![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Цель данного проекта состоит в разработке методов математического моделирования, диагностики и прогнозирования микроклимата и экологической обстановки в городской среде. В условиях развития мегаполисов и изменяющегося глобального климата повышается вероятность неблагоприятных метеорологических событий, детализация прогноза которых в городской среде становится возможной благодаря суперкомпьютерному моделированию турбулентных течений со сверхвысоким пространственным разрешением. Городская застройка оказывает также определяющее влияние на турбулентный перенос загрязняющих примесей. Численное моделирование этого процесса позволит идентифицировать источники загрязнения, а также предсказать последствия техногенных аварий и регулярных антропогенных выбросов. Для этого наиболее перспективными являются вихреразрешающие модели, одна из которых имеется в распоряжении авторов проекта. Ее дальнейшее развитие и обогащение параметризациями, необходимыми для корректного описания турбулентности в реальной городской среде, является одной из первоочередных задач проекта. Будет рассчитан лагранжев перенос трассеров. Этот подход является наиболее подходящим методом моделирования транспорта инерционных частиц и позволяет идентифицировать источники переносимой примеси. Предполагается, что число переносимых частиц будет достигать нескольких десятков миллиардов. Поэтому важной задачей проекта является эффективная параллельная реализация расчета лагранжева переноса на суперкомпьютерах с распределенной памятью и с использованием более 1000 процессоров. Разработанная модель будет применяться для реальной городской среды на примере выбранных районов г. Москвы и верифицироваться с использованием данных натурных измерений о количестве осаждаемой примеси в поверхностном слое почв. Для расчета характерных метеорологических условий будет использована региональная модель атмосферы COSMO-CLM с пространственным разрешением около 1 км, адаптированная для Московского региона. Важной задачей проекта является моделирование и количественная оценка влияния выпадений атмосферных поллютантов на скорость их накопления в поверхностном горизонте городских почв, выяснение механизмов закрепления загрязняющих веществ на почвенно-геохимических барьерах различных классов и зон их локализации в пределах городских агломераций. С этой целью будут использованы данные натурных измерений и численных экспериментов с вихреразрешающей моделью.
В результате выполнения проекта будут разработаны новые методы математического моделирования, диагностики и прогнозирования микроклимата и экологической обстановки в городской среде. Основой системы прогнозирования и диагноза послужит численная модель турбулентных течений ИВМ РАН, которая будет насыщена новыми параметризациями и алгоритмами, необходимыми для моделирования турбулентности и переноса поллютантов в реальной городской застройке на примере выбранных районов г. Москвы. Особое внимание будет уделено разработке методов моделирования переноса тяжелых металлов и металлоидов с пылевыми частицами, их осаждения и дальнейшей трансформации в городских почвах. Будет выполнен системный анализ различных геохимических показателей состояния депонирующих сред во взаимосвязи с ландшафтными условиями и свойствами атмосферных выпадений. Это позволит получить более полное представление об особенностях аккумуляции приоритетных поллютантов и выяснить пространственно-временные закономерности формирования геохимических аномалий в городских ландшафтах.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Моделирование турбулентности и переноса загрязнений в городской среде |
Результаты этапа: Усовершенствованы параллельные алгоритмы расчета лагранжевых трассеров в LES-модели. Выполнено сравнение различных методов переноса трассеров с использованием подсеточной стохастики и без нее. Обнаружены эффекты ложного накопления мелкомасштабной пространственной изменчивости концентрации частиц при их переносе в бездивергентном турбулентном модельном поле скорости и протестированы способы устранения данного эффекта. Проведены тестовые эксперименты с помощью модели COSMO_CLM с параметризацией городской застройки TEB с горизонтальным разрешением 1.2 км. Получена мультимасштабная база данных характеристик городских каньонов города Москвы с разрешением 200, 500 и 1000 м. Определен интерфейс и принципы использования полученной БД при метеорологическом моделировании. Для отработки методики изучения и картографирования геохимических