­
в а ю т с я свои п о к а з а т е л и н е б л а г о п р и я т н ы х условий погоды. Т ак, при
д а н н о м t и м а л ы х х о п а с н ы м и я в л я ю т с я небольш ие зн а ч е н и я с к о ­
ро с т и в е т р а мм и к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а k M. С ростом р а с с т о я н и я х
от и с т очн и к а о п а с н ы е з н а ч е н и я мм и k M у в ел ич ив аю тся. С л едует,
о д н а к о , у ч и т ы в а т ь , что д а н н о е у в е л и ч ен и е в о зм о ж н о в п р е д е л а х
р е а л ь н ы х и зм е н ен и й р а с с м а т р и в а е м ы х п а р а м е т р о в u i, k и др. Это
78
в е д е т к том у, что п р и м е н и м о с т ь п о л у ч е н н ы х р е з у л ь т а т о в при з а ­
д а н н о м в р е м е н и t о г р а н и ч е н а з н а ч е н и я м и х < . х *, гд е я* о п р е д е ­
л я е т с я в з а в и с и м о с т и от м а к с и м а л ь н ы х з н а ч е н и й мм, k K , Ам и р а ­
стет при у в е л и ч е н и и в р е м е н и д и ф ф у з и и t .
П р и п о д с т а н о в к е р е ш е н и я (3.29) в (3.28) н а х о д я т с я в ы р а ж е н и я
длям аксим альны х концентраций
о т т о ч еч н о г о
(</м) и
линей­
ного ( q ' u ) и с т о ч н и к о в. И з с о о б р а ж е н и й р а з м е р н о с т и сл ед у е т , что
__
qu =
гд е
'
__ А 2A4t
/л
—73----- , <Ум = —^ 2 - ,
Л i и А .2 — п о с т о я н н ы е .
Зави си м ость q w и q ' от
х
при ф и к с и р о в а н н о м
(3.31)
t,
с о г л а с н о (3.31),
о п р е д е л я е т о г и б а ю щ у ю к р и в у ю и л и м а ж о р а н т у , п о д ко т о р о й р а с ­
п о л а г а ю т с я все з н а ч е н и я к о н ц е н т р а ц и й н а з е м н о г о и с т о ч н и к а, р а с ­
счи та н н ы е д л я п р о и з в о л ь н ы х у с л о в и й п о го д ы . И з с к а з а н н о г о по
повод у у ч ет а р е а л ь н о в о з м о ж н ы х и з м е н е н и й с к о р о с т и в е т р а и п а ­
р а м е т р о в т у р б у л е н т н о г о о б м е н а с л е д у е т , что з н а ч е н и я д л я н а з е м ­
ной к о н ц е н т р а ц и и , п о л у ч а е м ы е по (3 .3 1 ), н у ж н о р а с с м а т р и в а т ь
к а к нх о ц е н ку сверх у.
В пр о с т е й ш е м с л у ч а е , при ш т и л е и п о с т о я н н ы х з н а ч е н и я х к о э ф ­
ф ици ентов т у р б у л е н т н о с т и , п о л у ч а е м , что A i и с 2 в (3.31) и (3.30)
о п р е д е л я ю т с я по ф о р м у л а м
А ------i f
erf П,
=
где г] — к о р е н ь у р а в н е н и я у
erf ст) = т).
С огласно
расчетам,
г) = 0 , 8 4 и т о г д а ^ 1 = 0,11, Сг = 0,35. В с л у ч а е л и н е й н о г о и с т очн и к а
ан ал о ги ч н о н а х о д я т с я : Л 2 = 0,17 и Са = 0,25. И з в ы р а ж е н и я д л я q
в случае слабого турбулентного обм ен а
при и ф Ъ сл е д у е т , что
Ci = l .
В об щ ем с л у ч а е р е ш е н и е н е с т а ц и о н а р н о г о у р а в н е н и я д и ф ф у з и и
с к о э ф ф и ц и е н т а м и , з а в и с я щ и м и о т в ы с о т ы , с о г л а с н о ( 2 .8 ) , н а х о ­
д и т с я численно. П р и э т о м о к а з ы в а е т с я э ф ф е к т и в н ы м и с п о л ь з о в а ­
ние м е тод а р а с щ е п л е н и я ( М а р ч у к , 1973),
п о з в о л я ю щ е г о свести
сл о ж н у ю
задачу
реш ения у р авн ени я с четы рьм я переменными
(в р е м я и п р о с т р а н с т в е н н ы е к о о р д и н а т ы ) к с и с т е м е б о ле е про сты х
у р ав н е н и й с д в у м я п е р е м е н н ы м и .
С о гл а сн о в ы п о л н е н н ы м р а с ч е т а м , п о л у ч е н о , что в с л у ч а е л и ­
нейного и с т о ч н и к а с д л и т е л ь н о с т ь ю д е й с т в и я 7 \t = 20 с и при т —
= 2 м/с, fei = 0,2 м /с, /i = 50 м в з а в и с и м о с т и q \ М от t в ы я в л я е т с я
о тчетл ивы й м а к с и м у м . С о о т в е т с т в у ю щ е е е м у в р е м я t п р и н и м а е т
р а зн ы е з н а ч е н и я д л я р а з л и ч н ы х х . Т а к , при х = 4 0 м м а к с и м у м
д о ст и г а е т с я п р и t = 32 с, п р и х , р а в н ы х 20 и 10 м, з н а ч е н и я t со­
ответственно р а в н ы 23 и 16 с. О д н а к о м а к с и м а л ь н ы е
зн а ч е н и я
q ' f M у м е н ь ш а ю т с я с у д а л е н и е м от и с т о ч н и к а .
79
3.3.
П рогноз
загрязнения
инт егральных характеристик
воздуха
от п л о щ а д н о г о
источника
В некоторы х городах или отдельных районах города имеется
с р а в н и т е л ь н о много о д н о т и п н ы х источников с при м ерн о о д и н а к о ­
вой в ы с о той Я , о в ы б р о с а х к о т о р ы х в о т дел ьно сти нет д о с т а т о ч н ы х
с ве д е н и й . В м е с т е с тем , п р и б л и ж е н н о известны их с у м м а р н ы е в ы ­
б р о с ы и о р и е н ти р о в о ч н о м о ж н о у с т а н о в и т ь н ач а ль н ы й под ъем д л я
о т д е л ь н ы х и сточн и к о в. Э то х а р а к т е р н о , н ап рим ер , д л я источн иков
б ы то в о го о т о п л е н и я с б о л ь ш и м числом д ы м о вы х труб, р а с с р е д о т о ­
ч ен ны х по п л о щ а д и .
В этих с л у ч а я х у д о б н о с о с т а в л я т ь прогноз кон ц ен трац и и п р и ­
м еси д л я п л о щ а д н о г о и с т о ч н и к а вы сотой Я и с н а ч а л ь н ы м п о д ъ ­
ем о м А Н , к а к бы с у м м и р у ю щ е г о д ей с тви е совокупности о т д е л ьн ы х
и с т о ч н и к о в точеч н о го ти п а . В м е с т е с тем, р а с с м а т р и в а е м ы е и сто ч ­
ники не д о л ж н ы р а с п о л а г а т ь с я д р у г к д р у гу столь б ли зко , чтобы
т р е б о в а л с я у ч е т г и д р о д и н а м и ч е с к о г о в за и м о д е й с т в и я их д ы м о в ы х
ф а к е л о в на у ч а с т к е н а ч а л ь н о г о п о д ъ ем а .
И н о г д а г о р о д м о ж н о п р е д с т а в и т ь в виде н еск о льк и х п л о щ а д ­
ных источн иков, к а ж д ы й из к о т о р ы х х а р а к т е р и з у е т с я группой и с ­
точн иков, б л и з к и х м е ж д у собо й по в ы со те и п а р а м е т р а м в ы б р о са .
В т а к и х с л у ч а я х р а с ч е т ы п о л я с у м м а р н о й к о н центр аци и в го ро де
п р о и з в о д я т с я путем с у п е р п о з и ц и и полей от отдельны х источников.
В р а б о т е Б е р л я н д а и др. (1 9796) получены ф о р м у л ы д л я предв ы ч и с л ен и я и н т е г р а л ь н ы х х а р а к т е р и с т и к за г р я з н е н и я в о зд у х а от
п л о щ а д н о г о ис т о ч н и к а н а о сн о в а н и и ин тегр и р ов ан и я по п л о щ а д и
в ы р а ж е н и я т и п а (2.41) д л я q x — ко н ц е н т р а ц и и от точечного и с ­
т о ч н и к а . П р и э т о м п о л а г а е т с я , ч то q T соответствует источнику, р а с ­
п о л о ж е н н о м у в то ч к е ( х и , у и , Я ) , и оп ре д е л яе т с я ф о р м у л о й
{У-УиУ
(* _ * „ ),
Фо
У2я
(3.32)
(х — х и)
где q ' — к о н ц е н т р а ц и я от л и н е й н о го источника, д л я которой на о с ­
н о ве и н т е р п о л я ц и и ч и с л ен н о го решения- оп р е д е л яе т с я соо тно ш ен ие
q
=
q*s
(g , v).
Здесь
где
_
лм ---
80
u , f f ( u + 4 ,7 |)
( 3 .3 3 )
П ол агается, что р а с с м а т р и в а е м ы й город имеет ф орм у прям огольника со сторонам и L i и Lz, соответственно вдоль и поперек
аправления ветра, а н ач ал о ко о р д и н а т со в п а д а е т с серединой наетренной границы города. Тогда кон ц ен трац и я q n от площ адного
сточника оп ределяется в ы р а ж ен и ем
П осле подстановки
ч ае м , что при
L zlL i
?П
=
(3.34) в (3.37) и н е к о т о р ы х у п р о щ е н и й п о л у ­
^
SeV 2 фо
С (I)
[Фа (V ,
а) -
уФ2 (V , а)],
(3.38)
где
а
___
фо^1
dt,
a = L i/x u, у = д /- ^ L
о
П р и п о д с т а н о в к е s ' ( f , v) из (3.33) в и н т е г р а л <I>2 (v, а ) , посл ед н и й
п р е д с т а в л я е т с я а н а л и т и ч е с к и м в ы р а ж е н и е м типа (3.36), при чем
2 (v,- а) = $ ( l — ~ ) s ' ( t , v)
С\ —
4,32 — 1,11 v — 0,23v2, c 2 = 85v“ 1,12;
Xi = 0,99 — 0,32v, х 2 = 0 ,8 8 — 0,54v.
И з приведенных формул д ля q a и условия d q n / d x = 0 нахо­
д и т ся в ы р а ж е н и е д л я м а к с и м а л ь н о й к о н ц е н т р а ц и и q n . м по н а п р а в ­
л е н и ю х с у ч е т о м и з м е н е н и я в ы с о ты и с т о ч н и к а з а счет н а ч а л ь н о г о
п о д ъ е м а А Н , к а к э т о с д е л а н о д л я то чеч н ого исто чн ика. З н а ч е н и е
А Н п р и б л и ж е н н о о п р е д е л я е т с я по ф о р м у л е (2.57) д л я о т д ел ь н ы х
источников, из к о т о р ы х с о с тои т п л о щ а д н о й источник.
В ы п о л н е н н ы е в р а б о т е Б е р л я н д а и др. (19796) р а сч е т ы п о з в о ­
л и л и у с т а н о в и т ь о п а с н ы е з н а ч е н и я ско р о с т и в е т р а u i и з н а ч е н и е
коэффициента обмена k \.
Н а рис. 3.6 д л я с л у ч а я L z ^ L i п р е д с т а в л е н а з а в и с и м о с т ь б е з ­
р а з м е р н о г о м а к с и м у м а к о н ц е н т р а ц и и - ^ - Я с о 2^п. м от б е з р а з м е р н о г о
аргумента
x = x ) D
при р а з н ы х
H = H /D
и
L =
L /D ,
где
flM
D =
2(0* In 2 l + Z“
Zq
(oz = ( o s i n 9 (зд е с ь со — у г л о в а я с к о р о с т ь в р а щ е н и я З е м л и и ф —
ш и р о т а м е с т а ) , а т а к ж е при р а з н ы х з н а ч е н и я х п а р а м е т р а /, о п р е ­
д е л я е м о г о по ф о р м у л е (3 .3 ), и п а р а м е т р а
T aV l
м
Z q
’
где 6 Т а — р а з н о с т ь т е м п е р а т у р в о з д у х а в сл о е 0,5— 2 м. К р и в ы е
1 — 4 о т н о с я т с я к п р о т я ж е н н о с т и г о р о д а L = 10, а 1 а — 4 а — к L =
= 100 .
И з рис. 3.6 сл е д у е т , что м а к с и м у м q n . м д о с т и г а е т с я на н е к о т о ­
ром р а с с т о я н и и от п о д в е т р е н н о й г р ан и ц ы гор ода. В б л и зи н а в е т ­
р е н н о й с т о р о н ы г о р о д а н а и б о л ь ш и е з н а ч е н и я q n . м, к а к и д л я к о н ­
ц е н тр а ц и и от точеч но го и с т о ч н и к а , со о т в ет с т в у ю т з н а ч е н и я м п а р а ­
м е т р а Ь , х а р а к т е р н ы м д л я неус т о й ч и во го с ос то я н и я а т м о с ф е р ы .
П р и б о л ьш и х х ( х > 2 ) у с л о в и я , с о о т в ет с т в у ю щ и е б о лее вы с о к и м
концентрациям, стан овятся б ли ж е к безразличной стратификации,
82
к о гд а Ь ж О . О б ъ я с н я е т с я э т о т е м , ч то п ри п е р е х о д е от н е у с т о й ч и ­
вого с о с т о я н и я а т м о с ф е р ы к б е з р а з л и ч н о м у
скорость убы вания
к о н ц е н т р а ц и и q от э л е м е н т а р н ы х и с т о ч н и к о в , из к о т о р ы х с о с то и т
Зп.м Ь Н / М
Рис. 3.6. Зависимость максимальных значений q n. м1Н/М от относительного рас­
стояния х д о наветренного края города протяж енностью L = 10 (а) и L = 1 0 0 (б ).
I) Я —0,015, f - 0. Ь - 0, 2) Я —0,015, / - 0 , Ь— 0,2, 3 ) Я - 0 ,0 5 0 , f - 0 , 6 - 0 , 4) Я -0 ,0 1 5 , f - 1 0 0 , Ь - 0.
Рис. 3.7. Зависимость средн их по гор оду
значений q a. u l H jM от относительных
размеров гор ода L при / = 0 д л я 6 = 0 (а) и Ь = — 0,2 (б ).
площ адной
источник,
по д о с т и ж е н и и ее м а к с и м у м а н а ч и н а е т
у м е н ь ш а т ь с я . П р и н а л о ж е н и и р а с п р е д е л е н и й q от о т д е л ь н ы х и с­
точников п р о и с х о д и т с м е щ е н и е с у м м а р н о г о м а к с и м у м а q n . мН а рис. 3.7 д а н ы з а в и с и м о с т и с р е д н е й по г о р о д у б е з р а з м е р н о й
в ел ич ины
-^ q n .yJ S l
от п а р а м е т р а
L
при f = 0 и разны х
значениях
и Ь. И з р и с у н к а с л е д у е т , что q n . м с р а в н и т е л ь н о м а л о з а в и с и т
от зн а ч е н и й Ь , с о о т в е т с т в у ю щ и х н е у с т о й ч и в о й
и
безразличной
стратиф икациям. П о мере ж е увеличен ия
разм еров
источника
Н
б*
83
в л и я н и е у с т о й ч и в о с т и а т м о с ф е р ы п р о я в л я е т с я отчетливее. В с л у ч а е
а п п р о к с и м а ц и и q n . м от Я с т еп е н н о й ф ун кц и е й Я -06' о к а з ы в а е т с я ,
что а ' < 1 д л я м а л ы х Я и а ' ж А д л я с р а в н и т е л ьн о б о л ьш и х Я .
О п а с н ы е с к о р о с т и в е т р а д л я с р е д н е й по городу к о н ц е н т р а ц и и при
b >
0 т а к ж е с р а в н и т е л ь н о с л а б о з а в и с я т от р а с п р е д ел е н и я т е м п е ­
р а т у р ы в о з д у х а с в ы с о т о й и р а в н ы п р и м ерн о 0,5uiM.
В р е з у л ь т а т е м о ж н о с д е л а т ь в ы в о д , что в б л и зи н а в ет р е н н о й
с т о р о н ы г о р о д а н а и б о л ь ш и е з н а ч е н и я ко н ц ен трац и и д о с т и г а ю т с я
при
неу стой ч и в ой
стратификации
и скорости в е т р а, б л и зк о й
к о п а с н ы м с к о р о с т я м д л я о т д е л ь н ы х источников, из кот о р ы х с о ­
ст ои т п л о щ а д н о й источн ик. С у в е л и ч ен и е м р а с с т о я н и я от н а в е т ­
р ен н ой с т о р о н ы о п а с н о й с т а н о в и т с я б е з р а з л и ч н а я с т р а т и ф и к а ц и я ,
а з а т е м и у с т о й ч и в а я в с л у ч а е д о ст а т о ч н о больш ого г ор ода. О п а с ­
н а я с ко р о с т ь п ри эт о м у м е н ь ш а е т с я .
Р а с ч е т ы , в ы п о л н е н н ы е д л я с л у ч а я п р и под няты х инверсий, р а с ­
п о л о ж е н н ы х на у р о в н е э ф ф е к т и в н о й высоты источника, п о к а з ы ­
в а ю т , что д л я го р о д о в б о л ь ш о г о р а з м е р а н а з е м н а я к о н ц е н т р а ц и я
от п л о щ а д н о г о ис т о ч н и к а м о ж е т у в е л и ч и в а т ь ся в 5— 10 р а з ( Б е р ­
л я н д и др., 1984) по с р а в н е н и ю с соответствую щ ей к о н ц е н т р а ц и е й
при о тс утств и и п р и п о д н я т о й ин верси и.
В р а б о т а х Л у к а с а ( L u k a s , 19 58 ), М и л л е р а и Х о л ь ц в о р т а ( M il­
ler, H o lz w o r t, 1967), Х а н н а ( H a n n a , 1971) и др. т а к ж е р а с с м а т р и ­
в а е т с я го р о д к а к с о в о к у п н о с т ь м е л к и х источников, с р а в н и т е л ь н о
р а в н о м е р н о р а с п р е д е л е н н ы х по п л о щ а д и . С у м м а р н а я к о н ц е н т р а ­
ция у зе м н о й повер х н о ст и о п р е д е л я е т с я ими в р е зу л ь т а т е и н т е г р и ­
р о в а н и я по п л о щ а д и в ы р а ж е н и я д л я кон ц ен трац и и от точеч ного
и сто чн ик а с н е к о т о р ы м с р е д н и м з н а ч е н и е м э ф ф ек т и в н о й вы соты .
О б зо р р а б о т по и зуч ен и ю
атмосферной
д и ф ф у зи и
сделал
С. Х а н н а в кн и ге п о д ред. Х а у г е н а ( H a u g e n , 1975).
М а х о н и и И г а н (M a h o n e y , E g a n , 1972) теоретически и с с л е д о ­
в а л и в л и я н и е о с н о вн ы х м е т е о р о л о г и ч е с к и х ф а к т о р о в на к о н ц е н ­
т р а ц и ю п р и м е с и в го р о д е д л я о ц е н к и к о н центр аци и от с о в о к у п н о ­
сти а в т о м а ш и н , с т и л и з о в а н н о й п л о щ а д н ы м источником.
С епеш и ( S z e p e s i, 1984) и д р . в ы д е л я ю т в городе д в а т ипа и с­
т о чн иков: 1 ) с р а в н и т е л ь н о н и зк и е источники,
высотой м енее 50 м,
которые в совокупности р ассм атри ваю тся как площ адной источ­
ник; 2 ) о т д е л ь н ы е и сточн и к и в ы с о т о й б олее 50 м.
Г и ф ф о р д и Х а н н а (G ifford, H a n n a , 1973) п о л а г а ю т , что в го р о д е
с редн ю ю к о н ц е н т р а ц и ю q n от п л о щ а д н о г о источника м о щ н о с тью
М з а д л и т е л ь н ы й п е р и о д в р е м е н и м о ж н о опред ел ить по ф о р м у л е
СМ
,
<7п — — -------Ь <7ф>
/0 ог.ч
(3 .3 9 )
где и — с р е д н я я с к о р о с т ь в е т р а ,
С — эм п и р и ч е ск ая
константа,
<7Ф — ф о н о в а я к о н ц е н т р а ц и я . П о д ан н ы м н аб л ю д ен и й за к о н ц е н ­
т р а ц и е й q n в 24 г о р о д а х С Ш А п олучено, что С и зм е н я е т с я от 7 до
218, если в ы р а з и т ь q n в м г /м 3, М в м к г /м 2 и и в м/с. П р и р а с ч е т е
п о л я с р е д н е го д о в ы х к о н ц е н т р а ц и й во Ф р а н к ф у р т е ( Ф Р Г ) Х а н н а
84
и Г и ф ф о р д ( H a n n a , G if fo r d , 1977) п о л у ч и л и , что ^ф = 0,05 м г /м 3 и
С = 50. В ы б р о с ы из и с т о ч н и к о в о с р е д н я л и с ь
по к в а д р а т а м п л о ­
щ а д ь ю 16 к м 2. Р а с с ч и т а н н ы е к о н ц е н т р а ц и и с р а в н и в а л и с ь с д а н ­
ными н а б л ю д е н и й в п у н к т а х г о р о д а . К о э ф ф и ц и е н т к о р р е л я ц и и
м е ж д у д а н н ы м и р а с ч е т а и н а б л ю д е н и й с о с т а в и л 0,83. В ы д ел е н и е
нескольких о тдельн ы х источников больш ой м ощ ности сущ ествен­
н ы х уто чн ен ий не д а л о .
В р а б о т е Х а н н а ( H a n n a , 1978) д а е т с я т е о р е т и ч е с к а я о ц ен к а
величины С . С э т о й ц е л ь ю о п р е д е л я е т с я н а з е м н а я к о н ц е н т р а ц и я
от п л о щ а д н о г о и с т о ч н и к а п о с р е д с т в о м и н т е г р и р о в а н и я гауссо во го
в ы р а ж е н и я д л я к о н ц е н т р а ц и и от н а з е м н о г о т о ч е ч н о го исто чн ик а
по п л о щ а д и н е о г р а н и ч е н н ы х р а з м е р о в :
оо -{-оо
Qn
=
Г Г — ——
о -оо ЛиаУ°*
е
20 у
d x d y
или п р и б л и ж е н н о
где
oz= b
(см. ( 2 .5 1 ) ) .
В с о о т в ет с т в и и с р а б о т о й Г и ф ф о р д а и Х а н н а (G iffo rd , H a n n a ,
1973) п о л а г а е т с я , что н а к о н ц е н т р а ц и ю
<7п о к а з ы в а ю т основное
в л и я н и е источн ики, р а с п о л о ж е н н ы е в ц е н т р е п л о щ а д и , и их м о щ ­
ность п р и н и м а е т с я з а М . Т о г д а п р и д л и н е г о р о д а по х , р а в н о м L \
М Ц
_
_____________________
У 2 я а * ( М 2 ) (1 — Pi)
*
П р и Pi = 0,8
Яп
2ML,
ог (L J2)
*
П о л у ч ен н ы е з н а ч е н и я С в з а в и с и м о с т и о т L i п р и р а з л и ч н о й с т р а ­
т и ф и к а ц и и д а н ы в т а б л . 3.2.
Таблица S.2
Значения С при различной стратификации
L\ /2 км
С тр ати ф и к ац и я
1
Сильно устойчивая
Н еустойчивая
Равновесная
К ласс 5 (по П эсквиллу)
Устойчивая
41
46
73
121
341
10
100
51
63
115
215
662
63
87
182
380
1301
85
Г и ф ф о р д и Х а н н а по д а н н ы м н а б л ю д е н и й з а к о н ц е н т р а ц и я м и
п р и м ес е й у с т а н о в и л и т а к ж е с у т о ч н ы й х о д к о э ф ф и ц и е н т а С .
3.4.
Совокупность
рассредот оченных
источников
П р и п р о г н о з е н а и б о л ь ш е й к о н ц е н т р а ц и и от р а с с р е д о т о ч е н н ы х
по т е р р и т о р и и и ст о ч н и к о в в с т р е ч а ю т с я зн а ч и т е л ь н ы е трудн ости.
О н и з а к л ю ч а ю т с я в н е о б х о д и м о с т и р а с с м о т р е н и я п ол я к о н ц е н т р а ­
ций д л я р а з л и ч н ы х н а п р а в л е н и й в е т р а , к о г д а сущ ественно и з м е ­
н я е т с я в з а и м о р а с п о л о ж е н и е и с т о ч н и к о в , а т а к ж е м е с то п о л о ж е н и е
и величина м акси м альн ой концентрации.
Ф ормальный
п о д х од
к р е ш е н и ю д а н н о й з а д а ч и с о с то и т в р а с ч е т е п о л я ко н ц е н т р ац и й
в у з л а х н е к о т о р о й д о с т а т о ч н о гу сто й сетки точек. О т р е б у е м о м
р а з м е р е ш а г о в с е тк и и ч а с т о т е п е р е б о р а н а п р а в л е н и й в е т р а м о ж н о
су д и т ь т о л ь к о на о с н о в а н и и в е с ь м а т р у д о е м к и х ( д а ж е при и с п о л ь ­
зо в а н и и Э В М ) ч и с л е н н ы х р а сч е т о в .
Д л я р е ш е н и я это й з а д а ч и Б е р л я н д и О ни кул (1968) р а з в и л и
д ругой , б о л е е э ф ф е к т и в н ы й под хо д. Д л я р а с ч е т а к о н ц е н т р а ц и и
и с п о л ь з о в а л а с ь з а в и с и м о с т ь , с о г л а с н о котор ой с у в ел и ч ен и ем р а с ­
с т о я н и я от и с т о ч н и к а по н а п р а в л е н и ю в е т р а к о н ц е н т р а ц и я у б ы ­
в а е т з н а ч и т е л ь н о м е д л е н н ее , чем в д р у г и х н а п р а в л е н и я х . П о э т о м у
е сл и н е с к о л ь к о и сто чн и к ов г р у п п и р у ю т с я в б л и зи одной п р я м ой ,
то н а и б о л ь ш а я к о н ц е н т р а ц и я б у д е т в с л у ч а я х н а п р а в л е н и я в е т р а
в д о л ь этой п р я м о й . Н а э т о м о с н о в а н и и при о т ы с к а н и и м а к с и м а л ь ­
н ы х к о н ц е н т р а ц и й ц е л е с о о б р а з н о п р о и з в о д и т ь рас ч ет ы т о л ь к о д л я
н а п р а в л е н и й в е т р а в д о л ь лини й, с о е д и н я ю щ и х основн ы е по м о щ ­
ности и с р а в н и т е л ь н о у д а л е н н ы е о д и н от д р уго го источники. П ри
к а ж д о м н а п р а в л е н и и в е т р а о п р е д е л я ю т с я п о л о ж е н и я точек, с о о т ­
в е т с т в у ю щ и е м а к с и м а л ь н ы м к о н ц е н т р а ц и я м от к а ж д о г о о т д е л ь ­
ного ис т о ч н и к а. З а т е м д л я э т и х т о ч е к п р о и зв о д и т с я в ы чи сл ен ие
с у м м а р н о й к о н ц е н т р а ц и и при с р е д н е в з в е ш е н н о й о п асн ой скорости
в е т р а им. с, к о т о р у ю п р и б л и ж е н н о м о ж н о о п р е д е л и т ь по ф о р м у л е
л/У!
«„.с = -£=тг-------.
(3.40)
см(
1=1
где N — о б щ е е число источн ик о в, сМг и « Мг — зн а ч е н и я м а к с и м а л ь ­
ной к о н ц е н т р а ц и и и о п а с н о й с к о р о с т и в е т р а д л я г'-ro источника.
М н о г о ч и с л е н н ы е п р и м ер ы р а с ч е т а п о к а зы в а ю т , что п о л о ж ен и е
с у м м а р н о г о м а к с и м у м а п р а к т и ч е с к и б л и з к о к одной из у к а з а н н ы х
точек. В н е к о т о р ы х с л у ч а я х , к о г д а о п а с н а я скорость в е т р а д л я
о т д е л ь н ы х н а и б о л е е м о щ н ы х и ст о ч н и к о в u Mi зн а ч и т е л ь н о о т л и ч а ­
е т с я от им. с, р а с ч е т ы в е д у т с я и д л я д р у ги х скоростей в е т р а, к а к
п р а в и л о , р а в н ы х ым*. Э то д а е т в о з м о ж н о с т ь уто чн ить
расчеты
в о к р е с т н о с т я х и сто чн ик ов со с к о р о с т я м и и Мг, о т л и ч а ю щ и м и с я от
и м . с, и в м е сте с т ем п о з в о л я е т и з б е ж а т ь р а с ч е т о в д л я н е о п р е д е ­
л е н н о б о л ьш о г о ч и с л а з н а ч е н и й с к о р о с т е й ветр а.
86
В случае больш ого числа рассредоточенны х источников сущ ест­
венное з н а ч е н и е п р и о б р е т а е т с у м м и р о в а н и е к о н ц е н т р а ц и й н а с р а в ­
ни тел ьно б о л ь ш и х р а с с т о я н и я х о т них. П р и э т о м з а в е д о м о н е д о ­
статоч но в ы п о л н я т ь р а с ч е т д л я с р е д н е в з в е ш е н н о й в е л и ч и н ы о п а с ­
ной ск ор ости (3 .4 0 ). С л е д у е т у ч е с т ь , ч то д л я к а ж д о г о х и м е е т с я
сво я о п а с н а я с к о р о с т ь , т. е. в з а в и с и м о с т и к о н ц е н т р а ц и и от с к о р о ­
сти в е т р а и и м е е т с я о п р е д е л е н н о е з н а ч е н и е м а к с и м у м а и с о о т в е т ­
с т в у ю щ е е ем у з н а ч е н и е и ы х . Д л я б о л ь ш и х х оно м о ж е т с у щ е с т ­
венно о т л и ч а т ь с я от им, к о т о р а я о п р е д е л е н а д л я х = х и .
Э тот в о п р о с п о д р о б н о р а с с м о т р е н
в р а б о т е Б е р л я н д а и др.
(1 9 7 7 6 ). В ней о п а с н а я с к о р о с т ь и м х д л я к а ж д о г о х о п р е д е л я е т с я
из у с л о в и я
э к с т р е м у м а к о н ц е н т р а ц и и т и п а ( 3 .1 ), при к о т о р о м
р а в н а нулю п р о и з в о д н а я по и о т к о н ц е н т р а ц и и
c = C m u S i(x /x mu)
(см. ( 3 .6 ) ) , гд е cMU = r c M, x MU = p X i A , а г и р я в л я ю т с я ф у н к ц и я м и
от и / и м. П о л у ч е н н ы е з н а ч е н и я иих и с о о т в е т с т в у ю щ и е м а к с и м у м ы
к о н ц е н т р а ц и и смх с в я з ы в а ю т с я с и м и см с о о т н о ш е н и я м и
C MX = = f2^M,
где f i и
— ф у н к ц и и , з а в и с я щ и е от х [ х м . О н и у с т а н а в л и в а ю т с я
в д и а п а з о н е р е а л ь н о в о з м о ж н ы х и з м е н е н и й u / u M, о б ы ч н о в п р е д е ­
л а х от 0,25 д о 10.
Из анализа
в ы п о л н е н н ы х р а с ч е т о в с л е д у е т , что при х < С х м
п р а к т и ч е с к и и жх с о в п а д а е т с и м , а п р и х > • х м р а з л и ч и е м е ж д у
ними с у в е л и ч е н и е м х в о з р а с т а е т , но о с т а е т с я н е с у щ е с т в е н н ы м до
х = 8 х м. П ри больш их х эти р а зл и ч и я в опасных скоростях и в со­
о т в е тс т в у ю щ и х им к о н ц е н т р а ц и я х с т а н о в я т с я з н а ч и т е л ь н ы м и . Н а ­
при м ер , с м х б о л ь ш е с | u = u M д л я л е г к о й п р и м е с и в 1,8 р а з а при
х / х м = \ 8 , а д л я т я ж е л о й п р и м ес и в 3 р а з а при х / х м — 2 5 .
Зависи м ость с от и т а к ж е о т ли ч ает ся д л я р а з н ы х х / х м. П ри
с р а в н и т е л ь н о н е б о л ь ш и х з н а ч е н и я х х / х м д л я нее х а р а к т е р н о н а л и ­
чие от ч е т л и в о го м а к с и м у м а . С р о с т о м х / х м э т а з а в и с и м о с т ь о с л а ­
бевает, а при д о с т а т о ч н о б о л ь ш и х х / х и с т а н о в и т с я б и м о д а л ь н о й .
Е с л и в ы д е л и т ь д и а п а з о н ы и зм е н е н и й
и / и м , где с о т л и ч а е т с я от
сМх в п р е д е л а х 25 % , то, с о г л а с н о р а с ч е т а м , при х С 8 хм и м е е т с я
д в а т а к и х д и а п а з о н а . П е р в ы й из н и х (0,25 — 0,5) с р а в н и т е л ь н о у з ­
кий и от н о си т с я к с л а б ы м в е т р а м , д р у г о й з н а ч и т е л ь н о б о л ее ш и ­
р о к и й ( 0 ,8— 10 ) .
П ри рассмотрении низких источников с м ал ы м и х м . отм ечен­
ный э ф ф е к т м о ж е т п р о я в и т ь с я у ж е н а р а с с т о я н и я х до 1 к м и я в ­
л я е т с я с у щ е с т в е н н ы м при н а л и ч и и в п р е д е л а х г о р о д а или к р у п н о й
п р о м ы ш л ен н о й п л о щ а д к и б о л ь ш о г о ч и с л а т а к и х и с т о ч н и к о в д а ж е
м а л о й м о щ ности . Д л я и с т о ч н и к о в с в ы со то й т р у б Н > • 200 м и с о ­
отв етственно х м > • 4 км , э т о т э ф ф е к т х а р а к т е р е н т о л ь к о д л я р а с ­
стоян ий х > • 30 км , гд е о ц е н к а ст еп е н и з а г р я з н е н и я в о з д у х а т р е ­
бу ет с я редко.
Н а о с н о в а н и и и з л о ж е н н о г о м о ж н о с д е л а т ь в ы в о д , что в с л у ч а е
б ольш о го ч и с л а и с т о ч н и к о в д л я д а н н о г о х а н а л о г и ч н о (3 .4 0 )
87
м о ж н о в в е с ти м о д и ф и ц и р о в а н н о е в ы р а ж е н и е д л я средн евзвеш ен*
ного з н а ч е н и я о п а с н о й с к о р о с т и ве т р а
N
Umxc=
z
N
(UiAxi^Mxi)j
(^*41)
И з а н а л и з а с т р у к т у р ы (3.41) и д а н н ы х
в ы числений по эт о й
ф о р м у л е с л е д у е т , ч то н а м а л ы х р а с с т о я н и я х от источников п о л у ­
ч а ю т с я п р и м е р н о т а к и е ж е р е з у л ь т а т ы , что и при и с п о л ь з о в ан и и
в ы р а ж е н и я (3.40) д л я им. с- В с л у ч а я х б о л ь ш и х р а с с т о я н и й р а с ч е т
по (3.41) д а е т т а к о е ж е п о л е м а к с и м а л ь н ы х ко н ц е н т р а ц и й , к а к
и при в е с ь м а д е т а л ь н о м п е р е б о р е ско р о с т е й ветра.
С р а с ч е т о м п о л я к о н ц е н т р а ц и и п р и м ес и от многих источн иков
связаны вопросы м атематического моделирования загрязнения воз­
д у х а в го р о д а х .
Р а с с м о т р е н н ы е м е то д ы р а с ч е т а р а с с е и в а н и я пр и м есей в а т м о ­
с ф е р е б о л ь ш е й ч ас т ь ю о т н о с и л и с ь к о ткр ы то й, в негородской м е с т ­
ности при н а л и ч и и с р а в н и т е л ь н о н е б о л ьш о го числа источников з а ­
г р я зн е н и я в о з д у х а . В о зн и к а е т , естественно, вопрос, в к а к о й с т е ­
пени эти м е т о д ы м огут б ы т ь п ер ен есен ы на гор о д ск и е у с л о в и я
с учетом н а л и ч и я з а с т р о й к и и х а р а к т е р н ы х особенностей м е т е о р о ­
л о ги ч ес к о го р е ж и м а . О т в е т н а него т ем б о л е е сущ ествен, что п о л у ­
ч ен ны е р е з у л ь т а т ы и с с л е д о в а н и й а т м о с ф е р н о й д и ф ф у з и и н е о б х о ­
д и м ы в п е р в у ю оч ер ед ь д л я х а р а к т е р и с т и к и за г р я з н е н и я в о з д у х а
н а с е л е н н ы х пун кто в, д л я о ц е н ки и обесп ечени я чистоты в о зд у х а
ж и л ы х рай он ов .
С л е д у е т о т м ети ть, что м н о г и е и с с л е д о в а т е л и и п р о е к т и р о в щ и к и
и с п о л ьз у ю т п о л у ч е н н ы е т е о р е т и ч е с к и е в ы в о д ы относительно р а с ­
п р о с т р а н е н и я п р и м еси в а т м о с ф е р е ф о р м а л ь н о , без с п е ц и а л ь н о го
о б о с н о в а н и я в о з м о ж н о с т и п р и м ен е н и я их д л я у сл о вий ж и л ы х м а с ­
си в о в, в ч ас т н о с т и г о р о д с к и х р а й о н ов . А н а л и з п р и ве д е н н ы х т е о ­
р ет и ч е ск и х и э к с п е р и м е н т а л ь н ы х р а б о т п о зв о л я е т ч астично о п р а в ­
д а т ь т а к о й п одход, п р е д у с м а т р и в а я учет некоторы х г о ро дск и х о с о ­
бенностей м е т е о р о л о г и ч е с к о г о р е ж и м а в численной схем е р а с ч е т а
р а с с е и в а н и я прим еси. Д е й с т в и т е л ь н о , на основании
полученных
р е з у л ь т а т о в и с с л е д о в а н и й м о ж н о з а к л ю ч и т ь , что в с л е д с т в и е п е р е ­
носа по г о р и з о н т а л и и ин тен си вного в е р т и к а л ь н о г о о б м ен а в о з ­
д у х а н ад г о р о д о м ч асто с о з д а ю т с я у с л о в и я , при ко т о р ы х р а с п р е ­
д е л е н и е т е м п е р а т у р ы , с к о р о с т и в е т р а, а с л е д о в ат е л ь н о , и к о э ф ф и ­
ц и е н т а т у р б у л е н т н о с т и б л и з к о к р а с п р е д е л е н и ю их на о т к р ы т о й
м естности. Т о л ь к о в о т д е л ь н ы х с л у ч а я х могут у с т а н а в л и в а т ь с я
о с о б ы е у с л о в и я , н е б л а г о п р и я т н ы е в отнош ении а т м о с ф е р н о й д и ф ­
ф у зи и п р и м ес е й и т р е б у ю щ и е сп е ц и а ль н о го ра с с м отр е н и я .
Э то п о з в о л я е т пр о ве с т и п р и б л и ж е н н ы й р а с ч ет р а с с е и в а н и я п р и ­
м есей в г о р о д е (в первую очередь, от д о стато чн о в ы с оки х и с т о ч ­
н и ков) без д е т а л ь н о г о у ч е т а гор о д с к о й за с т р о й ки . В р я д е с л у ч а е в
д л я о б о с н о в а н и я п о д обн о го по д х о д а м о ж н о и с п о л ь з о в а т ь о с о б е н н о ­
сти д и ф ф у з и и п р и м ес е й от п р и п о д н я т ы х источников. А н а л и з п о к а ­
з ы в а е т , что в е р т и к а л ь н ы й п р о ф и л ь к о н ц е н т р а ц и и при м есей с у д а ­
88
лением от и с т о ч н и к а т р а н с ф о р м и р у е т с я т а к и м о б р а з о м , что в зо н е ,
где д о с т и г а е т с я н а з е м н ы й м а к с и м у м к о н ц е н т р а ц и и , п р и м е с ь р а с ­
п р е д е л я е т с я п оч ти р а в н о м е р н о по в ы со те . С л е д о в а т е л ь н о , если з а ­
с т р о й к а и и з м е н я е т у с л о в и я п е р е м е ш и в а н и я , о н а в с е ж е не м о ж е т
п р и в е ст и
к
з н а ч и т е л ь н о м у п е р е р а с п р е д е л е н и ю п р и м е с и в это й
зоне.
В качестве пр и м ер а м ож н о со сл аться
на эксперим ентальны е
работы в районе Щ екин ской ТЭС. З д есь при одних нап равлен и ях
в е т р а и з м е р е н и я к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с и , в ы б р а с ы в а е м о й из т р у б
ТЭС, проводились в городе, а при других н а п р ав л е н и я х — в о т­
кр ы то й м естн о сти . П о л у ч е н н ы е р е з у л ь т а т ы п о к а з а л и , что в л и я н и е
города
б ы ло
н е с у щ е с т в е н н ы м ( Б е р л я н д , 1970а, б ) . Н е к о т о р ы м
подтверж дением этом у могут с л у ж и ть т а к ж е эксп ери м ен тальн ы е
р а б о т ы по и зу ч ен и ю р а с п р о с т р а н е н и я т р а с с е р о в в г о р о д с к и х у с л о ­
в иях, п р о в о д и в ш и е с я в С е н т - Л у и с е ( С Ш А ) ( P o o l e r , 1966). Эти р а ­
боты п о к а з а л и , что в т е ч е н и е д н я д и с п е р с и и п р и м е с и в г о р и з о н ­
т а л ь н о м и в е р т и к а л ь н о м н а п р а в л е н и я х н а р а с с т о я н и и 15 к м от и с­
то ч н и ка т р а с с е р а н а д г о р о д о м и з а г о р о д о м м а л о о т л и ч а ю т с я м е ­
ж д у собой. О д н а к о д л я м а л ы х в ы с о т (это с л е д у е т у ч и т ы в а т ь п р и
р а с ч е т а х р а с с е и в а н и я в ы б р о с о в от н и зк и х и с т о ч н и к о в ) г о р и з о н ­
т а л ь н ы е д и с п е р с и и н е с к о л ь к о б о л ь ш е д л я г о р о д а , чем д л я о к р у ­
ж а ю щ е й м естн о сти . У в е л и ч и в а ю т с я р а з л и ч и я в д и с п е р с и и п р и м е с и
д о 30— 50 % в н о ч н о е в р е м я ( G r a h a m , 19 68 ).
Таким образом , д л я условий города м ож но использовать в п ер ­
вом п р и б л и ж е н и и ф о р м у л ы д л я о п р е д е л е н и я к о н ц е н т р а ц и и п р и ­
меси на р о в н о м месте.
В с о о т в ет с т в и и с и з л о ж е н н ы м и п р и н ц и п а м и Г р а ч е в а
и др.
(1 969 ), З а ш и х и н и д р. (1 9 7 5 ), О н и к у л и К о н ч а й (1983) р а з р а ­
б о тал и п р о г р а м м ы д л я Э В М , к о т о р ы е п о з в о л я ю т п р о и з в о д и т ь р а с ­
четы д л я сотен и т ы с я ч и сто чн и к ов .
Н а рис. 3.8— 3.10 п р е д с т а в л е н ы р е з у л ь т а т ы р а с ч е т а м а к с и м а л ь ­
ны х к о н ц е н т р а ц и й С О и N 0 2 п р и н е б л а г о п р и я т н ы х м е т е о р о л о г и ч е ­
ских у с л о в и я х д л я н е к о т о р о г о м о д е л ь н о г о г о р о д а в с о о т в ет с т в и и
с р а б о т о й Б е р л я н д а и д р . ( 1 9 7 9 6 ) . Г л а в н ы м и в ы с о т н ы м и и сто чн и ­
к а м и в эт о м г о р о д е я в л я ю т с я т р у б ы д в у х м е т а л л у р г и ч е с к и х з а в о ­
дов (М31 и М 3 2 ) , н е ф т е п е р е р а б а т ы в а ю щ е г о з а в о д а ( Н П З ) , м о щ ­
ной Т Э С , Т Э Ц и 15 н а и б о л е е к р у п н ы х к о т е л ь н ы х . С у м м а р н ы е по
го ро ду в ы б р о сы от в ы с о т н ы х и с т о ч н и к о в по С О с о с т а в я т 2,58 кг/с,
а по N O 2 — 0,93 к г /с . К р о м е то го, в о з д у х г о р о д а з а г р я з н е н в ы б р о ­
с а м и С О и N O 2 от а в т о т р а н с п о р т а . П р и
э т о м в ы д е л е н о ч ет ы р е
т ипа м а г и с т р а л е й : А — ш оссе, п р о х о д я щ е е ч ер е з г о р о д , Б — о с н о в ­
ные м а г и с т р а л и в ж и л ы х к в а р т а л а х , В — у л и ц ы в ж и л ы х к в а р т а ­
л а х , Г — д о р о ги от п р о м ы ш л е н н ы х п р е д п р и я т и й . М о щ н о с т ь в ы б р о ­
сов М от м а г и с т р а л е й з а в и с и т о т к о л и ч е с т в а п р о х о д я щ и х а в т о м а ­
ш ин в е д и н и ц у в р е м е н и , т и п а а в т о м а ш и н ( л е г к о в ы е , г р у зо в ы е ,
а в т о б у с ы ) , от с к о р о с т и и х д в и ж е н и я . Х а р а к т е р и с т и к и а в т о м а г и с т р а ­
л е й в г ор оде и з н а ч е н и я м о щ н о с т и в ы б р о с о в а в т о т р а н с п о р т а п р е д ­
с т а в л е н ы в т а б л . 3.3. С у м м а р н ы е в ы б р о с ы о т а в т о т р а н с п о р т а в г о ­
р о д е с о с т а в л я ю т по С О — 18 кг/с, a N O 2 — 0,16 кг/с.
89
Р а с ч е т з а г р я з н е н и я в о з д у х а о т а в т о т р а н с п о р т а на о т д е л ь н ы х
а в т о м а г и с т р а л я х в ы п о л н я л с я по ф о р м у л а м п. 3.3.
Н а рис. 3.8— 3.10 п о к а з а н о р а с п о л о ж е н и е в ы сотн ы х источн иков
и автом аги стралей , а т а к ж е р езу л ь таты предвычисления н аи бо л ь­
ш и х к о н ц е н т р а ц и й С О и N O 2 при н е б л а г о п р и я т н ы х м е т е о р о л о г и ч е ­
с к и х у с л о в и я х — л е т о м , в д н е в н о е в р е м я . Р и с у н о к 3.8 о т носится
к с л у ч а ю в ы б р о с о в т о л ь к о в ы с о тн ы х исто чн ик ов, рис. 3.9 — т о л ь к о
а в т о т р а н с п о р т а , рис. 3.10 — к их с о в м е с т н о м у действию .
а1
EZ3 1
°
2
• з
-------- 4
—^ 5
Рис. 3.8. Р аспределение концентраций СО (а) и N 0 2 (б) в городе от промыш­
ленных источников.
1 — п р ед п р и ят и я , 2 — к р у п н а я ТЭ С , 3 — Т Э Ц и к о т е л ь н ы е , 4 — авто м аги стр ал и , 5 — н а п р а в ­
л ен и е и с коро сть ветр а (м /с ), с о о тветству ю щ и е м а к с и м у м у ко н цен трац ии в данн ой точке.
И з рис. 3.8 с л еду ет, что от д е й с т в и я в ы с о тн ы х источников м о ­
ж н о о ж и д а т ь с р а в н и т е л ь н о б о л ь ш и е к о н ц е н т р а ц и и СО т о л ь к о в о т ­
д е л ь н ы х р а й о н а х . В ч ас т н о с т и , п о д ф а к е л о м м е т а л л у р г и ч е с к о г о
з а в о д а М 3 1 о н а с о с т а в л я е т 15 м г / м 3, а н е ф т е п е р е р а б а т ы в а ю щ е г о
Т аблица 3.3
2 0 ,0
4 5 ,5
3 5 ,5
2 5 ,5
С редняя
скорость дв и ­
жения, к м /ч
Общая п ро тя ­
женность м а­
гистрали, км
А
Б
В
Г
Ч исло автомаш ин в 1 ч
легко вы х
гру зо вы х
авто бу со в
1500
420
300
50
400
140
100
400
100
140
100
50
М г /( с - к м )
СО
no2
1 5 ,0
1 6 ,0
11,0
13,3
2 ,7
1 ,0
0 ,7
1 ,3
I
Тип
м агистрали
Характеристика автомагистралей и их выбросов
90
50
30
30
40
Н П З — 3 м г /м 3. В б о л ь ш е й ч а с т и г о р о д а к о н ц е н т р а ц и я С О с р а в ­
н и тел ьн о н е в е л и к а и н а х о д и т с я в п р е д е л а х 0,25— 0,45 м г /м 3. К н е­
благоприятны м м етеорологическим у с л о в и ям в р айон е п р ед п р и я­
тий относится с к о р о с т ь в е т р а от 0,5 д о 3 м /с, а в ж и л ы х р а й о н а х
при н а п р а в л е н и и в е т р а с Н П З и п р и б о л ь ш и х с к о р о с т я х его (до
10 м /с ).
С о г л асн о рис. 3.9, н а и б о л ь ш е е з а г р я з н е н и е в о з д у х а от а в т о м а ­
ш ин о т м е ч а е т с я в д о л ь ш оссе, о с о б е н н о н а п е р е к р е с т к а х . З д е с ь оно
Рис. 3.9. Распределение концентраций СО (а) и NOa (б) от автомагистралей
города.
У ел. о б о зн а ч е н и я см . ри с. 3.8.
в н е ск о л ь к о д е с я т к о в р а з б о л ь ш е , ч ем в ж и л ы х к в а р т а л а х , где
к о н ц е н т р а ц и я с о с т а в л я е т ОД— 0,2 м г /м 3. М а к с и м а л ь н ы е к о н ц е н ­
т р а ц и и н а б л ю д а ю т с я при с к о р о с т я х в е т р а 1 — 2 м/с.
И з рис. 3.10 с л е д у е т , что в ц е л о м по г о р о д у , з а ис к л ю ч е н и е м
у зк и х зон, п р и м ы к а ю щ и х к а в т о м а г и с т р а л я м , к о н ц е н т р а ц и и С О и
N O 2 от п р о м ы ш л е н н ы х и с т о ч н и к о в с у щ е с т в е н н о б о л ь ш е , чем от а в ­
т о т р а н с п о р т а . Н а и б о л ь ш и е к о н ц е н т р а ц и и о т м е ч а ю т с я при с к о р о ­
с т я х в е т р а 0,5— 5 м /с, но в о с н о в н о м п р и 2 — 3 м /с.
Вследствие больш ой пестроты поля кон ц ен трац и и примеси и
н ед о стато чн о сти э м п и р и ч е с к и х м е т о д о в его и з у ч е н и я в п о с л е д н е е
время значительно усилилось вни м ан ие к построению теоретиче­
с ки х м о д е л е й р а с п р е д е л е н и я п р и м е с и от м н о г и х источн иков. Д л я
этой цели в о с н о в н о м и с п о л ь з у ю т с я у п р о щ е н н ы е п одходы . Н а п р и ­
мер, в р а б о т а х Т а р н е р а ( T u r n e r , 1963, П у л е р а ( P o o le r , 1966) и др.
город
р а з б и в а е т с я с е т к о й н а к в а д р а т ы и д л я к а ж д о г о из них
дается примерная оцен ка сум м арного вы броса вредных веществ.
З атем д ля города рассчи ты вается су м м а р н а я концентрация вы ­
бросо в у зем ной п о в е р х н о с т и при у с л о в и и , что в ы с о т а и сточн и к о в
и их н а ч а л ь н ы й п о д ъ е м о д и н а к о в ы д л я вс е г о г о р о д а .
91
В д о к л а д а х н а с и м п о з и у м е по м о д е л и р о в а н и ю з а г р я з н е н и я в о з ­
д у х а ( S t e r n , 1970) п р и в о д и л и с ь р е з у л ь т а т ы вы ч и с л ен и я п о л я к о н ­
ц е н т р а ц и и н е к о т о р ы х п р и м е с е й д л я р я д а городов, в ч астности, д л я
Б р е м е н а ( Ф о р т а к ) , д л я Ч и к а г о ( Р о б е р т с и д р .) , д л я Н ь ю - Й о р к а
( Ш и и д р . ) . В р а б о т е Б р и н г ф е л т а ( B r in g f e l t, 1978) по а н а л о г и и
с работой Ф о р т а к а прои зведены расчеты концентрации S O 2 в р а й ­
оне С т о к г о л ь м а
и с м е ж н ы х с ним гор о д о в от 350 с р а в н и т е л ь н о
к р у п н ы х т о ч е ч н ы х и с т о ч н и к о в и 17 ООО м е л ки х источников, о б ъ е д и ­
н е н н ы х в п л о щ а д н ы е , а т а к ж е к о н ц е н т р а ц и и С О от т р а н с п о р т н ы х
потоко в н а у л и ц а х .
Рис. 3.10. Р аспределение
концентраций СО (а) и NO 2 (б) от всех источников
города.
У ел. о бо зн ач ен и я см . рис. 3.8.
П р а м и Х р и с т е н с ен ( P r a h m , C h r is t e n s e n , 1977) отм етили, что
в р а б о т а х , где и с п о л ь з у е т с я г а у ссо во р а с п р е д е л е н и е к о н ц е н т р а ц и и
от исто чн и к ов , и м е е т место с у щ е с т в е н н о е р а с х о ж д е н и е м е ж д у р а с ­
ч етны м и и э к с п е р и м е н т а л ь н ы м и д а н н ы м и . Оно д о в о л ьн о ве л и к о
при с р а в н и т е л ь н о к о р о т к о м п е р и о д е осредн ения ко н ц е н т р а ц и и и
м е н ь ш е при ос р е д н е н и и з а д л и т е л ь н о е вр ем я. П о этой при чи не а в ­
т о р ы в ы п о л н и л и р а с ч е т п о л я ср е д н е й кон ц ен трац и и S 0 2 в К о п е н ­
г а г е н е з а п е р и о д 3 м е с я ц а . О т д е л ь н о вы д ел ены вы соки е т р у б ы ,
а о с т а л ь н ы е источн ик и о с р е д н я л и с ь по к в а д р а т а м со стор оной
1 км. С р а в н е н и е р е з у л ь т а т о в р а с ч е т а с д ан н ы м и и зм е р е н и й н а
24 ст а н ц и я х , р а з м е щ е н н ы х н а п л о щ а д и 500 км 2 п о к а з а л о у д о в л е т ­
в о р и т е л ь н о е с о г л а с о в а н и е . В р а б о т е Л и и Г уд и н а
(Liu, G o o d in ,
1976) р а з р а б о т а н а ч и с л е н н а я м о д е л ь
р а с п р о с т р а н е н и я в го р о д е
оки си у г л е р о д а , о б у с л о в л е н н о й в осно вн ом в ы б р о с а м и а в т о м а ш и н ,
и с о п о с т а в л е н ы п о л у ч е н н ы е р е з у л ь т а т ы с д а н н ы м и и зм е р е н и й на
р я д е пу н ктов в Л о с -А н д ж е л е с е .
92
В СШ А некоторыми о рган и зац и ям и р а зр а б о т а н р я д оп ерати в­
ны х схем ч и сл ен н о го п р о г н о з а з а г р я з н е н и я в о з д у х а , в ч а с т н о с т и
Управлением охраны воздуха в ш та т е Т ехас и Л аб о р ат о р и е й а т м о ­
с ф ер н ы х р ес у р с о в в ш т а т е М э р и л е н д .
Р а о и С т и в е н с ( R a o , S t e v e n s , 1983) р а з р а б о т а л и
модель з а ­
грязнения воздуха при эп и зо д ах
(опасны х
м етеорологических
условиях), в основу которой п о л о ж ен а схема р асч ета поля кон­
ц е н тр а ц и й п р и м е с и о т и с т о ч н и к о в , п о л у ч е н н а я в р е з у л ь т а т е р е ш е ­
ния у р а в н е н и я а т м о с ф е р н о й д и ф ф у з и и (/С -т е о р и я ). Р а с ч е т н ы е ф о р ­
м у л ы в ней с в е д е н ы к в ы р а ж е н и я м т и п а г а у с с о в ы х ф о р м у л с у ч е ­
том и зве с т н ы х к о э ф ф и ц и е н т о в д и с п е р с и и , о п р е д е л я е м ы х в з а в и с и ­
мости от с о с т о я н и я к л а с с о в у с т о й ч и в о с т и а т м о с ф е р ы (см. п. 2 .3 ).
В м од е л ь в к л ю ч е н ы т о ч е ч н ы е в ы с о т н ы е и п л о щ а д н ы е н а з е м н ы е
источники. Р а с ч е т п о л я к о н ц е н т р а ц и й от с о в о к у п н о с т и и сточн и к о в
основан н а п ри н ц и п е с у п е р п о з и ц и и . В л и я н и е р е л ь е ф а не у ч и т ы ­
ва е тс я . О б щ е е ч и с л о т о ч е ч н ы х и с т о ч н и к о в м о ж е т д о с т и г а т ь 300,
а п л о щ а д н ы х — 50. Р а с ч е т с р е д н е ч а с о в ы х к о н ц е н т р а ц и й в ы п о л ­
н я е т с я д л я с е тк и из 2500 т о ч е к ( 5 0 x 5 0 ) н а п л о щ а д и , л и н е й н ы е
р а з м е р ы к о т о р о й по н а п р а в л е н и ю в е т р а с о с т а в л я ю т до 60 км.
В кач е с тв е в х о д н о й и н ф о р м а ц и и и с п о л ь з у ю т с я п р о г н о с т и ч е с к и е
д а н н ы е о с р е д н е ч а с о в о м з н а ч е н и и н а п р а в л е н и я и с ко р о с т и в е т р а ,
а т а к ж е о в ы с о те с л о я п е р е м е ш и в а н и я , к о т о р а я о п р е д е л я е т с я к а к
в ы с ота н и ж н е й г р а н и ц ы п р и п о д н я т о й и н в е р си и . К р о м е того, у ч и ­
ты вается о ж и даем ы й к л а с с устойчивости атм осф еры . Д л я прогноза
к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с и н а с р о к д о 24 ч р а с ч е т ы в ы п о л н я ю т с я на
ЭВМ.
Некоторые общ ие полож ения построения м атем атических м оде­
лей з а г р я з н е н и я в г о р о д а х б ы л и р а с с м о т р е н ы Г и ф ф о р д о м в Т е х ­
нической з а п и с к е В М О ( M u n n et al., 1972).
Во м ногих из р а с с м о т р е н н ы х р а б о т и з - з а
сложности задачи
п р е д л о ж е н н ы е с х е м ы р а с ч е т а о с н о в ы в а ю т с я п о к а на и с п о л ь з о в а ­
нии в е с ьм а у п р о щ е н н ы х ф и з и ч е с к и х
м о д е л е й . В них не д а е т с я
о б о сн о в а н и я д л я в о з м о ж н о с т и о п р е д е л е н и я п о л я к о н ц е н т р а ц и и от
о т д е л ьн ы х г р у п п и с т о ч н и к о в п о с р е д с т в о м з а м е н ы их о д н и м и с т о ч ­
ником, в ы б о р а п а р а м е т р о в п о с л е д н е г о и т. п.
Р а з в и т и е р а б о т по м о д е л и р о в а н и ю п р о ц е сс о в з а г р я з н е н и я в о з ­
д у х а в г о ро де с у г л у б л е н и е м их ф и з и ч е с к о й о с н о в ы и ш и р о к и м и с ­
п о л ь зо в а н и е м Э В М в с в я з и со с к а з а н н ы м в ы ш е п р е д с т а в л я е т с я
в е с ьм а п е р с п е к т и в н ы м .
3.5.
Сочетание ч и сл ен н ы х
и
статистических м ет одов
прогноза
Д л я п р о г н о з а з а г р я з н е н и я в о з д у х а от о т д е л ь н ы х и г ру п п ы и с ­
точников и с п о л ь з у ю т с я и н е п о с р е д с т в е н н ы е м е т о д ы числ ен но го и н ­
тегрирования у р авнени я атм осф ерной ди ф ф узи и. Т аковы , в ч ас т ­
ности, п о д х о д Р у н к а и д р., р а з в и т ы й в п р и м е н е н и и к п р о г н о з у
ко н ц ен т р а ц и и д в у о к и с и с е р ы д л я р а й о н а
Венецианской лагуны
( R u n c a et al, 19 79 ), и п о д х о д М е л л и
и Ф ронза — для долины
93
р. П о (M e lli, F r o n z a , 1981). В ос н о в у т а к и х по д х одов п о л о ж е н о
р е ш е н и е у р а в н е н и я т у р б у л е н т н о й д и ф ф у з и и примеси с у ч ето м н е ­
стационарного члена
**>
<3-42>
д л я н а ч а л ь н ы х и г р а н и ч н ы х у сл ов ий:
<7 = 0
k z - ^ - =
0
при
при
t =
0,
z = 0 и
z =
H t.
В (3.42) с к о р о с т ь в е т р а и с о с т а в л я ю щ и е к о э ф ф и ц и ен т ы о б м е н а
k y , k z р а с с м а т р и в а ю т с я к а к ф у н к ц и и п о к а з а т е л я у сто й чи в о сти
а т м о с ф е р ы s ( t ) . П о с л е д н и й о п р е д е л е н (см. п. 2.3, т а б л . 2 . 1 ) в с о ­
отве тс т в и и с ш е с т ь ю (1— 6 ) к л а с с а м и устойчивости по П э с к в и л л у ,
где 1 -й к л а с с о т н о с и т с я к сильной неустойчивости, а 6 -й — к п р е ­
д е л ь н о й у сто й ч и в о с ти . С к о р о с т ь в е т р а з а д а е т с я степенной ф у н к ­
цией: и = U i { z / z i ) n , п р и ч е м п о л а г а е т с я n = a [ s ( £ ) ] . К о э ф ф и ц и е н т
k z , со г л ас н о р а б о т е Ш и р а и Ш и ( S h ir , Shieh , 1974), з а д а е т с я к а к
kx,
kz = k , [ s ( t ) ] ^ - e ~ P' lHt)]J^
.
П р и н и м а е т с я k x = k y . З н а ч е н и я k x , k y и k z при z = z \ , а т а к ж е а и
Pi в за в и с и м о с т и от s ( t ) п р и в е д е н ы в т абл . 3.4. В ел и ч и н ы H i —
в ы с о та с л о я и н т е г р и р о в а н и я , 5 ( х , у , z ) — ф ункц ия источника.
Таблица 3.4
Значения параметров a , pi, k x , k y , k z
К л асс л(<)
1
2
3
4
5
6
а 1*(<)1
0 ,0 5
0,1
0 ,2
0 ,3
0 ,4
0 ,5
Pi МО]
6
6
4
4
2
2
kx ,ky
250
100
30
10
3
1
M*/c
kg M J / C
45
15
6
2
0 ,4
0 ,2
В к о н к р е т н о м с л у ч а е В е н е ц и а н с к о й л агу ны источники с о с р е д о ­
точен ы в и н д у с т р и а л ь н о м р а й о н е н а п л о щ а д и около 20 к м 2. З д е с ь
с у м м а р н ы й в ы б р о с S O 2 з а год с о с т а в л я е т 160 тыс. т от п р е д п р и я ­
ти й и 10 ты с. т от б ы то во го отоп л ен и я .
У р а в н е н и е (3.42) и н те г р и р у е т с я численно без у ч е т а н а ч а л ь н о г о
п о д ъ е м а п р и м ес и . Д л я этой ц е л и и с п ользу ю тс я м ето д ы р а с щ е п л е ­
н и я К р е н к а и Н и к о л ь с о н а и др., что п о зволи ло сни зить в л и я н и е
т а к н а з ы в а е м о й с четной в я зк о с т и , повы сить точность к о н е ч н о -р а з ­
н о стной а п п р о к с и м а ц и и и эк о н о м н о р а сх о д о в а т ь м аш и н н о е в р е м я
счета.
94
Т а к и м о б р а з о м , п р а к т и ч е с к а я с х е м а с о с то и т в н е п о с р е д с т в е н ­
ном и н т е г р и р о в а н и и н е с т а ц и о н а р н о г о т р е х м е р н о г о у р а в н е н и я д и ф ­
ф у зи и с учетом к о н к р е т н о й п л о щ а д и р а з м е щ е н и я и ст о ч н и к о в и
в о п р е д е л ен и и о ж и д а е м о й к о н ц е н т р а ц и и в и н т е р е с у ю щ и х т о ч к а х .
С л е д у е т о тм ети ть, что п ри с о в р е м е н н ы х в о з м о ж н о с т я х о п р е д е ­
ления параметров, содерж ащ и хся в рассм атри ваем ом уравнении и
гр а н и ч н ы х у с л о в и я х , д а н н а я з а д а ч а м о ж е т б ы т ь с в е д е н а к к в а з и с т а ц и о н а р н о й п о с т а н о в к е и д в у х м е р н о м у у р а в н е н и ю , к а к это с д е ­
л а н о в ы ш е в с о о т в ет с т в и и , н а п р и м е р , с р а б о т а м и Б е р л я н д а и др.
(1964, 1965). И з л и ш н е е у с л о ж н е н и е з а д а ч и п р и в е л о к том у , что
в рассм атриваем ой р а б о те Р у н к а и др. у д ал о сь провести вы чи сле­
ния т о л ь к о д л я в е с ь м а р е д к о й с е т к и т о ч е к — 1 0 X 1 2 X 7 и, с л е д о в а ­
тельн о , при д о в о л ьн о к р у п н ы х ш а г а х к а к по в е р т и к а л и , т а к и по
г о р и зо н та л и .
В районе В енецианской лагун ы , д л я которой велись расчеты,
размещ ена автом атизи рованная система кон троля загрязнения воз­
д у х а ( А С К З В ) , в к л ю ч а ю щ а я 24 с т а н ц и и н е п р е р ы в н о г о и з м е р е н и я
ко н ц ен т р а ц и и S O 2 и м е т е о р о л о г и ч е с к у ю с т а н ц и ю , н а к о т о р о й в е ­
д у тс я н а б л ю д е н и я з а с к о р о с т ь ю и н а п р а в л е н и е м в е т р а н а в ы с оте
15 м и д р у ги м и х а р а к т е р и с т и к а м и п ого д ы . Р е з у л ь т а т ы н а б л ю д е ­
ний ис п о л ьзу ю т ся д л я с о с т а в л е н и я п р о г н о з о в . Р е з у л ь т а т ы п р о г н о ­
зов с о п о с т а в л я ю т с я с ф а к т и ч е с к и м и д а н н ы м и . О т м е ч а е т с я х о р о ш е е
с о г л а с о в а н и е м е ж д у ни м и в с л у ч а я х со с р а в н и т е л ь н о н и зк и м и и
с редн им и у р о в н я м и з а г р я з н е н и я в о з д у х а и с у щ е с т в е н н о е р а з л и ч и е
в н а и б о л е е в а ж н ы х с л у ч а я х — э п и з о д а х со з н а ч и т е л ь н ы м и к о н ц е н ­
т р а ц и я м и S O 2.
Ф р о н з а и др. ( F r o n z a , 1979) п р е д л о ж и л и способ к о р р е к т и р о в к и
полученного р е ш е н и я з а счет и с к л ю ч е н и я из него « ш ум ов ». Д л я
д ан н о й цели они и с п о л ь з о в а л и м е т о д ф и л ь т р а ц и и К а л м а н а (см.
п. 4.3). Э тот способ д а е т в о з м о ж н о с т ь у т о ч н я т ь п р огно з к о н ц е н ­
т р а ц и и н а к а ж д о м ш а г е по в р е м е н и з а с ч е т ф а к т и ч е с к и х и з м е н е ­
ний ее к н а ч а л у с м о га. О д н а к о т а к а я п р о ц е д у р а з н а ч и т е л ь н о с о­
к р а щ а е т з а б л а г о в р е м е н н о с т ь п р о г н о з а (в д а н н о й р а б о т е до 4 ч ).
В м есте с тем , к а к о т м е ч а ю т а в т о р ы , им у д а л о с ь ' п о л у ч и т ь х о р о ­
шее
согласование м е ж д у д ан н ы м и р асч ета и наблю дений д л я
им евш их место эп и з о д о в п о в ы ш е н н о г о з а г р я з н е н и я во зд у х а .
В д о л и н е р. П о н а п л о щ а д и Ю Х Ю к м р а з м е щ е н о 10 пу н ктов
н а б л ю д е н и й з а к о н ц е н т р а ц и е й S 0 2. О с н о в н ы м и с т о ч н и к о м з а г р я з ­
нения в о зд у х а зд е сь я в л я е т с я т е п л о в а я э л е к т р о с т а н ц и я м о щ н о с т ь ю
320 М В т с д ы м о в о й т р у б о й в ы с ото й 120 м. Н а рис. 3.11 п р е д с т а в ­
лены результаты прогнозов на дву х часо во й срок и дан н ы е н аб л ю ­
дений на д в у х п у н к т а х в т е ч е н и е с у т о к 25 м а я 1973 г. В эт и с утки
о т м е ч а л с я эп и зо д с р е з к и м п о в ы ш е н и е м к о н ц е н т р а ц и и S 0 2, к о т о ­
ры й бы л п р е д с к а з а н по и с х о д н ы м д а н н ы м . А н а л о г и ч н ы е р е з у л ь ­
та ты б ы ли пол уч ены и н а д в у х д р у г и х п у н к т а х . К о э ф ф и ц и е н т к о р ­
р е л я ц и и м е ж д у д а н н ы м и и з м е р е н и й и п р о г н о з а по ч е т ы р е м п у н к ­
т а м в с р едн ем з а су тки с о с т а в и л 0 ,5 9 — 0,95 при и с п о л ь з о в а н и и м о ­
дели, основанн ой н а р е ш е н и и у р а в н е н и я д и ф ф у з и и , и 0,66— 0,91
при к о р р е к т и р о в к е этого р е ш е н и я с п о м о щ ь ю ф и л ь т р а К а л м а н а .
93
А в т о р ы о т м е ч а ю т , что в э т и х с л у ч а я х и с п о л ь з о в а н и е ф и л ь т р а К а л м а н а не д а л о о ж и д а е м о г о у л у ч ш е н и я п р о г н о з а .
А н а л о г и ч н о е с о ч е т а н и е ч и с л ен н о г о с п о с о б а пр о гн о за, о с н о в а н ­
ного н а и н т е г р и р о в а н и и у р а в н е н и я д и ф ф у з и и , и чисто с т а т и с т и ч е ­
с кого м е т о д а с п р и м е н е н и е м ф и л ь т р а К а л м а н а и с п о л ь з у е т с я в р а ­
б о те О ш и м а и д р . ( O s h i m a et al., 1 978 ). Э ф ф е к т и в н о с т ь т а к о г о со­
ч е т а н и я в с и л ь н о й степ ени с в я з а н а с н а л и ч и е м в и с с л е д у е м о м р а й ­
оне А С К З В , п о з в о л я ю щ е й о б есп е ч и т ь о п е р а т и в н о е п о л у ч е н и е ис-
Рис. 3.11. Р езультаты прогноза на 2 ч и данны е измерений на пункте наблюдений.
1 — д а и и ы е и зм е р е н и й ,
2 — п рогноз то л ько по /С -м одели,
3 — п рогноз с учетом
ф и л ьт р а
К ал к ан а.
х од н ой и н ф о р м а ц и и д л я с уточного п р о г н о з а . В ц е л о м вопрос о со ­
ч ет а н и и ф и з и ч е с к и о б о сн о в а н н о го и с т а т и с т и ч е с к о г о м ето д о в п р о г ­
ноза п р ед став л яется весьма перспективным. В общем случае м о­
ж е т идти р е ч ь об и с п о л ь з о в а н и и с т а т и с т и ч е с к и х м етодов, р а с с м а т ­
р и в а е м ы х в гл. 4, д л я о п р е д е л е н и я ф о н о в о г о з а г р я з н е н и я в о з д у х а
в г о р о д е в с р е д н е м з а с у тки. Ч и с л е н н ы е м е т о д ы п о з в о л я ю т у т о ч ­
ни ть п р о г н о з на б о л е е к о р о т к и е с р о к и в п р е д е л а х с у т о к д л я от ­
д е л ь н ы х р а й о н о в го р о д а . В м е с т е с т е м , при н а л и ч и и А С К З В в о з ­
м о ж н о в с во ю о ч е р е д ь у т о ч н ен и е ч и с л ен н о г о
п р о гн о за з а счет
ф ильтрации некоторы х данны х, к а к и сделано
Ф ронза
и др.
( F r o n z a e t al., 19 79 ). Ч и с л е н н о е и н т е г р и р о в а н и е у р а в н е н и я д и ф ф у ­
зии с использованием парам етров м одели рован ия
погран и чн о го
с л о я а т м о с ф е р ы при у ч е т е с т а т и с т и ч е с к и х и с с л е д о в а н и й з а г р я з н е ­
н и я в о з д у х а в ы п о л н я е т с я т а к ж е в р а б о т а х Б е р ж е и др. ( B e r g e r et
al., 1980), Д е м у т а и д р . ( D e m u th et al., 1981), а т а к ж е в д р у ги х
работах.
96
3.6.
Учет
аном алий
в верт икальном п роф и ле скорости ветра
и прогноз загрязнения
воздуха
при
штиле
П р о г н о з з а г р я з н е н и я в о з д у х а п ри а н о м а л ь н ы х у с л о в и я х р а с п р е ­
д е л е н и я с к о р о с т и в е т р а с в ы с о т о й о с у щ е с т в л я е т с я по д а н н ы м об
о ж и даем о м вы бросе и х а р а к т е р и с т и к а х этих условий в соответст­
вии с р е з у л ь т а т а м и п. 2.9.
Н а зн ачен и е п ри зем ной кон ц ен трац и и сравнительно мало вл и ­
яет о т к л о н е н и е в в е р т и к а л ь н о м п р о ф и л е в е т р а от л о г а р и ф м и ч е ­
с кого, о т м е ч а ю щ е е с я в ы ш е п р и з е м н о г о с л о я . П р и э т о м оно о к а з ы ­
в а е т с я б о л ь ш и м п р и о с л а б л е н и и в е т р а , чем п р и
его усилении.
У ч есть эт и а н о м а л и и м о ж н о с р а в н и т е л ь н о про сто. Д л я этого д о ­
с т а т о ч н о о п р е д е л и т ь з н а ч е н и е и з м е н е н и я с р е д н е й по высоте с к о ­
р о ст и в е т р а в р а с с м а т р и в а е м о м с л о е и п р и н я т ь Лего в к а ч е с т в е
п о п р а в о ч н о г о м н о ж и т е л я к р а с ч е т н о м у з н а ч е н и ю скорости. В с л у ­
ч а я х к о г д а н е о б х о д и м б о л е е д е т а л ь н ы й у ч ет у к а з а н н ы х о т к л о н е ­
ний, а т а к ж е к о г д а а н о м а л и и о т м е ч а ю т с я в п р и зе м н о м слое,
можно исп ользовать р езу л ьтат ы расчетов типа приведенных на
рис. 2 . 1 0 .
Е с л и в п р и з е м н о м с л о е в е т е р р е з к о у м е н ь ш а е т с я п р а к ти ч е с к и
до ш т и л я , то п р и з е м н ы е к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с е й весьм а с у щ е с т ­
в енн о у в е л и ч и в а ю т с я . В э т о м с л у ч а е в а ж н о у ч е с т ь вы соту ш т и л е ­
вого с л о я , р а с п о л о ж е н и е по о т н о ш е н и ю к н е м у у р о в н я источн ик а и
х а р а к т е р р а с п р е д е л е н и я т е м п е р а т у р ы с в ы с о то й . Н ео б х о д и м о р а з ­
личать условия, когда возникновение ш тилевого слоя сопровож ­
д а е т с я п а д е н и е м т е м п е р а т у р ы ( н а п р и м е р , д н е м ) и л и ее ин в ер си ей
(напри м ер, н о ч ь ю ).
Е с л и э ф ф е к т и в н ы й у р о в е н ь и с т о ч н и к а с у ч ет о м н а ч а л ь н о г о
п о д ъ е м а п р и м е с и р а с п о л о ж е н н а д ш т и л е в ы м с л о е м , то б о л ь ш и е
к о н ц е н т р а ц и и б у д у т п р и п а д е н и и т е м п е р а т у р ы в о зд у х а с в ы ­
сотой.
И з рис. 2.10 с л е д у е т , что к о г д а с л о й с о с л а б л е н н о й с ко ростью
в е т р а р а с п о л о ж е н на н е к о т о р о й в ы с о т е , то, чем б о л ь ш е э т а в ы ­
с о т а, т е м с л а б е е у м е н ь ш е н и е п р и з е м н о й к о н ц е н т р а ц и и . Н а п р и м е р ,
при ш т и л е у зе м н о й п о в е р х н о с т и в с л о е в о з д у х а то л щ и н о й 30 м
м а к с и м у м н а з е м н о й к о н ц е н т р а ц и и ( s m ) у в е л и ч и в а е т с я при м ер н о на
70 % п0 с р а в н е н и ю со с л у ч а е м о т с у т с т в и я ш т и л я . Е с л и ж е ш т и л е ­
вой с л о й т а к о й ж е т о л щ и н ы р а с п о л о ж е н м е ж д у у р о в н я м и 30 и
60 м, то с о о т в е т с т в у ю щ е е и з м е н е н и е м а к с и м у м а к о н ц е н т р а ц и и со­
с т а в л я е т т о л ь к о 35 %•
В с л у ч а е к о г д а в ы с о т а ш т и л е в о г о с л о я д о ст а т о ч н о б о л ь ш а я
и о т с у т с т в у е т и н в е р с и я т е м п е р а т у р ы , а т а к ж е к о г д а в эт о м слое
не т о л ь к о р а с п о л а г а ю т с я
с а м и и с т о ч н и к и , но и р а с п р е д е л я е т с я
в н ем о с н о в н а я ч а с т ь п р и м е с и от э т и х и с т о ч н и к о в , р а счет к о н ц е н ­
т р а ц и и п р о и з в о д я т по ф о р м у л а м (2.60) — (2 .6 2 ). О ц е н ку в о з м о ж ­
ного в о з р а с т а н и я п р и з е м н о й к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с и , о б у с л о в л е н ­
ного в о з н и к н о в е н и е м ш т и л я , о с у щ е с т в л я ю т п у т е м с о п о с т а в л е н и я
р е з у л ь т а т о в р а с ч е т о в q m , п о л у ч е н н ы х по ф о р м у л е (2.61) п р и и = 0 ,
7
Заказ № 30
97
и
qm,
У =
п о л у ч е н н ы х по а н а л о г и ч н о й ф о р м у л е (2.42) при
из э т и х ф о р м у л с л е д у е т , что
и ф
0. Д л я
дт \иф о1дт \и=о
(3.43)
Фои
1
П р и эт о м п р е д п о л а г а е т с я , что (2.42) о п р е д е л е н а д л я с р а в н и ­
т е л ь н о м а л ы х ск о р о с т е й . Т о г д а к о э ф ф и ц и е н т ы к \ в
(2.61)
и (2.42) п р и м е р н о о д и н а к о в ы . П о с к о л ь к у , с о г л а с н о с к а з а н н о м у ,
в е л и ч и н ы р 2 и Mi с в я з а н ы м е ж д у собой соо т н о ш е н и е м р 2 =
= Ф20М1, е с л и р а с с м а т р и в а т ь с р а в н и т е л ь н о м а л ы е u i . В этом с л у ­
ч ае , к а к у ж е о т м е ч а л о с ь , с и з м е н е н и е м U i , в е л и ч и н ы Р и k \ , а с л е ­
д о в а т е л ь н о , и и х о т н о ш е н и е &i/|3 о с т а ю т с я п р и м е р н о посто янны м и .
И з о б р а б о т к и д а н н ы х н а б л ю д е н и й , р а с с м о т р е н н ы х в п. 3.4, с л е ­
д у ет , что ^ i /Р = 0,5 m%/ c ,/s. П о э т о м у п р и б л и ж е н н о м о ж н о п о л о ж и т ь ,
что p « i2 & i (в той ж е с и с т е м е е д и н и ц ). Т о г д а п олуч им ^ « 1 1 х
X ( £ i / V w i ) 3П р и з н а ч е н и я х U i = l м/с и £ i « 0 , 1 5 м/с, х а р а к т е р н ы х д л я у с л о ­
вий к о н в е к ц и и , у « 0 , 0 4 , т. е. к о н ц е н т р а ц и и п р и т а к о й с к о р о с т и
в е т р а п р и м ер н о в 25 р а з м е н ьш е , чем при ш ти ле . О д н а к о с у м е н ь ­
ш ен и е м U t з н а ч е н и е у б ы с т р о в о з р а с т а е т . М о ж н о у с т ан о в и т ь н е к о ­
т о р у ю с к о р о с т ь в е т р а U i = Uo, п р и к о т о р о й -у = 1 , т. е. д о с т и г а е т с я
п р е д е л ь н о е з н а ч е н и е м а к с и м а л ь н о й к о н ц е н т р а ц и и . О чеви дн о, что
расчет
к о н ц е н т р а ц и и q m \ u ^ о по ф о р м у л е (2.41) д л я ско р о с т е й
в е т р а U i < и 0 не и м е е т с м ы с л а . Д л я у к а з а н н ы х зн а ч е н и й k i п о л у ­
чено, что « о ~ 0 , 1 м/с. П о л у ч е н н ы е р е з у л ь т а т ы р а з в и т ы в р а б о т е
Б е р ж е и др. (1 98 0).
3.7.
со
Учет п р и п о д н я т о й и н в е р с и и и ее со ч е т а н и я
штилем
П р и п р о г н о з е о б р а з о в а н и я п р и п о д н я т о й ин в ер си и т е м п е р а т у р ы
н а д и с т о ч н и к о м о ж и д а е м о е у в е л и ч е н и е к о н ц е н т р а ц и и пр и м еси
о п р е д е л я е т с я на ос н ов е в ы в о д о в и р е з у л ь т а т о в р а с ч е т а , п р и в е д е н ­
ны х в п. 2.10. В с о о т в ет с т в и и с ни м и в р а б о т а х Б е р л я н д а и др.
(1963, 1964а) б ы л и в ы п о л н е н ы р а с ч е т ы к о н ц е н т р а ц и й д л я х а р а к т е р ­
ны х п р о ф и л е й к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а k z , у к а з а н н ы х на рис. 3.12,
при и зм е н ен и и с к о р о с т и в е т р а по л о г а р и ф м и ч е с к о м у за ко н у .
В т а б л . 3.5 п р и в о д я т с я з н а ч е н и я к о н ц е н т р а ц и и s (см. ф о р м у л у
( 2 .2 6 ) ) , п р о п о р ц и о н а л ь н о й н а з е м н о й к о н ц е н т р а ц и и , а т а к ж е отноТаблица 3.5
Значения концентрации s и отношения концентрации R'
X км
П роф иль
по рис.3.12
3
93
"м
50
Величина
0,1
0,5
1,0
1,5
2,0
3,0
S
151
591
647
566
489
382
R'
1,41
1 ,5 9
1 ,7 4
1 ,83
1,92
1 ,9 7
X км
В еличина
П роф и л ь
1
1
120
2
3
4
5
S
60
98
116
122
121
R'
1 ,5 0
1 ,5 5
1 ,5 9
1 ,6 2
1 ,6 8
20
10
30
96
65
51
1 ,9 2
2 ,3 2
2 ,6 8
ш ен ия R ' н а з е м н ы х к о н ц е н т р а ц и й при н а л и ч и и и о тс утств и и з а ­
д е р ж и в а ю щ е г о ( и н в ер с и о н н о г о ) с л о я д л я «1 = 4 м/с.
2 М
250
200
150
100
50
Рис. 3.12. Вертикальные профили k z
в зависимости от располож ени я слоев
инверсии.
_ i^ j
iX
i
i/ к
О 5 10 0 510 0 5 10 0kzM2/c
Х арактерные
о с о б е н н о с т и п р о ф и л е й k Zt и с п о л ь з о в а н н ы х д л я
р а с ч е т а д а н н ы х т а б л . 3.5, о б у с л о в л и в а ю т с я р а с п о л о ж е н и е м з а д е р ­
ж и в а ю щ е г о с л о я с р е з к о о с л а б л е н н о й т у р б у л е н т н о с т ь ю н еп осред ­
ственно н а д и с т о ч н и к о м . П р и в е д е н н ы е д а н н ы е у к а з ы в а ю т на у ве ­
л ичение п р и зе м н о й к о н ц е н т р а ц и и п ри н а л и ч и и пр и п о д н я то й и н в ер ­
сии, к о т о р о е у с и л и в а е т с я с р о с т о м х . У в е л и ч е н и е
кон ц ен тр ац и и
особенно з н а ч и т е л ь н о и а б о л ь ш и х р а с с т о я н и я х от исто чн ик а. Т а ­
ким о б р а з о м , есл и о ж и д а е т с я , что с л о й с и н ве р си ей т е м п е р а т у р ы
будет р а с п о л о ж е н н е п о с р е д с т в е н н о н а д и сто чн и к ом , то следует
учесть, что м а к с и м у м п р и з е м н о й к о н ц е н т р а ц и и
возрастает при­
м ерно на 5 0— 70 % , а с о о т в е т с т в у ю щ е е е м у р а с с т о я н и е х ы с р а в н и ­
тельно м а л о и з м е н я е т с я . С у м е н ь ш е н и е м в ы с о т ы и с т о чн и к а в л и я ­
ние р а с п о л о ж е н н о г о н а д ним з а д е р ж и в а ю щ е г о слоя в о з р а с т а е т .
Р езу л ьтаты р асчета R ' д л я уровней 2 = 0 и z = H при распреде­
л е н и я х 4 , 1 и 2 к о э ф ф и ц и е н т а k z , у к а з а н н ы х н а рис. 3.12, п р е д с т а в ­
л ены в т а б л . 3.6.
К ак и в рассм отренны х выш е случаях, эф ф ект задерж иваю щ его
слоя у с и л и в а е т с я с р а с с т о я н и е м . О н т ем м е н ь ш е , чем вы ш е р а с п о ­
л о ж е н слой н а д и с т о ч н и к о м . П р и д о с т а т о ч н о б о л ь ш о м пр евы ш ении
н и ж н е й г р а н и ц ы и н в е р си и н а д у р о в н е м и с т о ч н и к а ( 100— 200 м
и более) э ф ф е к т п р о я в л я е т с я т о л ь к о н а б о л ь ш и х р а с с т о я н и я х .
Р а с ч е т ы п о к а з ы в а ю т , что м о ж н о о г р а н и ч и т ь с я пр и в е д ен н ы м и
выше
сравнительно
простыми м оделям и
распределения
k z,
99
Таблица 3.6
Значения отношений концентраций при наличии и отсутствии
задерживающих слоев
X км
В ысота
П р оф и ль
1
2
3
4
5
10
20
30
0
4
1
2
1 ,0 2
1 ,5 0
1 ,3 3
1 ,0 3
1 ,5 6
1,3 8
1 ,0 3
1 ,5 9
1 ,5 0
1 ,0 4
1,62
1,42
1,06
1,68
1,44
1 ,2 2
1,92
1 ,5 4
1,53
2 ,3 2
1 ,68
1 ,7 8
2 ,6 8
1 ,7 2
н
4
1
2
1 ,0 2
1,51
1 ,3 7
1 ,0 3
1 ,7 0
1,48
1 ,1 0
1,81
1 ,5 2
1,16
1,89
1 ,55
1,1 8
1,91
1 ,5 5
1,41
2 ,1 4
1,61
1,68
2 ,5 6
1,76
1 ,8 9
2 ,8 3
1 ,73
п о с к о л ь к у и з м е н е н и е k z в ы ш е з а д е р ж и в а ю щ е г о с л о я с ущ ественно
с к а з ы в а е т с я т о л ь к о н а з н а ч и т е л ь н ы х у д а л е н и я х о т источника. Н а
б л и з к и х р а с с т о я н и я х не оч ен ь с и л ь н о в л и я е т и и н тен си вность т у р ­
б у л е н тн о с ти в н у т р и и н в е р с и о н н о г о с л о я .
Н аи больш ее влияние слоя с ослабленн ой турбулентностью имеет
м есто, к о г д а он р а с п о л а г а е т с я н е п о с р е д с т в е н н о н а д и сто чн и ­
ком. М а к с и м у м к о н ц е н т р а ц и и л е г к о й п р и м е с и в э т и х у с л о в и я х м о ­
ж е т у в е л и ч и т ь с я б о л е е чем в 2 р а з а . В м е сте с т е м по д а н н ы м р а с ­
чета п о л у ч ен о , что у ч ет р е з к о г о у м е н ь ш е н и я k z н а д источн ико м не
п о з в о л я е т о б ъ я с н и т ь , к а к это. и н о гд а д е л а е т с я , в о з р а с т а н и е м а к с и ­
м у м а п р и зе м н о й к о н ц е н т р а ц и и п р и м е р н о на п о р я д о к . Т а к о е р е з к о е
у в е л и ч е н и е ин те н си в н о с т и з а г р я з н е н и я п р и зе м н о г о с л о я п р о м ы ш ­
л е н н ы м и в ы б р о с а м и из т р у б , к а к б у д е т п о к а з а н о н и ж е , в основн ом
с в я з а н о с о г р а н и ч е н и е м н а ч а л ь н о г о п о д ъ е м а н а д т ру бой .
П о с к о л ь к у при н а л и ч и и п р и п о д н я т ы х и н в е р си й у б ы в а н и е п р и ­
зе м н о й к о н ц е н т р а ц и и п о с л е д о с т и ж е н и я ею м а к с и м у м а п р о и с х о ­
д и т в е с ь м а м е д л е н н о , то п ри т а к и х у с л о в и я х с у м м а р н а я к о н ц е н ­
т р а ц и я от гр у п п ы р а с с р е д о т о ч е н н ы х по б о л ьш о й п л о щ а д и (в го ­
ро д е) и сточн иков м о ж е т з н а ч и т е л ь н о у в е л и ч и т ь с я , д а ж е если д л я
к а ж д о г о из них м а к с и м а л ь н ы е к о н ц е н т р а ц и и м а л ы . В сл у ч а е к о г д а
з а д е р ж и в а ю щ и й с л ой р а с п о л о ж е н н и ж е у р о в н я и с т о ч н и к а, п р и з е м ­
н а я к о н ц е н т р а ц и я б у дет м ен ьш е , ч ем при о т с у тс т в и и этого с л оя .
С о о т в е т с т в у ю щ и е з н а ч е н и я п р е д с т а в л е н ы в т а б л . 3.7 д л я в ы с о ты
и с т о ч н и к а # = 1 2 0 м.
Таблица 3.7
Значения отношений наземных концентраций при наличии и отсутствии
задерживающего слоя под источником
X км
П роф иль
1
100
2
4
6
8
10
12
3
0 ,0 3
0 ,0 6
0 ,1 6
0 ,3 3
0,5 1
0 ,6 8
0 ,8 6
2
0 ,0 6
0 ,1 2
0 ,2 8
0 ,4 4
0 ,5 8
0 ,6 8
0 ,8 0
В данном случае кон центраци и примеси значительно
ш а ю т с я до в е с ь м а б о л ь ш и х р а с с т о я н и й .
умень­
Т а бл и ца 3.8
Значения х и х'
X км
О тно­
шение
П ро­
филь
1
2
4
6
8
10
15
%
1
2
3
0
1 ,2 6
3 ,5 0
4 ,0 0
1 ,3 4
1 ,2 0
3 ,5 0
5 ,1 0
1 ,5 0
1 ,0 6
2 ,8 0
4 ,4 0
1 ,1 4
0 ,9 5
2 ,3 5
3 ,4 4
1 ,0 5
0 ,8 5
1 ,9 2
2 ,7 6
0 ,9 8
0 ,7 7
1 ,6 8
2 ,2 9
0 ,9 2
0 ,5 9
1 ,4 5
1 ,5 5
0 ,8 8
V
1
2
3
7 ,0 0
8 ,0 0
2 ,3 6
1 ,9 6
2 ,1 4
2 ,5 0
0 ,9 5
0 ,9 9
1 ,5 0
0 ,8 0
0 ,8 5
1 ,4 3
0 ,8 0
0 ,8 1
0 ,8 7
0 ,7 9
0 ,7 9
0 ,6 7
0 ,7 8
0 ,7 8
0 ,4 2
А н а л о г и ч н о в ы п о л н я ю т с я р а с ч е т ы и д л я т я ж е л ы х п р и м ес е й .
В т а б л . 3.8 п р и в о д я т с я з н а ч е н и я о т н о ш е н и й
У __
tfw |z = 0
Я\г=0
у , ___
'
~
Ят \ г — И
Ч * \г -
0
’
где q w и q с о о т в е т с т в е н н о к о н ц е н т р а ц и и т я ж е л о й и л е г к о й п р и ­
месей. Р а с ч е т ы в ы п о л н я л и с ь д л я с л у ч а я # = 1 2 0 м, ш = 5 с м /с
и ч еты рех п р о ф и л е й и з м е н е н и я k z с в ы со то й . П е р в ы е три п р о ф и л я
у к а з а н ы н а рис. 3.12 п о д с о о т в е т с т в у ю щ и м и н о м е р а м и , а ч е т в е р ­
тый (0) о т н о с и т с я к н о р м а л ь н ы м у с л о в и я м , к о г д а в ы ш е h — 50 м
в ел и ч и н а k z с о х р а н я е т п о с т о я н н о е з н а ч е н и е . Н а и б о л ь ш и е р а з л и ­
чия м е ж д у т я ж е л о й и л е г к о й п р и м е с я м и п р о я в л я ю т с я при м а л ы х
зн а ч е н и я х k z п о д и с т о ч н и к о м и при н е оч ен ь б о л ь ш и х х .
К о н ц е н т р а ц и я т я ж е л о й п р и м е с и п ри и н в е р си о н н о й с т р а т и ф и к а ­
ции, к а к и при н о р м а л ь н ы х у с л о в и я х , н а б о л ь ш и х у д а л е н и я х от
источн ика м е н ьш е , ч ем д л я л е г к о й п р и м ес и . Э т о с в я з а н о с в ы п а ­
ден ием т я ж е л ы х ч а с т и ц н а б л и з к и х р а с с т о я н и я х .
П р и б л и ж ен н ая оценка влияни я за д ер ж и в а ю щ е го слоя на при­
зем ну ю к о н ц е н т р а ц и ю от и с т о ч н и к а ф и к с и р о в а н н о й в ы с о ты в ы п о л ­
н я л а с ь и в р я д е д р у г и х р а б о т . М о ж н о , в ч а с т н о с т и , у к а з а т ь на
один из п е р в ы х р е з у л ь т а т о в , п о л у ч е н н ы х в э т о м п л а н е Б и р л и и
Х ью соном ( B ie r le y , H e w s o n , 1965) н а о с н о в а н и и в е с ь м а с х е м а т и ч ­
ных п р е д с т а в л е н и й о р а в н о м е р н о м в е р т и к а л ь н о м р а с п р е д е л е н и и
прим еси в п о д ы н в е р с и о н н о м сл о е.
У прощ енная модель д л я изучения влияни я приподнятой и н вер­
сии на р а с п р о с т р а н е н и е п р и м е с и р а з р а б о т а н а Х а й н есо м и П е т е р ­
сом (H e in e s , P e t e r s , 1973) н а о с н о в е р е ш е н и я у р а в н е н и я д и ф ф у з и и
с п о с т о я н н ы м и к о э ф ф и ц и е н т а м и в п р е д п о л о ж е н и и , что п о т о к п р и ­
меси н а н и ж н е й г р а н и ц е и н в е р си и Я и р а в е н н ул ю . И з а н а л и з а р е ­
ш ен и я с л едует, что в с л у ч а е , к о г д а в ы с о т а и с т о ч н и к а Н <С 0 ,6 # и,
эф ф ект приподнятой инверсии м ал.
101
П ри тех ж е пр ед п о л о ж ен и ях в работе Р егл ен д а (R a g la n d ,
1976), р а с с м о т р е н н о й в п. 2.7, д л я н а зе м н о й к о н ц е н т р а ц и и по н а ­
правлению ветра получена ф орм ула
(н - * п н и )2
q
—
п
—
—
У
rl_ f-'oo
П0у02и
е
(3.44)
2а1
Н а и б о л ь ш е е з н а ч е н и е q i д о с т и г а е т с я , когд а н и ж н я я г р а н и ц а и н ­
в е р си и р а с п о л о ж е н а н е п о с р е д с т в е н н о н а д источником, то чн ее с о ­
в п а д а е т с э ф ф е к т и в н о й вы с о то й и с т о ч н и к а ( Я И = Я ) . В эт о м с л у ­
ч а е из (3.44)
(2п—I)2 Я?,
2М
£
ПОуОги
20“^(3>4
е
п= 1
М а к с и м у м q i в з а в и с и м о с т и от р а с с т о я н и я д: н а х о д и т с я из у с л о ­
в и я d q / d x = 0. П р и с о х р а н е н и и в (3.45) т о л ь к о п ерв ы х ч лен ов и з
этого у с л о в и я с л е д у е т , ч то н а и б о л ь ш а я к о н ц е н т р а ц и я д о с т и г а е т с я ,
когда
-а - j 7—
при
х =
(3.46)
хт,
гд е cti и Pi — п о к а з а т е л и в с т е п е н н ы х в ы р а ж е н и я х
сс “4“ 6
(см. ( 2 . 5 1 ) ) , п р и в е д е н н ы х в п. 2.7. О б ы чно —
-1
для
о у
и
а2
изменяю тся
Pi
в п р е д е л а х от 1,5 до 3. Т о г д а н а и б о л ь ш а я к о н ц е н т р а ц и я
q lM =
2М
-----------поуаги
е
z .
/о
Л7\
(3.47)
'
'
У с л о в и е (3.46) с о в п а д а е т с а н а л о г и ч н ы м усл о вием д л я н а с т у п л е ­
ни я м а к с и м у м а к о н ц е н т р а ц и и , о п р е д е л я е м ы м по гауссовой м о д е л и
(см. п. 2.7) в с л у ч а е о т с у тс т в и я п ри п од н я той инверсии. Э то о з н а ­
ч ает, что и з н а ч е н и я о п а с н о й ( и л и кри ти ческ ой)
скор ости
им
в обоих с л у ч а я х п р и м е р н о о д и н а к о в ы . О д н а к о .при н а л и ч и и п р и ­
п од н я той и н в е р с и и <7ш в 2 р а з а б о льш е, чем при ее о тсу тств и и ,
если и м е т ь в виду, что Я И= Я — э ф ф е к т и в н а я вы сота источн ик а.
П о э т о м у д л я р а с ч е т а н а и б о л ь ш е й к о н ц е н т р а ц и и дчм Р е г л е н д п р е д ­
л а г а е т и с п о л ь з о в а т ь д а н н ы е т а б л . 2.4, у м н о ж и в п р е д с т а в л е н н ы е
в ней з н а ч е н и я к о н ц е н т р а ц и и q м н а 2. Д л я р а с с то я н и й х >* х м со­
гласно Р егленду,
Q jq =
r - ( t ) 2
102
Н а рис. 3.13 п р е д с т а в л е н о о т н о ш е н и е
q ^ q
в з а в и с и м о с т и от
б е з р а з м е р н о г о р а с с т о я н и я сгг/ Я д л я р а з н ы х зн а ч е н и й Я п/ Я . О т ­
с ю д а сл ед у е т , что при х >* я м о т н о ш е н и е к о н ц е н т р а ц и й q t и q м о ­
жет
б ы ть
и б о л е е 2. Э ти р е з у л ь т а т ы в о с н о в н о м с о г л а с у ю т с я
с п р и в е д е н н ы м и в ы в о д а м и , п о л у ч е н н ы м и н а о с н о в а н и и численного
и н т е г р и р о в а н и я у р а в н е н и я д и ф ф у з и и , но в с и л у с к а з а н н о г о выш е
я в л я ю т с я м е н ее т о ч н ы м и .
В р я д е р а б о т ( V a n D o p e t al., 1979; M i s r a , 1980; M i s r a O nlock,
1982; K e r m a n , 1982 и д р .) т е о р е т и ч е с к и и с с л е д о в а л о с ь с и л ь н о е з а ­
гр я зн е н и е в о з д у х а ( ф у м и г а ц и я ) п р и н а л и ч и и п р и п о д н я т ы х инвер$/4Г
Рис. 3.13. О тнош ение концентрации
при наличии и отсутствии приподня­
той инверсии в зависим ости от а г/Н
и Я м/Я .
сий, к о т о р ы е м о г у т в о з н и к а т ь н а п о б е р е ж ь е м ор ей и к р у п н ы х во-’
доем о в (см. п. 5 .6 . 1 ). С л у ч а и , и л и т а к н а з ы в а е м ы е эп и зо д ы , со
зн а ч и т е л ь н ы м з а г р я з н е н и е м в о з д у х а о т м е ч а л и с ь н е р е д к о в В ен е­
ции, р а с п о л о ж е н н о й в с е р е д и н е л а г у н ы , к о г д а п р и б р е ж н ы й поток
в о зд у х а б ы л х о л о д н е е п о в е р х н о с т и в о д ы ( C a m u f f o , C a v a le r i, 1980).
И з л о ж е н н ы е в п. 2.12 р е з у л ь т а т ы п о з в о л я ю т уч ес т ь в л и я н и е
инверсии т е м п е р а т у р ы на н а ч а л ь н ы й п о д ъ е м прим еси, п р и н я т ь во
в н и м ан и е в о з м о ж н о с т ь д о с т и ж е н и я о п р е д е л е н н о г о « п о т о л к а » г л ,
вы ш е к о т о р о г о п р и м е с ь не м о ж е т п о д н я т ь с я в с л е д с т в и е п р о т и в о ­
д ей с тв и я сил п л а в у ч ес т и . В с о о т в е т с т в и и с ф о р м у л о й ( 2 .66 ) м о ­
ж н о п о л а г а т ь , ч то п р и д а н н о й т е п л о в о й м о щ н о с т и и с т о ч н и к а ViA Т
в е л и ч и н а z n д о с т и г а е т м и н и м а л ь н о г о з н а ч е н и я п р и не с л и ш к о м гл у ­
боких и н в е р с и я х , к о г д а k ( d T ( d z ) не о ч ен ь м а л о .
П о н я т н о , что н а о с н о в а н и и с к а з а н н о г о в ы ш е п о л у ч е н н ы е р е ­
з у л ь т а т ы о т н о с и т е л ь н о z n с л е д у е т р а с с м а т р и в а т ь к а к в е с ь м а при­
б л и ж е н н ы е. В м е с т е с т е м д л я с л у ч а е в , к о г д а z n м а л о , далее при
зн а ч и т е л ь н ы х п о г р е ш н о с т я х в о п р е д е л е н и и z n , п р е д с т а в л я е т с я у б е ­
д и т е л ь н ы м о с н о в н о й в ы в о д о т о м , что н а ч а л ь н ы й п о д ъ е м при­
меси из т р у б б у д е т о г р а н и ч е н н е б о л ь ш и м и в ы с о т а м и н е за в и с и м о от
зн а ч е н и я с к о р о с т и в е т р а .
П р и п р о г н о з е о п а с н о г о з а г р я з н е н и я в о з д у х а особен но ва ж н о
учитывать сочетание приподнятой инверсии и ш тиля. Д ействи­
103
тельн о, с о о т в е т с т в у ю щ а я о п а с н о й с к о р о с т и в е т р а и м м а к с и м а л ь н а я
к о н ц е н т р а ц и я с м о б р а т н о п р о п о р ц и о н а л ь н а « м. О д н а к о н а и б о л ь ­
ш и е з н а ч е н и я к о н ц е н т р а ц и и д о с т и г а ю т с я о б ы ч н о не при оч ен ь м а ­
л ы х з н а ч е н и я х с к о р о с т и в е т р а , п ри к о т о р ы х у в е л и ч и в а е т с я э ф ф е к ­
т и в н а я в ы с о т а и с т о ч н и к а. П о и с п о л ь з у е м ы м
в настоящ ее время
ф о р м у л а м д л я о п р е д е л е н и я А Н , в ч ас т н о с т и
(2.57), с у м е н ь ш е ­
ни ем и д о н у л я А Н н е о г р а н и ч е н н о в о з р а с т а е т . В м е с те с тем, к а к
п о к а з а н о в ы ш е, п р и и н в е р си о н н ы х у с л о в и я х м о ж е т с у щ е с т в о в а т ь
н е к о т о р ы й « п о тол ок» д л я н а ч а л ь н о г о п о д ъ е м а примеси. Е с л и по­
т о л о к р а с п о л а г а е т с я с р а в н и т е л ь н о н и зк о н а д т р убо й , то при с л а ­
б ы х в е т р а х к о н ц е н т р а ц и я п р и м ес и д о л ж н а з н а ч и т е л ь н о в о з р а с т а т ь
д а ж е при у ч ете р е з у л ь т а т о в п. 3.6 о т н о с и т е л ь н о о г ранич енности
т а к о г о в о з р а с т а н и я . С л е д о в а т е л ь н о , п ри н а л и ч и и инверсии над
т р у б о й и с и л ь н о м о с л а б л е н и и в е т р а в п р и зе м н о м слое м огут с о з­
д а в а т ь с я в е с ьм а о п а с н ы е у с л о в и я , что п о з в о л я е т о б ъ ясн и ть сл у ч а и
особо б о л ь ш и х к о н ц е н т р а ц и й . В ч а с т н о с т и , на основани и р е з у л ь т а ­
тов, и з л о ж е н н ы х в п. 3.6, при у м е н ь ш е н и и ско р о с т и в е т р а и от
1 м /с до ш т и л я м а к с и м у м п р и зе м н о й к о н ц е н т р а ц и и м о ж е т у в е л и ­
читься п р и м ер н о в 10 р а з.
3.8.
П рогноз
смогов
М е т о д ы и п р а в и л а п р о г н о з а с м о го в су щ е с т в е н н о р а з л и ч а ю т с я
в за в и с и м о с т и от его типа. П о л е з н о п р и э т о м учесть н е к о то р ы е
об щ и е х а р а к т е р и с т и к и см ого в д в у х о сн о в н ы х типов — л о н д он ско го
и л о с - а н д ж е л е с с к о г о (см. п. 2 .1 3 ). Т а к , с о г л а с н о М а к к о р м и к у (Мс
C o rm ick , 1970), см оги в Л о н д о н е б о л ь ш е й ч ас т ью н а б л ю д а ю т с я
в д е к а б р е — я н в а р е в у т р е н н и е ч а с ы при ш т и л е , т е м п е р а т у р е в о з ­
д у х а от — 1 д о + 4 ° С и о т н о с и т е л ь н о й в л а ж н о с т и в о зд у х а вы ш е
85 %. О ни х а р а к т е р и з у ю т с я м а л о й д а л ь н о с т ь ю видимости, д о с т и ­
г а ю щ е й и н о гд а 30 м и менее. Д л я см о го в в Л о с -А н д ж е л е с е , ч а щ е
всего н а б л ю д а ю щ и х с я в а в г у с т е — с е н т я б р е в се ре ди н е дня, х а р а к ­
терны с к о р о с т ь в е т р а м е н ь ш е 3 м /с, т е м п е р а т у р а в о зд у х а 2 4 —
32 °С, о т н о с и т е л ь н а я в л а ж н о с т ь м е н ь ш е 70 % и д а л ь н о с т ь в и д и м о ­
сти 1,5— 8 км. О сн о в н ы м и и с т о ч н и к а м и з а г р я з н е н и я в о зд у х а в п е р ­
в ом с л у ч а е я в л я е т с я с ж и г а н и е у г л я и м а з у т а ,
во втором с л у ­
ч а е — в ы б р о с ы а в т о т р а н с п о р т а . В л о н д о н с к о м см оге в основн ом
им еет м есто о п и сан н ы й в ы ш е п р о ц е с с в за и м о д е й с т в и я т у м а н а
с р а з л и ч н ы м и п р и м е с я м и ( S O 2, С О , д ы м ) . З д е с ь су щ ественно п р о ­
я в л я е т с я п о г л о щ ен и е п р и м ес ей в о д я н ы м и к а п л я м и .
П р и п р о гн о зе з а г р я з н е н и я в о з д у х а
в
тумане
су щ ественно
учесть, что р а с т в о р и м а я п р и м е с ь п р а к т и ч е с к и полностью п о г л о ­
щ ается водяны ми каплями. Т аки м образом осуществляется тр ан ­
с ф о р м а ц и я п р и м ес и в ее в о д н ы й р а с т в о р и о б р а з о в а н и е ки сло ты ,
в ч ас т н о м с л у ч а е п р е в р а щ е н и е с ерн и сто го г а з а в серную ки сло ту.
В этом с л у ч а е к о н ц е н т р а ц и я п р и м е с и в т у м а н е (с учетом о б р а з о ­
в а н и я ее р а с т в о р а ) м о ж е т о к а з а т ь с я в н е с к о л ь к о раз- больш е, чем
п ри его о тсу тст ви и , что о т ч а с т и о б ъ я с н я е т с я п о г л о щ ен и е м п р и м ес и
из сл о я в о з д у х а н а д т у м а н о м .
104
П р и п р о г н о з е з а г р я з н е н и я в о з д у х а в т у м а н е н у ж н о п р и н я т ь во
в н и м ан и е его о ж и д а е м у ю в о д н о с ть .
В с л у ч а е р а з в и т и я т у м а н а р а д и а ц и о н н о г о т и п а в а ж н о учесть,
что на его в е р х н е й г р а н и ц е о б р а з у е т с я п р и п о д н я т а я ин в ер си я т е м ­
пературы, а в сам ом тум ан е о тм еч ается
падение
температуры
с вы сотой и л и и з о т е р м и я . В з а в и с и м о с т и от в ы с о т ы и ин те н си вн о ­
сти п р и п о д н я т о й и н в е р с и и в с о о т в е т с т в и и с р е з у л ь т а т а м и , и з л о ­
ж е н н ы м и в п. 3.7, р а с с ч и т ы в а е т с я в о з м о ж н о е у в е л и ч е н и е п р и з е м ­
ной к о н ц е н т р а ц и и .
П р и п р о г н о зе ф о т о х и м и ч е с к и х см о г о в , о с о б ен н о д л я о ценки
о ж и д а е м о г о у р о в н я о к с и д а н т о в и н е к о т о р ы х д р у г и х токсич еских
q млн,-f
0, 1 6 г -
Рис. 3.14. Суточный ход концен­
траций Оз ( / ) , N 0 (2) и N 0 2 (3).
прим есей, п о л е з н о и с п о л ь з о в а т ь р я д и з в е с т н ы х п р а в и л о их суточ­
ном ходе, п о л у ч е н н ы х т е о р е т и ч е с к и м и л и э к с п е р и м е н т а л ь н ы м пу­
тем. Т а к , и зв е с т н о , что п р и д о с т а т о ч н о й и н с о л я ц и и в утренни е
ч асы окись а з о т а N 0 п е р е х о д и т в д в у о к и с ь N 0 2 и в соответствии
с с о о тн ош ен и ем (2.69) о б р а з у е т с я о зон Оз. С о г л а с н о соотнош ению
(2.69), с р о с т о м к о н ц е н т р а ц и и N 0 2 и о т н о ш е н и я
кон ц ен тр ац и й
N 0 2 и N 0 у в е л и ч и в а е т с я и с о д е р ж а н и е озон а.
Н а л и ч и е с м о г а ч а с т о о п р е д е л я е т с о с т о я н и е а т м о с ф е р ы , при
к о т ор ом к о н ц е н т р а ц и я Оз п р е в ы ш а е т 0,1 м л н -1. П р и ин тен си в­
ных с м о г а х к о н ц е н т р а ц и я о з о н а и н о г д а п р е в ы ш а е т 0,5 м л н -1.
В С С С Р р а з о в о е з н а ч е н и е П Д К д л я Оз
(см. т а б л . 1.1) р а в н о
0,16 м г /м 3 или 0,08 м л н -1 , а в С Ш А в к а ч е с т в е с т а н д а р т а к а ч е ­
с т в а в о з д у х а д л я с р е д н е ч а с о в о й к о н ц е н т р а ц и и — 0,24 м г /м 3 или
0,12 м л н -1.
И з (2.69) с л е д у е т , что д л я о б р а з о в а н и я с м о г а и п р е вы ш е н и я
П Д К о зо н а т р е б у е т с я , ч то б ы ^ n o 2 б ы л о по к р а й н е й м ере в 8—
12 р а з б о л ь ш е q ^ o .
Все ф а к т о р ы , к о т о р ы е с п о с о б с т в у ю т у в е л и ч е н и ю в р е з у л ь т а т е
ф о то х и м и ч е с к и х р е а к ц и й к о н ц е н т р а ц и и N 0 2, ве д у т , естественно,
к в о з р а с т а н и ю с о д е р ж а н и я о з о н а и и н те н с и в н о с т и см ога. К т а к и м
ф а к т о р а м н а р я д у с с о л н е ч н о й р а д и а ц и е й о т н о с я т с я в ы б р осы в а т ­
мосферу углеводородов
и р я д а д р у г и х о р г а н и ч е с к и х вещ еств.
Н а рис. 3.14 п р и в е д е н ы п р и м е р ы с у т о ч н о г о х о д а N O , N 0 2 и 0 3
при с м о г а х по д а н н ы м н а б л ю д е н и й в Л о с - А н д ж е л е с е .
105
М а к с и м у м к о н ц е н т р а ц и и N O в у т р е н н и е ч ас ы о б у сл о в л е н р е з ­
ки м у в е л и ч е н и е м ч и с л а а в т о м а ш и н в э т о в рем я. З н а ч и т е л ь н о в о з ­
р а с т а ю т по этой ж е п р и ч и н е и к о н ц е н т р а ц и и у г л е в о д о р о д о в . П о
д а н н ы м н а б л ю д е н и й в Л о с - А н д ж е л е с е , они в о з р а с т а ю т с 4 до 8 ч
п р и м е р н о в 2 р а з а . Б ы с т р о у в е л и ч и в а е т с я утро м и интенсивность
у л ь т р а ф и о л е т о в о й р а д и а ц и и . В се э т о в е д е т к то м у , что в п р оц ессе
ф о т о х и м и ч е с к и х р е а к ц и й с у ч а с т и е м окиси а зо т а и у г л е в о д о р о д о в
в 8— 10 ч д о с т и г а е т с я м а к с и м у м к о н ц е н т р а ц и и N 0 2, а вскоре п осл е
этого, о к о л о п о л у д н я , и м а к с и м у м к о н ц е н т р а ц и и озона. С о д е р ж а q млн 1
Рис. 3.15. И зменение концентра­
ций q при фотохимическом смоге
в зависимости от времени облуч е­
ния /об/ - N 0 , 2 — NO 2 , з — Оз. 4 — ПАН, 5 —
а л ьд еги д , 6 — пропилен.
ние N 0 п ри эт о м п о степ ен н о у м е н ь ш а е т с я ; м и н и м у м о т м е ч а е т с я
в 16— 17 ч; з а т е м в р е з у л ь т а т е оч ер ед н ого в о з р а с т а н и я ч и с л а м а ­
ш ин на а в т о м а г и с т р а л я х его с о д е р ж а н и е снова н е с к ольк о у в е л и ­
чи ва е тс я . О тм еч е н о, что см о ги ч а щ е н а б л ю д а ю т с я в тепл ую по­
году. П о р е з у л ь т а т а м о т д е л ь н ы х и с сл е д о в ан и й э т о о б ъ я с н я е т с я
тем , что р о ст т е м п е р а т у р ы п р и м е р н о на 20 °С м о ж е т привести
к у в е л и ч ен и ю ско р о ст и н е к о т о р ы х ф о то х и м и ч е с к и х реакц ий в 2 —
4 р а з а . У о р к и У о р к е р (1980) п р и в о д я т т а к ж е х а р а к т е р н ы е п р и ­
м еры и зм е н ен и я с о д е р ж а н и я N O , N 0 2, Оз и у г л е в о д о р о д о в в п р о ­
цессе ф о то х и м и ч е с к и х р е а к ц и й в за в и с и м о с т и от п р о д о л ж и т е л ь ­
ности о б л у ч е н и я в см о го в о й к а м е р е (рис. 3 .1 5 ). Н а рис. 3.15
п о к а з а н о и о б р а з о в а н и е одного из н а и б о л е е то ксич еских к о м п о н е н ­
тов ф о то х и м и ч е с к о го с м о г а — п е р о к с и а ц е т и л н и т р а т а или с о к р а ­
щ ен н о П А Н а , ко т о р ы й в е с ь м а г у б и те л ь н о д ей с тв у е т на р а с т и т е л ь ­
ность, в ы з ы в а е т остро е р а з д р а ж е н и е г л а з и т. п.
В работе Гиш ери и др.
( G u ic h e r it et al., 1981) п р и в о д я т с я
осредненные
значения
о т н о ш ен и й
ко н ц е н т р а ц и й N 0 2 и N 0 X
( N 0 x = N 0 + N 0 2) д л я г. Д е л ф т а ( Н и д е р л а н д ы ) з а теп л ы й ( м а й —
авгу с т) и х о л о д н ы й ( н о я б р ь — ф е в р а л ь ) периоды 1975 г. (рис. 3 .16).
З и м о й эт о о т н о ш ен и е с о с т а в л я е т п р и м е р н о 50 % при н е б о л ь ш о м
у ве л и ч ен и и в д н е в н о е в р е м я . Л е т о м оно
достигает
минимума
(о к о л о 30 % ) в у т р е н н и е ч а с ы и с р а в н и т е л ь н о быстро, з а ие106
с к о л ь к о ч ас о в , у в е л и ч и в а е т с я п о ч т и д о 80 */,>. М а к с и м у м
( 8 ;> % )
Д 0 СЙ н т е р е с н ы й 5 п р и м с р р а с ч е т а з а г р я з н е н и я
» " 'Д у х а и период
с м о г а 7— 8 и ю л я 1976 г. в Н и д е р л а н д а х р а е с м ш р с н и раГю те Ь и л т е с а н д р . ( B u i l t i e s et al., 1 9 8 1 ). А в т о р ы исш > :.ь:.о н а:ш д л я этой
Рис. 3.16. Суточный х о д о т ­
ношения ( / N O a / ( < 7 N O + <7N O j )
в мае— августе ( / ) и н о я б ­
ре— ф еврале (2 ).
Рис. :< 17 К •*iIнем11>:iими O.t (и ),
NO ( fj) и NO-.- (и) im данным
( / J i! iliifi.M o A H iliii
7 У/
8 V!
it
r.
(1; )
(Н и дер ­
ланды ) .
цели м о д е л ь ф о т о х и м и ч е с к о г о с м о г а , р а м р а б о т а п и у ю Р е й н о л ь д с о м
и др. в С Ш А . М о д е л ь о с н о в а н а н а ч и с л е н н ы х р е ш е н и я х пол но го
т р е х м е р н о г о у р а в н е н и я д и ф ф у з и и ( 2 . 1 ), которое* в к л ю ч а е т н е с т а ­
ц и о н а р н ы й а д в е к т и в н ы й член и у ч и т ы в а е т ф о т о х и м и ч е с к и е п р е в р а ­
щ ения. Учет г о р и з о н т а л ь н о й д иф ф у.чпп ш .и к к 'и п н ч г я
при
чтом
вес ьм а с х е м а т и ч н о , в п р е д п о л о ж е н и и , чти k x
к и
*:>() м :'/с. З н а ч е ­
ние k z п р и н и м а е т с я в з а в и с и м о с т и от с к о р о с т и н е ф а н у с т о й ч и в о ­
сти т а к, что на в е р х н е й г р а н и ц е с л о я п е р е м е п ш и а н п и оно ра в н о
нулю.
Р а с ч е т ы в ы п о л н я л и с ь д л я 22С> и с т о ч н и к е ) » па п л о щ а д и 2 3 0 X
Х 3 1 0 км в Н и д е р л а н д а х и п р и л е г а ю щ и х к ней о б л а с т е й Б е л ь г и и
и Ф РГ. Я чей ка расчетной сетки и м ел а
ра.чмер 1 0 x 1 0 км. О т ­
дел ьн о в ы д е л я л и с ь м о щ н ы е и с т о ч н и к и т о ч е ч н о г о т и п а . К ним о т ­
носились д ы м о в ы е т р у б ы т е п л о в ы х "э л е к т р о с т а н ц и и , н е ф т е п е р е р а ­
баты ваю щ их и м еталлургических
алнодо».
Ч ает»
и ст о ч н и к о в ,
107
б л и з к о р а с п о л о ж е н н ы х д р у г к д р у гу , о б ъ е д и н я л а с ь в один. О с т а л ь ­
н ы е б о л е е м е л к и е источники и в ы б р о сы а в т о т р а н с п о р т а р а с с м а т ­
р и в а л и с ь к а к п л о щ а д н о й источник. Д л я точечны х источн иков ' н а ­
ч а л ь н ы й п о д ъ е м А Я о п р е д е л я л с я по ф о р м у л е Б р и г г с а (см. п. 2 .8 ),
а д л я п л о щ а д н о г о п р и н и м а л о с ь , что А # = 0.
У ч и т ы в а л и с ь в ы б р о сы S O 2, N 0 * , С О и С Н -у г л е в о д о р о д о в без
м е т а н а . И х с у м м а р н о е кол и ч е с т в о соответственно с о с т а в л я л о : 370,
195, 760 и 105 т/ч, п ри че м в к л а д в них точечны х источн иков с о ­
с т а в л я л : 56 % по S O 2, 40 % по N 0 * , 6 % по С О и 0 % по С Н .
Н а рис. 3.17 п р е д с т а в л е н ы р е з у л ь т а т ы р а с ч е т а суточного х о д а
к о н ц е н т р а ц и й Оз, N 0 и N 0 2 и с о о тветс тв у ю щ и е д ан н ы е н а б л ю д е ­
ни й д л я г. В л а р д и н г е н а ( Н и д е р л а н д ы ) . З н а ч и т е л ь н ы е р а з л и ч и я
м е ж д у д а н н ы м и р а с ч е т а и н аб л ю д е н и й д л я N 0 а в т о р ы о б ъ я с н я ю т
т ем , что р а с ч е т н ы е зн а ч е н и я п р е д с т а в л я ю т собой средние к о н ц е н ­
т р а ц и и по я ч е й к е 1 0 x 10 км, т о гд а к а к на и зм е р е н и я м огли о к а ­
з а т ь з н а ч и т е л ь н о е в л и я н и е в ы б р осы п р о х о д я щ и х а в т о м а ш и н .
3.9.
П ракт ические
рекомендации
Н а о сн о в ан и и и зл о ж е н н ы х в ы ш е р е зу л ь т а т о в в со ответствии
с М е т о д и ч е с к и м и у к а з а н и я м и (1979) м о ж н о с д е л а т ь р я д п р а к т и ­
ч еск их р е к о м е н д а ц и й по п ро гн о зу з а г р я з н е н и я в о зд у х а в п р о м ы ш ­
л е н н ы х р а й о н а х и городах.
Д л я о т д е л ь н ы х источников (а в сл у чае, к о г д а р а с с м а т р и в а е т с я
их совокуп ность, д л я тех из них, к о т о р ы е с о зд а ю т н а и б о л ь ш и й
в к л а д в з а г р я з н е н и е в о зд у х а ) у с т а н а в л и в а ю т с я м е те ор ол о ги ч ески е
усл о ви я , к о г д а п р и зе м н ы е к о н ц е н т р а ц и и прим еси могут п р и н и м а т ь
м а к с и м а л ь н о е значение. С этой цел ью с н а ч а л а о п р е д е л я ю т с я н а ­
п р а в л е н и я в е т р а , при к о тор ы х в ж и л ы х к в а р т а л а х , особенно в р а й ­
о н а х р а с п о л о ж е н и я д ет с к и х и л е ч е б н ы х у ч реж ден и й , с о зд а е т с я о т ­
н о си тел ьно в ы со к о е з а г р я з н е н и е во зд у х а . П р и этом в ы д е л я ю т с я
с л у ч а и п е р е н о с а вы б росов на го р о д с к и е р айо н ы , когд а источн ик
р а с п о л о ж е н на о к р а и н е и л и з а п р е д е л а м и города. О т д ел ьн о р а с ­
с м а т р и в а ю т с я н а п р а в л е н и я ветра, п ри ко т о р ы х н а б л ю д а е т с я м а к ­
с и м а л ь н о е н а л о ж е н и е вы б р о со в источников, а т а к ж е с л у ч а и со
с л о ж н ы м р е л ь е ф о м местности, к о г д а под в л и я н и ем м естны х у с л о ­
вий пр и м еси с о с р е д о т а ч и в а ю т с я в п ри зем н ом слое в озд уха.
Р а с с ч и т ы в а ю т с я о п а с н ы е скорости ве т р а и м по ф о р м у л а м (3.2)
и (3.3). Е с л и при м еси по с т у п а ю т от совокупности источников
с р а зл и ч н ы м и , х а р а к т е р и с т и к а м и , то р а с с ч и т ы в а е т с я ещ е с р е д н е ­
в з в е ш е н н а я о п а с н а я с к ор ость в е т р а и м . с по ф о р м у л е (3.40).
О п р е д е л я е т с я о ж и д а е м а я вы сота н и ж ней г р а н и ц ы при п о д н я то й
инверсии. С у щ ествен н ое увеличен ие ко н центраци и имеет место,
к о г д а эта г р а н и ц а р а с п о л а г а е т с я в ы ш е источника, но не более ч£м
200 м н а д ним.
Д л я к а ж д о г о о б ъ е к т а могут быть свои н е б л а го п р и я т н ы е м е т е о ­
р о л о г и ч е с к и е ситуации , при которы х с о зд аю т ся з н а ч и т е л ь н ы е к о н ­
ц е н т р а ц и и пр и м ес ей в п р и зем н ом с л ое атм осф еры . Д л я к р у п н ы х
п р е д п р и я т и й ( м е т а л л у р г и ч е ск и х , н е ф т е п е р е р а б а т ы в а ю щ и х и др.)
108
у сл о в и я погод ы , о п р е д е л я ю щ и е з н а ч и т е л ь н о е с к о п л ен и е примесей
в пр и зе м н о м с л о е в о з д у х а , м о г у т о т л и ч а т ь с я д л я р а з л и ч н ы х цехов
и п р ои зв о дств . В д а н н о м с л у ч а е н е о б х о д и м о д е т а л ь н о у с тан о ви ть
неблагоприятны е
м етеорологические ф акторы , характерные для
о п р ед е л ен н ы х у ч а с т к о в т а к и х о б ъ е к т о в , и п р е д у п р е ж д е н и я о в о з ­
м о ж н ом р о с т е к о н ц е н т р а ц и й д а в а т ь н е в с е м у п р ед приятию , а о т ­
д ел ьн ы м его п р о и з в о д с т в а м .
С л е д у е т у ч и т ы в а т ь т а к ж е н е о р г а н и з о в а н н ы е вы б ро сы , ос ущ е с т ­
в л я е м ы е н а м а л ы х в ы с о т а х , в р е з у л ь т а т е чего м о г у т с о зд ав а т ь с я
з н а ч и т е л ь н ы е з а г р я з н е н и я п р и з е м н о г о с л о я в о зд у х а .
П р и р а с с м о т р е н и и р а й о н о в с б о л ь ш и м ч и с л о м и н д ус т ри а л ьн ы х
об ъ е кт о в р е к о м е н д у е т с я о б ъ е д и н я т ь их в гру ппы , д л я к а ж д о й из
ко т о р ы х о п а с н ы е м е т е о р о л о г и ч е с к и е у с л о в и я б л и зк и м еж д у собой.
В ч астно сти, у д о б н о в ы д е л я т ь г р у п п ы в з а в и с и м о с т и от значений
мм- К одной из них с л е д у е т о т н е с т и к р у п н ы е источники с г о р я ­
чими в ы б р о с а м и ( Т Э Ц , м е т а л л у р г и ч е с к и е п р е д п р и я т и я и д р .), д л я
ко то ры х « м = 3 - ~ 7 м /с , к д р у г о й — и с т о ч н и к и с с равнител ьно х о ­
ло д н ы м и в ы б р о с а м и , д л я к о т о р ы х и м = 0 -4-2 м/с. Д о с та т о ч н о четко
п р о и зв о д и тс я р а з д е л е н и е о б ъ е к т о в по н е б л а г о п р и я т н ы м н а п р а в л е ­
ниям в е т р а, а т а к ж е по о т н о ш е н и я м в ы с о т Я и н и ж н е й границы
п р и по д нято й и н верси и.
О ж и д а е м ы е к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с е й р а с с ч и т ы в а ю т с я по п р и ве­
д ен ны м в ы ш е ф о р м у л а м н а о с н о в а н и и и зв е с т н ы х знач ений в ы б р о ­
сов и п р о г н о с т и ч е с к и х з н а ч е н и й н е о б х о д и м ы х м етео ро л огич еских
п а р а м е т р о в . О т д е л ь н о р а с с м а т р и в а ю т с я н е б л а г о п р и я т н ы е , но с р а в ­
ни тельно ч а с т о н а б л ю д а е м ы е н о р м а л ь н ы е у с л о в и я . К ром е того,
в ы д е л я ю т с я а н о м а л ь н ы е , особо о п а с н ы е у с л о в и я . К последним,
в частности, о т н о с я т с я с л у ч а и , к о г д а н а д ис т о ч н и к о м , или точнее,
на д у р о в н е м его э ф ф е к т и в н о й в ы с о ты , р а с п о л о ж е н слой п р и по д ня­
той инверсии. П р и з е м н а я к о н ц е н т р а ц и я
б у дет тем больше, чем
ближе к этому уровню полож ение ниж ней
гр а н и ц ы
инверсии.
В с л у ч а е р а с п о л о ж е н и я з а д е р ж и в а ю щ е г о с л о я ин вер си и неп осред­
ственно н а д и с т о ч н и к о м у в е л и ч е н и е м а к с и м а л ь н о й концентрации
легких п р и м ес е й о т н о с и т е л ь н о ее в е л и ч и н ы в н о р м а л ь н ы х у словиях
прои сходит н а 50— 100 %. Е с л и н и ж н я я г р а н и ц а приподнятой и н ­
версии р а с п о л о ж е н а н а д и с т о ч н и к о м н а в ы с о т е 200 м и более, то
в о з р а с т а н и е п р и зе м н о й к о н ц е н т р а ц и и з н а ч и т е л ь н о меньш е и его
учет с у щ е с т в е н т о л ь к о н а б о л ь ш и х р а с с т о я н и я х от источника.
В л и я н и е и н в е р с и о н н ы х с л о е в н а р а с п р о с т р а н е н и е выбросов д л я
т я ж е л ы х п р и м е с е й п р о я в л я е т с я с л а б е е , чем д л я легких, причем
с ростом р а з м е р а ч а с т и ц п р и м е с е й это в л и я н и е у м е н ьш а е тс я .
П р и х о л о д н ы х в ы б р о с а х в с л е д с т в и е о г р а н и ч е н и я их начального
( эф ф е к ти в н о г о ) п о д ъ е м а п р и п о д н я т ы е и н в е р си и м огу т в ы зв ать б о ­
л ее з н а ч и т е л ь н о е у в е л и ч е н и е п р и з е м н ы х к о н ц е н т р а ц и й , чем в с л у ­
чае в ы б р о со в г о р я ч и х и с т о ч н и к о в . Б о л е е з н а ч и т е л ь н о е увеличение
концентрации
п р и м е с е й в п р и з е м н о м с л о е в о з м о ж н о т а к ж е при
р а с п о л о ж е н и и и с т о ч н и к а в ы ш е ш т и л е в о г о с л о я и скорости в е т р а
б ли зко й к и к н а у р о в н е в ы б р о с о в . П р и
э т о м , чем то лщ е слой
с о с л а б л е н н о й с к о р о с т ь ю в е т р а , т е м с и л ь н е е его вл и я н и е. С огласн о
109
р а с ч е т а м , п р и н а л и ч и и ш т и л е в о г о с л о я от п о в ер х н о ст и з е м л и д о
у р о в н я 30 м м а к с и м а л ь н а я к о н ц е н т р а ц и я п р и м ес и от и с т о чн и к а
в ы с о то й 100— 150 м у в е л и ч и в а е т с я п р и м е р н о н а 70 % по с р а в н е ­
нию с к о н ц е н т р а ц и е й п ри о т с у тс т в и и ш т и л я . О д н а к о если ш т и л ь
за х в а т ы в а е т больш ой слой вы ш е у р о в н я источника
(н а п р и м е р ,
в ц е н т р а л ь н ы х ч а с т я х а н т и ц и к л о н о в ) , то в с л е д с т в и е зн а ч и т е л ь н о г о
в о з р а с т а н и я э ф ф е к т и в н о й в ы с о ты и с т о ч н и к а п р и го рячи х в ы ­
б р о с а х ' к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с е й у з е м н о й п о в е р х н о ст и б у д у т н е ­
больш ими.
О со бен но с и л ь н о е з а г р я з н е н и е в о з д у х а у з е м л и м о ж е т н а б л ю ­
д а т ь с я , к о г д а при х о л о д н ы х в ы б р о с а х п р и п о д н я т а я ин верси я, р а с ­
п о л о ж е н н а я н е п о ср е д с тв е н н о н а д и с т о ч н и к о м , с о п р о в о ж д а е т с я с л а ­
бы м ве т р о м (б л и з к и м к ш т и л ю ) в п р и з е м н о м с л о е во зд у х а . В этом
с л у ч а е к о н ц е н т р а ц и и п р и м ес и м о гут во м ного р а з п р е в ы ш а т ь к о н ­
ц е н т р а ц и и при н о р м а л ь н ы х у с л о в и я х .
Г о р о ш к о и др. (1981) д л я с л у ч а я вы с о к и х и сто чн ик о в (50 —
200 м) п р е д л о ж и л и х а р а к т е р и с т и к и о п а с н ы х у с л о в и й з а г р я з н е н и я
а т м о с ф е р ы и р а с с ч и т а л и о р и е н т и р о в о ч н ы е з н а ч е н и я пре в ы ш ен и й
п ' максимальной концентрации с '
при этих условиях над м ак си ­
м а л ь н о й к о н ц е н т р а ц и е й см при « н о р м а л ь н ы х »
условиях
(п' —
= c ' J c M) .
О п а с н о с т ь з а г р я з н е н и я в о з д у х а з н а ч и т е л ь н о в о з р а с т а е т при т у ­
м а н а х , к о т о р ы е ч асто с о п р о в о ж д а ю т с я
п р и п о д н я т о й ин ве р си е й
у их верхней г р а н и ц ы и ш т и л е м в п р и з е м н о м слое.
Оценка опасных метеорологических условий требует т а к ж е уче­
т а х а р а к т е р а п о д с т и л а ю щ е й п о в ер х н о ст и . В п о н и ж е н н ы х ф о р м а х
р е л ь е ф а м огу т с о з д а в а т ь с я в 1,5 — 2 р а з а б о л е е в ы с о к и е к о н ц е н т р а ­
ции при м есей , чем на р о в н о м месте.
При располож ении промы ш ленны х объектов на окраине города
и ли з а его п р е д е л а м и б о л ь ш о е в л и я н и е на з а г р я з н е н и е в о зд у х а
в ж и л ы х р а й о н а х о к а з ы в а е т н а п р а в л е н и е ве т ра. В д а н н о м с л у ч а е
н е б л а г о п р и я т н ы е у с л о в и я п о го д ы с л е д у е т а н а л и з и р о в а т ь т о л ь к о
при п ер ен о се п р и м есей со с т о р о н ы ис т о ч н и к о в на ж и л ы е к в а р ­
талы.
Н еблагоприятны е нап равлени я ветр а в районе отдельных о б ъ ­
ектов могут в ы д е л я т ь с я в с в я з и с р а з л и ч н ы м э ф ф е к т о м н а л о ж е н и я
в ы б ро со в от д р у ги х источн ик о в. П р и н е к о т о р ы х н а п р а в л е н и я х д о ­
б ав о ч н ы е к о н ц е н т р а ц и и , с о з д а в а е м ы е в ы б р о с а м и р я д а п р е д п р и я ­
тий, р а с п о л о ж е н н ы х в го р о д е , я в л я ю т с я м а к с и м а л ь н ы м и . П о в ы ­
ш ен ное з а г р я з н е н и е в о зд у х а с о з д а е т с я т а к ж е при переносе п р и м е ­
сей со с т о р о н ы о б ъ е к т а на р а й о н ы п л о т н о й за с т р о й к и . В эт о м
с л у ч а е у в е л и ч и в а е т с я п о с т у п л е н и е в ы б р о с о в с в е рх у к зем н о й п о ­
вер хно сти в с в я з и с у с и л е н и е м о б м е н а и с о б р а з о в а н и е м в р а й о н е
за с т р о й к и с л о я с очень с л а б ы м в ет р о м . К о н ц е н т р а ц и и п ри м есей
в п р и зе м н о м слое в о з д у х а п о в ы ш а ю т с я , к о г д а вы б р о сы п е р е н о ­
с ятся со с т о р о н ы и с т о ч н и к а на у ч а с т о к со с л о ж н ы м р е л ь е ф о м м е ­
стности. И х у в е л и ч ен и е о п р е д е л я е т с я в з а в и с и м о с т и от р а с п о л о ­
ж е н и я и с т о ч н и к а и п о л о ж е н и я р а с с м а т р и в а е м о г о п у н к т а на м е с т ­
110
ности в с о о т в е т с т в и и с п р и в е д е н н ы м и в п. 2.14 р е з у л ь т а т а м и . О т ­
д ел ьн о у ч и т ы в а ю т с я л и н е й н ы е и п л о щ а д н ы е и с то чн ик и.
В б о л е е с л о ж н ы х с л у ч а я х , к о г д а н е о б х о д и м о у ч и т ы в а т ь с ов о­
купность б о л ь ш о г о ч и с л а и с т о ч н и к о в , п р о г н о з з а г р я з н е н и я в о з д у х а
п р о и зв о д и т с я н а о с н о в е р а с с м о т р е н н ы х в ы ш е м е то д о в
расчета
с по м о щ ью Э В М .
Г л а ва
4
Статистические методы прогноза
загрязнения атмосферы
Д л я п р о г н о з а з а г р я з н е н и я в о з д у х а в г о р о д а х и пр о м ы ш л ен н ы х
р а й о н ах , о б у с л о в л е н н о г о д е й с т в и е м м н о г и х источн иков, в е д у т с я
р а з л и ч н ы е с т а т и с т и ч е с к и е п р о р а б о т к и н а осно ве а н а л и з а м а т е ­
р и а л о в н а б л ю д е н и й . В б о л ь ш и н с т в е из ни х п о л а г а е т с я , что з а п е­
риод, к к о т о р о м у о т н о с и т с я и с с л е д у е м ы й м а т е р и а л , а т а к ж е з а
ср ок п р о г н о за, в ы б р о с ы и р а с п о л о ж е н и е и ст о ч н и к о в п р а к ти ч е с к и
не и зм е н я ю т с я . Е с т е с т в е н н о , что с э т и м с в я з а н ы о п р е д е л ен н ы е по­
греш ности и о г р а н и ч е н и я р е з у л ь т а т о в а н а л и з а и прогнозов, не
св ой с тв е н н ы е р а с с м о т р е н н ы м в ы ш е ч и с л е н н ы м м етод ам , п о зв о ­
л я ю щ и м у ч и т ы в а т ь и з м е н е н и е в ы б р о с о в от и с т о ч н и к а со в р е м е ­
нем. У к а з а н н о е
предположение
приближенно
до пу сти м о
при
с р а в н и т е л ь н о н е б о л ь ш и х с р о к а х п р о г н о з а — от н е с к о льк и х часов
до н е с к о л ь к и х суток. К р о м е то го, п ри б о л ь ш о м ч исл е источников
и н е д о с та т о ч н о о п р е д е л е н н о й их м о щ н о с т и м о ж н о по л а гать , что
у в ел ич ен ие в ы б р о со в от ч а с т и из них п р и м е р н о ком п ен си р уется
у м е н ьш е н и е м и х от д р у г о й ч ас т и . П о э т о м у р о с т среднего и с у м ­
м а рн ого з а г р я з н е н и я в о з д у х а в г о р о д е с в я з ы в а е т с я г л а в н ы м о б ­
р а з о м с и зм е н е н и е м м е т е о р о л о г и ч е с к и х у с л о в и й или син оптиче­
ской си т у а ц и и .
Р а з р а б о т к а м е т о д о в п р о г н о з а н а ч и н а е т с я в п ер в ую очеред ь
с в ы я в л е н и я п е р и о д о в со з н а ч и т е л ь н ы м з а г р я з н е н и е м атм о сф ер ы .
Затем устан авли ваю тся корреляци он н ы е зависимости м еж ду наб­
л ю д а в ш и м и с я в эт и п е р и о д ы с т е п е н ь ю з а г р я з н е н и я возд у ха и не­
к о то ры м и м е т е о р о л о г и ч е с к и м и в е л и ч и н а м и или их оп р е д е л ен н ы м
с очетани ем , р а с с м а т р и в а е м ы м и в к а ч е с т в е п р е д и к т о р о в . Т а к и м п у ­
тем в ы р а б а т ы в а ю т с я р а з л и ч н ы е
прогностические правила. И с ­
п о л ь зу ю тс я т а к ж е м е то д ы с т а т и с т и ч е с к о й э к с т р а п о л я ц и и во в р е ­
мени р е ж и м а и з м е н е н и я з а г р я з н е н и я в о з д у х а с учетом в ы я в л е н ­
ных а в т о к о р р е л я ц и о н н ы х з а в и с и м о с т е й и и н е р ц и о н н ы х ф а к т о р о в .
4.1.
В ы бор
предикторов
В ы б о р п р е д и к т о р о в о б ы чн о о с у щ е с т в л я е т с я из общ и х ф и з и ч е ­
ских п р е д с т а в л е н и й о в о з м о ж н ы х п р и ч и н а х и зм е н е н и й к о н ц е н т р а ­
ций п р и м ес и — и з м е н е н и я н а п р а в л е н и я или с к о р о с т и ветра, у с т о й ­
111
чиво сти а т м о с ф е р ы , в ы м ы в а н и я и л и т р а н с ф о р м а ц и и п р и м ес е й
и т. п. П р и эт о м и с п о л ь з у ю т с я н е к о т о р ы е ка ч е с тв е н н ы е в ы в о д ы
т е о р и и а т м о с ф е р н о й д и ф ф у з и и , в т о м числе о вл и я н и и з а д е р ж и ­
в а ю щ и х с л о е в в п о г р а н и ч н о м с л о е а т м о с ф е р ы и т. д. Н е к о т о р ы е
из п р е д и к т о р о в , особен но к о г д а они о п р е д е л я ю т с я с о ч е т а н и е м н е ­
скольких ф акторов, у с т ан а в л и в а ю т с я в результате применения
с т а т и с т и ч е с к и х м е тод о в .
К н а с т о я щ е м у в р е м е н и в ы п о л н е н о больш о е число р а б о т , в к о ­
торых изучается
корреляция м еж ду
за г р я з н е н и е м
атмосферы
в городах и соответствую щ им и метеорологическими ф акторам и .
К ним о т н о с и т с я и ч а с т ь с т а т и с т и ч е с к и х и ссл едо ван и й , с т а в я щ и х
с воей з а д а ч е й не р а з р а б о т к у п ро гн ос ти ч е с ки х м ето д о в и п р а в и л ,
а о б о б щ е н и е с веден и й р е ж и м н о г о х а р а к т е р а , в том числе о г о д о ­
в ом и су то ч н о м х о д е з а г р я з н е н и я в о зд у х а . В м е с те с тем учет э т и х
р е з у л ь т а т о в м о ж е т б ы ть в е с ь м а п о л е з е н и при п рогнозах.
4.1.1.
Г о д о во й и су т о ч н ы й х о д з а г р я з н е н и я возд у х а . В с и л у
б о л ь ш о г о ч и с л а ф а к т о р о в , в о з д е й с т в у ю щ и х на с о д е р ж а н и е п р и ­
м еси в а т м о с ф е р е , го д о во й х о д з а г р я з н е н и я д л я р а з н ы х го ро дов
и н огда з н а ч и т е л ь н о р а з л и ч а е т с я . С огл асн о С о н ьк и н у (1 9 6 6 ),
по д а н н ы м за 1961— 1963 гг. в Л е н и н г р а д е м а к с и м у м к о н ц е н т р а ­
ции п ы л и о т м е ч а е т с я весной, м а к с и м у м п о вт о р я е м о ст и п о в ы ш е н ­
ного с о д е р ж а н и я S 0 2 в ф е в р а л е — м а р т е . В М о с к в е годовой хо д
з а п ы л е н н о с т и в о зд у х а с л а б о в ы р а ж е н , а к о н ц е н т р а ц и я сернистого
г а з а д о с т и г а е т м а к с и м у м а весной. В есенние м а к с и м у м ы м о гут
б ы т ь о б ъ я с н е н ы тем, что в э т о т п е р и о д года у ж е д о ста точн о р а з ­
в и т т у р б у л е н т н ы й обм ен и к о т е л ь н ы е с ж и г а ю т е щ е б о л ьш о е к о л и ­
чество т о п л и в а .
Б е з у г л о й и др. (1 9 7 1 ) по д а н н ы м н а б л ю д ен и й на с т а ц и о н а р ­
ны х п о с т а х в 50 г о р о д а х С С С Р з а 1968— 1969 гг. исс л е д о в а н г о д о ­
вой хо д о т н о ш е н и я с р е д н е м е с я ч н ы х к о н ц е н т р а ц и й к с р едн егод ов ой
к о н ц е н т р а ц и и <7мес/<7год. В р е з у л ь т а т е отмечены ч ет ы р е типа г о д о ­
вого х о д а в за в и с и м о с т и от а м п л и т у д ы к о л е б а н и й отн о ш ен и я
<7мес/<7год В течени е года.
Т а б л и ц а 4.1 х а р а к т е р и з у е т с р е д н и е п о вто ря ем ости р а з л и ч н ы х
г р а д а ц и й у к а з а н н о г о о т н о ш е н и я ко н ц е н т р а ц и й д л я четы рех п р и ­
месей.
Для
различны х
примесей
р а с п р е д ел е н и е
о тнош ен ий
Таблица 4.1
Повторяемость (%) различных значений относительной концентрации
(J м е с / ? г о д
^ м е с /^ г о д
П рим есь
Пыль
Сернистый газ
Двуокись азота
Окись углерода
112
< 0 ,5
0 ,5 - 1 ,0
1 ,0 -2 ,0
> 2 ,0
8
2
8
19
38
31
27
62
32
49
49
19
22
18
16
0
^мссЛ/год с у щ е с т в е н н о р а з л и ч а ю т с я : и з м е н я ю т с я а м п л и т у д ы , м о ­
дальн ы е зн ачения и др. И з р ассм о тр ен н ы х примесей н аи больш ая
а м п л и т у д а х а р а к т е р н а д л я п ы л и , н а и м е н ь ш а я — д л я СО. П р и ­
м ерно в 20 % с л у ч а е в с р е д н е м е с я ч н ы е к о н ц е н т р а ц и и S 0 2 и пыли
п р е в ы ш а ю т б о л е е чем в 2 р а з а с р е д н е г о д о в ы е значения, тогда
к а к д л я С О т а к и е с л у ч а и п р а к т и ч е с к и не н а б л ю д а ю т с я . О т м е ­
ч ае т с я и ч а с т о е у в е л и ч е н и е к о н ц е н т р а ц и и S 0 2 в месяцы с н а и ­
б о л ьш и м ч и с л о м д н е й с т у м а н о м и д ы м к о й , что согл асуется с в ы ­
в о д а м и те о р и и , п р и в е д е н н ы м и в п. 2.1 3 ( Б е р л я н д , 1975).
По д а н н ы м К а н н о и др. ( K a n n o et al., 1959), д л я годового хода
к о н ц е н т р а ц и и с е р н и с т о г о г а з а и о к и с л о в а з о т а в Токио х а р а к т е р е н
д ?ъмкг//13 q CQ м л н 1
Рис. 4.1. Годовой х о д концен­
траций окиси углерода (1) и
свинца (2) в районе Л ос-А идж елеса (1980 г.).
м а к с и м у м в к о н ц е л е т а , что м о ж е т б ы т ь о б у с л о в л е н о отсутствием
в это в р е м я д о ж д е й , с п о с о б с т в у ю щ и х в ы м ы в а н и ю примесей.
В ряде городов отм ечается и зимний м аксимум загрязнения
в о зд у х а , к о т о р ы й о б у с л о в л е н п р е ж д е всего р осто м вы б р осов от
ни зки х и ст о ч н и к о в и б о л ь ш о й п о в т о р я е м о с т ь ю н еб л аго п риятн ы х
ус л о в и й р а с с е и в а н и я и х в п р и з е м н о м с л о е в о з д у х а . Т аковы , н а п р и ­
мер, п р и в е д е н н ы е на рис. 4.1, по В и т ц у и д р . (W itz et al., 1982),
д а н н ы е о го д о в о м х о д е о б у с л о в л е н н ы х пре и м у щ е с т ве н н о в ы б р о ­
са м и а в т о т р а н с п о р т а к о н ц е н т р а ц и й окиси у г л е р о д а и свинца
в р а й о н е Л о с - А н д ж е л е с а . З а н н е т т и и д р . ( Z a n n e t t i et al., 1977)
на о сн о в ан и и а н а л и з а д а н н ы х н е п р е р ы в н о й р е г и с т р ац и и к о н ц е н т ­
ра ц и и S 0 2 в т е ч е н и е д в у х л е т
(1 9 7 3 — 1974 гг.)
на с т а н ц и я х
в р а й о н е В е н е ц и и т а к ж е в ы я в и л и з и м н и й м а к с и м у м . А вто ры с в я ­
з а л и его с у в е л и ч е н и е м в ы б р о с о в S 0 2 в р е з у л ь т а т е с ж и г а н и я топ­
л и в а д л я б ы т о в о г о о т о п л е н и я в х о л о д н о е в р е м я года.
О д н а к о и д л я л е т а они о т м е т и л и з н а ч и т е л ь н ы е концентрации,
о б у с л о в л е н н ы е в ы б р о с а м и S 0 2 от и н д у с т р и а л ь н ы х источников.
М н о ги м и а в т о р а м и и с с л е д о в а л с я и су т о ч н ы й ход з а г р я з н е н и я
в горо дах . В нем т а к ж е о т м е ч а ю т с я з н а ч и т е л ь н ы е р азл и ч и я , обус­
л о в л е н н ы е р е ж и м о м в ы б р о с о в от и ст о ч н и к о в р а зл ич ной высоты
и и зм е н ен и е м м е т е о р о л о г и ч е с к и х у с л о в и й .
Б е з у г л а я и д р . (1971) п р о а н а л и з и р о в а л и д а н н ы е н аб л ю д ен и й
за с о д е р ж а н и е м СО , S 0 2 и N 0 2 в р я д е го р о д о в С С С Р в 1968—
1969 гг. О к а з а л о с ь , что с у т о ч н ы й х о д к о н ц е н т р а ц и и S 0 2 н а и б о л е е
8
Заказ Ка 30
113
ч етко п р о я в л я е т с я в ю ж н ы х о б л а с т я х с т р а н ы , гд е в хо л о д н о е по­
лугодие отм ечаю тся м акси м ум ы к о н ц ен трац и й в утренние и вечер­
ние часы. В т е п л о е п о л у г о д и е з д е с ь с у т о ч н ы е к о л е б а н и я к о н ц е н т ­
р а ц и и S O 2 в ы р а ж е н ы в м е н ь ш е й с т еп е н и , а м п л и т у д а их к о л е б а н и й
д л я б о л ь ш и н с т в а г о р о д о в (о к о л о 7 0 % ) не п р е в ы ш а е т п о л о в и н ы
с р е д н е го з н а ч е н и я . О д н а к о по р я д у г о р о д о в м а к с и м а л ь н ы е к о н ­
ц ен траци и S O 2 н аб л ю д аю тся днем.
О т м е ч а ю т с я д в а т и п а суто ч н о го х о д а к о н ц е н т р а ц и и окиси у г л е ­
р о д а почти во все с е зо н ы года, о с о б е н н о в т е х с л у ч а я х , к о г д а ее
основной в ы б р о с о б у с л о в л е н а в т о т р а н с п о р т о м . О д и н из них с м а к ­
с и м у м о м в д н е в н о е в р е м я о б у с л о в л е н п р е о б л а д а ю щ и м д ей с тв и е м
и н тен си в н ого д в и ж е н и я а в т о м а ш и н в это в р е м я суток. Д р у г о й со-
Рис. 4.2. Суточный ход концен­
трации S 0 2 летом ( 1) и зимой
(2) в районе Венеции.
о т в е тс т в у е т с р а в н и т е л ь н о м а л ы м з н а ч е н и я м к о н ц е н т р а ц и й в т е ч е ­
ние д н я и м а л о й а м п л и т у д е их и з м е н е н и я . О н х а р а к т е р е н д л я
с л у ч а е в в з а и м н о й к о м п е н с а ц и и в л и я н и я р о с т а ч и с л а м а ш и н на
у л и ц а х и см ены м е т е о р о л о г и ч е с к о г о р е ж и м а . В р а н н и е у т р е н н и е
и п о зд н и е в е ч е р н и е ч асы , к о г д а у м е н ь ш а е т с я п оток а в т о т р а н с ­
пор т а, с н и ж е н и е к о н ц е н т р а ц и й з а м е д л я е т с я з а счет о б р а з о в а н и я
ин верси й т е м п е р а т у р ы и о с л а б л е н и я в е т р а .
К а н н о и д р. ( K a n n o et al., 1959) и Ш т е й н х а у з е р ( S te in h a u s e r ,
1971) о б н а р у ж и л и в с у т о ч н о м х о д е к о н ц е н т р а ц и и при м есей д в а
м а к с и м у м а — утр ом и в е ч е р о м . С о г л а с н о К а н н о , в Т оки о зим ой
в ечер н нй м а к с и м у м к о н ц е н т р а ц и й б о л ь ш е у т р е н н е г о , а летом и в е с­
ной н а о б о р о т.
Н а рис. 4.2 п р и в о д и т с я и з м е н е н и е к о н ц е н т р а ц и и S 0 2 в течени е
с уток л е то м и зи м о й д л я о д н о й с т а н ц и и А С К З В в р а й о н е В енец ии
по д а н н ы м р а б о т ы З а н н е т т и и д р. ( Z a n n e t t i et al., 1977). В л е тн е е
врем я концентраци и днем сущ ественно
увеличивались. А вторы
с в я з ы в а ю т это у в е л и ч е н и е с п р е о б л а д а н и е м в д н е в н ы е ч ас ы н а ­
п р а в л е н и й в е т р а, при к о т о р ы х п р и м е с и п е р е н о с я т с я от основн ы х
и сто чн ик ов на пун кты н а б л ю д е н и й . К р о м е того, з н а ч и т е л ь н о е в л и я ­
ние о к а з ы в а е т и у с и л е н и е т у р б у л е н т н о с т и д н е м , п о с к о л ь к у л е том
им ею т м есто в о сн о в н о м и н д у с т р и а л ь н ы е в ы б р о с ы S 0 2 от вы с о к и х
источн иков. З и м о й в т е ч е н и е су т о к н а б л ю д а е т с я д в а м а к с и м у м а .
114
К а к у к а з ы в а ю т а в т о р ы , в э т о т п е р и о д они не м о г у т б ы т ь с в я з а н ы
с и зм е н ен и е м н а п р а в л е н и я в е т р а и, в и д и м о , о п р е д е л я ю т с я г л а в ­
ным о б р а з о м о с о б е н н о с т я м и р е ж и м а о т о п л е н и я .
В р а б о т е П е в з н е р а и З а й ц е в а (197 1) п р о а н а л и з и р о в а н ы и з м е ­
нен ия во в р е м е н и к о н ц е н т р а ц и й С О , и з м е р е н н ы х с п о м о щ ь ю у с т аНтыс/ч Усл.ед.
иовленн ы х на а в т о м а ш и н е г а з о а н а л и з а т о р о в Г М К -3 . Н а б л ю д е н и я
в елись на у л и ц а х г о р о д а в п е р и о д ы с р а з л и ч н о й и н т е н с и в н о с т ь ю
д в и ж е н и я а в т о т р а н с п о р т а . Н а рис. 4.3 а п р е д с т а в л е н х а р а к т е р н ы й
х од к о н ц е н т р а ц и и q ( н о р м и р о в а н н о й на с р е д н е е з н а ч е н и е ее з а
пер и од н а б л ю д е н и й q ) в т е ч е н и е с у т о к и ч исл о п р о х о д я щ и х а в т о ­
м а ш и н за 1 ч. М е ж д у д а н н ы м и , п р е д с т а в л е н н ы м и д в у м я кр и в ы м и ,
о т м еч а е тс я х о р о ш а я к о р р е л я ц и я ( к о э ф ф и ц и е н т к о р р е л я ц и и п р е в ы ­
ш а е т 0,7). Д л я с р а в н е н и я на рис. 4.3 б п р е д с т а в л е н ы а н а л о г и ч ­
ны е р е з у л ь т а т ы , п о л у ч е н н ы е О т т о и д р . в с е н т я б р е 1964 г. д л я
Ваш ингтона. Д а н н ы е о суточном ходе кон ц ен трац и и СО в сопо­
ст ав л е н и и с и н т е н с и в н о с т ь ю
движения
автомаш ин
на у л и ц а х
Н ь ю - Й о р к а п о л у ч е н ы Б а у м е н о м и др. (1 9 8 2 ) . Н а рис. 4.4 п р е д ­
ст ав л е н ы с р е д н е м е с я ч н ы е з н а ч е н и я ч а с о в ы х к о н ц е н т р а ц и и С О з а
ию ль 1977 г.
8*
115
4.1.2.
В л и я н и е о т д е л ь н ы х М е тео р о л о г и ч е с к и х в е л и ч и н . П р и и с­
следовании указан н ы х выш е корреляционны х связей авторы ряда
работ ограничиваю тся рассмотрением зависимости концентраций
о т д е л ь н ы х и н гр е д и е н т о в от того и л и иного э л е м е н т а по го д ы . В ч а ­
стности, н е о д н о к р а т н о п р е д п р и н и м а л и с ь п о п ы т к и о ц е н и т ь с в я з и
м еж д у со дер ж ан и ем примесей и скоростью ветра. Н еко то р ы е а в ­
т о р ы при эт о м о б н а р у ж и в а л и в ос н о в н о м н а и б о л ь ш и е з а г р я з н е н и я
воздуха только при слабы х ветрах. В более д етал ьн ы х и ссл ед о в а­
н и я х 'С о н ь к и н а и д р. (1 9 6 6 ), С о н ь к и н а и Ч а л и к о в а (1 9 6 8 ), Б е з у г ­
л о й и С о н ь к и н а (1 9 7 1 ), п о л уч ен о , что в з а в и с и м о с т и к о н ц е н т р а -
и м /с
Рис. 4.5. П овторяемость Р повышенных концентраций SO 2 (слева) и пыли
(справа) при разных скоростях ветра и в теплый ( / ) и холодны й (2) периоды.
ци и S O 2, п ы л и и р я д а д р у г и х и н г р е д и е н т о в от с к о р о с т и в е т р а о б ­
н а р у ж и в а ю т с я д в а м а к с и м у м а . О д и н из них о т н о с и т с я к с л а б ы м
в е т р а м ( 0— 1 м /с ) и, п о -в и д и м о м у , о б у с л о в л е н д е й с т в и е м н и з к и х
источн иков, с о з д а ю щ и х о б щ и й ф о н з а г р я з н е н и я в о з д у х а в г о р о ­
д а х ; второй — при с к о р о с т я х 3 — 6 м /с в с о о т в ет с т в и и с п о л о ж е ­
ни ям и т е о р и и (см. п. 3 .1) м о ж е т б ы т ь о б ъ я с н е н в ы б р о с а м и от в ы ­
с оки х и с точн и к о в, х а р а к т е р и з у ю щ и х с я д о с т а т о ч н о й б о л ь ш о й о п а с ­
ной с к о р о с т ь ю в е т р а и м. Д л я Л е н и н г р а д а и М о с к в ы в т о р о й м а к ­
сим ум о к а з ы в а е т с я л е т о м б о л ь ш е перв ого , а зи м о й — м е н ь ш е . Д л я
сернистого г а з а вт о р о й м а к с и м у м
п р о я в л я е т с я четче, а п е р в ы й
в с т р е ч а е т с я р е ж е , чем д л я пы ли.
Н а рис. 4.5 п р е д с т а в л е н а п о в т о р я е м о с т ь п о в ы ш е н н ы х к о н ц е н т ­
раций S O 2 и пыли в зависи м ости от скорости ветра д л я Л е н и н ­
града. О тдельно у казан ы
результаты ,
относящ иеся к теплому
и х о л о д н о м у п о л уго д и ю . Н а л и ч и е в т о р и ч н о г о м а к с и м у м а в з а в и ­
сим ости п р и з е м н ы х к о н ц е н т р а ц и й п р и м е с и от с к о р о с т и в е т р а о т ­
м ечен о в п о с л е д с т в и и в с т а т ь е М а н а ( M u n n , 1972).
Д в а м а к с и м у м а к о н ц е н т р а ц и и в з а в и с и м о с т и от с к о р о с т и в е т р а
обн аруж ен ы т а к ж е М. Теневой в Софии.
З а н н е т т и и д р . ( Z a n e t ti et al., 1977) н а ш л и , что л е т о м п р и н а ­
п р а в л е н и и в е т р а от и н д у с т р и а л ь н ы х ис т о ч н и к о в в В е н е ц и и к о н ­
ц е н т р а ц и я S O 2 з а м е т н о в о з р а с т а е т с у в е л и ч ен и е м с к о р о с т и в е т р а
или о с т а е т с я п о с т о я н н о й при и з м е н е н и и с ко р о с т и в е т р а от 1 д о
5 м/с. Н а р я д е с т ан ц и й зд е сь м а к с и м у м к о н ц е н т р а ц и и д о с т и г а е т с я
при с к о р о с т и в е т р а 3 м/с.
В р а б о т е Д е м у т а и др. ( D e m u th et al., 1981) п р и в о д я т с я г р а ­
ф и ки з а в и с и м о с т и з а г р я з н е н и я в о з д у х а от с к о р о с т и в е т р а и с о ­
116
стоян ия устойчивости атм осф еры д л я сл у чая повыш енных кон­
ц е н т р а ц и й S 0 2 ( > 0,4 м г / м 3 ) в р а й о н е г. Г е н т а (Б е л ь г и я ) з а п е ­
р и о д н ю н ь — д е к а б р ь 1978 г. (р ис. 4 .6 ) . С к о р о с т ь вет р а о п р е д е л я ­
л а с ь н а в ы с о т е 30 м.
Х о л ь ц в о р т ( H o l z w o r t h , 1 974) и с с л е д о в а л т а к ж е х а р а к т е р в л и я ­
н и я н а з а г р я з н е н и е в о з д у х а п р и з е м н ы х и п р и п о д н я т ы х и н вер си й.
В р а б о т е Б о р н ш т е й н а и д р. ( B o r n s t e i n et a l M 1978) п р о а н а л и з и 5so2 м г /м 3
Рис. 4.6. Зависим ость повышенных концентраций q s o „ ( > 0 , 4 мг/м3) в районе
г. Гента от скорости ветра и в случаях устойчивой (а) и нейтральной (б) стра­
тификации атмосферы .
р о в а н о в л и я н и е б р и з о в н а к о н ц е н т р а ц и ю S O 2 в г. Н ь ю -Й о р к е д л я
в о с ьм и с л у ч а е в в и ю н е 1965 г. О т м е ч е н о , что п р и в е т р а х с м оря
к о н ц е н т р а ц и я S O 2 у м е н ь ш а е т с я , а п р и в е т р а х с берега — в о з р а ­
стает.
В р а б о т е Л а л а с а и д р . ( L a l a s e t al., 1983) н а .основании а н а ­
л и з а м а т е р и а л о в н а б л ю д е н и й в А ф и н а х п о к а з а н о , что с н и ж е н и е
к о н ц е н т р а ц и й п р и м е с е й в в о з д у х е о т м е ч а е т с я не с р а з у при п о я в ­
лении бриза, а после усиления в етр а в дн евн ы е часы. О бнаруж ено,
что в е р х н и й б р и з о в ы й п о т о к п р и в о д и т к в о з в р а т у з а г р я з н я ю щ и х
веществ.
В с т а т ь е Р е м с б е р г а и В у д б е р и ( R e m s b e r g , W o o d b a r y , 1983)
установлена корреляци онная связь м е ж д у концентрациями в воз­
духе СО, N 0 2 и углеводородов в С ент-Л уисе и разностью тем п ер а­
тур по в е р т и к а л и в н и ж н е м 3 0 -м е т р о в о м с л о е ( А Г ). К о р р е л я ц и о н ­
ная связь о к а за л а с ь наибольш ей в ночное врем я.
По данны м
наблю дений в Л ен и н гр аде, Сонькин и Ч ал и ко в
(1968) в ы я в и л и з а в и с и м о с т ь з а г р я з н е н и я в о з д у х а от к о э ф ф и ц и е н т а
117
о б м е н а k \ н а в ы с о те 1 м, о п р е д е л е н н о г о по м а т е р и а л а м г р а д и е н т ­
ны х н а б л ю д е н и й на з а г о р о д н о й с т а н ц и и . С р е д н и е к о н ц е н т р а ­
ци и S 0 2 и п ы л и при ^ 1 ^ 0,20 м 2/с с о с т а в л я л и п р и м е р н о 0,30 м г /м 3,
а при & i=^0,20 м 2/с они в о з р а с т а л и с о о т в ет с т в е н н о до 0,43
и 0,34 м г /м 3. О т м е ч е н о п ри э т о м и н е к о т о р о е в о з р а с т а н и е п о в т о ­
р я е м о с т и п о в ы ш е н н ы х к о н ц е н т р а ц и й при м еси .
Со с л а б ы м и с к о р о с т я м и в е т р а и у с т о й ч и в ы м с остоя н и ем а т м о ­
с ф е р ы с в я з ы в а ю т э п и з о д ы з н а ч и т е л ь н о г о з а г р я з н е н и я в о зд у х а от
н и зк и х и с то чн и к ов . К л ю г ( K l u g , 1984) о т м еч а е т , что т а к и е э п и ­
зо д ы н а б л ю д а ю т с я при а н т и ц и к л о н а х н а с р а в н и т е л ь н о н е б о л ь ш и х
р а с с т о я н и я х ( п о р я д к а 1 к м ) от и с т о ч н и к а . О б ы ч н о они х а р а к т е р н ы
д л я н а с е л е н н ы х п ун кто в , гд е и м е е т с я б о л ь ш о е ч и сл о м е л ки х и с ­
точн иков. К л ю г п р и в о д и т п р и м е р д л я Р у р с к о й о б л а с т и , когд а в я н ­
в а р е 1979 г. з а ф и к с и р о в а н ы в ы с о к и е у р о в н и
содерж ания S O 2
в в о зд у х е (0,8— 1,1 м г /м 3). П р и эт о м н а б л ю д а л и с ь с л а б ы й ветер
и г л у б о к а я н н в е р си я т е м п е р а т у р ы (до вы с о ты 50 м ).
Х а р а к т е р с в я зи м е ж д у з а г р я з н е н и е м в о з д у х а и т а к и м и м е т е о ­
рологическими величинами, к а к н ап р авл ен и е ветра, тем п ература
во зд у х а , с к о р о с т ь в е т р а в п о г р а н и ч н о м с л о е а т м о с ф е р ы и др., и з у ­
ч а л с я т а к ж е в р а б о т а х Л о у р е н с а ( L a w r e n c e , 1969) по д а н н ы м
н а б л ю д е н и й в б л и з и Л о н д о н а , Л и и др. (L io y et al., 1960) в К а р л ш т а д т е ( С Ш А ) , М а н а ( M u n n , 1972) в Т о р о н т о , Б л ы с к о в о й и К у р ­
чато вой (19 68 ) в С оф ии, М е р и н о и д р. (M e r in o e t al., 1973) в М а д ­
риде, С о н ь к и н а н др. (1975) в р я д е гор о д о в С С С Р . П о к а з а н о , что
н е р е д к о у к а з а н н ы е в е л и ч и н ы м о гу т
исп ользоваться в качестве
п р е д и к т о р о в в с х е м а х д л я п р о г н о з а з а г р я з н е н и я в о зд у х а .
П р и и зу ч ени и с в я зи м е ж д у с о д е р ж а н и е м п р и м ес е й в в о зд у х е
и а т м о с ф е р н о й у с т о й ч и в о с ть ю , н а р я д у с в е р т и к а л ь н ы м г р а д и е н ­
том т е м п е р а т у р ы , ш и р о к о и с п о л ь з у е т с я в ы с о т а с л о я п е р е м е ш и в а ­
ния ( L q ) (см. п. 5 .2 ). В р я д е р а б о т п о к а з а н о , что к о н ц е н т р а ц и и
п р и м есей
возрастаю т
с уменьш ением
Lq
( N ie m e y e r,
I9 6 0 ),
H o lz w o r t h , 1962, 1974; M ille r, H o l z w o r t h , 1967). В л и я н и е т о л щ и н ы
с л о я п е р е м е ш и в а н и я п р о я в л я е т с я б о ле е о т ч е т л и в о при с л а б о м
в е т р е в п о г р а н и ч н о м с л о е а т м о с ф е р ы . В р а б о т е С о н ьк и н а и др.
(1975) п р е д л а г а е т с я и с п о л ь з о в а т ь в к а ч е с т в е п р е д и к т о р а (п р е и м у ­
щ ес т в ен н о в т е п л о е в р е м я г о д а ) вы с о ту н и ж н е й г р а н и ц ы п р и п о д ­
н ято й и н в ер си и ( Н ц ) у тро м в 9 ч, к о г д а о б ы чн о р а з р у ш а е т с я п р и ­
з е м н а я и н в е р си я , а при с о х р а н е н и и до 9 ч п р и з е м н о й ин верси и
п р и н и м а е т с я Н ц = 0. О к а з а л о с ь , что чем м е н ь ш е Н п , тем в ы ш е к о н ­
ц е н т р а ц и и п р и м ес ей в г о р о д с к о м в о зд у х е . Б е р ж е и др. ( B e r g e r
e t al., 1980) п ри а н а л и з е д а н н ы х н а б л ю д е н и и в г. Г ен те получили,
что м а к с и м а л ь н ы е к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с и
отмечались в случае
ус т ой чи во й и с л а б о не у с т о й ч и в о й с т р а т и ф и к а ц и и п скорости в е т р а
2— 3 м/с. П р и это м в ы с о та п р и зе м н о й ин верси и д о с т и г а л а 200 м,
а вы с о та с л о я п е р е м е ш и в а н и я при с л а б о н е у с т о й ч и в ы х у с л о в и я х —
п р и м ер н о 400 м. П р и с т о в ( P r i s t o v , 1978) в ц е л я х п р о г н о за з а ­
грязнения воздуха в Л ю б л я н а х исп ользовал корреляционную з а ­
в иси м о сть к о н ц е н т р а ц и и S O 2 от ск о р о с т и в е т р а , в е р т и к а л ь н о г о
п р о ф и л я т е м п е р а т у р ы в о з д у х а и х а р а к т е р и с т и к и о б лач н о сти .
118
В н е к о т о р ы х из у к а з а н н ы х в ы ш е р а б о т и с с л е д о в а л о с ь в л и я н и е
о са д к о в п а з а г р я з н е н и е в о з д у х а . В ни х о т м еч е н о , ч то обы чно в т е ­
чение н е с к о л ь к и х ч ас о в п о с л е п р е к р а щ е н и я о с а д к о в редко в с т р е ­
ч аю тся п о в ы ш е н н ы е к о н ц е н т р а ц и и п р и м ес и . Е с л и о с а д к и в ы п а д а ю т
в течение 4 ч до м о м е н т а о п р е д е л е н и я к о н ц е н т р а ц и й , то при у в е ­
л ич ении и н те н си в н о ст и о с а д к о в в о з р а с т а е т с т еп е н ь о ч ищ ен ия в о з ­
д у ха. Э то б о л е е ч етк о п р о я в л я е т с я в с н и ж е н и и ф он ов ого з а г р я з н е ­
ния в о з д у х а в горо де, я в л я ю щ е г о с я р е з у л ь т а т о м с у м м ар н о г о д е й ­
ствия вс е х ис т о ч н и к о в в ы б р о с о в п р и м ес е й . В с л у ч а я х перено са
(u>FT* / ( S $ i ) - 1 0
^
Рис. 4.7. Спектральные функции и з­
менения концентрации SO 2 (а) и СО
(б) в течение суток.
/ — п ервы й т и п , 2 — второй тип.
прим есей со сто рон ы и с т о ч н и к о в в л и я н и е о с а д к о в на о ч ищ ение
в о зд у х а с у щ ес т в е н н о не п р о я в л я е т с я . П о М а х о н ь к о (1967), л и в ­
невы е о с а д к и о ч и щ а ю т в о з д у х с и л ьн е е , чем о б л о ж н ы е ’. Н е к о т о р ы е
авторы установили эм пи рические связи м е ж д у концентрациями
прим еси и к о л и ч е с т в о м в ы п а в ш и х о с а д к о в .
4.1.3.
И спользование спектрального а н а л и за . Использование
материалов непреры вной регистрац ии
концентрации
прим есей
п о зв о л я е т про в е с т и их с п е к т р а л ь н ы й а н а л и з . Т а к а я р а б о т а в ы п о л ­
н я л а с ь З а й ц е в ы м ( 1 9 7 3 а , 19 73 6) по д а н н ы м н а б л ю д е н и й в Л е н и н ­
г р а д е с п о м о щ ь ю а в т о м а т и ч е с к и х г а з о а н а л и з а т о р о в Г К П -1 на S O 2
и ГМ К -3 на СО . Н а б л ю д е н и я в е л и с ь о д н о в р е м е н н о по н еск о льк и м
приборам, устан овлен ны м в р азл и ч н ы х ч астя х города. Временная
структура изменения кон центраци и за период времени Т ' хар ак те­
р и з о в а л а с ь д и с п е р с и е й п р и м е с и а 2т , и с п е к т р а л ь н о й ф ункц ией F T '
от ч астоты (£> — 2 п / Г ' . В зи м н и й п е р и о д о т м е ч е н ы д в а ти п а с п е к ­
т р а л ь н о г о р а с п р е д е л е н и я к о н ц е н т р а ц и й S O 2 в те ч е н и е суток, к а ж ­
д о м у из к о т о р ы х с о о т в е т с т в у е т о п р е д е л е н н ы й тип сп е к тр а л ьн о й
ф ункц ии (рис. 4.7 а ) . Д л я п е р в о г о т и п а х а р а к т е р н ы д в а м а к с и ­
м ум а: один с о о т в е т с т в у е т п е р и о д у 6 ч и, в о з м о ж н о , об усл о в л е н р е ­
ж и м о м р а б о т ы б л и з л е ж а щ и х и с т о ч н и к о в со с р а в н и т е л ь н о б о л ь ­
ш им и в ы б р о с а м и се р н и с т о г о г а з а ; в т о р о й — п е р и о д у 1 сут и в з н а ­
чительной степени о б у с л о в л е н в о з д е й с т в и е м м е т е о р о л о г и ч е с к и х
119
ф а к т о р о в . Д л я второго типа х а р а к т е р е н о д и н м а к с и м у м в т ечен и е
с у т о к . Он, в е р о я т н о , о п р е д е л я е т с я в ы б р о с а м и м е л к и х р а с с р е д о ­
т о ч е н н ы х и с т о ч н и к о в и у с л о в и я м и п о го д ы .
О с р е д н е н н ы й спектр и зм е н е н и я к о н ц е н т р а ц и и С О со в р е м е н е м
п р е д с т а в л е н н а рис. 4.7 б . Д л я него х а р а к т е р е н т о л ь к о один м а к ­
с и м у м , о б у с л о в л е н н ы й в л и я н и е м р е ж и м а в ы б р о с о в и и зм е н е н и е м
м е т е о р о л о г и ч е с к и х условий в т е ч е н и е суток. Это, по м нени ю а в ­
т о р а , з а т р у д н я е т ис с л е д ов а н и е в л и я н и я м е т е о р о л о г и ч е с к и х ф а к т о ­
р о в без у ч е т а изм ен ен ия в ы б р о с о в во в р е м е н и . А н а л и з п о к а з ы ­
в а е т , что в б л и з и тр а н сп о р т н о й м а г и с т р а л и з н а ч е н и я с р е д н е й к о н ­
центрации
СО
и ее с р е д н е го
квадратического
отклонения
с р а в н и м ы м е ж д у собой.
4.1.4.
У чет синоптической обстан овк и и влияние ком плекса м е­
теор ол оги ч еск и х факторов. П р е д с т а в л я е т и н те р е с и с с л е д о в а н и е
с л у ч а е в , к о г д а на больш ей ч ас ти п у н к т о в в го р о д е о д н о в р е м е н н о
о т м е ч а е т с я л и б о повыш ение, л и б о п о н и ж е н и е к о н ц е н т р а ц и и о д ­
н о го и л и н е с к о л ь к и х ин гред и ен тов . О ч е в и д н о , что т а к и е с л у ч а и
с в я з а н ы п р е ж д е всего с у с л о в и я м и погоды , п о с к о л ь к у и зм е н ен и я
з а к о р о т к и е пер и о ды в р ем ени д р у г и х ф а к т о р о в с р а в н и т е л ь н о н е ­
в е л и к и . С л у ч а и интенсивного з а г р я з н е н и я в о з д у х а (осо бен но в х о ­
л о д н о е в р е м я ) обычно н а б л ю д а ю т с я п р и с т а ц и о н а р н ы х а н т и ц и к ­
лонах.
В т а б л . 4 .2 п р ед став л ен ы п о л у ч е н н ы е Л . Р. С о н ь к и н ы м по м а ­
т ер и ал ам наблю дений в М оскве, Л ен и н гр ад е и М агнитогорске
д а н н ы е об отк л о н е н и и от ср е д н е й п о в т о р я е м о с т и п о в ы ш е н н ы х к о н ­
ц е н т р а ц и й п р и м ес е й при с т а ц и о н а р н ы х а н т и ц и к л о н а х ( Б е р л я н д ,
1 97 0а). А н а л о г и ч н ы е р е з у л ь т а т ы п о л у ч е н ы и в р а б о т а х д р у ги х а в ­
т о р о в ( H o l z w o r t h , 1962; N i e m e y e r , 1960; Ш е в ч у к и В в е д е н с к а я ,
1971 и д р .) .. Б о л е е д е т а л ь н ы й а н а л и з п о к а з ы в а е т , что з н а ч и т е л ь ­
н о е з а г р я з н е н и е воздуха о т м е ч а е т с я и п р и д р у г и х си н о п т и ч е с к и х
у с л о в и я х . П о С онькину (1 9 7 9 ), в ы с о к и й у р о в е н ь з а г р я з н е н и я
в о з д у х а в г о р о д а х о т м е ч а е т с я т а к ж е при д л и т е л ь н о с о х р а н я ю ­
щ и х с я м а л о г р а д и е н т н ы х б а р и ч е с к и х п о л я х и при т е п л ы х с е к т о р а х
ц и к л о н о в , е с л и в них г р а д и е н т ы д а в л е н и я м а л ы . В р а б о т е Соньк и н а и д р . (1979) на м а т е р и а л а х р я д а г о р о д о в С С С Р более д е ­
т а л ь н о о п р е д е л е н ы синоптические с и т у а ц и и , х а р а к т е р н ы е д л я форТ абли ца 4.2
О тклонение (% ) от средней повторяемости концентрации S 0 2 и пыли
при стационарных антициклонах
Г ород
П рим есь
П ериод
М осква
120
Л ени н град
М агни тогорск
Пыль
Холодны й
Теплый
7
1
21
13
34
21
S02
Холодны й
Теплый
18
—2
13
—1
19
4
м ирования периодов значительного за гр я зн е н и я воздуха. Общ ей
оцен ки с и н о п т и ч е с к о й с и т у а ц и и и н о г д а б ы в а е т н е д о с та т о ч н о д л я
а н а л и з а при чи н и з м е н е н и я з а г р я з н е н и я в о з д у х а .
П ономаренко
(1 97 5)
и ссл ед о в ал а изм енение разовы х кон­
ц е н т р а ц и й С О по м а т е р и а л а м н а б л ю д е н и й н а сети пу н ктов к р у п ­
ного г о р о д а (центр Е в р о п е й с к о й т е р р и т о р и и С С С Р ) в д е к а б р е —
ф е в р а л е 1969— 1973 гг. О т б и р а л и с ь п е р и о д ы п о в ы ш е н н ы х знач ений
<?со и о т д е л ь н о в ы я в л я л и с ь с л у ч а и , к о г д а о т м е ч а л с я рост, с о х р а ­
нение или у м е н ь ш е н и е э т и х з н а ч е н и й , а т а к ж е с в я з ь их с м е тео ­
р о л о г и ч ес к и м и у с л о в и я м и — с и н о п т и ч е с к о й о б с т а н о в к о й , устойчи­
востью а т м о с ф е р ы и с к о р о с т ь ю в е т р а . В т а б л . 4.3 п р и в е д е н ы д а н ­
ные о п о в т о р я е м о с т и р а з л и ч н ы х б а р и ч е с к и х о б р а з о в а н и й , с о ответ­
с т в у ю щ и е у к а з а н н ы м с л у ч а я м . И з а н а л и з а э т и х д а н н ы х следует,
что у в е л и ч ен и е <7со б о лее ч а с т о н а б л ю д а е т с я при ан т и ц и к л о н а х
и усиливаю щ ихся гребнях. Е м у способствует устойчивая страти­
ф и к а ц и я в п о г р а н и ч н о м сл ое а т м о с ф е р ы , а т а к ж е ско р о с т и в етра
м енее 3 м /с у з е м л и и м е н е е 8 м /с в с л о е 0— 1 км .
Таблица 4.3
Повторяемость (% ) барических образовани й, обусловливаю щ их различные
изменения концентрации СО
Б ар и ч ески е о б р а зо в ан и я
И зменение СО
Увеличение
Сохранение
Уменьшение
ан ти ц и к­
лон
п ер и ф ер и я
анти ци к­
лона
гре­
бень
27
16
5
6
4
15
33
36
27
р азм ы то е
поле
4
8
1
циклон
п ери ф ерия
циклона
6
12
17
10
8
4
лож би ­
на
14
16
31
П р о в е д е н н ы е с т а т и с т и ч е с к и е и с с л е д о в а н и я , по су щ еству , отно­
с я тс я к и зу ч е н и ю к о р р е л я ц и о н н о й з а в и с и м о с т и м е ж д у кон цент­
рацией примеси на одном или на н ескольких пунктах и отдель­
ными ф а к т о р а м и без у ч е т а в л и я н и я д р у ги х . В ни х д а ю т с я оценки
к о э ф ф и ц и е н т о в к о р р е л я ц и и , и с с л е д у ю т с я с т р у к т у р н ы е функции
и т. п. В р е з у л ь т а т е п о л у ч е н о , н а п р и м е р , что д л я р я д а гор одо в к о ­
эф ф и ц и ен т к о р р е л я ц и и м е ж д у п о в т о р я е м о с т ь ю к о н ц е н т р а ц и и пыли
и S O 2, п р е в ы ш а ю щ и х д о п у с т и м ы е з н а ч е н и я в т ечен и е м ес яц а ,
и м е с я ч н ы м и а н о м а л и я м и д а в л е н и я с о с т а в л я е т п р и м е р н о 0,5. С о ­
гл а сн о д а н н ы м Д и к с о н а (1961) ( т а б л . 4 .4 ), к о р р е л я ц и я средней
Т а бл и ца 4.4
К оэфф ициент корреляции средн есуточн ой концентрации
пыли с метеорологическими .факторами и количеством
сж и гаем ого топлива
_
Параметр
Стратификация атмосферы .... ................................
Скорость в е т р а .............................................................
О с а д к и ...........................................................................
Количество т о п л и в а ...............................................
Коэффициент
корреляции
— 0 ,6 0
— 0 ,3 8
— 0 ,3 8
0 ,1 8
121
суточной кон ц ентрац ии пыли в Н эш в и л е (С Ш А ) с определенны м и
м ет е о р о л о г и ч е с к и м и ф а к т о р а м и и н о г д а вы ш е, чем с количеством
сж и гаем ого топлива.
Во многих
и ссл едов ан и ях устан авл и в аю тся корреляционны е
связи загрязнения в озд уха с различны м и ком плексам и м етеор о­
л оги ческих величин, вк лю чаю щ им и н а п р а в л ен и е и скорость ветра,
а т а к ж е ш тиль и призем ны е инверсии,
которые
определяю тся
иногда как условия застоя в о зд у х а , и др.
В р я д е р а б о т к ом п л ек сн ы е п р ед и к тор ы у с т а н а в л и в а ю т ся из
ф изических
со о б р а ж ен и й . Так, в р а б о т а х
М арча
и Ф остера
Р%
Рис. 4.8. Вероятность Р повышенного
загрязнения воздуха в зависимости
от коэффициента К Р.
(M arch, F o ste r , 1967) И о р д а н о в а (I o r d a n o v , 1977) и др. и сп ол ь ­
зую тся некоторы е
турбулентны е
характеристики
пограничного
сл оя ат м осф ер ы . Н е р о н о в а и П о н о м а р е н к о (1 9 8 0 ) и сп ол ь зую т вы­
соту т ер м оди н ам и ч еск ого слоя п ер ем еш и в ан и я , рассчиты ваем ую
по числу Р и ч а р д со н а , и учиты ваю т вер ти к ал ь н ое перем еш ивание
примесей, обусловлен н ое терм ическим и и динам ическим и ф акто­
рами.
Ш ев ч ук (1 966, 1977) д л я п р о г н о за з а г р я зн е н и я в о з д у х а вв ел а
комплексный показатель
_
Др
Д р + 1 ,2 5 Д Я '
у — 1,50
г д е Ар и А Н ' — с р е д н и е р а з н о с т и , с о о т в е т с т в е н н о , д а в л е н и я и г е о ­
потенциала на ур овн е зем л и и на пов ерхн ости 850 гПа, 7 — в ер ­
тикальны й гр ади ен т т ем п ер атур ы в о з д у х а в с л о е зем л и до уровн я
9 2 5 г П а . У с т а н о в л е н а к о р р е л я ц и я м е ж д у Кр и к о н ц е н т р а ц и я м и
п ы л и , с а ж и , S 0 2, N 0 2 и С О , п о л у ч е н н ы м и п о д а н н ы м е ж е ­
д н е в н ы х н а б л ю д е н и й з а т р и с р о к а н а 14 п у н к т а х в Н о в о с и б и р с к е .
В р е з у л ь т а т е п ост р о ен г р а ф и к (р и с. 4 .8 ) д л я в е р о я т н о ст и н а с т у п ­
ления периодов значительного за гр я зн ен и я
воздуха в Н овоси­
бирске. В оп ер ати в н ой р а б о т е зн а ч е н и е К Р о п р е д е л я л о с ь по д а н ­
ным с и н о п т и ч е ск о го п р о г н о за в 3 и 9 ч м о с к о в с к о г о в р ем ен и с л е ­
д у ю щ и х с у т о к . Э м п и р и ч е с к и у с т а н о в л е н о , ч т о е с л и з н а ч е н и я К Р< .
< 3 с о х р а н я ю т с я в т е ч е н и е н е с к о л ь к и х д н е й п о д р я д , то у в е л и ч е н и е
122
к он ц ен тр ац и й га зов ы х пр и м есей з а первы е сутки составл яет 20—
70 % и х и с х о д н о г о зн а ч ен и я , а з а т е м р о с т к о н ц ен т р а ц и й з а м е д ­
ляется.
В р а б о т а х Ш м и д та и В е л д с а (S c h m id t, V e ld s, 1969), В ан Д о п а
и К р уи зи н га (V an D o p , K ru izin g a , 1976) иссл едовал и сь изм енения
среднесуточной концентрации по данны м наблю ден и й в больш ом
числе пунктов в бл и зи Р о т т е р д а м а . Р а ссм а т р и в а л и сь только з и м ­
н и е п е р и о д ы в п е р в о й и з у к а з а н н ы х р а б о т з а 6 л е т ( 1 9 6 2 — 1 9 6 8 гг.)
и в о в т о р о й — з а 13 л е т ( 1 9 6 1 — 1 9 7 4 г г . ) . О с р е д н е н н ы е з а с е з о н
з н а ч е н и я q ( м к г / м 3) к о р р е л и р о в а л и с ь с с о о т в е т с т в у ю щ и м и з н а ч е ­
н и я м и с к о р о с т и в е т р а и ( м / с ) , т е м п е р а т у р ы в о з д у х а Т (° С ) и о с а д ­
к о в R ( м м ) . Д л я п е р и о д а 1 9 6 1 — 1 9 7 4 гг. п о л у ч е н о у р а в н е н и е р е ­
грессии
q = 4 2 3 — 4 6 , 2 и — 2 0 , ЪТ + 0 , 3 9 R.
И з э т о г о у р а в н е н и я с л е д у е т , что в л и я н и е R н а q в есь м а м а л о и им
м о ж н о п ренебреч ь. В ли ян и е Т о б ъ я с н я е т с я в основном и зм ен ением
количества сж и гаем ого топлива зим ой и соответствую щ ей мощ нон о с т и в ы б р о с а М. П о э т о м у В а н Д о п и К р у и з и н г а п р е н е б р е г л и
в л и я н и е м R и о т к а з а л и с ь о т п р я м о г о у ч е т а Т. В к а ч е с т в е и с х о д ­
ных п ар ам етр ов они и сп ол ьзовал и разн ость потенциальны х т ем п е­
ратур А 0 в н и ж н ем 5 0 0-м етр овом сл ое, вы соту перем еш ивания L0
и с к о р о с т ь в е т р а в п р и з е м н о м с л о е и. П о э т и м п а р а м е т р а м о н и
ввели н екотор ы й б е зр а зм е р н ы й м ет ео р о л о ги ч еск и й индек с з а г р я з ­
нения в о з д у х а
Л =
С' Д ® + 1 Й Г -
<4 Л >
г д е к о э ф ф и ц и е н т ы C i = 2 , 5 ( К ) - 1 , С2 = 4 - 1 0 4 м 2/ с п о д о б р а н ы т а к ,
ч т о б ы в к л а д ы А 0 ii u L 0 в А б ы л и п р и м е р н о о д и н а к о в ы е . З а в и с и ­
м ость от и в (4.1 ) п р и н я т а по а н а л о г и и с ф о р м у л о й (3 .3 9 ), п р е д ­
л о ж е н н о й в р а б о т е Г и ф ф о р д а и Х а н н а (G iffo rd , H a n n a , 1 9 7 3 ).
П р е д п о л о ж и в , что з н а ч е н и е М п о с т о я н н о в п е р и о д 1 8 6 2 — 1 9 6 7 гг.,
э т и а в т о р ы п о л у ч и л и q = Q,32A.
В и т ц и д р . (W itz et a l., 1 9 8 2 ) на м а т е р и а л е н а б л ю д е н и й
в 1 9 8 0 г. в р а й о н е Л о с - А н д ж е л е с а п о л у ч и л и у р а в н е н и е л и н е й н о й
регрессии м е ж д у
среднем есячны м и
концентрациями
примесей,
о б у сл о в л ен н ы м и в ы б р о са м и а в т о т р а н с п о р т а , в том числе сви нца
(<7рь м к г / м 3) , о к и с и у г л е р о д а ( ^ с о м л н - 1 ) , а т а к ж е о к и с и и о к и с ­
лов
азота
(<7n o , <7n o x.
(10 0 м л н )- 1
и
суммы
углеводородов
(qnc м л н - 1 ) , и м е т е о р о л о г и ч е с к и м и ф а к т о р а м и . В к а ч е с т в е п о с л е д ­
н и х п р и н и м а л и с ь : х — п о к а з а т е л ь и н в е р с и и т е м п е р а т у р ы (о н р а в е н
еди н и ц е д л я сл уч ая п р и зем н ой и нверсии и м ен ьш е единицы — дл я
п р и п одн ятой и н в ер си и с н и ж н е й гр а н и ц ей вы ш е 30 м ), у — т е м ­
п е р а т у р а в о з д у х а ( ° F ) в 6 ч, z — к о л и ч е с т в о с у т о к ( % ) с п р е о б ­
л а д а ю щ и м восточны м и северн ы м ветром , w — ср едн есуточ н ая ск о­
р о с т ь в е т р а . Э т и у р а в н е н и я п р е д с т а в л е н ы в т а б л . 4.5.
Н а р и с . 4 .9 д л я
сравнения
приведены
данные
р а с ч е т а по
табл. 4 .5 и и зм ер ен и й к о н ц ен тр а ц и й С О и РЬ. З д е с ь и зм ер ен н ы е
з н а ч е н и я т е ж е , что и н а р и с . 4 .1 .
123
В р а б о т а х К и сел ев а и др. (1979, 1980) д л я прогноза вы соких
уровней загрязнения воздуха в городе вы деляю тся наиболее ин­
ф ор м ати в н ы е к о м би н ац и и п р еди к тор ов с пом ощ ью линейного с о ­
отнош ения
N
р
=
2 « л ,
*=> 1
г д е xi — п р е д и к т о р ы , a t- — к о э ф ф и ц и е н т ы .
Значения щ
опреде­
л яю тся из р еш ен и я за д а ч и на собствен н ы е числа матрицы. А вторы
Чсо млн
д рь мкг/м 3
Рис. 4.9. Результаты сравнения рассчитанных (1) и измеренных (2) концентра­
ций окиси углерода и свинца в районе Лос-Анджелеса (1980 г.).
применили эт у схем у к р а зр а б о т к е м етода прогноза загрязнения
в о з д у х а на о д н и сутки д л я Ч и ты . П р и эт о м з а п е р в о н а ч а л ь н ы е
п р е д и к т о р ы в з я т ы : с к о р о с т ь в е т р а н а в ы с о т е ф л ю г е р а vq ( м / с ) ,
т е м п е р а т у р а в о з д у х а у з е м л и Т0 ( ° С ) , р а з н о с т ь т е м п е р а т у р м е ж д у
у р о в н я м и з е м л и и 5 00 м Д Т (°С ) и вы сота н и ж н ей границы и н в ер ­
с и и Ни ( м ) . Н а й д е н о , ч т о м о ж н о о г р а н и ч и т ь с я д в у м я н а и б о л е е
информативными ком плексами предикторов
и
0 ,Ю 7 0 -
0 , 1 0 АТ -
0 , 0 0 0 2 Н а,
рс») =
0,99г\, -
р(2) =
0 , 0 4 а 0 + 0 , 8 1 Г 0 — 0 , 5 9 АТ + 0 , 0 1 5 6 #
Таблица 4.5
Уравнение регрессии между концентрациями примесей и метеорологическими
факторами
Уравнения
qpb = 5 ,3 5 +
q Q0 = и , 6 +
0,72* — 0,0592^/ + 0,01482 - 0,33 5w
1,3* — 0,14 у - f 0 ,041-гг — 0,900а;
• ^ N 0 = 34,7 + 6,44л: — 0,361^/ -f- 0 , 128-гг — 2,72а;
q ^ O x “ 4 8 , 8 -f- 8,30л: — 0.447 у -+- 0,1602 — 4 ,06г<у
4нс =
1 + 9,59л: — 0,621 у — 0,7282 — 5,08а;
124
Коэффициент
корреляции
0,90
0,82
0,88
0,87
0,85
К оролева (1 9 8 1 ) прим енила д а н н у ю м етодику д л я ан ал и за з а ­
г р я з н е н и я в о з д у х а S O 2, п ы л ь ю и N O 2 в У з б е к и с т а н е , и с п о л ь з о в а в
т а к и е ж е и с х о д н ы е п р е д и к т о р ы , н о з а м е н и в Нп н а с к о р о с т ь в е т р а
на и з о б а р и ч е с к о й п о в е р х н о с т и 9 2 5 г П а .
С ущ ественное зн ач ен и е при р а зр а б о т к е прогностических схем
имеет учет и нерц ионного ф ак тор а. В р а б о т а х Л . Р . С онькина и др.
п о к а за н о , что в е р о я т н о с т ь в о з н и к н о в е н и я б о л ь ш и х к о н ц е н т р а ц и й
примесей п осл е д н ей с вы соким ур овн ем за гр я зн ен и я атм осф еры
значительно бол ьш е, чем п осл е д н е й с низким уровн ем за г р я зн е ­
ния. И з о б р а б о т к и м а т е р и а л о в н а б л ю д е н и й в н е с к о л ь к и х г о р о д а х
с л ед у ет, что к о э ф ф и ц и е н т к о р р е л я ц и и м е ж д у з а г р я з н е н и е м в о з ­
д у х а в с о с е д н и е д н и с о с т а в л я е т 0 ,6 — 0 ,8 , п р и э т о м п о л о ж и т е л ь н а я
корреляция сохр ан я ется в течение 5 дн ей и более. П о добн ы е р е­
зультаты бы ли пол уч ен ы А р ш и н о в о й и др . (1 9 7 2 ) при о б р а б о т к е
материалов д л я М осквы . Такие резул ьтаты м о ж н о объяснить инер­
цией м етеор ол оги ч еск и х пр оц ессов .
4.2. Методы прогноза на основе множественной линейной
регрессии
А н а л и з к о р р е л я ц и о н н ы х с в я з е й , р а с с м о т р е н н ы х в п. 4 .1 , н е ­
р е д к о о с у щ е с т в л я е т с я с п о м о щ ь ю м е т о д о в л и н е й н о й р е г р е с с и и от
многих пар ам етр ов. О ст а н о в и м ся на н ек отор ы х из полученн ы х р е ­
зультатов, и сп о л ь зу ем ы х д л я р а з р а б о т к и
оперативн ы х приемов
прогноза за гр я зн ен и я в о зд у х а в го р о д а х .
4.2.1.
П рогноз концентрации прим еси . В р а б о т е И . С л а д е к а
(S la d ek ,
1975)
м етод
м нож ественной регрессии
применяется
к ан ал и зу м ат ер и ал ов и зм ер ен и я к он ц ен тр ац и и двуок и си серы дл я
С еверной Ч ехи и . В ней р а с с м а т р и в а ю т с я р а зл и ч н ы е типы погоды
в зав и си м ости от н а п р ав л ен и я в ет р а и устой чи в ости атм осф ер ы .
К п ервом у о т н о ся т ся ветры се в е р н о г о (С ) и з а п а д н о г о ( 3 ) р у м ­
б о в со с т о р о н ы г о р н ы х х р е б т о в , г д е н е т и с т о ч н и к о в в ы б р о с а , к о
втором у — ю ж н о г о (Ю ) и в о ст о ч н о г о (В ) р у м б о в , к о г д а в о з д у х
поступает из п р ом ы ш л ен н ы х р ай он ов . В к ач естве и сх о д н о й х а ­
р а к т е р и с т и к и и с п о л ь з у е т с я р а з н о с т ь т е м п е р а т у р АТ в 1 , 5 - к и л о м е т ­
р о в о м с л о е о т з е м н о й п о в е р х н о с т и д о у р о в н я 8 5 0 г П а з а 'о д и н н о ч ­
н о й и о д и н д н е в н о й с р о к и . В ы д е л я ю т с я с л е д у ю щ и е с л у ч а и : а) т е м ­
пература п ад ает с вы сотой ( Д Г ^ О ) хотя бы в один
из двух
рассм атриваем ы х сроков и б) инверсия или изотерм ия
(Д Г г^ О )
отм еч ается в о б а ср о к а . П р и с о ч ет а н и и п ер в ого ти п а со с л у ч а я м и
(а) и (б) зн ач и тел ь н ого за г р я зн е н и я н е н а б л ю д а е т с я , п о эт о м у оно
не р а с с м а т р и в а е т с я . Д л я д р у г и х с о ч е т а н и й в х о л о д н о е в р е м я г о д а
составляется уравн ен и е м н ож ествен н ой регрессии, в котором в к а ­
честве
предикторов
использую тся
величины
АТ в 13 ч, 0 =
= 18 — Тс, г д е Тс — с р е д н е с у т о ч н а я т е м п е р а т у р а ,
ьъьо — с к о р о с т ь
ветра на у р ов н е 8 50 гП а . С ч и тается , что л ет о м о с о б о н е б л а г о п р и ­
я т н ы х с л у ч а е в н е д о л ж н о н а б л ю д а т ь с я и, к р о м е т о г о , д л я т е п л о й
125
части года связи о к а зы в а ю т ся с л а б ы м и . В р езу л ь т а т е С л а д е к по­
лучил уравн ение регресси и сл ед у ю щ его вида:
q = а 0 + а , 0 — а 2и 850 — а 3 Д 7 \
(4 .2 )
о т с ю д а с л е д у е т , что к о н ц е н т р а ц и я с е р н и с т о г о г а з а р а с т е т с у в е ­
л и ч е н и е м 0 , у м е н ь ш а е т с я с у с и л е н и е м V850 и у в е л и ч е н и е м п о л о ­
ж и т е л ь н ы х з н а ч е н и й Л Г , т. е. с п о в ы ш е н и е м т е р м и ч е с к о й н е у с т о й ­
чивости атм осф еры .
К р ом е того, при п р огн озе за гр я зн ен и я в о з д у х а при н и м ается
во в н и м а н и е и у р о в е н ь к о н ц е н т р а ц и й в п р е д ш е с т в у ю щ и й д ен ь .
Учет инерц ионны х ф ак тор ов в зн ач и тел ь н ой степ ен и о б е с п е ч и в а ет
согласованность расчетны х и ф актических концентраций.
М етод получил дал ьн ей ш ее р азв и ти е в р а б о т е Б убн и к а и Г есека
( 1 9 8 4 ) . П р о г н о з по н е м у д а е т с я в п о л д е н ь на у т р о с л е д у ю щ и х с у ­
ток и уточняется вечером. И м ею тся оп редел ен н ы е различия в м о ­
диф икаци ях м етода, используем ы х дл я районов Ч ехи и и С ловакии.
В ы полненная проверка показала удовлетворительную успеш ность
п р огн оза, причем д л я с л о в а ц к и х р а й о н о в он а о к а з а л а с ь н еск о л ь к о
вы ш е. П о л у ч е н о т а к ж е , что н а и б о л ь ш а я о п р а в д ы в а е м о с т ь п р о г н о за
достигается в случаях сравнительно низких концентраций.
На принципе
множ ественной
линейной
регрессии
Бенари
(B en a rie, 1972) р а зр а б о т а л с х е м у п р о г н о зи р о в а н и я с р е д н е с у т о ч ­
ных к онц ентрац ий пыли и сер н и ст ого га за во Ф ран ц и и . И с х о д н ы е
м а т е р и а л ы о т н о с и л и с ь к г. Р у а н у . У р а в н е н и я р е г р е с с и и с о с т а в ­
л е н ы по к а ж д о м у и з с е м и п у н к т о в н а б л ю д е н и й о т д е л ь н о д л я х о ­
л о д н о й и теплой ч астей года, по четы рем зо н а м в за в и с и м о с т и от
н а п р а в л ен и я в ет р а (с у ч ет о м р а с п о л о ж е н и я и сточ н и к ов в ы б р о с о в ).
В общ ей сл о ж н о ст и дл я п р огноза конц ен тр ац и й пыли и сер н и ст о го
г а з а с о с т а в л е н о 11 2 у р а в н е н и й . В к а ч е с т в е о с н о в н ы х п р е д и к т о р о в
и с п о л ь з о в а л и с ь в е л и ч и н а 1 /и, о б р а т н а я с к о р о с т и в е т р а и, и т е м ­
п е р а т у р а в о з д у х а Т. К р о м е т о г о , р а с с м а т р и в а л а с ь в о з м о ж н о с т ь
учета продолж ительности осадков, тум анов, солнечного сияния
в течен и е суток, а т а к ж е п а р а м ет р о в , х а р а к т е р и зу ю щ и х у с т о й ч и ­
вость н и ж н его сл о я а тм о сф ер ы . О д н а к о связи м е ж д у у к а за н н ы м и
парам етрам и и загрязнением в о зд у х а оказались весьма слабы м и,
п о эт о м у эти п а р а м ет р ы не в к л ю ч а л и сь в п р о гн о ст и ч еск у ю с х е м у .
В итоге у р а в н ен и е д л я р асч ет а к о н ц ен тр а ц и и q по Б ен а р и и м еет
вид
<7 =
bo + - ^ - +
M \
(4 .3 )
П р о в е р к а у р а в н е н и я (4 .3) на н е з а в и с и м о м м а т е р и а л е п о к а з а л а
его оп р едел ен н ую эф ф екти вность. Р азл и ч и я м е ж д у
прогностиче­
скими и изм еренны м и конц ентрац иям и составл яю т в с р ед н ем 3 0 —
4 0 % . П ри этом эк стрем ал ьн о вы сокие концентрации п р о гн о зи р о ­
в а л и с ь х у ж е , чем ч а с т о в с т р е ч а ю щ и е с я . С п о м о щ ь ю д а н н о г о м е ­
т о д а , как у к а зы в а ет автор, у д а л о с ь выявить н еск ол ь к о с л у ч а ев
с в ы б р о с а м и от п р едп р и я т и й , зн а ч и т е л ь н о п р е в ы ш а ю щ и м и с р е д н и е
знач ения, приняты е д л я дн ей , к о г д а
изм еренны е концентрации
были сущ ественн о вы ш е расчетны х.
126
Э то т м е т о д в п о с л е д н и е го д ы В а н д е р А у е р а ( V a n der A u w e r a ,
1982) и с п о л ь з о в а л д л я п р о г н о за з а г р я з н е н и я в о з д у х а в р а й о н е
А нтверпена.
М ал ьбер г и Р е д е р (M a lb erg , R oder, 1981) в прогностических
целях м етодом последовательной регрессии исследовали корреля­
ц и о н н у ю с в я з ь с р е д н е с у т о ч н о й к о н ц е н т р а ц и и q so 2 с м е т е о р о л о г и ­
ческими и и н ер ц и он н ы м и ф а к то р а м и . Д л я эт о й ц ел и бы ли и сп о л ь ­
зованы м ат ер и ал ы 5 -л ет н и х н а б л ю д е н и й в ц е н т р е З а п а д н о г о Б е р ­
лина и в его о к р е с т н о с т я х . В р е з у л ь т а т е б ы л о вы я в л ен о ш есть
о с н о в н ы х п р е д и к т о р о в п о с т е п е н и в л и я н и я и х н а <7s o 2 в г о р о д е .
В число и х д л я о к р е с т н о с т и г о р о д а в о ш л и (п о с т е п е н и в л и я н и я на
н ап р ав л ен и е ветра, н а ч а л ь н а я к он ц ен тр ац и я (ин ерционны й
<7s o 2) :
ф актор), ниж няя граница инверсии, устойчивость атм осф еры , тем ­
пература и скорость ветра. Д л я г о р о д а п ор я док эти х предикторов
ок азал ся иным — н а и б о л е е в а ж н ы м стал и н ер ц и он н ы й ф ак тор , з а ­
тем уст о й ч и в о сть а т м о с ф е р ы , н и ж н я я г р а н и ц а и н в ер си и , т е м п е р а ­
тура, н ап р ав л ен и е и ск ор ость в ет р а .
И з сравнения
результатов
прогноза к он ц ен трац и и S O 2 и д а н н ы х н а б л ю д е н и й получены з н а ­
чения п о гр е ш н о с т и м е т о д а (т а б л . 4 . 6 ) .
Таблица 4.6
Ошибки прогноза концентрации (мкг/м3)
Сезон
Весна
Лето
Осень
Зима
Г ород
29,3
17,2
33,9
49,3
Окрестности
22,5
14,1
25,7
40,6
4.2.2.
Совместный прогноз за гр я зн ен и я в о з д у х а и м етеорологи ­
ческих величин. М етод автор егресси и . М е т о д м н о ж е с т в е н н о й л и ­
нейной р егр есси и в и с с л е д о в а н и я х я п о н с к и х у ч е н ы х (S o e d a , 1979)
получил р а зв и т и е в ц е л я х п р о г н о за з а г р я з н е н и я в о з д у х а на к о р о т ­
кий с р о к ( 1 — 3 ч) с п р и м е н е н и е м д а н н ы х н е п р е р ы в н о й р е г и с т р а ­
ции к он ц ен тр ац и и п р и м есей и н ек о т о р ы х м е т е о р о л о г и ч е с к и х в ел и ­
чин. Э т и м ж е м е т о д о м о с у щ е с т в л я е т с я п р о г н о з и т р е б у е м ы х м е ­
теорологических величин.
В этих и ссл едован и ях р я д у к а за н н ы х дан н ы х, обы чно состав­
ленны х из о с р ед н ен н ы х за 1 ч зн а ч ен и й , п р е д с т а в л я е т с я с л е д у ю ­
щ ей статистической м одел ью :
x( k) = A{ k , k — l ) x ( k — l) + b ( k — l),
( 4 .4 )
г д е x( k) — k-ft ч л е н р я д а , о т н о с я щ и й с я к k-u y ч а с у , о т с ч и т ы в а е ­
м ом у от и зб р а н н о г о н а ч а л ь н о го м о м е н т а в р ем ен и . В о б щ е м с л у ч а е
x ( k ) п р е д с т а в л я е т с о б о й /г-м ерн ы й в е к т о р , к о м п о н е н т ы к о т о р о г о
127
оп р едел я ю тся значениям и концентрации прим еси и р а ссм а т р и в а е­
м ы х м ет ео р о л о г и ч еск и х величин (в етер, т е м п е р а т у р а , в л а ж н о с т ь ,
облачность и д р .).
К о э ф ф и ц и е н т ы A (k, k — 1) в м а т р и ч н о й и b ( k — 1) в в е к т о р н о й
ф ор м ах определяю тся м етодом наим еньш их
квадратов по ф ор ­
мулам
A (k, k — \ ) = £ [ * ' ( k ) x r {k — 1)] E [x {k — 1 )
-
l ) ] " 1,
b ( k - \ ) = E [ x { k ) ] - A ( k , k - \ ) E [ x { k — \)l
(4.5 )
г д е сим вол «т» озн а ч а ет т р ан сп он и р ов ан и е век тора, « — 1 » — о б р а ­
щ ен и е матрицы ; x ' ( k ) = x ( k ) — E[x(k) )\ п од Е п он и м ается о с р е д ­
н ен и е по а н с а м б л ю с у ч е т о м с у т о ч н о г о х о д а к о н ц е н т р а ц и и п р и ­
м е с и и д р у г и х м е т е о в е л и ч и н , т. е. о с р е д н е н и е д л я ф и к с и р о в а н н о г о
врем ени суток.
П р о г н о с т и ч е с к и е з н а ч е н и я x ( k \ k — т) о п р е д е л я ю т с я с о о т н о ш е ­
ниями вида
k
& { k \ k — tn) = A{ k , k — m ) x ( k — m ) -(-
2
A ( k , j ) b { j — 1),
f = k — m +1
где матрицы
A (k , j)
находятся из рекуррентны х соотнош ений:
A{ k , j ) = A( k, k — \ ) A ( k — 1 , k — 2 ) . . . A ( j + h j )
при
j ^ . k - 1- 1
A{ k, k) = \
Здесь I — единичная матрица.
Частны м случаем м н ож еств ен н ой р егресси и является ав т о р ег­
рессия, когда оп р едел яется коррел я ция м е ж д у зн ач ен и я м и и ссл е­
д у ем о й величины в р а зл и ч н ы е м ом ен ты в р ем ен и . И с п о л ь зо в а н и е
а в т о р е г р е с с и и д л я п р о г н о за п р е д с т а в л я е т по с у щ е с т в у с т а т и с т и ч е ­
скую экстраполяц ию р яда, полученн ого по данны м н а б л ю д ен и й
за предш ествую щ ий п ериод времени. С хем а этого м ет од а в с о ­
ответствии с р езу л ь т а т а м и
исследований
Бокса и Д ж ен к и н са
(1974) изл агается т а к ж е в р а б о т е С оеда (S o ed a , 1979). С о ед а о т м е­
чает, что ф о р м а л ь н о такой с х е м о й м о ж н о п о л ь зо в а т ь ся , к о г д а и с ­
с л е д у е м ы й р я д д а н н ы х x(k)
(в р а с с м а т р и в а е м о м с л у ч а е — р я д
еж ечасн ы х значений концентраций прим есей)
представляет ста­
ционарны й процесс. О днако в об щ ем случае он м о ж ет относиться
к нестационарны м условиям . П о э т о м у п р едусм атр и вается п р ед в а ­
р и т е л ь н о е р а з д е л е н и е и с х о д н о г о р я д а x{ k ) н а с у м м у с т а ц и о н а р н о й
составляю щ ей z{k) и трен да y ( k )
т а к , ч то x( k) = y ( k ) + z ( k ) .
Т ренд y ( k ) находится с пом ощ ью скользящ его осреднени я и сх о д ­
ного р я д а с эк сп он ен ц и ал ь н ы м и весам и :
р- 1
y(k) = X Z
(1 - X ) n x ( k - n ) ,
п=О
где Я — вес ( 0 < Л < 1 ) , а р — д л и н а отрезк а р я да, и сп ол ь зуем ого
при этом оср едн ен и и . Р я д z(k) о п р ед ел я ет ся вы читанием из x(k)
величины тр ен д а .
128
П р и р а з р а б о т к е п р огн ости ч еск ой схем ы п о л а г а е т с я , что y ( k )
я в л я ет ся п р о ц е с с о м со ст а ц и о н а р н ы м и п р и р а щ е н и я м и Ay ( k ) , гд е
k y { k ) = y ( k ) — y ( k + 1).. Е с л и о к а ж е т с я , ч т о р я д { Д y { k ) } н е с т а ­
ционарен, то берутся п о сл ед у ю щ и е р азн ости этого р я да и п роцесс
п р о д о л ж а е т с я д о тех пор, пока о ч ер ед н ы е р азн ост и не б у д у т с т а ­
ционарны ми.
П р о гн о з устан ови в ш и хся проц ессов z(k) и Ay( k)
осущ ест­
вляется с использован ием однотипны х м одел ей авторегрессии:
мх
г (£) =
Z а & № — О»
/= 1
Mi
% Ь1 к у № — I),
1=1
Ay ( k) =
п р и ч е м к о э ф ф и ц и е н т ы щ, bi, а т а к ж е п о р я д к и а в т о р е г р е с с и и М \
и М 2 оп р едел яю тся стандартн ы м и м ето д а м и статистики с исполь­
зов ан и ем уравн ен и я Ю л а — У ок ера д л я корреля ц и он н ой функции.
Одним из вариантов вы бора парам етров м одели
авторегрессии
является описан ная н и ж е м одель авторегрессии — проин тегриро­
ванного ск ользящ его среднего, п р и сп особл ен н ая д л я и сп ол ь зов а­
ния в а в т о м а т и з и р о в а н н ы х с и с т е м а х к о н т р о л я з а г р я з н е н и я а т м о ­
сферы , к отор ая
назы вается
«адаптивный
цифровой
фильтр».
С м ы сл ее в том , что при з а д а н н ы х зн а ч е н и я х М i и М 2 п р огн ост и ч е/N
/N
с к и е з н а ч е н и я н а т ч а с о в в п е р е д z [ k \ k — т) и A y ( k \ k — т ) о п р е ­
деляю тся формулами:
АГ,
t (k I k — m) =
Y j Ai (tri) z (k — m + 1 — I),
i= i
M2
A$ ( k \ k — m) = J ) В i (m) Ay (k — tn
\ — I).
/= i
Зд есь коэф ф ициенты
мулам
A i ( m ) вы числяю тся
Ai (m) = a t
пр и
m = 1; 1 =
1,
по
фор­
2, . ..,
Ai { m) = A x(m — \) A i ( \ ) - \ - A i + — \)
1=1,
рекуррентны м
при
m = 2, 3 . . . ,
2, . . . . ЛГ, — 1;
A Mx{m) = A i { m — \ ) AMi { \ )
при
m = 2 ,3 ,...
А налогично н аходятся коэф ф ициенты B i ( m ) .
л»
Для
прогностического
значения
т
✓ч
следует
y { k\ k — m ) = y ( k — т) — £
/= i
y { k \ k — т) в е л и ч и н ы
у (k)
^
A y ( k — j \ k — m ) .З а т е м o c y -
/"N
щ е с т в л я е т с я п р о г н о з x ( k \ k — m)
величины x ( k ) :
с заблаговрем ен н остью m ш агов
£ ( k | k — m ) = # ( k ( k — m ) 4 - 1 ( k | k — tn).
9
З а к а з № 30
129
Д л я проверки прим еним ости дан н ого
м етода и излож енн ого
выше м ет о д а м н о ж ест в ен н о й р егр есси и к п р огн озу на срок от 1 до
3 ч и с п о л ь з о в а л и с ь д а н н ы е н а б л ю д е н и й в ц е н т р е Т о к и о с и ю л я по
д е к а б р ь 1 9 7 1 г. и в Т о к у ш и м е с м а я п о и ю л ь 1 9 7 5 г. з а к о н ц е н т ­
р а ц и я м и о к с и д а н т о в ( О * ) , N O , N O 2, С О и S 0 2 , а т а к ж е з а с к о ­
ростью и н а п р а в л ен и ем ветра (д о б а в о ч н о учиты вались три с о с т о я ­
ния погоды : «ясно», « о бл ач н о», и « д о ж д л и в о » ). О ц енка п огр еш ­
ности п р огноза п р о и зв о д и л а сь в т р е х м етр иках
N
24
Jm = Ж Z Z I*1
i= ifc = i
—
— т)]\
24
/V
Z
l Xi { k ) — & i { k \ k — т ) У
k= \
/л -=
£
24
г- ‘
»
£
*?(*)
ft = i
24
N
Z
h = У
i=1 Z
—* i (k \ k —m ) ] 2
------------------------- .
k= \
[*i(k)
( 4 .6 )
[ x 2i{ k ) + x \ { k \ k — m )]
В т а б л . 4 .7 п р и в о д я т с я р е з у л ь т а т ы п р о в е р к и д л я у к а з а н н ы х
методов, а т ак ж е дл я инерционного прогноза, согласно котором у
со х р а н я л и сь и сходн ы е зн ач ен и я п р о гн о зи р у е м ы х величин.
Таблица 4.7
Результаты проверки м етода прогноза
Методы прогноза
Заблаговремен­
ность прогноза, ч
1
2
3
130
Метрика
JМ
множественная
регрессия
авторегрессия
2662
2602
инерционный
прогноз
3168
JN
1,07
1,05
1,17
h
0,53
0,52
0,59
*м
5650
5785
8711
2,60
2,69
3,08
h
1,24
1,25
1,54
•’ м
9029
9312
15157
JN
4,01
4,27
5,21
•'/
1,86
1,91
2,61
К а к в и д н о и з т а б л . 4 .7 , п р и п р о г н о з е н а 1 ч в п е р е д л у ч ш и е
р езул ь таты д а е т м ет о д авторегрессии, а на 2 и 3 ч — м ет о д м н о ж е ­
ств ен н ой р егр есси и . О ш и б к а по и н е р ц и о н н о м у м е т о д у неск ольк о
больш е. П опы тка вклю чения в м о д ел ь м н ож ест в ен н ой линейной
р егресси и доп ол н и тел ьн ой м етеорологи ч еск ой и н ф орм ац и и привела
н е к у л у ч ш е н и ю , а к у х у д ш е н и ю к а ч е с т в а п р о г н о з а . В т а б л . 4 .8
приведены знач ен и я ош ибки п р о гн о за конц ен трац и и в различны х
м етриках дл я тр ех случаев, в которы х соответственно учиты ва­
л и с ь : 1) с к о р о с т ь в е т р а и т и п п о г о д ы ( я с н о , о б л а ч н о , д о ж д л и в о ) ,
2) толь к о ск ор ость ветра, 3) толь к о тип погоды ; д л я четвертого
с л у ч а я н е у ч и т ы в а л и с ь ни т и п п о г о д ы , ни с к о р о с т ь в е т р а .
Таблица 4.8
Ошибки прогноза
Случай
Метрика
2
3
2221
2131
2013
2020
JN
0,891
0,854
0,811
0,814
*I
0,450
0,431
0,401
0,409
1
4
Н а основе данны х и зм ерен ий в Токио оц ен и валась т а к ж е точ­
н о с т ь п р о г н о з а к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с и в к о н к р е т н ы й с р о к 13 ч
(табл . 4 .9 ).
4.2.3.
И сп ользован и е л и ней н о-логари ф м и ческ ой регрессии. В р а ­
ботах Х ош еле
(H o sc h e le, 1 96 5),
Брингф елта
(B r in g fe lt, 1971),
К асп ш и ц к и (K a sp sz y c k i, 197 1 ), Ч а н д л е р а (C h a n d ler, 1978) и др.
при и сп ол ь зован и и м етодов м н о ж ест в ен н о й регр есси и к оррел я ц и ­
онны е соотн ош ен и я устан авл и в ал и сь дл я л огар и ф м а концентрации
п р и м е с и и с х о д я из т о г о , что р а с п р е д е л е н и е к о н ц е н т р а ц и й обы ч н о
бли зк о к л огн ор м альн ом у. Б р и н гф ел т (B r in g fe lt, 1971) и сп ользо­
вал дан н ы й м етод дл я прогноза ср ед н и х конц ентраций S O 2 в Сток­
гольм е в зи м н ее врем я и п р е д л о ж и л на этой основе предикторы
неблагоприятны х условий погоды . К оэф ф и ц и ен т корреляции соста­
в и л 0 ,8 3 .
К аспш иц ки (K a sp szy ck i, 1971) р а зр а б о т а л сх ем у статистиче­
ского п р о г н о за за п ы л ен н о сти в о з д у х а с и сп о л ь зо в а н и ем м а т е р и а ­
лов и з м е р е н и й с р е д н е с у т о ч н ы х к о н ц ен т р а ц и й пы ли на сет и ст а н ­
ций в П о л ь ш е. В к ач ест в е п р ед и к та н т а взяты л о га р и ф м ы конц ент­
раций, а п р еди к тор ов — кол ичество вы п авш их за сутки осадков,
скорость призем ного ветра, вы сота ни ж н ей границы инверсион­
ного с л о я (при п р и з е м н о й и н в ер си и эт а в ы сот а п р и н и м а ет ся р а в ­
ной 0 ) . А в т о р о т м е т и л , что с о г л а с о в а н и е п р о г н о с т и ч е с к и х и ф а к ­
тических конц ентрац ий в д а н н о м сл у ч а е вы ш е, чем при и сп о л ь зо ­
вании простого уравн ения линейной регрессии без предваритель-
9*
131
Таблица 4.9
Х арактеристика точности прогноза концентрации примесей
Фактические
значения
Прогностические зна­
чения, (100 млн)~>
Г5 5*
2а
£в
&S
Предикторы
Сроки изме­
рения предик­
торов, ч
к3
Ох
Ох
NOa
so2
Ox, NO, N 0 2
CO, S 0 2
СО
Ox
Ox, NO, NOa
CO, s o 2
so2
Ox, NO, N 0 2
CO, s o 2
8, 9, 10,
11, 12
8, 9, 10,
11, 12
8, 9, 10,
11, 12
8
10
12
8, 9, 10,
11, 12
8
8
10
12
Доверитель­
ный интервал
стан­
сред­ дартное
откло­
нее
нение
среднее
стандарт­
ное откло­
нение
13,68
4,98
12,80—14,56 13,85
14,00
2,90
13,49—14,51
13,55
4,28
13,44—13,66
13,54
13,83
14,03
2,69
0,64
0,96
2,44
3,23
13,43—13,65
13,66—14,00
13,60—14,46
2,12—3,26
2,98
8,82
9,10
8,53
0,71
2,41
3,24
4,40
2,86—3,10
8,39—9,24
8,52—9,68
7,75—9,31
4,56
2,81
1,65
8,25
5 ,4 2
ного п р еобр азов ан и я (коэф ф ици енты корреляции со ста в л я ю т с о о т ­
ветствен н о 0 ,6 4 и 0 ,5 8 ) .
В р а б о т е Н ю эл л а и И в еса (N e w a ll, E a v e s, 1962) рассм отр ен ы
связи только м е ж д у скоростью ветра и ср едн есуточ н ой к о н ц ен тр а ­
цией сернистого газа в Л он дон е,
осредненной
по
материалам
12 п у н к т о в . П р и о б р а б о т к е д а н н ы х и с к л ю ч а л и с ь д н и с о с а д к а м и .
Х ё ш е л е (H o s c h e le , 1965) п ол уч и л к о р р е л я ц и о н н о е у р а в н е н и е д л я
у с л о в и й г. К а р л с р у э ( Ф Р Г ) с и с п о л ь з о в а н и е м д в у х п р е д и к т о р о в :
с к о р о с т и в е т р а и в е л и ч и н ы 0 , 2 5 — Т, г д е Т — т е м п е р а т у р а в °С .
К оэф ф ициент множ ественной корреляции м еж д у л огариф м ом с у ­
точной к он ц ен т р а ц и и S 0 2 и п р е д и к т о р а м и со с т а в и л 0,81.
И с сл ед о в а н и я М а р ч а и Ф о ст ер а (M arch , F o ste r , 1967) бы л и
постр оены на м а т е р и а л а х н а б л ю д е н и й в а н г л и й с к о м г о р о д е Р е ­
ди н г с и сп о л ь зо в а н и ем о с р е д н е н н ы х по 4 0 пу н к та м ш е с т и ч а с о в ы х
концентраций сернистого газа. Они р ассм отр ел и т а к ж е некоторы е
м етеорологические предикторы , в том числе характеристики в ер ­
тикального и горизонтального тур булен тн ого обм ен а, а т а к ж е о б ­
лачность.
М етод
логарифм ического регрессионного ан ал и за и сп ол ь зо­
вал ся Э л со н о м и Ч а н д л е р о м (E ls o n , C h a n d ler, 1978) д л я п р о г н о за
ср ед н есуточ н ы х к онц ентрац ий пыли и д в у о к и си серы . В к а ч еств е
исходны х
данны х
принималисьрезультаты
наблю дений
на
132
66 пунктах в М анчестере и 20 пунктах в Н отингем е. Ф орм ула для
расчета концентрации S O 2 в М ан ч естер е им еет вид
k (24 — Т )0,37^ ’25
Ч =
,.0 ,3 4 г 0 ,11
и
L,о
•
З д е с ь q — ср ед н есу т о ч н а я к о н ц ен тр а ц и я сер н истого газа, оср едн е н н а я п о в с е м у г о р о д у ( м г / м 3) , Т — т е м п е р а т у р а в о з д у х а , и —
с к о р о с т ь в е т р а , Lo — в ы с о т а с л о я п е р е м е ш и в а н и я , q 0 — к о н ц е н т р а ­
ция в п р едш еств ую щ и й день, k — к оэф ф и ц и ен т. Значения м етео­
рологических пар ам етр ов так ж е, как и концентраций, осреднялись
за сутки. К о эф ф и ц и е н т к о р р ел я ц и и м е ж д у расчетны м и и ф акти че­
ск и м и д а н н ы м и д о с т и г а л 0,8 9. П о г р е ш н о с т ь п р о г н о з а м е т о д о м л и ­
нейн о-л огар и ф м и ч еск ой р егр ессии зн ач и тель н о возр астает в сл у ­
ч а я х б о л ь ш и х к о н ц ен т р а ц и й , что с в я з а н о с н е в о зм о ж н о с т ь ю учета
эф ф ектов слабого рассеивания прим есей в застойны х
условиях
и влияния туманов.
П о д в о д я итоги с л е д у е т отм етить, что получен н ы е на основ е
м нож ественной линейной
р егр есси и связи м е ж д у загрязнением
воздуха и м етеорологическим и п а р а м етр а м и не всегда достаточно
тесны е, п оскольку одн и и те ж е у сл о в и я погоды могут оказы вать
разное воздействие в зависим ости от п арам етров и разм ещ ения
источников. К т о м у ж е х ар ак тер р еа л ь н ы х св я зей имеет в общ ем
случае нелинейны й характер.
4.3. Фильтрация случайных процессов
П ри развитии м етодов прогн оза
загрязнения
воздуха сущ е­
ственное значение п р и обр етает и скл ю ч ение из исходной и н ф ор м а­
ции и и с с л е д у е м ы х п р о ц ессо в с л у ч а й н ы х э ф ф е к т о в . Э то св я за н о
не т о л ь к о с н е о б х о д и м о с т ь ю у ч е т а б о л ь ш о г о ч и сл а н ед о с т а т о ч н о
о п р е д е л е н н ы х ф а к т о р о в , но и с т е м , ч т о ч а с т ь и з н и х ( н а п р и м е р ,
трансф орм ация примесей, взаим одействие прим есей с подстилаю ­
щ е й п о в е р х н о с т ь ю и т. п .) н е р е д к о с о в с е м н е п р и н и м а ю т с я в о в н и ­
мание.
Всегда
и м ею т ся и с л у ч а й н ы е п о гр еш н о сти изм ерен ий.
В п рогн ози руем ы х величинах всл едстви е ук азан н ы х эф ф ектов со­
зд а е т с я некий случай н ы й фон или «ш ум ». Ф и льтрация (и ск лю че­
н и е) ш ум ов д о л ж н а , естествен н о, повы сить достоверн ость и оправд ы в а е м о с т ь п р огн озов . В ц е л я х т а к о й ф и л ь т р а ц и и при р а с с м о т р е ­
нии с л у ч а й н ы х п р о ц е с с о в в с о в р е м е н н о м с т а т и ст и ч е с к о м а н а л и зе ,
в ч астн ости в и ссл ед о в а н и я х по автом ати ч еск и м систем ам конт­
р о л я , р а з в и т р я д п р и е м о в . Н е к о т о р ы е и з н и х б ы л и д о л о ж е н ы на
М еж дунар одном сим позиум е в Киото
(Я п он и я ),
состоявш емся
в 1 9 7 7 г. и н а с о в е щ а н и и в М е ж д у н а р о д н о м и н с т и т у т е п о с и с т е м ­
н о м у а н а л и з у в Л а к с е н б у р г е ( А в с т р и я ) в 1 9 7 9 г.
4 .3 .1 .
М етоды оптим альн ой ф и л ьтрац и и К ол м огор ов а и В инера.
В р я д е р а ссм о тр ен н ы х вы ш е р а б о т , и сп о л ь зу ю щ и х , в частности,
м етод авторегрессии, статистический прогноз загрязнения воздуха
о су щ е с т в л я е т с я по д а н н ы м о п р е д ш е с т в у ю щ е м х о д е к онц ентрац ии
примеси. Д л я вы яснения в о зм о ж н о ст ей так ого п одхода, вклю чая
133
оц ен к у д о с т и ж и м о й за б л а г о в р ем ен н о ст и п р о гн о за при за д а н н о м
уровне ош ибки, а т а к ж е точности прогн оза в зав и си м ости от х а ­
рактеристик изм ен ения конц ентрац ии, бельгийским учены м К окю
(C ocq u yt, 1978) бы л прим енен м ет о д
фильтрации
шумов. П ри
э т о м в к а ч е с т в е и с х о д н о й и н ф о р м а ц и и и с п о л ь з о в а л и с ь не д а н н ы е
ф а к т и ч е с к и х н а б л ю д е н и й , а с т о х а с т и ч е с к а я м о д е л ь и х , что п о з в о ­
лило контролировать и изм енять
характеристики исследуем ого
процесса.
В р а б о т е К ок ю д о п у ск а ет ся , что р а ссм а т р и в а ем ы й
процесс
м о ж н о п р е д с т а в и т ь к а к р е з у л ь т а т ф и л ь т р а ц и и б е л о г о ш у м а , т. е.
ш у м а с н у л ев ы м с р е д н и м з н а ч е н и е м . К р о м е т о го , п о л а г а е т с я , что
рассм атриваем ом у процессу свойственно наличие трех х а р ак тер ­
ных м а сш т а б о в вр ем ен и или соответств ен н о о п р е д е л я е м ы х ими
т р ех ч астей при его сп ек т р а л ь н о м р а з л о ж е н и и .
П оэтому доста­
точно ограничиться ф и л ьтр ам и не вы ш е третьего п ор я дк а. П р о г н о з
такого п р оц есса достаточн о эф ф ек ти в н о м о ж е т быть осу щ ест в л ен
на основе теории оптим альной ф ильтрации, р а зр а б о т а н н о й К о л м о ­
г о р о в ы м и В и н е р о м . С о г л а с н о э т о й т е о р и и п р и н и м а е т с я , ч то с и г н а л
x( t ) , п о л у ч е н н ы й п р о п у с к а н и е м б е л о г о ш у м а ч е р е з ф и л ь т р т р е т ь ­
е г о п о р я д к а , т. е. м о д е л и р у ю щ и й с л у ч а й н ы й п р о ц е с с и з м е н е н и я
концентрации,
п ост у п а ет на в х о д
«прогностического
фильтра»
( и м п у л ь с н а я п е р е х о д н а я ф у н к ц и я к о т о р о г о о б о з н а ч а е т с я а»0 ( 0 ) За д а ч а состоит в п одборе ф ункции ш о ( 0 , обесп ечи ваю щ ей м ини­
м и зац и ю о ш и бк и e ( t ), р авн ой р а зн о с т и м е ж д у п р огн ости ч еск и м
з н а ч е н и е м к о н ц е н т р а ц и и и е е о ж и д а е м ы м з н а ч е н и е м d{ t ) . К а к
показано К олм огоровы м и В инером , минимум ср едн его к в адрата
о ш и б к и e 2 (t ) д о с т и г а е т с я в т о м с л у ч а е , к о г д а эд0 ( 0 у д о в л е т в о р я е т
интегральному уравнению В и н ер а — Х оп ф а
оо
j
Ухх (и — v) w 0 (v) dv = y xd (и)
(4.7)
— oo
для всех
0. З д е с ь ф х х (т ) — а в т о к о р р е л я ц и о н н а я ф у н к ц и я с и ­
г н а л а x ( t ) , <p*dC0— к р о с с к о р е л я ц и о н н а я ф у н к ц и я с и г н а л о в x( t )
и d( t ) . И с к о м а я ф у н к ц и я wo(t )
должна
удовлетворять т ак ж е
условию ф изической р еал и зуем ости
w 0 (v) = 0
при
v < 0,
( 4 .8 )
в р е з у л ь т а т е чего и н т е г р а л в ( 4 .7 ) м о ж н о сч и т ат ь р а с п р о с т р а н е н ­
ны м т о л ь к о н а о б л а с т ь (0, сю ).
Р е ш е н и е и н т е г р а л ь н о г о у р а в н е н и я ( 4 .7 ) с у с л о в и е м ( 4 . 8 ) , п о ­
лученное м етодом ф актори зац и и , им еет вид
<Рхх (S )
L
J
г д е r ^ o (s ), cpxd ( s ) , <pxx(s)— п р е о б р а з о в а н и е Ф у р ь е
соответствую ­
щ и х ф у н к ц и й о т t. Ф у н к ц и я Ф+ ( s ) , н а п р и м е р , о п р е д е л я е т с я т а к ,
чтобы она
134
была
аналитической
функцией
ком плексного
перем ен-
кого s, все п о л ю с а и н ули к от о р о й р а с п о л о ж е н ы в л ев о й п о л у ­
п л о с к о с т и ( д л я 9 Jx ( s ) — в п р а в о й п о л у п л о с к о с т и ) , и ч т о б ы о т н о ш е ­
н и е ф+х ( s ) / ( p “ x (s) д а в а л о ф у н к ц и ю cpXx ( s ) . А н а л о г и ч н о с о м н б ж и тель
в
квадратны х
скобках
обозначает
часть
функции
Wxd(s)lq>-x {s ) , н у л и и п о л ю с а к о т о р о й л е ж а т в л е в о й п о л у п л о с к о ­
ст и. С о о т н о ш е н и е
(4 .9 )
м о ж ет быть т а к ж е п ер еп и сан о в виде
ч ы (s)
G (-s)
w° w = - G h ~ LF'
(4 .1 0 )
где G ( s ) — п ер ех о д н а я ф ункция ф и л ьтра, L — сим вол п р е о б р а з о ­
в а н и я Л а п л а с а , F~l — с и м в о л п р е о б р а з о в а н и я Ф у р ь е .
М е р о й п р е д с к а з у е м о с т и п р о ц е с с а я в л я е т с я в е л и ч и н а г2, к о т о ­
рая о п р е д е л я е т с я по ф о р м у л е
1 _ о 2 /< &
г д е а2
х — д и с п е р с и я с и г н а л а х,
щ ей при и с п о л ь зо в а н и и
з а т ь , что
(4 .1 1 )
aJ — д и с п е р с и я о ш и б к и , в о з н и к а ю ­
прогностического ф ильтра. М ож н о
г2 =
ф ( 0 ) / ф х х (0),
пока­
(4 .1 2 )
где
со
J f (t)f(t +
< Р (*)=
—
t)rft,
(4 .1 3 )
00
a
=
(4 .1 4 )
где G ( 5 ) — п р е о б р а зо в а н и е Ф ур ь е п ер ех о д н о й
функции фильтра
процесса.
С л е д о в а т е л ь н о , ф у н к ц и я ф (т) в (4.13) я в л я е т с я а в т о к о р р е л я ­
ционной ф ун к ц и ей д л я f( t ) . П о д с т а н о в к а (4 .1 3 ) в (4 .1 2 ) д а е т
оо
r2 = - j r j
(4-15)
Е с л и о б о з н а ч и т ь ч е р е з А к о э ф ф и ц и е н т о с л а б л е н и я (н а н у л е в о й
частоте) для ф ильтра третьего п ор я дк а, а сам этот фильтр п р е д ­
ставить в ви де су п е р п о з и ц и и т р е х ф и л ь т р о в п ер в о го п о р я д к а с п о­
с т о я н н ы м и в р е м е н и s\, S2 и S 3, т о п р и в р е м е н и п р о г н о з а td п р о ­
цедура вы числений б у д е т состоять из с л е д у ю щ и х четы рех ш агов.
П ервы й ш а г со ст о и т в н а х о ж д е н и и F - ‘ [ о + » ;,) о Т ^ Н 1 + . , . > ]
В результате с л е д у е т
МО
л \ *' 6
L
(Si —
X
1
S2)
(Si —
1
1
S3)
I
^
*г е х р ( - - ^ Г - )
(S2 —
S3)
(s2 —
si)
!
"*
S3 exp
(S3 — sSi)
i ) ( s 3 — S2)
s 2) J *
(4.1 6 )
135
Второй ш аг
л а с а о т f(t):
заклю чается
в вы полнении
*'е*К— £ )
L [ f (*)]=» Л
(S i
— s2)
(S i
— s3) (1
преобразования
,
+
5' ехр (— £■)
(s2 — s3) (s2 —
Sis)
(1 - f s2s)
S i)
h sL _ T
4 exP (—■
— Sa)
s2) (14(Ss — S i ) . ( s 3 —
( l + ss3
3s)
Т ретий
ш аг — определение
Л ап­
переходной
”•
(4.17)
J ’
функции
H( s )
опти­
м а л ь н о г о п р е д и к т о р а Н (s) = — — j L [f ( f ) ] :
H (s) — s, s 2s 3s 2
. (Si
—
s2) (st —
S
3
(s 2 —
'
)
S
3
)
:(s2+ s 3) r i
S3r3
(s2 — s3) (s2 — Si)
(s3— Si) (s3■—= s2)
£ ) " ]J + 4 |_‘ (Si — S2) (Si — s3)
S 3 (( S l1 “Ь
, Г_________Slr
Г
S l r 1l
Sl
+ S2 )) r 3
]1 ■
(s3 —
S2)
n L (S1
— S2)
s 2 ) ((s« Il
— Si)
S i ) ((s3
S3 —
— S
2 ) jJ "■
(S1 —
—
(s2 — s ,)
s2 (s3 + si),
s3)
,
S2r 2
1
(s2 — s3) (s2— s,)
+
'
(4 -1 8 )
где
r, =
e x p (—t d/ s {),
r 2 = e x p ( — t d/s 2),
r3 =
e x p ( — td/s3).
(4 .1 9 )
Н а ч е т в е р т о м ш а г е в ы ч и с л я е т с я п р е д с к а з у е м о с т ь г2 п о ф о р м у л е
(4 .1 5 ). П р и этом
г
0,5А2
—
(S1-
s 2f ( s 2 -
s 3)2 ( s 3 -
s l)2 И
(s2 -
ss)2 4 +
+ 4 (S1 - *з)2 4 + sl (S( - s2f 4 ]
___________________________________________________ 2 A * ___________________________________________________
,
w
w
, Г Ф а '/ г
( s , - s 2) (s2 — s3) (s3 - s i )
3 — 5 •+
[_ S 1 — s 2
(4.20)
s p | r 2r 3
s ls ? r3ri 1
-2
2- ' + " Г - ~ 2s2 — s3
s3
S1 J
К а к с л е д у е т из (4 .1 8 ), п р огн ости ч еск и й ф ильтр В и н ер а л и неен
и в рассм атриваемом случае имеет вид
H (s) =
A 2 (su
s 2, s 3, t d)
s 2 - f A i (si, s 2, s 3, t d ) s -j- A o (s
,,s2, s3,
t d ).
(4.21)
Э т о о з н а ч а е т , что при п р о г н о з е , к р о м е с а м о г о с и г н а л а , и с п о л ь ­
зую тся только его первая и вторая производны е. Г раф ики зав и си ­
м о с т и ф у н к ц и й Л о, А\ и А 2 о т t d м о г у т б ы т ь п о с т р о е н ы д л я л ю б ы х
136
з н а ч е н и й s 1, s 2 и s 3 и с о п о с т а в л е н ы с а н а л о г и ч н ы м и к о э ф ф и ц и е н ­
тами д л я параболи ческ ого ф ильтра
где
Р(8)= B 2s2 + B,s+
Bi=tdiB0=l.
Во,
(4 .2 2 )
Ф и л ь т р P ( s ) в ы б р а н и з у с л о в и я « п а р а б о л и ч н о с т и » , т . е. д о л ­
ж е н , к а к и H ( s ) , о п и с ы в а т ь с я п о л и н о м о м в т о р о й с т е п е н и п о s,
причем к о эф ф и ц и ен ты эт о го п о л и н о м а о б есп еч и в а ю т со в п а д ен и е
А2 вг
Рис. 4.11. Зависимость предсказуемо­
сти г2 от срока прогноза td. (при S\ =
срока прогноза td/ — фильтр
Винера,
2 — параболический
фильтр.
—S3 —1) •
Кривая. . .
12
3
4
s 2 ................ 0,99 0,70 0,50 0,30 0,10 О
56
дл я м ом ен т а ^ = 0 как ф ак ти ч еск ого и прогностического сигналов,
так и их первы х и вторы х п р о и зв о д н ы х . И н а ч е говоря, фильтр
H( s ) о б е с п е ч и в а е т н а и л у ч ш у ю с р е д н е к в а д р а т и ч е с к у ю а п п р о к с и м а ­
ц и ю , a P ( s ) — н а и л у ч ш у ю а п п р о к с и м а ц и ю в точ к е. Н а р и с. 4 .1 0
п р и в е д е н а з а в и с и м о с т ь ф у н к ц и й Л 2 и В 2 о т td п р и s i = 16, s 2 = 2 0
и s 3 = 25.
И з анализа
аналогичны х
графиков
д л я Л 0 и B Q в и д н о , что
в ви н еровском ф ильтре влияние си гн ал а на р езу л ь та т пр огн оза
по м е р е у в е л и ч е н и я з а б л а г о в р е м е н н о с т и у м е н ь ш а е т с я в о т л и ч и е
от п ар абол и ч еск ого фильтра P( s ) , в котором при лю бой за б л а г о ­
врем ен ности сигнал играет одн у и ту ж е роль. В ли яни е первой
п р ои зв од н ой при и сп ол ь зов ан и и P { s ) р а ст ет линейно. В сл уч ае
винеровского ф ильтра кривая дл я
п р и м а л ы х td и м е е т т а ­
кой ж е н а к л о н , о д н а к о пр и у в е л и ч е н и и td д о с т и г а е т м а к с и м у м а
и п р и д а л ь н е й ш е м р о с т е td с т р е м и т с я к н у л ю . Н а и б о л е е з н а ч и ­
т е л ь н о е р а з л и ч и е о к а з ы в а е т с я м е ж д у A 2{td) и B 2{td). В с л у ч а е
P( s ) в л и я н и е в т о р о й п р о и з в о д н о й в о з р а с т а е т с р о с т о м td к а к
137
/2 /2 .
Кривая для Л 2(^ )
только вн ачале близка к В 2( ^ ) , а потом
дости гает м ак си м ал ь н ого знач ен и я и асим птотически стремится
к нулю.
Р е з у л ь т а т ы р а с ч е т а з а в и с и м о с т и п р е д с к а з у е м о с т и г 2 о т td п р е д ­
с т а в л е н ы н а р и с . 4 .1 1 . И з п р и в е д е н н ы х к р и в ы х , а т а к ж е р е з у л ь л
S 1 + S2 + S 3
-------- --------- п р е д ­
татов д р у г и х р а сч ет о в с л е д у е т , что при
с к а з у е м о с т ь м а л о о т л и ч а е т с я о т 1 , а п р и д а л ь н е й ш е м у в е л и ч е н и и td
Si -{- So -f- S 3
она начинает
убы вать.
При
-------- 2 ---------предсказуем ость
б л и зк а к 0 ,8 0 (н ес к о л ь к о м е н ь ш е о н а в с л у ч а е , есл и к ак и е-то из
к о н с т а н т Si, s 2, S 3 р а з л и ч а ю т с я н а п о р я д о к и б о л е е ) , а д а л ь н е й ш е е
увел и ч ен и е за б л а г о в р ем ен н о сти п р о гн о за с о п р о в о ж д а ет ся резким
у б ы в а н и е м г2.
Д л я г р у б ы х о ц е н о к м о ж н о п р и б л и ж е н н о с ч и т а т ь , что г 2 = 0 , 9 5
при
td =
S ‘ + S2 + ?3 ; Г2 - = 0 , 9
о
S 1 + S2 + S 3
н = --------- --------.
При
2 , 3 ) з н а ч е н и ю td =
при
<d = i i ± £ i ± £ i -
знач и тельном
4
различии
„
г 2 = 0 ,8
величин
s,-
при
(1
=
л
1,
— с о о т в е т с т в у е т г 2 = 0 ,8 .
Н ек о т о р ы е резул ь таты м о д е л и р о в а н и я на Э В М случайного п р о ­
ц е с с а и з м е н е н и я к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с и , о с н о в а н н о г о на п р и м е н е ­
нии ф и л ьтра треть его п о р я д к а и п р о г н о за эт о го п р о ц есса с и сп о л ь ­
зованием разл ичн ы х ф ильтров, п р едставл ен ы графически. В о всех
с л у ч а я х з а б л а г о в р е м е н н о с т ь с о о т в е т с т в о в а л а п р е д с к а з у е м о с т и 0 ,9
и л и в ы ш е , т. е. в ы б и р а л о с ь td = 'Z Si/4 и л и k = Z ) s , 7 5, а п о с т о я н ­
н ы е в р е м е н и п р и н и м а л и с ь : s i = 16, S 2 = 2 0 , S 3 = 2 5 . И з - с о п о с т а в л е ­
ния м о д е л ь н о г о п р о ц е с с а и р е з у л ь т а т о в его п р о г н о з а с п о м о щ ь ю
винеровского ф ильтра при /d = 1 0 и / d = 1 5 видно, как м еняется
к а ч е с т в о п р о г н о з а п р и у м е н ь ш е н и и п р е д с к а з у е м о с т и о т 0 ,9 5 д о 0,9 .
П оск ольку К окю анализировал ситуацию , когда прогноз з а ­
грязнения во зд у х а д а ет ся без использован ия добавочной м етео­
р ологи ческой и н ф ор м ац и и , его р езу л ь т а т х а р а к т ер и зу ет м ак си м ум
в о з м о ж н о г о , что м о ж н о п о л у ч и т ь с и с п о л ь з о в а н и е м т о л ь к о в н у т ­
ренней связности п р оц есса изм ен ен и я за г р я зн ен и я воздуха.
Д л я реальны х ф лук туаци й к онц ентрац ии примеси в течение с у ­
т о к в г о р о д е , с о г л а с н о п р и в е д е н н ы м в п. 4.1 д а н н ы м З а й ц е в а
( 1 9 7 3 ) , х а р а к т е р н ы е в р е м е н а с о с т а в л я ю т 3 м и н , 2 0 м н н п 8 ч (с м .
рис. 4 .7 ). П о с к о л ь к у р а зл и ч и е м е ж д у эт и м и в р е м е н а м и весьм а в е ­
л и к о , т о п р е д с к а з у е м о с т ь г 2 = 0,8 д о л ж н а с о о т в е т с т в о в а т ь з н а ч е ­
н и ю * < /= —
£ S/, т а к ч т о td = 2 ч — в е р х н и й п р е д е л з а б л а г о в р е м е н ­
ности дл я та к и х п р огн ости ч еск и х схем .
У р а в н е н и е В и н е р а — Х о п ф а и с п о л ь з у е т с я т а к ж е пр и ф и л ь т р а ц и и
ш умов для разработк и м етода прогноза загрязнения воздуха по­
средством представления врем енного р я да
концентрации с по­
138
мощ ью уравнения авторегрессии
проинтегрированного
скользя­
щ его ср едн его (сок ращ ен н о A R IM A — от A u to R e g r e ssiv e In te g r a ­
t e d M o v i n g A v e r a g e ) . Э т о т с п о с о б , у п о м я н у т ы й в п. 4 . 2 . 2 , б ы л р а з ­
работан Б оксом и Д ж ен к и н со м (1974) и использован в ц ел ях ан а­
л и за и п р огн оза и зм ен ен и й к о н ц ен тр ац и и п р и м еси в р а б о т а х М ерца'
(M erz, 1 9 7 2 ), М а к К о л и с т е р а и В и л ь со н а (M c C o lliste r , W ilso n ,
1 9 7 5 ) , Ч о к а и д р . ( C h o c k e t a l., 1 9 7 5 ) , а т а к ж е в с т а т ь я х С о е д а
( S o e d a , 1 9 7 9 ) , Ф р о н з а и д р . ( F r o n z a et a l., 1 9 7 9 ) , С а в а г е р и и д р .
( S a w a g e r i e t a l., 1 9 7 8 ) .
4 .3 .2 .
Ф и л ь т р К а л м а н а . В р я д е п о с л е д н и х р а б о т по п р о г н о з у
загр я зн ен и я в о зд у х а д л я исклю чения ш ум ов исп ол ьзуется фильтр
К а л м а н а ( K a lm a n , 1 9 6 0 ). П р и м е н е н и е его т а к ж е , как и ф и л ь т ­
р а ц и я ш у м о в , р а с с м о т р е н н а я в п. 4 . 3 . 2 , п о с у щ е с т в у о т н о с и т с я
к схем ам линейной регрессии. Д о ст о и н ст в о фильтра К ал м ан а з а ­
клю чается в возм ож н ости учета ош ибок изм ерений и статистиче­
ского м о д е л и р о в а н и я чер ез х а р а к т ер и ст и к и ш у м а систем ы , с о к р а ­
щ ения р а зм ер н о ст и м о д ел и за сч ет п р о гн о за к он ц ен тр ац и и п р и м е­
сей, у д о б с т в а ч и сл ен н ой р е а л и з а ц и и а л г о р и т м а на Э В М . С о г л а с н о
работе С оеда (S o ed a , 1979), в простей ш ем сл уч ае, когда прогно­
зирую тся и изм еряю тся одни и те ж е эл ем ен ты , используется ис­
ходная статистическая м одель п р оц есса в виде
x ( k ) — A (k, k — l ) x { k — \) + b { k — \) + u { k — 1),
у (k) = x (k) — v (k),
(4 .2 3 )
где y ( k ) — вектор и зм ер ен и я п р о ц есса x( k) .
У рав н ен и е (4 .2 3 ), сх о д н о е с (4 .4 ), и сп ол ь зов ан о в той ж е р а ­
боте С о е д а при и зл о ж е н и и м е т о д а м н о ж е с т в е н н о й р егр есси и . О т ­
л и ч и е у р а в н е н и я (4 .2 3 ) с о с т о и т в т о м , что в н е г о в в е д е н ы д о б а ­
в о ч н ы е ч л е н ы u( k — 1) и v ( k ) — n - м е р н ы е н е з а в и с и м ы е в е к т о р ы
« ш у м а » с н у л е в ы м с р е д н и м , т. е. « б е л о г о ш у м а » , х а р а к т е р и з у е м ы е
к о в а р и а ц и о н н ы м и м а т р и ц а м и с о о т в е т с т в е н н о Q (k) и R ( k ) .
П р о г н о с т и ч е с к о е у р а в н е н и е х (k) д л я k-ro ч а с а н а т ч а с о в в п е ­
р е д с о в п а д а е т по ф о р м е с и с п о л ь з о в а н н ы м в ы ш е у р а в н е н и е м ( 4 . 5 ) .
Оно т а к ж е им еет вид
£ ( k \ k — т) = A( k , k — т) £ (k — т \ k — т) +
k
+
2
Л{ к , j ) b ( j - l ) ,
j = k—tn+ 1
но ф и л ь т р о в а н н ы е
фильтра К ал м ана:
*
(«10 =
значения
л (/
x(i\i)
11 - 1) +
р ( i \ i ) = p (l\l -
получаю тся
с
применением
к ( 0 [у ( 0 — * (i \ i — 1)],
I) - k ( i ) p ( i \ i -
1),
k ( 0 = P (t | i — 1) [P (I I i — 1) + H ( 0 ] - ' ,
£ (l\i
P (I | i -
(4.24)
(4.25)
— 1) = Л ( / , i — \ ) X {I — 1 \ i — l ) + ft (<—1),
1) = A (i, I -
1) P (i -
1|i _
1) A T (i | £ -
1) + Q(i — 1),
139
где
P{i \ j )
означает
ковариационную
матрицу
ош ибок
оценки
x{ i \ j ) .
П р ов ер к а р езул ь татов прогн оза п р ов оди л ась по данны м и зм е­
р е н и й с о д е р ж а н и я в в о з д у х е О х , С О , S O 2, N 0 и N O 2, п р и ч е м
в качестве предикторов исп ол ьзовал и сь конц ентрац ии некоторы х
из эти х прим есей. Д л я оценки погр еш н ости п р огн оза прим енялась
метрика
24
r_
1
f \\x(k)-*(k\k-m)\r]
V
24
j "
О дн оврем енно оцени валась погреш ность
и н ер ц и он н ого прогноза,
к о гд а с о х р а н я л и с ь и с х о д н ы е зн а ч е н и я п р о г н о зи р у е м ы х величин.
Д л я н его о к а з а л о с ь / = 0,628. П о л у ч е н н ы е р езу л ь т а т ы д л я сл у ч а я
и с п о л ь з о в а н и я р а з л и ч н ы х п р е д и к т о р о в д а н ы в т а б л . 4 .1 0 , из к о ­
т о р о й с л е д у е т , что п р и м е н е н и е ф и л ь т р а К а л м а н а в е д е т к у м е н ь ­
ш ен и ю п огр еш н ост и по с р а в н ен и ю с и н ер ц и он н ы м п р огн озом почти
в два раза.
Таблица 4.10
Результаты проверки прогноза
Предикторы
Ох
со
S02
N0
N 02
J
0,380
0,339
0,418
0,347
0,325
Предикторы
о * . s o 2, с о
О х , СО, NO
О х , S 0 2, NOo
NO, N 0 2
j
0,331
0,490
0,436
0,325
Н а и б о л ь ш а я п р о г н о с т и ч е с к а я т о ч н о с т ь д о с т и г а е т с я пр и и с п о л ь ­
з о в а н и и в к а ч е с т в е п р е д и к т о р а т о л ь к о О*. У в е л и ч е н и е к о л и ч е с т в а
р е г и с т р и р у е м ы х п р и м е с е й , к а к в и д н о , не в с е г д а п р и в о д и т к у л у ч ­
ш ению результатов прогноза.
С опоставление полученны х погреш ностей с результатам и про­
г н о з а по б о л е е п р о с т ы м
стати сти ч еск и м м о д ел я м , в частности,
у к а з а н н ы м в п. 4 .2 , п о з в о л я е т с д е л а т ь в ы в о д , что в в е д е н и е ф и л ь т р а
К ал м ан а повы ш ает точность прогноза.
В р а б о т е Ф р о н з а и д р . ( F r o n z a e t a l., 1 9 7 9 ) т а к ж е д е л а е т с я
в ы в о д , что и с п о л ь з о в а н и е ф и л ь т р а К а л м а н а п о з в о л я е т с н и з и т ь
п о г р е ш н о с т и р а с с м о т р е н н о г о в п. 3 . 5 ч и с л е н н о г о м е т о д а п р о г н о з а
з а г р я з н е н и я в о з д у х а , п р е д л о ж е н н о г о Р у н к а и д р . ( R u n c a e t a l.,
1979). О д н а к о р е а л и за ц и я а л го р и тм а ф и л ьтра К а л м а н а св я за н а
с д о в ол ь н о бол ьш и м и за т р а т а м и в р ем ен и счета на Э В М .
140
4.4. Применение метода разлож ения на естественные
ортогональные функции
При анализе случайны х полей в различны х м етеорологических
исследованиях А. Н. Б агрова, А . М . О бухова, М . И. Ю дина и др,
э ф ф е к т и в н о и с п о л ь з у е т с я “м е т о д р а з л о ж е н и я
на ортогональны е
функции. Э тот м е т о д состои т в п о ст р о ен и и си стем ы н есл уч ай н ы х
о р т о г о н а л ь н ы х ф у н к ц и й ср*, п о з в о л я ю щ и х с н а и м е н ь ш е й с р е д н е й
квадратической погреш ностью ап прок сим ировать отклонение кон­
ц е н т р а ц и й q ( x , t) о т с р е д н е г о з н а ч е н и я q ( x ) , я в л я ю щ е е с я ф у н к ­
цией совок уп н ости к о о р д и н а т х и в р ем ен и t :
N
q {х, t) = q{ x) +
2
( 0 9ft (*)•
2=
(4.2 6 )
1
При определенном
вы боре
коэф ф ициентов
ak(t ) д и сп ер си ю
п о л я q (х, t) м о ж н о о п и с а т ь л у ч ш е , ч е м с п о м о щ ь ю л и н е й н ы х к о м ­
бинаций д р уги х ф ункций , со ст о я щ и х из т ак ого ж е числа с л а г а е ­
м ы х. В а в и л о в а и д р . ( 1 9 6 9 ) и с п о л ь з о в а л и э т о т м е т о д д л я с т а т и ­
стического а н а л и за д а н н ы х н а б л ю д е н и й з а за г р я зн е н и е м в о з д у х а
в городе. Э ти д а н н ы е в к а ж д ы й конк ретны й ср ок п р ед ст а в л я ю т
собой
совокупность
величин
<?2 , • • • , qN,
соответствую щ их
N пунктам н а б л ю д е н и й . С т а т и с т и ч е с к и е о р т о го н а л ь н ы е или е с т е ­
ственны е ф ункции ф ь(х ) я в л я ю тся с о б ст в ен н ы м и в ек то р а м и к о ­
вариационной
м а т р и ц ы У? = ||riyН п о л я
концентраций. Элементы
этой
матрицы щ п р ед ст ав л я ю т
с о б о й к о в а р и а ц и и qi и
qj 'н а i
и / п у н к та х ( о с р е д н е н н ы е по в р е м е н и ) :
=
(4 .2 7 )
Е с т е с т в е н н ы е ф у н к ц и и ср/г п р и э т о м у д о в л е т в о р я ю т у р а в н е н и ю
=
А-Ф*.
(4 .2 8 )
г д е А* — с о б с т в е н н ы е ч и с л а м а т р и ц ы R. Ф у н к ц и и фь п е р е н у м е р о ­
в а н ы в п о р я д к е у б ы в а н и я с о о т в е т с т в у ю щ и х и м А,*. К о э ф ф и ц и е н т ы
р а з л о ж е н и я а*. н а х о д я т с я п о ф о р м у л е
N
ak (0 =
где q \ { t ) — отклонения
2
i= i
Фkiq'i (t ),
(4 .2 9 )
qi (t ) о т с р е д н е г о з н а ч е н и я qi. А н а л и з п о ­
к а зы в а ет , что у ж е с у м м а п е р в ы х н е с к о л ь к и х ч л е н о в р а з л о ж е н и я
(4.29) п о з в о л я е т д о с т а т о ч н о п о л н о о ц е н и т ь и з м е н ч и в о с т ь и з у ч а е ­
мы х величин. П о с л е д у ю щ и е ч лены , х а р а к т е р и з у ю т м е л к о м а с ш т а б ­
ные ф лук туац и и и си л ь н о за в и с я т от п о г р е ш н о с т е й и зм е р е н и й . И х
отбрасы вание п озв ол я ет отф и л ь тр ов ать ш ум ы и повы сить н а д е ж ­
ность и сх о д н о й и н ф о р м а ц и и . П р и т а к о м п о д х о д е б о л ь ш у ю с о в о ­
купность д а н н ы х н а б л ю д е н и я на сети п ун к тов в г о р о д е у д а е т с я
охарактеризовать всего лиш ь н ескол ьким и первы ми к оэф ф и ц и ен ­
тами разл ож ен и я.
Ч асто бы вает достаточ н о п ол ож и ть
q (* , t) & q (х) - f a , (t) ф, (* ) .
(4 .3 0 )
141
Э т о о з н а ч а е т , что у ж е п е р в а я е с т е с т в е н н а я ф у н к ц и я п е р е д а е т о с ­
новные особен н ости простран ствен н ого пов едения поля концент­
р а ц и и п р и м е с и и о д н о в р е м е н н ы е и з м е н е н и я к о н ц е н т р а ц и и по в с е м у
г о р о д у . П о к о э ф ф и ц и е н т у а\ ( t ) м о ж н о с у д и т ь , в о с к о л ь к о р а з
у в ел и ч и л ся или у м е н ь ш и л с я о б щ и й у р о в ен ь за г р я зн е н и я на р а с ­
с м а т р и в а ем о й сети пунктов. С о о тн о ш ен и е м е ж д у
компонентами
в е к т о р а ф,- ( я ) п о к а з ы в а е т , к а к о т н о с я т с я м е ж д у с о б о й и з м е н е н и я
к он ц ен тр ац и и на р а зл и ч н ы х п у н к та х н а б л ю д е н и й при о д н о в р е м е н ­
ном изм ен ен и и о б щ ег о ур ов н я за г р я зн ен и я атм осф еры .
В о б щ ем сл учае, если в (4 .2 6 ) учиты вается несколько членов
р а з л о ж е н и я , т о п е р в ы й из н и х х а р а к т е р и з у е т т у ч а с т ь о б щ е й и з ­
м енчивости, которая о п р едел я ­
aj
ется одноврем енны м и и зм ен е­
- 0 ,3 ^
0,1 \ А 02 03 0,4
н и я м и у р о в н я з а г р я з н е н и я по
- 0 , 2 Ь
в с е м у г о р о д у , а второй — о с ­
н о в н ы е о т к л о н е н и я от н и х .
Н а рис. 4 .1 2 п р ед ст а в л ен ы
вы численны е
естественны е
ф ункции дл я Свердловска (В а ­
в и л о в а и д р ., 1 9 6 9 ). Р а сч ет ы
Л \н "'-пз
0,4/)$а
*03MJ и'6
п о к а з а л и , что первы й член р а з ­
л о ж е н и я д л я сернистого газа
0,31 Mot'O
содер ж и т м еньш е информации,
z & 'if
\ v l|
(?)
! / / / J -0 ,1
IlltC -M
W'\ \
W
А
0) о
Л
1
Рис. 4.12. Естественные функции раз­
ложения поля концентрации SO2 (а),
N 02 (б ) в Свердловске.
/ — ф|, 2 — ф=, 3 — пункты наблюдений.
чем д л я о к и сл о в а зо т а . Э то, в о з м о ж н о , о б ъ я с н я е т с я тем , что о с ­
новным источником
S 0 2 являю тся вы сокие трубы отдельны х
предприятий. П оэтом у больш ую роль играю т процессы , св я за н ­
ные с н еоднов р ем енны м и зм ен ен и ем уровня загр я зн ен и я а т м о ­
сф еры в г о р о д е и в знач ительной степени описы ваем ы е членам и
р а зл о ж ен и я б о л ее вы сокого поря дк а.
Н а р и с . 4 . 1 3 п р е д с т а в л е н в р е м е н н о й х о д п е р в о г о ai (t) и в т о ­
р о г о a 2 {t) к о э ф ф и ц и е н т о в р а з л о ж е н и я д л я п е р и о д а б о л е е д в у х
месяцев. Д л я о б еи х р а ссм а т р и в а ем ы х прим есей х о д этих к о эф ф и ­
циентов п одобен.
Следовательно,
уровень
за гр я зн ен и я для них
определяется общ им и причинами, вы зы ваю щ им и
одновременное
изм ен ение концентрации прим еси по всем у городу. К оэф ф ициенты ,
х а р а к т е р и з у ю щ и е з а г р я з н е н и е в о з д у х а в ц е л о м по в с е м у г о р о д у ,
с о д е р ж а т в с е б е м е н ь ш е с л у ч а й н о й и н ф о р м а ц и и , ч ем е д и н и ч н ы е
изм ерения конц ентрации на пунк тах н а б л ю д ен и й , и полнее о т р а ­
ж а ю т влияние условий погоды . Д л я второго к оэф ф и ц и ен та а 2 ( 0
с о г л а с н о р и с . 4 .1 3 о т м е ч а е т с я о п р е д е л е н н о е р а з л и ч и е во в р е м е н ­
ном ходе.
142
М ет о д р а зл о ж ен и я по естественны м ортогональны м функциям
д л я а н а л и за и п р о гн о за за г р я зн е н и я в о з д у х а сернисты м газом
и р асп р едел ен и я тем ператур в Б р а ти сл а в е бы л использован в р а ­
ботах Х есек а (H esek , 1974), а д л я а н а л и за п оля концентраций S O 2
в С ен т -Л у и с е — в р а б о т а х П е т е р с о н а (P e te r s o n , 1 9 7 0 ). Н а основе
дан н ого м ет ода был р а зр а б о т а н статистический прогноз средней
по пяти г о р о д а м Б е л ь г и и к о н ц е н т р а ц и и с е р н и с т о г о г а з а в в о з д у х е
(V a n der A u w e r a , 1 9 8 2 ).
Е лек оева и Ч ув аш и н а (1979) применили такой м етод для ана­
л и з а п о л я к о н ц е н т р а ц и и S O 2 по д а н н ы м н е п р е р ы в н о й р еги стр а ц и и
Рис. 4.13. Изменения со временем коэффициентов си (а) и а2 (б) в (4.26) для
S 0 2 (/) и NOa (2).
е е с п о м о щ ь ю а в т о м а т и ч е с к о г о г а з о а н а л и з а т о р а н а 12 п у н к т а х
в Л е н и н г р а д е . З а п е р и о д с д е к а б р я 1971 г. п о ф е в р а л ь 1 9 7 2 г. и с ­
с л е д о в а н ы с р е д н е ч а с о в ы е з н а ч е н и я к о н ц е н т р а ц и й , п о л у ч е н н ы е по
трем д в адц ат и м и н утн ы м и н тер вал ам . П р и
анализе
вы бирались
п е р и о д ы н а б л ю д е н и й 3 7 и 4 3 д н я и и н т е р в а л ы о с р е д н е н и я 1, 3
и 6 ч.
И з а н а л и з а п о л у ч ен н ы х р е зу л ь т а т о в с л е д у е т , что к о эф ф и ц и ­
енты п р и п е р в ы х т р е х е с т е с т в е н н ы х ф у н к ц и я х д о с т а т о ч н о у с т о й ­
чивы и с л а б о з а в и с я т к а к о т о б щ е г о п е р и о д а н а б л ю д е н и й , так и
от в н у т р е н н е г о и н т е р в а л а о с р е д н е н и я .
Вклад
первой
функции
в с у м м а р н у ю д и с п е р с и ю к о н ц ен тр а ц и и S 0 2 с о с т а в и л 4 3 % , вто­
р о й — 15% и третьей— 13%. К ак и в рассм отренной работе В а­
ви ловой и др. (1 9 6 9 ) п ол е п ер в ой е с т е с т в е н н о й ф ун к ц и и о к а за ­
л о сь с х о д н ы м с п о л е м р а с п р е д е л е н и я к о н ц е н т р а ц и и S 0 2 по г о р о д у .
И з сравнения р асп р едел ен и я второй составляю щ ей разлож ения
поля к онц ентрац ии S 0 2 с полем тем п ер атур ы в Л ен и н гр а д е уста­
н о в л е н о и х с х о д с т в о . С л е д о в а т е л ь н о , м о ж н о с д е л а т ь в ы в о д , ч то
эта со ст а в л я ю щ а я с в я за н а с вл и я н и ем х а р а к т е р н ы х д л я города
распределений температуры . Н а основании
анализа
поведения
третьей с о с т а в л я ю щ е й п ол уч ен о, что о н а о п р е д е л я е т с я влиянием
н а п р а в л ен н о го п ер ен о са на ф о р м и р о в а н и е п о л я к он ц ен тр ац и и .
В этой ж е р абот е сравн ивал ись полученны е результаты для
Л ен и н гр ада с ук азан н ы м и выш е дан н ы м и д л я С вердловска и Б ра­
тиславы . В о всех тр ех г о р о д а х в к л а д первой сост ав л я ю щ ей ока­
за л ся н а и б о л ь ш и м (со о тв етств ен н о 43, 4 8 и 5 3 % ) . П о л е второй
143
состав л я ю щ ей дл я Л ен и н гр а д а и Б рати слав ы б о л ее тесно связано
с характером распределения
тем пературы ,
наличием
«острова
тепла» в городе, а для С вердловск а — с направлением переноса
примеси.
А налогичны й а н а л и з был вы п олнен Е лекоевой (1982) дл я о д ­
ного из го р о д о в З а п а д н о й С и би р и . И сп о л ь зо в а л и сь да н н ы е н а б ­
л ю д е н и й з а к о н ц е н т р а ц и я м и S O 2 в у т р е н н и е ( 6 — 12 ч) и в е ч е р ­
н и е ( 1 5 — 21 ч) с р о к и н а б л ю д е н и й в т е ч е н и е 1 9 6 9 — 1971 и 1 9 7 4 —
1 9 7 9 гг. В р е з у л ь т а т е о к а з а л о с ь , ч т о и н ф о р м а ц и я , о п и с ы в а е м а я
п е р в ы м ч л е н о м р а з л о ж е н и я , о п р е д е л я е т 5 8 ,8 % , в т о р ы м — 1 3 , 6 % ,
т р е т ь и м — 5 ,8 % и ч е т в е р т ы м — 5 , 6 % с у м м а р н о й д и с п е р с и и .
В р а б о т е К аспш ицки (K a sp szy ck i,
1 97 2 )
для
составления
с х е м ы п р о г н о з а к о э ф ф и ц и е н т а р а з л о ж е н и я по е с т е с т в е н н ы м о р т о ­
г о н а л ь н ы м с о с т а в л я ю щ и м a i (t) б ы л п р и м е н е н м е т о д м н о ж е с т в е н ­
ной регр ессии. И з бол ьш ого числа р ассм атр и ваем ы х предикторов
в у р а в н е н и и р е г р е с с и и о с т а в л я л и с ь т е из них, к о т о р ы е о б е с п е ч и ­
вали м и н и м альн ую д и сп ер си ю . Т ак, д л я прогноза к оэф ф ициен та
при первом члене р а зл о ж е н и я ср еднесуточны х концентраций сер ­
нистого га за в в о з д у х е дл я В ар ш ав ы в уравнение регрессии вк лю ­
чено четы ре п р еди к тор а: м о щ н о ст ь п ри зем н ой инверсии; к о н ц ен т ­
р а ц и я с е р н и с т о г о г а з а з а п р е д ш е с т в у ю щ и й д е н ь , о с р е д н е н н а я по
дан н ы м в сех н а б л ю д а т е л ь н ы х п унк тов; вы сота слоя п ер ем еш и в а ­
ни я ; с р е д н е с у т о ч н а я с к о р о с т ь в е т р а .
П е р е х о д о т п р о г н о с т и ч е с к и х з н а ч е н и й а,- к з н а ч е н и я м к о н ц е н т ­
р а ц и й н а о т д е л ь н ы х п у н к т а х г о р о д а о с у щ е с т в л я е т с я по ф о р м у л е
ы
Qi = <7/ 4 - Е <ВД/,
1= 1
гд е / — п ор я дк овы й н ом ер н а б л ю д а т е л ь н о г о пункта; п — кол и ч е­
с т в о ч л е н о в р а з л о ж е н и я , д л я к о т о р ы х п р о г н о з и р у е т с я оц и з N о б ­
щ его количества членов р а зл о ж е н и я , равного количеству пунктов
в городе.
Горчиев и Р а ф и ев (1 9 7 8 ) р а зр а б о т а л и м етод краткосрочного
прогноза загрязн ен и я в о зд у х а д л я района А пш еронского п о л у ­
ост р о ва , и сп о л ь зу я в э т и х ц е л я х к о эф ф и ц и е н т ы р а зл о ж е н и я по е с ­
тественны м ф ун к ц и я м н ек от ор ы х м ет ео р о л о г и ч еск и х полей. И с х о д ­
н ы й м а т е р и а л с о с т о я л и з п я т и л е т н и х д а н н ы х ( 1 9 7 1 — 7 5 гг.) о к о н ­
ц е н т р а ц и и S 0 2 и N O 2 в Б а к у и С у м г а и т е , т е м п е р а т у р е в о з д у х а на
р я де стандартн ы х высот по аэрологическим наблю дениям и ско­
рости в ет р а на д е в я т и м е т е о с т а н ц и я х , р а с п о л о ж е н н ы х в б л и зи у к а ­
занн ы х городов.
Э ти автор ы п о к а за л и , что п ер в ы е д в е ком поненты р а зл о ж е н и я
д л я п ол я к о н ц ен т р а ц и и S O 2 д а ю т в к л а д 6 5 — 70 % в о б щ е е и з м е н е ­
н и е е е с о с т а в л я ю щ е й , д л я N 0 2 — 5 5 %■ Д л я в е р т и к а л ь н о г о р а с п р е ­
дел ен и я тем пер атур ы этот вклад, оп р едел яю щ и й и скорость с х о ­
д и м о с т и р а з л о ж е н и я , г о р а з д о б о л ь ш е ( 9 7 % ) , что о б у с л о в л и в а е т с я
знач и тельн ой к оррел яц и ей
меж ду
зн ач ен и я м и
т е м п е р а т у р ы на
разны х уровнях. Д л я поля скорости ветра такой вклад состав­
л яет 7 5 % . П ер в ы е три к о эф ф и ц и ен т а р а зл о ж ен и я тем п ературы
144
и с к о р о с т и в е т р а и с п о л ь з о в а л и с ь в к а ч е с т в е п р е д и к т о р о в ,. П о ­
строены соответств ую щ и е ур ав н ен и я р егр есси и м е ж д у ними и к о ­
эф ф ициентам и р а зл о ж ен и я поля кон ц ен трац и и примеси. П р и этом
пол учено, что к о эф ф и ц и ен т ы к о р р е л я ц и и при р а ссм о т р ен и и п е р и о ­
д о в в р ем ен и д о 48 ч д л я п ол ей S O 2 и N 0 2 с о ст а в и л и со о т в ет ст ­
в ен н о 0 ,6 7 и 0 ,5 4 . Э т и р е з у л ь т а т ы
использованы дл я оператив­
ного п р о г н о за к о н ц е н т р а ц и й п р и м е с е й на с р о к д о д в у х суток.
4.5. П рогноз интегральных показателей
загрязнения в о зд у х а в городе.
И спользование синоптических методов
Т р удн ости в у стан овл ен и и стати сти ч еск и х связей
м еж ду за­
грязнением в озд уха и соответств ую щ и м и предикторам и в о п р ед е­
ленной степени п р еодол ев аю тся как путем учета одноврем енного
влияния совокупности основны х д ей ст в у ю щ и х ф акторов, так и ис­
пользования о б о б щ ен н ы х
характеристик
содерж ания
примесей
в целом по городу. Т акие хар ак тер и сти к и , составл енны е по м н о­
гим н а б л ю д е н и я м в р я д е п у н к т о в г о р о д а з а н е с к о л ь к о с р о к о в ,
сущ ествен н о м ен ьш е п о д в е р ж е н ы сл у ч а й н ы м к о л еб а н и я м , чем е д и ­
ничные д а н н ы е о к он ц ен тр а ц и и . О н и о т р а ж а ю т в к л а д в з а г р я з н е ­
ние в о зд у х а п р е о б л а д а ю щ и х источников, а т а к ж е ф он овой к он ­
центрации в городе, с о зд а ю щ е й с я всл едств и е перем еш ивания м но­
гих в ы б р о со в . О н и в м е н ь ш е й с т е п е н и з а в и с я т от р е ж и м а в ы б р о ­
сов и в о с н о в н о м о п р е д е л я ю т с я м е т е о р о л о г и ч е с к и м и ф а к т о р а м и .
И сп ользование осреднени я дл я получения интегральны х хар ак тер и ­
стик в н е к о т о р о й с т е п е н и э к в и в а л е н т н о
ф ильтрации случайны х
п р о ц е с с о в , р а с с м о т р е н н о й в п. 4 .3 . К т а к и м п о к а з а т е л я м о т н о с я т с я
полученны е вы ш е к оэф ф и ц и ен ты при первы х чл ен ах р а зл о ж ен и я
по о р т о г о н а л ь н ы м ф у н к ц и я м .
4 .5 . 1 .
И н тегр ал ьн ы е п о к а за т ел и . И зв ест ен целы й ряд и н теграль ­
ных п о к а з а т е л е й . В к а ч ест в е о д н о г о из п р о с т е й ш и х в М е т о д и ч е ­
ских у к а за н и я х
(1979)
предлагается
и с п о л ь з о в а т ь с р е д н е е по
всему го р о д у зн а ч ен и е к он ц ен тр ац и и о т д ел ь н ы х прим есей в д а н ­
ный д е н ь и л и с р о к qh н о р м и р о в а н н о е н а с р е д н е с е з о н н у ю к о н ц е н т ­
р а ц и ю Cjj\
(4.3 1 )
где индек с / — отн оси тся к п унк ту н а б л ю д ен и й , а N — число пунк­
тов в г о р о д е.
С опькин (1971, 1974) в к ач естве
интегрального
показателя
за гр я зн ен и я в о з д у х а ввел в ел и ч и н у
Р = т/ п,
(4 .3 2 )
п о л у ч и в ш у ю ш и р о к о е р а с п р о с т р а н е н и е в р а б о т а х по п р о г н о з у з а ­
грязнения в о з д у х а в С С С Р . В (4 .3 2 ) п — о б щ е е число н а б л ю д ен и й
в городе за данны й день, m — к оличество случаев за данны й день
Ю
З ак аз № 30
145
на в с е х п у н к т а х г о р о д а с к о н ц е н т р а ц и е й q > \ , b q , г д е q — с р е д н я я
концентрация за рассм атри ваем ы й сезон .
Величина Р оп реде­
ляется как по о тд ел ь н ы м п р и м еся м , т а к и по их группе. Р е к о м е н ­
дуется п а р а м ет р Р рассчиты вать д л я гор одов, где число стац и о­
нарны х пунктов не м ен ее трех, а число н а б л ю д ен и й за отдельны е
дни не м ен ее 20.
П арам етр Р позв ол яет п р и бл и ж ен н о и зб е ж а ть учета хар ак те­
ристик вы б р о са в г о р о д е и с в я за т ь степ ен ь за гр я зн ен и я в о з д у х а
в основном только с м етеорологическ им и факторами. П о своем у
смы слу величина Р бл и зк а к перв ом у коэф ф и ц и ен ту р азл ож ен и я
п о л я к о н ц е н т р а ц и й н а е с т е с т в е н н ы е ф у н к ц и и а\. Н а р и с . 4 . 1 4 ( Е л е -
Рис. 4.14. Изменение со временем коэффициента щ
(1 ) и параметра Р (2).
коева, Ч у в а ш и н а , 1979) и рис. 4 .1 5 (С о н ь к и н , 1979) п ок азан а к о р ­
р е л я ц и я м е ж д у Р и а\. К о э ф ф и ц и е н т к о р р е л я ц и и м е ж д у н и м и д о ­
с т и г а е т 0 , 8 5 — 0 ,9 5 . В о б щ е м с л у ч а е з н а ч е н и я Р и з м е н я ю т с я о т 0
д о 1. М е н ь ш е е з н а ч е н и е к о э ф ф и ц и е н т а к о р р е л я ц и и д л я С О с в я ­
зан о с тем, что з а г р я з н е н и е в о з д у х а ок и сь ю у г л е р о д а о б у сл о в л ен о
больш ей частью вы б р о са м и только н и зк и х источников — п р еи м у ­
щ ественно автотранспорта.
Е сли
вы делить
три
градации
знач ений
Р : пониженны е
( < 0 ,2 0 ) , относительно повы ш енны е ( 0 , 2 ^ Р ^ 0 , 3 5 )
и вы сокие
( > 0 , 3 5 ) , т о п о д а н н ы м н а б л ю д е н и й в 10 г о р о д а х С С С Р з а 2 —
4 года повторяемости этих градаций соответственно составляю т
54, 3 4 и 12 %.
В еличина Р р а ссм а т р и в а ет ся как п р ед и к та н т и на основании
статистической о б р а б о т к и она с в я зы в а ется с преди к торам и : с к о ­
ростью ветра, п о к а за тел я м и у стой ч и в ости атм осф ер ы и др. Д и а ­
л и з п о к а з ы в а е т , что п о в ы ш е н н о е з а г р я з н е н и е в о з д у х а д л я г о р о д а
в целом н абл ю д ает ся нередко в течение нескольких дней подряд.
П а р а м е т р Р д л я д а н н о г о д н я с у щ е с т в е н н о з а в и с и т от е г о з н а ч е ­
ния Р' з а п р е д ы д у щ и й д е н ь . Е с л и н а б л ю д а л о с ь п о н и ж е н н о е з а ­
г р я з н е н и е в о з д у х а , т о т о л ь к о в 10 % с л у ч а е в м о ж н о о ж и д а т ь , ч т о
на с л е д у ю щ и й д е н ь о н о с у щ е с т в е н н о у в е л и ч и т с я .
Ч а сто з а г р я зн е н и е в о з д у х а по г о р о д у в ц ел о м оп р ед ел я ется
дей стви ем б о л ь ш о г о числа н и зк и х источник ов, па ф о н е к оторы х
проявляется влияние вы бросов п р и м еси
от
отдельны х
сравни­
146
тельно вы сок их труб. В э т и х с л у ч а я х з н а ч е н и е Р с у щ ест в ен н о з а ­
висит от усл о в и й , о п р е д е л я ю щ и х р а с п р о с т р а н е н и е п р и м еси от н и з­
ких источников. К н е б л а г о п р и я т н ы м у с л о в и я м ч ащ е всего о т н о ­
сятся си т уац и и з а с т о я в о з д у х а , п р е д с т а в л я ю щ и е с о б о й с о ч ет а н и е
штиля и устойчивой стр ати ф и к ац и и . О д н а к о в сл уч ая х п р е о б л а ­
д а ю щ е г о в ы б р о са на в ы со к и х у р о в н я х н а и б о л ь ш и е за г р я з н е н и я
Рис. 4.15. Изменения со временем параметра Р (1) и коэффициента oti (2) полей
концентрации S 0 2 (а) и СО (б ).
часто н а б л ю д а ю т с я при с к о р о с т я х в ет р а на у р о в н е ф л ю г е р а 3 —
5 м /с .
Отмечается тесная корреляция м е ж д у Р для совокупности при­
месей и ср е д н е с у т о ч н о й к о н ц е н т р а ц и е й о т д е л ь н ы х из них. С о о т в е т ­
ствую щ ие
данны е
(С онькин
и
И влева,
1982)
приводятся
в т а б л . 4 .1 1 .
Т а б л и ц а 4.11
Коэффициенты корреляции м е ж д у парам етром Р
для совокупности примесей и средними по городу
концентрациями отдельны х примесей
Примеси
Город
10*
S02
NOj
со
Л енинград
0 ,8 6
0 ,7 5
0 ,8 9
Чита
0 ,9 4
0 ,6 6
0 ,6 3
147
В сл уч ае к огда о п р едел я ет ся Р сум м арно для ряда вещ еств,
р ек о м ен д у ет ся исклю чить из них специф ические примеси, х а р а к ­
терны е д л я о т д ел ь н ы х источников
С оньк ин ( 1 9 7 4 ) на о с н о в а н и и стати ст и ч еск о го а н а л и за о б ш и р ­
ного м а т ер и а л а н а б л ю д е н и й при води т р я д прогностических п р и ­
знаков дл я п ар а м ет р а Р и данны е об оправды ваемости прим ене­
ния и х в р а з л и ч н ы х г о р о д а х С С С Р С о гл а сн о эт и м п р и з н а к а м
с л у ч а и з н а ч и т е л ь н о г о з а г р я з н е н и я в о з д у х а с Р > 0 ,3 5 в о з н и к а ю т
при с л е д у ю щ и х у сл о в и я х
— в н оч н ы е и у т р ен н и е часы н а б л ю д а е т с я си т уац и я з а с т о я
воздуха
(ск ор ость
ветра д о
1 м /с и призем ная и н в ер си я ),
а в п р е д ш е с т в у ю щ и й день о тм еч ается повы ш енное знач ен и е п а р а ­
м е т р а Р ' ( P ' i > 0 ,3 ) Д а н н ы е у с л о в и я м о г у т о с у щ е с т в л я т ь с я в л ю ­
б у ю ч а с т ь г о д а П о м а т е р и а л а м в с е х г о р о д о в , по к о т о р ы м в ы п о л ­
н я л с я т а к о й а н а л и з , о т о б р а н о 123 с л у ч а я с у к а з а н н ы м с о ч е т а н и е м
параметров
В 89 и з них и м ел о
м есто значительное з а г р я з ­
нение
воздуха
О правды ваемость
правила
составила
более
70%,
— в д н е в н ы е ч а с ы (п о д а н н ы м н а б л ю д е н и й з а
15 ч) о т м е ­
чается за ст о й в о з д у х а В п редш ествую щ и й день Р ' ; > 0 , 1 5 Д н е в ­
ные за с т о и н а б л ю д а ю т с я о б ы ч н о в п е р и о д н о я б р ь — м ар т О п р а в ­
д ы в а е м о с т ь п р а в и л а — 60 % ( 3 3 с л у ч а я из 5 7 ) ,
— о т н о с и т е л ь н о в ы с о к а я т е м п е р а т у р а в о з д у х а в у т р е н н и е ч а сы
п р и с л а б о м в е т р е ( 0 — 2 м / с ) З н а ч е н и я т е м п е р а т у р ы , при к о т о р ы х
о ж и д а е т с я вы сокий ур овен ь конц ентрац ии примесей, разли чн ы е
для разны х городов
(зи м ой
в Л ени нграде температура в о з­
д у х а д о л ж н а превы ш ать — 6°С , в С вердловске и К расноярске
— 10°С , в Ч ите — 15°С и т д )
Д о п о л н и т ел ь н о т р ебуется , чтобы
было Р ' > 0 , 3 0
О п р а в д ы в а ем о ст ь п р ав и л а — бол ее 6 0 % (15 с л у ­
чаев из 2 4 ) , — с и т у а ц и и с у м е р е н н ы м ветр ом (3 — 6 м /с ) и н е у с т о й ­
чивой т е р м и ч е с к о й с т р а т и ф и к а ц и е й , н а б л ю д а е м а я д н е м , с м ен я ется
условиям и застоя воздуха вечером (Р '; > 0 ,1 5 )
Такая
ситуация
ч а щ е в сего н а б л ю д а е т с я в т е п л у ю часть года, од н ак о м о ж е т иметь
м есто и зимой, осо б ен н о в ю ж н ы х г о р о д а х О правды ваем ость п р а ­
в и л а — около 60 % (19 случаев из 3 4 ),
— в о в т о р о й п о л о в и н е п р е д ш е с т в у ю щ е г о д н я Р ' > 0 ,4, а в п о ­
сл ед у ю щ и й д е н ь в соответств и и с м етеорологи ческ и м п р огн озом не
о ж и д а е т с я уси л ен и я ветра или вы п аден ия значительны х осадк ов
О п р а в д ы в а е м о с т ь — о к о л о 7 0 % (4 1 с л у ч а й и з 5 9 ) ,
— ск ор ость в етр а 0 — 1 м /с с о п р о в о ж д а е т с я ту м а н о м З н а ч и ­
т е л ь н о г о з а г р я з н е н и я в о з д у х а н е н а б л ю д а е т с я , есл и н о ч ь ю и у т р о м
при скорости ветра 0 — 1 м /с
отсутствует
приземная
инверсия
О правды ваем ость правила — 9 7 %
( 1 5 6 с л у ч а е в из 161)
О т н о с и т е л ь н о п о н и ж е н н о е з а г р я з н е н и е в о з д у х а ( Р = ^ 0 ,2 0 ) о т ­
м е ч а е т с я пр и с л е д у ю щ и х у с л о в и я х
— с к о р о с т ь в е т р а п р е в ы ш а е т 5 — 7 м /с
Оправды ваемость —
о к о л о 7 5 % ( 8 6 с л у ч а е в из 1 1 4 ) ,
— вы п аден и е ум ер ен н ого или сильного д о ж д я
О правды вае­
м о с т ь о к о л о 9 0 % (61 с л у ч а й и з 6 7 ) П р и в ы п а д е н и и с н е г а о ч и щ е ­
148
ние в о з д у х а п р о и с х о д и т м е н е е эф ф ек ти в н о,, чем п р и д о ж д е . В д а н ­
ном сл у ч а е п о в т о р я ем о ст ь о т н о с и т е л ь н о п о н и ж е н н о г о за гр я зн ен и я
в о з д у х а с о с т а в и л а 7 4 %;
— н еза в и си м о от м е т е о р о л о г и ч е с к и х у с л о в и й во в т о р о й п о л о ­
в и н е п р е д ш е с т в у ю щ е г о д н я Z3' < 0 , 1 5 . О п р а в д ы в а е м о с т ь — о к о л о
90 % (316 с л у ч а е в из 3 5 0 ) .
При а н а л и зе ф ак ти ч еск ого м а т е р и а л а м о ж н о выявить и д р у ­
гие сочетания п а р а м е т р о в , о п р е д е л я ю щ и е тот и л и иной уровень
загрязнения в о зд у х а . П р о стей ш и м сп о со б о м уст а н о в л ен и я таких
с о ч е т а н и й я в л я е т с я а н а л и з м е т е о р о л о г и ч е с к и х х а р а к т е р и с т и к , при
к оторы х н а б л ю д а ю т с я э к с т р е м а л ь н о в ы с о к и е и э к с т р е м а л ь н о низ­
к и е з н а ч е н и я п а р а м е т р а Р. Н а й д е н н ы е п р и э т о м м е т е о р о л о г и ч е ­
ские си туац и и
или
комплексы
параметров
следует
проверить
и уточнить по в сем у и м е ю щ е м у с я м а т е р и а л у .
М ож н о использовать т а к ж е качествен ны е выводы о возм ож ном
изм енении за гр я зн ен и я в о з д у х а , п о л у ч ен н ы е на осн ов ан и и ф и зи ­
ческих и ссл едован и й и а н а л и за
фактического
материала. Н а­
пример:
— у си л ен и е устой чи в ости н и ж н е г о сл о я а т м о с ф е р ы при слабом
ветре приводит к р осту за г р я зн е н и я в о з д у х а (з а счет в к лада низ­
ких в ы б р о с о в );
— усил ение ветра при
устойчивой
стратификации
приводит
к уменьш ению загр я зн ен и я в оздуха;
— н е у с т о й ч и в а я с т р а т и ф и к а ц и я (в х о л о д н у ю ч а с т ь г о д а при
о т с у т с т в и и п р и з е м н о й и н в е р с и и ) и у с и л е н и е в е т р а д о 3 — 6 м / с вы­
з ы в а ю т у в е л и ч е н и е с о д е р ж а н и я п р и м е с е й в г о р о д с к о м в о з д у х е (з а
счет вк лада вы сок их в ы б р о с о в ) ;
— в х о л о д н у ю часть г о д а при в ет р е не б о л е е 5 м /с и росте
температуры в о зд у х а к онц ентрац ии прим есей увеличиваю тся;
— вы падение осадков способствует очищ ению воздуха;
— о бр азов ан и е тум ан ов является дополнительны м фактором,
приводящ им к повы ш ению конц ентрац ий прим есей в воздухе.
Такие качественны е прав и л а в р я д е сл уч аев п озв ол яю т ориен­
тировочно оп р едел и ть в о зм о ж н ы е группы за г р я зн ен и я воздуха, со­
о т в е т с т в у ю щ и е у к а з а н н ы м з н а ч е н и я м Р.
В целях пр огн оза п а р а м ет р а Р п р и м ен я ю т ся н синоптические
способы ан а л и за погоды с учетом к о м п л ек са м етеорологическ их
условий, о п р е д е л я ю щ и х р а с п р о с т р а н е н и е п р и м еси .
И спользовались синоптические м етоды для а н ал и за загр я зн е­
ния в о з д у х а в р а б о т а х П е ш е л и ( P e c z e l y , 1 9 5 9 ); Г а р н е т (G arn ett,
1 9 6 3 ) ; Ш е в ч у к ( 1 9 6 6 ) ; Г е р е д а ( H a r a d a , 1 9 6 8 ) , Ч е б а н е н к о и др.
(1976) и др.
Было
установлено,
что
загрязнение
в о зд у х а . усиливается
в стационарны х антицик лонах, а т а к ж е в дл и тел ь н о сохр ан я ю ­
щ ихся м алогради ен тн ы х б ар и ч еск и х полях, в теп л ы х секторах цик­
лонов, есл и б а р и ч е с к и е г р а д и е н т ы при эт о м н езн а ч и т ел ь н ы , и в не­
которых д р у ги х синоп тич еских си т у а ц и я х . П ри бы стро п е р е м е щ а ю ­
щ и хся а н т и ц и к л он ах не о б н а р у ж и в а л с я су щ ест в ен н ы й рост кон­
центраций в городском в оздухе.
149
О чи щ ени е а тм осф ер ы в г о р о д е о т м еч а л о сь при активизации
циклонической деятельности
С огласно Р оскиной (1 9 7 7 ), зн ач и тельн ое загря зн ен и е воздуха
в Т а ш к ен т е н а б л ю д а л о с ь при ан ти ц и к л о н и ч еск о м п о л е с р а д и у со м
к р и в и зн ы и з о б а р м е н е е 4 0 0 км, а т а к ж е при в ы н о с а х т р о п и ч е ­
ского в о зд у х а , а относительно чистая ат м осф ер а — при хол одн ы х
втор ж ен и я х, при уси л ен и и ветра и вы п аден и и осадк ов
И в ан ова и С онькин (1976) р а з р а б о т а л и м етод прогноза з а ­
грязнения в о зд у х а с учетом синоп тического м атер и ал а и данны х
наблю дений в Л енингра­
д е О к а з а л о с ь , что э ф ф е к ­
тивность дан н ого м етода
сущ ественн о повы ш ается
при учете инерционного
ф а к то р а (исходного з н а ­
чения п ар ам ет р а Р ') О д ­
ним из усл овий знач итель­
ного
роста
загрязнения
воздуха
в городе
было
с м ещ ен и е на р а ссм а т р и ­
ваем ую территорию цент­
ральной части стационар­
ного ан т и ц и к л он а или оси
малоподвиж ного
гребня
Д л я таких барических о б ­
разований
характерны
близкое
располож ение
вы сотны х
и
приземны х
центров и осей, а т а к ж е
н ебол ь ш ая скорость п ер е­
м е щ е н и я (м е н е е 30 км /ч)
Н а р и с 4 16 п о к а з а н ы с о ­
ответствую щ ие
синопти­
ческие си туац ии В о всех 26 в ы дел ен н ы х сл у ч а я х , и спол ьзован ны х
автор ам и д л я а н а л и за , о тм еч ал ся р ост кон ц ен трац и й примесей,
п р и э т о м 19 р а з о т м е ч а л а с ь г р у п п а з н а ч и т е л ь н о г о з а г р я з н е н и я
в о з д у х а ( Р > 0 ,3 5 )
В результате были сф орм ули рован ы сл ед у ю щ и е правила если
п р о ц е с с с т а ц и о н и р о в а н и я а н т и ц и к л о н а и л и г р е б н я н а ч и н а е т с я пр и
Р ';> 0 ,1 5 , то сл едует прогнозировать значительное
загрязнение
в о з д у х а с Р > 0 , 3 5 . О п р а в д а л о с ь э т о п р а в и ю в 16 с л у ч а я х из 19
Если в течение п ериода сущ ествования стационарного анти­
ц и к л о н а и л и г р е б н я д л я и с х о д н о г о д н я з н а ч е н и я Р ' > 0 ,2 0 , т о н а
первую половину сл едую щ его дня прогнозируется т ак ж е знач и ­
тельное загр язн ен и е воздуха ( Р > 0 , 3 5 )
О правдалось данное по­
л о ж е н и е в 2 0 с т > ч а я х из 2 8
Б ы стро п е р е м е щ а ю щ и е с я ан ти ц и к лон ы и г р еб н и не с о п р о в о ­
ж д а ю т с я сл уч ая м и зн а ч и тел ь н ого за г р я зн е н и я в о з д у х а В 29 вы­
деленны х дней с перемещ ением таких барических образований че­
150
р ез Л е н и н г р а д гр уп п а з а г р я з н е н и я в о з д у х а с Р > 0 ,3 5 не о т м еч а ­
л а с ь ни р а з у .
О собен н о бол ь ш ое зн а ч ен и е п р и о б р ет а ет уч ет синоптических
п р о ц е с с о в п р и а н а л и з е и п р о г н о з е д л и т е л ь н ы х п е р и о д о в (3 д н я
и бол ее) с вы соким за г р я зн ен и ем в о зд у х а .
Р азви тие синоп тических п р о ц ессо в учи ты вается и при прогнозе
п о т е н ц и а л а з а г р я з н е н и я а т м о с ф е р ы ( с м . п. 5 . 2 ) .
Д л я интегральной харак тери сти к и в о зд у х а в р айоне аглом е­
р ац и и пяти к р у п н е й ш и х г о р о д о в Б е л ь г и и М а л е и Ж у к о в (M a let,
J ou k off, 1978) и с п о л ь з о в а л и п о к а з а т е л ь , с х о д н ы й с q (4 .3 1 ) и Р
(4 .3 2 ). Они ввели н ек о т о р у ю
концентрацию , средню ю
по в с е м
пунктам а в т о м а т и зи р о в а н н о й
систем ы
контроля,
разм ещ енной
в данном районе:
З д е с ь qi — с р е д н е с у т о ч н а я к о н ц е н т р а ц и я н а t-м п у н к т е ; п = 2 4 —
ч и с л о п у н к т о в ; a.i = q5f / q f , г д е q*° и q f — з н а ч е н и я с р е д н е с у т о ч ­
н ы х к о н ц е н т р а ц и й н а t-м п у н к т е с о о т в е т с т в у ю щ е й в е р о я т н о с т и
(5 0 и 9 8 % ) , в з я т ы х из в ы б о р к и з а 1 9 6 8 — 1 9 7 3 гг. П о q\ у с т а н а в ­
ливается индекс
г д е <798 — о п р е д е л я е т с я
в
соответствии
с
98 % -ной
вероятностью
для рассм атриваем ого периода.
Затем вы дел яю тся по аналоги и с у к а за н н ы м и выш е группами
дл я Р три степ ени за г р я зн е н и я в за в и с и м о с т и
от
значения
I:
/ > 0 , 8 — сильного,
0 , 5 ^ / ^ 0 , 8 — среднего,
/ С 0 ,5 — с л а б о г о з а ­
грязнения в о зд у х а .
4 .5 .2 .
И н т е г р а л ь н а я п о п л о щ а д и д о з а . Ф и н з и и д р . ( F i n z i e t al.,
1979) и с п о л ь зу ю т и н т е г р а л ь н у ю
характеристику, определяем ую
как д о з у за г р я зн ен и я в о з д у х а по п л о щ а д и D A P
(D o sa g e Area
P rod u ct) и в ы р а ж е н н у ю ч ер ез и н т ег р а л от к о н ц ен тр а ц и и как по
п л о щ а д и А, т а к и п о н е к о т о р о м у и н т е р в а л у в р е м е н и . В ц е л я х п р о ­
г н о з а з а г р я з н е н и я в о з д у х а д л я k-ro п е р и о д а в р е м е н и в ф и к с и р о ­
ванной об л а сти R вводится велич ина D A P , о п р е д е л я е м а я соотно­
ш ением
(* + 1) т*
( 4 .3 3 )
г д е Л — п л о щ а д ь о б л а с т и R, q — к о н ц е н т р а ц и я , Т * — и н т е р в а л в р е ­
мени, к к о т о р о м у о т н о с и т с я D A P , р а в н ы й 1 с у т к а м .
Д а л е е в в о д и т с я о б о з н а ч е н и е д л я д о з ы , т. е. и н т е г р а л а по в р е ­
м е н и от к о н ц е н т р а ц и и в ф и к с и р о в а н н о й т о ч к е (лг, у):
(А + 1) Т*
151
Тогда из (4.33) следует
D A P (k) =
| D (x, у , k) dx dy.
Е сл и в обл а сти R р а сп о л о ж ен о N пунктов, по резул ь татам н а б л ю ­
д ен и й на к отор ы х р а ссч и т а н о N д о з Di ( k)
(* = 1, 2, . . . , N) , т о ,
в ы ч и сл я я и н т е г р а л (4.3 3 ) по к в а д р а т у р н о й ф о р м у л е , пол учим
N
DAP(k)= 4- £ A‘Dl
<4-34)
г д е Ai — п л о щ а д ь п о д о б л а с т и Ri, з а г р я з н е н и е в о з д у х а в к о т о р о й
х а р а к т е р и з у е т с я и з м е р е н и я м и в п у н к т е i. Р а з д е л е н и е о б л а с т и R
на п о д о б л а с т и Ri о с у щ е с т в л я е т с я п р и э т о м т а к , ч т о б ы г р а н и ц ы
э т и х о б л а с т е й б ы л и м н о г о у г о л ь н ы м и и ч т о б ы в н у т р ь Ri п о п а д а л и
т о л ь к о т е т о ч к и (х, у ) , д л я к о т о р ы х i - й п у н к т н а б л ю д е н и й я в ­
ляется ближ айш им .
В р а б о т е Ф и н з и и д р . з н а ч е н и я D A P , р а с с ч и т а н н ы е по ф о р ­
м у л е (4 .3 4 ), о к а за л и сь б л и зк и к зн а ч ен и я м D A P , оп р едел ен н ы м
из ( 4 . 3 3 ) с и с п о л ь з о в а н и е м
оптимальной
интерполяции
дозы
м е ж д у пунктам и при р асч ете как суточны х, так и часовы х х а р а к ­
теристик.
С хем а статистического ан ал и за и п рогноза D A P р а зр абат ы в а­
л а с ь Ф и н з и и д р . п р и м е н и т е л ь н о к д а н н ы м н а б л ю д е н и й на у к а ­
з а н н о й в п. 3 . 5 а в т о м а т и з и р о в а н н о й с е т и с т а н ц и й по к о н т р о л ю з а ­
грязнения в о зд у х а в В енеции. П о р езу л ь та т а м
изм ерений к о н ­
ц е н т р а ц и и S 0 2 с 1 и ю л я п о 3 0 с е н т я б р я 1 9 7 4 г. р а с с ч и т ы в а л и с ь
значения D A P для трех районов — М а р д ж е р а , М естр е и В енеция
(исторический центр г о р о д а ) . В с е т р и р я д а зн ач ен и й D A P р а с ­
см атривал ись как
реализация
стационарны х
случайны х
про­
цессов.
Д л я ря да суточны х и часовы х D A P проверка с помощ ью кри­
терия К о л м о го р о в а — С м ирнова п одт в ер ди л а гипотезу о л о га р и ф ­
мически н ор м ал ьн ом р а сп р ед ел ен и и зн а ч ен и й D A P . П о это м у п р о ­
г н о с т и ч е с к и е с х е м ы с т р о и л и с ь д л я в е л и ч и н у (k) = l n D A P ( k ). П е ­
р е х о д о т п р о г н о с т и ч е с к о г о з н а ч е н и я у (к) к п р о г н о с т и ч е с к о м у з н а ­
чению
DAP(&)
осущ ествлялся
по
обратному
соотнош ению
D A P (k) = е х р у ( k ) . И с х о д н ы й п р о ц е с с y ( k )
аппроксимировался
с п о м о щ ь ю у к а з а н н о й в п. 4 .2 . 2 с т а т и с т и ч е с к о й м о д е л и а в т о р е ­
г р есси и — скользящ его среднего в соответствии с работой Бокса
и Д ж ен к и н са (1 9 7 4 ).
В ы п ол н ен н ое и ссл ед о в а н и е п о к а за л о , что наилучш ая а п п р о к си ­
мация
соответствует
модели
авторегрессии
первого
порядка
(A R ( 1 ) ) :
y { k ) — \x = q [ y { k — 1) — ,и] + е ( £ ) ,
(4 .3 5 )
где
f.i — с р е д н е е
значение
величин у ( k ) ,
ср — п а р а м е т р м о д е л и ,
с н у л е в ы м с р е д н и м , т. с. б е ­
e ( k ) — чисто сл уч ай н ы й п р оц есс
лый ш ум.
И з (4 .3 5 ) вы тек ает п р о гн о ст и ч еск а я с х е м а
# (6) = М--ИР [# (& — 1) — М-],
(4.36)
г д е y ( k — 1) — з н а ч е н и е у в д е н ь , п р е д ш е с т в у ю щ и й д н ю , н а к о т о ­
рый д а ет ся прогноз.
Н а р я д у с (4 .3 6 ) и с п о л ь з о в а л а с ь б о л е е д е т а л ь н а я п р о гн о ст и ч е­
ская схем а A R X ( l ) , п о зв о л я ю щ а я учесть при п р огн озе за г р я зн е­
ния в о зд у х а и м ет ео р о л о г и ч еск у ю и н ф ор м ац и ю :,
# (k) = ц + « [у {k — 1) — \х] - f -ф, [и! (k) — щ ] + -фг [и2 (k) — [l].
(4 .3 7 )
З д е с ь U\ (k) — л о г а р и ф м
средней
скорости
ветра
за
кажды й
(/г-й) д е н ь , u2 ( k ) — л о г а р и ф м в е л и ч и н ы p { k ) / 2 4 , г д е р (k) — о б щ а я
п р о дол ж и тел ь н ость (ч асы ) п ер и о д о в з а к а ж д ы й день, в которы е
р а с с м а т р и в а е м ы й р а й о н Ri н а х о д и т с я с п о д в е т р е н н о й с т о р о н ы от
и с т о ч н и к а , (Xi и |а2 — с р е д н и е з н а ч е н и я U\ ( k) и u2 (k) , а , я|)1 и фг —
параметры м одели. П р и п р огн озе у ( k)
вместо
величин
и\ ( k )
и «2 [k) д о л ж н ы и с п о л ь з о в а т ь с я и х з н а ч е н и я , п о л у ч е н н ы е и з м е ­
теорологическ ого п р огн оза. Ф инзи и д р . д л я оценк и прим еним ости
прогн ости ческ ой сх е м ы (4 .3 7 ) р е а л и з о в а л и д в а в а р и а н т а , п о зв о ­
ляю щ и е получить:
а ) верхню ю границу оп р ав ды в аем ости при п одстановк е ф ак ­
т и ч е с к и х з н а ч е н и й и\ ( k ) и u 2 (k) в k-\\ д е н ь ;
б) ниж ню ю границу оправды ваем ости при инерционном про­
г н о з е э т и х п а р а м е т р о в u \ ( k ) = u \ ( k — 1) ; u2 (k) = u2 ( k — 1 ) .
Д л я оценки о п р а в д ы в а ем о сти п р о г н о за
использовались сл е­
д у ю щ и е три ха р а к т ер и ст и к и :
1) к о э ф ф и ц и е н т к о р р е л я ц и и 0 м е ж д у п р о г н о с т и ч е с к и м и и ф а к ­
тическими зн ач ен и я м и D A P ;
2 ) с т а н д а р т н о е о т к л о н е н и е s п р о г н о с т и ч е с к о й о ш и б к и (т. е.
разности м е ж д у ф акти ческим и п рогностически м знач ени ем D A P );
3) ст а н д а р т н о е о т к л о н е н и е
s/t п р о г н о с т и ч е с к о й
ош ибки
для
д н ей с повы ш енны м за гр я зн ен и ем в о з д у х а (с р е д н е е зн ач ен и е D A P
з а т а к о й д е н ь д о л ж н о б ы т ь б о л ь ш е с у м м ы с р е д н е г о D A P по в с е м у
ряду и стандартного отклонения D A P ) .
Р езультаты оц ен к и -к ач еств а п р о гн о за д л я ц ен т р а В ен ец и и при­
в еден ы в т а б л . 4 .1 2 . З а м е т и м , что с р е д н е е з н а ч е н и е D A P и с р е д ­
неквадратическое отклонение на этом пункте составляли соответ­
с т в е н н о 12,5 и 5 , 4 ( 1 0 0 0 м л н ) - 1 - с у т .
Т а б л и ц а 4.12
Результаты оценки качества прогноза
Схема прогноза
AR. (1)
A R X (l)
0
0,39
0,61
s (1000 млн)-1 • сут
5
4
(1000 млн)- •-сут
12
9
К а к в и дн о из т а б л . 4 .1 2 , к а ч е с т в о п р о г н о з а по м о д е л и (4 .3 5 )
оказалось неудовлетвори тельн ы м д л я ц ен тр а В ен ец и и , поскольку
о ш и б к и п р о г н о з а с р а в н и м ы со с р е д н и м и с т а н д а р т н ы м о т к л о н е н и е м
153
сам ого процесса, а к оэф ф ициен т корреляц и и мал. Д л я двух д р у ­
гих р ай о н о в р е зу л ь т а т ы п р и м ен ен и я м о д е л и (4 .3 6 ) бы ли ещ е м ен ее
успеш ны ми.
При
учете д обав оч н ы х предикторов коэф ф ициент
к о р р е л я ц и и 0 у в е л и ч и в а е т с я в 1,5 р а з а , в р е з у л ь т а т е ч е г о у м е н ь ­
ш ается прогностическая ош ибка.
А н а л о г и ч н ы е (4 .3 6 ) и (4 .3 7 ) м о д е л и п о ст р о ен ы Ф и н зи и д р .
д л я ч а с о в ы х з н а ч е н и й D A P . П р и э т о м в ( 4 . 3 7 ) в к а ч е с т в е U\ {k)
и с п о л ь з о в а л с я л о г а р и ф м с р е д н е й с к о р о с т и в е т р а з а Н\ ч а с о в , п р е д ­
ш е с т в у ю щ и х k-y ч а с у , д л я к о т о р о г о д а в а л с я п р о г н о з . А н а л о г и ч н о
в е л и ч и н а и2 т а к ж е р а с с ч и т ы в а л а с ь п о п р о д о л ж и т е л ь н о с т и с о о т в е т ­
ст в у ю щ и х н а п р а в л ен и й ветра д л я Н i п о с л е д н и х часов. З н а ч ен и е
Н 1 приним алось равным 1 дл я М а р д ж е р а и М естре и 2 для В е ­
неции.
К р о м е того, при п р о г н о за х и с п о л ь зо в а л а с ь м одел ь циклической
с т ац и он ар н ой авторегрессии C S A R ( l ) , в которой исходны й п р о ­
цесс аппроксимируется уравнением
у ( 2 4 i + j ) — v/ = ф/ [у ( 2 4 i - f
(/ =
0,
— 1) — v / _ ,] + е ( 2 4 i + J)
(4.3 8 )
1, 2 , . . . ) .
З д е с ь y ( 2 U + j ) — л о г а р и ф м с р е д н е г о з н а ч е н и я D A P в / - й ч а с i-ro
д н я ; vj — с р е д н е е з н а ч е н и е л о г а р и ф м а D A P д л я /-г о ч а с а по всей
вы борке;
q>j
( / = 1 , 2, . . . , 2 4 ) — н а б о р
парам етров
модели;
е ( 2 4 i + j ) — член, учи ты ваю щ и й ш ум . П о сути д е л а , вы р а ж ен и е
( 4 . 3 8 ) п р е д с т а в л я е т с о б о й н а б о р из 2 4 м о д е л е й а в т о р е г р е с с и и с п е ­
риодически м еняю щ им ися п а р а м ет р а м и . Д л я н а и б о л ее за г р я зн е н ­
ного района М а р д ж е р а и н а и б о л е е чистого цен тр ал ьн ого р айона
Венеции
р е зу л ь т а т ы п р о г н о за на 1 ч по м о д е л я м (4 .3 6 ) — (4 .3 8 )
соп оставл ен ы с р езу л ь т а т а м и и н ер ц и он н ого п р огн оза (табл . 4. 13) .
П ри этом д л я М ар д ж ер ы среднее зн ач ен и е т и стандартное от­
к л о н е н и е сг в е л и ч и н ы D A P с о с т а в л я л и 3 2 и 3 0
( 1 0 0 0 м л н ) - 1 *ч,
а д л я В е н е ц и и с о о т в е т с т в е н н о 12 и 11 ( 1 0 0 0 м л н ) _ 1 -ч. В е р х н я я
граница д л я хар ак тер и сти к о п р а в д ы в а ем о сти п р огн оза по м одел и
A R X ( 1 ) п о л у ч е н а п р и и с п о л ь з о в а н и и ф а к т и ч е с к и х з н а ч е н и й U\(k)
и uo(k), а н и ж н я я г р а н и ц а — п р и и с п о л ь з о в а н и и
д л я u\ (k) и
uz(k) и н е р ц и о н н о г о п р о г н о з а .
К а к в и д н о из т а б л . 4 .1 3 , при м а л о й з а б л а г о в р е м е н н о с т и п р о ­
гноза качество всех и сп ол ь зов ан н ы х п рогн ости ч еск и х схем при­
м ерно оди н ак ово. К а р ти н а р езк о м ен я ется при увеличении з а б л а ­
г о в р е м е н н о с т и п р о г н о з а д о 4 ч. И з т а б л и ц ы с л е д у е т , что б е з у ч е т а
добавоч ной метеорологической и нф орм ации м одель авторегрессии
( 4 . 3 6 ) при б о л ь ш о й з а б л а г о в р е м е н н о с т и д а е т н е з н а ч и т е л ь н ы й в ы ­
и г р ы ш по с р а в н е н и ю с и н е р ц и о н н ы м п р о г н о з о м . П о д к л ю ч е н и е м е ­
теорологической инф орм ации п озв ол яет сущ ественн о улучш ить к а­
чество п р о г н о з а . И н т е р е с н о отм ети ть, что о п р а в д ы в а е м о с т ь п р о г ­
н о за по м о д е л и C S A R ( l ) , не и с п о л ь з у ю щ е й д о б а в о ч н ы х м е т е о р о ­
л о ги ч еск и х п р е д и к т о р о в , но у ч и т ы в а ю щ е й п ер и о д и ч еск и й х а р а к т е р
с у т о ч н ы х и з м е н е н и й к о н ц е н т р а ц и и S 0 2, е щ е в ы ш е , ч е м м а к с и ­
м ал ьн ая оп р а в д ы в а ем о сть по м о д ел и A R X ( l ) . Э то сви детельств ует
154
о важ н ой роли, к оторую играю т п ер и оди ч еск и е суточны е и зм е н е ­
ния м ет ео р о л о г и ч еск и х п а р а м е т р о в и м о щ н о с т и в ы б р о с о в в д и н а ­
мике поля к он центрации прим еси.
И злож ен н ая схем а прогноза прим ен ялась т а к ж е для М илана,
г д е и м е л и с ь 10 с т а н ц и й и з м е р е н и я к о н ц е н т р а ц и й S O 2 и 5 м е т е о р о ­
логи ческих ст ан ц и й (F in z i, 1980; F in z i, T ib a ld i, 1 9 8 2 ). Н е о б х о д и ­
м ы е п а р а м е т р ы д л я р а с ч е т о в о п р е д е л я л и с ь по д а н н ы м н а б л ю д е ­
н и й в о т о п и т е л ь н ы е с е з о н ы 1 9 7 5 - 7 6 и 1 9 7 6 - 7 7 гг. П о с к о л ь к у е ж е ­
дн ев н ы х св е д е н и й о в ы б р о с а х S 0 2 в а т м о с ф е р у не и м ел о сь , то и з ­
менение вы бросов учиты вал ось по ср едн есут оч н ой тем п ер атур е,
DAP м л н '1
Рис. 4.17. И змеренные ( 1) и рассчитанные
теля D A P .
(2) значения интегрального п ок аза­
Т а б л и ц а 4.13
Результаты прогноза D A P на 1 и 4 ч
М а р д ж ер а
Центр
S
Схема прогноза
(1000 млн)-
S
sh
0
0
1• ч
sh
(1000 млн)-1 • ч
П рогноз на 1 ч
A R J1)
A R X (l)
нижняя граница
верхняя граница
Инерционный прогноз
C S A R (l)
0 ,7 3
21
44
0 ,7 8
7
20
0 ,7 4
0 ,7 4
0 ,7 3
0 ,7 7
21
20
22
20
43
43
44
42
0 ,7 9
0 ,8 1
0 ,7 8
0 ,8 3
6
6
7
5
19
18
20
17
П рогн оз на 4 ч
AR (1)
A R X (l)
нижняя граница
верхняя граница
Инерционный прогноз
C S A R (l)
0 ,2 9
39
65
0 ,3 3
10
31
0 ,3 5
0 ,4 5
0 ,2 9
0 ,5 0
28
27
36
25
63
58
68
53
0 ,4 5
0 ,5 8
0 ,3 3
0 ,6 0
9
8
12
7
27
24
33
23
155
в зав и си м ости от которой сж и г а л о сь р а зл и ч н о е количество т о п ­
лива в г о р о д е . Н а рис. 4 .1 7 с о п о с т а в л е н ы р е з у л ь т а т ы п р о г н о за и
определения D A P по данны м н абл ю ден и я. Авторы отм ечаю т у д о в ­
летворительное согласование прогностических и ф актических з н а ­
ч е н и й D A P . В о т о п и т е л ь н ы й с е з о н 1 9 7 9 - 8 0 г. о с у щ е с т в л я л и с ь о п е ­
ративные прогнозы загр я зн ен и я в о з д у х а на сутки. Д а н н ы е прог­
ноза еж ед н ев н о публ ик овал ись в м естной газете.
4.6. Методы нелинейной регрессии
Р а ссм о тр ен н ы е выш е статистическ ие м етоды п р огн оза стр ои ­
лись в о сн о в н о м на уст а н о в л ен и и л и н ей н ы х с в я зей м е ж д у п р е д ­
сказы ваемы ми характеристикам и загрязнения и их предикторами.
В м е с т е с тем р еа л ь н а я за в и си м ость м е ж д у ними н осит нелинейны й
характер. П о это м у сущ ественное зн ач ение приобретает использо­
вание м етода нелинейной регрессии.
4 .6 . 1 .
О бобщ ение авторегрессионны х
моделей.
П ростейш ее
о б о б щ е н и е а в т о р е г р е с с и о н н ы х м о д е л е й , о п и с а н н ы х в п. 4 .5 , в ы п о л ­
н е н о Б о л ь ц е р н о м и д р . ( B o l z e r n et al . , 1 9 8 2 ) в ц е л я х р а з р а б о т к и
метода прогноза среднесуточн ой концентрации y ( k ) зим ой в ц ен ­
тре Вены . А вторы и сп о л ь зо в а л и у р а в н е н и е
авторегресси и типа
( 4 . 3 7 ) , в к о т о р о м л о г а р и ф м ы к о н ц е н т р а ц и й з а м е н е н ы на к о н ц е н ­
трации, а д л я описания влияния м ет еор ологи ч еск и х
параметров
введены вм есто л и н ей н ы х н ел и н ей н ы е члены , с о д е р ж а щ и е с р е д н е ­
м е с я ч н у ю т е м п е р а т у р у Т и с к о р о с т ь в е т р а и. О д н о из э т и х у р а в н е ­
ний A R X ( l ) з а п и с ы в а е т с я в в и д е
у (k) = а {у ( k — 1) + а2 [Т ( k ) + а 3] ~ “ 4 - а 4 [и ( k ) 4 - а 6] _ Р Здесь у — концентрация, k — номер суток. А налогично
работам,
и з л о ж е н н ы м в п. 4 .5 , т е м п е р а т у р а Т в в е д е н а д л я у ч е т а к о л и ч е с т в а
с ж и г а е м о г о т о п л и в а . К р о м е т о г о , у ч и т ы в а л и с ь в ы б р о с ы S O 2 от
индустри альн ы х источников, р а с п о л о ж е н н ы х главны м о б р а зо м на
ок р а и н е г о р о д а к ю г о -в о ст о к у от его ц е н т р а . Д л я э т о го и сп о л ь зо в а ­
лась ви дои зм ен ен н ая м одел ь авторегресси и A R X (2 )
У (k) = Ьху (k -
1) 4 - b2 [Г (k -
1) 4 - Ьг]~у
4- b<N (*),
г д е А/’( / г ) — п р о д о л ж и т е л ь н о с т ь в р е м е н и , в т е ч е н и е к о т о р о г о в е т е р
направлен от промы ш ленны х источников к центру города. З н а ч е ­
ния к о э ф ф и ц и е н т о в 6* и у п р и э т о м о п р е д е л я л и с ь д л я ч е т ы р е х г р а ­
д а ц и й с к о р о с т и в е т р а в и н т е р в а л е о т 0 д о 9 м /с . И с х о д н ы м и м а т е ­
р и а л а м и я в и л и с ь д а н н ы е н а б л ю д е н и й с о к т я б р я по м а р т 1 9 7 7 —
1979 гг. П о н и м с п о м о щ ь ю э т и х у р а в н е н и й б ы л и о п р е д е л е н ы
к о э ф ф и ц и е н т ы аи b i} а т а к ж е п о к а з а т е л и с т е п е н е й а , р, у. О т р и ц а ­
тельны е степени д л я учета влияния Т и и введены из п р ед п о л о ­
ж ен и я , что к он ц ен тр ац и я д о л ж н а в о зр а ст а т ь с п о н и ж е н и е м т е м п е ­
ратуры в оздуха, когда сж и гается бол ьш е угля, а т а к ж е с о с л а б л е­
н и ем
ветра.
О к а з а л о с ь , что и с п о л ь з о в а н и е т а к и х н ел и н ей н ы х
св я зей п о з в о л я е т обесп еч и т ь вы сок и е ( б о л е е 0 ,8 ) к о эф ф и ц и ен т ы к о р ­
реляции м е ж д у п р едск азан н ы м и и и зм ер ен н ы м и среднесуточны м и
156
к о н ц е н т р а ц и я м и , п р и ч ем н е т о л ь к о п о в ы б о р к е д а н н ы х в ц е л о м , но
и для случаев, когда отм ечалось повы ш енное загрязн ен и е воздуха.
А вторы исследовали зависим ость
коэф ф ициента
корреляции
«прогноз— н абл ю д ен и е» от длины вы борки N (с у т к и ), и спользован­
ной
при
оп р едел ен и и к оэф ф и ц и ен тов в у р ав н ен и я х регрессии
(рис. 4 . 1 8 ) . И з р и су н к а с л е д у е т , что д л я В ен ы м а к с и м у м к о р р е л я ­
ц и и ( п р и м е р н о 0 , 9 ) к а к п о в с е м с л у ч а я м ( к р и в а я 1), т а к и д л я
с л у ч а е в п о в ы ш е н н о г о з а г р я з н е н и я в о з д у х а ( к р и в а я 2) о т м е ч а е т с я
при и сп о л ь зо в а н и и д а н н ы х з а п р е д ш е с т в у ю щ и е 40 суток. П о к а за н о
т а к ж е , что п р и н а п р а в л е н и и ветр а от п р о м ы ш л е н н ы х источник ов
г
Рис. 4.18. Зависимость коэффициента
корреляции «прогноз—'наблгодение> 0
от числа суток N выборки.
i —все случаи, 2 —случаи повышенного
загрязнения воздуха.
к ц е н т р у г о р о д а и х в к л а д д о с т и г а е т 4 0 %, а в с р е д н е м з а р а с с м а т ­
р и в аем ы й п е р и о д т ол ь к о 3 %.
4 .6.2 .
П осл едовател ь н ая граф и ческ ая р егрессия. Х а р а к т е р н ы м
примером нелинейной регрессии является м етод последовательн ой
граф и ческой регрессии, используем ы й д л я п р огн оза интегрального
п о к а за тел я за г р я зн ен и я в о з д у х а Р (С он ьк и н , 1974, М ет о д и ч еск и е
указан ия, 19 7 9 ). О н вк лю чает два эт а п а . Н а п ер в ом — строятся
гр а ф и к и за в и с и м о с т и п о к а з а т е л я Р от д в у х о п р е д е л я е м ы х ф а к т о ­
ров м е т е о р о л о г и ч е с к о г о в о з д е й с т в и я на р а с п р о с т р а н е н и е п р и м еси ,
вы бираемы х
в качестве предик торов. Н а втором — вы полняется
попарное объ еди н ен и е этих зависим остей; таким о б р а зо м д ости ­
г а е т с я у с т а н о в л е н и е з а в и с и м о с т и з а г р я з н е н и я в о з д у х а от в сех р а с ­
см атри ваем ы х предикторов.
Н а п р и м е р , м о г у т б ы т ь в ы б р а н ы ч е т ы р е п р е д и к т о р а : vo — с к о ­
рость ветра на вы соте ф л ю гер а, Д Г — разн ость
температур
на
у р о в н я х з е м л и и и з о б а р и ч е с к о й п о в е р х н о с т и А Т 925, б # 85о — г р а д и ­
е н т п о т е н ц и а л а н а у р о в н е 8 5 0 г П а , Р' — х а р а к т е р и с т и к а и с х о д н о г о
загрязнения
воздуха.
Т огда п р огн ози руем ая величина Р вы ра­
ж а е т с я как ф у н к ц и я у к а з а н н ы х п р ед и к т о р о в :
Р = Р1 п , ( 0 о , Д Г ). H 2 ( 6 t f 8S0, Р')).
Г р а ф и ч е с к и эт и з а в и с и м о с т и п р е д с т а в л е н ы на рис. 4 .1 9 .
При практической р а зр а б о т к е схем ы сн а ч а л а по м атер и ал ам
за предш ествую щ и е годы изучается характер связей м еж д у п о к а ­
зателем загрязнения атм осферы в конкретном городе (парам ет­
157
ром Р или др у го й хар ак тер и сти к ой ) и отдельны м и предикторам и
или их к ом п л ек сам и . Н а эт о м осн о в а н и и д л я вклю чения в сх ем у
отби р аю тся н а и б о л е е знач им ы е п р еди к торы . П о м атер и ал ам около
30 городов С оветского С о ю за р а зр а б о т а н ы схем ы с применением
у к а з а н н ы х ч е т ы р е х п р е д и к т о р о в — va, А Т, usso, Р' ( М е т о д и ч е с к и е
у к азан и я , 1 9 7 9 ). О дн ак о м огут п ри м ен яться и д р у г и е предикторы ,
0
4 - 8
/ Ои0м/с
О
0Х2 0 ^ 0,6 Р
^v0)7o %
fnn
О
20
м
60
Щнв50, р ' %
Рис. 4.19. Графики для прогноза повторяемости (% ) случаев повышенного з а ­
грязнения воздуха ( Р ^ 0,3) в городе.
если о б н а р у ж и в а е т с я д о с т а т о ч н о т е с н а я их связь с х а р а к т ер и ст и ­
ками за гр я зн ен и я в о зд у х а .
В р а б о т е П о н о м а р ен к о (1 9 7 5) д л я п р огн оза величины Р в го ­
р о д а х Украины построены корреляционны е графики отдельно дл я
случаев наличия п ри зем н ой инверсии
тем пературы , приподнятой
инверсии и отсутствия инверсии в н и ж н ем килом етровом сл ое а т ­
м осф ер ы . Н а рис. 4 .2 0 они п р е д с т а в л е н ы д л я х о л о д н о г о п о л у го д и я .
А налогичны е граф ики построены т а к ж е дл я теплого полугодия.
С учетом ха р а к т ер а у к а за н н ы х свя зей , а т а к ж е известны х ф и ­
зич еск и х за к о н о м е р н о с т е й на г р а ф и к а х в ы д ел я ю т ся обл асти с р а з ­
личной п ов торя ем ость ю вы соких зн ач ений п ар ам етр а Р и п р ов о­
д я т ся и зол и н и и п о в т о р я е м о с т е й или а б с о л ю т н ы х величин. П р и р а з ­
р а б о т к е с х е м ы з д е с ь п р о я в л я е т с я о п р е д е л е н н а я с у б ъ е к т и в н о с т ь , hoi
158
в знач ительной степ ен и он м о ж е т бы ть к о м п е н с и р о в а н за счет п о л ­
ноты учета р е а л ь н ы х з а в и с и м о с т е й м е ж д у р а с с м а т р и в а е м ы м и в е ­
личинами. Б л а го д а р я э т о м у , о п р а в д ы в а е м о с т ь пр огнозов, с о с т а в ­
л ен н ы х по д а н н о й с х е м е , н е р е д к о о к а з ы в а е т с я в ы ш е, чем п о д р у ­
гим схем ам .
Д л я ряда обл астей С С С Р
были
предлож ены
региональны е
уточнения п р огноза п а р а м ет р а Р (М ет о д и ч еск и е ук а зан и я , 1 979).
Д ^0-650 °С
P^To-aso ’ ^ 50°
Рис. 4.20. Графики для прогноза пок азателя Р в холодны й период
отсутствии инверсии в ниж нем километровом слое.
года при
Так, для С р едн ей А зи и у ст а н о в л е н а за в и си м о ст ь м е ж д у о ж и д а е ­
мыми зн ач ен и я м и Р и да н н ы м и о н а п р а в л ен и и и ск ор ости ветра на
в ы с о т е 1 км д л я п р е д ш е с т в у ю щ е г о 1 2 - ч а с о в о г о п е р и о д а в р е м е н и .
В схеме последовательной граф ической регрессии, р азработанной
в У ральском У Г К С , и сп о л ь зу ет ся во сем ь п р ед и к т о р о в так, что
Р = Р { [ ( Г т ,
Оо), (Л Го - 925. ^925)] [ д т ; , , Р ' ) ( 6 Я 700, v V ) ] } ,
г д е Тт — м а к с и м а л ь н а я т е м п е р а т у р а в о з д у х а д н е м , Д7^' — м е ж д у с у т о ч н ы е и з м е н е н и я Тт , б # 7оо — г р а д и е н т г е о п о т е н ц и а л а на у р о в н е
7 0 0 г П а , V 2p — л а п л а с и а н д а в л е н и я н а у р о в н е з е м н о й п о в е р х н о с т и .
Д л я Таллина ок азал ось в озм ож н ы м прим енить графики р егр ес­
с и и (р и с . 4 . 1 9 ) , п о с т р о е н н ы е д л я Л е н и н г р а д а , а д л я Р о с т о в а —
те ж е , что д л я К и е в а (р и с. 4 .2 0 ) .
Ч ебан енк о и др. (19 7 6 ) п р е д л о ж и л и сп ец и аль н ы й способ п р ог­
ноза вероятности о п р ед ел ен н ы х г р а д а ц и й п а р а м е т р а Р, а т а к ж е
159
повторяем ости больш их значений концентраций для условий И р ­
кутской области.
Н а и б о л е е сущ ественны м р езул ь татом р а зр а б о т к и схем ы по м е ­
тоду последовательной графической регрессии является д о ст а то ч ­
но х о р о ш а я о п р а в д ы в а е м о с т ь п р о г н о за о т н о си т ел ь н о в ы сок ого з а ­
грязнения в о зд у х а в городе. В пер и од испы таний схем ы в 1975—
1 9 7 6 гг., п о м а т е р и а л а м р я д а г о р о д о в С С С Р б ы л о с о с т а в л е н о 3 0 2
пр огн оза редк о встречаю щ ихся случаев относительно вы сокого з а ­
грязнения
воздуха
(Р р > 0 ,3 5 ), из
которых
оправдалось
230
(76 % ).
П р и прогнозе д р у ги х групп за гр я зн ен и я в о зд у х а (п овы ш енного
и пони ж енного) по схем е п осл едовател ьн ой граф и ческой р ег р ес­
сии в Л ен и н гр а д е с учетом синоптической ситуации получены не­
к о т о р ы е п о п р а в к и к ней (М е т о д и ч е с к и е у к а з а н и я , 1979; И в а н о в а
и С онькин, 1 976). Так, есл и о ж и д а е т с я с м ещ ен и е на р а с с м а т р и в а ­
емы й район развитого циклона, то сл ед у ет п р едск азы вать м ен ь ­
ш ую
степень за г р я зн ен и я в о з д у х а , чем это с л е д у е т из сх ем ы ,
а им енно со сед н ю ю группу. В с л у ч а е когда в течение п р о г н о зи р у е ­
мого периода ож идается сохранение над городом центральной ч а ­
сти антицик лона или оси гребня, п р е д с к а з ы в а е т с я с о с е д н я я с у к а ­
з а н н о й по с х е м е гр уп п а с б о л е е в ы со к и м з а г р я з н е н и е м в о з д у х а .
С учетом эт и х поправок оп р ав д ы в аем ость прогнозов в Л е н и н г р а д е
п о в ы с и л а с ь б о л е е ч ем н а 10 %.
П о данны м прогноза группы Р м о ж н о оценить и зн ач ен и е п р о г­
н о з и р у е м о й к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с и q. Д е й с т в и т е л ь н о , в е л и ч и н а Р
(см . 4 .3 2 ) ) уч и ты вает сл у ч а и п р ев ы ш ен и я к о н ц ен т р а ц и и с р е д н е ­
сезон н ого зн ач ен и я q на 5 0 % . С л ед о в а тел ь н о , устан ови в п о с л е д ­
н и й , м о ж н о п р и б л и ж е н н о в ы ч и с л и т ь и о ж и д а е м о е з н а ч е н и е q.
4.6.3. М етод группового у ч ета аргум ентов. В р я д е я п о н с к и х
и итальянских работ по п рогнозу загр я зн ен и я в о зд у х а эф ф ек ти в н о
используется м етод группового учета аргум ентов (М Г У А ), п р е д л о ­
ж ен н ы й И в а х н ен к о (И в а х н ен к о , Л а п а , 1971). Э тот м е т о д м о ж н о
р ассм атр ивать как н ек отор ое м а т ем а ти ч еск о е о б о б щ е н и е м ет о д а
граф ической регрессии, в котором субъек тивное пров еден и е кри­
вых за м ен е н о , по сущ ест в у, п остр оен и ем объ ек т и в н ы х з а в и с и м о ­
стей по сп о со б у наим ен ьш их квадр атов. В д а н н о м м ет о д е а п п р о к ­
сим ация нелинейной зав и си м ости преди к тан та f от п р ед и к тор ов
Хи х 2, хз, . . . , x N о с у щ е с т в л я е т с я з а с ч е т в в е д е н и я п р о м е ж у т о ч н ы х
п е р е м е н н ы х г/, о п р е д е л я е м ы х п а р а м и п р е д и к т о р о в .
При
этом
обы чно ограничиваю тся для п ром еж уточны х функций билинейны м
или к вадратич ны м в ы р а ж ен и ем так, что и сп о л ь зу ет ся п р и б л и ж е ­
ние
y = w 0 + Wi Xk + w 2x m - f w 3x kx m
(4.39)
или
У = ао + a \ X k + а 2х т + азх\ + а 4х 2
т - f a5x kxm,
г д е Xh и хт — к о н к р е т н ы е п р е д и к т о р ы .
К о э ф ф и ц и е н т ы Wi и л и а* о п р е д е л я ю т с я
160
методом
(4.40)
наим еньш их
квадратов или м етодом сл учайного поиска. З а т ем анализируется
з а в и с и м о с т ь п о л у ч и в ш и х с я в е л и ч и н у д л я в с е в о з м о ж н ы х п а р хц.
и хт- З н а ч и м ы е п р е д и к т о р ы о т б и р а ю т с я и н а и х о с н о в е р а с с ч и т ы ­
ваю тся предикторы « сл едую щ его уровн я». П р о ц есс п родолж ается
д о т ех п ор , п о к а ср ед и п р е д и к т о р о в « п о с л е д н е г о у р о в н я » не о б н а ­
р у ж и т ся п а р а , тесно св я за н н а я с п р о гн о зи р у е м о й концентрацией.
П р и р е а л и за ц и и м ет о д а в р а б о т а х С о ед а (S o e d a , 1979), Саваг а р и и д р . ( S a v a g a r i e t a l., 1 9 7 8 ) в н е г о б ы л и в в е д е н ы н е к о т о р ы е
усоверш енствовани я, основанны е на использовании так назы вае­
м ого и н ф о р м а ц и о н н о г о к р и т ер и я А к а и к е (A k a ik e, 1970)
А1С =
АЧп4 +
2 (л +
1) -{- с.
(4.41)
Здесь
sn = ~ j r T
j
а= 1
( у * — # “) 2 ’
где N — о б щ и й о б ъ е м вы борки, п — к ол ичество независим ы х аргум е н т о в , у а — п р о г н о з и р у е м ы е вел и ч и н ы , у а — их о ц ен к и по ф о р м у ­
л а м (4 .3 9 ) или (4 .4 0 ). С п о м о щ ь ю A I C вы б и р а ю тся значим ы е п е ­
р е м е н н ы е Xh в ф о р м у л а х ( 4 . 3 9 ) — ( 4 . 4 0 ) д л я п р о м е ж у т о ч н ы х п е р е ­
менны х у, д а ю щ и х наи м ен ьш и е зн а ч ен и я A IC , а т а к ж е оп р едел я ­
ется, к о г д а н у ж н о п р ек р ати ть п е р е х о д
от предикторов одного
ур овн я к п р ед и к то р а м д р у г о го у р о в н я (остановк а соответствует
моменту, когда A IC п ер естает у б ы в а т ь ).
Д л я проверки м етода бы ли и спользован ы дан н ы е наблю дений
в г. Т о к у с и м е ( с 1 п о 10 м а я — д л я о б у ч е н и я и к о н т р о л я , а с 11
п о 12 м а я — д л я п р о в е р к и к а ч е с т в а п р о г н о з а ) . И с х о д н а я и н ф о р ­
м а ц и я в к л ю ч а л а е ж е ч а с н ы е и з м е р е н и я к о н ц е н т р а ц и и S 0 2 на ч е ­
ты рех п у н к та х в г о р о д е (д а н н ы е за п р о п у щ ен н ы е сроки во сста ­
навли вались и н т ер п ол я ц и ей ), зн ач ен и я скорости и направления
ветра, а т а к ж е усл ови й погоды
(я сн о,
облачно,
дож дь ).
Для
оценки точности п р о гн о за (табл . 4 .1 4 ) исп ол ь зовал ась метрика
24
Т а б л и ц а 4.14
Оценка точности прогноза по М ГУА
Заблаговременность прогноза, ч
Пункт
1
2
3
4
П
З а к а з Mi 30
1
2
2,45
3,94
2,08
1,57
3,00
5,65
2,93
1,6 6
161
К а к видно, при испол ьзован и и д а н н о г о м ет о д а
погреш ность
пр о гн о за не очень сильно р а ст ет с у в ел и ч ен и ем за б л а г о в р е м е н н о ­
ст и ; т о ч н о с т ь п р о г н о з а л у ч ш е , ч е м п р и и с п о л ь з о в а н и и л и н е й н о й
р егр есси и . О д н а к о р е а л и з а ц и я д а н н о г о а л го р и т м а с в я за н а со з н а ­
ч и т ел ьн ы м и з а т р а т а м и в р е м е н и Э В М (п о с р а в н е н и ю с а л г о р и т ­
м а м и , о с н о в а н н ы м и на б о л е е п р о с т ы х с т а т и с т и ч е с к и х м о д е л я х ) .
4.7. Метод распознавания образов
Д л я изучения м етеорологическ их условий загрязнения воздуха
по м а т ер и а л а м р я да городов С С С Р проводили сь разр аботк и на
основе м етода распознавания обр азов
( Г е н и х о в и ч и д р ., 1 9 7 3 ) .
П р и использовании данного м етода результаты
наблю дени й за
степенью загря зн ен и я воздуха и м етеорологическ ие характеристики
р а з б и в а ю т с я на группы, с о о т в ет ст в у ю щ и е разл и ч н ы м уровн ям з а ­
гр язнения в о зд у х а . С этой цел ью величины хар актер истик о т ­
д е л ь н о г о к о м п л е к с а ( с и т у а ц и и ) х\, х 2, . . . , x N р а с с м а т р и в а ю т с я к а к
к о о р д и н а т ы т о ч к и х в ./V- м е р н о м
пространстве.
Д анны е о кон­
центрации прим еси и относящ и еся к ним ситуации группирую тся
так, чтобы, н ап р и м ер , вы делить т р и группы зн ач ен и й к о н ц ен тр а ­
ций: б о л ь ш и х ( I ) , с р е д н и х
(II) и м ал ы х
Для
каждой
г р у п п ы , с о с т о я щ е й и з М; с и т у а ц и й , о п р е д е л я ю т с я ц е н т р т я ж е с т и
i -й х а р а к т е р и с т и к и x t и с р е д н я я д и с п е р с и я а
Н апример, для
(III).
I группы
З а т ем конкретны й ком плекс харак тери сти к , рассм атр и ваем ы й как
н а б о р п р еди к тор ов , и с п о л ь зу ет ся д л я о п р е д е л е н и я группы, к к о ­
торой м ож н о отнести п р огн ози руем ую ситуацию . Д л я к аж дой кон­
кретной ситуации, хар ак тер и зуем ой в ф азов ом пространстве точ­
к о й у с к о о р д и н а т а м и у i, у 2, . . . , Ух, о п р е д е л я е т с я р а с с т о я н и е д о
ц ен т р а т я ж е с т и группы I
А н а л о г и ч н о н а х о д и т с я р а с с т о я н и е д о г р у п п II и I I I , т. е. р2 и рзС и т у а ц и я у от н о си т ся к той гр у п п е, р а с с т о я н и е д о к о т о р о й м и н и ­
мально.
П одготовительны й этап работы (обуч ен и е) состоит в группи­
ровке данн ы х и ситуаций и в получении характеристик групп
«образов». С обственно прогноз заклю чается в определении р а с­
стояния д о групп, а п р ед ск а за н и е степени за гр я зн ен и я в о зд у х а —
в устан ов л ен и и группы с м ини м альны м р асст оя н и ем д о о ж и д а е м о й
ситуации. Зак лю чительны й
этап — проверка
прогноза — о п р ед е­
л яется как « эк за м ен » .
№
Данны й метод применялся дл я анализа м атериалов наблю де­
ний за несколько л ет в р я д е г о р о д о в . П р и это м отдел ь н о р а с с м а т ­
ривали сь сл у ч а и н а б л ю д е н и й в п е р в у ю п о л о в и н у д н я (от 6 д о
12 ч ) и в о в т о р у ю ( о т 15 д о 21 ч) в ц е л я х и с к л ю ч е н и я с у т о ч н о г о
х о д а п р е д и к т о р о в . К г р у п п а м I, II и I I I о т н о с и л и с ь с о о т в е т с т в е н н о
случаи с Р > 0 , 2 5 , 0 ,1 5 < ] Р ^ 0 , 2 5 и Р ^ 0 , 1 5 . В качестве предикто­
р ов п р и н и м а л и с ь с л е д у ю щ и е х а р а к т е р и с т и к и : п о к а з а т е л ь Р ', с к о ­
р ости вет р а на у р о в н е ф л ю г е р а и на в ы с о т е 5 0 0 м, р а з н о с т ь м е ж д у
т ем п ер а т у р а м и на у р о в н е з е м л и и 5 0 0 м, т е м п е р а т у р а в о з д у х а
у зем ли и н ап р ав л ен и е ветра на ур о в н е ф л ю гер а. П р и эк за м ен е
оп р авды ваем ость п р о г н о за о п р е д е л я л а с ь о тн ош ен и ем количества
правильных п рогнозов д л я эл ем ен т о в
р а с с м а т р и в а е м о й группы
к общ ем у количеству прогнозов.
Д л я Ч и т ы и К р а с н о я р с к а « о б у ч е н и е » п р о в о д и л о с ь по м а т е р и а ­
л а м н а б л ю д е н и й з а д е к а б р ь — ф е в р а л ь 1 9 6 7 - 6 8 и 1 9 6 8 - 6 9 гг. П р о ­
г н о з и р о в а н и е о с у щ е с т в л я л о с ь з а т о т ж е п е р и о д и, к р о м е т о г о , п о
н е з а в и с и м ы м д а н н ы м д л я Ч и т ы з а т е ж е м е с я ц ы 1 9 6 9 - 7 0 г. О к а ­
за л о с ь , что о п р а в д ы в а е м о с т ь с у ч е т о м в с е х п р е д и к т о р о в по г р у п ­
п а м I, II и I I I с о с т а в л я л а с о о т в е т с т в е н н о 6 5 , 61 и 7 6 % , а б е з у ч е т а
п р е д и к т о р а Р ' — 48, 58 и 5 0 % . Д л я К р а с н о я р с к а с у ч ет о м в сех
п р е д и к т о р о в о п р а в д ы в а е м о с т ь с о с т а в л я л а 8 6 , 7 2 и 71 %, а б е з
учета Р ' — 70, 56, 65 % ■ У ч ет н е к о т о р ы х д о п о л н и т е л ь н ы х усл ови й
п о зв о л и л п овы си ть о б щ у ю о п р а в д ы в а е м о с т ь п р о г н о за на 5 — 7 % .
М етод р а сп о зн а в а н и я о б р а зо в п р и м ер н о по аналогичной схем е
б ы л и с п о л ь з о в а н в р а с с м о т р е н н о й в п. 4 . 5 р а б о т е М а л е и Ж у к о в а
(M alet, J o u k o ff, 1978) д л я п р о г н о з а з а г р я з н е н и я в о з д у х а в Б е л ь ­
гии. П р и э т о м в к а ч е с т в е и н т е г р а л ь н о г о п о к а з а т е л я з а г р я з н е н и я
в о з д у х а в г о р о д е п р и н и м а л с я и н д е к с , с х о д н ы й с ( 4 .3 2 ) , и д л я него
в ы б и р а л и с ь у к а з а н н ы е в п. 4 .5 т р и д и а п а з о н а д л я х а р а к т е р и с т и к и
трех степеней загр я зн ен и я в о з д у х а . В к ачестве исходн ого м ате­
р и а л а и с п о л ь з о в а л и с ь д а н н ы е н а б л ю д е н и й с 1 9 6 8 п о 1 9 7 5 г. П р о ­
верка прогн оза о су щ ест в л я л а сь д л я р а й о н а А н тв ерп ен а. П о л у ­
ч е н о , что и з о б щ е г о ч и с л а 9 0 7 р а с с м о т р е н н ы х с л у ч а е в п р о г н о з
оправдался в 7 3 % , а при м ен ее ж е с т к о м критерии оправды вае­
м о с т и — в 8 7 %. Т е м н е м е н е е а в т о р ы п о к а н е с о ч л и в о з м о ж н ы м
рекомендовать м етод дл я еж едн ев н ого использования в оператив­
ной пр актике.
4.8. Использование дискриминантного анализа
и введение кластеров
М етод р асп озн аван и я об р а зо в и н огда оп р едел яю т как кластер­
ный а н а л и з, п о с к о л ь к у о н с в я з а н с в в е д е н и е м к л а с т е р о в (пучков,
групп, о б р а з о в ) . Т а к о й а н а л и з а к т и в н о р а з р а б а т ы в а е т с я в и с с л е ­
д о в а н и я х а в т о м а т и ч е с к и х с и с т е м к о н т р о л я . П р и м е н е н и е его к з а ­
дачам краткосрочного п рогн оза за г р я зн ен и я воздуха вы полнялось
в работах японских авторов, д о л о ж ен н ы х
на М е ж д у н а р о д н о м
с и м п о з и у м е в К и о т о в 1 9 7 7 г. ( с м . п . 4 . 3 ) .
11*
163
Ф у н а б а ш и и д р . ( F u n a b a s h i e t a l., 1 9 7 8 ) и с п о л ь з о в а л и в в е д е ­
ние к л астер ов в прогн ости ческ и х ц е л я х при статистическ ом а н а ­
л изе нелинейны х связей м е ж д у со д ер ж а н и ем в воздухе некото­
рых прим есей , хар ак тер н ы х дл я ф отохи м и ч еск и х смогов, и м ет ео ­
р о л о г и ч е с к и м и э л е м е н т а м и . К а к о т м е ч а л о с ь в п. 3 .8 . п р и ф о т о ­
хим ических п р о ц есса х в сл уч ае дост аточ н ой интенсивности со л ­
нечной р а д и а ц и и им еет м есто оп р ед ел ен н ы й тип суточного х о д а
окислов а зота ( N 0 * ) и ок сидан тов (О*), в частности озона, с м а к ­
с и м у м о м в д н е в н о е в р е м я . И з м е н е н и е к о н ц е н т р а ц и и Од, а в т о р ы
связы ваю т с дв ум я гр уп п ам и м етеор ол оги ч еск и х факторов. О дн а
из них со д ер ж и т микро- или м езом асш т абн ы е
характеристики
(гл авн ы м о б р а з о м ветер в п у н к т а х н а б л ю д е н и я ) , д р у г а я — х а р а к ­
тери сти к и си н оп ти ч еск ого м а с ш т а б а (а т м о с ф е р н о е давл ен и е, его
горизонтальны й гр адиен т
и
тенденцию ,
температуру
воздуха
в б л и з и з е м л и и на у р о в н е 8 5 0 г П а , т о ч к у р о сы и о б л а ч н о с т ь ).
С оответственно вводятся два м ногом ерны х вектора: м езом асш табны й т и с и н о п т и ч е с к о г о м а с ш т а б а М. П е р в ы й m = ( n i [ , т 2) о п р е ­
д ел я ет ся век тор ам и ветра т i и к о н ц ен тр а ц и и
п р и м е с и т2, п о ­
ст р о ен н ы м и по с о в о к у п н о с т и с о о т в е т с т в у ю щ и х д а н н ы х н а б л ю д е ­
ний . П р и э т о м в ы д е л я е т с я р е г у л я р н о е с л а г а е м о е т о , о п и с ы в а ю щ е е
п е р и о д и ч е с к и е к о л е б а н и я в е к т о р а т с п е р и о д о м , р а в н ы м 2 4 ч.
Вектор М о п р едел я ет ся совок упностью ук а за н н ы х синоптических
параметров.
В качестве и сходного м атер и ал а использован ы результаты м е ­
теорологических наблю ден и й и непреры вной регистрации концен­
т р а ц и и N 0 * и О* в о д н о м и з р а й о н о в Т о к и о в п е р и о д с м а я п о о к ­
т я б р ь 1 9 7 2 г.
С тавится з а д а ч а п р о гн о за с о с т а в л я ю щ и х в ек то р а т хот я бы
на н е с к о л ь к о ч а с о в , что, к а к о т м е ч а ю т а в т о р ы , м о ж е т с п о с о б с т в о ­
вать ум ен ь ш ен и ю у щ ер б а , н ан оси м ого
ф отохим и ческим см огом .
П рогнозу т способствует группировка еж ечасн ы х данны х с ис­
пользованием кластерного ан ал иза. Д л я этого вводится простран­
с т в о к л а с т е р о в н а в е к т о р а х X( i ) = [ m( i ) ,
где 1 = 1 , 2 , . . .
. . . , / — номер н а бл ю ден и я.
Как и в м етоде распознавания обр азов , определяется расстоя­
н и е м е ж д у р а с с м а т р и в а е м ы м и в е л и ч и н а м и X (i) и X ( j ) , р а в н о е
d [ X ( i ) , X (j)]. О н о в ы ч и с л я е т с я с п о м о щ ь ю с л е д у ю щ е й м е т р и к и :
d [X (i), X
(у)] =
|| [т (О, М (/)] -
[т (у), М
(у)] fA,
(4.42)
где
a Dm и D M — диагональн ы е матрицы, эл ем ен там и
которых яв­
л я ю т с я с т а н д а р т н ы е о т к л о н е н и я к о м п о н е н т в е к т о р о в т и М\ А т
и Ам — матрицы , составленны е из той части собственны х век то­
р о в к о р р е л я ц и о н н ы х м а т р и ц д л я т и М, с о б с т в е н н ы е з н а ч е н и я к о ­
торы х в сум м е да ю т 8 0 % сл ед а матрицы ; А' озн ач ает транспони­
164
р о в а н н у ю м а т р и ц у А. О б ъ е д и н е н и е
в е к т о р о в X ( i) в к л а с т е р ы
П ( Р ) , Р = 1, 2,
s о с у щ е с т в л я е т с я так, ч т обы м ак си м и зи р ов ат ь
корреляционное отнош ение
ja =
1 — а ^ / а 2,
(4 .4 4 )
где
О2 ----- J- Z d \ ( X ( i ) , X),
1= 1
_
'
=
_
* (0.
x = 4 - £
/= 1
£ у ( * ( П ( р ) , i), x , ) \
P fl= 1 / = 1
7P
Xt = - f £
x
£=1
(П(P),
i).
(4.45)
Зд есь дл я вектора X( i ) , п р и н а д л еж а щ ег о к л аст ер у П ( Р ) , исполь­
з о в а н о о б о з н а ч е н и е Х ( П ( Р ) , i), / р — к о л и ч е с т в о э л е м е н т о в в к л а ­
с т е р е Пр. К о л и ч е с т в о и с п о л ь з у е м ы х к л а с т е р о в s п о с л е д о в а т е л ь н о
п р и н и м а е т с я р а в н ы м 1, 2 и т. д . , п р и ч е м э т о т п р о ц е с с п р е к р а ­
щ а е т с я на т о м э т а п е , к о г д а д а л ь н е й ш е е у в е л и ч е н и е s н а ч и н а е т
п р и в о д и т ь к р е з к о м у и з м е н е н и ю jx.
В ы б о р к л а с т е р а /, с о о т в е т с т в у ю щ е г о к о н к р е т н о й с и н о п т и ч е с к о й
с и т у а ц и и М, т. е. р а с п о з н а в а н и е о б р а з а с и т у а ц и и М
осущ ест­
вляется просты м д и ск р и м и н а н т н ы м м етодом , основанны м на с о ­
поставлении у с л о в н ы х в е р о я т н о с т е й р ( $ / М) п р и н а дл еж н о ст и к л а­
с т е р у р п р и у с л о в и и н а б л ю д е н и я в е к т о р а М. П о с к о л ь к у
рф/М)
удовлетворяет соотнош ению
р (Р/Л4) = р ( Л а д р ф)/р (М),
( 4 .4 6 )
г д е р (Л 1 / Р ) — условны е вероятности
синоптической
ситуации М
д л я к л а с т е р а (5; р ( ( 5 ) и р ( М ) — а п р и о р н ы е в е р о я т н о с т и к л а с т е р а (S
и с и т у а ц и и М, к л а с т е р I я в л я е т с я о б р а з о м в е к т о р а с и н о п т и ч е с к о й
с и т у а ц и и М, е с л и д л я в с е х (3 в ы п о л н я е т с я н е р а в е н с т в о :
р(М/1)р(1)^р(М/®рф).
(4.47)
При
практической
реализации
условная
вероятность
р( М/ 1)
аппроксимируется гауссовским р асп р едел ен и ем , парам етрам и к о­
т о р о г о я в л я ю т с я 8 0 % - н ы е г л а в н ы е к о м п о н е н т ы в е к т о р а М, т. е.
вектор z ( i ) , о п р е д е л я е м ы й по ф о р м у л е
z ( i ) ^ A MDH' h M( i ) .
(4.48)
П р о г н о з з н а ч е н и й m Q(xk) в е к т о р а с у т о ч н о г о х о д а т 0 в к о н к р е т ­
н ы е с р о к и с у т о к Xk { k = \ , 2, . . . , К ) п р о и з в о д и т с я о т д е л ь н о д л я
каж дого кластера на основе ур ав н ен и я регрессии
т 0 (т*) = 4 £ г + <4£,
(4.49)
г д е Y = ( m , 1 ) , A®x k — м а т р и ц а к о э ф ф и ц и е н т о в , о п р е д е л я е м а я м е ­
то д о м н а и м ен ь ш и х к в а д р а т о в , a etj — н е в я зк а , к оторая при п р о­
гнозе отбр асы вается.
165
Д л я у т о ч н ен и я п р о г н о за в ек т о р а т и р е ш е н и я у р а в н е н и я (4 .4 9 )
с у ч е т о м н е в я з к и е в в о д и т с я п о п р а в о ч н ы й ч л е н Ат, с о о т в е т с т в у ю ­
щ и й м о м е н т у в р е м е н и t. П р о г н о з А т о с у щ е с т в л я е т с я н а о с н о в е
уравнения регрессии с экспоненциальны м сглаж иванием , эквива­
л е н т н ы м ф и л ь т р а ц и и ш у м о в п о В и н е р у ( с м . п. 4 . 3 . 1 ) . Р а с ч е т в е ­
д е т с я по ф о р м у л а м
Arrij (t) = а 1 Ьт (t — 1),
о/
(<) =
г
- , ( 0 р' ( 0 .
I
Г (0 =
(1 — ( о ) Г 0 + - у - ] Г б / п ( г — i ) 6 t n ' { t - i ) ,
i= i
где
b m ( t ) = ( A mj ( t ) , Am. j { t — \), . . . , Am j ( t — t N, 1),
Г 0, р ' — а п р и о р н ы е
значения
для
— ^бтбт'
и - 5 - £ б т Д т-,\
со — в е с а п р и о р н ы х з н а ч е н и й .
И з л о ж е н н ы й ал гор и тм бы л а п р о б и р о в а н на м а т е р и а л а х н а б ­
лю дений. П ри этом в рам ках кл астерного анал иза бы ло показано,
ч то д л я м е з о м а с ш т а б н ы х п е р е м е н н ы х 8 0 % - н ы е г л а в н ы е к о м п о ­
ненты соотв етств ую т восьм и, а д л я си н оп ти ч еск и х п ер ем ен н ы х —
пяти первы м ест еств ен н ы м ф у н к ц и я м . Д а н н ы е бы ли сгр уп п и р о­
ван ы в пять к л а с т е р о в , д о п у с к а ю щ и х ч е т к у ю и н т е р п р е т а ц и ю . О к а ­
з а л о с ь , что к л а с т е р 2 о п и с ы в а е т с и т у а ц и и « о б л а ч н о » и л и « д о ­
ж дли во», которым соответствую т низкие конц ентрац ии оксидантов.
А н ал и з д ан н ы х о скорости и н а п р а в л ен и и ветра, хар ак тер н ы х д л я
к л а с т е р о в 2 и 3, с в и д е т е л ь с т в у е т о б и х с в я з и с б р и з о в ы м и э ф ф е к ­
т а м и з а счет в л и я н и я за л и в о в С а г а м и (к л аст ер
2)
и Каш има
(кластер 3 ) . К л астер 4 соот в ет ств ует типичны м летн и м усл овиям
(вы сокие т ем п ер а т у р ы , с л а б а я
облачность,
больш ие
скорости
в е т р а ) , а к л а с т е р 5 — тип и чн ы м о с е н н и м у с л о в и я м (в ы со к о е д а в ­
ление, ум ер ен н а я т ем п ер а т у р а ). О п р авды ваем ость прогноза к л а­
с т е р а д и с к р и м и н а н т н ы м м е т о д о м с о с т а в и л а б о л е е 8 0 до­
вы п олн ен а т а к ж е оценка зн ач им ости сл а га ем ы х при прогнозе
концентрации ок сидан тов. В то врем я, как с т а н д а р т н о е отк л он е­
н ие
к он ц ен тр ац и й О* в
использованной
вы борке равнялось
2 , 3 6 ( 1 0 0 м л н ) “!, с т а н д а р т н а я о ш и б к а п р о г н о з а н а 1 ч п р и у ч е т е
т о л ь к о то д о с т и г а л а 1 , 5 8 ( 1 0 0 м л н ) - 1 . П р и э т о м а в т о к о р р е л я ц и о н ­
ная ф у н к ц и я о ш и б к и п р о г н о за , к а к в и д н о и з рис. 4 .2 1 а , не с о о т в е т ­
ствовала б ел ом у ш уму. Д о б а в л ен и е Ат
позволило
уменьш ить
с т а н д а р т н у ю о ш и б к у п р о г н о з а н а 1 ч д о 0 , 7 8 ( 1 0 0 м л н ) -1 и о д н о ­
врем ен но улучш ить авток орреля ц и он н ую ф ункцию ош ибки п ро­
гноза. С оп остав л ен и е ф ак ти ч еск и х зн ач ен и й к он ц ен тр ац и и с п р о ­
г н ости ч еск и м и (по т 0 и по т ^+А т ) д л я д в у х и с с л е д о в а н н ы х д н е й
д а н о на рис. 4 .2 1 6 .
О д и н из и н т ер е с н ы х и в то ж е в р е м я о ч е в и д н ы х р е зу л ь т а т о в ,
п о л у ч е н н ы х в р а б о т е Ф у н а б а ш и и д р . ( F u n a b a s h i e t a l., 1 9 7 8 ) , з а ­
166
клю чается в вы явлении тесн ой св я зи суточного хода концентрации
примесей с хар ак т ер и ст и к ам и синоп тического м асш таба. А н а л о ­
гичные п р е д с т а в л е н и я п о л о ж е н ы в о с н о в у р а б о т ы Саито и Т акеды
(S a ito , T a k ed a , 1978) , к отор ы е
использовали
метод
введения
кластеров д л я п р о гн о за суточ н ого х о д а концентраций примесей.
В н ей с т а в и т с я з а д а ч а п о л у ч е н и я с т а т и с т и ч е с к и о п т и м а л ь н о й э к с ­
т р а п о л я ц и и н а 1— 3 ч д а н н ы х о п р е д ш е с т в у ю щ е м и з м е н е н и и к о н ­
ц ен т р ац и и со в р е м е н е м . Е с л и в р а б о т е Ф у н а б а ш и и др. п р е д и к т о ­
р ам и я в л я л и сь о п р е д е л е н н ы е г р у п п ы (к л а ст ер ы ) синоп тик о-м етеорологических усл о в и й , то з д е с ь в к ач естве предикторов выбраны
дг0 ( Ю0млн)~
15
10
1 1
6
18
30
J ..2
5
'“ J
0
t я
Рис. 4.21а. Автокорреляционная функ­
ция концентрации Оз ( / ) , ошибка
прогноза по (4.49) (2)
и ош ибка
уточненного прогноза по (4.49) и
(4.50) (3 ).
/2
18
2 1 IX
24
6
1Z
18
22 IX
244
Рис. 4.216. Концентрации Оз по дан­
ным наблю дений ( 1) и прогноза по
уравнению (4.49) (2) и уравнениям
(4.49) и (4.50) («?).
типы су т о ч н ы х и з м е р е н и й к о н ц е н т р а ц и й п р и м е с и д о м о м ен та вы­
дачи прогноза. Б о л ее конкретно поставлена задач а
разработки
с х е м ы п р о г н о з а к о н ц е н т р а ц и и S 0 2 д л я с р о к о в 13 и 14 ч п о д а н н ы м
е ж е ч а с н ы х и з м е р е н и й к о н ц е н т р а ц и й в э т и ж е с у т к и от 1 д о 12 ч.
С этой целью а п п а р а т к л а ст ер н о го а н ал и за прим еняется к векто­
р а м Х т= { Х т ( п) } , г д е т = \ , 2,
М — н ом ер дня наблю дений,
а п — 1, 2,
N — ном ер срока за данны й день. При еж ечасны х
н а б л ю д е н и я х N = 24, в д а н н о й р а б о т е и с п о л ь з о в а л о с ь j V = 1 4 , ч то
с о о т в е т с т в о в а л о с р о к а м о т 1 д о 14 ч. М н о ж е с т в о н о м е р о в д н е й
н а б л ю д е н и й М = { 1 , 2, 3, . . . , М} н а х о д и т с я в о в з а и м н о о д н о з н а ч ­
н о м с о о т в е т с т в и и с м н о ж е с т в о м X в с е х в е к т о р о в Хт■ Т а к и м о б р а ­
з о м , к л а с т е р ы м о ж н о о п р е д е л я т ь к а к п о д м н о ж е с т в а м н о ж е с т в а М.
Д а л е е с т р о и т с я м н о ж е с т в о 5 в с е х п о д м н о ж е с т в М, т. е.
5
= ({ 1}, { 2 } , . . . , { М } )
и для л ю бы х д в у х его эл ем ен т о в (к л а ст ер о в ) А и В определяется
р а с с т о я н и е м е ж д у н и м и б (А, В) .
П р оц едур а вы дел ен и я к л а ст ер о в состоит в последовательном
о б ъ е д и н е н и и в е к т о р о в Х т, о с у щ е с т в л я е м о м п о с л е д у ю щ е м у а л г о ­
р и т м у : 1-й ш а г с о с т о и т в п о и с к е т а к о й п а р ы к л а с т е р о в G и Я , д л я
которой
b( G, Н ) =
m in
6 (Л, В);
A, B e S
167
2-й ш а г з а к л ю ч а е т с я в о б ъ е д и н е н и и G и Я , и зм е н е н и и S в с о о т ­
в е т с т в и и с п р а в и л о м S — { G , Н) + { G U Щ - * - S ; н а 3 -м ш а г е в ы ­
ч и с л я е т с я р а с с т о я н и е б (Л , д [ ) Н ) д л я в с е х - 4 e S и п р о и с х о д и т
возвр ат к первом у ш агу.
С н ач ал а уст ан ав л и в ается р асст оя н и е б дл я М кластеров, со ­
сто я щ и х из о д н о г о э л ем ен т а . В этом
случае
оно
определяется
обы чной евклидовой метрикой
ьт ,
у})= 4 ,
(4 .5 0 )
где
di} =
S
{ Xi { n) — Xi { n) \ \
п= 1
Д л я кластеров бол ее сл ож н ой структуры С аито и Такеда ис­
пользую т м етрику В а р д а , которая вводится следую щ им образом :
п у с т ь а Х [ { } ) о з н а ч а е т к о н ц е н т р а ц и ю д л я / - г о с р о к а и /-г о д н я н а б ­
лю ден и й , отн осящ ую ся к к л а ст ер у Л , а М А — о б щ ее количество
в е к т о р о в к о н ц е н т р а ц и и Хт в э т о м к л а с т е р е . В е л и ч и н а Va о п р е д е ­
л я е т с я по ф о р м у л е
МА
v*= Е
N
£ и Х ( ( Л - » Х ( У ) ] 2,
(4.51)
i=L / = 1
где
_
МА
л Х Ц ) = I , AX i { j ) I MA.
(4 .5 2 )
i= I
В е л и ч и н а Va х а р а к т е р и з у е т с р е д н и й к в а д р а т р а з б р о с а э л е м е н т о в
к л а ст ер а о тн оси тельн о его ц ен т р а т я ж ест и . Т о гд а м етрика В а р д а
6 (Л , В) о п р е д е л я е т с я к а к п р и р а щ е н и е AVc с р е д н е г о к в а д р а т а
р азбр оса элем ентов в случае объединения кластеров А а В в один
к л а с т е р С. Т а к и м о б р а з о м ,
6 (Л, B) = A V c = V c - ( V a + Vb).
(4 .5 3 )
О п р еделен ная соотнош ением (4 .5 3 ) м етри к а неотрицательна. Е е
достоинством является, в частности, в озм ож н ост ь
рекурсивного
вы числения
фигурирую щ его
на
третьем
ш аге
расстояния
б (Л , G{ JH) п о ф о р м у л е
«И. о и Я) = М л + Ьс+Мя ИМА+ лад НА, G) +
+
(МА + М„) б (Л, Н ) - М АЬ (G, И)].
(4 .5 4 )
О ч е в и д н о , что п р и п о в т о р е н и и ( М — 1) р а з о п и с а н н о й п р о ц е д у р ы
и з т р е х ш а г о в в с е в е к т о р ы Хт б у д у т о б ъ е д и н е н ы в о д и н к л а с т е р ,
т. е. п р и м е н е н и е к л а с т е р н о г о а н а л и з а о к а ж е т с я б е с с м ы с л е н н ы м .
П о это м у центральны м является воп рос о критерии прекращ ения
вы полнения алгори тм а. С этой целью в р а б о т е С аи то и Т акеды
168
анализирую тся значения ф ункции
стоимости
Е, к о т о р а я
(М — L ) - м п р о х о д е о п и с а н н о г о а л г о р и т м а о п р е д е л я е т с я п о
муле
при
фор­
L
£ =
1= 1
|.
( 4 .5 5 )
В ы п о л н е н и е а л г о р и т м а п р е р ы в а е т с я н а ш а г е ( М — G ), е с л и пр и
п е р е х о д е к (М — <3-И )-м у ш а г у ф ун к ц и я стои м ости резко в о зр а ­
стает.
К онкретная р еа л и за ц и я эт о й схем ы кластерного анал иза была
в ы п о л н е н а с и с п о л ь з о в а н и е м д а н н ы х о д н о г о из п у н к т о в н а б л ю д е -
Рис. 4.22. И зменения со временем
концентрации <7so« в С ендае для р а з­
личных кластеров (ном ера кластеров
указаны у кривы х),
н и я в б л и з и г. С е н д а й . О к а з а л о с ь , ч т о р е з к о е в о з р а с т а н и е Е н а ч и ­
н а е т с я с ш а г а / = 5. Э т о с в и д е т е л ь с т в у е т о ц е л е с о о б р а з н о с т и и с ­
пользован и я ш ести к л астер ов. О д н а к о в один из этих кластеров
п о п а л о в с е г о с е м ь э л е м е н т о в Х т. П о э т о м у д а н н ы й к л а с т е р б ы л
иск л ю ч ен из р а с с м о т р е н и я к а к
весьма
редко
встречаю щ ийся
и д а л ь н ей ш ее р а с с м о т р е н и е п р о в о д и л о сь с пятью кластерам и. Т и­
пи ч н ы й х о д к о н ц е н т р а ц и и с о в р е м е н е м д л я к л а с т е р о в 1, 3, 4 и 5
п о к а з а н на рис. 4 .2 2 . В ы п о л н е н н ы й а н а л и з п о д т в е р д и л н ал ичи е
достаточно тесной связи м е ж д у хар ак тер и сти к ам и погодны х у с л о ­
вий и н о м ер о м к л а с т е р а . Н а рис. 4 .2 3 п ри в еден ы к ор р ел я ц и он н ы е
г р а ф и к и д л я с к о р о с т и и н а п р а в л е н и я в е т р а в к л а с т е р а х 1, 3 и 4, 5,
которы е у к а зы в а ю т на с у щ е с т в о в а н и е в пункте н а б л ю д е н и й н е б л а ­
гоприятны х н а п р ав л ен и й ветра, п р и в одящ и х к повы ш енном у з а ­
г р я з н е н и ю в о з д у х а . А н а л и з м а т е р и а л о в п о к а з а л , что к л а ст ер 3
о ч е н ь ч а с т о п о я в л я е т с я л е т о м и в е с ь м а р е д к о з и м о й и что к л а ­
с т е р ы 4 и 5, с о о т в е т с т в у ю щ и е п о н и ж е н н о м у з а г р я з н е н и ю в о з д у х а
в течение всего дн я , о б ъ е д и н я ю т б о л е е 70 % в сех случаев н а б л ю ­
дений.
В ы п о л н ен н ы й с т а т и с т и ч е с к и й а н а л и з был и с п о л ь зо в а н при р а з ­
р а б о т к е п р о г н о с т и ч е с к о й с х е м ы . О н а о с н о в ы в а е т с я на г и п о т е з е
о п р е д с т а в и м о с т и с у т о ч н ы х ф л у к т у а ц и й Х т (/г) в в и д е с л у ч а й н о г о
процесса второго п ор ядка. В этом сл у ч а е возм ож н о представление
в е к т о р а Хт р а з л о ж е н и е м по е с т е с т в е н н ы м о р т о г о н а л ь н ы м ф у н к ­
циям, которы е строятся д л я к а ж д о г о кластера g как собственны е
169
векторы Ф* к о в а р и а ц и о н н о й
зали
что и с п о л ь з о в а н и е д в у х
матрицы
первы х
R g. С а и т о и Т а к е д а п о к а ­
членов
разлож ения
по Ф*
у ж е п о з в о л я е т у ч е с т ь 9 8 °/о и з м е н ч и в о с т и в к л а с т е р а х . П о э т о м у
в р а б о т е суточны е ф лук туац и и конц ен трац и й в к а ж д о м кластере g
з а д а в а л и с ь д в у м я к о э ф ф и ц и е н т а м и р а з л о ж е н и я с*
и
, т. е.
использовалось п редставл ение
Xm
g ( п) = с^Ф ? (/г) + <&,Ф ! (п).
(4 .5 6 )
В к ачестве п реди к торов при п р о г н о зе и сп ол ь зовал и сь два д о ­
полнительны х дискретны х признака: сезо н года
и направление
о°
о°
Рис. 4.23. Корреляционные графики скорости и направления ветра для кластеров
1, 3 (а) и 4, 5 (б).
ветра (р у м б ы ). И х вклю чение в с х ем у ди ск р и м и н ан тн ого анал и за
о с у щ е с т в л я л о с ь с л е д у ю щ и м о б р а з о м : п р е д п о л а г а л о с ь , что к а ж д ы й
из признаков м о ж е т соответствовать нек отор ом у количеству д и с ­
кретны х ситуаций (к атегор и й ). Д л я исп ол ь зован н ы х в р аботе при­
з н а к о в п р и н и м а л о с ь п о ч е т ы р е к а т е г о р и и : д л я 1-го п р и з н а к а — н а ­
правления ветра — категори и «восток», «ю г», « за п а д » и «север»;
д л я 2-го п р и зн а к а — с е з о н а — к а т е г о р и и « в е с н а » , « л е т о » , « о сен ь » ,
« з и м а » . Д а л е е в в о д и л а с ь в с п о м о г а т е л ь н а я п е р е м е н н а я б m(r, I ),
п р и н и м а ю щ а я з н а ч е н и е 1, е с л и в т- й д е н ь г -й п р и з н а к с о о т в е т с т ­
в у е т /-й к а т е г о р и и , и л и 0 — в о в с е х д р у г и х с л у ч а я х . Т о г д а д а н н ы е
н а б л ю д е н и й з а М д н е й м о ж н о о п и с а т ь с п о м о щ ь ю т а б л и ц ы 4 .1 5 .
В э т о й т а б л и ц е , в ч а с т н о с т и , у к а з а н о , ч т о m -й д е н ь н а б л ю д е н и й
был зи м ой , причем от м еч а л ся за п а д н ы й ветер.
Д а л е е в в о д и т с я н о в а я с л у ч а й н а я п е р е м е н н а я у т, п р е д с т а в л я ю ­
щ а я с о б о й л и н ей н у ю к о м б и н а ц и ю зн а ч ен и й к он ц ен т р а ц и й от 1 д о
12 ч и в с п о м о г а т е л ь н ы х п е р е м е н н ы х б w (г , /) д л я о б о и х р а с с м а т ­
риваем ы х признаков:
12
Ут ===
4
Ctrl 6m (г , /).
(4 .5 7 )
i= 1
/= 1
К о э ф ф и ц и е н т ы coi н a ri п р е д с т а в л я ю т з д е с ь в е с а , с к о т о р ы м и у ч и ­
ты ваю тся дан н ы е изм ерен ий конц ентрац ии и д о б а в о ч н а я инф орм а170
(l)
Таблица 4.15
Характеристика данных наблюдений
Признак
направление ветра
Номер
измерения
Категория
в
1
б! (1,3)
б, (1,4)
0
1
0
бм 0 . 2 )
М 1 .3 )
» м 0 . 4)
0
Ы
1*1)
с
3
б! (1,2)
б! (1,1)
т
М
Ю
Признак
сезон
Номер
измерения
Категор ия
весна
1
лето
б. (2,1)
осень
зима
б, (2,2)
б, (2,3)
6t (2,4)
1
т
0
0
0
М
*Af(2.1)
^ ( 2 ,2 )
бм (2 »3)
(2>4)
ц и я о з н а ч е н и я х п р и з н а к о в . Е с л и э т и в е с а з а д а н ы ,, т о у т в ( 4 . 5 7 )
м ож н о рассм атри вать как л и н ей н у ю ди ск р и м и н ан т н ую функцию .
З а д а ч а с о с т о и т в т о м , ч т о б ы в ы б р а т ь в е с а со* и a ri и у к а з а т ь т а ­
к и е о б л а с т и rg ( g = l , 2,
5 ) , ч т о п р и п о п а д а н и и г/т в о б л а с т ь
rg р а с с м а т р и в а е м ы й д е н ь с л е д у е т о т н о с и т ь к g'- м у к л а с т е р у .
Вы бор эт и х о б л а с т е й и весов п р о и зв о д и т с я так, чтобы м акси­
мизировать степень р а зл и ч и я (см . ( 4 .6 6 ) ) и к ор р ел я ц и он н ое отн о­
ш е н и е г)2 f з а д а в а е м о е в ы р а ж е н и е м
2
% =
Mg (ys — 9) 2
Т
.
(4 -5 8 )
2 ( У1 — У) 2
*=1
171
где
у
Здесь
м
Mg
м X ! ^ £’
т »= 1
м
У1,
т 2=1
(4.59)
M g — к о л и ч е с т в о д н е й в к л а с т е р е g, у * — с л у ч а й н а я п е р е ­
м е н н а я , п о л у ч а ю щ а я с я при п о д с т а н о в к е в (4 .5 7 ) д а н н ы х из к л а ­
с т е р а g. Т а к и м о б р а з о м , <о; и a ri д о л ж н ы о п р е д е л я т ь с я и з у р а в ­
нений
ду]у/дсог = 0 , dr\2y/ d a ri = 0 .
Д л я удобства р азв ернутой запи си
ду ю щ и е матричны е обозначения:
(4 .6 0 )
этих уравнений
вводятся
сле­
г д е h ( g ) р а в н о 1, е с л и i-и д е н ь н а б л ю д е н и й о т н о с и т с я к к л а с т е р у
g или 0 — во всех др уги х случаях.
Таким обр азом , X представляет собой расш иренн ую матрицу
исходны х данны х, а Е — м атрицу, описы ваю щ ую распределение
дней н абл ю ден и й по к л астерам . П ри использован ии этих о б о зн а ­
чений с и с т е м а (4.60) м о ж е т бы ть с в е д е н а к р еш ен и ю за д а ч и на
обобщ ен н ы е собственны е значения
(4.6 3 )
где
ttJ = (coi, к»2...... o)i2, ац, ai2, a n ......... сi2i)T,
А = Х ' Е М ~ ХЕ' Х,
В = Х' Х,
(4 .6 4 )
У р а в н ен и е (4 .6 3 ) и м еет пять, в о о б щ е говоря, разл ичн ы х с о б ­
с т в е н н ы х з н а ч е н и й Я , = г ) 2 и п я т ь с о о т в е т с т в у ю щ и х им с о б с т в е н Vi
ны х век то р о в . С у ч е т о м т р е б о в а н и я м а к с и м и з а ц и и (4 .5 8 ) л и н е й н а я
дискриминантная функция д о л ж н а
определяться
через весовой
в е к т о р , с о о т в е т с т в у ю щ и й н а и б о л ь ш е м у с о б с т в е н н о м у з н а ч е н и ю ?ч:
12
у' =
172
z
2
« i0* (0 +
Е
4
Z
а !-I Ь (г ,
I).
(4 .6 5 )
Ф о р м у л а (4 .6 5 ) д а е т в ы р а ж е н и е д л я н а и б о л е е « м о щ н о й » из пяти
в о зм о ж н ы х д и ск р и м и н а н т н ы х ф ункций , к отор ая, по сути д е л а , м о ­
ж е т р а ссм а т р и в а т ь ся к а к « м ет к а » , соот в ет ств у ю щ а я первой е с т е ­
ственной ф ун к ц и и (ил и, к ор оч е,
как
«первая
м етк а»).
Если
в ( 4 . 6 5 ) з а м е н и т ь в е с а соW и
на в е са , со о т в е т ст в у ю щ и е, н а ­
п р и м е р , в т о р о м у п о в е л и ч и н е с о б с т в е н н о м у ч и с л у Л2, т о п о л у ч и м
« в т о р у ю м е т к у » и т. д .
О птимальны й
выбор
д и с к р и м и н а н т н ы х о б л а с т е й rg
( g = 1,
2 .......... 5 ) п р и з а д а н н о й д и с к р и м и н а н т н о й ф у н к ц и и
производится
т а к , ч т о б ы м и н и м и з и р о в а т ь в е р о я т н о с т ь о ш и б к и Р Е. О ч е в и д н о
5
рв =
е , \ Pg iy')dy\
Z
*=’
(4 .6 6 )
'i
г д е g g и P g ( y ' ) — а п р и о р н а я в е р о я т н о с т ь п о я в л е н и я g -то к л а с т е р а
и у с л о в н а я в е р о я т н о с т ь у ' п р и з а д а н н о м g, а г1 — д о п о л н и т е л ь ­
н о е м н о ж е с т в о к м н о ж е с т в у rg. П о с к о л ь к у на п р а к т и к е в е л и ч и н ы
§8 11 Pg ( y ' ) н е и з в е с т н ы , в к а ч е с т в е о ц е н к и д л я н и х и с п о л ь з у ю т с я
с о о т в е т с т в у ю щ и е в ы б о р о ч н ы е ч а с т о т ы g g и Pg{ y' ) .
П о ск о л ь к у ф о р м у л а (4 .5 7 ) и м е е т м ест о д л я в сех сроков в т е ­
чение дня, то в р езу л ь т а т е оп р ед ел ен и я н ом ер а к ластера g за д а ч а
п р о г н о з а с в о д и т с я к в ы ч и с л е н и ю к о э ф ф и ц и е н т о в р а з л о ж е н и я с*
и с*
по данны м и зм ер ен и й в сроки
с т н ы х к о э ф ф и ц и е н т а х св
и с^
1, 2, 3 ............ 12 ч ( п р и и з в е ­
прогноз для сроков
13 и 14 ч
осущ ествляется н еп оср едств ен н о по ф ор м ул е (4 .5 7 )). И ском ы е ко­
э ф ф и ц и е н т ы н а х о д я т с я м е т о д о м н а и м е н ь ш и х к в а д р а т о в из у с л о в и я
минимума квадрата ош ибки D :
Z
Г * ™ (П) -
Е
< £ *Ф £ » (п )1
п= 1L
П риравнивая
нулю
.
(4 .6 7 )
Л=1J
частны е
dD jd cв
производны е
,
получим
си­
стему норм альны х ур авн ен и й
с
£ ,
fe' =
l
К
£
П= 1
из которой к оэф ф и ц и ен ты
(« ) Ф * . ( П ) =
с'т
£
ф * (« )
П= 1
определяю тся
х т (п ),
(4 .6 8 )
единственны м
об­
разом .
П ри конкретной р еал и зац и и алгоритм а по данны м наблю дени й
в б л и з и г. С е н д а й б ы л а и с с л е д о в а н а з а в и с и м о с т ь с р е д н е г о к в а д ­
р а т а о ш и б к и п р о г н о з а а 2 о т ч и с л а с л а г а е м ы х К, и с п о л ь з о в а н н ы х
в разлож ении
Х т (п ) по ест ест в ен н ы м ф ун к ц и я м
(т. е. и с с л е д о ­
вался
эф ф ект увеличения количества слагаем ы х
в правойчаст
( 4 . 5 7 ) . О к а з а л о с ь , ч т о п р и п р о г н о з е на 1 и 2 ч (т. е. на с р о к и 13
и 14 ч) м и н и м у м а 2, р а в н ы й п р и м е р н о 3 - 1 0 -6 м л н -2 , д о с т и г а е т с я
д л я /С = 2, а п р и
К = 5 погреш ность увеличивается примерно
173
в 3 р а за . О тк аз от р а зб и ен и я на к л а ст ер ы т а к ж е пр иводит к у в е ­
л и ч е н и ю сг2 в 2 — 3 р а з а .
В опросы статистической экстрап оляц и и концентрации прим еси
по в р е м ен и в п е р е д на о с н о в а н и и д а н н ы х о е е п р е д ш е с т в у ю щ е м
изм енении в п р е д е л а х суток р ассм отр ен ы т а к ж е Т о к у м а р у и Х аб а т а (T ok u m aru , H a b a ta , 1 9 7 8 ). О н и и сп ол ь зовал и м а т ем а ти ч е­
с к и й а п п а р а т , с х о д н ы й с т е м , что и в и з л о ж е н н о й в ы ш е р а б о т е
С аито и Т акеды (S a ito , T akeda, 1978), но в качестве п редик тора
вы би рался о б р а з еж еч а сн ы х и зм ен ен и й концентрации примеси в те­
чение всех суток. Г руппировка д а н н ы х вы полнялась м етодам и
д/
2
Рис. 4.24. Зависимость минимального р ас­
стояния м е ж ду кластерами А / от их числа п.
кластерного анализа с использованием опр едел енной в (4.51) м ет ­
рики В а р д а . П ри этом в х о д е п осл едовател ьн ого слияния н а и б о ­
л ее близки х пар в едины й к ластер, п р ов одим ого в соответствии
с у к а з а н н ы м в ы ш е а л г о р и т м о м из 2 — 3 ш а г о в , и с п о л ь з о в а н н ы м
в работ е С аито и Т акеда, ан ал и зи р уется зависим ость м и н и м аль­
н о г о из р а с с т о я н и й м е ж д у к л а с т е р а м и Д / о т и х ч и с л а п. Г р а ф и к
т а к о й з а в и с и м о с т и , п о л у ч е н н ы й по д а н н ы м и з м е р е н и й к о н ц е н т р а ­
ции N 0 за год, нак оп лен н ы м в Ц е н т р е с б о р а и о б р а б о т к и и н ф о р ­
м ац и и у н и в е р с и т е т а К и о т о , п р и в е д е н на рис. 4.24. И з э т о го р и ­
су н к а с л е д у е т , что ц е л е с о о б р а з н о и с п о л ь зо в а т ь пять к л а с т е р о в .
С р е д н и й с у т о ч н ы й х о д к о н ц е н т р а ц и и д л я к а ж д о г о из э т и х к л а с т е ­
р о в п о к а з а н н а р и с . 4 .2 5 .
В к а ч естве п р ед и к то р о в при п р о г н о зе н о м ер а
кластера вы­
б р а н ы п а р а м е т р ы х\, х 2, хз, лч ( з н а ч е н и я к о н ц е н т р а ц и и N 0 ) и с к о ­
р о с т и в е т р а в 9 и 11 ч. П р и э т о м и с п о л ь з у е т с я т а к н а з ы в а е м ы й
м етод констеляций (со зв езд и й ). О н п редставл яет собой вари ант
дискриминантного анализа, связанны й с о т о б р а ж ен и ем векторов
предикторов в верхню ю половину едини чного круга на ком п л ек с­
ной полуп лоск ости . П о д р о б н е е м е т о д к о н стел яц и й м о ж н о пояснить
следую щ им образом .
П у с т ь (л'1а , . . . , Xka) — м н о г о м е р н ы й
в ек тор -п р еди к тор
(а =
= 1, 2, . . . , N ) . П о к о м п о н е н т а м Xja о п р е д е л я е т с я н а б о р у г л о в £ / а
по ф о р м у л е
Jt ( X/ — Xf o)
=
где
174
~2 ( Xf — x j 0)
’
(4 .6 9 )
Е с л и ( п о 4 . 6 9 ) п р и к а к и х - т о £ и а п о л у ч а е т с я з н а ч е н и е £/а > я , т о
с о о т в е т с т в у ю щ е е § /а п р и н и м а е т с я р а в н ы м я .
Д л я л ю б о й з а д а н н о й с о в о к у п н о с т и п о л о ж и т е л ь н ы х ч и с е л w\,w 2......... w k, у д о в л е т в о р я ю щ и х у р а в н е н и ю
k
(4 .7 0 )
м о ж н о п о с т р о и т ь о т о б р а ж е н и е в е к т о р а ( x i a , . . х па) н а в е р х н ю ю
п о л у п л о с к о с т ь к о м п л е к с н о й п л о с к о с т и иа п о ф о р м у л е
k
tta =
(4.71)
Рис. 4.25. Суточный х о д концентра­
ции N 0 д л я различных кластеров.
Числа у кривых — номера кластеров.
п р и ч е м и з п о л о ж и т е л ь н о с т и wj и у с л о в и я ( 4 . 7 0 ) с л е д у е т , что т о ч к и
иъ л е ж а т в н у т р и в е р х н е й п о л о в и н ы е д и н и ч н о г о к р у г а . Е с л и т о ч к и
иа, п о с т р о е н н ы е п о п р е д и к т о р а м , с о о т в е т с т в у ю щ и м к о н к р е т н ы м
концентрациям из различны х кластеров,
помечать
различны м и
знач кам и, то вер хн ий п о л у к р у г б у д е т с о д е р ж а т ь столько таких
з н а ч к о в , с к о л ь к о и с п о л ь з у е т с я к л а с т е р о в . В п р и н ц и п е зн а ч к и , с о ­
о т в ет ств у ю щ и е р а зн ы м к л а с т е р а м , м о гу т бы ть п ерепутаны п р о и з­
вольны м о б р а з о м . П р и эт о м есл и вы бр ат ь д р у г о й н абор п о л о ж и ­
т е л ь н ы х ч и с е л W], у д о в л е т в о р я ю щ и х у с л о в и ю ( 4 . 7 0 ) , т о р а с п о л о ­
ж ен и е значков др уг относительно др у га изм еняется. Задач а п од­
б о р а т а к и х w\, .. ............ Wk, п р и к о т о р ы х к о н с т е л я ц и и ( с о з в е з д и я )
т о ч е к иа, с о о т в е т с т в у ю щ и х р а з н ы м
к л астер ам , в м аксимальной
степени р а зд ел я л и сь одн о от др угого, реш ается м етодом М онтеК а р л о , т. е. м е т о д о м с т а т и с т и ч е с к и х и с п ы т а н и й . Д л я с л у ч а я k = 4
б ы л о в ы п о л н е н о 2 3 0 0 и с п ы т а н и й р а з л и ч н ы х н а б о р о в Wj. И з р е ­
з у л ь т и р у ю щ е г о к о н с т е л я ц и о н и о г о г р а ф и к а с л е д у е т , что н е у д а л о с ь
у д о в л е т в о р и т е л ь н о р а з д е л и т ь к л а с т е р ы 2 и 3. Э т о о б ъ я с н я е т с я т е м ,
что с р е д н и й су т о ч н ы й х о д к о н ц е н т р а ц и и N 0 в у к а з а н н ы х к л а с т е ­
рах почти идентичен . Е сл и эти д в а к л а ст ер а объ еди н и ть в один,
то ош и боч ное оп р ед ел ен и е н ом ер а
кластера м ож ет ож идаться
прим ерно в 25 % случаев.
175
П ол уч ен н ы е резул ьтаты авторы испол ьзую т д л я прогноза кон­
центрации N 0 на основе м ногом ерного уравнения авторегрессии
с м е ш а н н о г о п о р я д к а как на ср а в н и тел ь н о б о л ь ш и е п ер и о д ы (д о
24 ч ), т а к и на к о р о т к и е п ер и о д ы ( 1 — 2 ч) . Они и с х о д я т при э т о м
из м одел и стац и он арн ого гауссовского процесса
г
y t+
тц
Е Е
Щка1
к у { - к = е\,
/= 1 fe= i
(4 .7 2 )
г д е е\, e2
t, . .
ert — r - м е р н ы й г а у с с о в с к и й б е л ы й
шум с н ул е­
в ы м с р е д н и м и к о в а р и а ц и о н н о й м а т р и ц е й <3ц. З д е с ь г — р а з м е р ­
ность процесса; п ар ам етр ^
п р и н и м а ю щ и й з н а ч е н и е 1 и л и О,
х а р а к т е р и з у е т з а в и с и м о с т ь y i о т ук Т о ч н е е , [хл = '1, е с л и п р е д ш е с т ­
в у ю щ и е з н а ч е н и я у 1' в л и я ю т н а у'1 в м о м е н т t. К а к п р а в и л о , р е а л ь ­
н ы е п р о ц е с с ы о б л а д а ю т н е к о т о р о й и н е р ц и е й , т. е. у ‘ в п р е д ш е с т ­
в у ю щ и е м о м е н т ы в р е м е н и в л и я ю т н а у'1. П о э т о м у п р и н и м а е т с я
fXit = l . В о б щ е м м а т р и ц а \1 ц з а д а е т с я а п р и о р и и с х о д я и з а н а л и з а
ф изики проц есса.
П р и з а д а н н ы х ц,-/ из ( 4 . 7 2 ) п о л у ч а е т с я о д н о ш а г о в а я п р о г н о с т и ­
ческая схем а
п тц
6t = -
Z
£
✓S
Ф игурирую щ ие
здесь
(4 -7 3 )
1= 1k= I
величины у 1
/S
и а ^ — статистические оценк и
/ч
со о т в ет ств у ю щ и х величин.
К оэф ф ициенты
a lik п р и
заданн ы х
тц
м о г у т б ы т ь п о л у ч е н ы м е т о д о м н а и м е н ь ш и х к в а д р а т о в и, с л е д о в а ­
т е л ь н о , о п р е д е л я ю т с я ч е р е з тц (п р и з а д а н н о й с о в о к у п н о с т и д а н ­
н ы х и з м е р е н и й ). О п ти м ал ь н ы й н а б о р чисел т ц , х а р а к т е р и з у ю ­
щ и х и н е р ц и о н н о с т ь п р о ц е с с а у 1 по о т н о ш е н и ю к п р е д и к т о р а м
у 1, в ы б и р а е т с я и з у с л о в и я м и н и м и з а ц и и о к о н ч а т е л ь н о й о ш и б к и
п р о г н о з а — в е л и ч и н ы у 1 С о г л а с н о А к а и к е (A k a ik e , 1 9 7 4 ) , о к о н ­
чательная ош и бк а е i представим а в виде
П
N+ Е ^/£т‘/
6£ =
--------- ^
----------- Si,
(4 .7 4 )
м —/ =Е1 ^/гШ
£/
г д е Si — в ы б о р о ч н а я о ц е н к а д и с п е р с и и <5ц в п р о ц е д у р е м е т о д а
н а и м е н ь ш и х к в а д р а т о в . П р и м и н и м и з а ц и и е :- м о ж н о и с п о л ь з о в а т ь
п е р е б о р з н а ч е н и й тц = 1, 2, . . . , L ( д л я в с е х / = 1, 2, . . . , г ) , г д е
L — м ак си м ал ьн ы й п ор я док регрессии, за дав аем ы й за р а н ее .
Д л я пр огноза концентраций N 0 , кром е скорости ветра, и с­
п о л ь зо в а л и с ь к о н ц е н т р а ц и и N 0 2 и пыли, а т а к ж е со л н еч н а я р а -
176
диация. Э ти пять вели ч и н в м о м е н т в р ем ен и t часов д н я п о б о ­
з н а ч а л и с ь z lt (n), z 2t (n), . . . , z 5t (n). К о н к р е т н ы е р е з у л ь т а т ы в р а ­
б о т е п р и в е д е н ы т о л ь к о д л я к л а с т е р а 3, в к о т о р ы й п о п а л о 6 2 д н я
наблю дений; дан н ы е за 58 д н ей бы ли и спользован ы для построе­
ния м о д ел и , а з а 4 о с т а в ш и е с я д н я — д л я п р о в ер к и р езул ь тат ов
прогноза. П р е д в а р и т е л ь н о по в ы б о р к е из 58 д н е й был рассчитан
с р е д н и й с у т о ч н ы й х о д z lt { n ) .......... z 5t (n ), к о т о р ы й д а л е е р а с с м а т р и ­
вался как тр енд. Э тот т р ен д бы л и ск л ю ч ен из г \ ( п) ,
а потом по­
лученны е велич ины б ы л и п е р е н о р м и р о в а н ы так, чтобы получив­
ш иеся величины у\ {п) и м ел и н у л е в о е с р е д н е е и единичную д и с­
пер сию (тем са м ы м о б е с п е ч и ­
вается п р и б л и ж е н н а я гау ссо -
q m (100млн)'
в о с т ь п р о ц е с с а е\
10 г
генерирую ­
щ его yt ). С целью оценки э ф ­
фективности к л а ст ер н о го а н а ­
лиза
излож енны й
алгоритм
был и сп о л ь зо в а н д л я о б р а б о т ­
ки
данны х
наблю дений
за
5 8 д н е й , в ы б р а н н ы х н а у г а д из
п о л н о й в ы б о р к и , т. е. п р и н а д ­
леж ащ их
различны м
класте­
рам. П р едв ар и т ел ь н ое и сп ол ь ­
зование кластерного ан ал и за,
Рис. 4.26. Д анны е измерений ( /) и
прогноза (2) концентрации <7n o д л я
пяти дней (а — д) .
а)
J ____ L
О
6
12
18
24
6
12
IS t v
вообщ е говоря, п р иводит к су щ ест в ен н о м у ум еньш ению порядка
р е г р е с с и и , т. е. к у п р о щ е н и ю п р о г н о с т и ч е с к о й с х е м ы .
К ачество п р о гн ости ч еск ой сх е м ы п р о в ер я л о сь на независим ом
м ат ер и ал е пяти д н ей н а б л ю д е н и й , о т н о ся щ и х ся к третьем у к л а­
с т е р у . П р о г н о з д а в а л с я д л я с р о к о в 13, 14, . . . , 2 4 ч к а ж д ы й д е н ь .
С редн ий за 5 су т ф ак ти ческ и й х о д к он ц ен тр ац и и и результаты
п р о гн о за п р и в е д е н ы на р и с. 4 .2 6 . С р е д н и е к в а д р а т и ч е с к и е о ш и б к и
п р о г н о з а в е л и ч и н ы г * ( / г ) по с р а в н е н и ю с ф а к т и ч е с к и м з н а ч е н и е м
в с л у ч а е у ч е т а к л а с т е р н о г о а н а л и з а с о с т а в л я ю т 1 ,8 2 н а п е р в о м
ш а г е по в р е м е н и и 2 , 6 6 п р и д в у х ш а г а х , а б е з е г о у ч е т а — с о о т ­
в е т с т в е н н о 2 , 4 3 и 4 , 2 6 , т. е. п о ч т и в 2 р а з а б о л ь ш е .
12
Заказ № 30
Глава 5
Прогноз неблагоприятных метеорологических
условий
Э ф ф ек ти в н о сть п р о гн о за за г р я зн е н и я в о з д у х а в знач и тельн ой
м ере оп ределяется успеш ностью прогноза неблагоприятны х м етео­
р ол оги ч еск и х у с л о в и й , при к отор ы х м огут до ст и га т ь ся н аи бол ь ш и е
зн а ч ен и я к о н ц ен т р а ц и и п р и м еси при н а и м е н ь ш и х п а р а м е т р а х вы ­
броса ее в атм осф еру.
5.1. И спользование сведений общего п ро гн о за погоды
С огласно излож енны м резул ьтатам
при численном
прогнозе
загр я зн ен и я в о зд у х а к основны м преди к торам относятся: н ап рав­
л ение и скорость ветра, состоян и е устойчивости пограничного слоя
атм осф ер ы , о тсу тств и е или нал и ч и е о са д к о в .
П ри нормальных
(ср ав н и тельн о часто н а б л ю д а ю щ и х с я )
м етеорологических усл о­
виях для оп р едел ен и я н аи бол ьш и х к он ц ен трац и й прим еси у з е м ­
ной п о в ер хн ости н е о б х о д и м ы св ед ен и я о б о ж и д а е м о й
скорости
в е т р а н а в ы с о т е ф л ю г е р а ( п р и м е р н о 10 м ) . П о п о к а з а т е л я м у с ­
тойчивости атм осф ер ы п р огн ози руется хар ак тер изм ен ен и я с вы­
сотой тем п ер а ту р ы в о зд у х а , а при б о л е е д ет а л ь н ы х расч етах —
о ж и д а е м ы й вертикальны й гр а д и ен т т ем п ер а т у р ы в о з д у х а или ее
р а з н о с т ь на д в у х в ы с о т а х , н е о б х о д и м ы е д л я о п р е д е л е н и я к о э ф ф и ­
циента обм ена. М ож н о прогнози ровать характеристики состояния
погоды в соответствии с к лассам и устойчивости, рассм отренны м и
в п. 2 .3 . Д л я э т о г о , к р о м е д а н н ы х о с к о р о с т и в е т р а , т р е б у ю т с я
также
сведен ия о степени
инсоляции,
зависящ ей
от
высоты
С олнца, и об о ж и д а ем о м количестве общ ей, н иж н ей и верхней
облачности.
У к а за н н ы е д а н н ы е м о гу т бы ть, к а к п р а в и л о , прин яты по о б ­
щ е м у п р о г н о з у п о г о д ы , но, е с т е с т в е н н о , п р и э т о м т р е б у е т с я т щ а ­
тельн ое о п р ед ел ен и е н ео б х о д и м ы х величин.
В о м н оги х из р а с с м о т р е н н ы х в гл. 4 с т а т и с т и ч е с к и х м е т о д о в
прогноза загрязнения воздуха в качестве предикторов т ак ж е ис­
п о л ь зу ю т ся м е т ео р о л о г и ч еск и е х а р а к т ер и ст и к и , п ол уч ен н ы е при
о б щ и х п р о г н о з а х п о г о д ы на о с н о в е с и н о п т и ч е с к о й к ар ты и к а р т
барическ ой топ огр аф ии . Так, при п р о гн о зе интегрального п о к а за ­
т е л я Р (с м . п. 4 . 5 ) и с п о л ь з у ю т с я с к о р о с т ь в е т р а н а в ы с о т е ф л ю ­
гера, ск ор ость вет р а на у р о в н е 5 0 0 м (или 9 2 5 г П а ) , р а зн о ст ь т е м ­
п ер ат ур ы в о з д у х а у зем л и и на у р о в н е 9 25 гП а , г р а д и е н т п от ен ­
ц и а л а п а у р о в н е ATsso и д р .
О п ер ати в н ы е прогнозы ск ор ости и н а п р а в л ен и я ветра, т е м п е ­
ратуры в о з д у х а и св я зан н ы х с ними велич ин м огут вы полняться
с пом ощ ью известны х м етодов п рогн оза погоды , р а зр а б о т а н н ы х
на о сн о в е и с с л е д о в а н и й по си н оп ти ч еск ой и д и н а м и ч е с к о й м е т е о ­
рологии и и зл ож ен н ы х в различны х инструктивны х д ок ум ен тах
178
(Р у к о в о д ст в о по к р атк оср оч н ом у п р огн озу
п о г о д ы , 1 9 6 4 , 19 65 ;
М ет о д и ч еск и е у к а за н и я , 1970 и д р. ).
М ет о д ы п рогн оза ан ом ал ь н о о п асн ы х усл ови й вертикального
р асп р едел ен и я тем пературы в о зд у х а и скорости ветра в погранич­
ном сл о е в о з д у х а п р ак тическ и не п р ед ст а в л ен ы в у к а за н н ы х р а б о ­
та х . О н и о сн о в а н ы н а с п е ц и а л ь н ы х р а з р а б о т к а х и на н е к о т о р ы х из
них мы о с т а н о в и м с я н и ж е . О с о б о е з н а ч е н и е и м е е т д л я эт о й ц ел и
р а з р а б о т к а чи сл ен н ы х м ет о д о в к р а т к о ср о ч н о г о п рогн оза погоды.
И з с в о д н о й и н ф о р м а ц и и В М О , е ж е г о д н о п у б л и к у е м о й с 1 9 7 4 г.,
с л е д у е т , что у ж е в р я д е с т р а н т а к и е р а з р а б о т к и в к л ю ч а ю т р е ­
зультаты м о д ел и р о в а н и я пр оцессов, п р о т ек а ю щ и х в пограничном
с л о е а т м о сф ер ы . С о г л а с н о П р о г р а м м е и сс л е д о в а н и й по п рогн озу
погоды (P r o g r a m m e , 1979) сущ ествен н ы е результаты в данном
н ап р ав л ен и и получены в А нглии, Г ол л ан ди и , К ан аде, Франции,
Ш веции, Я понии и ряде других стран. Б ол ьш ое внимание этом у
воп росу у д ел я ет ся в т р у д а х С ем и н а р а по учету пограничного слоя
в ч и сл ен н ы х м е т о д а х п р о г н о за п о го д ы , к отор ы й бы л ор га н и зо в а н
в 1 9 7 6 г. Е в р о п е й с к и м ц е н т р о м п о с р е д н е м а с ш т а б н ы м п р о г н о з а м
п о г о д ы в А н г л и и , а т а к ж е в р а б о т а х Д ж . Д и р д о р ф а в С Ш А , С. Б о дина в Ш в ец и и и др. О дн ак о эти и ссл ед о в а н и я в значительной м ере
н аходятся в начальной стадии их исп ользован и я в оперативной
практике прогноза погоды .
В а ж н о е зн ач ен и е им еет за бл агов р ем ен н ость прогноза н ебл а­
го п р и я тн ы х у с л о в и й п огоды . Е с т е с т в е н н о , чем она бол ь ш е, тем
больш е возм ож н остей предусм отреть и осущ ествить необходим ы е
м е р о п р и я т и я по д а н н ы м п р о г н о з а . О д н а к о п р и н и м а я во в н и м а н и е
точность и в озм ож н ост и совм естны х м етодов прогноза м етеоро­
логических условий, больш ей частью дост аточ н о ограничиться з а ­
бл агов р ем ен н ост ь ю д о о д н и х суток. Д л я отдельны х синоптических
п е р и о д о в м о г у т о с у щ е с т в л я т ь с я п р о г н о зы и на б о л е е д л и тел ь н ы е
сроки. В р я де ж е случаев ок азы в ается полезны м п редсказание
и на к о р о т к и е ср о к и — д о н еск о л ь к и х ч асов . В о в сех сл у ч а я х т р е ­
б у е т с я з н а ч и т е л ь н а я н а д е ж н о с т ь п р о г н о з о в , и б о с их у ч е т о м м огут
прин им аться весьм а д о р о г о ст о я щ и е меры , связанн ы е с сок р ащ е­
нием, а и ногда и п р ек р ащ ен и ем
производственной деятельности
отдельны х предприятий.
5.2. П р о гн о з потенциала загр я зн ен ия атмосферы
С р а в н и т е л ь н о п р о с т ы е м е т о д ы и с п о л ь з у ю т с я при п р о г н о зе так
н азы в аем ого п отен ц и ал а за гр я зн ен и я атм осф ер ы . П о д этим поня­
тием, вп ервы е вв еден н ы м в С Ш А д л я оп и са н и я о б щ и х условий
рассеи ван и я прим есей, н ередко п о д р а зу м ев а ю т ся комплексны е х а ­
рактеристики значений вертикального р асп р едел ен и я температуры
в озд уха и скорости ветра, а и н огда и др у ги х
м етеоэлементов.
С трогого оп р едел ен и я д а н н о е понятие, одн ак о, не получило. И з о б ­
щ и х с о о б р а ж е н и й м о ж н о п ол агать , что в ы сок и й п от ен ц и а л з а г р я з ­
н ения д о л ж е н со о тв етств о в а ть м ет е о р о л о г и ч е с к и м усл ови я м , при к о ­
торы х со зд а ю т ся н аибол ьш ие конц ентрац ии при м есей в приземном
12*
179
сл ое в о зд у х а дл я источников с ф иксированны м и п ар ам етр ам и
вы бр осов. В м е с т е с тем , в за в и с и м о с т и от вы соты источника о дн и
и те ж е м етеорологическ ие ф акторы м огут оказы вать разное в о з­
д е й с т в и е на р а с п р е д е л е н и е к о н ц е н т р а ц и й . Э т о о б с т о я т е л ь с т в о , как
бы ло отм ечен о р а н ее (B erly a n d , 1 9 6 9 ), часто не учиты ваю т при
характеристике неблагоприятны х условий
загрязнения
воздуха.
В сл у ч а е вы соких источников прим еси н аи бол ь ш и е концентрации
у зем л и до ст и га ю т ся при у сл ов и я х, х а р а к т ер и зу ю щ и х ся интенсив­
ным т у р б у л ен т н ы м п ер ен о со м п р и м еси св ер х у вниз. Т е ж е у с л о ­
вия, о ч ев и д н о , д о л ж н ы с п о с о б с т в о в а т ь п е р е н о с у п р и м е с и в в е р х
от низких источников и очищ ению п р и зем н о го слоя.
Т аким о б р а зо м , зн ач и тель н ы е за г р я зн ен и я в о з д у х а вы бросам и
о т н и з к и х и с т о ч н и к о в (в о с н о в н о м , о т а в т о т р а н с п о р т а ) в г о р о д а х
м огут возн и к ать при устойчивой ст р а ти ф и к а ц и и и сл а б ы х ветрах.
И сп оль зуем ы е обы чно методы определен и я потенциала загр я зн е­
ния, по су щ ест в у , отн ося т ся к низким и ст оч н и к ам . Так, в р я де а м е ­
р и к ан ск и х р а б о т п о д высоким п о т ен ц и а л о м п о н и м а ю т соч етан и е
с к о р о с т е й в ет р а в п р и з е м н о м с л о е д о 4 м /с, а на у р о в н е 3 км д о
12 м / с с н и с х о д я щ и м и д в и ж е н и я м и в с л о е а т м о с ф е р ы д о 2 ,5 к м .
П р о д о л ж и т е л ь н о с т ь т а к и х у с л о в и й д о л ж н а б ы т ь п р и м е р н о 3 6 ч.
С очетание сл абы х ветров с призем ны м и инверсиям и тем п ер а­
туры нередко назы ваю т состояни ем застоя.
Ч асто для характеристики устойчивости
атм осф еры исполь­
з у е т с я в ы с о т а п е р е м е ш и в а н и я L q, о п р е д е л я е м а я к а к т о л щ и н а с л о я
в о зд у х а , в котором р а ссеи в а ю тся основны е вы бросы от призем ны х
и с т о ч н и к о в ( H o l z w o r t h , 19 6 7 , и д р . ) . О б ы ч н о п р и н и м а е т с я , ч т о
с л о й п е р е м е ш и в а н и я к о н ч а е т с я на у р о в н е , г д е н е у с т о й ч и в а я и л и
равновесная стратиф икац ия см ен я ется устойчивой. П ри исполь­
зовании этого понятия, как правило, не говорят о вы соте в ы бр о­
с о в и п о л а г а ю т , что п р и у м е н ь ш е н и и Lq у в е л и ч и в а е т с я з а г р я з н е н и е
в о з д у х а . О ч еви дн о в д а н н о м сл у ч а е д о л ж н а идти речь о низких
в ы б р о с а х . В с л у ч а е м а л о й в ы с о т ы с л о я п е р е м е ш и в а н и я и л и пр и
наличи и п р и зем н ой инверсии, п р и м еси со ср ед о т о ч и в а ю тся у зем л и ,
что с о з д а е т о п а с н ы е у с л о в и я з а г р я з н е н и я . О б ы ч н о L q о п р е д е л я ю т
д л я д н ев н о го врем ен и и ан т и ц и к лон и ч еск ой погоды , п о л а га я при
э т о м , что о н а р а в н а в ы с о т е п р и з е м н о й и н в е р с и и , к к о н ц у п р е д ш е ­
ст в у ю щ ей ночи. П р о г н о з ее н ер ед к о в ы п о л н я ет ся по д а н н ы м а э р о ­
логического зон ди р ован ия. Д л я этого н а терм оди нам ическ ом гра­
ф ике, наприм ер на аэр ол огической д и а г р а м м е, стр оится за в и си ­
м ость т ем п ер а ту р ы в о з д у х а от вы соты . Д а л е е , ч ер ез точку, со о т ­
ветствую щ ую дн ев н о м у м ак си м ум у тем пер атур ы в о зд у х а у зем ли,
проводится су х а я а д и а б а т а — линия, описы в аю щ ая п аден и е т ем ­
п е р а т у р ы по в ы со т е
с
сухоадиабатическим
градиентом
(1°С/
100 м ) . Т оч к а п е р есеч ен и я д в у х у к а з а н н ы х линий и о п р е д е л я е т
в ы с о т у L q.
Д л я п р о г н о за п о т ен ц и ал а з а г р я зн е н и я а т м о сф ер ы и высоты
п е р е м е ш и в а н и я у с т а н о в л е н р я д п р а в и л на о с н о в е ст а т и с т и ч е с к и х
п роработок . Так, согласн о Н и м а й ер у (N ie m e y e r , 1 9 6 0 ), зн ач и тель ­
н о е за г р я зн е н и е в о з д у х а на б л и ж а й ш и е 36 ч п р ед ск а зы в а ет ся при
180
антициклонической п огоде и при ск орости ветра в призем ном слое
м е н е е 4 м / с , а н а у р о в н е п о в е р х н о с т и 5 0 0 г П а — о к о л о 12 м /с .
З н ач ен и я L 0 прогнози рую тся д л я дневного и утреннего вр е­
мени. В п ер в о м с л у ч а е в со о т в е т с т в и и со ск а з а н н ы м вы ш е з н а ч е ­
ние L q соответств ует ур овн ю п ер есеч ен и я кривы х стратиф икации
утреннего зон ди р ован и я и сухой
адиабаты ,
проведенной
через
точку о ж и д а е м о г о п р и зем ного м а к си м у м а дневн ой тем пературы .
В о втором сл уч ае д л я о п р едел ен и я L q сухая ади абата проводится
ч е р е з т о ч к у , с о о т в е т с т в у ю щ у ю Ттщ-\- &ТГ, г д е Tmin — м и н и м а л ь н а я
т е м п е р а т у р а у з е м н о й п о в е р х н о с т и з а г о р о д о м , а 6ТГ — р а з н о с т ь
тем пературы в гор оде и его окрестностях, в среднем приним аем ая
р ав н ой 5 ° С . В у т р е н н и е часы зн а ч е н и е L q су щ е с т в е н н о м еньш е,
чем д н е м , а в ы б р о с ы о т а в т о м а ш и н в э т о в р е м я н а и б о л ь ш и е . П о ­
эт ом у у т р о м сл е д у е т о ж и д а т ь и н а и б о л ь ш и х зн ач ен и й к он ц ен тр а­
ции перв и ч н ы х п р и м есей , н е п о с р е д с т в е н н о с о д е р ж а щ и х с я в ав т о ­
м обильны х вы хлопах. В ск ор е п осл е п о л удн я вы сота Lq принимает
м ак си м ал ьн ы е значен ия, а конц ентрац ии первичны х прим есей ст а ­
новятся м иним альны м и. О дн ак о в эт о врем я дости гает м аксим ум а
интенсивность обр азов ан и я вторичны х прим есей в процессе ф отохи ­
мических реакций, п р ои сходя щ и х
под
влиянием
солнечной р а ­
диации.
К р о м е в ы с о т ы с л о я п е р е м е ш и в а н и я L q, п р е д с к а з ы в а е т с я т а к ж е
с р е д н я я с к о р о с т ь в е т р а в д а н н о м с л о е й0. В ы с о к и й п о т е н ц и а л
ож и д ается в случаях, когда в день п рогн оза и на следую щ ий день
у т р о м L 0 < 5 0 0 м , й 0^ 4 м / с .
П о зн ач ен и я м L q и количества вы бросов примеси в атм осф еру
М ( г / ( с - м 2) ) п р и и с п о л ь з о в а н и и п р о с т е й ш е й
модели
«ящ ика»
(бок с м о д е л и )
весьм а гр убо оц ен и в ается о ж и д а е м о е значение
средней по гор оду концентрации q с п ом ощ ью формулы
q = M,/(2L0fi0),
г д е /] — с р е д н я я п р о т я ж е н н о с т ь г о р о д а .
В С Ш А н а л а ж ен оперативны й п р огноз возм ож н ого о б р а зо в а ­
ния си н оп ти ч еск и х си туац и й , н еб л а го п р и я тн ы х д л я р а ссеи в ан и я
п р и м е с и н а б л и ж а й ш и е 12 — 3 6 ч. П р о г н о з ы д а ю т с я е ж е д н е в н о .
В работах
М иллера
и
Н имайера
(M iller, N ie m e y e r , 1963)
и Ф и н к ельш тей н а (F in k e lste in , 1971) п р и веден ы полож и тельн ы е
результаты прим енения дан н ой м етоди к и в течение года в С Ш А .
О на т а к ж е и с п о л ь зо в а л а сь д л я п р о г н о за вы соты слоя п ер ем еш и ­
в а н и я в Я п о н и и , г д е п о м а т е р и а л а м 10 с т а н ц и й о к а з а л о с ь , что в ы ­
численны е знач ения L q уд ов л етв ор и тел ьн о согласовались в 80 %
случаев.
В Г Д Р метеорологическая с л у ж б а в отдельны х случаях да ет
краткосрочны е прогнозы скорости и н а п р а в л ен и я ветра, а т а к ж е
к л а с с о в у с т о й ч и в о с т и а т м о с ф е р ы п о У л и г у ( с м . п. 2 . 3 ) в ц е л я х
определения ож и даем ого уровня загрязн ен и я
воздуха
(D ietze,
1984).
П ри прогнозе потенциала загрязнения атмосферы (П З А ) су­
щ ественн о учиты вать клим атически е характеристики. В рай он ах
181
с вы сокой п овторяем остью небл агоп ри я тн ы х
метеорологических
условий сл едует больш ее вним ание уделять капитальны м м ер о­
п риятиям по о б есп еч ен и ю чистоты в о з д у х а . В э т и х с л у ч а я х п р и о б ­
ретаю т сущ ественн ое значение детальн ая классиф икация условий
р асп р остр ан ен и я при м еси и и зуч ен и е о со б ен н о ст ей их о б р а зо в а ­
ния. Е с т е с т в е н н о , что б о л ь ш о е з н а ч е н и е и м е е т и п р о г н о з н а и б о л е е
н е б л а г о п р и я т н ы х у сл о в и й , х а р а к т е р и с т и к и к о т о р ы х о т л и ч а ю т ся от
их средних показателей.
Х ольцворт (H o lzw o rth , 1962) д л я восточны х обл астей С Ш А
п о ст р о и л к а р т у ч и сл а д н е й з а г о д (и ю л ь 1961— ав густ 1962 г.),
20
О
20
ЬО
60 Рш °/о
Рис. 5.1. Зависимость м еж ду повто­
ряемостями приземных инверсий (Р *)
и штилей ( Р ш).
когда отм ечалось сочетание сл абого ветра и инверсии т ем п ер а­
туры и действительно н абл ю дал ось сильное загр я зн ен и е в оздуха.
В д р у г о й р а б о т е Х ольц в ор та (H o lz w o r th , 1967) по д а н н ы м р а д и о ­
з о н д и р о в а н и я н а 4 5 с т а н ц и я х з а 10 л е т в ы п о л н е н ы к л и м а т о л о г и ­
ч еск и е и с с л е д о в а н и я вы соты п е р е м е ш и в а н и я н а т е р р и т о р и и С Ш А
и получены средние дл я дневного врем ен и знач ен и я м аксим аль­
н о й в ы с о т ы п е р е м е ш и в а н и я по о т д е л ь н ы м с е з о н а м г о д а . В к о н т и ­
нентальных обл астя х наибольш ие е е значения н абл ю даю тся летом
(дости гаю т 2 0 0 — 800 м ), а м иним альны е — зим ой . Н а п о б ер еж ь е
о к еа н о в и зм ен ен и я этой вы соты в г о д о в о м х о д е невели ки. К а р т а
р а с п р е д е л е н и я вы сокого п о т ен ц и а л а за г р я зн е н и я по территори и
США
бы л а п о ст р о ен а т а к ж е М и л л е р о м и Н и м а й е р о м (M iller,
N iem ey er, 1 9 6 3 ).
Сводны е дан н ы е о вы соте перем еш и в ан и я дл я территории С С С Р
содер ж атся в справочном пособии «К ли м ати ческ и е характеристики
условий распространения прим есей в атм осф ер е» (1 9 8 2 ).
В р я д е р а б о т (Б е зу г л а я , 1980 и д р .) д л я о ц ен к и н е б л а г о п р и я т ­
ных условий р ассеи в ан и я прим есей от низких источников п р ов е­
д е н о р а й о н и р о в а н и е т ер р и то р и и С С С Р на о с н о в е к о м п л ек сн о го
учета повторяем ости призем ны х инверсий и сл абы х скоростей
ветра. П ри этом установлена зависим ость м е ж д у повторяемостью
п р и з е м н ы х и н в е р с и й ( Р и) и с л а б ы х в е т р о в со с к о р о с т ь ю 0 — 1 м / с
( А п ) (р и с . 5 . 1 ) . С Ри и Р ш н е п о с р е д с т в е н н о с в я з а н а и п о в т о р я е ­
м о с т ь з а с т о е в в о з д у х а ( Р 3), х а р а к т е р и з у ю щ и х с я с о ч е т а н и е м п р и ­
зем н ы х инверсий и ш тилей.
И з полученн ы х р езул ь тат ов сл ед у ет, что к о гд а Р и и Рш равны
2 0 — 4 0 %, з н а ч е н и е Р3 с о с т а в л я е т 5 — 1 0 % . Н а т е р р и т о р и и С С С Р
Р а и з м е н я е т с я о т 5 — 15 % на п о б е р е ж ь я х м о р е й д о 2 0 — 4 0 % в В о ­
сточной С ибири. С оч етан и е ш тилей с п ри п одн яты м и инверсиям и
182
встречается ср а в н и тел ь н о р е ж е , и х п о в т о р я е м о с т ь на больш ей ч а­
ст и т е р р и т о р и и н е п р е в ы ш а е т 1— 2 % и л и ш ь в р а й о н а х К р а с н о ­
ярска, Б р атск а, Я к утск а и н ек о т о р ы х д р у г и х г о р о д о в д остигает
5-6% .
Б езугл ая и др. (1979) по д ан н ы м 55 аэр ол огических станций
з а п е р и о д 1 9 5 3 — 1 9 6 8 гг. и с с л е д о в а л и к л и м а т о л о г и ч е с к о е р а с п р е ­
д е л е н и е в ы с о т ы п е р е м е ш и в а н и я L q. Н а р и с . 5 .2 п р е д с т а в л е н г р а ­
фик связи п ов тор я ем ости (П 1 ) сл у ч а ев с повы ш енны м значением
II/ %
Рис. 5.2. Зависимость м е ж ду повто­
ряемостями повышенного загр язн е­
ния воздуха (ПО и малых высот слоя
перемешивания (П 2).
интегрального п ок а за тел я загр я зн ен и я
в о з д у х а Р (с м . ( 4 . 3 2 ) )
с п о в т о р я е м о с т ь ю ( П 2) с л у ч а е в с о з н а ч е н и я м и в ы с о т ы с л о я п е р е ­
м е ш и в а н и я м е н е е 0 ,5 к м в л е т н и е м е с я ц ы д л я г о р о д о в К у й б ы ш е в а
и С вердловска.
Б езугл ая (1980) вы дел и л а на тер р итор и и С оветского С ою за
п я ть к л и м а т и ч е с к и х з о н с р а з л и ч н ы м и х а р а к т е р и с т и к а м и з а г р я з ­
нения а т м о сф ер ы (т а б л . 5 . 1 ) .
Та б ли ц а 5.1
I. Низкий
II. Умеренный
III. Повышенный
континентальный
приморский
IV. Высокий
V. Очень высокий
застоев
воздуха
скорости
ветра
интенсив­
ность, °С
км
МОЩНОСТЬ,
повторяв мость, %
Зоны ПЗА и его
характеристика
Продолжитель­
ность туманов, ч
Повторяе­
мость, %
|
Приземные ннверсии
Высота слоя
перемешивания,
км
Среднегодовые значения метеорологических параметров, определяю щ их П ЗА
по зонам
20— 30 0 , 3 — 0 ,5
3 0 - 4 0 0 , 4 — 0 ,5
2—3
3— 5
5— 10 0 ,7 — 0 ,8
7— 12 0 , 8 — 1,0
80— 350
1 0 0 -5 5 0
3 0 - 4 5 0 , 3 — 0 ,6
30— 45 0 , 3 — 0 ,7
30— 50 0 , 3 — 0 ,7
40— 60 0 , 3 — 0 ,9
2 0 — 40 8— 18 0 , 7 — 1,0
2— 6
2—6
10— 30 10— 25 0 , 4 — 1,1
3— 6
3 0 — 60 10— 30 0 , 7 — 1 ,6
3 — 10 50— 70 20— 45 0 , 8 — 1,6
100— 600
100— 800
50— 200
10— 600
10— 20
20— 30
183
Таблица 5.2
Годовой х о д высоты слоя перемеш ивания L 0 (к м )
Город
II
ш
IV
V
Архангельск 0 ,3 2
0 ,3 6
0 ,6 3
1,01
Анадырь
0 ,2 9
0 ,2 2
0 ,2 6
Баку
0 ,6 5
0 ,6 8
Брест
0 ,3 0
И вдель
I
VI
VII
VIII
IX
1 ,3 8
1 ,5 3
1 ,4 0
1 ,1 0 0 ,7 6
0 ,3 6
0 ,4 2
0 ,5 4
0 ,6 4
0 ,6 9
0 ,7 7
0 ,8 6
1 ,01
1 ,0 4
0 ,5 4
0 ,9 5
1 ,2 2
1 ,3 9
1 ,5 3
0 ,4 7
0 ,6 7
0 ,9 6
1 ,59
1 ,9 4
Калининград 0 ,3 3
0 ,4 2
0 ,6 6
0 ,9 3
Ключи
0 ,5 3
0 ,6 3
0 ,9 4
М ахачкала
0 ,4 7
0 ,5 2
Пермь
0 ,5 8
Свердловск
X
XI
XII
0 ,5 1
0 ,3 2
0 ,3 1
0 ,6 4 0 ,5 4
0 ,2 7
0 ,2 4
0 ,2 4
1,11
1 ,0 2
0 ,9 4
0 ,6 9
0 ,6 0
1 ,5 4
1,36
1 ,2 4
0 ,8 4
0 ,4 0
0 ,2 9
1 ,8 7
1 ,6 9
1 ,6 0
1 ,1 7
0 ,7 3
0 ,5 4
0 ,4 3
1 ,1 3
1 ,2 8
1,21
1 ,1 3 0 ,8 7
0 ,6 5
0 ,3 9
0 ,3 1
1,22
1 ,3 3
1 ,4 5
1 ,3 5
1 ,35
1 ,2 9
1 ,0 4 0 ,7 2
0 ,5 9
0 ,6 0
0 ,6 4
0 ,6 8
0 ,9 0
0 ,9 0
0 ,8 9
0 ,8 5
0 ,7 9
0 ,6 0
0 ,4 7
0 ,5 4
0 ,7 8
1 ,1 6
1 ,6 6
1 ,6 8
1 ,4 6
1 ,1 6
1 ,0 7 0 ,6 8
0 ,5 0
0 ,5 0
0 ,5 9
0 ,6 1
0 ,8 5
1 ,19
1 ,5 8
1 ,6 0
1 ,4 0
1 ,2 0 0 ,9 1
0 ,7 7
0 ,5 2
0 ,5 0
Ташкент
0 ,6 1
0 ,8 7
1 ,3 9
1 ,6 3
2 ,2 3
2 ,5 7
2 ,5 1
2 ,1 7
1 ,7 2
1 ,3 7
0 ,8 8
0 ,5 4
У фа
0 ,6 2
0 ,5 5
0 ,6 9
1,41
1 ,9 2
1 ,7 6
1 ,7 2
1 ,6 0
1 ,4 4
0 ,8 4
0 ,5 9
0 ,5 5
Хабаровск
0 ,4 0 0 ,6 0
0 ,8 0
1 ,2 0
1 ,40
1 ,2 0
1 ,1 0
1 ,0 0
1 ,1 0
1 ,0 0 0 ,8 0
0 ,5 0
Якутск
0 ,1 2
0 ,2 1
0 ,5 4
1 ,03
1 ,4 8
1 ,0 5
1 ,4 4
1 ,2 2 0 ,9 2
0 ,2 8
0 ,1 2
0 ,5 7
И з п о л у ч е н н ы х р е з у л ь т а т о в с л е д у е т , что н а и б о л е е н е б л а г о п р и ­
я тн ы е у с л о в и я р а с с е и в а н и я п р и м еси х а р а к т е р н ы д л я ю ж н ы х р а й о ­
нов С р е д н е й А зи и и д л я В осто чно й С и б и р и ( п я т а я з о н а ) . З д е с ь
п о в т о р я е м о с т ь ин верси й, их с о ч е т а н и е со с л а б ы м
ветром в не­
с к о л ь к о р а з б о л ь ш е , чем н а с е в е р о - з а п а д е Е в р о п е й с к о й
части
С С С Р ( п е р в а я з о н а ) . В т а б л . 5.2 п р е д с т а в л е н ы з н а ч е н и я г о д о в о г о
ход а L q д л я р я д а го р о д о в С С С Р .
5 .3 .
П рогн оз
уст ойчивост и
и верт икального
проф иля
при зем ного
слоя
воздуха
т ем перат уры
П р о г н о з усто й ч и во с ти п р и зе м н о г о с л о я в о зд у х а м о ж е т б ы т ь
в ы п о л н е н на основе з а к о н о м е р н о с т е й суточного х о д а т е м п е р а т у р ы
с учетом о б щ е г о си н о п ти ческ ого п р о г н о з а о с ос то я н и и
погоды,
в частности, об о ж и д а е м о й о б л а ч н о с т и п а д в е к т и в н ы х и з м е н е н и я х
температуры.
Х а р а к т е р н о й ч ертой су то чно го х о д а т е м п е р а т у р ы я в л я е т с я ее
па д е н и е с вы с о то й в д н е в н о е в р е м я . В р е з у л ь т а т е ночного в ы х о л а 184
ж и в а н и я п о д с т и л а ю щ е й п о в е р х н о с т и в м а л о о б л а ч н у ю п ого д у о б ­
р а зу е тся слой призем ной инверсии, в котором тем п ература повы ­
ш а е т с я с у д а л е н и е м от з е м н о й п о в е р х н о с т и . У т р о м при п р о г р е в е
п о ч в ы и п р и л е г а ю щ е г о к ней в о з д у х а
возрастан ие температуры
с в ы с о то й в б л и з и п о д с т и л а ю щ е й
п о в е р х н о с т и постепенно с м е ­
н я е т с я п а д е н и е м ее, а в ы ш е н е к о т о р о е в р е м я с о х р а н я е т с я о б р а з о ­
в а в ш а я с я ночью и н в е р с и я . Т а к и м о б р а з о м в о з н и к а е т слой п р и п о д ­
нятой и н в е р си и . Н и ж н я я г р а н и ц а и н в е р с и и со вре м е н е м п о в ы ­
ш а е т с я и п р и б л и ж а е т с я к в е р х н е й , п о к а и н в е р с и я не р а з р у ш и т с я
п о л н ос т ью . В у с л о в и я х я с н о й п о г о д ы со с л а б ы м в е т р о м р а з р у ш е Z
КМ
Рис. 5.3. И зменение вертикального
распределения температуры в те­
чение суток.
12
1 — изотерма, 2 — верхняя граница ин­
версии, 3 — нижняя граница инверсии.
tv
ние и н в е р с и и в с р е д н е м п р о и с х о д и т з а 2 — 3 ч п о с л е в о с х о д а
С о л н ц а . Э т о т и н т е р в а л в р е м е н и с у щ е с т в е н н о з а в и с и т от с е з о н а
г о д а и т о л щ и н ы и н в е р с и о н н о г о с л о я , о б р а з о в а в ш е г о с я в но ч н ы е
часы.
Н а рис. 5.3 п о к а з а н о и з м е н е н и е в е р т и к а л ь н о г о п р о ф и л я т е м ­
п е р а т у р ы з а с у т к и по д а н н ы м В д о в и н а и д р. ( 1 9 7 1 ) .
5.3.1.
Использование теории суточного х о д а температуры воз
духа. Д л я к о л и ч е с т в е н н о г о р а с ч е т а о ж и д а е м о г о г р а д и е н т а т е м п е ­
р а т у р ы в о з д у х а или р а з н о с т и т е м п е р а т у р на д в у х у р о в н я х в п р и ­
зе м н о м с л о е м о ж н о в о с п о л ь з о в а т ь с я р е з у л ь т а т а м и теории су т о ч ­
ны х к о л е б а н и й т е м п е р а т у р ы . И с х о д н ы м и у р а в н е н и я м и этой т е о р и и
в с о о т в е т с т в и и с р а б о т о й Б е р л я н д а (1956) я в л я е т с я у р а в н е н и е
п р и т о к а т е п л а в а т м о с ф е р е и почве, а т а к ж е
с в я з а н н о е с ним
уравнение переноса влаги. У читы вая квази стац и о н ар н о сть призем ­
ного с л о я и м о д е л ь (2.8) д л я к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а эти у р а в н е н и я
зап и сы в аю тся в следую щ ей ф орме:
-JL[v+ ft, (*)*1-^ = 0, -3r[v+M<)z]-%- = 0
дТ2
dt
k i (t) h
d 2T s
d lj
dt
Здесь
Ti
0< 2^ Л
и
и
qi
dg2
dt
dz2
=
__
—
h
/ri и
« 1
(* )
дЧ \
ko
(z
d z 2
h
d2<7a
dz%
< 0).
( / = 1 , 2) т е м п е р а т у р а и в л а ж н о с т ь в о з д у х а в с л о я х
a v + k \ z и k \ h , к а к и в (2.8 ),— коэф ф иц иенты
z > h ,
185
о б м е н а в э т и х с л о я х , Г 3 — т е м п е р а т у р а почвы , &3 — к о э ф ф и ц и е н т
т е м п е р а т у р о п р о в о д н о с т и почвы.
В качестве граничны х условий приним аю тся
с о п р я ж е н и я 7\и q i при z = h , а на п о д с т и л а ю щ е й п о в е р х н о с т и (2 = 0) р а в е н с т в о
температур
в о з д у х а и поч вы , в ы п о л н е н и е т е п л о в о г о б а л а н с а ,
а т а к ж е определенного соотнош ения м еж д у температурой и в л а ж ­
но с т ью в о з д у х а . З а д а е т с я з а в и с и м о с т ь k \ ( t ) от т е м п е р а т у р н о г о
гради ен та d T i / d z при дан н ой скорости ветра и . Реш ен ие зад ач и
и щ е т с я в в и д е р я д а Ф у р ь е с п е р и о д о м в р е м ен и Т 0 = 24 ч. С у т о ч ­
ные колебан и я тем п ературы и в л аж н о сти воздуха определяю тся
4-
8
12
16
20
Рис. 5.4. Рассчитанные ( /) и факти­
ческие (2 ) изменения температуры
в о зд у х а (а) и поверхности почвы (б)
в течение суток.
Ьч
и зм е н ен и е м со в р е м е н е м в у р а в н е н и и т е п л о в о г о б а л а н с а п о д с т и ­
л а ю щ е й п о ве р х н о ст и п о т о к а с о л н е ч н о й р а д и а ц и и / , ко т о р ы й о п р е ­
д ел яется формулой:
S 0G
(5.2)
(1 + fm) m
при
M i =
s i n ф s in 6,
N i
= cos ф cos б,
где
— ш и р и н а м ес та , б — с к л о н е н и е С о л н ц а , ш = 2 я /7 ’; S 0 — с о л н е ч ­
н а я п о с т о я н н а я ; f — п а р а м е т р , х а р а к т е р и з у ю щ и й о п т и ч е с ку ю т о л ­
щ и н у а т м о с ф е р ы ; G о п р е д е л я е т с я по к о л и ч е с т в у и х а р а к т е р и с т и к а м
о б л а ч н о ст и :
Ф
(5.3)
гд е п в , п с и п в — ко л и ч е с т в о н и ж н е й , с р е д н е й и ве р хн е й о б л а ч н о ­
сти в б а л л а х , а с ' , с ' и с 'в — с о о т в е т с т в у ю щ и е к о э ф ф и ц и е н т ы .
Н а осно ве п ол уч е н н о го р е ш е н и я в р а б о т е Б е р л я н д а
(19 56 )
были выполнены расчеты суточных колебаний тем п ературы в о з­
д у х а на вы с о те z = 2 м ( у р о в е н ь м е т е о р о л о г и ч е с к о й б удк и) и т е м ­
п е р а т у р ы п о д с т и л а ю щ е й п о в е р х н о с т и (z = 0) д л я р а з н ы х ш и р о т
(от 40 до 60° с. ш .) , м е с я ц е в , с к о р о с т е й в е т р а и с т еп е н е й у в л а ж н е ­
н и я почвы. Р е з у л ь т а т ы р а с ч е т а с о г л а с у ю т с я с д а н н ы м и н а б л ю д е ­
ний. Н а рис. 5.4 п р и в е д е н ы р а с с ч и т а н н ы е и ф а к т и ч е с к и е и з м е н е ­
186
ни я т е м п е р а т у р ы н а в ы с о т а х 2 = 2 м и 2 = 0 д л я с р « 6 0 ° при б е з ­
о б л а ч н о м н е б е в а в г у с те. И з п о л у ч е н н ы х р е з у л ь т а т о в с л е д у е т р я д
в ы в о д о в о т н о с и т е л ь н о и з м е н е н и я р а з н о с т и т е м п е р а т у р на в ы с о т а х
2 = 2 м и 2 = 0 в т е ч е н и е суток. О к а з ы в а е т с я , что л е т о м в у м е р е н ­
ны х ш и р о т а х э т и р а з н о с т и с о с т а в л я ю т д н е м п р и м е р н о 8 °С, а н о ч ью
3 — 4 ° С и и м е ю т п р о т и в о п о л о ж н ы е з н а к и . В е с н о й и осенью и при
п е р е м е щ е н и и с ю г а н а се в ер эт и р а з н о с т и у м е н ь ш а ю т с я , но в е з д е
д н е м они по а б с о л ю т н о й в е л и ч и н е б о л ь ш е , чем ночью . С у в е л и ч е ­
н и ем а м п л и т у д ы с у т о ч н о г о х о д а т е м п е р а т у р ы в о з р а с т а е т а м п л и ­
туда градиентов: днем — значительны е сверхадиабатические г р а ­
д и е н т ы , а н о ч ью — б о л е е г л у б о к и е и н в е р с и и .
В ночное врем я р азн о сть тем п ер ату р в о зд у х — почва достигает
м а к с и м у м а п р и м е р н о к п о л у н о ч и , п о с л е чего о н а по ч ти не и з м е ­
н я е т с я до в о с х о д а с о л н ц а .
Х а р а к т е р н ы е изм енения т е м п е р а ту р ы воздуха на уровне м етео­
будки в течение суток в р азл и ч н о е в р е м я года н а Европейской
т е р р и т о р и и С о в е т с к о г о С о ю з а п р и в е д е н ы в « Р у к о в о д с т в е по к р а т ­
к о с р о ч н о м у п р о г н о з у по го д ы » ( 1 9 6 5 ) , а д л я р а з л и ч н ы х р а й о н о в
С С С Р в т е п л о е в р е м я г о д а — в р а б о т е Б а ч у р и н о й и др. (1 9 6 7 ).
П ри наличии стан дартны х кривы х, х арактеризую щ и х измене­
н и я т е м п е р а т у р ы в о з д у х а в т е ч е н и е с у т о к (см. р и с . 5 .4 ) , по а м п л и ­
т у д е су т о ч н о г о х о д а м о ж н о о п р е д е л и т ь р а з н о с т и т е м п е р а т у р в о з ­
духа на д в у х вы сотах. В случае н а л и ч и я о б лак о в значения р а з ­
ностей п р и я с н о м неб е д о л ж н ы у м н о ж а т ь с я н а к о э ф ф и ц и е н т G из
(5 .3 ), у ч и т ы в а ю щ и й п р о г н о з о ж и д а е м о й о б л а ч н о с т и .
А н а л о г и ч н о и з л о ж е н н о м у в ы ш е в р а б о т а х Б е р л я н д а (1956,
1958) в ы п о л н е н ы р е ш е н и я н е п е р и о д и ч е с к о й з а д а ч и К о ш и д л я п р о ­
г н о за п р о ф и л я т е м п е р а т у р ы в но ч н о е в р е м я по д а н н ы м о в е р т и ­
кальн ом расп р ед ел ен и и или о предш ествую щ ем ходе температуры .
П ри исп ользован ии полученного р еш ен ия в оперативны х ц елях
и н о г д а м о г у т в о з н и к а т ь т р у д н о с т и и з - з а о т с у т с т в и я д о ст а т о ч н о д е ­
тальны х данны х наблюдений, необходимых для задан и я началь­
ного и з м е н е н и я т е м п е р а т у р ы с в ы с о т о й . П о э т о м у в р а б о т е Б е р л ^ н д а (1 958) в м е с т о в е р т и к а л ь н о г о п р о ф и л я и с п о л ь з у е т с я п р е д ш е ­
с т в у ю щ и й х о д т е м п е р а т у р ы в о з д у х а н а у р о в н е м е те о б у д к и . П р и
э т о м п ер и о д, в т е ч е н и е к о т о р о г о т р е б у е т с я з а д а н и е т а к о г о х о д а ,
оказы в ается небольш им, поскольку в силу свойства решения п а р а ­
болического уравнени я теплопроводности вли ян и е
начальных
условий сравнительно бы стро затухает.
5.3.2.
К лим атологи чески е х ар ак тер и сти к и и эм пирические з а
в и си м о с т и . Г о д о в о й х о д т е м п е р а т у р ы в о з д у х а в п о г р а н и ч н о м сл о е
и м е е т р я д з а к о н о м е р н о с т е й , с х о д н ы х с ее к о л е б а н и я м и в т ечен и е
су ток, п о с к о л ь к у и он о п р е д е л я е т с я и з м е н е н и е м р а д и а ц и о н н о г о
б а л а н с а п о д с т и л а ю щ е й п о в е р х н о с т и . О с о б е н н о ч е т к о это п р о я в ­
л я е т с я в к о н т и н е н т а л ь н ы х о б л а с т я х . В ы с о т ы , до к о т о р ы х п р о с т и ­
р ается тепловое влияни е земной поверхности, значительно больш е
в го д о в о м х о д е, чем в су т о ч н о м , в с и л у у в е л и ч е н и я м а с ш т а б о в в р е ­
м ени. Т а к , в С и б и р и з и м о й в е р т и к а л ь н а я м о щ н о с т ь п р и з е м н ы х и н ­
в е р с и й д о с т и г а е т 1 км , а и н о г д а и б о л ь ш е . В к о н ц е зи м ы , к о г д а
187
приход солнечной ради ац и и зам етн о у величивается и ради ац и о н ­
ны й б а л а н с в д н е в н о е в р е м я с т а н о в и т с я п о л о ж и т е л ь н ы м , при р а з ­
руш ении призем ной инверсии возн и кает
п р и п о д н я т а я ин в ер си я .
К р о м е су то ч н о го и г о д о в о г о х о д а , с у щ е с т в у ю т и д р у ги е п р и ­
чины, в р е з у л ь т а т е к о т о р ы х н а р у ш а е т с я м о н о т о н н о ст ь р а с п р е д е л е ­
ни я т е м п е р а т у р ы с вы сото й . Т а к , и зв е с т н о , что п р и п о д н я т ы е и н ­
в е р с и и м о гу т в о з н и к а т ь в а н т и ц и к л о н а х ( т а к н а з ы в а е м ы е ин верси и
с ж а т и я ) , п р и п р о х о ж д е н и и а т м о с ф е р н ы х ф р о н т о в и т. п. Т е о р и я
о б р а з о в а н и я и н в е рси й п о к а н е д о с т а т о ч н о р а з р а б о т а н а .
Сейчас
в основн ом и д е т н а к о п л е н и е и а н а л и з о п ы т н о го м а т е р и а л а . В р а -
Рис. 5.5. Типы вертикальных
профилей температуры в оздуха.
1 — распределение температуры, 2 —
сухая адиабата.
б о т е В а с и л ь ч е н к о (1965) по д а н н ы м н а б л ю д е н и й в 50 0-м етр ово м
слое дан а классиф икация в ертикальны х профилей температуры.
О н в ы д е л и л ш есть типов п р о ф и л е й (рис. 5 .5 ). В т а б л . 5.3 п р е д ­
с т а в л е н ы д а н н ы е о п о в т о р я е м о с т и э т и х типов в за в и с и м о с т и от
Т аблица 5.3
Число случаев с различными типами распределения температуры
в пограничном слое атмосферы
Время, ч
Тип
профиля
6
8
10
12
14
16
18
20
Повторяе­
мость, %
Весенний период
I
II
III
IV
V
VI
0
0
2
0
1
8
2
0
3
0
7
9
—
0
0
0
0
0
—.
2
4
3
0
4
—
3
8
2
0
—
—
—
2
1
—
2
0
0
3
0
0
0
2
—
22
22
0
0
2
0
0
0
3
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
2
49
14
9
7
9
12
—
—
—
—
7
2
43
4
Л етний период
I
II
III
IV
V
VI
0
0
0
0
2
3
0
0
0
3
1
1
8
5
1
1
0
0
10
2
0
0
1
0
6
1
1
0
1
0
в р ем ен и с у т о к д л я в е с е н н е г о и л е т н е г о с е з о н о в по м а т е р и а л а м
н а б л ю д е н и й в р а й о н е Щ е к и н с к о й Т Э С ( Т у л ь с к а я о б л.) за п е р и о д
1962— 1963 гг.
С о ньк ин и М а т в е е в а (1968) п р о а н а л и з и р о в а л и у с л о в и я ф о р м и ­
р о в а н и я т е м п е р а т у р н о г о п р о ф и л я в н и ж н е м 5 0 0 -м е тр о в о м слое по
д а н н ы м Л е н и н г р а д а ( б о л е е 1300 с л у ч а е в ) , М о с к в ы (900 с л у ч а е в ) ,
К у й б ы ш ев а (500 с л у ч а е в ) д л я т р е х т и п о в с т р а т и ф и к а ц и и : п р и ­
под н я то й ин в ер си и , п р и з е м н о й и н в е р с и и и б ези н в е р с и о н н о го со­
сто ян ия. В т а б л . 5.4 и 5.5 п р е д с т а в л е н ы д а н н ы е о п о в то ря ем ости
Таблица 5.4
Повторяемость (% ) типов термической стратификации в ниж нем 500-метровом
слое в о зд у х а
Время, ч
16
4
Тип стратификации
Ленинград
Безынверсионное сост оя ­
ние
П риподнятая инверсия
Приземная инверсия
Москва
Куйбышев Ленинград Москва Куйбышев
49
29
25
49
33
34
22
29
33
38
19
57
26
25
34
33
26
40
Таблица 5.5
Повторяемость (% ) высот нижней и верхней границы приподнятой инверсии
в Л ен ин граде
Высоты, м
Характеристика
Верхняя граница при­
земной инверсии
Нижняя граница при­
поднятой инверсии
Срок,
ч
4
16
4
16
0-100 101-200 201-300
301-400
401-500
> 500
27
39
21
7
18
16
35
41
12
14
14
21
И
6
1
4
4
1
2
28
21
28
29
типов с т р а т и ф и к а ц и и и в ы с о т н и ж н е й г р а н и ц ы п р и п о д н я т о й и н ­
версии и в е р х н е й г р а н и ц ы п р и з е м н о й и н в е р си и . О к а з а л о с ь , что
зим ой п р и п о д н я т ы е и н в е р с и и р а с п о л а г а ю т с я н а у р о в н е 200— 400 м.
П р и перехо д е от ночи к д н ю н и ж н я я г р а н и ц а п р и п о д н я т ы х и н в е р ­
сий п о д н и м а е т ся , т о г д а к а к в ы с о т а п р и з е м н ы х и н в е р си й у м е н ь ­
ш ается .
А н а л и з с и н о п т и ч е с к и х у с л о в и й п о к а з а л , что о б р а з о в а н и е п р и ­
под нято й и н в е р си и н а б л ю д а е т с я ч а щ е в п р о м е ж у т о ч н о м б а р и ч е ­
ском поле.
189
П о д р о б н а я сводка кл и м ати ч ески х х ар актер и сти к приземных
и п р и п о д н я т ы х и н в е р с и й д а н а в р а б о т а х О гн е во й (1971) и Б е з у г ­
л о й (1 9 8 0 ). В п о с л е д н е й п р и в о д я т с я х а р а к т е р н ы е типы г о дов ого
х о д а и н т е н с и в н о с т и 8 Т И (рис. 5.6 а ) и т о л щ и н ы с л о я Д Я И п р и з е м ­
ной и н в е р с и и (рис. 5.6 б ) , а т а к ж е с р е д н е г о д о в ы е з н а ч е н и я бГи
и Д # и д л я п р и з е м н ы х и п р и п о д н я т ы х и н в е р с и й (таб л . 5.6) по р я д у
городов С С С Р .
Рис. 5.6. Годовой хо д интен­
сивности (6ГИ) приземной
инверсии (а)
и толщины
слоя инверсии Д Я И (б ).
1 — Красноярск, 2 — Казань, 3 —
Ленинград, 4 — Туапсе, 5 — Ма­
хачкала.
Таблица 5.6
С реднегодовы е значения толщины слоя ДН ж (к м ) и интенсивности 6Г И
(°С ) инверсий
Инверсии
приподнятые в слое, км
приземные
Станция
0,01 -0,5
дн И
Архангельск
Баку
Благовещенск
Волгоград
Иркутск
Калач
К омсомольск-на-А муре
Красноярск
Москва
Оренбург
Свердловск
Сусуман
Ташкент
Термез
Якутск
190
0 ,3 9
0 ,3 7
0 ,4 4
0 ,4 0
0 ,5 6
0 ,4 8
0 ,5 7
0 ,6 5
0 ,4 1
0 ,4 3
0 ,5 1
0 ,8 7
0 ,3 5
0 ,3 3
0 ,5 8
0,01-2
6ТН
3 ,1
2 ,1
5 ,1
3 ,5
5 ,6
3 ,4
4 ,7
5 ,6
3 ,4
4 ,0
4 ,7
1 0 ,3
3 ,6
4 ,2
7 ,1
ДЯН
"и
дяи
бГн
0 ,3 6
0 ,4 0
0 ,4 8
0 ,4 3
0 ,4 8
0 ,4 2
0 ,4 7
0 ,4 9
0 ,4 4
0 ,5 2
0 ,5 1
0 ,7 0
0 ,3 8
0 ,3 6
0 ,4 4
2 ,1
2 ,4
1 ,8
3 ,8
3 ,2
2 ,4
2 ,4
2 ,7
3 ,2
5 ,2
4 ,3
3 ,8
1 ,9
1 ,6
4 ,2
0 ,4 0
0 ,4 0
0 ,3 5
0 ,4 0
0 ,4 5
0 ,4 3
0 ,4 7
0 ,4 7
0 ,4 4
0 ,3 8
0 ,4 3
0 ,6 7
0 ,3 6
0 ,3 3
0,41
1 ,8
2 ,1
1 ,5
3 ,1
2 ,3
2 ,4
2 ,1
1 ,7
2 ,8
2 ,5
2 ,9
2 ,8
1 ,6
1 ,3
3 ,3
Б е р н х а р д т и д р . ( B e r n h a r d e t al., 1978) и с с л е д о в а л з а к о н о м е р ­
ности в р е м е н н о г о р а с п р е д е л е н и я п р и з е м н ы х и н в е р с и й
темпера­
туры воздуха в Г Д Р .
Д л я прогноза нал и ч и я или отсутствия инверсии тем пературы
П о н о м а р е н к о (19 75 ) п о с т р о и л э м п и р и ч е с к и е г р а ф и к и по м а т е р и а ­
л а м н а б л ю д е н и й в К и е в е (рис. 5.7) д л я п р о г н о з а т е м п е р а т у р н о й
с т р а т и ф и к а ц и и в 9 и 15 ч. Н а о с я х о р д и н а т о т л о ж е н ы з н а ч е н и я
с ре дн е го г р а д и е н т а т е м п е р а т у р ы в н и ж н е м 5 0 0 -м е т р о в о м слое
в о зд у х а по д а н н ы м р а д и о з о н д и р о в а н и я в 21 ч п р е д ш е с т в у ю щ и х
с у т о к н а рис. 5.7 а и в 3 ч н а р ис. 5.7 б . Н а о с я х а б с ц и с с от-
Рис. 5.7. Графики д л я прогноза стратиф икации в 9 ч (а) и 15 ч (б ).
/ — отсутствие инверсии в слое до высоты 1 км, 2 — приподнятая инверсия в слое до высоты
1 км, 3 — приземная инверсия.
л о ж е н ы з н а ч е н и я р а з н о с т и т е м п е р а т у р ы в о з д у х а в с р о к 21 ч и м и ­
н и м ал ь н о й т е м п е р а т у р ы п о с л е д у ю щ е й ночи ST^i-min (рис. 5.7 а )
и между максимальной температурой дня и температурой в 3 ч
б7тах-о,з (Р и с - 5.7 6 ) , Г р а ф и к и п о с т р о е н ы д л я с л у ч а е в о тс утс тв и я
з а м е т н о й а д в е к ц и и т е п л а (п ри и з м е н е н и и т е м п е р а т у р ы менее 1°С
з а 6 ч).
Б а ч у р и н а (1969) в ц е л я х п р о г н о з а в ы с о т ы с л о я с с у х о а д и а б а ­
ти ч еск и м г р а д и е н т о м v в ы п о л н и л а э м п и р и ч е с к и е п р о р а б о т к и по
р я д у городов. В т а б л . 5.7 п р е д с т а в л е н ы п о л у ч е н н ы е д а н н ы е д л я
М о с кв ы (В н у к о в о ) по м а т е р и а л а м н а б л ю д е н и й з а 1948— 1964 гг.
при различном количестве облаков, осредненном за пром еж уток
в р ем ен и 9— 15 ч.
5.3.3.
Р а с ч е т н ы е м е т о д ы п р о г н о з а вы с о т и н в е р с и и и п о г р а н и ч
ного сл о я. Н а о с н о в е р е ш е н и я у р а в н е н и й
( 5 .1 ) , о п и с ы в а ю щ и х
и ночное в ы х о л а ж и в а н и е , с у ч е т о м н а ч а л ь н о г о р а с п р е д е л е н и я т е м ­
п е р а т у р ы в о з д у х а по в ы с о т е м о ж н о п р е д л о ж и т ь с х е м у п р о г н о з а
п р и з е м н ы х и н в е р с и й ( Б е р л я н д , 1956, 1 9 5 8 ).
В ка ч е с т в е н а ч а л ь н о г о у с л о в и я п р и н и м а е т с я в е р т и к а л ь н о е р а с ­
п р е д е л е н и е т е м п е р а т у р ы по д а н н ы м а э р о л о г и ч е с к о г о з о н д и р о в а ­
ни я в вечерние сроки наблю дений . В п ри зем ном слое ( z < C h ) н а­
чальное распределение тем п ературы п р ед став л яется л огариф м и че­
191
с к о й ф у н к ц и е й z, а в ы ш е — л и н е й н о й з а в и с и м о с т ь ю о т 2 с г р а д и е н ­
том т е м п е р а т у р ы 70 * В ы с о т а и н в е р с и и Я и н а х о д и т с я из у с л о в и я ,
ч то при 2 = # и з н а ч е н и е д Т / д г = * 0. И н т е н с и в н о с т ь и н в е р с и и 6 Г И
о п р е д е л я е т с я к а к р а з н о с т ь т е м п е р а т у р н а вы со те # и и на у р о в н е
м е т е о р о л о г и ч е с к о й б у д к и г — 2 м. Д а л е е с т р о и т ся р я д г р а ф и к о в
д л я р а с ч е т а Н и и б Ги, п о д о б н ы х рис. 5.8, о т н о с я щ е м у с я к с л у ч а ю
с у х о й п о ч в ы и с к о р о с т и в е т р а 1— 2 м /с. Н а оси а б с ц и с с о т л о ж е н о
о т н о ш е н и е у 0 (°С/100 м) к в е л и ч и н е
эф ф ективного излучения п о д сти л а­
ю щ е й п о в е р х н о ст и Е 0 ( к а л / м и н X
Х с м 2) ) ; н а ося х о р д и н а т — Я и и
{ 6 Т Л — 8 Т 0 ) 1 Е 0 , где б То — р а з н о с т ь
тем п ератур б удка— почва. К ривы е
с о о т в е т с т в у ю т сро ку п р о г н о з а
t.
П олученные результаты согласую т­
ся с м а т е р и а л а м и н а б л ю д е н и й , в
частности с дан н ы м и В оронц ова
(1960) и др.
И нтересна зависимость вы соты
и н в е р с и и о т скор ости в е т р а , к о т о р а я
с л е д у е т из в ы п о л н е н н ы х р а с ч е т о в .
Н а с о о т в е т с т в у ю щ и х к р и в ы х , о тно -
Рис. 5.8. График для прогноза высоты Я л
(а) и интенсивности 6Т Я приземной инвер­
сии (б ).
Числа у кривых— срок прогноза.
с я щ и х с я к о п р е д е л е н н о м у с р о к у п р о г н о з а , о т м е ч а е т с я ч ет к и й м а к ­
с и м у м при
ско р о с т и в е т р а и , р а в н ы й 2 — 3 м/с. Н а л и ч и е т а к о г о
м а к с и м у м а в п о л н е п о н ят н о . С у в е л и ч е н и е м с ко р о с т и в е т р а
Т абли ца 5.7
Высота слоя с сухоадиабатическим градиентом
температуры при различной облачности
192
Высота, км
диапазон
изменения
117
1 ,5
1 ,1 — 1 ,8
6—8
90
1,1
9— 10
30
0 ,8
0 ,6 — 1 ,0
0— 10
237
1 ,2
0 ,6 — 1 ,8
Г
средняя
о
Число
случаев
0
1
сл
Количество обла­
ков, баллы
в ы с о т а и н в е р с и и с н а ч а л а у в е л и ч и в а е т с я , ибо в о з р а с т а е т т о л щ и н а
слоя с сущ ественны м турбулентны м перемеш иванием. З атем усиле­
ние в е т р а ( ы > 2— 3 м / с ) , а с л е д о в а т е л ь н о , и у в е л и ч е н и е о б м е н а
п р и в о д и т к о с л а б л е н и ю и н в е р си и и у м ен ьш ен и ю ее вы соты .
Н еко то р ы е р езу л ьтаты теории ф орм ирования приземных и п ри­
п о д н я т ы х и н в е р с и й б у д у т р а с с м о т р е н ы в с в я зи с в о п р о с а м и о б р а ­
з о в а н и я р а д и а ц и о н н ы х т у м а н о в (см. п. 5.7.1).
По вы соте Я и м ож н о п ри ближ ен но оценивать и ожидаемый
у р о в е н ь н и ж н е й г р а н и ц ы п р и п о д н я т о й инверсии, о б р а з у ю щ е й с я
в р е з у л ь т а т е р а з р у ш е н и я ночной инверсии.
П р о с т а я м о д е л ь д л я п р о г н о з а в ы с оты сл оя и н ве р си и Я и п р е д ­
л о ж е н а Я м а д а ( Y a m a d a , 1979). И з не е следует, что в пе рв ы е часы
ночи Я и б ы с т р о р а с т е т со в р е м е н е м , з а т е м эт о т р о с т з а м е д л я е т с я
и к 5 ч д о с т и г а е т п р и м е р н о 30 м /ч, а Я и не п р е в ы ш а е т 500 м. Д л я
сравнительно м ал ы х Я и Я м а д а получил следую щ ее приближенное
уравнение:
dHH
dt
4 хи#
In H H/ Z o — -\|з ’
где х = 0,38 — п о с т о я н н а я К а р м а н а , и* — с к о р о с т ь трения, г 0 —
ш е р о х о в а т о с т ь п о д с т и л а ю щ е й п о ве р х н о ст и , г|э — п а р а м е т р , с в я з а н ­
ный с а т м о с ф е р н о й у с т о й ч и в о с т ь ю , с огл ас н о П а н о в с к о м у ( Р а n o fs k y , 1 96 3). С о п о с т а в л е н и е д а н н ы х р а с ч е т а и э к с п е р и м е н т а п о ­
к а з а л о , что р а з л и ч и е м е ж д у ни м и не п р е в ы ш а е т при м ер н о 50 м
при з н а ч е н и я х Я и, р а в н ы х 2 0 0 — 700 м.
В о п р о с ы р а с ч е т а в ы с о т ы но ч н ого сл оя и н в е р си и и с о п о с т а в л е ­
ни я их с э к с п е р и м е н т а л ь н ы м и д а н н ы м и р а с с м а т р и в а л и с ь т а к ж е
Н ь ю ш т а д т о м и Д р и д о н к с о м ( N i e u w s t a d t , D rie d o n k s , 1979).
Д и р д о р ф ( D e a r d o r f f , 1974) п о л у ч и л ч исл ен но е р е ш е н и е т р е х ­
м е р н о й з а д а ч и об и з м е н е н и и в п о г р а н и ч н о м сл о е а т м о с ф е р ы с к о ­
ро сти в е т р а , т е м п е р а т у р ы и в л а ж н о с т и в о зд у х а с вы сотой и со
в р е м е н е м . П р и эт о м в ы п о л н е н ы р а с ч е т ы (с очень м ел к и м ш аго м
по в р е м е н и , р а в н ы м 6 с) и з м е н е н и я с т р у к т у р ы и в ы с о т ы п о г р а н и ч ­
ного с л о я в т е ч е н и е н е с к о л ь к и х ч а с о в днем . Р е з у л ь т а т ы р а сче тов
с о п о с т а в л е н ы с с о о т в е т с т в у ю щ и м и д а н н ы м и н а б л ю д е н и й в В ан гарском эксперим енте в А встралии.
Ч и с л е н н ы е э к с п е р и м е н т ы по о п р е д е л е н и ю в е р т и к а л ь н о г о п р о ­
ф и л я т е м п е р а т у р ы в п о г р а н и ч н о м с л о е с учетом в р е м е н н ы х и з м е н е ­
ний п о т о к а с о л н е ч н о й р а д и а ц и и при ясном небе в с оответствии
с ф о р м у л о й (5.2) в ы п о л н е н ы Б е л и н с к о й и В е л ь т и щ е в о й (19 77).
О д н о м ер н ая прогностическая м одель, позволяю щ ая рассчитать и з­
м е н е н и я со в р е м е н е м т е м п е р а т у р ы и в л а ж н о с т и в о з д у х а , а т а к ж е
ско р о ст и в е т р а н а 30 у р о в н я х д о вы соты 2000 м, р а з р а б о т а н а
в Ш в е ц и и Э р и к с о н о м и Б о д и н ы м (E rik so n , B o d in , 1978).
П р и п р о г н о з е з а г р я з н е н и я в о з д у х а д л я о ценки т о л щ и н ы слоя,
сходн ой с у к а з а н н о й в п. 5.2 в ы с о т о й п е р е м е ш и в а н и я , м о ж ет б ы ть
п о л е зн ы м о п р е д е л е н и е в ы с о т ы п о г р а н и ч н о го сл о я Яо. В р а с с м о т ­
рен н о й в п. 2.2 р а б о т е Б е р л я н д а и Г ени хо вича (19 73 ) п о к а за н о,
что Н 0 = 10 h , где h — в ы с о т а п р и з е м н о г о сл оя в о з д у х а , о п р е д е л я е м а я
13
З ак аз № 30
193
по з н а ч е н и ю к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а
вии с п. 2.2
k {
с о г л а с н о ( 2 .9 ) . В с о о т в е т с т ­
(5.4)
О т с ю д а сл е д у е т , ч то в ы с о т а п о г р а н и ч н о го с л о я м о ж е т и з м е н я т ь с я
п р и м ер н о от 200— 300 м при и н ве р си и т е м п е р а т у р ы до 1,5— 2 км
при н еу с т о й ч и в о й с т р а т и ф и к а ц и и . В ы с о т а Я 0 у м е н ь ш а е т с я с у в е ­
л ич е н и е м ш и р о т ы ф и з -з а р о с т а (oz. З н а ч е н и я Н 0, в ы ч и с л е н н ы е по
(5.4) д л я р а з н ы х о б л а с т е й С С С Р , п р е д с т а в л е н ы в « К л и м а т и ч е с к и х
х а р а к т е р и с т и к а х » (19 83).
В О б з о р е М а к Б и н а и др. (M e B e a n e t al., 1979) д л я о п р е д е л е ­
ния в ы с о ты Н о из а н а л и з а р а з м е р н о с т и п р и в о д и тс я ф о р м у л а
H I 0 ---
Здесь
и
(5.5)
* — с к о р о с т ь т р е н и я , о п р е д е л я е м а я через н а п р я ж е н и е т р е ­
ния т и п л о т н о с т ь в о зд у х а р с п о м о щ ь ю с о о т н о ш ен и я «* = V т /р •
П о поводу чи сл ен н ого з н а ч е н и я к о э ф ф и ц и е н т а yi а в т о р ы у к а з ы ­
в аю т, что оно за в и с и т от у сто й ч и в о сти а тм о с ф е р ы , а т а к ж е и от
с а м о г о о п р е д е л е н и я в ы с о ты Н о , н а п р и м е р , во с к о л ь к о р а з п о л а ­
га е т с я на этой в ы с оте т у р б у л е н т н о е н а п р я ж е н и е м е н ь ш и м , чем
у п о д с т и л а ю щ е й по вер хн ости. Д л я р а в н о в е с н ы х ус л о в и й vi и з м е ­
н я е т с я от 0,12 до 0,3.
Е с л и уч есть, что д л я р а в н о в е с н о й с т р а т и ф и к а ц и и k \ = ' x u * при
г = 1 м, то из (5.4 ) с л едует, что Н о = 0 , 2 и % / ( й г , т. е. с р е д н е е з н а ч е ­
ние # 0 в (5.5) д л я у к а з а н н о г о д и а п а з о н а и зм е н ен и й yi- В ц е л о м
ф о р м у л а (5.4) носит б о л е е о б щ и й х а р а к т е р , чем (5.5), т а к к а к ч е ­
рез k \ в ней у ч и т ы в а е т с я и в л и я н и е с т р а т и ф и к а ц и и . П р и у с т о й ч и ­
вом со с тоя н и и в ы с о т а Н о м еньш е, чем при р а в н о в е с н о м , а при н е ­
устойчивой с т р а т и ф и к а ц и и — больш е.
В ы со т а п о г р ан и ч н о го с л о я Н 0 с у ч ет о м р а с п р е д е л е н и я т е м п е р а ­
т уры и с к о р о с т и в е т р а с вы сотой о п р е д е л я л а с ь Т е н н е к с о м
( T e n n e k e s, 1973), С м е д о й ( S m e d a , 1979) и др. И з р а с ч е т о в , в ы п о л ­
ненных С м едо й , с л едует, что при н е у с т о й ч и в ы х у с л о в и я х о т 9 до
18 ч вы сота Н о у в е л и ч и в а е т с я п р и м ер н о от 200 до 1200 м. П р и э т о м
основное и зм е н е н и е Н 0 п р ои сх оди т з а п е р в ы е 3 ч. И з м е н е н и е н а ­
ч ал ьн о го з н а ч е н и я Н о в 9 ч от 100 д о 300 м с у щ е с т в е н н ы м о к а з ы ­
в а е т с я т о л ь к о от этого в р е м е н и до 12 ч, а после Н 0 п р а к т и ч е с к и
не з а в и с и т от его н а ч а л ь н о г о з н а ч е н и я в 9 ч. П о л у ч е н н ы е р е з у л ь ­
т а ты
близки к вы водам
указан ной выше работы
Дирдорфа
(D e a r d o r ff, 1974). С м е д а получил, что с н а ст у п л е н и е м у с т о й ч и ­
вого с о с т о я н и я после 18 ч в ы с о та Н о р е з к о у б ы в а е т з а 1,5— 2 ч
в ечернего в р е м е н и и ночью с р а в н и т е л ь н о м а л о и з м е н я е т с я (от 100
до 400 м) в за в и с и м о с т и от и с х о д н ы х п а р а м е т р о в . Д л я но ч н ы х
условий Н ь ю ш т а д т ( N i e u w s t a d t , 1981) по л у ч и л , что
H Q= 0,4 V u *L 'I2 v>z ,
194
где L ' — м а с ш т а б М о н и н а — О б у х о в а . П р и э т о м Я 0 о п р е д е л я е т с я
к а к в ы со та, где н а п р я ж е н и е т р е н и я д о с т и г а е т 1 % его зн а ч е н и я
у п о верх н ости зе м л и .
М е т о д ы о п р е д е л е н и я Н 0 по т у р б у л е н т н ы м х а р а к т е р и с т и к а м
п ри зем ного с л о я р а с с м о т р е н ы и в р я д е д р у г и х р а б о т ( B u s i n g e r ,
А гуа, 1974; О р л е н к о , 1974; Г а л у ш к о и О р д а н о в и ч ,
1978; B ro st,
W y n g a r d , 1978; Yu, 1978; N i e u w s t a d t , 1981). О д н а к о , эти м етод ы
в основном н о с я т д и а г н о с т и ч е с к и й х а р а к т е р и не д о с та т о ч н ы д л я
о п е р а т и в н о г о и с п о л ь з о в а н и я в п р о г н о с т и ч е с к о й п р а к ти к е .
Е с т ес т в е н н о , п р о г н о з у р а с п р е д е л е н и я в е р т и к а л ь н о г о п р о ф и л я
т е м п е р а т у р ы с п о с о б с т в у е т н а л и ч и е н а ч а л ь н ы х д а н н ы х о нем. Т а ­
кие д а н н ы е п о л у ч а ю т с я с е й ч а с в С С С Р , С Ш А , Ф р а н ц и и , Японии
и д р у ги х с т р а н а х н а о б о р у д о в а н н ы х д л я э т о й цели т е л е б а ш н я х
или с п е ц и а л ь н ы х м а ч т а х , а т а к ж е по р е з у л ь т а т а м аэр о л о ги ч е ск о го
з о н д и р о в а н и я с п о м о щ ь ю з а м е д л е н н ы х р а д и о з о н д о в или п р и в я з ­
ных а э р о с т а т о в ( Б е р л я н д , 1975).
5 .4 .
Синопт ические
м ет оды
п рогноза
ст рат иф икации
Д л я п р о г н о з а с т р а т и ф и к а ц и и в н и ж н е м с л о е а т м о с ф е р ы в си­
ноптической
практике
обычно использую тся призем ная карта
и к а р т ы б а р и ч е с к о й т о п о г р а ф и и 850, 700 и 500 г П а . П р и этом
в с оо тветств и и с Р у к о в о д с т в о м по к р а т к о с р о ч н ы м п р о г н о зам п о­
годы (1965) д л я п р о г н о з а т е м п е р а т у р ы в о з д у х а в М ето ди чески х
у к а з а н и я х (1979) р е к о м е н д у е т с я и с п о л ь з о в а т ь м е т о д построения
т р а ек т о р и и п е р е м е щ е н и я в о з д у ш н о й м а с с ы с уч етом и зм е н ен и я
т е м п е р а т у р ы з а с че т т р а н с ф о р м а ц и и , в е р т и к а л ь н ы х
движений
и с уточны х к о л е б а н и й . О д н а к о п о л у ч е н н ы е т а к и м о б р а з о м в е р т и ­
кальны е проф или тем п ер атур ы
т р е б у ю т с у щ е с т в е н н о г о уточне­
ния в п о г р а н и ч н о м с л о е а т м о с ф е р ы . С д а н н о й ц е л ь ю в р а б о т е
Г и д р о м е т ц е н т р а С С С Р по п р о г н о з у з а г р я з н е н и я в о зд у х а в о п е р а ­
тивную с и н о п т и ч е с к у ю п р а к т и к у в в е д е н а с 1975 г. д о п о л н и т е л ь н а я
к а р т а и з о б а р и ч е с к о й п о в е р х н о с т и 925 г П а , с о о т в е т с т в у ю щ а я п ри ­
мерно вы с оте 7 0 0 — 800 м. О п ы т р а б о т ы п о к а з а л (Н е р о н о в а , 1976),
что и с п о л ь з о в а н и е э т о й к а р т ы у л у ч ш а е т с о г л а с о в а н и е п р огн о сти ­
ческих к р и в ы х с т р а т и ф и к а ц и и с ф а к т и ч е с к и м и д о вы соты 1,5 км
в 25— 30 % с л у ч а е в и поч ти в 2 р а з а у м е н ь ш а е т о ш и б к у в о п р е д е ­
л ении в е р х н е й г р а н и ц ы п р и з е м н о й и н в е р си и .
П р о г н о з по у к а з а н н о й схем е о с у щ е с т в л я е т с я н а 12, 24 и 36 ч.
П о ст р о ен и е т р а е к т о р и и в ы п о л н я е т с я ш а г а м и , р а в н ы м и 12 ч.
Н а основании д ан н ы х о скорости и н ап равлен и и ветра в р а с ­
с м а т р и в а е м о м п у н к т е по п р о г н о с т и ч е с к и м к а р т а м б ар и че с к о й т о ­
по гр а ф и и п р и б л и ж е н н о о п р е д е л я е т с я т о ч к а , о т к у д а з а 12 ч п р и ­
д ет в о з д у ш н а я м а с с а к э т о м у п у н к т у . З а т е м в нем по т е м п е р а т у р е
в н ай денн ой то ч к е о п р е д е л я е т с я о ж и д а е м о е з н а ч е н и е а д в е к т и в н о г о
и зм е н ен и я т е м п е р а т у р ы , к к о т о р о м у в н о с я т с я у т о ч н е н и я з а счет
указанны х выш е ф акторов.
5.4.1.
Учет т р а н с ф о р м а ц и и в о з д у ш н ы х м а с с . Т р а н с ф о р м а ц и о н
ные и зм е н е н и я т е м п е р а т у р ы , с о г л а с н о Б е р л я н д у
(19 56), м огут
13*
195
б ы ть у ч те н ы на о с н о в а н и и р е ш е н и я с и с т е м ы
у р а в н е н и й тепл ои в л а г о о б м е н а т и п а ( 5 .1 ), в к о т о р ы х д о п о л н и т е л ь н о у ч и т ы в а ю т с я
для слоя z > h адвективны е изм енения тем пературы
и ( д Т 2/ д х )
и а б с о л ю т н о й в л а ж н о с т и в о з д у х а u ( d q i l d x ) . Э то ре ш е н и е н а х о ­
д и т с я д л я з а д а ч и т и п а К о ш и с н а ч а л ь н ы м и д а н н ы м и при ^ = 0
и х = 0. В р е з у л ь т а т е с л е д у е т , что п р и з е м н ы е и з м е н е н и я т е м п е р а ­
т у р ы А Т з а вр ем я, t , к р а т н о е с у т к а м (24 ч ) , п р и п е р е м е щ ен и и
во зд у х а вд о ль тр аекто р и и на некоторое расстояни е определяю тся
по ф о р м у л е
АГ = a A R -+- Ь А Г0.
(5.6)
З д е с ь A R — и зм е н ен и е р а д и а ц и о н н о г о б а л а н с а п о д с т и л а ю щ е й п о ­
в е р х н о с т и ( к а л / ( м и н - с м 2) ) , ДГо — н а ч а л ь н а я р а з н о с т ь т е м п е р а т у р
(° С ) в т о ч к а х х и х = 0 в м о м е н т в р е м е н и t = 0. З н а ч е н и я к о э ф ф и ­
ц и е н т о в а и Ь , р а с с ч и т а н н ы е д л я t , р а в н ы х 1, 2 и 3 сут и р а з н ы х
з н а ч е н и й с ко р о с т и в е т р а и , а т а к ж е д л я д в у х г р а д а ц и й у в л а ж н е ­
ни я почвы (сухой и в л а ж н о й ) д а н ы в т а б л . 5.8. А н а л о г и ч н о м о ­
гут б ы ть р а с с ч и т а н ы А Т на д р у г и х в ы с о т а х .
Т а б ли ц а 5.8
Значения коэффициентов а и b в ф ормуле (5 .6 )
а
Состояние
почвы
ъ
Время, сут
и км/ч
1
2
3
1 -3
Сухая
20
30
40
50
46
36
32
28
67
54
45
39
77
63
52
47
0 ,2 7
0 ,2 2
0 ,1 8
0 ,1 4
В лаж ная
20
30
40
50
40
35
30
26
58
50
43
38
73
60
51
46
0 ,3 2
0 ,2 6
0 ,2 2
0 ,1 8
И с п о л ь з у я эти т е о р ет и ч е с к и е р е з у л ь т а т ы , Б а ч у р и н а
(1961,
1967) р а з р а б о т а л а о п е р а т и в н у ю сх е м у р а с ч е т а э ф ф е к т а т е п л о в о й
т р а н с ф о р м а ц и и в о з д у ш н ы х м асс. П р и э т о м в м е с то величины A R ,
у ч и т ы в а я (5.2) и (5 .3 ), о н а в в е л а с о о т в е т с т в у ю щ у ю р а зн о с т ь к о л и ­
ч еств а о б л а к о в по пути п е р е м е щ е н и я в о зд у х а , к о т о р а я о п р е д е л я е т
о сн ов н ы е м е ж д у с у т о ч н ы е и зм е н е н и я р а д и а ц и о н н о г о б а л а н с а н а д
данной тр аекторией в определенное врем я
года.
На
вы соте
850 г П а з н а ч е н и е А Т о п р е д е л я л о с ь г л а в н ы м о б р а з о м по A7V П о ­
лученные резу л ьтаты вош ли в качестве реком ендаций в Р у к о в о д ­
ство по к р а т к о с р о ч н ы м п р о г н о з а м п о г о д ы (1964, 1965) и М е т о д и ­
ч еск ие у к а з а н и я (1970) д л я и с п о л ь з о в а н и я в о п е р а т и в н о й п р а к ­
тике. В эт и х ж е д о к у м е н т а х п р и в е д е н ы спо соб ы у т о ч н ен и я о ц е н ки
196
а д в е к ти в н о г о и з м е н е н и я т е м п е р а т у р ы з а пери од, не р а в н ы й ц е л ы м
с у т к а м ,н а о с н о в е п р и в е д е н н ы х в п. 5.3.1 т е о р е т и ч е с к и х и э м п и р и ­
ческих д а н н ы х о с т а н д а р т н ы х к р и в ы х д л я суто чного х о д а т е м п е р а ­
туры в о зд у х а у з е м л и и н а р а с с м а т р и в а е м ы х у р о в н я х .
В р аботах Н ероновой, П оном аренко и Т ихомировой (М етоди­
ческие у к а з а н и я , 1979) по д а н н ы м н а б л ю д е н и й в р а й о н е М о с к в ы
п р и н и м ае т с я, что при а н т и ц и к л о н а х на у р ов н е 925 г П а а м п л и т у д а
суточного х о д а т е м п е р а т у р ы в о зд у х а с о с т а в л я е т з и м о й п р и м е р н о
2— 3 °С , а в есной и л е т о м 3— 4 ° С ; п ри о б л а ч н о й п о г о д е с д о ж ­
д я м и она п р и н и м а е т с я р а в н о й нулю.
О п е р а т и в н ы й м е т о д у то чн ен ия с и н о п т и ч е с к и х п р о г н о з о в м а к ­
симума и м ин им ум а тем п ературы воздуха р а з р а б о т а н Успенским
(1981) и П е т р и ч е н к о и д р . (1981).
П р и р а с ч е т е а д в е к т и в н ы х и зм е н ен и й т е м п е р а т у р ы у ч и т ы в а е т с я
т а к ж е с п о м о щ ь ю и з в е с т н ы х м е то д о в в л и я н и е у п о р я д о ч е н н ы х в е р ­
т и к а л ь н ы х т о к о в w . В си н оп ти ческ ой п р а к т и к е з н а ч е н и я w о б ы ч н о
рассчитываю тся д л я стандартны х изобарических
уровней.
Для
ур о в н я 925 г П а w s 25 не о п р е д е л я е т с я . П о э т о м у на осно ве о п р е д е ­
л енны х п р о р а б о т о к Б а ч у р и н о й в М е т о д и ч е с к и х у к а з а н и я х (1970)
р е к о м е н д у е т с я п р и м е н я т ь а;925 = 0,5швво5.4.2.
И с п о л ь з о в а н и е к а р т б а р и ч е с к о й т о п о г р а ф и и 925 г П а .
В настоящ ее врем я в территориальны х гидром етцентрах имею тся
к а р т ы 925 г П а , с о с т а в л е н н ы е по ф а к т и ч е с к и м д а н н ы м . Э т и к а р т ы
н е п оср е д с тв е н н о и с п о л ь з у ю т с я при с о с т а в л е н и и п р о г н о з а на 12 ч.
Д л я п р о г н о з а н а 24 и 36 ч по и з л о ж е н н о й в ы ш е с х е м е н е о б х о д и м ы
п ро гн о сти ч ес ки е к а р т ы . О д и н из и н т е р п о л я ц и о н н ы х с п о со б о в п р о ­
гноза к а р т ы А Т 925 п р е д л о ж и л и З о т о в а и Л ь в о в (1 9 8 4 ). В р а б о т а х
Н ер оново й , П о н о м а р е н к о и Т и х о м и р о в о й ( М е т о д и ч е с к и е у к а з а ­
ния, 1979) р а з р а б о т а н д р у го й п р и б л и ж е н н ы й пр и е м с о с т а в л е н и я
п р о гн о с т и ч е с ки х к а р т А Т 925, к о т о р ы й о сн ов а н на п о с т р о е н и и т р а ­
ектории в о з д у ш н о й м а с с ы путем и н т е р п о л я ц и и п е р е н о с а по п р о ­
гностическим к а р т а м п р и зем н о г о б а р и ч е с к о го п о л я и ATeso в с о­
четании с и с п о л ь з о в а н и е м ф а к т и ч е с к о й к а р т ы 925 г П а .
П р и п р о г н о з е на 24 ч с н а ч а л а и с п о л ь з у ю т с я п р о г н о с т и ч е с к и е
зн а ч е н и я с п р и з е м н о й к а р т ы и АТадо. З а т е м д л я р а с с м а т р и в а е м о г о
пункта с т р о я т с я в е к т о р ы ско ро сти в е т р а д л я д а н н ы х у р о в н е й и с о ­
о т в е т с т в у ю щ и е им т р а е к т о р и и первого ш а г а (на 12 ч) в н а п р а в л е ­
нии, п р о т и в о п о л о ж н о м в е т р о в о м у потоку. Д л я у р о в н я 925 г П а п р и ­
нимается тр аек то р и я, пром еж уточн ая м еж ду этим и тр аек то р и я м и ,
и о п р е д е л я е т с я место, о т к у д а м о ж е т п о с т у п ат ь в о з д у х в- п р е д е л а х
первого 1 2-часового ш а г а . О т у с т а н о в л е н н о г о м е с т а , д а л е е , с т р о ­
ится т р а е к т о р и я в т о р о г о 12-часового ш а г а у ж е по ф а к т и ч е с к о й
к а р т е 925 г П а у р о в н я . П р и п р огн озе на 36 ч и с п о л ь з у ю т с я п р о ­
гностические к а р т ы 925 г П а на 36 и 24 ч. П о п е р в о й из н и х а н а ­
л о гич но и з л о ж е н н о м у с т р о и т с я т р а е к т о р и я п е р в о г о ш а г а , по д р у ­
г о й — вто ро го ш а г а . Т р е т и й ш а г д е л а е т с я снова по ф а к т и ч е с к о й
к а р т е 925 г П а .
Т а к о е п о с т р о е н и е п о з в о л я е т у т о ч н и т ь про гно з к р и в о й с т р а т и ­
ф икации и вертикального градиента тем пературы у в н и ж нем
197
килом етровом слое воздуха. П о л у чен н ы е зн ач ен и я у авторы исполь­
зую т д л я вы числения т а к назы ваем ого термодинамического г р а ­
д и е н т а Г = 7 + - ^ - ( -^ ~ ) 2- З а т е м
определяется
т о л щ и н а с л о я Я тд,
в к о т о р о м г р а д и е н т у б о л ь ш е с у х о а д и а б а т и ч е с к о г о г р а д и е н т а vaП о с к о л ь к у д л я у с т а н о в л е н и я Г и Я тд, оч ев и дн о, к р о м е г р а д и е н т а
тем п ературы у , требуется т а к ж е и в ер тикал ьны й градиент скоро­
сти в е т р а d t i / d z , то д л я его о п р е д е л е н и я и с п о л ь з у ю т с я п р о г н о с т и ­
ч ес к и е д а н н ы е о с к о р о с т и в е т р а у з е м н о й п о в е р х н о ст и и на у р о в ­
н я х 925 и 850 г П а .
Рис. 5.9. Зависимость м еж ду пок азате­
лями загрязнения воздуха Ум и Р.
Ч исла
у точек — количество
данных.
использованных
В е л и ч и н у Я Тд а в т о р ы н а з ы в а ю т в ы с о т о й с л о я т е р м о д и н а м и ч е ­
ской т у р б у л е н т н о с т и или т о л щ и н о й с л о я п е р е м е ш и в а н и я . О н а р а с ­
с м а т р и в а е т с я к а к о д и н из т р е х о с н о в н ы х ф а к т о р о в , ко тор ы й о п р е ­
д е л я е т н е к о то р ы й к о м п л е к с м е т е о р о л о г и ч е с к и х у с л о в и й з а г р я з н е ­
ни я ( М У З ) ; о б о з н а ч и м его Ум. В к а ч е с т в е д в у х д р у г и х ф а к т о р о в
п р е д л а г а е т с я и с п о л ь з о в а т ь с р е д н ю ю с к о р о с т ь в е т р а й п в слое п е ­
р е м е ш и в а н и я Я тд и у с л о в н ы й п о к а з а т е л ь син оптической о б с т а ­
новки С . З н а ч е н и я Я тд и й п , а т а к ж е п о к а з а т е л ь С в за в и с и м о с т и
от си н оп ти ческ о й си т уа ц и и , а в т о р ы з а к о д и р о в а л и ц е л ы м и ч и с л а м и
от 3 до 10, к а к у к а з а н о в т а б л . 5.9 и 5.10. С л е д о в а т е л ь н о , в е л и ­
чины Ум м о г у т п р и н и м а т ь з н а ч е н и я от 9 д о 30, при чем м е н ь ш и е
из них с о о т в ет с т в у ю т у с л о в и я м б о л е е и н те н си в н о г о з а г р я з н е н и я
в о зд у х а . О т д е л ь н о р а с с м а т р и в а ю т с я с л у ч а и р о с т а и о с л а б л е н и я
степени з а г р я з н е н и я в о з д у х а . Н е к о т о р ы е у т о ч н ен и я в о п р е д е л е н и и
м е т е о р о л о г и ч е с к и х ус л о в и й , с о о т в е т с т в у ю щ и х т а к и м с л у ч а я м , с о ­
д е р ж а т с я в р а б о т е Н е р о н о в о й и П о н о м а р е н к о (1 9 8 1 ). В р а с с м а т ­
р и в а е м ы х р а б о т а х п о к а з а н о , что з н а ч е н и я Ум к о р р е л и р у ю т с и н ­
т е г р а л ь н ы м п о к а з а т е л е м Р (см. гл. 4 ) .
Н а рис. 5.9 п р и в е д е н г р а ф и к к о р р е л я ц и о н о й с в я зи менаду Ум
и Р по д а н н ы м д л я М о с к в ы з а д н е в н о е в р е м я . А н а л о г и ч н ы е г р а -
198
Таблица 5.9
Коды высоты перемешивания и скорости ветра
н тд
йа м /с
Код
метры
3
4
5
6
7
8
9
10
<300
400
500
600
700
800
900
>1000
гПа
<980
965
955
945
935
920
910
>900
<3
4
5
6
7
8
9
>10
Т абли ц а 5.10
К од синоптических ситуаций (С )
Код
Синоптические ситуации
3
Ц ентр антициклона (продолж ительность 1,5 сут и бол ее)
4
Л ож би н а с теплым
> 9 2 5 гП а
5
Разм ы тое поле повышенного давления; ось м алоп одвиж ного
6
П ериф ерия антициклона или гребень
1,5 суток) при ветре у земли ^ 4 м/с
фронтом
при юго-восточном
переносе,
(продолж ительность
гребня
бол ее
Ц ентр м алоподвиж ного циклона или его периферия при ю го-восточ ­
ном ветре;
периферия антициклона при юго-восточном ветре и Я тд = 0 или
Я Тд > 9 5 0 гП а;
размы тое поле пониженного давления;
вновь сформировавш ееся ядро
Тыл циклона;
лож бин а при ветре ^ 4 м /с и направлении ветра, отличном от юговосточного;
лож бина при траекториях с юга и количестве осадк ов больш е 2—■
3 м м /12 ч или Я т д > 9 5 0 гП а
П ериф ерия м алоподвиж ного антициклона или гребень при ветре
у зем ли 5 м /с и более и направлении ветра, отличном от ю го-во­
сточного;
лож бин а при ветре 5 м /с и более и направлении ветра, отличном
от ю го-восточного;
малоподвиж ны й циклон при направлении ветра, отличном от юговосточного
10
Углубляющ ийся циклон, л ож бин а и волновое возм ущ ение при ско­
рости ветра больш е 4— 5 м /с и направлении ветра, отличном от
ю го-восточного;
быстро перемещ аю щ иеся антициклон и гребеиь
199
ф и к и п о с т р о е н ы д л я ноч ного в р е м е н и и в ср едн ем з а сутки. Э та
ко р р ел я ц и о н н ая зави си м ость в ы р а ж а е т с я уравнением
где з н а ч е н и е к о э ф ф и ц и е н т о в а ' и Ь ' соотв етственно р а в н ы : 25
и 0,93 д л я д н я , 20 и 0,10 д л я ночи, 2 4 и 0,88 в с р едн ем за сутки.
Д ругой
спо с о б
прогноза
стратификации
рассм атривается
в р а б о т е Г о р о ш к о и д р. (1 9 8 1 ) . А в т о р ы п р е д л а г а ю т на н о си ть на
1015 1020
1015
Рис. 5.10. К арта распределения приземных ( 1) и приподнятых (2) инверсий.
с и н о п т и ч е с к у ю к а р т у о т д е л ь н о д л я д н е вн о г о и ночного с р о к о в
д а н н ы е о в ы с о т е и м о щ н о с ти п р и з е м н ы х и п ри п о д н я ты х ин верси й
с н и ж н е й г р а н и ц е й м е н е е 500 м и в ы д е л я т ь соответствую щ ие зо н ы
(рис. 5.1 0 ). З а т е м п е р е м е щ а я эт и з о н ы по т р а е к т о р и я м д в и ж е н и я
в о зд у ш н ы х м а с с м о ж н о п р о г н о з и р о в а т ь с т р а т и ф и к а ц и ю на сутки.
5 .5 .
П р о гн о з верт икального р а сп р ед ел ен и я
вет ра
П р и н о р м а л ь н ы х м е т е о р о л о г и ч е с к и х у с л о в и я х д л я п р о г н о за з а ­
гр я з н е н и я в о з д у х а б о л ь ш е й ч а с т ь ю д о ст а т о ч н о учесть изм е н ен и е
ско р о ст и в е т р а с вы со то й по л о г а р и ф м и ч е с к о м у за к о н у (2.8) до
вы соты в н е с к о л ь к о сотен м е тр о в . Д л я это го нео б х оди м о в о с н о в ­
ном у с т а н о в и т ь о ж и д а е м ы е з н а ч е н и я с ко рости в етра в пр и зе м н о м
с л о е (о б ы ч н о на у р о в н е ф л ю г е р а ) и з н а ч е н и е ш еро х о ва т о с т и п о д ­
с т и л а ю щ е й п о в е р х н о ст и го. Ш е р о х о в а т о с т ь м ож ет бы ть п р и б л и ­
ж е н н о о ц е н е н а по т а б л . 5.11, с о с т а в л е н н о й по д ан н ы м р я д а а в т о ­
ров (О ке, 1982 и д р .) , и л и из п р о с т о г о соотнош ен ия, со г л асн о ко1
1
т о р о м у 20 с о с т а в л я е т — -------- — от с р е д н е й в ы соты н е ров н ост е й
п о д с т и л а ю щ е й поверхности.
200
Таблица 5.11
Значения ш ероховатости z 0 (см )
Вид поверхности
0 ,0 0 5 — 0 ,1
0 ,1 — 1
0 ,3 — 3
1— 10
Снег
Оголенная почва
Трава высотой 2— 30 см
Сельскохозяйственные куль­
туры
Л ес
50— 200
0 ,0 5
0 ,5
1
5
100
5.5.1.
Результаты теоретических исследований. Д л я б о л е е т о ч ­
ного о п р е д е л е н и я в е р т и к а л ь н о г о п р о ф и л я с ко р о с т и в е т р а м о ж н о
воспользоваться р езу л ьтатам и теоретических исследований струк­
ту ры п о г р а н и ч н о го с л о я в о з д у х а . И с х о д н ы м п о л о ж е н и е м в этих
р а б о т а х я в л я е т с я р е ш е н и е у р а в н е н и й д в и ж е н и я с уч етом д е й с т в и я
т у р б у л е н т н о г о о б м е н а и с и л ы Кор.иолиса:
-§ ?
+
2 a z (vg
— о) = О,
- J ^ 4 i r + 2o>* (“ « - “ > = 0-
<5 '7)
где и , v и u g , v g — со о т в е т с т в е н н о с о с т а в л я ю щ и е по осям х и у
скорости в е т р а и с к о р о с т и ге о с т р о ф и ч е с к о г о в е т р а .
З н а ч е н и я u g и v s у с т а н а в л и в а ю т с я по полю д а в л е н и я
на о сн о ­
ва н и и о б щ е г о п р о г н о з а погод ы и л и о п р е д е л я ю т с я
по ско р о ст и
в е т р а в с в о б о д н о й а т м о с ф е р е н а в е р х н е й г р а н и ц е погр ани чн ого
слоя.
И с с л е д о в а н и ю р е ш е н и я у р а в н е н и й (5.7) с о в м е с т н о с систем ой
у р а в н е н и й п е р е н о с а т е п л а и в л а г и , а т а к ж е б а л а н с а эн ер ги и т у р ­
б улен тн ости , п р и у ч ет е р а з л и ч н ы х сх е м о п р е д е л е н и я k z п о с вя щ е н о
б о л ь ш о е ч и с л о р а б о т . О б з о р их и п о с т р о е н н ы х н а т а к о м р е ш е н и и
м о дел ей с т р у к т у р ы п о г р а н и ч н о го с л о я а т м о с ф е р ы
содержится
в кн и га х р я д а а в т о р о в ( W i p p e r m a n n , 1973; B u s e u h et al., 1973;
M e B e a n et al., 1979; В а г е р и Н а д е ж и н а , 1979; N i e u w s t a d t , V a n
Dop, 1981; и д р . ) .
Р е ш е н и е с и с т е м ы у р а в н е н и й (5.7) в ц е л я х н е п осре д с тв е н н ой
р а з р а б о т к и п р о г н о з а м е т е о р о л о г и ч е с к и х ве л и ч и н в п огр ан и чн ом
слое в ы п о л н е н о в р я д е р а б о т ( B o d in , 1976; С п е р а н с к и й и др.,
1978а, б; C a r p e n t e r , 1979; В е л ь т и щ е в и др., 1982). П р и этом иско­
м ы е в е л и ч и н ы п р е д с т а в л я ю т с я н е р е д к о в ви д е д в у х с л а г а е м ы х .
О д но из них н а х о д и т с я из р е ш е н и я р а с с м а т р и в а е м о й системы ,
а вто рое — н а о с н о в е о б щ е г о п р о г н о з а без у ч ет а в л и я н и я п о г р а ­
ничного с л о я , т. е. к а к ф о н о во е з н а ч е н и е и ск о м ой м е те о р о л о г и ч е ­
ской вел ич ины . Н а п р и м е р , если р а с с м а т р и в а ю т с я к о м п о н е н т ы с к о ­
рости в е т р а и и и, то п о л а г а е т с я , что в т о р ы е с л а г а е м ы е с о в п а д а ю т
201
с u g и v g, к о т о р ы е , к а к и в ы ш е , п р и н и м а ю т с я по д а н н ы м о б щ е г о
п р огн оза.
Д р у г о е у п р о щ е н и е , и с п о л ь з у е м о е в н е к о тор ы х н а з в а н н ы х р а ­
б о та х , со с то и т в и с п о л ь з о в а н и и с в о й с т в а
квазистационарности
п р и зе м н о г о с л о я в о з д у х а , с у щ н о с т ь кото ро го в том, что (при z ^ h )
потоки к о л и ч е с т в а д в и ж е н и я , т е п л а и в л а г и с л а б о з а в и с я т от в ы ­
соты и их м о ж н о п р и н и м а т ь п о с т о я н н ы м и . В п е р вы е в о з м о ж н о с т ь
т а к о г о у п р о щ е н и я р е ш е н и я з а д а ч о р а с п р е д ел е н и и т е м п е р а т у р ы
в о з д у х а с в ы с ото й и т р а н с ф о р м а ц и и в озд у ш н ы х м а с с о б о сн о в а н а
в р а б о т а х Б е р л я н д а (1949, 1956).
В к а ч е с т в е г р а н и ч н ы х ус л о в и й д л я скорости в е т р а т р е б у е т с я
у б ы в а н и е ее д о н у л я н а у р о в н е ш е р о х о в а т о с т и , а д л я т е м п е р а т у р ы
и в л а ж н о с т и в о з д у х а — у с л о в и е т е п л о в о г о б а л а н с а на у ро вн е п о д ­
с т и л а ю щ е й п о в е р х н о с т и . В б о л е е п о л н ы х схем ах п р и н и м а е т с я во
в н и м а н и е т а к ж е р е л ь е ф п о д с т и л а ю щ е й поверхности, в о з м о ж н о с т ь
о б р азо в ан и я ни ж ней облачности и др.
В к а ч е с т в е н а ч а л ь н о г о у с л о в и я п р и н и м ае т с я з а д а н н ы й в е р т и ­
к а л ь н ы й п р о ф и л ь о п р е д е л я е м о й м е те ор ол оги ч еской величины . О д ­
н а к о и н о гд а и з-за о т с у т с т в и я н е о б х о д и м ы х д л я этого д о с т а т о ч н о
д е т а л ь н ы х д а н н ы х , к а к в у к а з а н н ы х в 5.3.1 р а б о т а х Б е р л я н д а
(1956, 1958), в т е ч е н и е н е к о т о р о г о а д а п та ц и о н н о го п е р и о д а з а ­
д а е т с я п р е д ш е с т в у ю щ и й х о д п р о г н о з и р у е м ы х величин на у р о в н е
м е т е о р о л о г и ч е с к о й б удк и . В р а б о т а х С п е р а н ск о го и др. (1 9 7 8 ),
Т о л о к н о в а и д р . (1978) д е т а л ь н о р а з в и т а у к а з а н н а я сх е м а ч и с л е н ­
ного п р о г н о з а погоды. Н а о с н о в а н и и в ы по л нен ны х и сс л е д о в а н и й ,
в частности, п о к а з а н о , что при п р о г н о з е на срок 40 ч а д а п т а ц и о н ­
ный п е р и о д м о ж н о п р и н и м а т ь р а в н ы м при м ерн о с у т к а м . Ф о н о в ы е
поля метеорологических величин устанавливались с использова­
нием д а н н ы х р а д и о з о н д и р о в а н и я д л я уровней 850 и 700 г П а .
В эти х р а б о т а х п р и в е д е н ы р е з у л ь т а т ы про верк и л о к а л ь н о г о
прогноза скорости ветра, тем п ер ату р ы и влажности в пограничном
с л о е в о з д у х а на с р о к 40 ч в Н о в о с и б и р с к е . С р е д н я я о ш и б к а п р о ­
г н о з а ско р о с т и п р и зе м н о г о в е т р а с о с т а в и л а 1,3 м/с, м а к с и м у м а
т е м п е р а т у р ы н а вы с о те 2 м н а п е р в ы е с у т к и — 1,5 °С, а на в т о ­
р ы е — 3,1 °С.
И з р е ш е н и я (5.7) при и с п о л ь з о в а н и и д л я k z м о дел и (2.8) с л е ­
дует, что с к о р о ст ь в е т р а д о вы с о ты н е с к о льк и х м етр ов у в е л и ч и ­
в а е т с я п р и м е р н о по л о г а р и ф м и ч е с к о м у за к о н у (2.8), вы ш е он а и з ­
м ен я е тс я н е с к о л ь к о б ы с т р е е и на в ы с о те погр ани чн о го сл оя H q =
= 10h (см. п. 5.3.3) д о с т и г а е т с в о е го геостроф ич еского зн а ч ен и я .
Р е ш е н и е (5.7) п о з в о л я е т о п р е д е л и т ь за в и с и м о с ть н а п р а в л е н и я
в е т р а от вы с о ты . У ж е в п е р в ы х р а б о т а х по теории и зм е н ен и я с к о ­
рости в е т р а в п о г р а н и ч н о м сл о е а т м о с ф е р ы (R ossby , M o n tg o m e r y ,
1935; Б л и н о в а , К и б е л ь , 1937; Ю д и н , Ш вец , 1940; Б е р л я н д , 1947);
не т о л ь к о о п р е д е л я л с я у го л п о в о р о т а ве т р а с высотой, но и и с ­
п о л ь з о в а л о с ь п о л у ч е н н о е з н а ч е н и е эт о го у г л а д л я п р о в е р к и р а з в и ­
той теории. Д е й с т в и т е л ь н о , е сл и р е ш а т ь систему (5.7) при п о сто­
я н н о м з н а ч е н и и k z ( т а к н а з ы в а е м а я м од е л ь Э к м а н а ) , уго л ао
м е ж д у г е о с т р о ф и ч е с к и м и п р и з е м н ы м н а п р а в л е н и я м и ве т р а в с е г д а
202
б у дет с о с т а в л я т ь 45°, что не с о в п а д а е т с ф а к т и ч е с к и м и д а н н ы м и .
У чет р о с т а k z с z п р и в о д и т к т о м у , ч то п р и неу стой ч и во й с т р а т и ­
ф и к а ц и и у г о л ао б л и з о к к 10— 15°, а с у с и л е н и ем у стойчи во сти
а т м о с ф е р ы он у в е л и ч и в а е т с я , к а к э т о с л е д у е т и из р е з у л ь т а т о в
наблюдений.
С о г л а с н о р а б о т е Б е р л я н д а ( 1 9 4 7 ) , в к о т о р о й п р и н и м а е т с я , что
в пр и зем н о м с л о е ( z ^ t i ) k z = k \ z m , а при z ~ > h в ел и ч и н а k z = k h ,
т. е. с о х р а н я е т п о с т о я н н о е з н а ч е н и е , и т з а в и с и т от у стойчивости
а т м о с ф е р ы (п р и н е у с т о й ч и в о м с о с т о я н и и т = 1 , 1 , при р а в н о в е с н о м
т = 1 , при у с т о й ч и в о м т = 0 ,9 ) , ао п р и н и м а е т зн а ч ен и я , у к а з а н н ы е
в т а б л . 5.12 (где щ — с к о р о с т ь в е т р а на в ы с о те 1 м ).
Рис. 5.11. Зависимость угла отклоне
ния ветра ао от разности темпера
туры в озд уха ДГо.г-г.
Д л я у м е р е н н ы х с к о р о с т е й в е т р а з н а ч е н и я ао в за в и с и м о с т и от
р а зн о с т и т е м п е р а т у р в о з д у х а н а в ы с о т а х 0,2 и 2 м (ДГо.г-г) д а н ы
на рис. 5.11.
В р а б о т а х Д и к о н а (D ie c o n , 1 9 7 3 ), Т а р н о п о л ь с к о г о и Ш н а й д м а н а
(19 79), О р л е н к о ( 1 9 7 7 )
получены
с х о д н ы е з а в и с и м о с т и а 0 от
устойчи во сти а т м о с ф е р ы , с к о р о с т и в е т р а и ш е р о х о в а т о с т и п о д с ти ­
л а ю щ е й п о в е р х н о ст и , к а к по д а н н ы м р а с ч е т а , т а к и э к с п е р и ­
мента.
Таблица 5.12
Значения угл а отклонения а °0
Состояние
устойчивости
Н еустойчивое
Z, см
и м/с
1
5
14
13
11
17
15
14
18
16
14
19
17
15
2
4
16
15
14
18
17
16
19
18
17
20
19
18
1
2
4
35
34
32
38
36
34
39
37
35
40
38
36
1
2
4
Равновесное
Устойчивое
1
10
20
203
П р и п р о г н о з е с к о р о с т и по д а н н ы м син оптических к а р т в а ж н о е
з н а ч е н и е и м е е т о п р е д е л е н и е о т н о ш е н и я скорости в е т р а в п р и з е м ­
ном с л о е Иф, н а п р и м е р , н а в ы с о те ф л ю г е р а 2 ф, об ы чно р а в н о й
10 м, к с к о р о с т и г е о с т р о ф и ч е с к о г о в е т р а u g . В е л и ч и н а и ф / и е о п р е ­
д е л я е т с я к а к н а осно ве у к а з а н н ы х те ор ет и ч е с ки х схем, т а к и по
м а т е р и а л а м н а б л ю д е н и й . С в о д к а п о л уч енны х д а н н ы х п р е д с т а в ­
л е н а в р а б о т е О р л е н к о ( 1 9 7 9 ) . Р я д ф о рм у л д л я о п р е д е л е н и я
u $ / u g с о д е р ж и т с я в о б з о р е М а к Б и н а и др. (M e B e a n et al., 1979).
У к а з а н н ы е р е з у л ь т а т ы н о с я т в основном д и агн о сти ческ и й х а ­
р а к т е р , п о с к о л ь к у р е ш е н и е (5 .7 ) относится к с т а ц и о н а р н о м у р е ­
ж и м у . О д н а к о п ри н а л и ч и и про гн о с т и ч ес ки х д а н н ы х о типе в е р т и ­
к а л ь н о г о и з м е н е н и я т е м п е р а т у р ы в п ри зем но м с л о е в о зд у х а в с о ­
от ве тс т в и и с п. 5.3 м о ж н о п р и б л и ж е н н о в о сп о л ьзо в а т ьс я п р и в е д е н ­
н ы м и д а н н ы м и и в ц е л я х п р о г н о з а скорости в етр а. П ри этом
н у ж н о у ч и т ы в а т ь з а к о н о м е р н о с т и ее суточных ко л е б а н и й ( Б е р ­
л я н д , 1947; B u a j itti, B l a c k e d a r , 1957; М ат вее в, 1984; О р л е н к о ,
1979 и д р .) , с о г л а с н о к о т о р ы м на опред ел ен ном у р о в н е пр о и с х о ­
дит т а к н а з ы в а е м о е о б р а щ е н и е скорости в етра. Н и ж е этого у р о в н я
м а к с и м у м с ко р о с т и в е т р а д о с т и г а е т с я днем, а м иним ум — ночью,
а в ы ш е, н а о б о р о т , м а к с и м у м д о с т и г а е т с я ночью, а м ин им ум —
днем.
П р и о п р е д е л е н н ы х у с л о в и я х сл е д у е т у ч и т ы в а т ь г о р и з о н т а л ь ­
ный г р а д и е н т т е м п е р а т у р ы и с в я з а н н ы й с ним «тер м и ческ ий в е ­
тер». С у щ е с т в е н н ы е р е з у л ь т а т ы в этом п л ан е д л я с л у ч а я б аро кли нного п о г р а н и ч н о го с л о я и л инейного и зм е н ен и я с вы сотой
т е р м и ч ес к о го в е т р а получ ены В и н -Н и л ь с е н о м (W iin -N ie lse n, 1974)
и др.
В р а с с м о т р е н н ы х в п. 5.4.2 р а б о т а х по ис п о льзо ван и ю к а р т
925 г П а п о л а г а е т с я , что в б о л ь ш е й части сл у чаев з н а ч е н и е г е о ­
с тр о ф и ч е с к о г о в е т р а в с л о е от з е м л и до ур ов ня 850 г П а с т о ч н о ­
стью до ± 2 м /с с о в п а д а е т со с кор остью ветр а на вы со те 925 г П а .
5.5.2.
Высота штилевого слоя. Д л я с л у ч а я а н о м а л ь н ы х у с л о в и й
погоды, с п о с о б с т в у ю щ и х п о в ы ш е н и ю за г р я з н е н и я при зем ного с л о я
в озд у х а, с у щ е с т в е н н о е з н а ч е н и е п р и о б р е т а е т прогноз ш ти лей и в ы ­
соты их р а с п р о с т р а н е н и я . Б о л ь ш а я
п о вто ряем о сть о с л а б л е н и я
в е т р а в п р и зе м н о м слое в о з д у х а до ш т и л я н а б л ю д а е т с я во м н о ги х
г е о г р а ф и ч е с к и х о б л а с т я х . Т а к о е о с л а б л е н и е особенно х а р а к т е р н о
д л я о б л а с т е й с к о н т и н е н т а л ь н ы м к л и м а т о м в периоды а н т и ц и кл о нической пого д ы . О д н а к о с и л ь н о е ос л а б л е н и е в е т р а н а б л ю д а е т с я
б о л ь ш е й ч а с т ь ю т о л ь к о до у р о в н е й около 20 м, за иск лю чен ием
о б л а с т е й с р е з к о к о н т и н е н т а л ь н ы м к л и м а т о м , как , н а п р и м е р , С и ­
б и р ь и С р е д н я я А зи я . В ы ш е о т м е ч а е т с я ср ав н и т е л ьн о р е зк о е у с и ­
ление ветра.
В е р т и к а л ь н а я п р о т я ж е н н о с т ь ш ти л е в ы х слоев изуч е н а с л а б о .
Это с в я з а н о с тем, что г р а д и е н т н ы е н а б л ю д е н и я з а с кор остью
ветра проводятся
л и ш ь э п и зо д и ч е с к и и до н е б о л ь ш и х высот.
А э р о л о г и ч е с к и е н а б л ю д е н и я в д а н н о м с л у ч а е не в с е г д а м огут бы ть
и с п о л ь з о в а н ы , т а к к а к ш а р ы -п и л о т ы и р а д и о зо н д ы бы стро п р о х о ­
д ят через н и ж н и е слои а т м о с ф е р ы . И з - з а ин ерцион ности и з м е р и ­
204
т е л ь н ы х п р и б о р о в э т и сл ои о к а з ы в а ю т с я н е д о с та т о ч н о о с в е щ е н ­
ными. Н о в ы е в о з м о ж н о с т и п о я в и л и сь в с в я з и с о р г а н и з а ц и е й н а б ­
людений на сп ец и аль н ы х мачтах, теле- и ради обаш нях, а т а к ж е
с п р и м ен е н и е м з а м е д л е н н ы х р а д и о зо н д о в .
К н а с т о я щ е м у в р е м е н и м е то д и к а п р о г н о з а ш т и л е й п о к а не р а з ­
р а б о т а н а . П о э т о м у п о л е з н ы м и м огут б ы т ь н е к о т о р ы е к л и м а т о л о ­
гич еские п р о р а б о т к и .
В д о ви н и Ц а р е в (1 9 6 9 ) и с с л е д о в а л и р а з в и т и е ш ти л ей в п о г р а ­
ничном с л ое а т м о с ф е р ы по д а н н ы м н а б л ю д е н и й н а т е л е в и зи о н н ы х
б а ш н я х в Л е н и н г р а д е д о в ы соты 269 м и в Н о в о с и б и р с к е д о вы-
Рис. 5.12. Число дней со штилем
(N) в зависимости от высоты
штилевого слоя Н ш (а) и месяца
100
(б).
О
соты 180 м, а т а к ж е н а 300-м етровой м е т е о р о л о г и ч е с к о й м а ч т е
в О б н и н ск е. А н а л и з у п о д в е р г а л и с ь т о л ь к о те с л у ч а и , ко г д а с к о ­
рос т ь в е т р а < 1,5 м /с (0— 1 б а л л а по ш к а л е Б о ф о р т а ) о т м е ч а л а с ь
от н и ж н е г о у р о в н я д о н е к о т о р о й вы соты . В се г о б ы л о п р о а н а л и з и р о ­
в а н о д л я Л е н и н г р а д а 70 3 сл уча я , д л я Н о в о с и б и р с к а 590 и д л я
О б н и н с к а 95. Н а рис. 5.12 п р е д с т а в л е н ы п ол уч е н н ы е п о в т о р я е м о ­
сти ш т и л е в ы х с л о е в р а з л и ч н о й мощ ности.
В д о ви н и Ц а р е в п р и в о д я т т а к ж е д а н н ы е о с уточном ход е ш т и ­
лей д л я Л е н и н г р а д а ( т а б л . 5.13) и их г о дов ом ход е д л я Н о в о с и ­
б и р с к а (рис. 5.12 б ) . В суточном хо д е м а к с и м у м ш ти л е й о т м е ­
ч ае т с я в у т р е н н и е ч ас ы ,
а в годовом — зи м о й в у с л о в и я х антиц и к л о н и ч е с к о й по год ы . Ш т и л и в о з н и к а ю т почти во все часы суток,
в том числе н е р е д к о и в дневны е, а т а к ж е и в р а з л и ч н ы е с езо ны
года.
В о б л а с т я х с р е з к о к о н т и н е н т а л ь н ы м к л и м а т о м (С и б и р ь, С р е д ­
н я я А зи я и д р .) в е р т и к а л ь н а я п р о т я ж е н н о с т ь ш т и л е в ы х с л о е в
Т абли ца 5.13
Суточный х о д числа случаев с штилевыми слоями
штилевого
слоя, м
0
3
6
<100
63
94
94
>100
33
37
35
9
21
12
15
68
33
37
23
58
41
21
23
20
23
18
205
в е с ь м а в е л и к а (н е с к о л ь к о с о т е н м е т р о в и б о л ь ш е ) . О н и о т ч е т л и в о
п р о с л е ж и в а ю т с я и по д а н н ы м с е т е в о г о а э р о л о г и ч е с к о г о з о н д и р о в а ­
ни я ( К л и м а т и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и , 1983).
О с л а б л е н и е в е т р а и н о г д а о т м е ч а е т с я не т о л ь к о в с л о е в о з д у х а ,
н е п о с р е д с т в е н н о п р и м ы к а ю щ е м к з е м н о й п о в е р х н о ст и , но и в б о ­
лее высоких слоях (н и ж е и вы ш е эти х слоев н аб л ю д аю тся с р а в н и ­
тельно больш ие скорости в е т р а ).
5.5.3.
М езоструи. Н еск о л ьк о более подробно исследован ы тео
ре т и ч е с к и с л у ч а и р е з к о г о у с и л е н и я с к о р о с т и в е т р а н а н е к о т о р о м
у ро в н е в п р е д е л а х п о г р а н и ч н о го с л о я . П о к а з а н о , что в э т и х с л у ­
ч а я х м огут п р е в ы ш а т ь с я з н а ч е н и я г е о с т р о ф и ч е с к о й с к о р о с т и
в етра. Т а к о е я в л е н и е и н о г д а н а з ы в а ю т м е з о с т р у я м и или с т р у й ­
ными течениями в пограничном слое атм осф еры . П ер во е и с т о л к о в а ­
ние его б ы л о д а н о Б л э к е д а р о м ( B l a c k e d a r , 1957) с у ч ет о м р е ш е ­
ния у р а в н е н и я д в и ж е н и я (5 .7 ). О н п о к а з а л , что в си л у в о з н и к а ю ­
щ и х и н е р ц и о н н ы х к о л е б а н и й в е к т о р а в е т р а с в ы с о то й в п е р и о д ы
вр ем ен и , б л и з к и е к во с х о д у С о л н ц а , в о з н и к а ю т с в е р х г е о с т р о ф и ч е ские ско р о ст и в е т р а в б л и з и в е р х н е й г р а н и ц ы п о г р а н и ч н о г о с л о я .
О тм ечено, что т а к о е п р е в ы ш е н и е с к о р о с т и н а д u g н а б л ю д а е т с я
и в о б л а с т и в е рх н е й г р а н и ц ы п р и з е м н о й и н в ер си и .
В д а л ь н е й ш е м т е о р и я эт о г о я в л е н и я б ы л а р а з в и т а Д и р д о р ф о м
( D e a r d o r f f, 1972), Д е л я г е ( D e la g e , 19 74), Т о р п е и Т а й м е р о м
( T h o rp e , G u y m e r , 1976), К а с п ш и ц к и ( K a s p z y c k i, 1978, 1980) и д р .
Н а л и ч и е ноч но й с т р у и н а в ы с о т а х в н е с к о л ь к о сотен м е т р о в о т ­
четливо в ы я в л е н о в р я д е с л у ч а е в по м а т е р и а л а м д е т а л ь н ы х н а б ­
лю дений в пограничном слое воздуха в известны х эксп ер и м ен тах
В а н г а р а и О ’Н е й л а . Т о р п е и Г а й м е р (T h o r p e , G u y m e r , 1976) п р и ­
водят х ар ак тер н ы е р асп р ед ел ен и я скорости ветра и тем п ер ату р ы
в о з д у х а с вы с о то й при н а л и ч и и н о ч н ой м е зо с т р у и , с п о с о б с т в у ю щ и е
п о н и м а н и ю п р и р о д ы ее о б р а з о в а н и я . Н а рис. 5.13 п р е д с т а в л е н ы их
д а н н ы е р а д и о з о н д и р о в а н и я 6 — 7 а в г у с т а 1974 г. в о д н о м из п у н к ­
тов А нглии. Н а рис. 5.13 а , о т н о с я щ е м у с я к н о ч н о м у в р е м е н и ,
206
о т ч е т л и в о в и д н а м е з о с т р у я ; н а рис. 5.13 б д л я с р а в н е н и я д а н ы со­
ответствую щ ие проф или скорости в е т р а и тем п ер ату р ы в дневное
в р е м я п р е д ш е с т в у ю щ и х су ток. З а ш т р и х о в а н ы о б л а с т и р а з в и т и я п о­
граничного слоя, х а р а к т е р н ы е д л я б езо бл ачн о й антициклонической
по го д ы в н о ч н о е в р е м я ( н е с к о л ь к о с о т ен м е т р о в ) и в д н е в н о е
в р е м я ( 1 — 2 к м ) . У к а з а н ы т а к ж е с к о р о с т и ге о с тр о ф и ч е с к о г о в е т р а .
В р е з у л ь т а т е того, что з н а ч е н и е u g д о с т и г а е т с я н о ч ью н а с р а в н и ­
т е л ь н о н е б о л ь ш и х в ы с о т а х ( п р и м е р н о 2 00 м ) , с к о р о с т ь в е т р а в п р е ­
д е л а х п о г р а н и ч н о г о с л о я в о з р а с т а е т с в ы с о т о й г о р а з д о бы стрее,
чем д н е м . В ы ш е и з - з а и н е р ц и о н н о й о с ц и л л я ц и и в е к т о р а ве т р а, к а к
у ж е у к а з ы в а л о с ь , о н а м о ж е т п р е в ы с и т ь г е о с т р о ф и ч е с к у ю ско р о ст ь
и т а к и м о б р а з о м , с о з д а т ь м е з о с т р у ю . В д н е в н о е в р е м я (рис. 5.13 6)
р о с т с к о р о с т и в е т р а д о u g п р о и с х о д и т в сл о е, в ы с о т а
которого
по ч ти н а п о р я д о к б о л ь ш е , ч е м н о ч ью , и п о э т о м у в е р т и к а л ь н о е
изменение ветра относительно м еньш е.
В н о ч н о е в р е м я в ы с о т а п о г р а н и ч н о г о с л о я , о п р е д е л я е м а я по
у ро в н ю , где с к о р о с т ь в е т р а д о с т и г а е т г е о с т р о ф и ч е с к о г о зн а ч е н и я ,
о б ы чн о б л и з к а к в е р х н е й г р а н и ц е п р и з е м н о й и н в е р си и , в ы ш е к о ­
то ро й т е м п е р а т у р а в о з д у х а п а д а е т с в ы с о то й . С л е д о в а т е л ь н о , в о з ­
никновение ночной струи происходит непосредственно в области,
б л и з к о й к г р а н и ц е п р и з е м н о й и н в е р с и и , р а з в и в а ю щ е й с я в ночны е
ч асы .
У к а з а н н ы е с в о й с т в а р а с п р е д е л е н и я в е т р а с в ы с о той в ночны е
ч ас ы н а и б о л е е ч е т к о п р о я в л я ю т с я п р и а н т и ц и к л о н и ч е с к о й б е з о б ­
л а ч н о й п ого д е. О д н а к о и н т е н с и в н о с т ь н о ч н о й с т р у и , о п р е д е л я е м а я
з н а ч и т е л ь н ы м п р е в ы ш е н и е м с к о р о с т и в е т р а н а д u g , за в и с и т и от
р я д а других метеорологических ф акторов, связанны х с характери­
с т и к а м и т е р м и ч е с к о г о в е т р а : от и з м е н е н и я в п о гран и чн ом слое
з н а ч е н и я u g , р е л ь е ф а м е с т н о с т и , б л и з о с т и к р у п н ы х водоем ов и др.
Т о р п е и Г а й м е р на о с н о в а н и и в ы п о л н е н н о г о т е о р ет и ч е с к о г о ис­
с л е д о в а н и я и а н а л и з а э к с п е р и м е н т а л ь н ы х д а н н ы х п р и во д я т р я д
п р о г н о с т и ч е с к и х п р и з н а к о в в о з м о ж н о с т е й в о з н и к н о в е н и я ночных
струй.
Н е к о т о р ы е из т е о р е т и ч е с к и х в ы в о д о в п о д т в е р ж д а ю т с я р е з у л ь ­
т а т а м и н а б л ю д е н и й К а с п ш и ц к и ( K a s p z y c k i , 1978, 1980), О р л е н к о
(1979) и д р . К а с п ш и ц к и у к а з ы в а е т , что по д а н н ы м , полученны м
с пом ощ ью з а м е д л е н н ы х а эр о л о ги ч еск и х зондов в Польш е, в сред­
нем м а к с и м у м
скорости
ветра в струйном
течении достигает
10 dh 4 м /с, а в ы с о т а с т р у и — 4 20 ± 2 8 0 м.
С о г л а с н о О р л е н к о (1 9 7 9 ) , с т р у и
наблю даю тся
до вы соты
1,5 км , п р и ч е м в ы с о т а м а к с и м у м а с к о р о с т и б л и з к а к у ро вню в е р х ­
ней г р а н и ц ы п р и з е м н о й и н в е р с и и . П р и с и л ь н о м в е т р е п р ев ы ш ение
скорости внутри струи под геостроф ическим
м о ж е т достигать
10 м/с. Ш у ( H s u , 1979) о т м е т и л , что с т р у и с у с и л е н и е м скорости
в е т р а д о 15 м /с на в ы с о т а х 100— 600 м м огу т
образовы ваться
и н ад ровны м откры ты м морским побереж ьем .
В р а б о т е С п е р а н с к о г о и д р . (1 97 8) п р и в е д е н при м ер р а с ч е т а
м езоструи в ночных у словиях с учетом совм естного влияния ад ­
векции те п л а и р е л ь е ф а местности. С о гл асн о р асчетам , максимум
207
ско р о с т и в с т р у е р а в е н 25 м /с (б ез у ч е т а
влияния
рельефа —
17 м /с ) , а по ф а к т и ч е с к и м
данным
он с о с т а в л я е т п р и м е р н о
30 м/с.
5 .6 .
У чет
гори зон т ал ьн ы х
неоднородност ей
подст илаю щ ей
поверхност и
5.6.1.
Бризовая циркуляция. П р и п р о г н о з а х з а г р я з н е н и я в о з
д у ха на п о б е р е ж ь е м о р е й и к р у п н ы х в о д о е м о в с у щ е с т в е н н о у ч и ­
т ы в а т ь в л и я н и е б р и зо в , при к о т о р ы х
изменяется н ап равлен и е
ветра и м ож ет возникать неблагоп риятн ая тем пературная стр ати ­
ф икация. О б р азо в ан и е в отдельны е периоды зам кн утой ц и р к у л я ­
ции п р и в о д и т к в о з в р а т у пр и м ес е й , п о д н я в ш и х с я н а д и с т о ч н и к о м .
К р о м е того, п р и б р и з а х в п е р в у ю п о л о в и н у д н я на п о б е р е ж ь е
п о с т у п а е т о т н о с и т е л ь н о х о л о д н а я в о з д у ш н а я м а с с а с в о д н о й п о­
в ерхности и о б р а з у е т с я в н у т р е н н и й п о г р а н и ч н ы й слой. В п р е д е л а х
этого с л о я в о з д у х о к а з ы в а е т с я б о л е е х о л о д н ы м , чем н а д ним. Т е м ­
п е р а т у р а в о з д у х а с в ы с о т о й з д е с ь п а д а е т , а на в е р х н е й г р а н и ц е
сл оя м о ж е т в о з р а с т а т ь . Т а к и м о б р а з о м в о з н и к а е т п р и п о д н я т а я
и н вер си я, в ы с о т а и и н т е н с и в н о с т ь к о т о р о й з а в и с я т от в р е м е н и с у ­
ток, р а с с т о я н и я от б е р е г а и р а з н о с т и т е м п е р а т у р ы п о в е р х н о с т е й
воды и суш и. Н и ж н я я г р а н и ц а т а к о й ин в ерси и р а с п о л а г а е т с я на
сравнительно небольш их вы сотах и нередко м ож ет о к а за т ь с я не­
п ос р е д с тве н н о н а д и с т о ч н и к о м п ри м еси .
К а к у ж е о т м е ч а л о с ь (см. п. 3.7), им енн о при т а к и х у с л о в и я х
в п р н зе м н о м сл о е в о з д у х а н а б л ю д а ю т с я з н а ч и т е л ь н ы е к о н ц е н т р а ­
ции при м есей , т. е. в о з н и к а е т т а к н а з ы в а е м о е я в л е н и е ф у м и г а ­
ц и и — с и л ьн ой з а г а з о в а н н о с т и и л и з а д ы м л е н и я в о з д у х а ( V a n D o p
et al., 1979; M i s r a , 1980).
И зу ч е н и ю б р и зо в о й ц и р к у л я ц и и п о с в я щ е н о м но го р а б о т (см.,
н а п р и м е р , М а т в е е в , 1984 ), в т о м ч и с л е т е о р е т и ч е с к и х и с с л е д о в а ­
ний. Э с то к ( E s to q u e , 1961) п о с т р о и л 2-х м ерну ю , а П и л ь к е ( P e ilk e ,
19 74 )— 3-х м е р н у ю ч и с л е н н ы е м о д е л и б р и зо в с уч етом н е л и н е й н ы х
эф ф ек т о в . О зо е и др. (O z o e et al., 1983) на о сн о в а н и и ч и с л е н н о г о
решения за д ач и привели при м еры о бразую щ ей ся
при б р и з а х
з а м к н у т о й ц и р к у л я ц и и в п р е д е л а х ± 1 0 0 км от г р а н и ц ы р а з д е л а
с у ш а — м о ре по г о р и з о н т а л и и д о 3 км по в е р т и к а л и . О н и т а к ж е
в ы п о л н и л и р а с ч е т ы п ер е н о с а п р и м е с е й от р а с п о л о ж е н н ы х на п о ­
б е р е ж ь е л и н е й н о го и п л о щ а д н о г о исто чн ик о в. Ш ей р и д р . ( S h a i r
et al., 1982) э к с п е р и м е н т а л ь н о и с с л е д о в а л и п еренос т р а с с е р а SFe
в процессе б р и зо в о й ц и р к у л я ц и и л е т о м 1977 г. в р а й о н е Л о с - А н д ­
ж е л е с а ( С Ш А ) . Б ы л о о б н а р у ж е н о , что вы б р о с ы р а с п р о с т р а н я ю т с я
на р а с с т о я н и я до 175 км и ч а с т и ч н о в о з в р а щ а ю т с я в т е ч е н и е по­
с л е д у ю щ и х с у т о к к м есту р а с п о л о ж е н и я источн ика. В с р е д н е м з а
период э к с п е р и м е н т а в р е м я п р е б ы в а н и я т р а с с е р а н а д о к е а н о м с о ­
с т а в л я е т о к о л о 10 ч.
С у щ е ст в е н н о е в л и я н и е б р и зо в , в о з н и к а ю щ и х на п о б е р е ж ь е В е ­
л и к и х озер и на в ос т о ке С Ш А , о т м е ч е н о в и с с л е д о в а н и я х Л а й н с а
208
и О л с о н а ( L y o n s , O lls o n , 1973), а т а к ж е Р е й н о р а и др. (R e y n o r
et al., 1 9 75 ).
И с с л е д о в а н и я с т р у к т у р ы в н у т р е н н е г о по гр ани чн ого слоя Н в ,
о б р а з у ю щ е г о с я п ри б р и з а х , в ы п о л н я л и с ь по д а н н ы м м о д е л и р о в а ­
ни я в а э р о д и н а м и ч е с к и х т р у б а х М е р о н и и д р . (M e ro n e y et al.,
1975), в е с т е с т в е н н ы х у с л о в и я х Р е й н о р о м и д р . (R e y n o r et al.,
1974), М и с р а ( M is r a , 1980) и др., а т а к ж е теор ети ч ески Теннексом
( T e n n e k e s , 1973), В е н к а т р а м о м ( V e n k a t r a m , 1977), В агером и Н ад е ж и н о й ( 1 9 7 9 ) , П е н е н к о и др. (19 7 9 ) и д р .
Д л я о ц е н к и в ы с о т ы с л о я Я в п р е д л о ж е н р я д ф ормул, которы е
м о ж н о и с п о л ь з о в а т ь и в п р о г н о с т и ч е с к и х ц е л я х . С о гл асн о Р е й ­
н о р у и д р . ( R e y n o r et al., 1975) в р е з у л ь т а т е о б р аб о т к и д ан ны х
н а б л ю д е н и й п ол уч ен о, что
(5-8>
где и — с р е д н я я с к о р о с т ь в етра, ы* — с к о р о с т ь трения, о п р е д е л я е ­
м а я по н а п р я ж е н и ю т р е н и я , х — р а с с т о я н и е от берега, Д71— р а з ­
ность т е м п е р а т у р в о д а — суш а, d T / d z — ср е д н и й гра ди е н т т е м п е ­
р а т у р ы в о з д у х а на п о б е р е ж ь е . П о К а м у ф о и К а в а л е р и (C am uffo,
C a v a l e r i , 1980), К а м у ф о (C a m u ffo , 1980),
Н ъ —
g
а, V
x /u s
0,
dT
-s0= - ^ — ------ п а р а м е т р с т р а т и ф и к а ц и и (в слуО dz
чае з и м н и х т у м а н о в s 0= l,4 - Ю-4 с-2).
А н а л о г и ч н о г о в и д а ф о р м у л а б ы л а по л у ч е н а теоретически
( V e n k a t r a m , 1977, и д р .) . Р е й б л и и д р . (R e ib le et al., 1983) по­
с т р о и л и у п р о щ е н н у ю д в у х с л о й н у ю м о д е л ь п ерен оса примеси при
б ризе, п о л а г а я , что в н и ж н е м с л ое т е м п е р а т у р а в оздуха п а д а е т
с вы с о то й , а н а д ним р а с п о л а г а е т с я с л о й п р и под нятой инверсии.
5.6.2.
У с л о в и я х о л м и с т о й м е с тн о с ти . О собен но существенно
с к а з ы в а е т с я н а с т р у к т у р е в о зд у ш н о го п о т о к а вл и ян и е р е л ье ф а .
И с с л е д о в а н и я эт о го в л и я н и я в ы п о л н я л и с ь к а к на основе эк с п е р и ­
м е н т а л ь н ы х р а б о т в е стеств ен н ы х у с л о в и я х и м о де л и р ов ан и я
в а э р о д и н а м и ч е с к о й т р у б е , т а к и т е о р е т и ч е с к и (Б е р л я н д , 1975;
H a u g e n , 1975; H u n t , J a c k s o n , 1974, T a y l o r , 1977, Б е р л я н д и др.
1 97 9а).
О д н и м из п о к а з а т е л е й в л и я н и я р е л ь е ф а я в л я е т с я отнош ение г]
с к о р о с т е й в е т р а н а д неровной
и
и ро в н о й
и0
местностями.
В т а б л . 5.14 п р и в е д е н ы с во дн ы е д а н н ы е о вел ич ине rj д л я вы соты
2 = 2 м, п о л у ч е н н ы е в р е з у л ь т а т е м и к р о к л и м а т и ч е с к и х наб л ю д ен и й
и а э р о д и н а м и ч е с к о г о м о д е л и р о в а н и я в о з д у ш н ы х течений н а д х о л ­
м а м и при р а з н ы х у г л а х н а к л о н а с к л о н о в а (Б е р л я н д , 1975).
Н а рис. 5.14 и 5.15 п р е д с т а в л е н ы о т н о ш е н и я скорости ве т р а и
н а д х о л м о м к с ко р о с т и н а б е г а ю щ е г о п о т о к а и 0 по р е з у л ь т а т а м
м о д е л и р о в а н и я в а э р о д и н а м и ч е с к о й т р у б е ( З р а ж е в с к и й и др.,
1968; Б е р л я н д и др., 1970). Н а рис. 5.14 п о к а з а н а за ви с и м ос ть
где a i = 0,05 м /с 3/г,
14
З ак аз № 30
209
r \ = u j u ° от x / h Q, гд е х — г о р и з о н т а л ь н а я к о о р д и н а т а , h 0 — в ы с о т а
х о л м а , при у г л а х н а к л о н а а от 12 д о 18°, а на рис. 5.15 — в е р т и ­
к а л ь н ы е п р о ф и л и с к о р о с т и в е т р а при а = 1 2 ° .
Р а с с м о т р е н н ы е в п. 2.12 т е о р е т и ч е с к и е и с с л е д о в а н и я Б е р л я н д а
и Г е н и х о в и ч а (1971) и д р . о с н о в а н ы н а ч и с л ен н ом и н т е г р и р о в а ­
нии у р а в н е н и й д в и ж е н и я (2 .7 3 ). И з р а с ч е т о в в е р т и к а л ь н ы х п р о ф и ­
л е й с к о р о с т е й в е т р а д л я р а з л и ч н ы х у ч а с т к о в во зд у ш н о го п о т о к а
н а д х о л м о м с л е д у е т н а л и ч и е м а к с и м у м а ско р о с т и в е т р а н а н е ­
к о т о р о й в ы соте, о б у с л о в л е н н о г о п р о т и в о п о л о ж н ы м
воздействием
Т абл и ц а 5.14
Отношение скорости ветра над различными формами рельефа к скорости ветра
на ровном м есте
Микроклиматические
наблюдения
Аэродинамическое
моделирование
Форма рельефа
а°
*1
Т1
1 ,1 -1 ,2
15
18
6
1 ,3 0
1 ,5 5
1 ,1 0
>10
1 ,0 -1 ,1
15
1 ,1 0
<10
0 , 6 — 0 ,7
6
0 ,8 0
>10
>10
1 ,0 — 0 ,9
0 ,6
15
18
15
12
1 ,0 5
0 ,5 0
0 ,6 5
0 ,7 5
Вершины возвыш енностей
>10
1 ,4 -1 ,5
Вершины небольш их пологих
холмов
<10
Средние части наветренных
склонов
П одветренные склоны возвы­
ш енностей
верхняя часть
ниж няя часть
ав
нап ряж ени я турбулентного трения и бернуллиевого гради ента д а в ­
ления. Н аличие и полож ение этого м ак си м у м а согласую тся с д а н ­
н ы м и э к с п е р и м е н т о в по м о д е л и р о в а н и ю о б т е к а н и я х о л м а в а э р о ­
д и н а м и ч е с к о й т ру бе .
Н а рис. 5.16 п р е д с т а в л е н ы р е з у л ь т а т ы р а с ч е т а и з м е н е н и я д л я
х о л м а в ы со то й /io = 50 м о т н о ш е н и я с к о р о с т и в е т р а и и к о э ф ф и ­
ц и е н т а о б м е н а к к их з н а ч е н и я м в н а б е г а ю щ е м п о т о к е и 0 и k ° на
д в у х в ы с о т а х н а д п о д с т и л а ю щ е й п о в е р х н о с т ь ю (1 и Ю м ) . П о л у ­
ч ен н ы е р е з у л ь т а т ы с о г л а с у ю т с я с д а н н ы м и и зм ер е н и й в е с т е с т ­
в е н н ы х у с л о в и я х , а т а к ж е в а э р о д и н а м и ч е с к о й тру бе.
П р и р асчетах в ы я в л яется и р я д тонких эффектов, которы е
в настоящ ее время трудно о б н ар у ж и ть эксперим ентальны м и м ето­
д а м и . В ч ас т н о с т и , э т о о т н о с и т с я к р а з л и ч н о м у х а р а к т е р у п р и б л и ­
ж е н и я с вы с о то й с к о р о с т и в е т р а и к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а к з н а ­
чениям, х а р а к т е р н ы м д л я р о в н о г о м е с т а . К а к ви д н о из рис. 5.16,
коэфф ициент обмена н ад холмом п р и б л и ж а е тс я к своему з н а ч е ­
нию н а д р о в н о й м е с т н о с т ь ю з а м е т н о б ы с т р е е , чем с к о р о с т ь в е т р а .
210
Д л я у с л о в и й с л о ж н о г о р е л ь е ф а с б о л ь ш о й к р у т и зн о й с кл о н о в
сущ ественно т а к ж е учитывать возм ож н ость отры ва турбулентных
Рис. 5.14. Зависим ость отношения
скоростей ветра г) от угла наклона
склонов холм а а.
1) а = 12а, 2) а=15°, 3) а*»18°.
1,1 и / и °
О
5
10 x / h 0
Рис. 5.15. Вертикальны е профили скорости ветра в разных частях холма.
Рис. 5.16. Р езультаты рас­
чета отнош ения скоростей
ветра (и[и°) и коэф ф ициен­
тов обм ена (k/k°) н ад хол­
мом к их значениям на ров­
ном месте на вы сотах г,
равны х 1 и 10 м.
1 — и(и° при 2 — 1 м, 2 — ulu° при
z —10 м; 3 — k/k0 при z —1 м; 4 —
k/k° при г —10 м.
—
0.8
s f r » > » » » T ) )Уу^
Ч..-'
-
■то
-500
J
500
X м
ви х р е й н а п о д в е т р е н н ы х с к л о н а х . Х а р а к т е р и с т и к и т а к и х о т ры в ов
п о л у ч е н ы по д а н н ы м а э р о д и н а м и ч е с к о г о м о д е л и р о в а н и я П а т о к о м
и Х а н т о м ( P a t o c k , H u n t , 1979) и д р .
14*
211
5 .7 .
П рогноз
т ум анов
П р о г н о з т у м а н о в с о с то и т в о п р е д е л е н и и изм е н ен и й т е м п е р а ­
т у р ы и в л а ж н о с т и п р и з е м н о г о с л о я в о з д у х а , при ко т о р ы х ч ас т ь
влаги переходит в ж и д к о е состояние и образую тся водяные капли,
с н и ж а ю щ и е в и д и м о с т ь д о 1000 м и м е н е е . О т т у м а н о в или д ы м к и ,
к ко т о р о й о т н о с я т с л у ч а и , к о г д а в с л е д с т в и е н а л и ч и я в в о зд у х е
в з в е ш е н н ы х к а п е л ь в о д ы в и д и м о с т ь п р е в ы ш а е т 1000 м, о т л и ч а ю т
м гл у , к о г д а п р и ч и н о й с н и ж е н и я в и д и м о с т и я в л я е т с я н а л и ч и е т в е р ­
д ы х ч а с т и ц в а т м о с ф е р е . Т а к а я м г л а , в частности, в о з н и к а е т в ф о ­
т о х и м и ч е с к и х с м о г а х (см . п. 2 .1 3 ) , с о п р о в о ж д а ю щ и х с я о б р а з о ­
ванием больш ого количества аэрозолей.
У с л о в и е м п о я в л е н и я т у м а н о в я в л я е т с я повы ш ение о т н о с и т е л ь ­
ной в л а ж н о с т и в о з д у х а д о 100 % и д о с т и ж е н и е п е р е с ы щ ен и я , при
ко т о р о м о б р а з у е т с я д о с т а т о ч н о е к о л и ч е с т в о в о д ян ы х ка п е ль. О д ­
н а к о т р е б у е м о е п е р е с ы щ е н и е в е с ь м а м а л о . П о эт о м у п р а к ти ч е с к и
п р и н и м аю т, что т у м а н ы о б р а з у ю т с я , к о г д а т е м п е р а т у р а в о зд у х а
на у р о в н е м е т е о р о л о г и ч е с к о й б у д к и ( z = 2 м) по н изится до точк и
росы ( Б е р л я н д , Г р а ч е в а , 1962). М е т о д ы п р о г н о з а т у м а н о в р а з л и ­
ч а ю т с я в з а в и с и м о с т и от у с л о в и й их п р о и с х о ж д е н и я .
5.7.1.
Р ад и ац и о н н ы е ту м ан ы . Р а д и а ц и о н н ы е туманы , возн и каю ­
щ и е в р е з у л ь т а т е н оч ного в ы х о л а ж и в а н и я п р и зем ного сл оя в о з ­
духа, относятся к наиболее распространенны м
т и п а м т у м ан о в .
В о п р о с ы о б р а з о в а н и я их р а с с м а т р и в а л и с ь в р а б о т а х Б е р л я н д а
(1 9 5 6 ), Л у ш е в а и М а т в е е в а (1 9 6 7 ) , З д у н к о в с к о г о и Н и л ь с е н а
(Z d u n k o w s k i, N ie ls e n , 1969), Б е р л я н д а и К а н ч а н а (1973), З а х а ­
ровой (19 75), Б р а у н а и Р о ч а ( B r o w n , R o a c h ,
1976), Б у й к о в а
и Х в о р о с т ь я н о в а (19 77) и д р . О д н а к о в п р а к т и ч е с к и х ц е л я х п р о ­
г н о за и с п о л ь з у ю т с я т о л ь к о
н е к о т о р ы е и з них
(Б ерлянд,
1956,
и д р .), а в первы х прогностических р а б о т а х применялись про­
с т ей ш и е э м п и р и ч е с к и е с х ем ы ( З в е р е в , 1954).
О сно вой т е о р е т и ч е с к и х м е т о д о в я в л я е т с я р е ш е н и е систем ы у р а в ­
нений т и п а (5 .1 ), о п р е д е л я ю щ е й и з м е н е н и е т е м п е р а т у р ы и в л а ж ­
ности в о з д у х а в п о г р а н и ч н о м сл ое а т м о с ф е р ы с учетом у к а з а н н ы х
в п. 5.3 г р а н и ч н ы х у с л о в и й . О б ы ч н о р а с с м а т р и в а е т с я ночной п е ­
р и о д в р е м е н и при у с л о в и я х , к о г д а п р е о б л а д а ю т в основном р а д и а ­
ц и о н н ы е ф а к т о р ы , а а д в е к т и в н ы м в л и я н и е м на т е м п е р а т у р у и
в л а ж н о с т ь м о ж н о п р е н е б р е ч ь . Э т о д а е т в о з м о ж н о с т ь исход ить из
р е ш е н и я з а д а ч и К о ш и при о п р е д е л е н н ы х н а ч а л ь н ы х у сл овиях.
Д л я п р о г н о з а в о з н и к н о в е н и я р а д и а ц и о н н о г о т у м а н а н е р е д ко
о к а з ы в а е т с я д о с т а т о ч н ы м о п р е д е л и т ь ночное в ы х о л а ж и в а н и е
на
у р о в н е м е те о р о л о г и ч е с к о й б у д к и ( z = 2 м ) , при этом пр и н и м а ю т,
что и з м е н е н и е точки ро с ы на д а н н о м у р о в н е с о с т а в л я е т при м ер н о
1 °С. О д н а к о д л я р а с ч е т а в л и я н и я т у м а н а н а з а г р я з н е н и е в о зд у х а
т р е б у е т с я не т о л ь к о с а м о у с т а н о в л е н и е в о зм о ж н о с т и о б р а з о в а н и я
т у м а н а , но и р я д х а р а к т е р и с т и к т у м а н а , т а к и х , к а к в ы с о т а и в о д ­
ность его, а т а к ж е р а с п р е д е л е н и е т е м п е р а т у р ы в т у м ан е . И с п о л ь ­
з о в а н и е ч и с л ен н ы х м е то д о в п о з в о л я е т п о д о й ти к р е ш е н и ю т а к о й
задачи.
212
В р а б о т е Б е р л я н д а и К а н ч а н а (1 973) исх од ны м и у р а в н е н и я м и
д ля оп ределен ия изменений тем п ературы и влаж ности возд уха
в пограничном слое атмосф еры явл яю тся
3Q '
dt
_
д
dz
дТ п
dt ~
,
г
dQ '
dz
t
д*Тп
Кл d z 2 '
*
(5.9)
Здесь Т — те м п е р а ту р а воздуха, Q ' = Q + A — суммарное влагосод е р ж а н и е ( Q — а б с о л ю т н а я в л а ж н о с т ь в о з д у х а , Д — в о д н о с т ь т у­
м а н а ) , Т п — т е м п е р а т у р а почвы, k n — к о э ф ф и ц и е н т т е м п е р а т у р о ­
п р о в о д н о с т и п о ч вы , ер и е к — п р и т о к и т е п л а за счет п о г л о щ е н и я
ради ац и и и кон ден сац ии водяного п ар а. В ертикальное р асп р ед е­
л е н и е k z п р и н и м а е т с я в с о о т в ет с т в и и с (2.8).
П о л а г а е т с я , что д о в о з н и к н о в е н и я т у м а н а Q ' = Q. О б р а з у е т с я
т у м а н , к о г д а в о д я н о й п а р в в о з д у х е д о с т и г а е т н а с ы щ е н и я , т. е.
Q ' — Q m ( T ) . В соответствии с ф орм улой М агнуса
Qm (T ) =
З д е с ь v = 1 7 /( 2 3 5 +
После начала
,
= Q' —
Q m (T );
a e vT.
(5.10)
а а = 4 , 5 8 г / м 3, если Q в ы р а ж е н о в г /м 3.
к о н д е н с а ц и и Q ' = Q m ( T ) + Д, о т к у д а
Д=
(?Д
е к = £ * ~ д ] ~ 1 С ' р Р > гДе ^ * — т е п л о т а к о н д е н с а ц и и в о ­
Т ),
дяного пара.
В к а ч е с т в е г р а н и ч н ы х у с л о в и й п р и н и м а е т с я , что на п о д с т и л а ю ­
щ ей п о в е р х н о с т и т е м п е р а т у р ы в о з д у х а и почвы р а в н ы м е ж д у со­
бой, а т а к ж е в ы п о л н я е т с я у с л о в и е т е п л о в о г о б а л а н с а , т. е. при
2= 0.
где X и
— коэф ф иц иенты м о л еку л яр н о й теплопроводности воз­
духа и почвы, Е 0 — эф ф ективное излучение подстилаю щ ей п оверх­
ности.
В к а ч е с т в е г р а н и ч н о г о у с л о в и я н а п о д с т и л а ю щ е й п о в е р х н о ст и
п р и н и м а е т с я т а к ж е , что в п р о ц е сс е о б р а з о в а н и я т у м а н а в е л и ч и н а
Q ' не и з м е н я е т с я со в р е м е н е м . Э т о у с л о в и е м енее ж е с т к о е , чем
д о п у щ е н и е ( Z d u n k o w s k i, N ie lse n , 19 69 ), со г л ас н о к о т о р о м у вели'чина Q ' с о х р а н я е т с я со в р е м е н е м во всем слое а т м о с ф е р ы . К р о м е
того, п о л а г а е т с я , что в л а ж н о с т ь и т е м п е р а т у р а на б о л ь ш о й в ы с о т е
и т е м п е р а т у р а п о ч в ы н а з н а ч и т е л ь н о й г л у б и н е п р а к т и ч е с к и не
и з м е н я ю т с я со в р е м е н е м . Д л я н а ч а л ь н о г о м о м е н т а в р е м е н и ( ? = 0 )
зад аю тся в ерти кал ьн ы е распределения температур Т , Т п и абсо­
л ю т н о й в л а ж н о с т и в о з д у х а Q.
213
С и с т е м а (5.9) д о п о л н я е т с я у р а в н е н и я м и , о п р е д е л я ю щ и м и и з ­
м е н е н и я р а д и а ц и о н н ы х п о т о ко в.
В х о д я щ и е в п р а в у ю ч а с т ь у р а в н е н и я (5.9) п р и т о к и т е п л а з а
счет и з л у ч е н и я е р pi к о н д е н с а ц и и е к и м е ю т р а з н ы е з н а к и . В р а б о т е
Б е р л я н д а (1956) п о к а з а н о , что в п е р в о м п р и б л и ж е н и и м о ж н о п р е ­
небречь суммой этих с л а га е м ы х и в о сп о л ьзо ваться одинаковы ми
д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы м и у р а в н е н и я м и д л я о п и с а н и я про ц е сс о в , п р о т е ­
к а ю щ и х к а к до о б р а з о в а н и я т у м а н о в , т а к и п о с л е и х в о з н и к н о в е ­
ния. С л е д о в а т е л ь н о , к о г д а в и с х о д н ы х у р а в н е н и я х (5.9) не уч и ты -
Рис. 5.17. Вертикальное распределение температуры возд уха Т (а ), водности
Д (б) и эффективного излучения Е (в ) в радиационны х туманах.
Ч исла у кривых — время, ч.
в а е т с я член, о п и с ы в а ю щ и й л у ч и с т ы й т е п л о о б м е н , м о ж н о не у ч и т ы ­
в а т ь и т е п л о т у к о н д е н с а ц и и ; п р и н и м а т ь ж е во в н и м а н и е т о л ь к о
о д и н из них н е л ь зя .
З н а ч е н и е ек м о ж н о о п р е д е л и т ь н е п о с р е д с т в е н н о из у р а в н е н и я
(5 .9 ), у ч и т ы в а я , что Q ' = Q + A и ч то в т у м а н е Q = Q m ( t') .
В р а б о т е Б е р л я н д а и К а н ч а н а (1 9 7 3 ) р е ш е н и е у к а з а н н о й с и ­
ст ем ы у р а в н е н и й в ы п о л н я е т с я ч и с л е н н о с п о м о щ ь ю м е т о д а п р о ­
гонки, м о д и ф и ц и р о в а н н о г о п р и м е н и т е л ь н о к д в у х с л о й н о й с р е д е
а т м о с ф е р а — почва.
Н а рис. 5.17 п р е д с т а в л е н ы д а н н ы е р а с ч е т а д л я
безоблачной
ночи в о к т я б р е . П р и р а с ч е т е п о л а г а л о с ь , что ш и р о т а <р = 60°,
7°о = 10°С, & 1 = 0 ,0 5 м/с, Л = 30 м, &п = 0,5*10-® м2/с. Р а с с м а т р и в а ­
л и с ь д в а в а р и а н т а н а ч а л ь н о й о т н о с и т е л ь н о й в л а ж н о с т и в о з д у х а F 0,
р а в н о й 85 и 9 2 % - З а н а ч а л ь н ы й м о м е н т (^ = 0) в з я т о в р е м я 18 ч.
П р и 7го = 85 % к 2 ч н а ч и н а е т с я о б р а з о в а н и е т у м а н а , п о с к о л ь к у
т е м п е р а т у р а в о з д у х а на в ы с о т е 2 м к э т о м у м о м е н т у в р е м е н и п о ­
н и з и л а с ь н а 4,7 °С и д о с т и г л а т о ч к и росы . К э т о м у в р е м е н и и н ­
в е р с и о н н ы й сл о й р а с п р о с т р а н я л с я п р и м е р н о до в ы с о т ы 120 м.
В п е р в ы е ч а с ы п о сл е о б р а з о в а н и я т у м а н а и н т е н с и в н о с т ь и в ы с о т а
и н в е р с и й п р о д о л ж а ю т у в е л и ч и в а т ь с я , но с л а б е е , ч ем р а н ь ш е . П о ­
степенно происходит перестройка вертикального проф иля тем п е­
р а т у р ы и к / = 1 2 ч, т. е. к 6 ч, в с л о е п р и м е р н о от 60 до 250 м
214
о т м е ч а е т с я п р и п о д н я т а я и н в е р с и я , а н и ж е его — п р а к т и ч е с к и изот е р м и я . П р и F° = 92 % т у м а н в о з н и к а е т п о ч т и с р а з у и ч е р е з 2 ч
его в е р т и к а л ь н а я п р о т я ж е н н о с т ь с о с т а в л я е т 80 м при м а к с и м а л ь ­
ной в о д н о с т и А = 0,42 г / м 3. С в ы с о т о й в о д н о с т ь А быстро у м е н ь ­
ш а е т с я . К 6 ч п р и м е р н о д о 60 м з н а ч е н и е А о с т а е т с я п о с т о я н н ы м ,
и л и ш ь в ы ш е оно с р а в н и т е л ь н о р е з к о у м е н ь ш а е т с я . П р и этом
н у ж н о о т м е т и т ь , что м а к с и м а л ь н о е п р и з е м н о е з н а ч е н и е в о д н о с ти
п р а к т и ч е с к и м а л о и з м е н я е т с я со в р е м е н е м . В н а ч а л е о б р а з о в а н и я
т у м а н а р а д и а ц и о н н ы й п о т о к Е п о ч т и не и з м е н я е т с я с в ы с о то й
и р а в е н Ео. Ч е р е з н е к о т о р о е в р е м я Е з н а ч и т е л ь н о у м е н ь ш а е т с я
и становится пренебреж им о м алы м , а м аксим альн ое значение Е
( н е с к о л ь к о м е н ь ш е е Е о ) с м е щ а е т с я н а б о л е е в ы с о к и е уровни.
В п р а в ы х ч а с т я х рис. 5.17 п р е д с т а в л е н ы а н а л о г и ч н ы е р е з у л ь ­
таты расчета д л я второго случая, ко гд а а б с о л ю тн а я и относитель­
н а я в л а ж н о с т ь в о з д у х а п р и / = 0 в ы ш е , ч ем в первом случае.
И з д е с ь и н в е р с и я т е м п е р а т у р ы в п р и з е м н о м с л о е в о зд у х а после
о б р а з о в а н и я т у м а н а с м е н я е т с я и з о т е р м и е й , а з а т е м и н е к о то р ы м
п а д е н и е м т е м п е р а т у р ы с вы сотой . В в е р т и к а л ь н о м р а с п р е д е л е н и и
в о д н о с т и А и р а д и а ц и о н н о г о п о т о к а Е в р а з в и т о м т у м ан е о т ч е т ­
л и в о п р о я в л я е т с я т е н д е н ц и я к п о с т о я н с т в у их по вы соте до б о ле е
высоких уровней.
Р е зу л ь т а ты расчетов н ах о д ятся в соответствии с данны ми наб­
людений. Т ак, изм еренн ы е зн ач ен и я водности д л я радиационны х
т у м а н о в в п р и з е м н о м с л о е о б ы ч н о с о с т а в л я ю т не более 0,5—
0,8 г /м 3. И м е ю щ и е с я н е м н о г о ч и с л е н н ы е и з м е р е н и я п о з в о л я ю т с д е ­
л а т ь в ы в о д о з н а ч и т е л ь н о м у м е н ь ш е н и и э ф ф е к т и в н о г о и зл у ч е н и я
з е м л и п р и в ы с о т е т у м а н а б о л е е 50 — 100 м. Д а н н ы е р а с ч ет о в в ы ­
сот н и ж н е й г р а н и ц ы п р и п о д н я т о й и н в е р с и и и с л о я т у м а н а с о г л а ­
су ю т с я с м а т е р и а л а м и н а б л ю д е н и й ( П р о х , 1966; В о ро н ц ов , 1960,
и д р .) .
А нал о гич ны е р асчеты высоты ту м ан о в бы ли сделаны д л я слу­
ч ае в, к о г д а в п р и в е д е н н о й в ы ш е с х е м е не п р и н и м а л и с ь во в н и м а ­
ние п р и т о к и т е п л а е р и ек . О к а з а л о с ь , ч т о п р и е р + е к = 0, т. е. при
расчете ту м ан а , к а к это д ел а л о с ь в более р ан н и х работах, высота
тум ана оказы вается существенно ниж е,
чем
п ри учете е р + е к.
В к л ю ч е н и е в с х е м у ер п р и е к = 0 в е д е т к з н а ч и т е л ь н о м у з а в ы ш е ­
нию в ы с о т ы т у м а н а . П о с л е д н е е м ц ж е т б ы т ь о б ъ я с н е н о тем, что
е р и е к и м е ю т р а з н ы е з н а к и . Н а л и ч и е в у р а в н е н и и (5.9) ч л ен а
с ер о т р а ж а е т р а д и а ц и о н н о е в ы х о л а ж и в а н и е с л о я т у м а н а , в с л е д ­
с т ви е к о т о р о г о ноч ное п о н и ж е н и е т е м п е р а т у р ы в о з д у х а б у д е т п р о ­
с т и р а т ь с я д о б о л ь ш и х в ы с о т , ч ем в с л у ч а я х , к о г д а п р и н и м а е т с я
во в н и м а н и е т о л ь к о и з л у ч е н и е п о д с т и л а ю щ е й по ве р х н о ст и . Е сл и
в и с х о д н о м у р а в н е н и и , к р о м е е р, у ч е с т ь и ек, то в с л е д с т в и е в ы д е ­
л е н и я т е п л о т ы к о н д е н с а ц и и , к о т о р о е о с л а б л я е т ноч ное в ы х о л а ж и ­
в а н и е , по д а н н ы м р а с ч е т а , в ы с о т а т у м а н а с н и ж а е т с я .
5.7.2.
А двективны е т у м ан ы . К т у м а н а м адвективного ти па от
носятся тум ан ы , в о зн и каю щ и е на б ер егах н е за м е р за ю щ и х рек и во­
д о ем о в . П р о г н о з их м о ж е т о с у щ е с т в л я т ь с я в с о о т в е т с т в и и с р а ­
б ото й Б е р л я н д а и О н и к у л а (1 9 6 8 ) н а о с н о в е ч и сл ен н о го р е ш е н и я
215
•системы у р а в н е н и й т е п л о - и в л а г о о б м е н а в у с т а н о в и в ш е м с я п о ­
т о к е в о з д у х а , п е р е м е щ а ю щ е м с я н а д р е к о й или в о д о е м о м и и х б е ­
ре га м и . П р и э т о м х о л о д н ы й в о зд у х , н е н а с ы щ е н н ы й в л а г о й , н а ­
т е к а е т н а б о л е е т е п л у ю н е з а м е р з а ю щ у ю п о верх н о сть ре к и , п о с л е
чего с м е щ а е т с я н а д с н е ж н о й п о в е р х н о с т ь ю п о д в е т р е н н о г о б е р е г а .
Горизонтальны е расстояния, которы е долж ны рассм атри ваться
л д а н н о й з а д а ч е , т а к о в ы , ч то в р е м я , н е о б х о д и м о е д л я их п р о х о ­
ж дения воздуш ны м потоком, обычно значительно м еньш е врем ени
развития и сущ ествования речных тум анов. П оэтому в соответст­
вии с р е з у л ь т а т а м и Б е р л я н д а (1956) м о ж н о о г р а н и ч и т ь с я р а с ­
с м о тр е н и е м у с т а н о в и в ш е г о с я
процесса трансф орм ации во зд у ш ­
ной м а с с ы и о с у щ е с т в л я т ь у ч е т в р е м е н и п а р а м е т р и ч е с к и , в з а в и ­
симости от и з м е н е н и й н а ч а л ь н ы х з н а ч е н и й т е м п е р а т у р ы и в л а ж н о ­
сти на н а в е т р е н н о м б ерегу. Т о г д а и с х о д н а я с и с т е м а у р а в н е н и й
и г р а н и ч н ы х у с л о в и й з а п и с ы в а е т с я в с л е д у ю щ е м виде:
над рекой ( * ' > 0 )
дТ'
д
дТ'
3Q'
д ,' 3Q' .
- 1Ч
u s r = - t e k‘ —
■ и - £ г = ж к‘ - ^ ;
<5 -и >
Т' =
Т°,
c o n st,
т' = Т ' о =
при х ' = 0;
Q' — Q 0
Q
= = Q m (T o)
при 2 = 0;
н а д п о д в е т р е н н ы м б ер е го м ( л : > 0 )
“ -
Э
Т —
<5 -12>
и
п р и х = 0;
, ’ . dQ
D
= R,
~ q - z----- L * p k z
=
Qmn (T )
Т ',
— pcpk z
Q
“ т §—
Q =
Q'
дТ
при 2 = 0
(5.13)
кро м е того, з а д а е т с я у с л о в и е о г р а н и ч е н н о с т и и с к о м ы х ф у н к ц и й
на б еск онеч ности .
В у р а в н е н и я х ( 5 . 1 1 ) — (5.13) Т — т е м п е р а т у р а в о з д у х а , Q —
абсолю тная в л аж н о сть воздуха, k z — коэф ф ициент турбулентного
об м ен а; Т ' Q ' и /г' о т н о с я т с я к н а б л ю д е н и я м н а д реко й , Т ° , Q 0
и
k°z
— на к р о м к е наветренного берега;
аналогичные
величины
без
и н д ек со в — на п о д в е т р е н н о м
б ер е г у ; и — с к о р о с т ь в е т р а ,
и Q m n ( T о) — с о о т в е т с т в е н н о н а с ы щ а ю щ а я в л а ж н о с т ь п р и
темп ературе поверхности воды Г ' и н асы щ аю щ ая в л а ж н о с т ь
Q m (T '0 )
по о т н о ш ен и ю к г л а д к о й п о в е р х н о ст и л ь д а при т е м п е р а т у р е п о ­
верхности с н е г а на п о д в е т р е н н о м б е р е г у Го; р и с р — п л о т н о с т ь
и теплоемкость воздуха, L \ — у д ел ь н ая теплота исп арен ия снега,
R — р а д и а ц и о н н ы й б а л а н с п о д с т и л а ю щ е й п о в е р х н о ст и п о д в е т р е н ­
ного б е р е г а . Н а н а в е т р е н н о м б ер е г у к о э ф ф и ц и е н т ы т у р б у л е н т н о г о
об м е н а н е в е л и к и . Н а д р е к о й с о з д а ю т с я ве с ь м а б о л ь ш и е с в е р х -
216
а д и а б а т и ч е с к и е г р а д и е н т ы т е м п е р а т у р ы , в с л е д с т в и е чего в о з р а ­
с т а е т и н т е н с и в н о с т ь т у р б у л е н т н о г о о б м е н а . О д н а к о т а к о е у с и л е н и е'
т у р б у л е н т н о с т и б у д е т о т м е ч а т ь с я т о л ь к о в н е к о т о р о м слое в б л и з и
п о д с т и л а ю щ е й п о в е р х н о с т и , а в ы ш е к о э ф ф и ц и е н т тур бул ентно гоо б м е н а о с т а е т с я б л и з к и м по с в о и м з н а ч е н и я м к з н а ч е н и я м к о э ф ­
ф ици ента обм ен а н а д берегом на тех ж е вы сотах.
А н алоги чн о ф о р м у ли р у ется з а д а ч а п р о гн о за адвективного ту­
м ан а при н аличии резкой неоднородности в горизонтальном р а с ­
п р е д е л е н и и т е м п е р а т у р ы и в л а ж н о с т и на п о д с т и л а ю щ е й п о в е р х и о -
80f
а)
к /к ° = 1
Г
^
40
о
гТ77777/7/77777
0,5
//'
0
.
0,5
1,0
/,5
1
.
1
.
2,0
1J
2,5 X нм
Рис. 5.18. В ертикальное распределение отнош ения коэф ф ициентов обмена над.
рекой и в набегаю щ ем потоке (k '/k °) ( а ), а т а к ж е водности н ад рекой и за
рекой (б) в речном тумане.
сти. Р е ш е н и е з а д а ч и в ы п о л н я л о с ь
численно.
Из
выполненных
р а с ч е т о в с л е д у е т , что и н т е н с и в н о с т ь р е ч н ы х т у м а н о в , их в е р т и к а л ь ­
н а я и г о р и з о н т а л ь н а я п р о т я ж е н н о с т ь с у щ е с т в е н н о з а в и с я т от ш и ­
р и н ы р е к и , р а с с т о я н и я от к р о м к и п о д в е т р е н н о г о б ер е га , с к о р о с т и
в е т р а , к о н т р а с т а т е м п е р а т у р м е ж д у н а б е г а ю щ и м по т о ко м и в о д ­
ной п о в е р х н о с т ь ю , о т н о с и т е л ь н о й в л а ж н о с т и и т е м п е р а т у р ы н а б е ­
гаю щ его потока и некоторых других ф акторов.
Н а рис. 5.18 п р е д с т а в л е н ы р е з у л ь т а т ы р а с ч е т а к о э ф ф и ц и е н т а
о б м е н а н а д р е к о й и в о д н о с т и т у м а н а д л я р е к и ш и р и н о й 700 м,.
тем п ер ату р ы водной поверхности 0 °С , равновесно стратиф иц иро­
ванного н аб егаю щ его на реку п о то ка в о зд у х а, т ем п ер ату р а и отно­
с и т е л ь н а я в л а ж н о с т ь к о т о р о г о с о о т в е т с т в е н н о р а в н ы — 20 °С
и 9 0 % , с к о р о с т и в е т р а н а в ы с о т е 1 м « 1 = 0 , 5 м/с. К о э ф ф и ц и е н т ы
о б м е н а k ° н а н а в е т р е н н о м б е р е г у о п р е д е л я ю т с я по (2.8) при h =
= 30 м, & i = 0 , 2 м 2/с. Н а рис. 5.18 а п р о в е д е н ы и зо л и н и и в е л и ­
ч ины о т н о ш е н и я к о э ф ф и ц и е н т а о б м е н а н а д р е к о й k' к к о э ф ф и ц и ­
енту k ° н а т о й ж е в ы с о т е . В и д н о , что к о э ф ф и ц и е н т о б м е н а н а д р е ­
кой в н е к о т о р о м п о г р а н и ч н о м с л о е с у щ е с т в е н н о у в е л и ч и в а е т с я .
Н а рис. 5.18 б п р о в е д е н ы и з о л и н и и в о д н о с т и т у м а н а Д г/м 3 н а д
р е к о й и з а р е к о й в з а в и с и м о с т и о т л: и 2 .
П олучен ны е р е зу л ь т ат ы основаны на реш ении зад ач и для ст а ­
ц и о н а р н ы х у с л о в и й . О д н а к о р а с с м а т р и в а е м ы е м а с ш т а б ы м е стн о ­
сти с р а в н и т е л ь н о м а л ы и в р е м я п е р е м е щ е н и я в о зд у ш н о й м а с с ы
t = x j и
н е в е л и к о , что п о з в о л я е т о г р а н и ч и т ь с я
параметрическим
уч ет о м х а р а к т е р и с т и к н а б е г а ю щ е г о п о т о к а в о з д у х а .
217
5.8. Влияние города
П ри прохож дени и воздуш н ой м ассы н ад городом происходит
трансф орм ация вертикальны х профилей температуры и влажности
в о з д у х а , с к о р о с т и и н а п р а в л е н и я в е т р а . Э т и и з м е н е н и я тем с у щ е ­
с т в е н н е е у ч и т ы в а т ь при
прогнозе
загрязнения
воздуха,
чем
больш е р а зм е р ы города (которы е могут нередко достигать не­
скольких десятков ки лом етров), а т а к ж е мощ ности характерны х
д л я г о р о д а д е й с т в у ю щ и х ф а к т о р о в . Н у ж н о им еть в виду, что во
м н оги х г о р о д а х з а г р я з н е н и е в о з д у х а д о с т и г а е т т а к о й степени, что
оно с а м о я в л я е т с я о д н и м из о с н о в н ы х ф а к т о р о в , о п р е д е л я ю щ и х
м е т е о р о л о г и ч е с к и й р е ж и м . Т а к , з а с ч е т з а г р я з н е н и я в о з д у х а сни8 Г°С
Рис. 5.19. Суточный х о д разности тем ­
ператур
в озд уха
гор од— окрестность
в М оскве в зимнее (1) и летнее (2)
время.
ж а е т с я п о т о к со л н е ч н о й р а д и а ц и и ,
изм еняю щ ий
радиационный
приток, а с л е д о в а т е л ь н о , и з м е н я е т с я и т е м п е р а т у р н ы й р е ж и м . Г о ­
р о д ск о й з а с т р о й к е с в о й с т в е н н ы сво и р а д и а ц и о н н ы е и д и н а м и ч е ­
ски е х а р а к т е р и с т и к и , о т л и ч н ы е от с о о т в е т с т в у ю щ и х х а р а к т е р и ­
стик о к р у ж а ю щ е й ее м е с тн о с ти ( Б е р л я н д и К о н д р а т ь е в , 1972).
В а ж н у ю р о л ь и г р а е т и п р я м о е в ы д е л е н и е т е п л а в г о ро де, т а к н а ­
з ы в а е м о е т е п л о в о е з а г р я з н е н и е в о з д у х а . В л и я н и е вс е х этих ф а к ­
т ор ов о т ч е т л и в о п р о я в л я е т с я п ри а н а л и з е э м п и р и ч е с к и х м а т е р и а ­
лов. И х у ч е т в т е о р е т и ч е с к и х р а з р а б о т к а х п о з в о л я е т к о л и ч е с т ­
венно у т о ч н и т ь п ро гно з по го д ы д л я г о р о д с к и х ус л о в и й .
5.8.1.
«Остров тепла», его связь с приподнятыми инверсиями
и туманами. О д н о й из н а и б о л е е х а р а к т е р н ы х о с о б е н н о ст ей м и к р о ­
к л и м а т а г о р о д с к о й т е р р и т о р и и я в л я е т с я н а л и ч и е « о с т р о в а теп л а » ,
т. е. б о л е е в ы с о к и х т е м п е р а т у р на ней, чем з а ее п р е д е л а м и .
В т а б л . 5.15 п р и в о д я т с я п о л у ч е н н ы е Р а с т о р г у е в о й (1979) с р е д ­
ние и м а к с и м а л ь н ы е з н а ч е н и я п е р е п а д а т е м п е р а т у р ы б Т в о з д у х а
город— окрестность д л я р я д а городов С С С Р . З н ач е н и я б Г в д нев­
ное в р е м я м е н ь ш е и б о л ь ш е й ч а с т ь ю п о л о ж и т е л ь н ы е , в к о н ц е ночи
они в с р ед н е м р а в н ы 2 ° С , но в о т д е л ь н ы х с л у ч а я х д о с т и г а ю т 8 ° С
и более.
Н а рис. 5.19 п р е д с т а в л е н с у т о ч н ы й хо д с р е д н и х з н а ч е н и й б Т
д л я М о с к в ы зи м о й и л е т о м по м а т е р и а л а м н а б л ю д е н и й з а 1968—
1973 гг. ( Р а с т о р г у е в а , 1979). У к а з а н н ы е р а з н о с т и
б Т связаны
с о с о б е н н о с т я м и р а д и а ц и о н н о г о р е ж и м а в г оро де, к о т о р ы е в свою
очередь обусловлены загрязн ен и ем воздуха, а т а к ж е различием
а л ь б е д о г о р о д с к о й з а с т р о й к и и о к р у ж а ю щ е й м е с тн о с ти . В з н а ч и ­
тельн ой степ ени они в ы з в а н ы т а к ж е в ы д е л е н и е м э н е р г и и и т е п л о 218
Таблица 5.15
Средние сезонны е и максимальные значения разности температуры в о зд у х а
«го р о д — окрестность» б Т по данны м стационарны х постов (°С)
Зима
Весна
Осень
Лето
Год
Город
Баку
Владимир
Г орький
Д н еп ропетровск
Д уш ан бе
Зап ор ож ь е
Иркутск
Курск
Л ипецк
М осква
Н овокузнецк
П етропавловск-К амчатский
Свердловск
Таллин
Х абар овск
Чита
ср.
макс.
0 ,5
0 ,3
1 ,2
1 ,2
1 ,4
0 ,9
1 ,6
1 ,2
1 ,4
1 ,2
2 ,9
0 ,5
9
8
7
7
9
5
10
6
8
14
9
5
1 ,0
1 ,0
0 ,9
1 ,7
1 ,0
1 .9
1 ,5
1 ,4
2 ,2
1 ,2
3 ,2
1 ,3
11
8
8
9
9
9
10
9
9
13
8
7
1 ,3
0 ,7
0 ,9
2 ,1
11
6
6
10
1 .5
0 ,8
1,1
2 ,0
12
8
6
11
ср.
макс.
макс.
ср.
макс.
ср.
0 ,9
1 ,5
1 ,2
1 ,9
1 ,7
2 ,9
1 ,9
1 ,4
2 .1
1 ,5
• 2 ,8
1 ,7
8
7
8
10
11
8
11
6
10
9
10
8
0 ,6
0 ,9
1 ,2
1,1
1 ,7
1 ,6
1 ,9
1 ,5
1 .2
0 ,7
2 ,4
0 ,8
10
8
8
9
11
6
10
8
7
8
10
7
0 ,7
1 .2
1,1
1 ,4
1 ,4
1 ,8
1 ,7
1 ,4
1 ,7
1 ,1
2 ,8
1Д
0 ,9
0 ,9
1,1
1 ,3
11
7
4
5
0 ,9
0 ,8
0 ,9
1 ,8
11
8
5
7
1,1
0 ,8
1,0'
1 ,8
ср.
е м к о с т ь ю з д а н и й , с и л ь н е е н а г р е в а ю щ и х с я д н е м и м е д л ен н е е о с т ы ­
в а ю щ и х н о ч ью . П о н е к о т о р ы м о ц е н к а м з и м о й в у м е р е н н ы х ш и ­
р о т а х п о л у ч е н о , что с р е д н е с у т о ч н о е в ы д е л е н и е эн ер ги и в р е з у л ь ­
т а т е х о з я й с т в е н н о й д е я т е л ь н о с т и в г о р о д а х с р а в н и м о с п р и то к о м 1
теп л а з а счет солнечной р ади ац и и .
О к е (1 9 8 2 ) с о с т а в и л с в о д к у ( т а б л . 5 .1 6) з н а ч е н и й выделяемогот е п л а з а с ч е т х о з я й с т в е н н о й д е я т е л ь н о с т и Q и з а счет р а д и а ц и о н ­
ного б а л а н с а п о д с т и л а ю щ е й п о в е р х н о с т и R д л я р я д а к р у п н ы х
г оро дов .
Н алич ие острова тепла в городе м ож н о рассм атривать и к а к
т е п л о в о е з а г р я з н е н и е , и б о оно с в я з а н о с г а з о в ы м и а э р о з о л ь н ы м
загрязнением воздуха, а т ак ж е непосредственно определяется тер­
мическим воздействием эн ер гети ч ески х источников.
В п о с л е д н и е г о д ы п о л у ч и л и р а з в и т и е р а б о т ы по построению '
теории м и к р о к л и м ат а и о б р азо в ан и я
острова
тепла
(A tw ater,.
1977; V u c o v i c h et al., 1976, 1978; S a w a i , 1978; М а р ч у к и др., 1979;
М а р ч у к , 1982; Б е р л я н д , 1979; Б е р л я н д и З а ш и х и н , 1982, и др.)..
В р е з у л ь т а т е у с т а н о в л е н о , что п о в ы ш е н и е т е м п е р а т у р ы о т м е ч а е т с я
в о с н о в н о м ночью п р и с л а б о м в е т р е и м а л о о б л а ч н о й погоде, ч а щ е
зи м о й , чем л е то м . У м е н ь ш е н и е т е м п е р а т у р н ы х р а з л и ч и й в н е р а б о ­
чие д ни н е д е л и , к о г д а з а г р я з н е н и е в о з д у х а с н и ж а е т с я , а т а к ж е
с у в е л и ч е н и е м о б л а ч н о с т и у к а з ы в а е т , что в е д у щ и м ф а к т о р о м в о б ­
разовании острова тепла явл яется наличие больш ого количества
219
Таблица 5.16деятельности
Энергия иа
душу населе­
ния Ю*-МДж
хозяйственной
Плотность на­
селения
103 чел/км2
вы деляем ого в результате
в гор о д а х
Население,
10* чел.
Характеристики тепла,
Ш еф ф илд
53
1952
Г од
0 ,5
1 0,4
58
19
56
Западны й Берлин
52
1967
Г од
2 ,3
9 ,8
67
21
57
Ванкувер
49
1970
Г од
Л ето
Зи м а
0 ,6
5 ,4
112
19
15
23
57
107
6
Б удапеш т
47
1970
Год
Л ето
Зим а
1,3
11,5
128
43
32
51
46
100
—8
М онреаль
45
1961
Г од
Л ето
Зи м а
1,1
14,1
221
99
57
153
52
92
13
Н ью-Йорк
40
1967
Год
Л ет о
Зи м а
1 ,7
2 8 ,8
128
117
40
198
93
Л ос-А н дж елес
34
1965—
1970
Год
7 ,0
2 ,0
331
21
108
Гонконг
22
1971
Г од
3 ,9
3 ,7
34
4
110
1
1972
Г од
2,1
3 ,7
25
3
110
Город
Сингапур
Ф°
Год
Период
51
fЮ
О-
а
н
И
ое
п р и м е с е й в в о з д у х е и в ы з в а н н ы е ими изм енения р а д и а ц и о н н о г о
р е ж и м а . Н а н е с е н н ы е на п л а н г о р о д а изо терм ы в средн ем сходн ы
с о ч е р т а н и я м и его в н е ш н и х г р а н и ц , а м а к с и м а л ь н ы е т е м п е р а т у р ы
н е р е д к о с о в п а д а ю т с н а и б о л е е пл о тно заст р о ен н о й ч ас т ью г о р о д а .
Н е к о т о р ы е а в т о р ы с ч и т а ю т , что интенсивность о с т р о в а т е п л а
в о з р а с т а е т с у в е л и ч е н и е м р а з м е р о в города. И з и с с л е д о в а н и я М и т ­
ч е л а (M itc h e ll, 1961), с л е д у е т , что в С Ш А з а п ер и о д с 1895 по
1954 г. с у в е л и ч е н и е м ч и с л е н н о с т и н а с е л е н и я в г о р о д а х и н те н си в ­
ность о с т р о в а т е п л а т а к ж е у в е л и ч и в а е т с я .
О к е (1982) п р е д л о ж и л ф о р м у л у д л я о п р е д е л ен и я и н те н си в н о ­
с ти о с т р о в а т е п л а б Го (°С) в с к о р е после з а х о д а С о л н ц а в з а в и ­
с и м о сти от ч и с л а ж и т е л е й в го р о д е N v (от 103 до 107 чел.) и с р е д ­
ней с ко р о с т и в е т р а й (м /с ) з а г о родо м на вы соте 10 м:
Ь П =
- ^ ] /
Ы 'т 'Ч й.
(5.14)
Р а с т о р г у е в о й (1979) по д а н н ы м , у к а за н н ы м в т а б л . 5.15 д л я
го р о д о в С С С Р , а т а к ж е по м а т е р и а л а м О к е (О ке, 1969) и Герс220
т е н г а и д р . ( G a r s t a n g e t al., 1975) д л я р я д а г о р о д о в Е в р о п ы и С е ­
в е р н о й А м е р и к и пол уч ено , что м а к с и м а л ь н ы е з н а ч е н и я р а з н о с т и
т е м п е р а т у р б Т т д л я го р о д о в с н а с е л е н и е м от 300 д о 1300 ты с. че­
л о в е к м о ж н о в ы р а з и т ь у р а в н е н и е м регресси и
6T’m = 3 ,4 6 1 g iV r -
10,9.
(5.15)
А н а л о г и ч н ы е з а в и с и м о с т и п о л у ч е н ы по 14 г о р о д а м Я понии с н а ­
с е л е н и е м н е м е н е е 200 ты с. ч е л о в е к з а п е р и од с 1900 по 1940 г.
О д н а к о эт и с о о т н о ш е н и я не в с е г д а п о д т в е р ж д а ю т с я . И н о г д а ост­
р ов т е п л а в м а л ы х г о р о д а х при я сной погоде н о ч ь ю п р о я в л я е т с я
д а ж е б о л е е о т ч е т л и в о . П о Ч а н д л е р у ( C h a n d le r , 196 7), его м а к с и ­
м а л ь н а я и н т е н с и в н о с т ь з а в и с и т не от р а з м е р о в и н а с е л е н и я го­
р о д а , а от п л о т н о с т и з а с т р о й к и , ув е л и ч ен и е к о т о р о й на 10 % в ы ­
з ы в а е т п о в ы ш е н и е т е м п е р а т у р ы в о з д у х а на 0,2— 0,3 °С.
С у щ е с т в е н н о и з м е н я е т с я в го р о д е и в е р т и к а л ь н о е р а с п р е д е л е ­
ние т е м п е р а т у р ы п р и з е м н о г о с л о я во зд у х а . Р а с т о р г у е в а (1969) о т ­
м е ч а е т , что н а д п р е о б л а д а ю щ и м в горо де а с ф а л ь т о в ы м п ок р ы ти е м
р а з н о с т ь т е м п е р а т у р б Г н а в ы с о т а х от 0,5 д о 1,5 м б о л ьш ей ч а ­
ст ью п о л о ж и т е л ь н а к а к л е т о м , т а к и зимой. М а к с и м у м ее о т н о ­
с и т с я к п о с л е п о л у д е н н ы м ч а с а м , в это в р е м я б Г м о ж е т д о с т и г а т ь
1,0 °С и б о л е е . В у т р е н н и е и в е ч е р н и е часы он а в о с н о в н о м р а в н а
0,1— 0 ,2 °С . З а в и с и м о с т ь б Г о т с теп ени гор одск ого о з е л е н е н и я р а с ­
с м о т р е н а Р а у н е р о м и Ч е р н а в с к о й (1 972 ).
И з м е р е н и я на т е л е - и р а д и о м а ч т а х , а т а к ж е с п е ц и а л ь н ы е а э р о ­
л о г и ч е с к и е н а б л ю д е н и я , п р о в е д е н н ы е в п о с л ед н и е годы, п о з в о ­
л я ю т с д е л а т ь р я д в ы в о д о в о с тр оен и и п о г р а н и ч н о го сл оя а т м о ­
с ф е р ы н а д г о р о д о м . А н а л и з о п ы т н ы х д а н н ы х п о к а з ы в а е т , что
в п е р и о д ы , к о г д а з а г о р о д о м н а б л ю д а е т с я и н в е р с и я при н а л и ч и и
о с т р о в а т е п л а т е м п е р а т у р н а я с т р а т и ф и к а ц и я с р е д и з а с т р о й к и до
вы с о ты н е с к о л ь к и х д е с я т к о в м е т р о в б л и зк а к р а в н о в е с н о й или
с л е г к а н е у с т о й ч и в о й . С л е д о в а т е л ь н о , н а д го родо м более в е р о я т н о
о б р а з о в а н и е п р и п о д н я т ы х с л о е в инверсии. О с т р о в т еп л а , к а к от­
м еч е н о С е к и г у т и в к н и г е « К л и м а т ы гор одов» ( U r b a n c lim a te s ,
1970), р а с п р о с т р а н я е т с я в н оч н о е в р е м я до у р о в н я , п р и м е р н о р а в ­
ного 3— 4 в ы с о т а м з д а н и й . Д л я ц е н т р а л ь н о й ч а с т и Т о ки о , н а п р и ­
м ер, э т о т у р о в е н ь с о с т а в л я е т 100— 150 м, д л я р я д а д р у г и х го родов
Я по н ии — 3 0 — 40 м. П о д а н н ы м н а б л ю д е н и й в З а п о р о ж ь е ( Б е р ­
л я н д и д р., 1974) в ы с о т а о с т р о в а те п л а о ц е н и в а е т с я п р и м ер н о
в 150 м. С о г л а с н о В у к о в и ч у и д р. (V ucovich et al., 1976) в ы с о та
о с т р о в а т е п л а в С е н т - Л у и с е н а д ц ен тро м г о р о д а д о с т и г а е т 300 м,
а н а д п р и г о р о д о м — 200 м. К о л а ц и н о (C o lacino , 1978) по о т д е л ь ­
ным и з м е р е н и я м о п р е д е л и л , что н а д Р и м о м в ы с о т а о с т р о в а т е п л а
с о с т а в л я е т 200 м.
С у щ е с т в у е т к о р р е л я ц и я м е ж д у и н тен си в н о стью о с т р о в а т е п л а
б Го и г р а д и е н т о м
тем п ературы в нижнем слое воздуха d T / d z .
Л ю д в и г ( U r b a n c l im a te s , 1970) у с т а н о в и л , н а п р и м е р , что
6 Г0 = 1,8 — 7,4 d T / d z ,
где б Го. в °С, a
d T /d z
в ° С /г П а .
221
Д л я п р о г н о с т и ч е с к и х ц е л е й у к а з а н н ы е з а в и с и м о с т и м огу т у с ­
т а н а в л и в а ть ся на основе статистической обработки
материалов
н а б л ю д е н и й в р а с с м а т р и в а е м о м гор оде.
5.8.2.
Теоретические исследования. Н а рис. 5.20 п р е д с т а в л е н
с у т о ч н ы й х о д р а з н о с т и т е м п е р а т у р в о з д у х а г о р о д — о кр е с т н о с т ь
б Го, п о л у ч е н н ы й в р е з у л ь т а т е т е о р е т и ч е с к и х и с с л е д о в а н и й Б е р л я н д о м и З а ш и х и н ы м (1 9 8 2 ). Д а н н ы е р а с ч е т а о т н о с я т с я к в ы с о т е
z = 2 м и р а с с т о я н и ю х = 20 к м от н а в е т р е н н о й г р а н и ц ы г о р о д а ,
р а с п о л о ж е н н о г о на ш и р о т е 60°. В р а с ч е т а х п р и н и м а л о с ь во в н и ­
м а н и е , что в г о р о д е о с л а б л я е т с я с о л н е ч н а я р а д и а ц и я з а счет н а ­
л и ч и я а э р о з о л ь н о г о с л о я , у м е н ь ш е н и я а л ь б е д о и и с п а р е н и я . Учи-
Рис. 5.20. Суточный х о д разн о­
сти температур
в оздуха го ­
род— окрестность в июне (а) и
январе (б) при ug = 10 м/с ( / )
и ив = 2 0 м /с (2).
т ы в а л о с ь т а к ж е п р я м о е в ы д е л е н и е а н т р о п о г е н н о го т е п л а в го р о д е ,
к о т о р о е п о л а г а л о с ь в я н в а р е п р и м е р н о в 2 р а з а б о л ьш и м , чем
в ию ле, в с л е д с т в и е у в е л и ч е н и я к о л и ч е с т в а с ж и г а е м о г о т о п л и в а .
И з п о л у ч е н н ы х р е з у л ь т а т о в с л е д у е т , что т е м п е р а т у р а в о з д у х а
в г о р о д е в ы ш е , чем з а г о р о д о м . П р и эт о м в ию н е при u g = 20 м /с
разность температур 6 Г 0 сравнительно
м ала в дневное
время
(в 9— 10 ч о н а б л и з к а к 0 ° С ) , а ночью у в е л и ч и в а е т с я и д о с т и г а е т
1,7 °С в 1 ч. С о с л а б л е н и е м в е т р а (пр и w * = 1 0 м /с) з н а ч е н и я б Го;
в о з р а с т а ю т и д о с т и г а ю т н а и б о л ь ш и х з н а ч е н и й — 11 °С в ночное
в р е м я и 1 °С в д н е в н о е . В я н в а р е при u g = 10 м /с з н а ч е н и я бГо
д о с т и г а ю т в к о н ц е ночи 5 ° С , а д н е м 1,2 °С; при u g = 20 м /с з н а ч е ­
ни я б Го у м е н ь ш а ю т с я со о т в е т с т в е н н о д о 2,0 и 1,0 °С. С у т о ч н ы е
а м п л и т у д ы б Г 0 в я н в а р е м е н ьш е , чем в ию ле, в р е з у л ь т а т е того,,
что и а м п л и т у д а т е м п е р а т у р в о з д у х а при н и зки х в ы с о т а х С о л н ц а
в я н в а р е з н а ч и т е л ь н о м ен ьш е, чем в июне. Е с л и с о х р а н и т ь п а р а ­
м е т р ы з а д а ч и , п р и н я т ы е д л я р а с ч е т о в к р и в ы х на рис. 5.20, то.
с у в е л и ч е н и е м в ы с о т ы С о л н ц а , в ч астн о сти , д о з н а ч е н и я , х а р а к т е р ­
ного д л я м а р т а , з н а ч е н и е б Г д о л ж н о с у щ е с т в е н н о у в ел и ч и в аться..
И з р а с ч е т о в д л я б о л ь ш и х z с л е д у е т , что м а к с и м у м б Г 0, х а ­
р а к т е р н ы й д л я ночного вр е м е н и , в соо тветствии с э к с п е р и м е н ­
т а л ь н ы м и д а н н ы м и у м е н ь ш а е т с я с высотой. Т а к, в и ю н е при u g =
= 20 м /с з н а ч е н и е 6 Г 0 в 1 ч у м е н ь ш а е т с я от 1 ,7 °С при z = 2 м до
1,1 °С п р и z = l 0 м и д о 0,3 °С при 2 = 1 0 0 м. Д н е м по ч ти во всех
р а с с м о т р е н н ы х с л у ч а я х д о 2 = 100 м з н а ч е н и е 6 Г 0 н е с к о л ь к о у в е ­
л и ч и в а е т с я с в ы с ото й — в п р е д е л а х н е с к о л ьк и х д е с я т ы х °С, а з а ­
тем у м е н ь ш а е т с я . О т с ю д а с л е д у е т вы во д , что о стро в т е п л а ночью
п р о с т и р а е т с я п р и м е р н о д о в ы с о ты 100 м, а д н е м , х отя его и н т е н ­
си вн о ст ь и м а л а , — до н е с к о л ь к и х сотен метров.
222
5.8.3.
Связь загрязнения в оздуха с приподнятыми инверсиями
и туманами. И з м е н е н и я м е т е о р о л о г и ч е с к о г о р е ж и м а и з а г р я з н е н и я
в о зд у х а в г о р о д е в з а и м о с в я з а н ы м е ж д у со б о й . И н о г д а они у с и ­
л и в а ю т д р у г д р у г а . Х а р а к т е р н ы м п р и м е р о м я в л я е т с я процесс
образован ия тум анов. П р и опр ед ел ен н ы х у с л о в и я х в городе ту­
м а н ы м о гу т в о з н и к а т ь ч а щ е , чем вые его. Р я д а в т о р о в (Л а н д с б е р г ,
1974, 1983, и д р .) у к а з ы в а ю т , ч то п о в т о р я е м о с т ь т у м а н о в в го р о д е
на 10— 20 % б о л ь ш е , чем на о т к р ы т о й м е с т н о с т и . Это м о ж н о о б ъ ­
я снить не т о л ь к о п о в ы ш е н н ы м к о л и ч е с т в о м я д е р к о н д е н с а ц и и , к о ­
т о р ы х п р а к т и ч е с к и в с е г д а д о с т а т о ч н о д л я о б р а з о в а н и я т у м ан о в
при усл о в и и н а с ы щ е н и я в л а г о й в о з д у х а и в н е г о р о д о в , но и тем,
что в г ор оде в п р и м е с я х с о д е р ж и т с я з н а ч и т е л ь н о е к о л и ч е с т в о гиг­
р о с к о п и ч ес к и х ч ас т и ц . К о н д е н с а ц и я в л а г и н а т а к и х ч а с т и ц а х н а ­
ч и н а е т с я при о т н о с и т е л ь н о й в л а ж н о с т и м е н ь ш е 1 0 0 % , в с в я зи
с чем в о з р а с т а е т п о в т о р я е м о с т ь т у м а н о в . П о д р у г и м д а н н ы м при
б о л ь ш е й п о в т о р я е м о с т и т у м а н о в н а т е р р и т о р и и г о р о д а и н тен си в­
ность их в с р е д н е м б о л ь ш е , чем в н е ее.
С о г л а сн о О к е ( 1 9 8 2 ) , п о в т о р я е м о с т ь п л о т н ы х т у м а н о в (с в и д и ­
м остью м енее 200 м ) в г о р о д е ч а с т о м е н ь ш е , чем з а г о ро дом .
Ч андлер в книге « К л и м аты городов»
( U r b a n c lim a t e s , 1970)
о т м еч а е т, что в Л о н д о н е с н и ж е н и е в и д и м о с т и д о 1000 м пр о и с х о ­
д и т ч ащ е, чем з а г о р о д о м , а до 40 м, н а о б о р о т , р е ж е . Э т о м о ж н о
о б ъ я с н и т ь тем , что н е с м о т р я н а у к а з а н н ы е в ы ш е б л а г о п р и я т н ы е
д л я возникновения тум ан ов ф а к т о р ы в городе, зд есь действую т
и ф акторы п роти воп олож н ого х а р а к т е р а . Т ак, в ц ен тральн ой ча­
сти го р о д а н о ч ное в ы х о л а ж и в а н и е н и ж е , чем н а о т к р ы т о й м е с тн о ­
сти. Н а н а ч а л ь н о й с т а д и и о б р а з о в а н и я т у м а н а э т о т ф а к т о р о к а ­
з ы в а е т н е б о л ь ш о е в л и я н и е , а на б о л е е р а з в и т о й с т а д и и т у м а н а
его в л и я н и е у с и л и в а е т с я .
Ц а р е в (1977) и с с л е д о в а л р е ж и м т у м а н о в з а п е р и о д с 1946 по
1974 г. в Л е н и н г р а д е и М о с к в е , а т а к ж е в их о к р е с т н о с т я х . О к а ­
з а л о с ь, что с р е д н е г о д о в о е к о л и ч е с т в о д н е й с т у м а н а м и за эт от
п ери од у м е н ь ш и л о с ь с 32,3 д о 5,8. Т а к о й р е з у л ь т а т у к а з ы в а е т иа
возможное влияни е сущ ественного у м ен ьш ен и я запы ленн ости воз­
д у х а в с л е д с т в и е ш и р о к о й г а з и ф и к а ц и и к о т е л ь н ы х в п е р и о д с 1950
по 1960 г., а т а к ж е в н е д р е н и я н а м н о г и х п р е д п р и я т и я х п ы л е у л а в ­
л и в а ю щ е й а п п а р а т у р ы . К р о м е того , п о л у ч е н о , что ч исл о дней
с туманами, отмеченное в Л е н и н г р а д е и М оскве,
значительно
меньш е, чем н а с о с е д н и х з а г о р о д н ы х с т а н ц и я х . Э т о о б ъ я с н я е т с я
в л и я н и ем в г о р о д е о с т р о в а т е п л а , с п о с о б с т в у ю щ е г о р а с с е и в а н и ю
т у м а н а . А н а л о г и ч н ы е в ы в о д ы п о л у ч и л М а т в е е в (1 9 7 9 ). С у щ е с т ­
венное у м е н ь ш е н и е ч и с л а д н е й с т у м а н а м и
в С о ф и и Г о д ев
и К а н д ъ о в (1972) т а к ж е с в я з ы в а ю т с б о л е е ш и р о к и м и с п о л ь з о ­
в а н и ем в г о р о д а х г а з о в о г о т о п л и в а .
У казанны е р езу л ьтаты получили некоторое теоретическое обо­
с н о в а н и е в р а б о т е Б е р л я н д а и З а ш и х и н а (1 9 8 2 ) по д а н н ы м р а с ч е ­
тов и зм е н ен и я т е м п е р а т у р ы и о т н о с и т е л ь н о й в л а ж н о с т и в о зд у х а
в течение суток. В ы ч и с л е н и я п р о в о д и л и с ь д л я т е х ж е сл уча е в,
что и д л я рис. 5.20. П р и э т о м и з м е н я л и с ь т о л ь к о з н а ч е н и я
223
от н о с и т е л ьн о й в л а ж н о с т и в о зд у х а F 0 в н а б е г а ю щ е м на го р о д п о т о к е
в о зд у х а . О к а з а л о с ь , что п ри уме’ренном в е т р е { и 8 = 20 м /с ) в и ю л е
з а го р о д о м т у м а н о т м е ч а е т с я в ночное в р е м я с 1 д о 5 ч, а н а р а с ­
стоян ии х = Б км от н а в е т р е н н о й г р а н и ц ы го р о д а т у м а н н а с т у п а е т
п о зж е (в 3 ч) и п р о д о л ж а е т с я всего 2 ч. Н а р а с с т о я н и и * = 20 км
т у м ан в о о б щ е не в о з н и к а е т . Е щ е б олее о т ч е т л и в о э ф ф е к т в л и я н и я
ос т р о в а т е п л а п р о я в л я е т с я при u g = 10 м/с, к о г д а и н т е н с и в н о с т ь
ос т р о в а т е п л а з н а ч и т е л ь н о в о з р а с т ае т . В этом с л у ч а е при н а л и ­
чии т у м а н а з а г о р о д о м с 21 ч до 7 ч в г ор оде у ж е при я = 5 км он
не н а б л ю д а е т с я . Т а к и м о б р а з о м , вс л е д с т в и е н а л и ч и я о с т р о в а т е п л а
в е р о я тн о с ть о б р а з о в а н и я т у м а н а в г ор оде м еньш е, чем в его о к р е ­
стностях.
И з м а т е р и а л о в н а б л ю д е н и й за пос л е д н е е д е с я т и л е т и е сл е д у е т ,
что з а м е т н о у с и л и л о с ь р а з л и ч и е в р е ж и м е т у м а н о в в у к а з а н н ы х
го р о д ах и их о к р е с т н о с т я х . Э то у ж е н е л ь з я с в я з а т ь т о л ь к о с э ф ­
ф ектом д е й с т в и я о с т р о в а тепла. П о -в и д и м о м у , т а к о е у с и л е н и е
с в я з а н о и со с н и ж е н и е м зап ы л ен н о сти
в о зд у х а в э т и х г о р о д а х
гл а в н ы м о б р а з о м в с л е д с т в и е более ш и р о к о г о и с п о л ь з о в а н и я п р и ­
родного г а з а д л я о т о п л е н и я домов.
5.8.4.
Распределение скорости ветра в городе. Н а у л и ц а х
и м е ж д у з д а н и я м и зн а ч и т е л ь н о и зм е н я ю т с я с к о р о с т ь и н а п р а в л е ­
ние в е т р а. Т р у д н о в ы я в и т ь общ и е за к о н о м е р н о с т и э т и х и зм е н ен и й ,
т а к к а к они с у щ е с т в е н н о з а в и с я т от к о н к р е т н о й с т р у к т у р ы г о р о д а .
О д н а из х а р а к т е р н ы х особенностей в о з д у ш н ы х те че н и й в г о р о д е
оч ев и дн а у ж е из теории местной ц и р к у л я ц и и . О с т р о в т е п л а в ы з ы ­
вает к о н в е к т и в н у ю ц и р к у л я ц и ю , особенно в м а л о г р а д и е н т н о м б а ­
рическом поле, пр и чем в п ри зем ном сл ое в о з д у х а в е т е р н а п р а в ­
лен к ц ен тр у г о р о д а , где возд ух п о д н и м а е т ся . П р о т и в о т е ч е н и я на
вы сотах н а п р а в л е н ы к о к р а и н а м г о р о д а . П р и н а л и ч и и о с т р о в а
те п л а э к с п е р и м е н т а л ь н о о б н а р у ж и в а ю т с я т еч е н и я к ц е н т р у г о р о д а
со с к о р о с т я м и 1— 3 м/с.
М а н н в к н и г е « К л и м а т ы города» ( U r b a n c li m a te s , 1970) п р и ­
водит с о о т в е т с т в у ю щ и е д а н н ы е д л я н ек отор ы х го р о д о в С Ш А , Я п о ­
нии и К а н а д ы . Он у к а з ы в а е т , что н а д цен тр ом го р о д а ч асто о т м е ­
чаю тся в е р т и к а л ь н ы е токи, в о зн и к а ю щ и е под в л и я н и е м о с т р о в а
те п л а и д е ф о р м а ц и и п о д с ти л а ю щ ей по вер хн о сти з а счет с о о р у ж е ­
ний. Ч а н д л е р ( C h a n d le r , 1960) о т м еч а ет п у л ь с а ц и и о с т р о в а т е п л а
в течени е ночи. П р и этом более х ол о дн ы й в о зд у х с о к р а и н п е р е м е ­
щ а е т с я к ц е н тр у , если р а з н о с т ь т е м п е р а т у р 8 Т 0 п р е в ы ш а е т н е к о ­
торы е к р и т и ч е с к и е з н а ч е н и я бГокр. О к е и Х а н н ел ( U r b a n c l i m a t e s ,
1970)
у с т а н о в и л и и кр и ти ч ес к о е з н а ч е н и е ско р о с т и в е т р а мир>
вы ш е к о т о р о г о в о о б щ е не н а б л ю д а е т с я о стро ва т е п л а . Т ак, н а ­
пример, д л я г. Г а м и л ь т о н а ( К а н а д а ) , им ею щ его 300 тыс. ж и т е ­
лей, они по л у ч и л и и кр = 6-т~8 м/с. Н а основе л и т е р а т у р н ы х д а н ­
ных д л я р я д а д р у г и х го р о д о в с д ел а н вы вод, что икр м о ж н о п р и ­
б л и ж ен н о с в я з а т ь с ч и с л о м ж и те л е й в го роде N T, к а к с п о к а з а т е ­
лем р а з м е р а г о р о д а . О к а з ы в а е т с я , что
иКр = 3,4 lg N r — 11,6.
224
О т с ю д а , в ч ас т н о с т и , с л е д у е т , что д л я г о р о д о в с 20 — 100 т ы с. ж и ­
т е л е й и кр = З-т-5 м/с.
М ногочисленными наблю дениям и обнаруж ено ослабление ско­
рости в е т р а с р е д и г о р о д с к о й з а с т р о й к и .
К р а т ц е р (1958) у к а з ы в а е т , что п ри у с л о в и я х у м е р е н н о г о г е о ­
строфического ветра ослаблени е ветр а в городе составляет 20—
3 0 % . В н е к о т о р ы х с л у ч а я х в е т ер в г о р о д е м о ж е т и у с и л и в а т ь с я ,
в ч а с т н о с т и , з а счет с г у щ е н и я в о з д у ш н ы х п о т о к о в в д о л ь у л иц.
И н огд а возм ож но и некоторое усиление
приземного ветра,
когда воздуш н ы й поток н ад городом н а п р ав л е н вдоль улицы с в ы ­
с оки м и з д а н и я м и , и л и к о г д а з а г о р о д о м о т м е ч а е т с я очень с л а б ы й
ветер, а в г о р о д е з а с чет н а л и ч и я о с т р о в а т е п л а в о з н и к а е т к о н ­
вективная циркуляция.
П о д а н н ы м м о д е л и р о в а н и я в а э р о д и н а м и ч е с к о й т р у б е п ол уч ен о/
что п р и р а з н о э т а ж н ы х с т р о е н и я х в е т е р и з м е н я е т с я б о л е е р е з к о ,
чем р а в н о э т а ж н ы х . И з д а н н ы х
изм ерений в аэродинам ической
т р у б е и н а т у р н ы х н а б л ю д е н и й с л е д у е т , ч то н а д д о м а м и п р о ф и л ь
скорости ветра сравнительно бы стро п р и б л и ж а е тс я к п роф илю
в е т р а , х а р а к т е р н о м у д л я о т к р ы т о й м е с тн о с ти .
В л и я н и е г о р о д а на т р а н с ф о р м а ц и ю п р о ф и л я в е т р а в с о о т в е т ­
с тви и с р е з у л ь т а т а м и а н а л и з а м а т е р и а л о в н а б л ю д е н и й на в ы с о т ­
ных м а ч т а х п р о я в л я е т с я п р и б л и ж е н н о к а к э ф ф е к т
увеличения
ш е р о х о в а т о с т и п о д с т и л а ю щ е й п о в е р х н о с т и z 0. С о г л а с н о О к е (О ке ,
1969), з н а ч е н и е ш е р о х о в а т о с т и z 0 с о с т а в л я е т 1,2 м д л я Л и в е р п у л я
ц 1,6 м д л я Т о ки о . Н е к о т о р ы е х а р а к т е р и с т и к и в е р т и к а л ь н о г о п р о ­
ф и л я с к о р о с т и в е т р а в г о р о д е в з а в и с и м о с т и от ш е р о х о в а т о с т и и
у ст о й ч и в о с ти а т м о с ф е р ы в г о р о д е и з а г о р о д о м п р и в е д е н ы в к н и ге
О р л е н к о ( 1 9 7 9 ).
П о Л е т т а у ( U r b a n c l im a te s , 1 9 70 ), ш е р о х о в а т о с т ь в го р о д е и з ­
м е н я е т с я от 5 см при с р е д н е й в ы с о т е з д а н и й 4 м д о 70 см при их
в ы с о те 20 м и д о 10 м при в ы с о т е з д а н и й 100 м. Н е с м о т р я на и з ­
в е с тн у ю н е с т р о г о с т ь п р и в е д е н н ы х д а н н ы х м о ж н о з а к л ю ч и т ь , что
д л я г о р о д а з н а ч е н и е z 0 и з м е н я е т с я в п р е д е л а х от о д н ого до не­
с к о л ь к и х м е тр о в , т о г д а к а к д л я о т к р ы т о й м е с т н о с т и з н а ч е н и е z 0
часто с о с т а в л я е т 1 см.
С е к и г у т и ( U r b a n c lim a te s , 1970), а н а л и з и р у я д а н н ы е н а б л ю ­
д ен ий в Т оки о, о б н а р у ж и л н а л и ч и е м а к с и м у м а с к о р о с т и в е т р а н а
в ы с о те 5 0 — 150 м. Т а к о й м а к с и м у м с к о р о с т и м о ж н о о б ъ я с н и т ь , р а с ­
с м а т р и в а я г о р о д в ц е л о м к а к п р е п я т с т в и е д л я н а т е к а ю щ и х н а пего
в о з д у ш н ы х п о т о к о в ( Г о р л и н и З р а ж е в с к и й , 1968; Б е р л я н д , и др.,
1970). М а н н ( U r b a n c l im a te s , 1970) у к а з ы в а е т , что п р и н а л и ч и и
и н в е р си и т е м п е р а т у р ы в г о р о д е м о г у т в о з н и к а т ь м е зо с т р у и , т. е.
у с и л е н и е в е т р а до в е л и ч и н , п р е в ы ш а ю щ и х его г е о с т р о ф и ч е с к о е
зн а ч е н и е . И з д е с ь п о л о ж е н и е м е з о с т р у и б л и з к о к г р а н и ц е и н в е р си и
т е м п е р а т у р ы (см. п. 5 .3 ).
15
З ак аз № 30
225
Глава 6
Регулирование выбросов
в атмосферу
К р а т к о в р е м е н н о е у в е л и ч ен и е к о н ц е н т р а ц и и в р е д н ы х п р и м е с е й
в призем ном слое воздуха может быть обусловлено двумя основ­
ны м и п р и ч и н а м и . О д н а из них с в я з а н а с р е з к и м в о з р а с т а н и е м
в ы б р о с о в в а т м о с ф е р у при а в а р и й н ы х с и т у а ц и я х на п р о и з в о д с т в а х ,
о т к л ю ч е н и и и л и н еи сп р ав н о с т и о ч и с тн ы х устр ойств,
усиленных
з а л п о в ы х в ы б р о с о в и т. п. О д н а к о в г о р о д а х с б о л ь ш и м ч и сл ом
и с точн и к ов , т а к и е с л у ч а и не п р о и с х о д я т о д н о в р е м е н н о н а м н о ­
гих п р е д п р и я т и я х , а м о гу т в о зн и к н у т ь т о л ь к о на о т д е л ь н ы х
из них.
Д р у го й причиной являю тся неблагоприятны е метеорологические
у с л о в и я . О ни м огу т в ы з в а т ь о д н о в р е м е н н о е п о вы ш ен и е к о н ц е н т р а ­
ции пр и м еси н а з н а ч и т е л ь н о й т е р р и т о р и и г ор ода или п р о м ы ш л е н ­
ного р а й о н а . О т с ю д а следует, к а к в а ж н о с в о е в р е м ен н о п р е д у ­
п р е ж д а т ь о н а с т у п л е н и и периодов о п асн ого з а г р я з н е н и я а т м о ­
сф еры .
Э ф ф е к т и в н о с т ь прогнозов, понятно,
о п р е д е л я е т с я не т о л ь к о
о п р а в д ы в а е м о с т ь ю их, но и р е з у л ь т а т а м и п р и н я т ы х в с о о т в ет с т ви и
с н и м и мер. П о э т о м у б о льш ую в а ж н о с т ь п р и о б р е т а е т р е г у л и р о ­
в а н и е в ы б р о с о в по д а н н ы м об о ж и д а е м о й степени з а г р я з н е н и я
в о з д у х а . В С о в е т ск о м Сою зе н е о б х о д и м о с ть п р и н я т и я т а к и х
м е р п р е д у с м о т р е н а р я д о м го с у д а р с т в е н н ы х н о р м а т и в н ы х д о к у ­
м ентов.
В Г О С Т е П р а в и л а у с т а н о в л е н и я д о п у с т и м ы х в ы б р о со в (1 978)
и В р е м е н н о й м е т о д и к е н о р м и р о в а н и я (1981) п р е д у с м о т р е н о , что
пр и н е б л а г о п р и я т н ы х м ете о р о л о ги ч е с ки х у с л о в и я х в к р а т к о в р е ­
м е н н ы е п е р и о д ы опа с н о го д л я н а с е л е н и я з а г р я з н е н и я в о з д у х а
п р е д п р и я т и я д о л ж н ы об есп ечить с н и ж е н и е вы б р о со в в р е д н ы х в е ­
щ ес т в , в п л о т ь до частичной или полной о с т ан о в к и п р о и зв о д с т в а .
В У к а з а н и я х по р а с ч е т у р а с с е и в а н и я в а т м о с ф е р е (1975) о т м е ­
ч ае т с я , что ин те н си в н о с т ь вы б р осо в в а т м о с ф е р у
долж на сни­
ж а т ь с я по т р е б о в а н и ю с а н и т а р н о -э п и д е м и о л о г и ч е с к о й
службы
при н е б л а г о п р и я т н ы х
м е те о р о л о г и ч е с к и х у с л о в и я х ,
например,
к о г д а н а д и с т о чн и к ом р а с п о л а г а е т с я слой п р и п о д н я то й и н в е рси и
т е м п е р а т у р ы т о л щ и н о й в неск ольк о сотен м етров с п е р е п а д о м т е м ­
п е р а т у р ы 3— 4 ° С на 100 м, ветер н а п р а в л е н на ж и л у ю з а с т р о й к у
и, к р о м е того, к о г д а в призем ном слое а т м о с ф е р ы н а б л ю д а е т с я
значительное превыш ение П Д К и возрастаю щ ее загрязнение в о з­
духа.
П р е д у с м а т р и в а е т с я т а к ж е , что д л я к р у п н ы х п р е д п р и я т и й
с б о л ьш и м
вы б р о со м в а т м о с ф е р у д о л ж н ы
разрабаты ваться
п л а н ы м е р о п р и я т и й по сни ж ению вы б р о со в в а т м о с ф е р у и к о н ­
т р о л ю з а ним и.
226
6.1. Нормирование выбросов
В ц е л я х обеспечения необходим ой чистоты воздуш ного б а с ­
сейна д о л ж н о осущ ествляться н орм и рован и е вредны х пром ы ш лен­
ных в ы б р о с о в в а т м о с ф е р у . В С С С Р э т и м в о п р о с а м п р и д а е т с я
б о л ь ш о е з н а ч е н и е ( И з р а э л ь и д р., 1982; Б е р л я н д , 1983; А р т е м о в а
и д р., 1980; B e r l y a n d , B u r e n i n , 1984, и д р . ) . С о г л а с н о у к а з а н н ы м
выше нормативны м докум ентам у с тан авли ваю тся предельно до­
пустимые ( Ц Д В ) н временно согласован ны е выбросы (В С В ). П ри
этом , к а к о т м е ч а л о с ь в гл. 2, в ы д е л я ю т с я н о р м а л ь н ы е ( с р а в н и ­
тельно часто н аб л ю д аем ы е)
и аномальные
метеорологические
условия.
П о о п р е д е л е н и ю П Д В п р е д с т а в л я е т со б о й к о л и ч е с т в о в ы б р о с о в
от о т д е л ь н ы х и с т о ч н и к о в , при к о т о р ы х в р а й о н е их р а с п о л о ж е н и я
с у ч ет о м д е й с т в и я о к р у ж а ю щ и х и с т о ч н и к о в к о н ц е н т р а ц и я п р и м ес и
не п р е в ы ш а е т П Д К - В с л у ч а я х к о г д а у с т а н о в л е н и е П Д В по о б ъ ­
е к т и в н ы м п р и ч и н а м н е л ь з я о б е с п е ч и т ь в н а с т о я щ е е в р е м я , то по
у к а з а н н о м у Г О С Т у (1 9 7 8 ) п р е д у с м а т р и в а е т с я п о э т а п н о е с н и ж е н и е
в ы б р о с о в и о п р е д е л е н и е в р е м е н н о с о г л а с о в а н н ы х в ы б р о со в ( В С В )
в соответствии с соврем енны м и техническим и
возм ож ностям и.
О дновременно устан авли ваю тся и П Д В , которы е долж ны быть д о­
сти гн уты и а ко н е ч н о м эт а п е .
Т аки м о бразом , м ощ ность вы б р о са М = П Д В или М = В С В ,
к о г д а м а к с и м а л ь н а я к о н ц е н т р а ц и я о т и с т о ч н и к а см у д о в л е т в о р я е т
у сл о в и ю
см + сф< а П Д К ,
(6.1)
где Й = 1 д л я П Д В и Q > 1 д л я В С В , Сф— ф о н о в а я к о н ц е н т р а ц и я ,
о б у с л о в л е н н а я в ы б р о с а м и о к р у ж а ю щ и х и с т о ч н и к о в . В гл. 3 б ы л и
п р е д с т а в л е н ы ф о р м у л ы д л я о п р е д е л е н и я см. Е с л и , н а п р и м е р , и с ­
п о л ь з о в а т ь ф о р м у л у ( 3 .4 ), то из у с л о в и я (6.1) с л еду ет, что д л я
одного и с т о ч н и к а и л и г р у п п ы N б л и з к о р а с п о л о ж е н н ы х и с т о ч н и ­
ков с о д и н а к о в ы м и п а р а м е т р а м и н а г р е т ы х в ы б р о с о в
=
< •*
В с л у ч а е в ы б р о с о в в а т м о с ф е р у п р и м е с е й , о б р а з у ю щ и х с я при
с ж и г а н и и т о п л и в а , с уч етом его с е р н и с т о с т и и с в я з и р а с х о д а т о п ­
л и в а с о б ъ е м о м о б р а з у ю щ и х с я д ы м о в ы х г а з о в V (п о с л е д н и й о п р е ­
д ел яется главны м об р азо м , количеством ки слорода, необходимого
д л я с ж и г а н и я т о п л и в а ) н а р я д у с П Д В м о ж н о о п р е д е л и т ь из (6.2)
вы раж ени е для предельно допустимого расхода топлива — П Д Т
( к г /ч ) :
П Д Т = 3 ,6 № V ( Е
Уv^'
(6 -3)
где М т н Ут — с о о т в е т с т в е н н о в ы б р о с п р и м е с и (г на 1 кг) и о б ъ е м
га зо в (м 3/ к г ) , в ы д е л я ю щ и х с я при с ж и г а н и и 1 кг т о п л и в а .
15*
227
Д л я установления П Д В и В С В в городах и пром ы ш ленны х
цен трах С С С Р в качестве н орм ативны х документов Госкомгидром е то м у т в е р ж д е н ы « В р е м е н н а я м е т о д и к а н о р м и р о в а н и я п р о м ы ш ­
л е н н ы х в ы б р о с о в в а т м о с ф е р у » ( 1 9 8 1 ) и с о в м е с тн о с М и н з д р а в о м
С С С Р — « В р е м е н н ы е м е т о д и ч е с к и е у к а з а н и я по о п р е д е л е н и ю ф о ­
новой к о н ц е н т р а ц и и в р е д н ы х в е щ е с т в » (1 9 8 1 ).
В е л и ч и н ы см и Сф в (6.1) п р и н и м а ю т с я д л я н е б л а г о п р и я т н ы х
м е т е о р о л о г и ч е с к и х у с л о в и й . Э ти у с л о в и я д л я см и Сф в о т д е л ь н о ­
сти м о г у т не с о в п а д а т ь м е ж д у собой. П р и н и м а е т с я , что в с р е д н е м
з н а ч е н и е см не д о л ж н о п р е в ы ш а т ь с я б о л е е чем в 1— 2 % с л у ­
ч аев.
При
н а л и ч и и б о л ь ш о г о ч и с л а источников, к а к п о к а ­
з ы в а е т а н а л и з д а н н ы х р а с ч е т о в ( Б е р л я н д и др., 1984), д л я
значения
Сф в
(6.1)
соответственно
должен
приниматься
5 % -н ы й к в а н т и л ь ф у н к ц и и р а с п р е д е л е н и я к о н ц е н т р а ц и и . З н а ­
чение Сф о п р е д е л я е т с я п о с р е д с т в о м о б р а б о т к и д а н н ы х н а б л ю д е ­
ний, а при их отсу тствии в ы ч и с л я е т с я по д а н н ы м и н в е н т а р и з а ц и и
в ы б р осов .
Р а б о т а по у с т а н о в л е н и ю П Д В п р о в о д и т с я в д в е с т а д и и с п е ц и ­
а л ь н о в ы д е л я е м ы м и д л я этой ц е л и г о л о в н ы м и го р о д с к о й и в е д о м ­
ствен но й о р г а н и з а ц и я м и . Н а пе р во й с т а д и и в е д о м с т в е н н ы е о р г а ­
низации р азр аб аты в аю т
предложения
по у с т а н о в л е н и ю П Д В
и В С В д л я п р е д п р и я т и й с уч етом ф о н о в о г о з а г р я з н е н и я в о з д у х а
и в о з м о ж н ы х т е х н и ч е с к и х с р е д с т в с н и ж е н и я в ы б р о со в ; на в т о ­
р о й — эти п р е д л о ж е н и я о б о б щ а ю т с я в го ловной го р о д с к о й о р г а н и ­
з а ц и и с ц е л ь ю о п р е д е л е н и я П Д В п В С В д л я всех и сточн и к ов г о ­
р од а. Д л я это го по д а н н ы м в е д о м с т в е н н ы х п р е д л о ж е н и й по П Д В
и В С В в ы ч и с л я е т с я о ж и д а е м о е п о л е к о н ц е н т р а ц и и с от всей с о в о ­
куп н о сти с у щ е с т в у ю щ и х и п р о е к т и р у е м ы х источников г о р о д а при
н е б л а г о п р и я т н ы х у с л о в и я х по год ы . П о в ы ч и с л ен н ы м з н а ч е н и я м с
на к а р т е - с х е м е г о р о д а п р о в о д я т с я изол и н и и . П р и н а л и ч и и у ч а ­
стков, где с < П Д К , д л я и с то чн и к ов , у к о т о р ы х зо н а в л и я н и я ( г р а ­
н и цы ее о п р е д е л я ю т с я р а с с т о я н и е м от и с т о чн и к а до т очек , г д е
с = 0 , 0 5 П Д К ) п ол н ос тью р а с п о л а г а е т с я н а этих у ч а с т к а х , м о г у т
б ы ть у т в е р ж д е н ы з н а ч е н и я П Д В . В н е д а н н ы х
участков в ы я в ­
л я ю т с я зоны , д л я к о т о р ы х й / < с / П Д К < й /+1 (где Q t — к р а т н о с т ь
п р е в ы ш е н и я П Д К на г р а н и ц е i -й зо н ы ; Q; с о с т а в л я е т о п р е д е л е н ­
ный р я д чисел, н а п р и м е р £ 2 i = 2 , Q 2 = 3, и в о б щ е м с л у ч а е
••
.. . > й г> . . , > Q 2> Q i > 1). Д л я т а к и х зон и с с л е д у е т с я в о з м о ж ­
ность п о э та п н о г о с н и ж е н и я к о н ц е н т р а ц и и п ри м еси с , н а п р и м е р
па п ерв о м э т а п е Qi с в о д и т с я к ед и н и ц е ,
к Q i . . . Q?n к Q,. П р и
этом не и с к л ю ч а ю т с я д о п о л н и т е л ь н ы е р е ш е н и я о п е р е п р о ф и л и р о ­
ва н и и пли вы но се п р е д п р и я т и й . П р о м ы ш л е н н ы м о б ъ е к т а м , з о н а
влияни я которых попадает иа дан ны й
уч асток,
рекомендуется
у м е н ь ш и т ь з а г р я з н е н и е в о з д у х а на эт о м у ч а с т к е в Q b Q3/ Q 2. • .
.. .Q w/Q i р а з.
Т р е б у е м о е у м е н ь ш е н и е м о ж н о д о с т и г н у т ь и зм ен ен и ем п а р а ­
м е тр о в в ы б р о с а , в ч а с т н о с т и у в е л и ч е н и е м в ы с оты и с т о ч н и к а , но
та к, что б ы к о л и ч е с т в о в р е д н ы х в е щ е с т в ,
поступающих в а т м о ­
сф ер у, не во зр о с л о . У л у ч ш е н и ю у с л о в и й п р о ж и в а н и я н а с е л е н и я
228
способствует созд ан ие
санитарно-защ нтной
зо н ы
на у ч а с т к а х
с б о л ь ш и м з н а ч е н и е м Qi.
В ц ел ях диф ф еренц ированного учета источников рекомендуется
к з н а ч е н и я м Q b й 3/ й 2, ■• •, й m/ f i ; на о с н о в а н и и э к с п е р т н ы х о ц е н о к
у с т а н а в л и в а т ь м н о ж и т е л и в з а в и с и м о с т и от в к л а д а д а н н о г о и с­
точника в сум м арное загр язн ен и е атм осф еры , значимости пред­
п р и я т и я д л я г о р о д а , н а н о с и м о г о у щ е р б а и т. п. П о д а н н ы м р а с ч е т а
выявляю тся
основные источники вы бросов, х ар актер и зу ю щ и еся
н а и б о л ь ш и м в к л а д о м в з а г р я з н е н и е в о з д у ш н о г о б ас с е й н а ; а н а л и ­
з и р у ю т с я д о п о л н и т е л ь н ы е в о з м о ж н о с т и их с н и ж е н и я . Г о л о в н а я
г о р о д с к а я о р г а н и з а ц и я в н о с и т п р е д л о ж е н и я по з а к р ы т и ю и л и в ы ­
носу и з г о р о д а п р е д п р и я т и й , д л я к о т о р ы х В С В зн а ч и т е л ь н о п р е ­
в ы ш а ю т П Д В , а т а к ж е п р е д п р и я т и й , к о т о р ы е не у д о в л е т в о р я ю т
с о в р е м е н н о м у т е х н и ч е с к о м у у р о в н ю м е р о п р и я т и й по о х р а н е п р и ­
роды , н а н о с я т з н а ч и т е л ь н ы й у щ е р б о к р у ж а ю щ е й с р е д е и не им е ю т
больш ого значения д ля городского хозяй ства.
П р о в о д и м ы е с е й ч а с р а б о т ы по н о р м и р о в а н и ю вы б р о со в в г о р о ­
д ах позволяю т таким образом устан овить значения П Д В и ВСВ
д л я всех и с т о ч н и к о в з а г р я з н е н и я в о з д у х а . Э т и з н а ч е н и я д о л ж н ы
с у щ е с т в е н н о у ч и т ы в а т ь с я при р е г у л и р о в а н и и в ы б р о с о в в с л у ч а я х
неблагоприятной метеорологической обстановки.
6 .2 .
Т ребуем ое
сниж ение
вы бросов
П р и п р о г н о з е п е р и о д а о п а с н о г о з а г р я з н е н и я в о зд у х а особен но
важ н о обеспечить соблю дение
установленны х
для
и сточн ик о в
П Д В . В тех случаях, когда у с т ан о в л ен В С В , необходимо стре­
м и т ь с я на д а н н ы й п е р и о д с н и з и т ь в ы б р о с ы д о у р о в н я П Д В . П р и
э т о м н е о б х о д и м о и м е т ь в ви д у , что з н а ч е н и е П Д В у с т ан о в л ен о ,
к а к у ж е отм ечалось, на основе р а с ч е т а м а к с и м а л ь н ы х к о н ц ен тра­
ций при о п а с н ы х , по с р а в н и т е л ь н о ч ас т о н а б л ю д а е м ы х ( н о р м а л ь ­
н ы х) м е т е о р о л о г и ч е с к и х у с л о в и я х . П р и н а с т у п л е н и и а н о м а л ь н ы х
о п а с н ы х у с л о в и й в ы б р о с ы д о л ж н ы б ы т ь с о к р а щ е н ы до з н а ч е н и я
М0= -£-П Д В ,
(6.4)
где в е л и ч и н а рГ>1 и з а в и с и т от х а р а к т е р и с т и к о ж и д а е м ы х у с л о ­
вий и т и п а и с т о ч н и к о в , н а п р и м е р о т м о щ н о с т и и р а с п о л о ж е н и я
с л о я и н в е р си и т е м п е р а т у р ы н а д д ы м о в о й т р у б о й .
И з п. 3.6 и 3.7 с л е д у е т , что д л я в ы с о к и х н а г р е т ы х источн ик ов
р р а в н а 1,5— 2, а и н о г д а и б о л е е , т. е. в ы б р о с ы д о л ж н ы быть
в 1,5— 2 р а з а м е н ь ш е П Д В . Д л я н и з к и х и х о л о д н ы х и сточн ик о в
при а н о м а л ь н о о п а с н ы х м е т е о р о л о г и ч е с к и х у с л о в и я х в ы б р о с ы от
предприятий, которы е вносят значительны й в к л а д в загрязнение
в о з д у х а , т р е б у е т с я с о к р а т и т ь и н о г д а е щ е б о л е е зн а ч и т е л ь н о , не
и с к л ю ч а я при э т о м ч а с т и ч н у ю и л и п о л н у ю о с т а н о в к у п р о и з в о д ­
с т в а. П р е ж д е всего у к а з а н н о е с н и ж е н и е в ы б р о с о в д о л ж н о бы ть
о б ес п е ч е н о на н а и б о л е е м о щ н ы х и с т о ч н и к а х з а г р я з н е н и я в о з д у х а
и к о г д а о ж и д а е т с я , что в н е б л а г о п р и я т н ы е п е р и о д ы их в ы б р о с ы
229
б у д у т н а п р а в л е н ы н а р а й о н р а с п о л о ж е н и я б о льн и ц , с а н а т о р и е в ,
д е т с к и х у ч р е ж д е н и й н т. п.
С о к р а щ а т ь в ы б р о с ы н и ж е П Д В при а н о м а л ь н о о п а с н ы х м е т е о ­
р о л о г и ч е с к и х у с л о в и я х не о б х о д и м о в с о о т в ет с т в и и с т р е б о в а ­
н и я м и д е й с т в у ю щ и х н о р м а т и в н ы х д окум ен тов . П о э т о м у при п р о ­
ектирован ии предп ри яти й следует п редусм атривать возм ож ность
и с п о л ь з о в а н и я р е з е р в н о г о т о п л и в а и сы р ья , а т а к ж е с п е ц и а л ь н ы е
м е р о п р и я т и я по д о п о л н и т е л ь н о м у с о к р а щ е н и ю в ы б р о со в при п р о ­
гнозе о п а с н ы х у с л о в и й . Р а з р а б о т а н ы , к р о м е того, п р е д л о ж е н и я
по н е о б х о д и м о м у с н и ж е н и ю з а г р я з н е н и я в о зд у х а в г ор оде в з а в и ­
с и м о сти от о ж и д а е м о г о и н т е р в а л а п о в ы ш е н н ы х зн а ч е н и й и н т е ­
г р а л ь н о г о п о к а з а т е л я Р (см. п. 4.5).
6 .3 .
в
О бщ ие принципы
сокращ ения
вредны х
вы бросов
ат м осф еру
М е р ы по у м е н ь ш е н и ю вы б р о са в период
неблагоприятны х
у с л о ви й п о г о д ы ч ас т о м о гут пр о в о д и т ьс я без с о к р а щ е н и я п р о и з ­
в о д с т в а и без с у щ е с т в е н н ы х изм енений тех н о л о ги ч е с к о го р е ­
ж и м а . О д н а к о в н а и б о л е е о п а с н ы х с л у ч а я х , к о г д а с о зд а е т с я с е р ь ­
е з н а я у г р о з а з д о р о в ь ю н а с ел е н и я , д о л ж н о п р е д у с м а т р и в а т ь с я н е ­
о б х о д и м о е у м е н ь ш е н и е вы б р о с о в з а счет в р е м е н н о г о п р е к р а щ е н и я
р а б о т ы н е к о т о р ы х пр ои зв одств , сильно з а г р я з н я ю щ и х воздух.
В н а с т о я щ е е в р е м я р а з р а б о т к у и п р а к т и ч е с к о е вн е д р е н и е с п о ­
собов с о к р а щ е н и я в р е д н ы х вы б р осов в а т м о с ф е р у о с у щ е с т в л я ю т
по р а з л и ч н ы м н а п р а в л е н и я м . О д но из них с в я з а н о с с о в е р ш е н с т в о ­
в а н и ем т е х н о л о г и ч е с к и х процессов. П о л у ч а ю т р а з в и т и е р а б о т ы
по с о з д а н и ю и вн е д р е н и ю м ал оо тхо д н о й , а в не к о то р ы х с л у ч а я х
и б е з о т х о д н о й те х н о л о г и и . Ш и р о к о и э ф ф е к т и в н о и с п о л ьзу ю т с я
м е то д ы пы ле- и га зо о ч и с т к и п р о м ы ш л е н н ы х в ы б р осов . В а ж н ы м
н а п р а в л е н и е м р а б о т я в л я е т с я и с п о л ьзо в ан и е т о п л и в а и .сырья
с м а л ы м с о д е р ж а н и е м в р е д н ы х прим есей, к о т о р ы е п о с т у п а ю т
в а т м о с ф е р у , а т а к ж е п р е д в а р и т е л ь н а я п о д г о то в к а (или, к а к г о в о ­
рят, о б о г а щ е н и е ) т о п л и в а и сы р ь я в ц е л я х у м е н ь ш е н и я в них
этих п р и м есей .
Для
сокращ ения
в ы б росо в от а в т о т р а н с п о р т а
совершен­
ствуются дви гател и автомаш ин,
разрабаты ваю тся
нейтрализа­
торы , в р я д е
случаев зам еняется ж идкое топливо
на газов ое,
к р о м е того, у л у ч ш а е т с я с и с т е м а д в и ж е н и я т р а н с п о р т а д л я с о к р а ­
щ ен и я з а т о р о в и т о р м о ж е н и я ав т о м а ш и н .
У к а з а н н ы е м е р ы в основном п р е д н а зн а ч е н ы д л я о б есп ечени я
чистоты а т м о с ф е р ы на д л и те л ь н ы й период. О д н а к о они ч асти ч н о
м о гут б ы ть и с п о л ь з о в а н ы и д л я д о п о л н и т е л ьн о г о с о к р а щ е н и я в ы ­
б р осов па к о р о т к о е в р е м я при н е б л а го п р и я т н ы х у с л о в и я х погоды.
А н а л и з п о к а з ы в а е т , что за счет строгого с о б л ю д е н и я т е х н о л о г и ч е ­
ской д и с ц и п л и н ы , о п т и м и з а ц и и и р е г у л и р о в а н и я р е ж и м а р а б о т ы
о б о р у д о в а н и я , в к л ю ч а я и очистны е ус т р о й с тв а , в р е д н ы е в ы б р о сы
от д е й с т в у ю щ и х у с т а н о в о к м огут быть н е р е д ко с о к р а щ е н ы в н е ­
230
с к о л ь к о р а з . П р и эт о м м о ж н о д о б и в а т ь с я у м е н ь ш е н и я в р е д н ы х в ы ­
бр о со в без с о к р а щ е н и я п р о и з в о д и м о й п р о д у к ц и и .
Б о л ь ш и е в о з м о ж н о с т и с в я з а н ы с и с п о л ь з о в ан и е м м а л о с е р н и ­
стого и м а л о з о л ь н о г о , а т а к ж е г а з о в о г о т о п л и в а . В т а б л . 6.1 п р и ­
ве д ен ы х а р а к т е р и с т и к и н е к о т о р ы х т о п л и в с о г л а с н о с в о д к е д а н ­
ной в к н и г е « Э н е р г е т и к а и о х р а н а о к р у ж а ю щ е й среды » (1 9 7 9 ).
Т абли ца 6.1
Зольность и сернистость топлив
Топливо, месторождение
Уголь
Д о н б а сс
К узбасс
Э кп бастуз
И рш а-Б ородино
Березовский
И татский
Н азарово
К араган да
П одм осковье
Ч елябинск
Богословск
Ч ерем хово
Ангрен
Воркута
Сланец эстонский
Торф
М азут
Марка
А
ПА
Т
ж, к, ос
т
д
г
т
ж, к, ос
сс
Б2
Б2
Б1
Б2
К
Б2
БЗ
БЗ
Д
Ж
Б2
—
Фрезерный
—
Удельная
теплота сго­
рания,
МДж / кг
2 2 ,6
2 5 ,3
2 4 ,2
1 8 ,0
2 2 ,0
1 9 ,6
1 7 ,6
2 6 ,2
2 1 ,0
15,9
1 5,7
1 5,7
1 2 ,8
1 3 ,0
2 1 ,3
1 0 ,4
1 4 ,0
1 0 ,4
17,9
1 3 ,8
2 3 ,7
9 ,3 4
8 ,1 3
4 0 ,3
3 9 ,8
3 8 ,8
Зольность, %
2 2 ,9
2 0 ,9
2 3 ,8
3 5 ,5
2 3 ,0
2 1 ,8
3 4 ,6
16,8
3 0 ,7
4 0 ,9
6 ,0
4 ,7
6 ,8
7 ,3
2 7 ,6
2 5 ,2
2 9 ,5
3 0 ,4
2 7 ,0
13,1
22,1
2 3 ,6
4 0 ,0
0 ,0 5
0 ,1
0,1
Сернистость,
%
1 ,7
2 ,4
2 ,8
2 ,5
3 ,2
3 ,0
3 ,2
0 ,4
0 ,7
0 ,8
0 ,2
0 ,2
0 ,4
0 ,4
0 ,8
2 ,7
1 ,0
0 ,4
1,1
1 ,3
0 ,3
0 ,8
1 ,6
0 ,3
1 ,4
2 ,8
П е р с п е к т и в н ы м я в л я е т с я и с п о л ь з о в а н и е о б о га щ е н н о г о т о п л и в а
и с ы р ь я с м а л ы м с о д е р ж а н и е м т о к с и ч е с к и х примесей. У ж е д л и ­
т е л ь н о е в р е м я п р и в л е к а е т в н и м а н и е вопро с с о к р а щ е н и я сернис тостп и з о л ь н о с т и т о п л и в а . В е д у т с я р а б о т ы по частич но м у у д а ­
л е н и ю с е р н о г о к о л ч е д а н а из в ы с о к о с е р н и с т ы х углей, в к о то ры х
п р е о б л а д а е т к о л ч е д а н н а я ф о р м а серы . И з у ч а ю т с я п р а к ти ч е с к и е
возм ож ности использования м алосернистого жидкого топлива, вы ­
р а б а т ы в а е м о г о на н е ф т е п е р е р а б а т ы в а ю щ и х
заводах,
и оцени­
в а ю т с я т р е б у е м ы е д л я этого з а т р а т ы . П о к а ещ е э к о н о м и ч е с к а я
эф ф ективность проведения о б о гащ ен и я топлива в широком м ас­
ш т а б е о ц е н е н а не д о с т а т о ч н о . П р е д с т а в л я е т интерес изучение
231
в о п р о с а о б е с с е р и в а н и я т о п л и в а в с р а в н и т е л ь н о н е б о л ь ш и х маеш т а б а х в ц е л я х п о д г о т о в к и р е з е р в н о г о т о п л и в а на с л у ч а й н е б л а ­
гоприятны х м етеорологических условий.
6 .4 .
П ракт ические
м ероприят ия
по
регулирован ию
вы бросов
В н а с т о я щ е е в р е м я во м н о г и х о т р а с л я х п р о м ы ш л ен н о с т и С С С Р
и з у ч а ю т с я в о п р о с ы р е г у л и р о в а н и я в ы б ро сов при о п а с н ы х м е т е о ­
рологических условиях. У ж е р азр аб о тан ы первоначальные м еро­
п р и я т и я , к о т о р ы е м о г у т б ы т ь о с у щ е с т в л е н ы при п р о г н о з и р о в а н и и
т а к и х у с л о в и й (Г о р о ш к о , С о н ьк и н , 1981, Г о ро ш ко и др., 1981).
К ним о т н о с я т с я : с о к р а щ е н и е до м и н и м у м а н е о р г а н и зо в а н н ы х в ы ­
б росо в, н е д о п у щ е н и е з а л п о в ы х вы б росо в, ис п о льзо ван и е р е зе р в о в
б о ле е к а ч е с т в е н н о г о т о п л и в а , у с и л ен и е ко н тр о л я за со б л ю д е н и е м
р е ж и м а п р о и з в о д с т в а и р а б о т о й оч истн ы х устройств и др.
В Г Г О п р о в е д е н о о б о б щ е н и е этих м ер оп р и я ти й и оцен ен о п р и ­
б л и ж е н н о , н а с к о л ь к о п р о ц е н т о в м о ж е т сни зиться вы б р о с при их
р е а л и з а ц и и . К н а и б о л е е э ф ф е к т и в н ы м м ер ам , при к о т о р ы х в о з ­
м о ж н о с о к р а щ е н и е в ы б р о с о в н а 5 0 — 100 %, а иногда и более, о т ­
н о с я т с я п е р е х о д н а с ж и г а н и е м а л о с ер н и с т о го и м а л о з о л ь н о г о т о п ­
лива; использование вы сококачественного
сы рья;
недопущ ение
п р о д у в к и и ч и с тк и о б о р у д о в а н и я , га зо х о д о в и емкостей и др.
С н и ж е н и е з а г р я з н е н и я в о з д у х а в средн ем д о 50 % м о ж е т б ы ть
д о ст и гн у то з а счет с м е щ е н и я во в р е м е н и технол огических п р о ц ес ­
сов, с в я з а н н ы х с и н те н си в н ы м в ы д е л е н и е м вредны х вещ еств в а т ­
м о сф ер у.
В п р е д е л а х 10— 20 % с н и ж а е т с я за г р я з н е н и е в о зд у х а при з а ­
п р е щ е н и и о т к р ы т о г о с ж и г а н и я отх одов п р ои зв о дства, обесп ечени и
б е с п е р е б о й н о й р а б о т ы вс е х г а зо - и п ы л е у л а в л и в а ю щ и х систем
и с о о р у ж е н и й и их о т д е л ь н ы х э л е м е н т о в и др.
Д л я п р е д п р и я т и й о т д е л ь н ы х о т р а с л е й п р ом ы ш л ен н о с ти р а з р а ­
б а т ы в а е т с я к о м п л е к с с п е ц и ф и ч е с к и х м ероприятий . Н а п р е д п р и я ­
т и я х ч ерн ой м е т а л л у р г и и это:
— у м е н ь ш е н и е у р о в н я з а г р у з к и ш ихты, у кру п н е н и е п о м о л а
и у д л и н е н и е п е р и о д а к о к с о в а н и я в коксохим ическом п р о и зв о д с т в е ;
— п о д д е р ж а н и е о п т и м а л ь н о й скорости п р о с а с ы в а н и я в о зд у х а
ч ерез слой ш и х т ы ;
— п р и м е н е н и е б е з ф е н о л ь н о й в о д ы д л я туш ен и я к о к с а ;
— п е р е в о д д о м е н н о й печи на тихий ход;
— о с т а н о в к а ч асти или всей а г л о ф а б р и к и при н ал и ч и и з а п а с а
агломерата;
— п о в ы ш е н и е к о н ц е н т р а ц и и к и с л о р о д а в воздухе, п р о с а с ы в а е ­
мом ч ер е з сл ой а г л о м е р а т а ;
— в н аи более опасны х сл у ч ая х — прекращ ение продувки с т а ­
леплавильны х агрегатов кислородом;
— о б е с п е ч е н и е по л н о го с ж и г а н и я и зб ы т к о в д омен ного г а з а без
с б р о с а на свечи ;
232
— обеспечение ведения безосадочного р е ж и м а р аботы д о м ен ­
ны х печей во и з б е ж а н и е в ы б р о с а д о м е н н о г о г а з а ч е р е з к о л о ш н и ­
ковы е свечи;
— п р е д о т в р а щ е н и е о с т а н о в о к д о м е н н ы х печ ей, с в я з а н н ы х с н е ­
обходим остью полной вы дувки печи через колош ни ки.
Н а тепловы х электростанц и ях, теп л о ц е н т р а л ях (Т Э Ц ) и кр у п ­
ны х к о т е л ь н ы х о д ним из н а и б о л е е э ф ф е к т и в н ы х м е р о п р и я т и й я в ­
л я е т с я п е р е в о д к о т л о а г р е г а т о в на с ж и г а н и е п р и р о д н о г о г а з а или
резервного малосернистого и м а л о зо л ьн о го топлива. Н а р я д е Т Э Ц ,
в ч а с т н о с т и , в Л е н и н г р а д е , эт о у ж е о с у щ е с т в л я е т с я при н е б л а г о ­
п р и я т н о й пого д е. К р о м е того, п р е д у с м а т р и в а е т с я :
— с н и ж е н и е н а г р у з к и в п л о т ь до п о л н о г о о т к л ю ч е н и я в о с о б о
о п а с н ы е п е р и о д ы ко т л о в , р а б о т а ю щ и х на в ы с о к о с е р н и с т о м и в ы с о ­
козольном топливе;
— п р е д о т в р а щ е н и е п ы л е н и я с п о в е р х н о с т и з о л о о т в а л о в путем
их с м а ч и в а н и я ;
— у м е н ь ш е н и е п о д а ч и у г л я н а с к л а д при
его р а з г р у з к е из
вагонов;
— сниж ение нагрузок на котл о агр егатах с целью создания
устойчивого р а зр е ж е н и я в топочном пространстве;
— отклю чение вакуумны х насосов пн евм оудаления;
— о т к л ю ч е н и е а с п и р а ц и о н н ы х у с т а н о в о к на т р а к т е т о п л и в о по д а ч и .
Н а п р ед п р и яти ях цветной м етал л у р ги и :
— строгое соблю дение технологического р е ж и м а вы дачи кон­
в е р т о р н ы х г а з о в по г р а ф и к у , о б е с п е ч и в а ю щ е м у м а к с и м а л ь н о е и с ­
пользован и е газов для прои зводства серной кислоты ;
— р а з р а б о т к а и ст р о го е в ы п о л н е н и е г р а ф и к а к о н в е р т и р о в а н и я
с у ч е т о м в о з м о ж н о с т и по л н о го
забора
газа
сернокислотны ми
цехами;
— з а п р е щ е н и е р а б о т о с н о в н о го т е х н о л о г и ч е с к о г о о б о р у д о в а н и я
на ф о р с и р о в а н н о м р е ж и м е с ц е л ь ю и з б е ж а н и я и н т е н с и в н о г о г а з о ­
в ы д е л е н ия;
— с т р о г о е с о б л ю д е н и е р е ж и м а с у ш к и к о н ц е н т р а т а , что о б е с п е ­
чивает сохранение сырья и знач ительное со кр ащ ен и е вы бросов
вредны х вещ еств в атмосферу;
— предотвращ ение сбрасы ван и я конверторного газа в атм о ­
сф ер у , о б е с п е ч е н и е н е п р е р ы в н о й р а б о т ы х о л о д и л ь н и к о в и н а с о ­
сов о р о ш е н и я с е р н о к и с л о т н ы х ц ех ов .
Н а предприятиях стройматериалов:
— п е р е в о д в р а щ а ю щ и х с я печей, ц е м е н т н ы х и с ы р ь е в ы х м е л ь ­
ниц и д р у г о г о т е х н о л о г и ч е с к о г о о б о р у д о в а н и я иа т и х и й х од ;
— ум ен ьш ен и е количества во зд у х а, п р о сасы в аем о го через су­
ш ильные б ар аб ан ы и цементные мельницы;
— сни ж ение р а зр е ж е н и я после сы рьевы х
м е л ь н и ц за счет
п р и к р ы т и я о с н о в н о го д ы м о с о с а ;
— п р ек ращ ен и е подачи цем ен та в бетоносм есительны е узлы ;
— использование резервны х контейнеров д л я аварийного вы ­
броса пыли;
233
Н а п р е д п р и я т и я х н е ф т ех и м и ч е с к о й и хи м и ч е с к о й п р о м ы ш л е н ­
ности:
— о г р а н и ч е н и е или п о л н о е п р е к р а щ е н и е р а б о т , с в я з а н н ы х с р е ­
г е н е р а ц и е й к а т а л и з а т о р о в и осуш ителей;
— п е р е р а с п р е д е л е н и е н а г р у зк и на р а б о т а ю щ и е печи;
— об ес п е ч е н и е по л н о го с ж и г а н и я о т р а б о т а н н ы х г а з о в в т е х н о ­
л о г и ч е с к и х печах;
— о с т а н о в к а или с о к р а щ е н и е р а б о т ы в с п о м о г а т е л ь н ы х и о п ы т ­
н ы х п р о и зв о д с т в ;
— и с к л ю ч е н и е из техн о л о ги ческ о й с х е м ы к о л о н н ы о т п а р к и
с т о ч н ы х во д с п е р е в о д о м их в емкости;
— з а п р е щ е н и е в с к р ы т и я и про д у в ки т е х н о л о г и ч е с к и х а п п а р а ­
тов и е м к о с т ей с ц е л ь ю п р е д о т в р а щ е н и я з а л п о в ы х вы б р осов;
— з а п р е щ е н и е пу ск а и о стан о в ки систем х л о р и р о в а н и я д л я
и с к л ю ч е н и я з а л п о в о г о в ы б р о с а хл о р а ;
— п о вы ш е н и е К П Д г а з о п ы л е у л а в л и в а ю щ и х у с т ан о в о к путем
у в е л и ч е н и я плотности о р о ш е н и я с к р у б б ер о в , и зм ен ен ие схем п о ­
дачи рассола на холодильники, плавны й сброс д авл ен и я в а п п а ­
р а т а х и т. д.
Н а м аш иностроительны х предприятиях:
— с о к р а щ е н и е или п р е к р а щ е н и е р а б о т ы н а в а н н ы х т р а в л е н и я
н гальванических участках;
— в л и т е й н ы х ц ех ах, по в озм ож н ости , в р е м е н н а я п р и о с т а н о в к а
т е х н о л о г и ч е с к и х пр оц ессов, с в я за н н ы х с б ольш и м в ы д е л е н и е м
в р е д н ы х в е щ е с т в в ат м о с ф е р у ;
— з а п р е щ е н и е з а л п о в ы х вы б росов в р е д н ы х вещ ес т в в а т м о ­
с ф ер у.
В Ф Р Г , с о г л ас н о Л и в и т у (L eavit, 1971), с 1962 г. д е й с т в у е т
м е т е о р о л о г и ч е с к а я с л у ж б а п р е д у п р е ж д е н и я об о п а с н ы х у с л о в и я х
загрязн ен и я атмосферы. Она
установила две стадии опасности
в з а в и с и м о с т и от о ж и д а е м о й ко н ц е н т р а ц и и сер нисто го г а з а . К п е р ­
вой о т н о с я т с я с л у ч а и , ко г д а к о н ц е н т р а ц и и д о с т и г а ю т 2,5 м г /м 3,
к вт о р о й — 5 м г /м 3. В э т и х с л у ч а я х т р е б у е т с я с н и ж е н и е в ы б р о с а от
п р е д п р и я т и и и а в т о т р а н с п о р т а . П р е д л о ж е н и я по о п е р а т и в н о м у
р е г у л и р о в а н и ю в ы б р о с о в в за в и с и м о с т и
от м е т е о р о л о г и ч е с к и х
у с л о ви й д л я п р е д п р и я т и й С е в е р о -Ч е ш с к о го б ур оу гол ьи ого б а с ­
с ей н а р а с с м а т р и в а л и с ь М у н за р о м ( M u n z a r , 1972).
В с оо тветствии с р а б о т о й Б у б н и к а и Г е с е к а (1984) в Ч е х о с л о ­
в а к и и про гнозы н е б л а г о п р и я т н ы х м е те о р о л о г и ч е с к и х ус л о в и й , при
которых среднесуточная концентрация
S 0 2 может
превы ш ать
0,2 м г /м 3, п е р е д а ю т с я на п р е д п р и я т и я с р е к о м е н д а ц и я м и о п р и ­
н я т и и н е о б х о д и м ы х мер по кон тролю за в ы б р о са м и . Д е т р и (1978)
у к а з ы в а е т , что во Ф р а н ц и и при о б ъ я в л е н и и тр е в о ги о н а с т у п л е н и и
н е б л а г о п р и я т н ы х у с л о в и й погоды т е п л о ц е н т р а л и и к р у п н ы е п р о ­
м ы ш ленны е предприятия, такие как неф теп ерерабаты ваю щ и е з а ­
воды , д о л ж н ы з а м е н я т ь топливо. Э то п о з в о л я е т сн и зи ть п и к о в ы е
к о н ц е н т р а ц и и S O 2.
234
6 .5 .
У силение конт роля
за вы бросам и и загрязн ени ем
ат м осф еры
В периоды н еблагоп риятн ы х метеорологических условий нужно
усилить контроль за загр язн ен и ем в о зд у х а в ц ел я х п о д твер ж де­
ни я р о с т а к о н ц е н т р а ц и и в р е д н ы х п р и м е с е й и д о с т и ж е н и я о п а с ­
ного у р о в н я . Р я д м ер о с о б е н н о д о р о г о с т о я щ и х , с в я з а н н ы х с ч а ­
с тичн о й п р и о с т а н о в к о й п р о и з в о д с т в а , с л е д у е т п р и н и м а т ь т о л ь к о
п о сл е д о с т а т о ч н о й у в е р е н н о с т и в н а с т у п л е н и и о п а с н о г о з а г р я з н е ­
ния в о з д у х а . П р и п р о г н о з е н е б л а г о п р и я т н ы х у с л о в и й погоды д о л ­
жны проводиться учащ енн ы е н аб л ю д ен и я за загрязнени ем воз­
д у х а , а т а к ж е д о п о л н и т е л ь н ы е м е т е о р о л о г и ч е с к и е и з м е р е н и я , в том
ч исле з а в е р т и к а л ь н ы м п р о ф и л е м т е м п е р а т у р ы
воздуха. В ажно
усилить и кон троль за в ы б р о сам и в р ед н ы х вещ еств в атмосферу.
Э то н е о б х о д и м о п о том у, что о п а с н о с т ь з а г р я з н е н и я в о зд у х а в т а ­
кие п е р и о д ы з н а ч и т е л ь н о в о з р а с т а е т и т р е б у е т с я т щ а т е л ь н а я п р о ­
в е р к а п р и н и м а е м ы х м ер. О п ы т п о к а з а л , что с а м а по се б е т а к а я
п р о в е р к а с п о с о б с т в у е т б о л е е э ф ф е к т и в н о м у о с у щ е с т в л е н и ю этих
мер н т е м с а м ы м с н и ж а е т з а г р я з н е н и е в о з д у х а .
М ихелис
( M ic h a e lis , 1 972) о п и с ы в а е т о п ы т
эксплуатации
о п т и ч е с к о г о п р и б о р а д л я р е г и с т р а ц и и к о л и ч е с т в а зо л ы , в ы б р а с ы ­
в а е м о й из д ы м о в ы х т р у б . П р и б о р о д н о в р е м е н н о о с р е д н я е т з н а ч е ­
ния в ы б р о с о в з а р а з л и ч н ы е п е р и о д ы в р е м е н и . В с л у ч а е к о г д а п р е ­
вы ш ается допустимы й выброс золы, производится автоматическое
п рекращ ени е вы броса.
В н а с т о я щ е е в р е м я в о к р у г н е к о т о р ы х к р у п н ы х ис т о ч н и к о в з а ­
грязнения воздуха, наприм ер, таких, к а к м ощ ны е тепловы е эл ек­
тростанции, создается а в т о м ат и зи р о в ан н ая система контроля з а ­
грязнения воздуха.
В с л у ч а е п р е в ы ш е н и я к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с и н а с т а н ц и я х си ­
с т ем ы с в е д е н и я об э т о м п о с т у п а ю т а в т о м а т и ч е с к и н а ц е н т р а л ь н ы й
п у л ь т в ц е л я х п р и н я т и я н е о б х о д и м ы х м ер по с н и ж е н и ю вы б р осов
в атмосферу.
С о г л а с н о Н ю м е н у и С п и г л е р у ( N e w m a n , S p i e g l e r , 1974), на ос­
н ов ан и и п р о г н о з а о к о н ц е н т р а ц и и S O 2 с и с п о л ь з о в а н и е м а в т о м а ­
тизированной системы наблю дений в Бостоне осущ ествляется ре­
гулирование сж и гаем о го т о п л и в а в городе.
В случаях, когда
н а б л ю д а ю т с я в ы с о к и е к о н ц е н т р а ц и и S 0 2) и с п о л ь з у е т с я м а л о с е р н и ­
стое топливо с со д е р ж а н и е м серы 1 %, а когд а н аб л ю д аю тся м а ­
лые кон центраци и S O 2 — в ы сокосернистое топливо с содерж анием
серы 2 , 6 % . В д р у г и х с л у ч а я х с ж и г а е т с я т о п л и в о с с о д е р ж а н и е м
с е р ы о к о л о 1,5 %.
П риведенны е при м еры у к а з ы в а ю т на нали чи е значительны х
возм ож н остей д л я ум еньш ения вы бросов при опасны х м етеоро­
л о г и ч е с к и х у с л о в и я х , а т а к ж е на- с у щ е с т в е н н у ю
эф ф ективность
прогнозирования загрязнени я воздуха.
235
6.6. Уменьшение опасности загрязнения воздуха
В р я д е с л у ч а е в по получ ении п р о г н о з а пого д ы не и м е е т с я в о з ­
м о ж н о с т и п р и н я т ь д о с т а т о ч н о э ф ф е к т и в н ы е м е р ы по с н и ж е н и ю
в ы б р о с о в . Т о г д а н е о б х о д и м о п р е д у с м о тр ет ь м е р ы но у м е н ь ш е н и ю
о п а с н о с т и з а г р я з н е н и я в о зд у х а . Т а к а я
же
задача возникает
и в с л у ч а я х р е з к о г о п о в ы ш е н и я в ы б р о со в при а в а р и й н ы х с и т у а ­
циях.
В в е д е н и е у к а з а н н ы х в гл. 1 уров н ей д ы м о в ы х т р е в о г при н а ­
ступлении смогов в С Ш А предусм атривает и осущ ествление соот­
в е т с т в у ю щ и х м е р о п р и я т и й по з а щ и т е н а с е л е н и я в г о р о д а х . П р и
н а с т у п л е н и и п е р в ы х т р е х уровней у с т а н а в л и в а ю т р а з л и ч н ы е з а ­
п р е т ы на о р г а н и з а ц и ю и посещ ение м а с с о в ы х м е р о п р и я т и й и з р е ­
л и щ , в р е м е н н о з а к р ы в а ю т ш колы , д е т с к и е у ч р е ж д е н и я , а в о т ­
дельн ы х с л у чаях — предприятия и учреж ден ия. При к о н ц е н т р а ­
ц и я х о к с и д а н т о в , б о л ь ш и х 1 м г/м 3, у с т а н а в л и в а ю т с я з а п р е т ы
на и с п о л ь з о в а н и е а в т о м а ш и н . В о тн о ш ен и и ч е т в е р т о го оч ен ь
опасного ур о вн я полагается,
что
он
вообще
никогда
не
д о л ж е н п р е в ы ш а т ь с я . В св я зи с э т и м при его н а с т у п л е н и и
д а ж е не п р е д у с м а т р и в а е т с я мер по ус и л е н и ю б е з о п а с н о с т и
н а с е л е н и я . В д ей с т в и т е л ь н о с т и
же,
как
указы ваю т
Уорк
и У ор к ер
( 1 9 8 0 ), т о л ь к о за 2,5 г о д а с я н в а р я
1970
по
ию ль 1972 г. в р а й о н е Л о с - А н д ж е л е с а к о н ц е н т р а ц и и о к с и д а н т о в
б о ле е 1,2 м г / м 3 о т м е ч а л и с ь 18 раз. В а ж н о е з н а ч е н и е п р и о б р е т а е т
и ш и р о к о е о п о в е щ е н и е о в о зм о ж н о с т я х н а с т у п л е н и я особо о п а с ­
ных условий.
В пери о ды н е б л а г о п р и я т н ы х условий р а с с е и в а н и я в ы б р о с о в от
н и зки х и сто чн ик ов ос об е н н о в а ж н ы м е р ы по к о н т р о л ю и у п о р я д о ­
чению д в и ж е н и я а в т о м а ш и н . Н ео б х о д и м о т щ а т е л ь н о с л е д и т ь за
тем, чтобы м а ш и н ы в ы х о д и л и с о т р е г у л и р о в а н н ы м и д в и г а т е л я м и .
Т р е б у е т с я т а к ж е п е р е с т р о и т ь д в и ж е н и е т р а н с п о р т а , чтоб ы у м е н ь ­
ш и т ь его п отоки в м е с т а х , где о б н а р у ж е н о п р ев ы ш ен и е о п а с н ы х
у ро в н е й з а г р я з н е н и я в о зд у х а . У ж е и зв ес т н ы п ри м ер ы т а к о й п е р е ­
с тро й ки в Ф Р Г (г. Д а р м ш т а д т ) , в Япон ин и д р у ги х с т р а н а х п р и
на с т уп л е н и и смогов.
П о д р е г у л и р о в а н и е м выбросов, к а к п р а в и л о , п о н и м а е т с я их
с о к р а щ е н и е на о п р е д е л е н н ы й период вр ем ен и . О д н а к о и н о гд а м о ­
ж е т в о з н и к а т ь в о п р о с о в о зм о ж н о с ти не к о то р о го их у в е л и ч е н и я ,
н а п р и м е р при в ы б о р е п е ри ода д л я
профилактического рем онта
и т. п. У с т а н а в л и в а т ь т а к и е периоды с л е д у е т на основе д а н н ы х
о п ро гн о зе погоды . В ы ш е у к а з ы в а л о с ь , что когд а о ж и д а ю т с я м а ­
л ы е к о н ц е н т р а ц и и S O 2 в Бостоне, то д о п у с к а е т с я с ж и г а н и е в ы с о ­
к о с е рн и с то го т о п л и в а ( N e w m a n , S p ie g le r, 1974).
Однако только
с р а з р е ш е н и я о р г а н о в м етеоро л о гич еской с л у ж б ы в и с к л ю ч и т е л ь ­
ны х с л у ч а я х м о гу т бы ть р е ко м е н д о в а н ы н а и б о л е е б л а г о п р и я т н ы е
д л я этого у с л о в и я р а с с е и в а н и я вредн ы х в е щ ес т в в а т м о с ф е р е от
р а с с м а т р и в а е м о г о ис т о ч н и к а.
П р и н е р а в н о м е р н о м р е ж и м е вы б р осов т а к ж е ж е л а т е л ь н о и с ­
п о л ь з о в а т ь д а н н ы е о п р огн о зе погоды и о с у щ е с т в л я т ь н а и б о л ь ш и е
236
в ы б р о с ы (при ф о р с и р о в а н н о м р е ж и м е , з а л п о в ы е в ы б р о с ы и т. п.),
если они д а ж е м е н ь ш е П Д В , п р и б л а г о п р и я т н ы х д л я этого у с л о ­
виях.
Г л а ва
7
Эффективность прогноза и дальнейшие
задачи
7 .1 .
У спеш ност ь
и результ ат ы
прогнозов
В р я д е р а б о т при и з л о ж е н и и р а з л и ч н ы х м е т о д о в прогноза з а ­
г р я з н е н и я в о з д у х а п р и в о д я т с я д а н н ы е об о п р а в д ы в а е м о с т и п р о гн о ­
зов, а т а к ж е п р и н я т ы е к р и т е р и и о ц е н к и их у сп е ш н о с т и .
В р а б о т а х р я д а а в т о р о в ( B o r n s t e i n , A n d e r s e n , 1979; H o g s tr o m ,
1972; H a r r i s o n , M e C a r t h e y , 1980, и д р . ) , п о с в я щ е н н ы х п р о в е р к е
м етод ов п р о г н о з а , но с у щ е с т в у в ы п о л н я е т с я с р а в н е н и е р е з у л ь т а ­
тов р а с ч е т а к о н ц е н т р а ц и и на о с н о в е о п р е д е л е н н ы х тео ретич ески х
м о д е л ей с ф а к т и ч е с к и м и з н а ч е н и я м и . К о ц е н к е э ф ф ек т и в н о с т и
к р а т к о с р о ч н ы х п р о г н о з о в оно о т н о с и т с я т о л ь к о
косвенно, если
им е т ь в в и д у д о с т и г н у т у ю у с п е ш н о с т ь п р о г н о з а п а р а м е т р о в , со­
д е р ж а щ и х с я в расчетны х схемах.
В отдельны х стр ан ах у ж е д аю тся прогнозы загрязнения воз­
д ух а д л я о п е р а т и в н о г о о б с л у ж и в а н и я
р а з л и ч н ы х производств.
В С Ш А еж едневно ш ироко о повещ аю тся прогнозы потенциала з а ­
г р я з н е н и я . В К а л и ф о р н и и , с о г л а с н о З е л д и н у и др. (Z eld in et al.,
1979), о р г а н а м и д в у х г о с у д а р с т в е н н ы х а г е н т с т в еж е д н е в н о со­
став л яю тся прогнозы кон центраци й окси дан тов и сульфатов с т а ­
т и с т и ч е с к и м и м е т о д а м и н а с р о к и б ч (у т р о м на д е н ь ), сутки
(в п о л д е н ь на с л е д у ю щ и й п о л д е н ь ) и 30 ч (у т р о м на полдень с л е ­
дую щ его д н я ).
В С Ш А д л я о п е р а т и в н о г о п р о г н о з а и с п о л ь з о в а л а с ь д ей с т в у ю ­
щ а я а в т о м а т и з и р о в а н н а я т е л е м е т р и ч е с к а я с и с т е м а ко н тр о л я з а ­
г р я з н е н и я а т м о с ф е р ы ( N e w m a n , S p e i g l e r , 1974). В 1971 — 1973 гг.
д л я р а й о н а б о л ь ш о г о Б о с т о н а н а ее о с н о в е о с у щ е с т в л я л и с ь си­
с т е м а т и ч е с к и е п р е д у п р е ж д е н и я о к о н ц е н т р а ц и и S 0 2 на срок 30 ч.
П р о г н о з ы в ы п о л н я л и с ь по д в у м м о д е л я м : ч и с л е н н о й д и ф ф у зи о н н о й
и э м п и р и к о - с т а т и с т и ч е с к о й . О д н о в р е м е н н о д а в а л с я и прогноз н е­
о б х о д и м ы х м е т е о р о л о г и ч е с к и х в е л и ч и н . П р и э т о м о б щ и й срок п р о ­
гн о за 30 ч р а з б и в а л с я на ш е с т и ч а с о в ы е и н т е р в а л ы врем ени, в т е ­
ч ен и е к о т о р ы х у с л о в и я п о го д ы п о л а г а л и с ь н е и зм е н н ы м и . У сп е ш ­
ность п р о г н о з а о п р е д е л я л а с ь по р а з н о с т и м е ж д у п р е д с к а з а н н ы м и
и ф а к т и ч е с к и м и з н а ч е н и я м и к о н ц е н т р а ц и и S 0 2 в п р е д е л а х от 0,005
до 0,2 м л н - 1 . Н а рис. 7.1 п р е д с т а в л е н ы о ц е н к и успеш ности п р о ­
г н о за в т е ч е н и е 1972— 1973 гг. п р и р а з н ы х з н а ч е н и я х р а с х о ж д е н и я
м е ж д у д а н н ы м и п р о г н о з а и н а б л ю д е н и й . П р и р а з н о с т и 0,01 м л н -1
237
успеш ность п р о г н о з а в 1972 г. д о с т и г а л а 87 % , а п о сл е н е к о то р о г о
улучш ени я м е то д и к и прогноза в 1973 — 91,4 %.
В п. 6.5 у к а з ы в а л о с ь , что р е з у л ь т а т ы эти х п р о г н о з о в и с с л е д о ­
в а л и с ь д л я р е г у л и р о в а н и я к а ч е с тв а с ж и г а е м о г о т о п л и в а , х а р а к т е ­
ризуем ого сернистостью 1— 2,6 %•
К а р м е н и Н е п п о ( C a r m e n , N ep po , 1974) о ц е н и л и у с п е ш н о с т ь
р я д а методов прогнозов за г р я з н е н и я в о зд у х а на 24 ч с п р и м е н е ­
нием к рай он у Л о с -А н д ж е л е с а и одного из этих м е то д о в д л я С а н Ф ранциско. П о л у чен о , что средние к о э ф ф и ц и е н т ы
корреляции
менаду п р о гн о зи р у е м ы м и и ф а к т и ч е с к и м и з н а ч е н и я м и к о н ц е н т р а ­
ции СО и з м е н я л и с ь от 0,37 до 0,90. П р и этом б ы л а в ы п о л н е н а
и оценка необ х оди м ого м аш и нного вр ем ени д л я р а с ч е т а на Э В М .
Рис. 7.1. Успешность прогноза.
II
IV VI VIII X
1972г.
XII II
IV VI VIII X XII
1973г.
1) < 0 ,0 2 0 - 98,8 °/0,
2) < 0 , 1 0 - 8 3 , 3 'Vo.
з) < 0 ,0 0 5 - 58*/„.
О к азал ось, что оно в зависим ости от м е то д а и з м е н я л о с ь в с р е д ­
нем от 15 до 106 мин, а с о о т в ет с т в у ю щ а я сто им ость этого в рем ени
оп р е д е л ял а сь от 50 до 350 дол. Сепеш и (S z e p e si, 1984) п р и в о д и т
р езу л ьтаты п р о гн о за кон центраци й в г. П еч (В е н г р и я ) на о с н о в е
расчетов д л я назем ного п л о щ адн ого и в ы с о тн ы х исто чн ико в, к а к
у к а за н о в п. 3.3. Д л я 22 дней без о с а д к о в р а з н о с т ь м е ж д у в ы ч и с ­
ленными и и зм е ре н н ы м и зн а ч е н и я м и к о н ц е н т р а ц и и не п р е в ы ш а л а
0,2 м г/м 3.
В К а н а д е им ею тся ш ир оки е пл ан ы р а з в и т и я с л у ж б ы п р о г н о ­
зов з а г р я з н е н и я воздуха (K w izak, 1973).
З н ач и т е л ь н ы е р або ты по в недрению м етодов п р о г н о з а в о п е ­
ративную п р а к т и к у вы полняю тся в С С С Р . П ри б ю ро погоды во
многих г о р о д а х созд ан ы с п е ц и а л ь н ы е
п р о гн о с т и ч е с к и е гру ппы .
В их за д а ч у входит с и с тем ати ч еская п е р е д а ч а и н ф о р м а ц и и о в о з ­
можном повы ш ении ко н центраци и в редн ы х
веществ в городах
и пр ом ы ш л ен ны х районах. Д л я этой ц е л и Г о с у д ар с т в е н н ы м к о м и ­
тетом С С С Р по гидром етеорологии и ко н тр о л ю п р и р одн о й с р еды
р а зр а б о т а н ы и у тв е р ж д е н ы М е тоди чески е у к а з а н и я (19 79 ) п Р у ­
ководство по ко н тро л ю з а г р я зн е н и я а т м о с ф е р ы (19 79 ). И х у т в е р ­
ж дению п р е д ш е с т в о в а л о д ли тел ьн о е
испытание
предложенных
методов п р огн оза в разл и ч н ы х городах. В т а б л . 7.1 п р и в о д я т с я
полученные р е зу л ь т а т ы испытаний. И з т а б л . 7.1 сл е д у е т , что о п р а в ­
д ы ваем ость про гноза опасного з а г р я з н е н и я с о с т а в л я е т 8 0 — 90 % .
что соответствует оп р а вд ы ва е м о с т и о б щ и х пр огно зо в погоды . П р и
этом сущ ественно отметить, что в тех г о ро д а х , где о р г а н и з о в а н а
238
Таблица 7J
Результаты испытаний М етодических указаний по прогнозированию загрязнения
в озд уха в гор одах
Оправдываемость прогнозов по городу
в целом, %
в том числе группы вы­
сокого загрязнения
атмосферы
общая
Город
холодное
полугодие
Л енинград
Горький
Куйбышев
Баку
Рустави
Якутск'
Чита
Свердловск
М урманск
Р остов-н а-Д он у
К стово
Д зер ж и н ск
Ташкент
Минск
Рига
Владивосток
Ангарск
Таллин
Усть-Каменогорск
К араганда
Чимкент
Алма-Ата
Красноярск
К едайняй
Вильнюс
Киев
Ф рунзе
Х абаровск
Ю ж но-Сахалинск
Ереван
85
81
84
—
—
78
88
85
85
89
—
—
78
64
82
—
86
—
—
—
80
82
—
75
93
95
87
86
75
теплое
холодное
полугодие полугодие
93
75
88
87
—
—
—
64
—
85
88
60
78
—
—
70
75
90
70
87
—
—
—
—
63
—
—
—
90
—
—
—
82
81
—
90
89
84
82
91
66
100
—
—
—
—
—
—
—
96
81
67
60
—
85
78
77
—
—
—
Для одиноч­
ных источни­
ков
теплое полу­
годие
65
76
78
—
—
—
75
—
81
86
—
—
—
67
—
—
—
100
—
—
—
—
—
—
—
75
100
—
100
—
90
94
72
83
85
—
—
—
—
76
90
94
89
—
—.
—.
87
—
80
80
80
85
—
87
—
—
—
—
—
—
п е р е д а ч а п р е д у п р е ж д е н и й на п р о м ы ш л е н н ы е п р е д п р и я т и я , к о н т ­
р о л ь за з а г р я з н е н и е м в о з д у х а з а м е т н о у с и л и л с я , п о в ы с и л о с ь в н и ­
м ание к вопросам защ и ты воздуш ного бассейна. В резу л ьтате н а ­
ряду с временны м сниж ением вы бросов в отдельны е периоды при­
нимаю тся
и долговременные
м е р ы д л я о б е с п е ч е н и я чистоты
атмосферы.
В р а б о т е Б е р л я н д а и др. ( 1 9 7 2 ) , Б е р л я н д а (1975) п р и в о д я т с я
н е к о т о р ы е с в е д е н и я об э ф ф е к т и в н о м и с п о л ь з о в а н и и р е з у л ь т а т о в
прогноза. Т ак, зам етн ое сни ж ение за гр я зн е н и я воздуха отм ечается
239
в Д з е р ж и н с к е после о р г а н и з а ц и и
п р о г н о з и р о в а н и я . Э то ви д н о ,
н а п р и м е р , из рис. 7.2, н а к о т о р о м п р и в е д е н о о т н о ш е н и е з н а ч е н и й
м а к с и м а л ь н ы х к о н ц е н т р а ц и й о ки слов а з о т а з а м е с я ц д м к з н а ч е ­
нию м а к с и м у м а к о н ц е н т р а ц и и q r н а к а н у н е п е р и о д а п р о г н о з и р о в а ­
ния. К р и в ы е д а н ы до п е р е х о д а к п р о гн о зу з а г р я з н е н и я в о з д у х а
( 1 9 6 6 — 1968 гг.) и в т е ч е н и е п ери о да, к о г д а т а к и е п р о г н о з ы п р о ­
в о д и л и с ь (с с е н т я б р я 1968 г. по а в г у с т 1970 г .). В о в т о р о м п е ­
р и о д е по с р а в н е н и ю с п е р в ы м зн а ч е н и я м а к с и м а л ь н ы х к о н ц е н т р а ­
ций с н и з и л и с ь в н е с к о л ь к о р а з . О с о б ен н о з а м е т н о с н и ж е н и е м а к ­
с и м у м о в к о н ц е н т р а ц и й в о т д е л ь н ы е м есяц ы . Э то с в я з а н о с тем,
Рис. 7.2. Годовой х о д отнош е­
ний максимумов концентраций
N 0 2 за год д о начала прогно­
зирования (1) и в год, когда
давался прогноз (2).
что в о зд е й с т в и е на вы б р о сы п р о и зв о д и т с я в н а и б о л е е н е б л а г о п р и ­
я т н ы е п ери о ды , к о г д а с о з д а ю т с я у с л о в и я д л я в о з н и к н о в е н и я в ы ­
с о ки х к о н ц е н т р а ц и й .
С л е д у е т отм етить, что с р е д н и е к о н ц е н т р а ц и и с н и ж а ю т с я в м е н ь ­
ш ей степени. В Д з е р ж и н с к е с редн ие к о н ц е н т р а ц и и х л о р а у м е н ь ­
ш и л и с ь п о сл е н а ч а л а
работ
по п р о г н о з и р о в а н и ю
примерно
в 2 р а з а . В А н г а р с к е , н а ч и н а я с 1971 г., к о г д а н а ч а т о п р е д у п р е ­
ж дение промыш ленных предприятий о неблагоприятны х м етео­
р о л о г и ч е с к и х у с л о ви я х , с р е д н е е с о д е р ж а н и е в в о зд у х е S 0 2, N 0 2,
H 2S и ф е н о л а сн и зи л о с ь пр и м ер н о в 1,5 р а з а по с р а в н е н и ю с п р е д ­
ш ес т в у ю щ и м и годам и. В С а р а н с к е б л а г о д а р я м е р а м , п р и н и м а е ­
м ы м при н е б л а г о п р и я т н ы х м е те о р о л о ги ч е с к и х у с л о в и я х , с р е д н и е
к о н ц е н т р а ц и и ртути и с в и н ц а в в озд ухе у м е н ь ш и л и с ь н а 2 0 — 30 %,
а м а к с и м а л ь н ы е к о н ц е н т р а ц и и ртути — в 2 р а з а . В О м с к е м а к с и ­
м у м ы к о н ц е н т р а ц и и S 0 2 после н а ч а л а п р о г н о з и р о в а н и я с н и з и л и с ь
за го д в 2 р а з а .
В р а б о т е Г о р о ш к о и др. (1981) о т м е ч а ю т с я п о л о ж и т е л ь н ы е р е ­
з у л ь т а т ы и с п о л ь з о в а н и я п р о г н о зо в в р я д е городов. Т а к , б л а г о д а р я
п р и н я ти ю м ер по с о к р а щ е н и ю вы бросов в со от в ет с т в и и с п р е д у п ­
реж дениям и о неблагоприятны х
метеорологических у слови ях
в А л м а - А т е в с р е д н е м с н и зи л и с ь к о н ц е н т р а ц и и S 0 2, С О и п ы л и
на 2 5 % . N 0 2 и с а ж и на 5 0 % ; в Б а к у к о н ц е н т р а ц и и S 0 2, С О
и N 0 2 и у г л е в о д о р о д о в с н и зи л и с ь в 1,5 р а з а ; в А л м а л ы к е п о в т о ­
ряем ость повыш енных концентраций ряда
п р и м есе й у м е н ь ш и ­
л а с ь — на 1 2 % , в Ч и р ч и к е — на 1 5 % . В К р а с н о я р с к е н а 17 п р е д ­
п р и я т и я х б ы л и с н и ж е н ы в ы б р о с ы S 0 2, СО , N 0 2 и п ы л и п р и м е р н о
240
на 3 5 % , в Н о р и л ь с к е н а г о р н о - м е т а л л у р г и ч е с к о м к о м б и н а т е —
в ы б р о с ы S 0 2 на 20 % . В К у й б ы ш е в е в р е з у л ь т а т е у с и л е н и я о р г а ­
нами ГА И контроля за выходом авто м аш и н в периоды неблаго­
п р и я т н ы х у с л о в и й с н и з и л и с ь к о н ц е н т р а ц и и С О в т а к и е п ери оды
примерно в 2 раза.
К о р о л е в а (1981) п р и в о д и т о ц е н к и э ф ф е к т и в н о с т и прогнозов
за гр я зн е н и я во зд у х а в Т аш кен тско й о бласти. Н а основании за м е ­
ров к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с и в р а й о н а х 12 п р е д п р и я т и й к о н т р о л ь ­
н ы м и п у н к т а м и у с т а н о в л е н ы п о л о ж и т е л ь н ы е р е з у л ь т а т ы д л я 9 из
них. О ц е н е н т а к ж е э к о н о м и ч е с к и й э ф ф е к т от п р о г н о з а за счет
п р е д о т в р а щ е н и я у щ е р б а путем с р а в н е н и я в ы б р о с о в в дни при не­
б л а г о п р и я т н ы х у с л о в и я х и в о с т а л ь н ы е д н и . П о м е то д и к е , и з л о ­
ж е н н о й в к н и г е Б а л а ц к о г о ( 1 9 7 6 ), д л я Т а ш к е н т а п олуч ено, что
предотвращ енный ущ ерб
по с е р н и с т о м у г а зу , д в у о к и с и а зота
и п ы л и с о с т а в и л и с о о т в е т с т в е н н о 140, 120 и 190 тыс. руб.
Н е р о н о в а и П о н о м а р е н к о (1981) п р и в о д я т р е з у л ь т а т ы и с п ы т а ­
ния в Г и д р о м е т ц е н т р е С С С Р п р е д л о ж е н н о й и м и м е то д и к и про­
гн о за м е т е о р о л о г и ч е с к и х у с л о в и й з а г р я з н е н и я в о з д у х а д л я М о ­
ск в ы (см. п. 5.4.2 ). П р о г н о з ы о с у щ е с т в л я л и с ь в 1978 г. на сроки
12, 24 и 36 ч; в к а ч е с т в е н а ч а л ь н о г о м о м е н т а п р и н и м а л о с ь в р е м я
3 ч. П о л у ч е н н ы е р е з у л ь т а т ы д и а г н о с т и ч е с к и х р а с ч е т о в п р е д с т а в ­
л е н ы в т а б л . 7.2.
Т абли ц а 7.2
Успешность прогноза метеорологических условий
загрязнения в о зд у х а для Москвы
Заблаговремен­
ность прогноза,
ч
Число
прогнозоо
Оправдываемость прогнозов
число прогно­
зов
%
12
179
148
83
24
166
144
87
36
134
106
79
П р и в е д е н н ы е р е з у л ь т а т ы с в и д е т е л ь с т в у ю т об о п р е д е л ен н о й
у с п е ш н о с т и р а с с м а т р и в а е м ы х м е т о д о в п р о г н о з а и р е а л ь н о й в о з­
мож ности их практического исп ользован ия.
7.2 .
У чет
дальнего
переноса прим есей
Р а с с м о т р е н н ы е м е т о д ы п р о г н о з а о т н о с и л и с ь г л а в н ы м о б р аз о м
к у с л о в и я м и н те н си в н о г о з а г р я з н е н и я а т м о с ф е р ы , о б у сл о в л е н н о го
л о к а л ь н ы м и и с т о ч н и к а м и . В м е с т е с т ем з а п о с л е д н и е г о д ы все
больш ее вни м ан ие о б р ащ а е тся на случаи,
когда концентрации
п р и м е с е й м о г у т р е з к о в о з р а с т а т ь в с л е д с т в и е п е р е н о с а и х от в е с ьм а
о т д а л е н н ы х и с точн и к о в.
16
З ак аз № 30
241
И с с л е д о в а н и е двух т а к и х р а з л и ч н ы х ситуаций , с в я з а н н ы х
с д ей с тв и е м и местных, и д а л е к о р а с п о л о ж е н н ы х источников, к а к
о т м е ч а е т К л ю г (K lu g , 1984), п р и о б р е т а е т с ущ еств енное з н а ч е н и е
при р а з р а б о т к е способов п р о гн о за з а г р я з н е н и я а т м о с ф е р ы . К л ю г
р а с с м о т р е л т а к и е эп и зо д ы со зн а ч и т е л ь н ы м и к о н ц е н т р а ц и я м и S O 2
на п р и м е р е д а н н ы х н а б л ю д е н и й в с еверной части Р у р с к о й о б л а ­
сти (под э п и з о д а м и он п о н и м а е т п е р и о д ы в р е м е н и не м е н е е 6 ч,
в течени е к о т о р ы х к о н ц е н т р а ц и я п р е в ы ш а е т с р е д н е м е с я ч н ы е или
с р е д н е г о д о в ы е з н а ч е н и я ) . Он п о л а г а е т, что они могут бы ть в ы ­
з в а н ы р а с п р о с т р а н е н и е м и н д у с т р и а л ь н ы х в ы бросов на р а с с т о я н и е
до 500 км. П р и это м д о л ж н ы о т м еч а т ьс я: скорости в е т р а г о р а з д о
б о л ь ш и е (до 4 — 10 м /с), чем при э п и з о д а х л о к а л ь н о г о х а р а к т е р а ,
устойчи вое н а п р а в л е н и е в е т р а и м о щ н а я ин верси я о с е д а н и я на
в ы с о т а х 5 0 0 — 800 м, н и ж е котор ой с т р а т и ф и к а ц и я
атмосферы
б л и з к а к р ав но в есной . В х а р а к т е р н о м прим ере, при веденн ом Клю гом, вы соки е кон ц ен трац и и в д е к а б р е 1978 г. отм ечены при м ерн о
в течение т р е х суток при скорости в е т р а на у ро вн е 500 г П а, р а в ­
ной 10 м/с. С д ан н ы м и с с л е д о в а н и е м
Клюга связана
работа
Х е р м а н а ( H e r m a n n , 1978), в ы п о л н е н н а я в р а м к а х научного с о ­
т р у д н и ч е ст ва м е ж д у Ф Р Г и Г о л л а н д и е й , в которой п о стр оен а м о ­
д е л ь м е ж р е г и о н ал ьн о г о перено са S 0 2 на р а с с то я н и е
при м ер н о
200 км.
В р я д е д р у г и х р абот т а к ж е у к а з ы в а е т с я на о п асн ое з а г р я з н е ­
ние в о зд у ха, в о зн и к а ю щ е е в м естах, р а с п о л о ж е н н ы х д а л е к о от его
источников. Б р а с с е (B r a s s e t, 1975) при води т
данны е
анализа
почти 10-летних н а б л ю д е н и й з а со ставо м а э р о зо л е й на р я д е с т а н ­
ций в Ш вец ии. Н а основе этого а н а л и з а он р а з д е л и л а э р о з о л и на
д в а типа. К первом у типу отнесены а э р о зо л и темного цвета, о б р а ­
зу ю щ и ес я в р е з у л ь т а т е к а т а л и т и ч е с к о г о о ки слен и я S 0 2 в с у л ь ф а т
а м м о н и я ; ко вто ро м у типу — более с в е тл ы е аэр озо л и , ко т о р ы е з н а ­
ч ительно то кс и ч н е е из-за сущ ественно б ольш ей кислотности. П о ­
с к о л ь к у в т о р о й тип а эр о зо л е й о т м е ч а л с я в л е тн ее в р е м я при ясной
погоде, обы чно при з а п а д н о м ветре, Б р а с с е относит его про и с х о ­
ж д е н и е к ф о то х и м и ч е с к о м у п р е в р а щ е н и ю S 0 2, д л и т е л ь н о п е р е м е ­
щ аю щ е г о с я на ра с с то я н и я б олее 1000 км (в озм о ж н о, из А н г л и и ).
Н а этом о с н ов а н и и Б р а с с е считает, что д а ж е в о б р а з о в а н и и с м о ­
гов на т е рр и тор и и Ш веции з н а ч и т е л ь н у ю р ол ь могут и г р а т ь д а л ь ­
ние переносы.
В ряде последних р а б о т п о к а за н о , что вы со ки е к о н ц е н т р а ц и и
о з о н а н а б л ю д а ю т с я не т о л ь к о в м е с та х его о б р а з о в а н и я , но и на
з н а ч и т е л ь н ы х р а с с то я н и я х от них в р е з у л ь т а т е переноса в о з д у ш ­
ны х масс. Т а к и е сл у чаи о тм ечены н а б ольш ом у д а л е н и и от Н ью Й о р к а и д р у г и х пр о м ы ш л ен н ы х цен тров СШ А. В этих с л у ч а я х
а м п л и т у д а суточных к о л е б а н и й к он центраци и 0 3 меньш е, чем
в м е с та х его возни кн овен ия. Н а б л ю д а ю т с я с ущ еств ен н ы е к о н ц е н т ­
р а ц и и о зона ночью, что п о д т в е р ж д а е т а д в е к ти вн ы й х а р а к т е р его
по явл ения. О тм еч е н ы н ео д н ок ратн о сл учаи смогов с к о н ц е н т р а ­
ц и я м и озона бо лее 0,2 м г /м 3 на за п а д н о м п о б е р е ж ь е Ш вец ии, к о т о ­
ры е с в я з ы в а ю т с я с д а л ь н и м переносом озона.
242
С лучаи с вы соким и у ровням и су л ь ф ато в в воздухе вследствие
т р а н с ф о р м а ц и и в ы б р о с о в с е р н и с т о г о г а з а в п р о ц е с с е их п е р е н о с а
из р а й о н о в Н ь ю - Й о р к а и д р у г и х п р о м ы ш л е н н ы х ц е н т р о в С Ш А на
р а с с то я н и и в н е с к о л ь к о со тен к и л о м е т р о в о п и с а н ы в р а б о т а х Л и о
и др. (L ioy eti al., 1 9 80), Х и д и и др. ( H i d y et al., 1978) и др.
Н а С ред н ем З а п а д е и В о с т о к е С Ш А о т м е ч е н п е р е н о с озо н а о т его
и сточников на д о в о л ь н о з н а ч и т е л ь н ы е р а с с т о я н и я . Н а в о з м о ж ­
ность д л и т е л ь н о г о п е р е н о с а о з о н а в п р о ц е с с е б р и зо в о й ц и р к у л я ­
ции у к а з ы в а е т с я в с т а т ь е Р е й б л и и др. (R e ib le et al., 1983).
П риведенны е р езу л ьтаты и ан ал о ги ч н ы е случаи переноса сер­
нисты х с о е д и н е н и й на д а л е к и е р а с с т о я н и я с о с а д к а м и с в о з м о ж ­
ным у в е л и ч ен и е м к и с л о т н о с т и п о ч в ы п о с л у ж и л и п овод ом д л я р е ­
а л и з а ц и и п р е д л о ж е н и й н о р в е ж с к и х у ч е н ы х , в ч а с т н о с т и и зв естн ого
п л а н а О т т а р а , об о р г а н и з а ц и и е в р о п е й с к о й сети с т а н ц и й н а б л ю ­
дений з а п е р е м е щ е н и е м п р и м е с е й н а д к о н т и н е н т о м , а т а к ж е по
р а з р а б о т к е м е т о д о в а н а л и з а и п р о г н о з а э т и х п е р е м е щ е н и й . Н а ос­
нован ии эти х п р е д л о ж е н и й Е в р о п е й с к о й Э к о н о м и ч е с к о й К о м и с с и е й
р а з р а б о т а н а П р о г р а м м а по и з у ч е н и ю п е р е н о с а п р и м ес е й на д а л ь ­
ние р а с с т о я н и я (T h e O E C D P r o g r a m m e , 1977) и н а ч и н а я с 1972 г.
п ро вод ится о б ш и р н ы й ц и к л и с с л е д о в а н и й . О с н о в н а я з а д а ч а п р о ­
г р а м м ы состои т в о п р е д е л е н и и о т н о с и т е л ь н о г о в к л а д а в з а г р я з н е ­
ние в о зд у х а р а з л и ч н ы х о б л а с т е й З а п а д н о й Е в р о п ы м естн ы х и от­
даленны х источников сернисты х
соединений.
О собое значение
в пей п р и д а е т с я о ц е н к е к и с л о т н о с т и а т м о с ф е р н ы х осадко в.
В с о о т в ет с т в и и с д а н н о й п р о г р а м м о й р а б о т ы в е д у т с я в трех
н а п р а в л е н и я х : 1) и н в е н т а р и з а ц и я в ы б р о с о в с е р н и с т о г о г а з а в к а ж ­
дой из р а с с м а т р и в а е м ы х о б л а с т е й ; 2 ) и з м е р е н и е
концентраций
и в ы п а д е н и е с е р н и с т ы х с о е д и н е н и й на сети с о з д а н н ы х д л я этой
цели н а з е м н ы х с т а н ц и й и с п о м о щ ь ю с а м о л е т о в ; 3 ) р а з в и т и е т е о ­
ретических и с с л е д о в а н и й по м о д е л и р о в а н и ю в з а и м о с в я з и в ы б р о с о в
от исто чн иков с к о н ц е н т р а ц и я м и и в ы п а д е н и я м и прим есей. Ч а ­
стично, н а р я д у с с е р н и с т ы м и с о е д и н е н и я м и , и з у ч а е т с я т а к ж е р а с ­
пространение окислов азота.
Н а т е р р и т о р и и З а п а д н о й Е в р о п ы и м е е т с я б о л е е 70 с т а н ц и й
н а б л ю д е н и й . О н и р а з м е щ а ю т с я по в о з м о ж н о с т и в с ел ьско й м е с т ­
ности т а к , ч то б ы и з б е ж а т ь с у щ е с т в е н н о г о в о з д е й с т в и я б л и з л е ж а ­
щ и х источн иков. П о л у ч е н н ы е н а них з н а ч е н и я с р е д н е г о д о в ы х к о н ­
ц е н тр а ц и й S 0 2 и з м е н я ю т с я от 2 - 1 0—3 м г /м 3 в о т д е л ь н ы х о б л а с т я х
до 2 -1 0 ~ 2 м г /м 3 в Ф Р Г , Г о л л а н д и и и А н г л и и . С х о д н о е р а с п р е д е ­
л е н и е х а р а к т е р н о и д л я с у л ь ф а т о в , их к о н ц е н т р а ц и и и з м е н я ю т с я
в п р е д е л а х от 5 - 1 0~4 д о 10“ 2 м г /м 3, а с о д е р ж а н и е S 0 4 в о с а д к а х —
от 0,1 до 9,4 м г /л . Д а н н ы е н а б л ю д е н и й с с а м о л е т о в о к а з ы в а ю т с я
н е д о с т а т о ч н ы м и д л я п о с т р о е н и я п о л е й к о н ц е н т р а ц и й , но п о з в о ­
л я ю т с д е л а т ь р я д в ы в о д о в о б щ е г о х а р а к т е р а . В частности, из них
следует, что р а с п р о с т р а н е н и е с е р н и с т ы х с о е д и н е н и й от ис т о ч н и к о в
осущ ествляется в основном в ни ж н ем двухки лом етровом слое а т ­
м осф еры . О н и п о д т в е р ж д а ю т т а к ж е , что ф а к е л ы от ис т о ч н и к о в
н а б л ю д а ю т с я до р а с с т о я н и й в н е с к о л ь к о со т ен к и л о м ет р о в . И з со­
поставления р езу л ьтато в н аб лю д ен и й с м етеорологическим и х а р а к 16*
243
т е р и с т и к а м и сл еду ет, что п о в ы ш е н н а я к о н ц е н т р а ц и я S 0 2 о т м е ­
ч а е т с я , к а к п р а в и л о , при в е т р а х со ст о р о н ы м о щ н ы х п р о м ы ш л е н ­
ны х и с т о ч н и к о в и п р и у сл о в и я х , б л и зк и х к за с т о ю в о зд у х а .
У к а з а н н ы е р а б о т ы с о з д а ю т основу и д л я р а з р а б о т к и м ето д о в
п р о г н о з а з а г р я з н е н и я в о зд у х а вследствие д а л ь н е г о пе р е н о с а п р и ­
м есей. И х о т л и ч и те л ь н о й особенностью я в л я е т с я н е о б х о д и м о с ть
у ч е т а п р е о б р а з о в а н и я прим есей в а т м о с ф е р е и в ы м ы в а н и я с д о ж ­
д я м и , а т а к ж е в ы п а д е н и я аэр о зо л е й на п о д с ти л а ю щ у ю п о в е р х ­
ность и п о с т р о е н и я т р а е к т о р и й д в и ж е н и я во зд у ш н о й массы.
Т е о р е т и ч е с к о й о сно вой д л я р а з р а б о т к и эти х м етодов я в л я е т с я
м о д е л и р о в а н и е п роц ессов переноса прим еси в д о л ь т р а е к т о р и и .
У ж е п р е д л о ж е н р я д т а к и х м оделей г л а в н ы м о б р а з о м по р а с п р о ­
с т р а н е н и ю сер н и с т ы х соединений ( E lia s s e n , S a ltb o n e s , 1975; В е л ьт и щ е в а , 1977; P r a h m , C h r is te n s e n , 1977; S zepesi, 1978; И з р а э л ь
и др., 1979; и д р .) . О б з о р р а б о т по д а н н о м у вопросу с о д е р ж и т с я
в м а т е р и а л а х С и м п о зи у м а ВМ О (W M O S im p o s iu m , 1979), а т а к ж е
в с т а т ь е Э л и а с с е н а ( E lia s s e n , 1980).
7 .3 .
О чередны е задачи
О б щ а я оцен ка с остоя н и я про б л ем ы кр ат ко ср о ч н о го п р о г н о з а
з а г р я з н е н и я в о зд ух а и о п р е д е л ен и я д а л ь н е й ш и х з а д а ч в ее р е ш е ­
нии д а е т с я в п р е д л о ж е н и я х м е ж д у н а р о д н о г о с о в е щ а н и я В М О
Р А V I по р а з р а б о т к е м етодов про гно за н е б л а го п р и я т н ы х м е т е о р о ­
л о г и ч ес к и х условий, п р и в о д я щ и х к вы соки м у р о в н я м з а г р я з н е н и я
а т м о с ф е р ы , которое состоялось в н оя б ре
1980 г. в Л е н и н г р а д е .
В ни х от м еч а е тс я , что об щ ей чертой вы по л нен ны х
разработок
в р а з л и ч н ы х с т р а н а х я в л я е т с я у в я зы в а н и е сл у ч а е в со з н а ч и т е л ь ­
ным и к о н ц е н т р а ц и я м и
в редн ы х
при м есей с н е б л а г о п р и я т н ы м и
у с л о в и я м и погоды.
В р я д е с т р ан п ол у ч и л и р а с п р о с т р а н е н и е м етоды , в к о т о р ы х
в к а ч е с т в е п ред и к то ро в и п р ед и к тан тов и сп ользу ю тся т о ль ко м е ­
те о р о л о г и ч е с к и е д а н н ы е , в частности методы прогноза п о т е н ц и а л а
з а г р я з н е н и я а тм ос ф е р ы к а к х а р а к т е р и с т и к и у с л о в и я р а с п р о с т р а ­
нен ия примесей. Т а к и е методы р ек о м е н д у ет с я
использовать
п р е ж д е всего при н ал и ч и и обш и рны х и н д у с т р и а л ь н ы х т е р р и т о р и й ,
с л а б о о с в ещ ен н ы х д а н н ы м и н аб л ю д ений за с о д е р ж а н и е м пр и м ес е й
в воздухе.
В р а й о н а х , где о р г а н и зо в а н р егу л яр н ы й ко н тр о л ь з а г р я з н е н и я
а т м о с ф е р ы , р е к о м е н д у е т с я к а к о п р ед ел ен ны й ш а г в п е р е д и с п о л ь ­
з о в а т ь с т ат и с т и ч е с к и е схемы, в число п ред и к тор ов ко т о р ы х в х о ­
д я т и и зм е р е н н ы е з н а ч е н и я кон центраци й. Д о с то и н с т в о м этих схем
я в л я е т с я р а з р а б о т а н н о с т ь ф орм ал ьн ого а п п а р а т а , о т н о с и т е л ь н а я
п р о с т о т а р е а л и з а ц и и , во зм о ж н о с ть обойтись без и н в е н т а р и з а ц и и
в ы б ро сов , в о з м о ж н о с т ь эф ф ек ти в н о го и с п о л ьз о в ан и я в р а м к а х с и ­
стем
автоматизированного
кон тро л я
загрязнения
атмосф еры
и д о с т а т о ч н о в ы с о к а я опра в д ы в а е м о с т ь.
О гр а н и ч е н н о с т ь с татистич еских схем с в я з а н а г л а в н ы м о б р а з о м
с н е д о с тат о ч н о й степенью физичности и с п о л ьз у ем ы х м о дел ей (ил и
244
п р е д п о л а г а е м ы х с в я з е й ) и с м а л о й р а з р а б о т а н н о с т ь ю м е то д о в
статистического прогноза ср авн и тельн о редко встречаю щ ихся я в ­
л ений , что и м е е т м е с то д л я с л у ч а е в о с о б о в ы с о к о г о з а г р я з н е н и я
воздуха, а т а к ж е с трудностям и учета изменений в реж им е вы бро­
сов в а т м о с ф е р у .
П ри наличии инф орм ации о п ар ам е тр ах вы броса и реж име р а ­
боты и с т о ч н и к о в п р и м е с и н а и б о л е е э ф ф е к т и в н о и с п о л ь з о в а н и е чи­
сленных методов прогноза
загрязнения
воздуха. В настоящ ее
врем я р азв и в аю тся м одели численного прогноза, основанные на ре­
ш ен и и у р а в н е н и я т у р б у л е н т н о й д и ф ф у з и и , о п и с ы в а ю щ е г о р а с п р о ­
с т р а н е н и е п р и м есе й от о т д е л ь н ы х и м н о г и х и с точн и к о в.
К со ж ален и ю , слож ность в получении оперативной информации
о в ы б р о с а х , а т а к ж е н е д о с т а т о ч н о е р а з в и т и е п р и го д н ы х д л я о п е ­
р а т и в н о г о и с п о л ь з о в а н и я схем п р о г н о з а в е р т и к а л ь н о г о р а с п р е д е ­
л е н и я м е т е о р о л о г и ч е с к и х в е л и ч и н о г р а н и ч и в а е т в н е д р е н и е м етод ов
ч и с л ен н о г о п р о г н о з а з а г р я з н е н и я в о з д у х а и з а т р у д н я е т с о в е р ш е н ­
с т в о в а н и е п р о г н о с т и ч е с к и х схем .
И сп о л ьзу ем ы е м етоды прогн оза погоды б ы ли
разработаны
в о с н о в н о м д л я д р у г и х ц е л е й . Э то о т н о с и т с я к а к к син оптическим
м о д е л я м , т а к и м о д е л я м п о г р а н и ч н о г о с л о я а т м о с ф е р ы , ко т о р ы е
не с о з д а в а л и с ь н е п о с р е д с т в е н н о д л я о п е р а т и в н о г о и с п о л ь з о в ан и я
их при п р о г н о з а х з а г р я з н е н и я в о з д у х а .
С учетом излож енного, в п р ед л о ж ен и ях у казан н о го совещания
р е к о м е н д у е т с я с л у ж б а м пого д ы п ри с о в е р ш е н с т в о в а н и и м етод ов
п р о г н о з а пого д ы у ч е с т ь т р е б о в а н и я по п р о г н о з и р о в а н и ю з а г р я з ­
нения в о з д у х а . Д л я п о в ы ш е н и я д о с т о в е р н о с т и п р о г н о з а м е тео р о ­
л о г и ч е с к и х у с л о в и й с л е д у е т ш и р е и с п о л ь з о в а т ь н а б л ю д е н и я на в ы ­
со тн ы х м а ч т а х , р а д и о - и т е л е в и з и о н н ы х м а ч т а х и б аш н я х , д и с т а н ­
ц и о н н ы е и д р у г и е м е т о д ы д е т а л ь н о г о з о н д и р о в а н и я погран и чн о го
слоя атм осф еры . Р еко м ен д у ется в ы б и р а ть оп р ед ел яю щ и е предик­
то р ы д л я и с п о л ь з о в а н и я в м о д е л я х с т а т и с т и ч е с к о г о п р огн оза на
о с н о в а н и и м е то д о в , к о т о р ы е бы в н а и б о л ь ш е й с т еп е н и у ч и т ы в а л и
р е а л ь н ы е с в я з и м е ж д у х а р а к т е р и с т и к а м и з а г р я з н е н и я в о зд у х а
и метеорологическими парам етрам и .
Н а р я д у с м о д е л я м и п р о г н о з а л о к а л ь н ы х к о н ц е н т р а ц и й д л я го­
ро д о в ц е л е с о о б р а з н а р а з р а б о т к а м о д е л е й п р о г н о з а о с редн ен н ы х
х а р а к т е р и с т и к з а г р я з н е н и я в о з д у х а , б о л е е т е сн о с в я з а н н ы х д л я
обширных районов города с м етеорологическими
параметрами.
И с п о л ь з о в а н и е с р е д н и х х а р а к т е р и с т и к и д р у г и х м ето д о в ф и л ь т р а ­
ции и с г л а ж и в а н и я с л у ч а й н ы х п р о ц е с с о в м о ж е т с у щ е с т в е н н о по­
в ы с и т ь о п р а в д ы в а е м о с т ь п р о г н о з а.
А к т у а л ь н ы м я в л я е т с я о б ъ е д и н е н и е р а б о т по п р о г н о з у з а г р я з ­
нения в о з д у х а с и с с л е д о в а н и я м и по д а л ь н е м у п е р е н о с у примесей.
В ряде европейских стран д ал ь н и й перенос м о ж е т играть сущест­
венную роль в ф о р м и р о ван и и общ его у р о в н я загр язн ен и я атм о ­
с ф ер ы .
С л е д у е т у с и л и т ь в н и м а н и е к р а з р а б о т к е р е к о м е н д а ц и й по
использованию
результатов
прогноза д л я регулирования вы­
б росов.
245
Н уж но у к а за т ь , что методы прогноза загрязн ен и я воздуха,
естественно, не являю тся ради кальны м средством защ иты воздуш ­
ного бассейна. В перспективе д л я этих целей они долж ны исполь­
зо в ать ся в сравнительно редких случаях при наступлении ан о­
м ально о п асн ы х метеорологических условий. В других случаях т а ­
кое и сп ользован и е метода допустимо только как врем енная мера,
п ока не будут осущ ествлены более постоянные мероприятия д л я
обеспечения необходимой чистоты воздуха.
Д ал ьн ей ш ее развитие методов прогноза загрязн ен и я воздуха
д олж н о идти по линии их улучш ения и сочетания отдельны х из
указан н ы х м етодов.
З н ач и тел ьн ы е возможности здесь связаны с соверш енствова­
нием численны х методов прогноза на основе более полного учета
физики и химии атмосферных процессов, определяю щ их загр я зн е ­
ние воздуха, с широким использованием данных автом ати зи рован ­
ных систем контроля загрязнения воздуха.
При оценке статистико-эмпирических методов прогноза з а г р я з ­
нения воздуха в городах следует учесть, что оно обусловлено д ей ­
ствием больш ого числа факторов, а интервал наблю дений о гр а­
ничен. П оэтом у применение наиболее современных способов с т а ­
тистического ан ал и за не всегда достаточно и д ля повышения их
эф ф ективности нужно выяснить влияние ряда главны х ф акторов
на основании физических соображ ений.
В дальнейш ем представляется перспективным сочетание м ето­
дов прогноза в пределах суток на основе численного интегрирова­
ния уравнений диффузии и пограничного слоя атмосферы с про­
гнозом х ар актер и сти к фонового загрязнени я воздуха и среднесу­
точных концентраций на основе использования статистических
и синоптических приемов, корректировкой прогнозов за счет
фильтрации «шумов», как это уж е делается в ряде работ, а так ж е
более ш ироким привлечением данны х и средств аэрологического
зондирования нижних слоев атмосферы.
Список литературы
А б р а м о в и ч Г. Н.
1960 Теория турбулентных струй.— М.: Физматгиз.
А н д р е е в П. И.
1952 Рассеяние в воздухе газов, выбрасываемых промышленными пред­
приятиями.— М.: Госстройиздат.— 88 с.
А р т е м о в а Н. Е. и др.
1980 Допустимые выбросы радиоактивных и вредных химических веществ
в приземный слой атмосферы/Под ред. Е. Н. Теверовского, И. А. Терновского.— М.: Атомиздат.— 236 с.
А р ш и н о в а В. И. и др.
1972 Некоторые данные о загрязнении воздуха в Москве и его связи
с метеорологическими условиями.— Тр. ЦВГМ О, вып. 2, с. 110— 117.
Б а л а ц к и й А . Ф.
1976 Экономика
защиты
воздушного бассейна.— Харьков:
Высшая
школа.— 120 с.
...-Б а р к е р и др.
1962 Загрязнение атмосферного воздуха.— ВОЗ, Женева.
Б а ч у р и н а А. А.
1965 О тепловой трансформации воздуха в приземном слое атмосферы.—
Тр. ЦИП, вып. 144, с. 62— 68.
1967 Прогноз температуры воздуха в приземном слое атмосферы с уче­
том эволюции облачности.— Тр. ГМЦ, вып. 63, с. 3— 14.
Б а ч у р и н а А. А., С т р у к о в а В. С., К р и с а н о в а В. С.
1967 Прогноз суточного хода температуры в теплое время года вразлич­
ных районах СССР.— Тр. ГМЦ, вып. 13, с. 4— 10.
Б е з у г л а я Э. Ю.
1980 Метеорологический потенциал и климатические особенности загряз­
нения воздуха городов.— Л.: Гидрометеоиздат.— 184 с.
Б е з у г л а я Э. Ю., С о н ь к и н Л. Р.
1971 Влияние метеорологических условий на загрязнение воздуха в го­
родах Советского Союза.— В кн.: «Метеорологические аспекты за­
грязнения атмосферы>. Л.: Гидрометеоиздат, с. 241— 252.
Б е з у г л а я Э. Ю., Г о р ч и е в А. А., Р а з б е г а е в а Е. А.
1971 Годовой и суточный ход содержания атмосферных примесей в го­
родских условиях.— Тр. ГГО, вып. 254, с. 152— 161.
Б е з у г л а я Э. Ю., Е л е к о е в а Л. И., Р а з б е г а е в а Е. А.
1979 Климатические условия рассеивания примесей на территории СССР.—
Тр. ГГО, вып. 436, с. 79— 87.
Б е л и н с к а я Л. В., В е л ь т и щ е в а Н. С.
1977 Численные эксперименты по расчету распределения метеорологиче­
ских элементов в пограничном слое атмосферы.— Тр. ГМЦ СССР,
вып. 185, с. 86—95.
Б е л я ш о в а М . А., В а с и л ь ч е н к о И. В., Г р а ч е в а В. П.
1965 Данные о формах факеля дыма в связи с особенностями строения
пограничного слоя.— Тр. ГГО, вып. 172, с. 86—93.
Б е р л я н д М. Е.
1947 Теория изменения ветра с высотой.— Тр. НИИ ГУГМС, сер. 1, № 25,
с. 14— 67.
1949 Распределение температуры в атмосфере.— Метеорология и гидро­
логия, № 6, с. 3— 8.
1950 К теории изменения ветра в приземном слое атмосферы.— Тр. ГГО,
вып. 23, с. 66— 75.
1956 Предсказание и регулирование теплового режима приземного слоя
атмосферы.— Л.: Гидрометеоиздат, 436 с.
1958 Локальные прогнозы изменений температуры и влажности в при­
земном слое воздуха.— В кн.: Современные проблемы метеорологии
приземного слоя воздуха, с. 138— 156.
1963 К теории турбулентной диффузии.— Тр. ГГО, вып. 138, с. 31—37.
247
1966 Об опасных условиях загрязнения атмосферы промышленными вы­
бросами.— Тр. ГГО, вып. 185, с. 15—25.
1970а О распространении атмосферных примесей в условиях города.—
Метеорология и гидрология, № 11, с. 50—62.
1974 Исследование атмосферной диффузии и загрязнение атмосферы на
современном этапе.— В кн.: Итоги науки. Метеорология и климато­
логия, т. 2. М.: ВИНИТИ, с. 250—330.
1975 Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмо­
сферы.— JI.: Гидрометеоиздат.— 448 с.
1976 Исследования распространения примесей и загрязнения атмосферы.—
В кн.: Итоги науки. Метеорология и климатология, т. 3. М.:
ВИНИТИ, с. 3 0 6 -3 5 8 .
1979 Актуальные вопросы защиты атмосферы от загрязнения.— В кн.:
Охрана окружающей среды. Л.: изд. ГО СССР, с. 84—93.
1983 Состояние и пути совершенствования нормирования, контроля и
прогноза загрязнения атмосферы, АН СССР. ОВМ. Препринт № 59,
М., 50 с.
1984 Об основных принципах прогноза загрязнения атмосферы.— В кн.:
Прогнозирование загрязнения атмосферы/Сб. докл. на междунар. со­
вещании ВМО РА VI. JL: Гидрометеоиздат, с. 9— 18.
Б е р л я н д М. Е., Б е з у г л а я Э. Ю., Г е н и х о в и ч Е. JI. и др.
1984 О методах определения фонового загрязнения атмосферы в горо­
дах.— Тр. ГГО, вып. 479, с. 17—30.
Б е р л я н д М. Е., Г е н и х о в и ч Е. JI.
1971 Атмосферная диффузия и структура воздушного потока иад неод­
нородной подстилающей поверхностью.— В кн.: Метеорологические
аспекты загрязнения атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, с. 49—69.
Б е р л я ц д М . Е., Г е н и х о в и ч Е. Л., Г р а ч е в а И. Г.
1982 Основы расчета загрязнения воздуха в условиях пересеченной мест­
ности с учетом термической неоднородности.— Тр. ГГО, вып. 450,
с. 3— 16.
Б е р л я п д М. Е., Г е н и х о в и ч Е. Л., Г р а ч е в а И. Г., О н и к у л Р. И.
1979в Особенности распределения примесей в пересеченной местности.—
Тр. ГГО, вып. 417, с. 19—35.
Б е р л я н д М. Е., Г е н и х о в и ч Е. Л., Д е м ь я н о в и ч В. К.
1965 Некоторые актуальные вопросы исследования атмосферной диффу­
зии.— Тр. ГГО, вып. 172, с. 3—22.
Б е р л я н д М. Е., Г е н и х о в и ч Е. JL, З а ш и х и н М. Н„ О н и к у л Р. И.
1974 К методике расчета рассеивания примеси от линейных источников
и аэрационных фонарей.— Тр. ГГО, вып. 314, с. 21—41.
Б е р л я н д М. Е., Г е н и х о в и ч Е. Л., З а ш и х и н М. Н., О н и к у л Р. И.
19776 К оценке опасных скоростей ветра для высоких источников.—
Тр. ГГО, вып. 387, с. 13—22.
Б е р л я н д М. Е., Г е н и х о в и ч Е. Л., З а ш и х и и М. Н. и др.
1979а О моделировании загрязнения атмосферы в городах.— Т. ГГО,
вып. 436, с. 3— 16.
Б е р л я н д М. Е., Г е н и х о в и ч Е. Л., К у р е н б и н О. И.
1968а Влияние рельефа на распространение примесей от источника.—
Тр. ГГО, вып. 234, с. 28—44.
Б е р л я н д М. Е., Г е н и х о в и ч Е. Л., Л о ж к и н а В. П., О н и к у л Р. И.
1964а Численное исследование атмосферной диффузии при нормальных и
аномальных условиях стратификации.— Тр. ГГО, вып. 158, с. 22—32.
Б е р л я н д М. Е., Г е н и х о в и ч Е. JL, О н и к у л Р. И.
19646 О расчете загрязнения атмосферы выбросами из дымовых труб элек­
тростанций.— Тр. ГГО, вып. 158, с. 3—21.
Б е р л я н д М. Е., Г е н и х о в и ч Е . Л., О н и к у л Р. И.
1977а К нормированию выбросов от наземных источников.— Тр. ГГО,
вып. 387, с. 3—12.
Б е р л я н д М. Е., Г е н п х о в и ч Е. Л., О н и к у л Р. И.
1984 Расчет интегральных характеристик распределения концентрации по
территории города и их использование при краткосрочном прогнозе
248
загрязнения атмосферы.— В кн.: Прогнозирование загрязнения атмосферы/Сб. докл. на М еждунар. совещании ВМО РА VI. Л.: Гидро­
метеоиздат, с. 40— 58.
Б е р л я н д М. Е., Г е н и х о в и ч Е. Л. , О н и к у л Р. И., Ч и ч е р и н С. С.
1979 О расчете интегральных характеристик загрязнения воздуха на тер­
ритории города.— Тр. ГГО, вып. 436, с. 17— 29.
Б е р л я н д М. Е., Г р а ч е в а В. П.
1962 К прогнозу изменений температуры приземного слоя воздуха.—
Тр. ГГО, вып. 127.
Б е р л я н д М. Е., З а ш и х и н М. Н.
1982 К теории антропогенного воздействия на локальные метеороло­
гические процессы в городе.— Метеорология и гидрология, № 2,
с. 5— 16.
Б е р л я н д М. Е., К а н ч а н Я. С.
1973 К теории образования радиационных туманов и их влияния на рас­
пространение примесей.— Тр. ГГО, вып. 293, с. 3 —20.
Б е р л я н д М. Е., К о н д р а т ь е в К. Я.
1972 Город н климат планеты.— Л.: Гидрометеоиздат.— 40 с.
Б е р л я н д М. Е., К о н д р а т ь е в К. Я., В а с и л ь е в О. Б. и др.
1974 Комплексное исследование особенностей метеорологического режима
большого города иа примере г. Запорож ье (КЭНЭКС-72).— Метео­
рология и гидрология, № 1, с. 14—23.
Б е р л я и д М. Е., К у р е н б и н О . И.
1969 Об атмосферной диффузии примесей при штиле.— Тр. ГГО, вып. 238,
с. 3— 13.
Б е р л я н д М. Е., О н и к у л Р. И.
1968а К теории трансформации воздушных масс и образования речных
туманов.— Тр. ГГО, вып. 207, с. 14—27.
19686 Физические основы расчета рассеивания в атмосфере промышлен­
ных выбросов.— Тр. ГГО, вып. 234, с. 3 —27.
1971 К обобщению теории рассеивания промышленных выбросов в атмо­
сферу.— Тр. ГГО, вып. 254, с. 3 — 27.
Б е р л я н д М. Е., О н и к у л Р. И., Г е н и х о в и ч Е. Л., Л о ж к и н а В. П.
1963 О загрязнении атмосферы промышленными выбросами при аномаль­
ных условиях стратификации.— Метеорология и гидрология, № 3.
Б е р л я н д М. Е., О и и к у л Р. И., Р я б о в а Г. В.
1968 К теории атмосферной диффузии в условиях тумана.— Тр. ГГО,
вып. 207, с. 3— 13.
Б е р л я н д М. Е., С о л о м а т и н а И. И., С о н ь к и н Л. Р.
1972 О прогнозировании загрязнения воздуха.— Метеорология и гидро­
логия, № 9, с. 11— 18.
Б л и н о в а Е. Н., К и б е л ь И. А.
1937 Динамическая метеорология, ч. 2, гл. 8.— Л.: Гидрометеоиздат.
Б л ы с к о в а Д . , К у р ч а т о в а Г.
1968 Загрязнение атмосферного воздуха в Софии в зависимости от не­
которых метеорологических условий.— Хидрологня и метеорология,
№ 2.
Б о к с Д ж., Д ж е н к и и с Г.
1974 Анализ временных рядов. Прогноз и управление. Т. I.— М.:
Мир.— 408 с.
Б у й к о в М. В., X в о р о с т ь я II о в В. И.
1977 Формирование и эволюция радиационного тумана п слоистой облач­
ности в пограничном слое атмосферы.— Изв. АН СССР, ФАО, т. 13,
№ 4, с. 356—370.
Б у б н и к Ю. и X е с е к Ф.
1984 Методы краткосрочного прогноза загрязнения атмосферы в ЧССР.
М еждународное совещание ВМО РА VI в Ленинграде. Тезисы до­
кладов, с. 26— 28.
Б ы з о в а
Н.
JI.
1974 Рассеивание примесей в пограничном слое атмосферы.— М.: Гидро­
метеоиздат.— 190 с.
249
В а в и л о в а Н. Г., Г е н и х о в и ч Е . Л., С о н ь к и и Л . Р.
1969 Статистический анализ данных о загрязнении воздуха в городах
с помощью естественных функций.— Тр. ГГО, вып. 238, с. 27—32.
В а г е р Б. Г., Н а д е ж и и а Е. Д.
1979 Пограничный слой атмосферы в условиях горизонтальной неодно­
родности.— Л.: Гидрометеоиздат.— 136 с.
В а с и л ь ч е н к о И. В.
1965 Основные типы вертикальных профилей температуры и ветра в ниж­
нем 500-метровом слое по аэростатным наблюдениям в районе Щекинской ГРЭС.— Тр. ГГО, вып. 172, с. 94— 103.
В д о в и н Б. И., Ц а р е в А. М.
1969 О развитии штилей в пограничном слое атмосферы.— Тр. ГГО,
вып. 238, с. 191— 194.
В д о в и н Б. И. и др.
1971 Экспериментальные исследования рассеивания в атмосфере холодных
вентиляционных выбросов предприятий вискозного волокна.— Тр. ГГО,
вып. 254, с. 57—71.
В е л ь т и щ е в Н. Ф., Ж е л н и н А. А., К и с е л ь н и к о в а В. 3. и др.
1982 Мезомасштабный численный прогноз погоды.— Метеорология и ги­
дрология, № 4, с. 5— 15.
В е л ь т и щ е в а Н. С.
1977 Численная модель дальнего переноса двуокиси серы.— Метеорология
и гидрология, № 9, с. 40—45.
В о р о н ц о в П. А.
1960 Аэрологические исследования пограничного слоя атмосферы.— Л.:
Гидрометеоиздат.
В р е м е н н а я м е т о д и к а нормирования промышленных выбросов в атмо1981 сферу (расчет и порядок разработки нормативов предельно допу­
стимых выбросов).— М.: Госкомгидромет.— 53 с.
В р е м е н н ы е м е т о д и ч е с к и е указания по определению фоновых концент1981 раций вредных веществ в атмосферном воздухе для нормирования
выбросов.— М.: Гидрометеоиздат.— 40 с.
Г а л у ш к о В. В., О р д а н о в и ч Н . Е.
1978 Двухслойная модель экмановского пограничного слоя атмосферы.—
Метеорология и гидрология, № 4, с. 33—44.
Г е н и х о в и ч Е. Л., Г р а ч е в а В. П.
1965 Анализ дисперсии горизонтальных колебаний направления ветра.—
Тр. ГГО, вып. 172, с. 42— 47.
Г е н и х о в и ч Е . Л., Г у щ и н В. А., С о н ь к и н Л. Р.
1973 О возможности прогноза загрязнения городского воздуха методом
распознавания образов.— Тр. ГГО, вып. 293, с. 21—25.
Г е н и х о в и ч Е. Л., Ч и ч е р и н С. С.
1979 Двухпараметрическая модель рассеивания примеси от линейного
источника при нормальных метеорологических условиях.— Тр. ГГО,
вып. 417, с. 67—73.
Г о д е в Н . , К а н д ъ о в И.
1972 Метеорологични и неметеорологични фактори, влияещи върху ре­
жима на мъглите над София.— Хидрология и Метеорология, 21,
№ 2, с. 23—30.
Г о р л и н С. М., З р а ж е в с к и й И. М.
1968 Изучение обтекания моделей рельефа и городской застройки в аэро­
динамической трубе.— Тр. ГГО, вып. 234, с. 45—49.
Г о р о ш к о Б. Б., П ь я н ц е в Б. И., С о н ь к и н Л. Р.
1981 Оперативный прогноз загрязнения атмосферы и регулирования вы­
бросов при неблагоприятных метеоусловиях.— В кн.: Вопросы конт­
роля загрязнения природной среды. М.: Гидрометеоиздат, с. 81— 88.
Г о р о ш к о Б. Б., С о н ь к и н Л. Р.
1981 Вопросы регулирования выбросов в атмосферу в периоды неблаго­
приятных метеоусловий.— В кн.: Метеорологические аспекты загряз­
нения атмосферы, т. 1. М.: Гидрометеоиздат, с. 144— 148.
250
Г о р ч и е в А. А., Р а ф и е в Р. М.
1980 О прогнозе загрязнения воздуха над Апшеронским полуостровом.—
Метеорология и гидрология, № 2, с. 21—26.
ГОСТ 172.3.02—78. Охрана природы. Атмосфера. Правила установления до1979 пустимых выбросов вредных веществ промышленными предприя­
тиями.— М.: Госстандарт.— 14 с.
Г р а ч е в а И. Г., К а н ч а н Я. С., О н и к у л Р. И., Б е н ь я м и н с о н Г. В.
1969 К расчету загрязнения атмосферы от многих источников.— Тр. ГГО,
вып. 238, с. 14—26.
Г р а ч е в а В. П., Л о ж к и н а В. П.
1964 Об устойчивости направления ветра в приземном слое атмосферы.—
Тр. ГГО, вып. 158, с. 41—45.
Г у д а р и а н Р.
1979 Загрязнение воздушной среды/Пер. с англ. под ред. Г. М. Илькуна.—
М.: Мир,— 200 с.
Д е т р и Ж- П.
1978 Предупреждение загрязнения атмосферы во Франции. Торговля и
Сотрудничество. Франко-советская торг. палата, № 62, с. 45—47.
Е л е к о е в а Л. И.
1982 Использование метода разложения полей по естественным ортого­
нальным функциям для анализа и прогноза загрязнения атмо­
сферы.— Тр. ГГО, вып. 450, с. 101— 107.
Е л е к о е в а Л. И., Ч у в а ш и н а И. Е.
1979 Анализ поля концентрации сернистого газа методом разложения по
естественным ортогональным функциям.— Тр. ГГО, вып. 436, с. 72—
78.
3 а й ц е в А. С.
1973а Структура поля концентраций окиси углерода в городе.— Тр. ГГО,
вып. 293, с. 47— 51.
19736 Результаты анализа временной структуры сернистого газа в атмо­
сфере.— Тр. ГГО, вып. 293, с. 41— 46.
З а х а р о в а И. М.
1975 Численное моделирование процесса образования и развития радиа­
ционного тумана.— Тр. ИЭМ, вып. 9 (5 2 ), с. 124— 137.
З а ш и х и н М. Н., К а н ч а и Я. С., О н и к у л Р. И.
1975 Об унификации расчетов загрязнения атмосферы от многих источ­
ников с помощью ЭВМ.— Тр. ГГО, вып. 325, с. 161— 174.
3 в е р е в А. С.
1954 Туманы и их предсказание.— Л.: Гидрометеоиздат.
З о т о в Н. В., Л ь в о в а Л. С.
1984 К вопросу о прогнозе АТ92б.— Метеорология и гидрология, № 2,
с. 115— 117.
3 р а ж е в с к и й И. М., Д о р о ш е н к о В. М., Ч е п и к И. Г.
1968 Исследование влияния различных форм рельефа на характеристики
воздушного потока в аэродинамической трубе.— Тр. ГГО, вып. 207,
с. 38—50.
И в а н о в а Е. М., С о н ь к и н Л. Р.
1976 Прогнозирование загрязнения воздуха в Ленинграде.— Метеорология
и гидрология, № 12, с. 19— 24.
И в а х н е н к о А. Г., Л а п а В. Г.
1971 Предсказание случайных процессов.— Киев: Наукова думка.— 416 с.
И з р а э л ь Ю. А.
1984 Экология и контроль состояния природной среды.— Л.: Гидрометео­
издат.— 560 с.
И з р а э л ь Ю. А., Г а с и л и н а Н. К-, Н а з а р о в И. М., Р о в и н с к и й Ф. Я.,
1982 Б е р л я н д М. Е. Организация в СССР системы контроля природ­
ной среды.— Метеорология и гидрология, № 1.2, с. 54—62.
И л ь к у н Г. М.
1978 Загрязнение атмосферы и растений.— Киев, Наукова думка.— 248 с.
К е й д л Р.
1969 Твердые частицы в атмосфере и в космосе/Пер. с англ.— М.: Мир.
251
К и с е л е в В. Б., И в л е в а Т. П., С о н ь к и н Л. Р.
1979 Выделение наиболее информативных комплексов, предикторов для
прогноза загрязнения воздуха.— Тр. ГГО, вып. 436, с. 60—67.
К л и м а т и ч е с к и е характеристики условий распространения примесей в атмо1983 сфере. Справочное пособие/Под ред. Э. Ю. Безуглой и М. Е. Бер­
лянда.— Л.: Гидрометеоиздат.— 328 с.
К о р о л е в а И. В.
1981 Прогнозирование загрязнения воздуха в Узбекистане. Опыт работы
и перспективы. Вопросы контроля загрязнения природной среды.—
Л.: Гидрометеоиздат, с. 89—93.
К р а т ц е р П. А.
1958 Климат города.— М.: Изд-во иностр. лит.— 240 с.
Л а м л и Д ж. и П а н о в с к и й Г.
1964 Структура атмосферной турбулентности/Пер. с англ.— М.: Мир.—
264 с.
Л а н д с б е р г X. Е.
1974 Антропогенные изменения климата.— В кн.: Физическая и динами­
ческая климатология. Л.: Гидрометеоиздат, с. 267—313.
1983 Климат города/Пер. с англ. Под ред. А. С. Дубова.— Л.: Гидроме­
теоиздат.— 248 с.
Л у ш е в Ю. Г., М а т в е е в Л. Т.
1967 Особенности образования и строения радиационных туманов (чис­
ленный эксперимент).— Изв. АН СССР. «Физика атмосферы и оке­
ана», т. 3, № 5.
М а р ч у к Г. И.
1973 Численное решение задач динамики атмосферы и океана на основе
метода расщепления.— Новосибирск: Наука.— 170 с.
1982 Математическое моделирование в проблеме окружающей среды.—
М.: Наука.— 320 с.
М а р ч у к Г. И., П е н е н к о В. В., А л о я н А. Е., Л а з р н е в Г. Л.
1979 Численное моделирование микроклимата города.— Метеорология и
гидрология, № 8, с. 5— 15.
М а т в е е в Л. Т.
1984 Основы общей метеорологии. Физика атмосферы.— Л.: Гидрометео­
издат, 636 с.
М а т в е е в Л. Т.
1979 Особенности метеорологического режима большого города.— Метео­
рология и гидрология, № 5.
М а х о н ь к о К. П.
1967 Элементарные теоретические представления о вымывании примесей
осадками из атмосферы — Тр. ИПГ, вып. 8, с. 26—34.
М а ш к о в а Г. Б., Х а ч а т у р о в а Л. М.
1979 Способы определения-состояния устойчивости атмосферы по назем­
ным данным.— Тр. ИЭМ, вып. 23(88), с. 17—26.
М е т е о р о л о г и я и атомная энергия/Пер. с англ. Под ред. Н. Л. Бызовой
1971 и К. П. Махонько.— Л.: Гидрометеоиздат.— 648 с.
М е т о д и ч е с к и е у к а з а н и я по прогнозу загрязнения воздуха в городах/
1979 П од ред. М. Е. Б е р л я н д а . . — Л.: Гидрометеоиздат.— 80 с.
М е т о д и ч е с к и е у к а з а н и я . Прогноз приземной температуры, влажности
1970 воздуха н других метеорологических элементов/Под ред Б. Д. Успенс к о г о.— Л.: Гидрометеоиздат.— 86 с.
М о н и н А. С., Я г л о м А. М.
1965 Статистическая гидродинамика, ч. I.— М.: Наука.— 638 с.
Н е р о н о в а Л. М.
1976 Об опыте использования карт АТагв для прогноза задерживающих
слоев н оценки переносов вредных примесей в нижнем километро­
вом слое атмосферы.— Тр. Гидрометцентра СССР, вып. 179.
Н е р о н о в а Л. М., П о н о м а р е н к о С. И.
1980 Схема краткосрочного прогноза метеорологических условий загряз­
нения приземного слоя воздуха.— Тр.
Гидрометцентра
СССР,
вып. 220, с. 13—28.
252
1981 Результаты оперативного испытания методики краткосрочного прог­
ноза метеорологических условий загрязнения приземного слоя воз­
духа.— Тр. Гидрометцентра СССР, вып. 233, с. 40—52.
Н е р о н о в а Л. М., Т и х о м и р о в а Л. В.
1984 Синоптический метод краткосрочного прогноза метеорологических
факторов, определяющих загрязнение атмосферы.— В кн.: Прогнози­
рование загрязнения атмосферы. Сб. докл. на М еждунар. совещании
ВМО РА VI. Л.: Гидрометеоиздат.
Н и к о л а е в с к и й В. С.
1979 Биологические основы газоустойчивости растений.— Новосибирск:
Наука.— 278 с.
Н и к о л а е в с к и й В. С., П е р ш и н а Н. А.
1981 Проблема предельно допустимых концентраций загрязнителей, воздей­
ствующих на растения.— В кн.: Проблемы фитогигиены и охрана
окружающей среды. Изд. АН СССР, с. 117— 121.
О г н е в а Т. А.
1971 Микроклиматические характеристики условий загрязнения атмо­
сферы.— В кн.: Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы.
Л.: Гидрометеоиздат, с. 137— 146.
О к е Т. Р.
1982 Климаты пограничного слоя/Пер. с англ. П од ред. А. С. Дубова.—
Л.: Гидрометеоиздат.— 358 с.
О и и к у л Р. И., К а н ч а н Я. С.
1983 О расчетах загрязнения атмосферы от многих источников на ЭВМ
с применением унифицированных программ.— Тр. ГГО, вып. 467,
с. 41— 49.
О р л е н к о Л. Р.
1979 Строение пограничного слоя атмосферы.— Л.: Гидрометеоиздат.—
270 с.
П е в з н е р Э. А., З а й ц е в А. С.
1971 Автоматический газоанализатор и некоторые результаты регистрации
окиси углерода в атмосферном воздухе.— Тр. ГГО, вып. 254, с. 197—
204.
П е н е и к о В. В., А л о я н А. Е., Л а з р и е в Г. Л.
1979 Численная модель локальных атмосферных процессов.— Метеороло­
гия и гидрология, № 4, с. 24— 34.
П е т р и ч е н к о И. А., Г л а з о в а Т. А., Д а в ы д о в а О. А.
1981 Методика расчета и результаты диагноза прогноза максимальной
и минимальной приземной температуры в воздухе.— Тр. Гидромет­
центра СССР, вып. 232, с. 12— 20.
П о н о м а р е н к о И. Н.
1975 Краткосрочный прогноз высокой общей загрязненности воздуха на
примере Киева.— Метеорология и гидрология, № 10, с. 43—50.
П о н о м а р е н к о С. И.
1975 Метеорологические условия загрязнения приземного слоя автомобиль­
ными выбросами.— Тр. Гидрометцентра СССР, вып. 158, с. 75—84.
Р а с т о р г у е в а Г. П.
1969 Особенности термического режима городов.— Тр. ГГО, вып. 238,
с. 145— 152.
1979 Температурный режим воздуха промышленных городов СССР.—
Тр. ГГО, вып. 436, с. 111— 117.
Р а у н е р Ю. Л., Ч е р н а в с к а я М. М.
1972 Тепловой баланс растительного покрова.— Изв. АН СССР, сер. геогр.,
№ 5.
Р о с к и и а Ю. Я.
1977 Загрязнение воздуха в Ташкенте в зависимости от синоптических
условий,— Тр. САРНИГМИ, вып. 43, с. 40— 43.
Р у к о в о д с т в о по гигиене атмосферного воздуха/П од ред. К. А. Буштуевой.—
1976 М.: Медицина.— 416 с.
Р у к о в о д с т в о по контролю загрязпеппя атмосферы/Под ред. М. Е. Б ер1979 л я п д а , Г. И. С и д о р е н к о . — Л.: Гидрометеоиздат.— 442 с.
253
Р у к о в о д с т в о по краткосрочным прогнозам погоды.
1964 Ч. 1.— Л.: Гидрометеоиздат.— 520 с.
1965 Ч. 2.— Л.: Гидрометеоиздат.— 492 с.
С е т т о н О. Г.
1958 Микрометеорология/Пер. с англ.— Л.: Гидрометеоиздат.— 356 с.
С и д о р е н к о Г. И., П и н и г и н М . А.
1970 О некоторых вопросах гигиенического нормирования зарязнения атмо­
сферного воздуха.— В кн.: Актуальные вопросы гигиены, с. 21—23.
С о н ь к и н Л. Р.
1966 Годовой ход и синоптическая обусловленность температурных про­
филей в нижнем 500-метровом слое.— Тр. ГГО, вып. 185, с. 31— 43.
1971 Некоторые возможности прогноза содержания примесей в городском
воздухе.— Тр. ГГО, вып. 254, с. 121— 132.
1974 Вопросы прогнозирования фонового загрязнения воздуха в горо­
дах.— Тр. ГГО, вып. 314, с. 42—51.
1984 Статистические и синоптические методы прогноза загрязнения воз­
духа в городах.— В кн.: Прогнозирование загрязнения атмосферы.
Сб. докл. на Междунар. совещании ВМО РА — VI. Л.: Гидрометео­
издат, с. 60—70.
С о н ь к и н Л. Р., Б а г р е ц о в а А. И., И в а н о в а Е. И. и др.
1979 Синоптические условия формирования периодов высокого загрязне­
ния воздуха в различных районах СССР.— Тр. ГГО, вып. 436,
с. 49—54.
С о н ь к и н Л. Р., И в л е в а Т. П.
1982 Вопросы прогнозирования загрязнения воздуха в городе отдельными
примесями.— Тр. ГГО, вып. 450, с. 89—96.
С о н ь к и н Л. Р., М а т в е е в а Т. М.
1968 Некоторые особенности формирования температурных профилей
в нижнем 500'-метров ом слое над Европейской территорией СССР.—
Тр. ГГО, вып. 207, с. 51—55.
С о н ь к и н Л. Р., Р а з б е г а е в а Е. А., Т е р е х о в а К- М.
1966 К вопросу о метеорологической обусловленности загрязнения воз­
духа над городом.— Тр. ГГО, вып. 185, с. 44—54.
С о н ь к и н Л. Р., Х р а п а ч е н к о В. А., К р и н и н а Т. П.
1975 Уточнение схем прогнозирования загрязнения воздуха в городах
с учетом новых результатов анализа информации.— Тр. ГГО,
вып. 352, с. 65—70.
С о н ь к и н Л. Р., Ч а л и к о в Д. В.
1968 Об обработке и анализе наблюдений за загрязнением воздуха в го­
родах.— Тр. ГГО, вып. 207, с. 51—55.
Т а р н о п о л ь с к и й А. Г., Ш н а й д м а н В. А.
1979 Усовершенствованная модель планетарного пограничного слоя атмо­
сферы.— Метеорология и гидрология, №
, с. 14—22.
УоркК- , У о р к е р С .
1980 Загрязнение воздуха. Источники и коитроль/Пер. с англ. под ред.
Е. Н. Теверовского.— М.: Мир.— 540 с.
У с п е н с к и й Б. Д.
1981 Прогноз максимальной и минимальной приземной температуры воз­
духа.— Тр. Гидрометцентра СССР, вып. 232, с. 3— 11.
Ф у к с Н. А.
1955 Механика аэрозолей.— М.: Изд. АН СССР.— 352 с.
X р г и а н А. X., М а з и н И. П.
1962 О распределении капель по размерам в облаках.— Тр. ЦАО,
вып. 7.
Ц а р е в А. М.
1977 К вопросу о влиянии города на режим туманов.— Тр. ГГО,
вып. 387, с. 147— 153.
Ч е б а н е н к о Б. Г. и др.
1976 Зависимость повышенного загрязнения атмосферы промышленного
города Восточной Сибири от синоптико-метеорологнческнх условий.—
Тр. ЗСРНИГМИ, вып. 20, с. 102— 105.
254
Ш е в ч у к И. А.
1966 Аэросиноптическне условия установления длительных периодов мак­
симального загрязнения воздуха в Кемерово.— Тр. НИИАК,вып. 4 2 (г),
с. 96— 101.
1977 Прогноз уровня загрязнения атмосферы промышленными выбросами
в Новосибирске.— Тр. ЗС РНИ ГМ И , вып. 30, с. 88—90.
Ш е в ч у к И . А. и В в е д е н с к а я Л. И.
1971 Численные характеристики метеорологических условий, сопутствую­
щих периодам высокого загрязнения атмосферы в Западной Си­
бири.— В кн.: «Метеорологические аспекты загрязнения
атмо­
сферы».— JL, Гидрометеоиздат, с. 352— 356.
Энергетика
и охрана окружающей среды /П од ред. Н. Г. Залогина,
1979 Л. И. Кроппа, Ю. М. Кострыкина.— М.: Энергия.— 352 с.
Ю д и н М. И. и Ш в е д М. Е.
1940 Стационарная модель распределения ветра с высотой в турбулент­
ной атмосфере.— Тр. ГГО, вып. 31, с. 42—52.
A k a i к е Н.
1970 Statistical predictor identification.— Ann. Inst, statist. Math., v. 21,
p. 203—217.
A n g e 11 J. et al.
1972 Urban influence on nighttim e airflow estim ated from tetroon flights
in the planetary boundary layer of the Los A ngeles basin.— J. Appl.
Met., N 3, p. 451— 471.
Air quality
1970 Criteria for photochemical oxidant.— U. S. Dep. NEW, N 17, W ashing­
ton, p. 63.
Air quality
1972 Criteria and guide for urban air pollutants.— Tech. Rep. Ser. N 506,
Geneva, WMO.
A t w a t e r M. A.
1975 Thermal changes induced by urbanization and pollutants.— J. Appl.
Met., v. 14, N 16.
В e n a r i e M.
1971 Emploi des regressions m ultiples pour la definition du niveau du fond
de la pollution urbaine et pour la prevision a court terme.— Vert-le
Petit. 19 p.
B e r g e r A., D e m u t h Cl., M i 1 i с e S. L.
1980 High levels of air pollution frequency distribution and dispersion mo­
delling. In: Pap. WMO RA-VI M eeting, p. 71—94.
B e r l y a n d М. E.
1969 High values of atmospheric pollution in summer at Kew and the as-*
socialed weather.— Atm. Env., v. 4, N 4.
1970 M eteorological factors in the dispersion of air pollutants in town con­
ditions.— WMO Tech. Note, N 108, p. 196—213.
1972 Atmospheric diffusion in vestigation s in the U SSR .— WMO Tech. Note,
Appendix, N 121, p. 55— 116.
1982 Moderne Probleme der atm ospharischen diffusion und der Verschmut'
zu n g der Atmosphare.— Berlin: Akademie— V erlag. 435 S.
1983b Forecasting of air pollution with emphasis on research in the USSR,
WMO EPM aRP, N 19, Geneva. 208 p.
B e r l y a n d М. E., G e n i k h o v i c h E . L.
1973 Some features of turbulent diffusion and air pollution in the stratified
conditions.— In: Int. Symp. on Strat. F low s, Novosibirsk. ASCE,
p. 125— 143.
B e r l y a n d М. E., B u r e n i n N. S.
1984 Principles and organization on methods for establishing maximum per­
m issible em issions in the cities of the U SSR .— Atmos. Envi., v. 18,
N 3, p. 513—517.
В e r 1 у a n d М. E., К u r e n b i n О. I., Z r a s h e v s к у I. М.
1970 Theory of tracer distribution near the ground.— J. Geophys. Res., v. 75,
N 18.
255
B e r n h a r d e t al ,
1978 Some results of the lower troposphere inversion statistics in middle
Europe.— In: Pap. WMO Symp., Norrkoping, WMO N 510, p. 271—278.
Builtjeset
al.
1981 Application of photochemical dispersion model to the Netherlands and
its surroundings. Air pollution m odelling and its application/Ed
C. Wispelaere. N. Y.: Plenum Press, p. 621—637.
BierlyE., Hew sonP.
1965 Some restrictive meteorological conditions to be considered in the
design of stacks.— J. Appl. Met., N 3, p. 383—390.
B l a c k e d a r A . K.
1957 Boundary layer wind maxima and their significance for the growth
of nocturnal inversions.— Bull. Am. Met. Soc., N 5.
В о d i n S.
1976 Numerical models of the boundary layer.— In: Seminars on the treat­
ment of the boundary layer in numerical weather prediction, Brack­
nell, p. 337—372.
B o l z e n P., F r o n z a G., R u n с a E., O b e r h u b e r C.
1982 Statistical analysis of winter sulphur dioxide concentration data in
Vienna.— Atm. Env., v. 16, N 8, p. 1899— 1906.
B o r n s t e i n R., A n d e r s e n S.
1979 A survey of statistical techniques used in validation studies of air pol­
lution prediction models.— Stanford Univ., California. 46 p.
B o r n s t e i n R. e t a l .
1978 Friction retardation of sea breeze front penetration in New York city
and its implications for pollutant distribution.— In: Pap. WMO Symp.,
Norrkoping, WMO N 510, p. 79—88.
BrassetC.
1975 Acid particulate air pollutants in Sweden. IVL. В 222, Gotteborg. 30 p.
B r i g g s G.
1969 Plume rise.— USA EC Division of Tech. Information Extension (TID25075). 76 p.
В r i n g f e 11 B.
1971 Important factors for the sulphur dioxide concentration in central
Stockholm.— Atm. Env., N 11, p. 949—972.
1978 Some air pollution modeling work in Sweden.— In: Pap. WMO Symp.,
Norrkoping, p. 227—230.
B r o w n R., R o a c h W.
1976 The physics of radiation fog.— Quart. J. Roy. Met. Soc., v. 102,
p. 335—354
B r o s t R. A., W y n g a a r d S. C.
1978 A model study of the stably stratified planetary boundary layer.—
J. Atm. Sci., v. 35, p. 1427— 1440.
В u a j i 11 i K-, B l a c k e d a r A .
1957 Theoretical studies of diurnal wind structure variations in the plane­
tary boundary layers.— Quart. J. Roy. Met. Soc., v. 83, N 358, p. 486—
500.
B u s c h N. e t a 1.
1973 Workshop on micrometeorology.— Boston: AMS. 392 p.
B u s i n g e r S. A., A r y a S .
1974 Hight of the mixed layer in the stably stratified planetary boundary
layer.— In: Adv. in Geophys., v. 18a, p. 73—92.
С a 1 d e r K. L.
1973 Multiple-source plume models of urban air pollution.— Atm. Env., v. 7,
N 6, p. 403—414.
С a m u f f о D.
1980 Fog and related diffusion potential at Venice: two case studies —
Boundary-Layer Met., v. 18, N 4, p. 453—472.
С am u f f о D., С a v a 1 e r i L.
1980 Oscilations in pollutant concentration oeeuring in cold offshore flow
over Venice.— Atm. Env., v. 14, N 11, p. 1255— 1262.
256
C a r m e n J., N e p p о Jr.
1974 A method for evaluating the accuracy of air pollution prediction mo­
del.— In: Symp. Atm. D iffus. Air Pollut., Sante Barbara. AMS,
p. 325—329.
C a r p e n t e r K.
1979 An experimental forecast usin g a non-hydrostatic m esoscale model.—
Quart. J. Roy Met., Soc., v. 105, N 445.
C a r p e n t e r S.
1971 Principle plums dispersion m odels.— J. Atm. P oll. Cotr. Assoc., v. 21,
p. 441—445.
С h a n a d у G.
1973 Turbulent diffusion in the environm ent.— D. Reidel Publ. Co. 205 p.
C h a n d l e r T.
1967 London’s heat island.— B iom eteorology, v. 2.
C h a n d l e r T. J., E 1 s о n D. M.
1978 M eteorological controls upon ground level concentration of smoke
and sulphur dioxide in two urban areas of the United Kingdom.—
Atmos. Envi., v. 12, N 6—7, p. 1543— 1554.
C h o c k D. e t a 1.
1975 Time series analysis of Riverside, California air quality data.— Atm.
Env., v. 9, p. 978—989.
С о с q u у t G.
1977 Air pollution prediction via third order shaping filter m odeling.— In:
Proc. IFAC Symp, Kyoto. V. 1, Oxford, p. 205— 212.
С о 1 a с i n о M.
1978 Infrared radiometric measurement for the study of the Rome heat is­
land.— Arch. Met. Geophys. Bioklim. Ser. B., Bd 26, S. 207— 217.
D e a r d o r f f J.
1974 Three-dimensional numerical study of the height and mean structure
of a heated planetary boundary layer.— Boundary-Layer Met., v. 7,
N 1, p. 81— 106.
1978 Different approaches toward predicting pollutant dispersion in the
boundary layer and their advantages and disadvantages.— In: Pap.
WMO Symp., Norrkoping, WMO N 510, p. 1— 8.
D e 1 a g e Y.
1974 A numerical study of the nocturnal atmospheric boundary layer.—
Quart. J. Roy Met. Soc., v. 100, p. 351— 364.
D e m e r j i a n K- L. et al.
1974 The mechanism of photochemical sm og form ation.— Adv. Env. Sci.
Tech., v. 4, N 4, p. 1—262.
D e m u t h Cl., S o h a y e s G., Н е с у P., C r a v a t t e M.
1981 Numerical computations of high air pollution levels. Air Pollution Mo­
deling and Its Application. I. Ed. C. De Wispelaere. Plenum Press,
N. Y., p. 609—619.
D i c k s o n R.
1961 M eteorological factors affecting particulate air pollution of a city.—
Bull. Am. Met. Soc., v. 42, N 8, p. 556— 570.
D i e с о n E. L.
1973 Geostrofic drag coefficients.— Boundary-Layer Met., v. 5, N 13,
p. 321—340.
D i e t z e G.
1984 Prediction of diffusion potential using routine forecasts of meteorolo­
gical elem ents.— In: Pap. WMO RA-VI M eeting, p. 128— 138.
D o r a n J., 11 о r s t Т., N i с к о 1 a P.
1978 Experimental observations of the dependence of lateral and vertical
dispersion characteristics on surface height.— Atm. Env., v. 12, N 12,
p. 2259—2263.
E f f e c t s o f c h r o n i c exposure to low -level pollutants in the environment.—
1975 W .: U. S. Govern Printing Office. 402 p.
17
Заказ № 30
257
1980 A review of long-range transport modelling.— J. Appl. Met., v. 19,
N 3, p. 231—240.
E l i a s s e n A., S a l t b o n e s J.
1975 Decay and transformation of S 0 2.— Atm. Env., v. 9, p. 425—429.
E r i к s о n К., В о d i n S.
1978 A predictive one-dimensional boundary layer model.— In: Pap. WMO
Symp., Norrkoping, WMO N 510, p. 95—96.
E s c h e n r o e d e r A., M a r t i n e z J.
1971 An exention of К-theory to describe photochemical air pollution.— In:
Conf. Air Poll. Met., Raleigh, p. 69—74.
E s t o q u e M. A.
1961 A theoretical investigation of the see breeze.— Quart. J. Roy. Met. Soc.,
v. 87, N 381, p. 136— 146.
F e d e r a l register USA.
1974 V. 50, Title 40, pt 52, p. 9672.
F e i g l e y C., K a m e n s R., J e f f r e i e s F.
1983 An experimental simulation of Los Angeles reactive pollutant pro­
gramme (LARPP) operation 33-11 evoluation of simulation.— Atm.
Env. v. 17, N 1, p. 103— 110.
FinkelsteinP.
1971 Verification of air pollution potential forecasts.— Pap., Conf. on Air
Poll. Met. Raleigh. Boston, p. 81.
F i n z i G.
1980 Stochastic real-time predictors of urban air pollution using synoptic
meteorology forecast.— In: “WMO Theses” RA-VI Meeting, p. 6— 10.
F i n z i G., T i b a 1 d i G.
1982 A mathematical model for air pollution forecast and alarm in the
urban area.— Atm. Env., v. 16, N 9, p. 2055—2059.
F i n z i G., Z a n n e 11 i P., F г о n z a G., R i n a 1 d i S.
1979 Real time prediction of S 0 2concentration in the Venetian lagoon
area.— Atm. Env., v. 13, N 9, p. 1249— 1255.
F о r t а к H. G.
1961 Koncentrationverteilung um eine kontinuierliche punctquelle bei windstille.— VDI-For-chungen Sheft., 483, S. 20—22.
F г оn z a G., S p i r i t о A., T о n i e 11 i A.
1979 Real time forecast of sulphur dioxide concentrations in the Venetian
lagoon region. P. 2.— Kalman predictor.— IIASA, Laxenburg. Austria
25 p.
F u n a b a s h i M. e t al.
1978 A mini-computer based prediction system for reducing acute damage
caused by photochemical smog.— Proc. IFAC Symp., Kyoto, 1977, v. 1,
Oxford, p. 301—308.
G a r n e t t A.
1963 A survey of air pollution in Sheffild under characteristic weather anticyclonic condition.— Int. J. Air Wat. Poll., v. 7, p. 963—968.
G a r s t a n g М., T у s о n P., E m i H.
1975 The structure of heat islands.— Rev. Geophys. Space Phys., v. 13,
N 1, p. 139— 165.
G i f f o r d F.
1960 Peak to average concentration rations according to air fluctuating
plume dispersion model.— Int. J. Air Wat. Poll, v. 3, N 4, p. 253— 260.
1976 Turbulent diffusion— typing schemes: a review.— Nuclear Safety,
v. 17, N 1, p. 25—43.
1979 Recent studies of diffusion parameters for air pollution application.—
In: Int. Conf. Air Poll. Pretoria, p. 1— 13.
G i f f o r d F., H a n n a S.
1973 Modeling urban air pollution.— Atm. Env. N 1, p. 131— 136.
G о 1 d e r D.
1972 Relations among stability parameters in the surface layer.— Boun­
dary-Layer Met., v. 3, N 1, p. 47—58.
258
G r a e d e l T . E. e t a l .
1976 Kinetic studies of the photochemistry of the urban troposphere.— Atm.
Env., v. 10, N 12, p. 1095— 1116.
G r a h a m J. R.
1968 An analysis of turbulence statistics at Fort Wayne, Indiana.— J. Appl.
Met., v. 7, p. 90—93.
G r y n i n g S . E. e t al .
1978 Short-range experiments in unstable conditions over inhomogeneous
terrain.— Tellus, v. 30, p. 392— 403.
G г у n i n g S. E., L у с к E.
1980 Medium range dispersion experiments downwind from a shoreline in
near neutral conditions.— Atm. Env., v. 14, N 8, p. 923— 931.
G u i с h e r i t R., V a n d e n H o u t K . , H u у e n C.
1981 Conversin rate of nitrogen oxides in a polluted atmosphere.— In: Air
Pollution M odeling and its Application I. Ed. C. D. Wispelaere. N. Y.
p. 575—592.
H a n n a S. R.
1971 A simple method of calculating dispersion from urban area sources.—
J. Air Poll. Contr. Ass., v. 21, N 12, p. 774— 776.
1972 A simple model for the analysis of photochemical sm og.— In: Proc.
Conf. Urban Envir. Philadelphia, p. 120— 123.
1978 Diurnal variation of the stability factor in the simple ATDL urban
dispersion model.—'J. Air Poll. Contr. Ass., v. 28, N 2, p. 147— 150.
1982 Review of atmospheric diffusion models for regulatory applications.—
WMO Techn. Note N 177. 42 p.
H a n n a S., G i f f о r d F.
1977 Application of the ATDL sim ple urban dispersion model to Franfurt.—
NOAA, ATDL 77/17. 17 p.
H a n n a S. R. e t a 1.
1977 AMS workahop on stability classification schemes and sigm a curvessummary of recomm endations.— Bull. Am. Met. Soc., v. 38, N 12,
p. 1305— 1309.
1980 Measured a v and a z in complex terrain near the TVA W idows Creek,
Alabama, Steam plant.— Atm. Env., v. 14, N 4, p. 401— 407.
H a n n a S., B r i g g s G„ H о s к e r R.
1982 Handbook of atmospheric diffusion.— Tech. Inf. Center. US Dep. of
Energy. 102 p.
H e r a d a H.
1968 Relation between air pollution in Osaka and anticyclone.— J. Met. Res.,
v. 20, N 12.
H a r r i s o n R., M c C a r t h e y H.
1980 A composition of the predictions of a simple Gaussian plume disper­
sion model with measurements of pollutant concentration at ground
level and aloft.— Atm. Env., v. 14, N 5, p. 589— 596.
^ a u g c n D., ed.
1975 Lecturcs on air pollution and environm ental impact analysis.— Boston:
AMS. 296 p.
H e i n e s T. S., P e t e r s L. K1973 The effect of a horizontal inversions layer caused by a temperature
inversion aloft on the dispersion of pollutants in the atmosphere.—
Atm. Env., v. 1, p. 39—48.
H e r m a n n K.
1978 Zur Sim ulation interregionaler Transport vorgange in der Atmosphere.
D issertation. Tcch. Hochschule Darm stant. 72 S.
H e s e к F.
1974 The physical statistical analysis one year’s observations of S 0 2 in Bra­
tislava.— Contr. Inst. Met. C lim atology SA Sc N 1, p. I l l — 126.
H i d у G. М., M u l l e r P. К., T о n g E.
1978 Spatial and temporal distribution of airborne sulfate in parts of the
U SA .— Atm. Env., v. 12, N 1— 3, p. 735— 757.
17*
259
H i п о М.
1968 Maximum ground-level concentration and sampling time.— Atm. Env., N 2.
H o g s t r o m U.
1964 An experimental study on the atmosphere diffusion.— Tellus, v. 16,
N 2, p. 205—251.
H o l z w o r t h G.
1962 A study of air pollution potential for the western United States.—
J. Appl. Met., N 3, p. 366—382.
1967 Mixing depths, wind speeds and air pollution potential for selected
locations in the USA.— J. Appl. Met., v. 6, p. 1039— 1044.
1974 Climatological aspects of the composition and pollution of the atmo­
sphere.— WMO Tech. Note, N 139. 43 p.
H o s с h e 1 e K.
1965 Ergebnisse von messungen des schwefeldioxidgehalts der luft in Karls­
ruhe und ihere statiscke Bearleitung.— Staub., H. 25, S. 102— 112.
H s u S . A.
1979 M esoscale nocturual jetlike winds within the planetary boundary layer
over a flat open coast.— Boundary-Layer Met., v. 17, N 4, p. 485—494.
H u n t J. G., J а с к s о n P. E.
1974 Surface obstacles in turbulent boundary layer.— J. Fluid Mech., v. 64,
N 3, p. 529—567.
H u n t J . , M a l h e a r n P.
1973 Turbulent dispersion from sources near two-dimensional obstacles.—
J. Fluid Mech., v. 61, p. 245—274.
IordanovD.
1977 A statistical analysis of air pollution data in terms of meteorological
conditions.— Boundary-Layer Met., v. 11, N 11, p. 27—32.
I z m e г о v N. E.
1973 Control of air pollution in the U SSR.— Geneva: WMO. 156 p.
I z r a e 1 Yu. A., M i k h a i l o v a S. E., P r e s s m a n A. S.
1979 A model for operative evaluation of transboundary flows of pollu­
tants.— In: WMO Symp., Sofia, WMO N 538, p. 271—280.
J a n a g i s a w a S.
1973 Air quality standards, national and international.— J. Air Poll. Contr.
Ass., v. 23', N 11, p. 945—948.
К a 1 m a n R. E.
1960 A new approach to linear filtering and prediction theory.— Trans.
ASME. Ser D. S. Basic Engin., v. 82, p. 17—25.
K a n n o S . e t al.
1959 Atmospheric S 0 2 concentrations observed in Keichin industrial center.—
Int. J. Air Wat. Poll., v. 1, p. 234— 240.
K a s p r z y c k i A.
1978 Powstwanie niskilgo pradu strumie niowego. w. Stacjonarunym polu
w ysokiego.— Cisnienia Materaly, IMGW, Warszawa.
K e r m a n B. R.
1982 A similarity model of shoreline fumigation.— Atm. Env., v. 16, N 3,
p. 467—478.
К 1 u g W.
1969 Ein Werfahren zur Bestimmung der Ausbreitnngs bedingungen aus
synoptischen Beobachfungen.— Staub, Bd 4, N 4.
1984 Origin and types of air pollution episods and their forecasting. Air
pollution forecasting.— In: Pap. WMO RA-VI Meeting, p. 9—26.
К w i z а к Al.
1973 Realtime meteorological prediction in support of air quality control
operations in Canada.— In: Proc. 4th Meetings NATO/CCMS Panel
Modeling, v. 17, p. 1—5.
L a 1 a s D. P. e t a 1.
1983 Sea breeze circulation and photochemical pollution in Athens, Greece.—
Atm. Env., v. 17, N 9, p. 1621— 1632.
260
L a w r e n c e E. N.
1969 H igh values of atmospheric pollution in summer at Kew and the
associated weather.— Atm. Env., v. 3, N 2, p. 123— 133.
L e o n e I. A.
1966 The role of wind parameters in determ ining SO 2 concentration in
Carlstadt, New Jersey.— Int. J. Air Wat. Poll., v. 10, N 21.
L e a v i i t J. M. e t a 1.
1971 M eteorological program for lim iting power stack em ission.— J. Air
P oll. Contr. Ass. v. 21, N 7, p. 400—405.
L i o y P. e t a 1.
1980 The distribution and transport of sulfate „species" in the New York
metropolitan area during the 1977 summer aerosol study.— Atm. Env.,
v. 14, N 12, p. 1391 — 1408.
L i u С. V., G о 0 d i n W. K.
A two-dim ensional model for the transports in an urban basin.— Atm
Env., v. 10, N 7, p. 513—526.
L u k a s D.
1958 The atmospheric pollution of cities.— Int. J. Air Water Poll., 1,
p. 71— 84.
L y o n s W., О 11 s 0 n L.
1973 Detailed m esom eteorological studies of air pollution dispersion in the
Chicago lake breeze.— Mon. Wea. Rev., v. 101, p. 387—403.
M a h o n e y J. R., E g a n B. A.
1972 A m esoscale numerical model of atmospherical transport phenomena
in urban areas.— In: Proc. 2nd Int. Air Pollut. Conf. W ashington,
p. 1152— 1157.
MalbergH., RoderW.
1981 Statistical methods of local wind and S 0 2 forecast.— Publ. Zentr. Met.
Geodyn., Wien, v. 253, p. 211—214.
M a 1 e t L. М., J о u к о f f A.
1978 M eteorological factors and air pollution index.— In: Pap. WMO Symp.,
Norrkoping, WMO, N 510, p. 135— 142.
M a n i e r G.
1975 V ergleich zwischen A usbreitungsklassen und Temperaturgradienten.—
Met. Rundschau, Bd 28, N 1, S. 6— 11.
M a г с h K. J-, F 0 s t e r M. D.
1967 An experimental study of the dispersion of the em issions from chim­
neys in Reading.— Atm. Env., v. 1, p. 527—550.
M c B e a n G . A. e t al .
1979 The planetary boundary layer.— WMO Tech. Note, N 165. 202 p.
M c C o l I i s t e r G., W i l s o n K1975 Linear stochastic m odels for forecasting daily maxima and hourly
concentrations of air pollution.— Atm. Env., v. 9, p. 417—423.
M c C o r m i c k R. A.
1970 M eteorological aspects of air pollution in urban and industrial dis­
tricts.— WMO Tech. Note, N 106, p. 1— 30.
M c R a e G., G o o d i n W., S e i n f e l d S.
1982 Development of a second-generation mathematical model for urban
air pollution. I. Model form ulation.— Atm. Env., v. 16, N 4, p. 679—
696.
M e a d e P. J.
1960 M eteorological aspects of peaceful uses of atomic energy.— WMO Tech.
N ote, N 97.
M e 11 i P., F r 0 n z a G.
1981 An application of a pollution episode prediction derived from a /<theory m odel.— In: Air pollution M odeling and its Application. I. Ed.
C. D. Wispelaere. N. Y.t p. 639—652.
M e r 0 11 e y R. W. e t a 1.
1975 M odelling of atmospheric transport a fum igation at shoreline sites.—
Boundary-Layer Met., v. 9, p. 69— 90.
261
M e r i n o M. e t al .
1973 Mathematical model for air pollution forecasting.— Probl. 3rd Int.
Clean Air Congreses. Dusseldorf. VDJ Verlag, p. B59—B65.
M e r z P. H. e t a 1.
1972 Aerometric data analysis time series analysis and forecast of an at­
mospheric sm og diagram.— Atm. Env., v. 6, p. 319—342.
M i ch a e 1 i s E. E.
1972 Solid air pollution.— Clean Air, v. 1, N 4.
M i 11 e г E. М., N i e m a у e r L. E.
1963 Air pollutions potential forecasts. A years experience.— J. Air Poll.
Contr. Ass., N 5.
M i l l e r М., H o l z w o r t h G.
1967 An atmospheric diffusion model for metropolitan areas.— J. Air Poll.
Contr. Ass., N 1, p. 46—50.
M i s r a R. K1980 Dispersion from tall stacks into a shore line environment.— Atm. Env.,
v. 14, N 4, p. 397—400.
M i s r a R., О n 1 о с к S.
1982 M odelling continuous fumigation of Nanticoke generating station
plume.— Atm. Env., v. 16, N 3, p. 479—490.
M i t c h e l l J. M.
1961 The temperature of cities.— Weatherwise, v. 14, p. 229.
M o s h e r J. C., F i с h e r E. L., В r u n e 11 e M. F.
1972 Ozone alerts in Los Angeles Country 1955—71.— In: Air Poll. Contr.
Ass. Country of Los Angeles. Los Angeles.
M u n n R. E.
1972 A study of suspended particulate air pollution at two location in To­
ronto, Canada.— Atm. Env. v. 6, p. 311—318.
M u n n R. E. e t a 1.
1972 Dispersion and forecasting of air pollution.— WMO Tech. Note, N 121.
M у г о p L. O.
1969 A numerical model of the urban heat island.— J. Appl. Met., v. 8,
N 6.
N e s t e r R.
1967 Distribution des concentrations autour d’une source ponctuelle conti­
nue par vent nul.— Bull. Tech. Suisse Romande, N 25, p. 347—350.
N e w a 11 H. E., E a v e s A.
1962 The effect of wind speed and rainfall on the concentration of sulphur
dioxide in the atmosphere.— Int. J. Air Wat. Poll., 1962, v. 6, p. 173—
178.
N e w m a n E , S p i e g 1 e r D.
1974 Operational experience with an air quality control system. Air MAPR.—
In: Symp. Atm. Diff. Air Poll., Santa Barbara. AMS, p. 330—338.
N i e m e y e r L.
1960 Forecasting air pollution potential.— Mon. Wea. Rev., v. 88, N 3.
N i e u w s t a d t F.
1981 The study state and resistance low s of the nocturnal boundary layer.—
Boundary — Layer Met., v. 20, N 1, p. 3— 18.
N i e u w s t a d t F„ D r i e d o n k s E . A.
1979 The nocturnal boundary layer: a case study compared with model cal­
culations.— J. Appl. Met., v. 18, N 11, p. 1397— 1405.
N i с u w s t a d t F., V a n D о p H. (ed.)
1981 Atmospheric turbulence and air pollution modelling.— D. Reidel. 358 p.
O k a m o t o H., О h b a R.
1978 Numerical analysis of gas diffusion over a mountain in thermaly stra­
tified flow.— In: Pap. WMO Symp., Norrkoping, WMO N 510, p. 96—
104.
О к е T. R.
1969 Towards a more rational understanding of the urban heat island.—
Climatol Bull., N 5, Montreal.
262
Oshimaetal.
1974 A viable system of biological indicators for monitoring air pollu­
tants.— J. Air Poll. Contr. Ass., v. 24, N 6, p. 576— 578.
О z о e H., S h i b a t a Т., S a у a m a H., U e d a H.
1983 Characteristics of air pollution in the presence of land and
see b reeze— a numerical sim ulation.— Atm. Env. v. 17, N 1,
p. 35—42.
P а п о f s к у H. A.
1963 Determination of stress from wind and temperature measurements.—
Quart. J. Roy Met. Soc., v. 89, p. 495— 502.
P a s q u i 11 F.
1962 Atmospheric diffusion.— London: Van Nostr. Co. Ltd. 298 p.
1971 Atmospheric dispersion of pollution.— Quart. J. Roy. Met. Soc., v. 97,
p. 369—395.
1974 Atmospheric diffusion. 2nd ed/J. W illey, N. Y. 429 p.
P e s z e 1 у G.
1959 D ie Luftverunrunigeing in Budapest verschiedenen makrosynoptischen
L agen.— Z. Met., H 13, p. 1— 6.
P e t e r s L. K-, R i с h a r d s L. W.
1977 E xtension of atmospheric dispersion models to incorporate fast revirsible reactions.— Atm. Env., v. 11, N 2, p. 101— 108.
P e t e r s o n S.
1970 Distribution of sulfur dioxide over m etropolitan St. Luis as discribed
by empirical eigen vectors and m eteorological parameters.— Atm. Env.,
v. 4, N 5, p. 501— 518.
P e t e r s o n J. Т., D e m e r j i a n K . L.
1976 The sensitivity of computed ozone concentrations to u. v. radiation
in the Los A ngeles area.— Atm. Env., v. 10, N 6, p. 459— 468.
P i e 1 к e R.
1974 A three-dimensional numerical model of the breezes over South Flo*
rida.— Mon. Wea. Rev., v. 102, p. 115— 139.
P о о 1 e r F. A.
1966 A tracer study of dispersion over a city.— J. Air Poll. Contr. Ass.,
v. 11.
P r a h m L. P., C h r i s t e n s e n M.
1977a Validation of multiple source gaussian air quality model.— Atm. Env.,
v. 11, N 9, p. 791— 796.
1977b L ong-range transm ission of pollutants simulated by two-dimensional
pseudospectral dispersion model.— Atm. Env., v. 11, N 9, p. 791— 796.
P r i s t о v S.
1978 V orhezsage der Luftverunreinigung fur Talbecken.— Veroft Schweir.
Met. Zentralanst, N 40, S. 67— 70.
P r o g r a m m e short-, medium- and long-range weather prediction research.
1979 Numerical weather prediction. Progress report for 1979. WMO. 210 p.
P u t t o c k J . H u n t I.
1979 Turbulent diffusion from sources near obstacles with separated
w akes.— Atm. Env., v. 13, N 1, p. 1— 13.
R a g l a n d K . W.
1976 Forecast ambient air concentration from point sources using the Gaus­
sian plume model.— Atm. Env., v. 10, N 5, p. 371— 374.
R а о K., S t e v e n s M.
1983 Pollution episodic model user’s guide.— NOAA Tech. Memo. ERL
ARL-125.
R e i b 1 e D., S h a i r F., A r i s R.
1983 A two-layer model of the atmosphers indicating the effects of mixing
between the surface layer and the air aloft.— Atm. Env., v. 17, N 1,
p. 25— 34.
R e m s b e r g E . E., W o o d b u r y G. E.
1983 Stability of the surface layer and its relation to the dispersion of pri­
mary pollutants in St. Luis.— J. Clim. Appl. Met., v. 22, N 2,
p. 244—255.
263
R e u t e r H.
1964 Uber den Einfluss meteorologischen Parameter auf die Lage der Ma­
xim a Immissions Konzentrations am Boden bei vorgezgebener emissioquelle.— Arch. Met. Geodym. Bioklim.(A), H 1, S. 56—68.
R e y n o l d s S. D. e t al.
1973 Urban air shed photochemical simulation model study, v. 1. Contract
N 68-02-0339, U. S. E PA W., 142 p.
R e y n o r G. S. e t al .
1974 Studies of atmospheric diffusion from a nearshore oceanic site.—
J. Appl. Met., v. 17, p. 1080— 1094.
R e y n o r G. S. e t al.
1979 Formation and characteristics of coastal interval boundary layers
during onshore flows.— Boundary-Layer Met., v. 16, N 4, p: 487— 514.
R o s s b y C. G., M o n t g o m e r y R. B.
1935 Pap. Phys. Oceanogr. and Meteorology. Mass Inst. Tech., v. 3, N 3.
R u n с a E., M e 1 l i P., S p i г i t о A.
1979 Real time forecast of sulphur dioxide concentrations in the Venetian
lagoon region. P. 1. Advection diffusion model. IIASA, Laxenberg.
24 p.
SaitoO., T akedaH.
1978 Prediction model of air pollution adapted to pattern of daily fluctua­
tion.— In: Proc. IFAC. Symp., Kyoto, 1977, v. 1. Oxford, p. 287—294.
S a w a g e r i Y . e t al.
1978 Statistical prediction of air pollution levels based on Kalman filtering
method.— In: Proc. IFAC Symp., Kyoto, 1977, v. 1. Oxford, p. 197—204.
S a w a i T.
1978 Formation of the urban air mass and the associated local circulation.—
J. Met. Soc. Japan, ser. 11, v. 56, N 3.
S c h m i d t F. H., V e l d s C.
1969 On the relations between changing meteorological circumstances and
the decrease of the SO concentrations around Rotterdam.— Atm. Env.,
v. 3, p. 455—460.
S c h m i d t F. H„ V e l d s C.
1976 Seminars of the treatment of the boundary layer in numerical weather
prediction.— Bracknell: ECMRWF. 372 p.
S h a i r F. H. e t a 1.
1982 Transport and dispersion of airborne pollutants associated with the
land — sea breeze system .— Atm. Env., v. 16, N 9, p. 2043—2054.
S h i r C. G., S h i e h L. S.
1974 A generalized urban air pollution model and its application to the
study of S 0 2 distributions in the St. Luis Metropolitan Area.— J. Appl.
Met., v. 13, p. 185—204.
S 1 a d e к S.
1975 Vztany mezi rezinum znecisteni ovzdusi a pocasim v severozapadni ch
cechaeh.— Met. Zpravy, 1975, v. 28, N 4, p. 97— 103.
S m e d a M.
1979 Incorporation of planetary boundary-layer process into numerical fore­
casting models.— Boundary-Layer Met., v. 16, N 2, p. 115— 130.
S m i t h М. E.
1973 Pecomended guide for the prediction of the dispersion of airborne
effluents.— ASME N. Y., 85 p.
S о e d a T.
1979 ARI MA forecasts and GDMN Forecasts of air quality.— In: Workshop
on Math. Models for Planning and control of Air Guality. IIASA, Laxenburg. 82 p.
S t e i n h a u s о r F.
1971 Ergebnisse Mesjahrigcr Beobachtungcn der Staubablagerungen in Osterreii-h.— Watter und Leben, N 5—6, S. 89— 102.
S t e p h e n s E. R.
1969 Chemistry of atmospheric oxidants — J. Air Poll Cont. ass; N 3,
p. 181 — 185.
264
S t e r n A., ed.
1970 Proceeding of the Symposium on Multiple Source Diffusion models.
U. S. EPA.
1976 Air pollution. 3rd ed, v. 5, N. Y.; Academic Press, 800 p.
Stiimke
1964 Beriicksichtigung vereifachter Gelandetypen bei der Berechung der
turbulenten Ausbreitung vor Schornsteingasen.— Staub, Bd 24.
S u e s s M. J., С r a s t f о r d J. R., eds
1976 Manual on urban air quality m anagem ent.— Copenhagen: WHO. 200 p.
S z e p e s i D. J.
1978 Transmission of sulfur
dioxide on local, regional and continental
scale.— Atm. Env., v. 12, N 1— 3, p. 529—536.
S z e p e s i D. J.
1984 Multiple-source model for air pollution forecasting. Air Pollution Fore­
casting.— In: Pap. WMO RA-VI M eeting, p. 28—37.
T a p p М., W h i t e P.
'
1976 A non-hydrostatic m esoscale m odel.— Quart. J. Roy Met., Soc., v. 102,
N 432, p. 277—298.
T а у 1 о r P. A.
1977 Some numerical studies of surface boundary layer flow above
gentle
topography.— Boundary-Layer Met., v. 11, N 4, p. 439—466.
T e n n e k e s H.
1973 A model for the dynamics of the inversion above a convective boun­
dary layer.— J. Atm. Sci., v. 30, p. 558— 567.
T h e O E C D P r o g r a m m e on a L ong-R ange Transport of Air Pollutants.
1977 Paris.
T h o r p e A., Y u y m e r T.
1977 The nocturnal jet.— Quart. J. Roy. Met., Soc., v. 103, N 438, p. 633—
655.
T о к u m a r u H., H a b a t a O.
1978 Statistical prediction of air pollution levels by mixed order multi-variable AR scheme.— In: Proc. IFAC Symp., Kyoto, v. I. Oxford,
p. 213—218
T u r n e r B.
1961 Relationship between 24 hour mean — air quality measurements and
meteorological factors in N ashville, Tenn.— J. Air Poll. Contr. Ass.
N 11, p. 483— 489.
1963 A diffusion model for an urban areas.— J. Appl. Met., N 1.
1970 Workbook
of
atmospheric
dispersion
estimates
U. S. EPA,
AP-26.
1979 Atmospheric dispersion m odeling. A critical rewiew.— J. Air Poll. Contr.
Ass., p. 502—519.
U l i g S.
1965 Bestimmung der Stabilitatsgrade der Luft an Hand von Wettermeldungen.— M itteilungen den Deutschen W etterdienstes. S. 436.
U r b a n c l i m a t e s.— WMO Tech. Note, N 108.
1970
V an der A u w e r a
1982 First ND Pc. areal SO 2 forecasts.— Publ. Inst. Roy. Met., B elg. (A ),
N 109. 34 p.
V a 11 D о p H., К r u i z i n g a S.
1976 The decrease of sulphur dioxide concentrations near Rotterdam.— Atm.
Env., v. 10, N 1, p. 1—4.
V a n D 0 p e t a 1.
1979 Revised estimates for continuous shoreline fum igation.— J. Appl. Met.,
v. 18, p. 133— 137.
V e n k a t r a m A.
1977 A model of internal boundary layer developm ent.— Boundary-Layer
Met., v. 11, p. 490—499.
V o g t K-, G e i s s II., P 0 1s t e r G.
1978 New sets of diffusion parameters resulting from tracer experiments
265
with 50 and 100 m release height.— In: Proc. 9th Int. Tech. Meeting
on Air Poll. M odeling and its Applic., N 103, NATO Comm., p. 221—
239.
V u c o v i c h P . M. e t al .
1976 A theoretical study of the St-Luis heat island: The wind and tempera­
ture distribution.— J. Appl. Met., v. 15, N 5, p. 417—440.
1978 A theoretical study of the St-Luis heat island some parameters varia­
tions.— J. Appl. Met., v. 17, N 11, p. 1585— 1594.
W e a t h e r l y M. L.
1972 E ffects of suspension of smoke control orders on smoke concentra­
tions.— Clean Air, N 6, p. 9— 10.
W i i n - N i e l s e n A.
1974 Vorticity, divergence and vertical velocity in a baroclinic boundary
layer with a linear variation of the wind. Boundary-Layer Met., v. 6,
N 3/4, p. 459—476.
W i p p e r m a n n F.
1973 The planetary boundary layer of the atmosphere.— In: Deuts. Wetter dienst, Offenbach a M. 344 p.
W i p p e r m a n n F., К 1 u g W.
1960 Schorsteinmindesthohen. Darmstadt.
W i t z S., L a r m A., E v i n B., M o o r e A.
1982 The relationship between concentration of traffic-related pollutants at
a Los Angeles site.— J. Air Poll. Contr. Ass., v. 32, N 6, p. 643—644.
W M O S y m p o s i u m on the Long-Range Transport of pollutants. Sofia. WMO,
1979 N 538. 416 p.
Y a m a d a T.
1979 Prediction of the nocturnal surface inversion hight.— J. Appl. Met.,
v. 18, N 4, p. 526— 531.
Y u T. W.
1978 Determining hight of the nocturnal boundary layer.— J. Appl. Met.,
v. 17, p. 28—33.
Z a n n e 11 i P. e t a 1.
1977 Meteorological factors affecting SO 2 pollution levels in Venice.— Atm.
Env., v. 11, N 7, p. 605—616.
Z d u n k o w s k i W. G., N i e l s e n В. C.
1969 Preliminary prediction analysis radiation fog.— Pageogh., v. 75a.
Z e l d i n М., В e n e 11 С., К i n n 1 у J.
1979 Statistical methods for forecasting air quality levels in the South coasL
air basin.— In: 6th Conf. on Probability and Statistics in Atmospheric
Sciences. Banff, p. 55—62.
Z e m a n O.
1979 Parameterization of the dynamics of stable boundary layers and noc­
turnal jets.— J. Atm. Sci., v. 36, N 5, p. 792—804.
Z i m m e r m a n S . , T h o m s o n R.
1975 User’s guide for a Highway air pollution. Meteor. EPA Research
Triangle Park, p. 60.
266
Предметный указатель
А в т о м а т и зи р о в а н н а я систем а к о н т р о л я з а ­
гр я зн е н и я в о з д у х а (А С К ЗВ ) 95, 96, 114,
151, 152, 163, 235, 242, 246
А тм о с ф е р н а я
(т у р б у л е н т н а я )
д и ф ф у зи я
18, 20, 38, 40, 49, 80, 84, 88
в у с л о в и я х за с т р о й к и , го р о д а 88, 89, 110,
218—225
в у с л о в и я х с л о ж н о го р е л ь е ф а 20, 110,
209—211
В лиян ие м е тео р о л о ги ч ес к и х у с л о ви й 26,
116—121, 127—131, 133, 148, 208—223
В л и я н и е о с а д к о в 119, 121, 126х 130, 131,
148, 150, 106, 178 , 242 , 243
В ы бросы в а т м о с ф е р у 226—237
а в а р и й н ы е G, 7, 226, 236
а в т о т р а н с п о р т а 90, 114, 115, 120, 123, 179,
230, 236
за л п о в ы е G, 7, 226
ко н тр о ль 235—236
н агр еты е (го р яч и е) 47, 69, 70, 109
н ор м и ров ан и е 6, 7, 227—229
регу л и р о в а н и е 5, 78, 230—236
хол од н ы е 69—70, 109, 110
Г ауссово р а сп р е д е л е н и е
вероятн остей 36
ко н ц ен тр ац и й 40—45, 85, 92, 105
м одели 17, 18, 70, 93, 102
Д ал ь н и й
244
(т р а н с гр а н и ч н ы й )
п ер ен о с
241—
З а г р я зн е н и е в о з д у х а (а т м о с ф е р ы )
годовой х о д 112— 116
и н т е гр а л ь н а я д о за 80—86, 145— 156
и н те гр а л ьн ы й п о к а з а т е л ь 145— 151
к он троль 235—236
суточны й хо д 112— 116
З а с то й в о зд у х а 98— 104, 122, 133, 147, 180,
183
И н в е н т а р и зац и я вы бр о со в 243
И нверси я т е м п е р а т у р ы 50—52, 98— 104, 122,
125, 179-197, 215, 223—224
вы сота, м ощ н о сть 108, 119, 192
п р и зе м н а я 50, 117, 150, 182, 183, 185,
187— 193 , 206, 207
п р и п о д н я т а я 51—52, 84, 93, 98— 101, 108,
110, 117— 119, 124, 179—195, 208, 221, 223—
224
И нерц ион ны е ф а к т о р ы 6, 17, 111, 125— 127,
130, 140, 144, 146, 148— 150, 154, 157— 159
И сточни к
а эрац н он п ы й ф о н а р ь 71—74
в е н ти л яц и он н ы й 71
вы сокий 41, 44, 89, 90, 93
линейны й 28, 29, 71—79, 111
н азем ны й 44, 71—79
низкий 49, 146, 180, 235
п ло щ ад н о й 80—86, 92, 93—108, 111
точечн ы й 27—32, 66—71, 74, 80, 82, 108
тру ба д ы м о в а я , в е н т и л я ц и о н н а я 71, 101,
142
К ислотны е о с ад к и (д о ж д и ) 55, 241, 244
К л астеры 1(53— 167, 176
К ли м ати чески е
х а р а к те р и с т и к и
112—116,
187— 191
К о н ц е н т р а ц и я прим еси
годовой х о д 112, 113
р а зо в а я 06
о ср ед н сп п ан 1)2, 112— 116
п ред ел ьн о д о п у ст и м а я (П Д К ) 6, 8—12,
35
суточны й
хо д
105— 108,
113— 115, 174, 175
К о эф ф и ц и ен т (т урб ул ен тн ого) обм ен а
в е р т и к а л ь н а я с о ст а в л я ю щ а я 18—23, 35,
65, 78, 98— 101, 107, 117, 118, 217
г о р и зо н т а л ь н а я с о ст а в л я ю щ а я 18, 19, 28,
107
Л и н и и т о к а 61—63
М ас ш т а б М о н и и а—О бухова 23—25, 194—195
М етео р о л о ги ч еск и е усл ови я
а н о м ал ь н ы е 15—17, 22, 48, 55, 97, 98, 109,
179, 226, 227, 229
кр и тер и и оп асн ости 8—17
н еб л а го п р и я т н ы е (оп асн ы е) н о р м аль н ы е
22, 55, 68, 76, 78, 88, 90, 109, 135, 229
М ето ды стат и ст и ч е ск о го а н а л и з а
д и ск р и м и н ан т н о го а н а л и з а 163— 177
гр у п п о в о го у ч е т а
аргум ен тов
(М ГУА)
160—162
р а з л о ж е н и я на естеств ен н ы е о р то го н ал ь­
ны е ф у н к ц и и 141— 145
р а с п о зн а в а н и я о б р а зо в 162— 163
М икроклим ат
го р о д а 218—225
н ео д н о р о д н о й м естн ости 58—65, 209—211
М о д ел и р о ва н и е
а эр о д и н ам и ч ес к о е 59, 209—211, 225
м а т е м а т и ч е с к о е (численн ое) 26—40, 49—
51. 58—65, 71—76, 80—84, 89—94, 96, 98—
101, 179, 185, 186, 201, 202, 210—217
Н а ч а л ь н ы й п о д ъ е м п рпм еси 45—48, 52—53
Н о р м а т и в ы вы бросов
вр ем ен н о со гл а со в ан н ы е вы бросы (В С В )
2 2 7 -2 2 9
п р ед е л ьн о д о п у ст и м ы е вы бросы (П Д В )
2 2 7 -2 3 0
О стров т е п л а 218—222
П огр ан и чн ы й слой атм осф еры 20—24, 59,
178, 179, 191, 193, 201, 221
в ы со т а 21, 191, 193—195
П о т ен ц и а л
за г р я з н е н и я а тм о сф ер ы (П ЗА ) 9, 150,
17 9 -1 8 4
ско р о стей 61, 62, 64
П о т е н ц и а л ь н о е т ечен и е 60—65
П о т о к о вы е к о о р д и н а т ы 60—65
П р е д и к т о р ы 111— 124, 167, 174, 178
П р и зе м н ы й слой а тм о сф ер ы 20—25, 31, 110,
179, 221
вы со та 20—23
к в а з и с т а ц н о и а р н о с т ь 202
П р и м ес ь
га з о о б р а з н а я , л е г к а я 28—31, 33, 38, 54,
68, 109
н ес о х р а н я га щ а я ся (п р е в р а щ а ю щ а я с я ) 18
т я ж е л а я 31—35, 38, 68, 101, 109
П р о гн о з
м е тео р о л о ги ч ес к и х услови й 178—225
за г р я з н е н и я а тм о сф ер ы 16, 17— 177
о п р ав д ы в а е м о с т ь 126, 133, 148, 154, 159,
160, 163, 166, 237—239, 240, 241
син о п ти чески й 120— 122, 195—201
стат и ст и ч е ск и й 111— 177
у сп еш н о сть, э ф ф е к т и в н о с т ь 133, 153, 237—
241
Р а д и а ц и я со л н е ч н ая 126, 186, 218
Р е гр е с с и я 130, 156
авт о р е гр е сс и я 127, 130, 133, 152, 154, 166,
157, 176
л и н е й н о -л о га р и ф м и ч е с к а я 131— 133
м н о ж е с т в е н н а я л и н е й н а я 123, 125— 133
н ел и н е й н а я 156—162
п о с л е д о в а т е л ь н а я гр а ф и ч е с к ая 157— 162
267
Р егули ровани е
выбросов 226, 229, 232—234
за гр я зн е н и я атм о сф ер ы 230—234
Скорость ветра
геостроф и ч еская 21, 202, 204, 207, 222,
224
оп асн ая 67, 69, 87, 108
С ред н евзвеш ен н ая оп асн ая 86, 88, 108
Слой п ерем еш и ван и я 93, 107, 118, 133, 144,
179—182, 198
Смог 8
лондонского ти п а 55—56,. 104
л о с ан д ж ел есск о го типа (фотохимический)
56 -5 8 , 104— 106, 164, 236
С трати ф икац ия 21, 52, 195—200
безр азл и ч н ая (равн овесная, н ей тральная)
21, 24, 43, 44, 82, 84, 117, 179, 180, 194,
203
неустойчивая 21, 24—26, 82—84, 94, 179,
180, 194, 203
устойчивая (и нверси онн ая) 21* 24—26, 44,
76, 94, 117, 118, 121, 130, 179, 180, 203
Т ем пература во зд у х а
годовой ход 187
суточный х о д 185—187
Тетрон 41
Т ран сф орм аци я воздуш ны х масс 195
Трассер 44, 55, 89, 117
Туман 5 3 -5 5 , 113, 126, 212-217, 224
адвективны й 215—217
радиационны й 59, 193, 212—217
речной 215—217
Турбулен тны й обм ен
меси) 18, 35, 58
(р ассеи ван и е
п ри­
У равнения
атмосф ерной д и ф ф у зи и 17—20, 26—39, 47,
77, 78, 9 3 -9 6 , 101, 103, 107, 245
б а л ан с а энергии турбул ентности 22, 60,
201
В ин ера—Х опфа 134
ди н ам и ки д в и ж ен и я атм осф еры 47, 59,
60, 64
переноса влаги 54, 212—219
притока тепла 54, 64, 185, 186, 191, 212—
217
У стойчивость атм осф еры 82, 85
кл асси ф и кац и я 24, 25, 42, 44, 71
п о казател и 23—25, 39, 51, 67, 122
Ф акел газовы й, ды м овой 26
Ф ильтрац ия случайны х процессов 96, 1 3 3 -
NO
по К ал м ан у (ф ильтр К ал м ан а ) 95, 96,
139, 140
по К олм огорову—В инеру (о п ти м ал ьн ая)
133-139
Ф у м и гаци я (зады м лени е) 26, 103, 208
Число Р и чардсона 51, 122
Ш ероховатость подсти лаю щ ей
п оверхно­
сти 22, 25, 30, 43, 44, 67, 200—203, 225
Ш тиль 47, 4 9 -5 1 , 97, 98, 103, 104, 109, 110,
122, 182, 205
Э ф ф екти вн ая вы сота источника (н а ч а л ь ­
ный подъем ) 12, 13, 45—48, 52, 53,
66,
73, 77, 82, 84, 91, 102— 104, 108—110
Оглавление
П р е д и с л о в и е .............................................................................................................................
В в еден и е.....................................................................................................................................
3
5
Глава 1. Критерии опасности загрязнения атмосферы и их использование
при п р о г н о з е ...................................................................................................
8
1.1. Использование предельно допустимых концентраций.................
1.2. Критерии опасности загрязнения атмосферы для растений . . .
1.3. Критерии качества воздуха для особо опасных условий . . . .
—
12
15
Глава 2. Физические основы прогноза загрязнения во зд уха .....................
2.1. Прогностические у р а в н е н и я .....................................................................
2.2. Характеристики турбулентности и скорости ветра в пограничном
слое атм осферы ..............................................................................................
2.3. Классификация устойчивости приземного с л о я ..............................
2.4. Типизация метеорологических условий распространения примеси
2.5. Интегрирование прогностических уравнений..................................
2.5.1. Случай легкойп р и м е с и ..........................................................................
2.5.2. Случай тяжелой прим еси.......................................................................
2.6. Осреднение к он ц ен тр ац и й .........................................................................
2.7. Использование гауссовых распределений концентраций.............
2.8. Начальный подъем прим еси.....................................................................
2.9. Аномальное распределение скорости ветра с вы сотой.................
2.10. Диффузия примеси при ш ти л е.................................................................
2.11. Приподнятая инверсия тем пературы ................................................... ..
2.12. Влияние стратификации на начальный подъем прим еси.............
2.13. Туманы и с м о г и ..........................................................................................
2.13.1. Речные и радиационные тум ан ы ...............................................
2.13.2. С м о г и ...................................................................................................
2.14. Влияние р е л ь е ф а ..........................................................................................
Глава 3. Численные методы прогноза загрязнения возд уха.....................
17
18
20
24
26
—
28
31
35
40
45
48
49
51
52
53
54
55
58
66
3.1. Прогноз максимальных концентраций примеси от отдельных
источников .......................................................................................................
3.2. Линейные и наземные источники............................................................
3.3. Прогноз интегральных характеристик загрязнения воздуха от
площадного источника.................................................................................
3.4. Совокупность рассредоточенных источников..................................
3.5. Сочетание численных и статистических методов прогноза . . . .
3.6. Учет аномалий в вертикальном профиле скорости ветра и про­
гноз загрязнения воздуха при ш т и л е...................................................
3.7. Учет приподнятой инверсии и ее сочетания со штилем . . . .
3.8. Прогноз см огов ..............................................................................................
3.9. Практические рекомендации............................................' ...........................
97
98
104
108
Глава 4. Статистические методы прогноза загрязнения атмосферы . . . .
111
4.1. Выбор п р еди к тор ов......................................................................................
4.1.1. Годовой и суточный ход загрязнения в о з д у х а .................
4.1.2. Влияние отдельных метеорологических вел ич ин.................
4.1.3. Использование спектрального а н а л и за ..................................
4.1.4. Учет синоптической обстановки и влияние комплекса фак­
торов .......................................................................................................
4.2. Методы прогноза на основе множественной линейной регрессии
4.2.1. Прогноз концентрации при м еси ...................................................
4.2.2. Совместный прогноз загрязнения воздуха и метеорологиче­
ских величин. Методы авторегрессии......................................
4.2.3. Использование линейно-логарифмической регрессии . . .
4.3. Фильтрация случайных процессов........................................................
4.3.1. Методы оптимальной фильтрации Колмогорова и Винера
—
71
80
86
93
—
112
116
119
120
125
—
127
131
133
—
269
4.3.2. Фильтр К алм ана...........................................................................
4.4. Применение метода разложения на естественные ортогональные
функции ....................................................................................................
4.5. Прогноз интегральных показателей загрязнения воздуха в го­
роде. Использование синоптических методов .....................................
4.5.1. Интегральные п о к а за т ел и ...............................................................
4.5.2. Интегральная по площади д о з а ..................................................
4.6. Методы нелинейной регрессии..........................................................
4.6.1. Обобщение авторегрессионных м оделей......................................
4.6.2. Последовательная графическая регрессия..................................
4.6.3. Метод группового учета аргументов..........................................
4.7. Метод распознавания об р а зо в ..........................................................
4.8. Использование дискриминантного анализа и введение кластеров
Глава 5. Прогноз неблагоприятных метеорологических условий
. . . .
5.1. Использование сведений общего прогноза погоды ................
5.2. Прогноз потенциала загрязнения атмосферы.............................
5.3. Прогноз устойчивости приземного слоя воздуха и вертикаль­
ного профиля температуры..................................................................
5.3.1. Использование теории суточного хода температуры воз­
духа ...........................................................................- .........................
5.3.2. Климатологические характеристики и эмпирические зави­
симости ....................................................................................................
5.3.3. Расчетные методы прогноза высот инверсии и погранич­
ного с л о я ...................................... ......................................................
5.4. Синоптические методы прогноза стратификации.............................
5.4.1. Учет трансформации воздушных м а сс......................................
5.4.2. Использование карт барической топографии 925 гПа . . .
5.5. Прогноз вертикального распределения в етр а ......................................
5.5.1. Результаты теоретических исследований..................................
5.5.2. Высота штилевого с л о я ...................................................................
5.5.3. М езоструи................................................................................................
5.6. Учет горизонтальных неоднородностей подстилающей поверх­
ности ....................................................................................................................
5.6.1. Бризовая ц и р к уляция.......................................................................
5.6.2. Условия холмистой местности......................................................
5.7. Прогноз т у м а н о в ............................................................................................
5.7.1. Радиационные т у м а н ы ...................................................................
5.7.2. Адвективные туманы...........................................................................
5.8. Влияние го р о д а ................................................................................................
5.8.1. «Остров тепла», его связь с приподнятыми инверсиями и
т у м а н а м и ................................................................................................
5.8.2. Теоретические исследован ия...........................................................
5.8.3. Связь загрязнения воздуха с приподнятыми инверсиями
и т у м а н а м и ............................................................................................
5.8.4. Распределение скорости ветра в г о р о д е......................................
139
141
145
—
151
156
—
157
160
162
163
178
—
179
184
185
187
191
195
—
197
200
201
204
206
208
—
209
212
—
215
218
—
222
223
224
Глава 6. Регулирование выбросов в атмосферу....................................................
226
6.1. Нормирование выбросов...............................................................................
6.2. Требуемое снижение выбросов...................................................................
6.3. Общие принципы сокращения вредных выбросов в атмосферу
6.4. Практические мероприятия по регулированию выбросов . . . .
6.5. Усиление контроля за выбросами и загрязнением атмосферы
6.6. Уменьшение опасности загрязнения в о зд у х а ......................................
Глава 7. Эффективность прогноза и дальнейшие задачи..................................
7.1. Успешность и результаты прогнозов......................................................
7.2. Учет дальнего переноса примесей..........................................................
7.3. Очередные задач и ...........................................................................................
Список литературы............................................................................................................
Предметный у к а за т ел ь ....................................................................................................
227
229
230
232
235
235
237
—
241
244
247
267
270
Contents
Preface
.....................................................................................................................................
I n t r o d u c t io n .............................................................................................................................
Chapter 1. Criteria of
air pollution hasards and their use forforecasting
1.1. Application of maximum perm issible c o n c e n tr a t io n s ......................
1.2. Criteria of air pollution hasards for v e g e ta tio n ................................
1.3. Air quality criteria for especially
dangerous c o n d itio n s.....
Chapter 2. Physical bases of air pollution forecasting
3
5
8
—
12
15
. ..................................
17
2.1. Prognostic equations
..................................................................................
2.2. Turbulency and wind speed parametrs in the atmospheric
boundary l a y e r ........................................... ...................................................
2.3. C lassification of surface air layer s t a b i l i t y .......................................
2.4. Typification of m eteorological conditions of pollutant diffusion
2.5. Integration of prognostic e q u a t i o n s ....................................................
2.5.1. Fine particle pollutants .....................................................................
2.5.2. Heavy pollutants
..............................................................................
2.6. Averaging of c o n c e n tr a t io n s .....................................................................
2.7. Application of Gaussian distributions of con cen tration s.................
2.8. Initial plume r i s e ..........................................................................................
2.9. Anomalous distribution of w ind speed with h e i g h t ..........................
2.10. Pollutant diffusion under c a l m s ............................................................
2.11. Elevated temperature in v e r s io n ................................................................
2.12. Stratification effect on the initial plume r i s e ..................................
2.13. F ogs and sm ogs
..........................................................................................
2.13.1. Riverine and radiation f o g s ....................................................
2.13.2 Sm ogs
...................................................................................................
2.14. Relief effect
...................................................................................................
18
20
24
26
—
28
31
35
40
45
48
49
51
52
53
54
55
58
Chapter 3. Numerical methods of air pollution f o r e c a s t in g ..............................
66
3.1. Forecast of maximum pollutant concentrations for single
sources ................................................................................................................
3.2. Linear and surface s o u r c e s .....................................................................
3.3. Forecast of integral air pollution parameters for area source
3.4. Groups of dispersed sources ................................................................
3.5. Combination of numerical and statistical forecasting methods
3.6. A llowance for anomalies in vertical wind speed profiles and air
pollution forecasting for c a lm s .................................................................
3.7. A llowance for elevated inversions and for their combination
with calms .......................................................................................................
3.8. Sm og f o r e c a s t i n g ...........................................................................................
3.9. Practical r e c o m m e n d a tio n s.........................................................................
Chapter 4. Statistical methods of air pollution f o r e c a s t in g ..............................
4.1. Selection of p r e d ic t o r s ..................................................................................
4.1.1. Annual and daily course of air p o l l u t i o n ..............................
4.1.2. Effects of individual m eteorological e l e m e n t s .....................
4.1.3. Application of spectral analysis ...............................................
4.1.4. Allowance for synoptic situation and influence of multiple
factors
...................................................................................................
4.2. Forecasting methods based onm ultiple linear regression . . . .
4.2.1. Forecasting of pollutant c o n c e n t r a t io n ..................................
4.2.2. Joint forecast of air pollution and m eteorological elements.
Autoregression m e t h o d s .....................................................................
4.2.3. Application of linear-logarithm ic r e g r e s s i o n ..........................
4.3. Filtration of random p r o c e s s e s ...................................................................
4.3.1. Methods of optimal filtration suggested by Kholmogorov
and W i e n e r ...........................................................................................
—
71
80
86
93
97
98
104
118
I ll
—
112
116
119
120
125
—
127
133
—
—
271
4.3.2. Kalman’s filter
................................................................................
4.4. Application of method of expension in empirical orthogonal
functions
.........................................................................................................
4.5. Forecasting of integral parameters of urban air pollution.
Application of synoptical m e t h o d s ......................................................
4.5.1. Integral p a r a m e t e r s .......................................................................
4.5.2. Dosage area p r o d u c t .......................................................................
4 .6 . Nonlinear regression m e t h o d s ...............................................................
4'.6.1. Generalization of autoregression m o d e l s ..................................
4.6.2. Successive graphycal reg ressio n ..................................................
4.6.3. Group method of data h a n d l i n g ..............................................
4.7. Method of image identification
..........................................................
4.8. Application of discriminant analysis and introduction of clu­
sters
.................................................................................................................
139
141
145
—
151
156
—
157
160
162
163
Chapter 5. Forecast of unfavourable meteorological c o n d itio n s .....................
178
5.1. Application of general weather f o r e c a s t ..........................................
5.2. Forecasting of surface layer and vertical temperature profile
stability
.........................................................................................................
5.3. Forecasting of air pollution p o t e n t ia l..................................................
5.3.1. Application of daily air temperature coursetheory . . . .
5.3.2. Climatic parameters and empirical d e p e n d e n c e s.................
5.3.3. Calculation methods for inversion and boundary layer
h e i g h t ...................................... ..............................................................
5.4. Synoptical methods of stratification p r e d ic t io n .............................
5.4.1. Allowance for air mass transform ation..................................
5.4.2. Application of 925 gPa pressure c h a r t s ..................................
5.5. Forecasting of vertical wind speed d is tr ib u tio n .............................
5.5.1. Results of theoretical in v e s tig a tio n s ..........................................
5.5.2. Calm layer height
.......................................................................
5.5.3. M e so s tr e a m s........................................................................................
5.6. Allowance for horizontal inhomogeneities of the underlying sur­
face .....................................................................................................................
5.6.1. Breeze c ir c u l a t i o n ...........................................................................
5.6.2. Hilly relief c o n d it io n s ...................................................................
5.7. F og f o r e c a s t in g ............................................................................................
5.7.1. Radiation f o g s ....................................................................................
5.7.2. Advection fogs
.......................................................... ....
5.8. Urban effect
..............................................................................................
5.8.1. Heat island, its correlation with elevated inversions and
f o g s ........................................................................................................
5.8.2. Theoretical investigations
..........................................................
5.8.3. Correlation between air pollution and elevated inversions
and f o g s ................................................................................................
5.8.4. Urban wind speed d is tr ib u tio n ..................................................
Chapter 6. Regulation of emissions into the atm osphere..................................
—
179
184
185
187
191
195
—
197
200
201
204
206
208
—
209
212
—
215
218
—
222
223
224
226
6.1. Standartization of e m i s s i o n s ..................................................................
6.2. Required decrease of e m i s s i o n s ..........................................................
6.3. General principles of reduction of noxious emmissions into the
atmosphere ....................................................................................................
6.4. Practical measures on emission r e g u la t io n ......................................
6.5. Increase of control on emissions and air p o ll u t i o n .....................
6.6. Decrease of air pollution d a n g e r ..........................................................
227
229
230
232
235
236
Chapter 7. Efficiency of forecasting and further p ro b le m s..............................
237
7.1. Results and scill score of f o r e c a s t s ..................................................
7.2. Allowance forlong-range pollutant t r a n s p o r t ....................................
7.3. Further problems ........................................................................................
—
241
244
R e f e r e n c e s .............................................................................................................................
247
Indices
267
.................................................................................................................................