барьеров в городских ландшафтах проанализированы ландшафтно-геохимические данные, собранные на территории Восточного округа Москвы в 2010 г. Материалы исследований организованы в виде ГИС, содержащей координаты 73 точек опробования, характеристику ландшафтных условий и антропогенных факторов, физико-химические свойства поверхностных горизонтов почв и концентрации в них тяжелых металлов (ТМ). Сочетания природных и антропогенных факторов, при которых формируются геохимических барьеры в почвах, определены путем построения в пакете SPLUS регрессионных деревьев, связывающих уровни содержания ТМ с наиболее сильно влияющими факторами. Результаты анализа показали, что аккумуляция ТМ контролируется физико-химическими свойствами почв и рядом антропогенных факторов и ландшафтных условий (геохимической позицией, мезорельефом, видом использования территории, величиной пылевой нагрузки, выбросами автотранспорта, структурой застройки, степенью озелененности, запечатанностью почв). В поверхностном слое городских почв диагностируются щелочной (Cd, Cu, Zn), хемосорбционный (Bi, Sb, As, Cu, Pb, Zn), органоминеральный (Sb, As, Pb) и сорбционно-седиментационный (Cd, Cu) геохимические барьеры. Результаты снегомерной съемки на территории ВАО показали, что средняя по округу пылевая нагрузка в холодный период года примерно в 3 раза выше фонового значения, наибольшими выпадениями пыли характеризуются автомагистрали и промышленные зоны. Техногенная геохимическая специализация твердой фракции снега в Восточном округе определяется накоплением Mo (Кс=19, т.е. в 19 раз выше фона), Ag, Sb, As, W, Sn (6-4), V, Fe, Cr, Sr, Ni (3,9-2), Cd, Со, Bi (1,7-1,5). В выпадениях доминируют: Mo (Kd=176), W, Sb, As, Ag (18-14), Sn, Fe, Sr, V, Cr, Ni (10-6), Co, Zn, Mn, Cu, Bi, Cd, Ti (5-3). Наиболее высокая техногенная нагрузка поллютантов характерна для автомагистралей и промышленных зон, где размещены предприятия машиностроения и металлообработки, химической промышленности, энергетики, переработки твердых бытовых отходов. К элементам с высокой имиссией во всех зонах, кроме рекреационной и сельскохозяйственной, относятся Sb и As. Особую экологическую опасность представляют элементы с максимальными величинами выпадений и одновременно имеющие высокие концентрации в снеговой пыли – Mo, Ag, Sb, As, W, Sn. Для них увеличение имиссии на территории ВАО на порядок и более превышает фоновый уровень. Дополнительное загрязняющее воздействие на городские ландшафты оказывают Sr, V, Cr, Cd, Ni, Cu, Zn, Bi, для которых характерна значительная имиссия в сочетании в повышенной концентрацией в пылевых частицах. | ||
2 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Моделирование турбулентности и переноса загрязнений в городской среде |
Результаты этапа: 1. В вихреразрешающей модели пограничного слоя атмосферы ИВМ РАН/НИВЦ МГУ реализованы процедуры лагранжева переноса частиц в областях со сложной геометрией, в частности, при моделировании идеализированной городской застройки. Проведены тестовые расчеты по обтеканию тел простой формы, в которых одновременно рассчитывались траектории до 1 млрд. частиц. В модель включены параметризации процессов вовлечения частиц с поверхности с учетом их взаимодействия с течением и гравитационного оседания. Проведены расчеты турбулентного переноса взвеси тяжелых частиц вблизи поверхности, аналогом которых в природе является снежная поземка, с целью изучить ее способность воздействовать на турбулентность и приводить к изменению потока импульса на поверхности за счет эффектов стратификации двухфазной жидкости и инерции трассеров. В модель включена также параметризация воздействия слоя растительности на турбулентность и проведены тестовые расчеты при различных значениях индекса площади листьев и условий стратификации в пограничном слое. Таким образом, в основном создана вычислительная технология для расчета атмосферной турбулентности в городской среде и ее взаимодействия с процессами переноса примесей в городской среде. 2. На основе проведенной оценки чувствительности региональной климатической модели COSMO-CLM к изменению различных опций и используемых параметризаций определена оптимальная конфигурация, обеспечивающая наилучшее качество воспроизведения климатических условий Московского региона (фоновых загородных территорий) как для летнего, так и зимнего периодов. Проведен критический анализ сопряженной с моделью параметризации городской застройки TEB; выявлен ряд проблем, осложняющих ее дальнейшее применение для решения задач проекта; начата работа по апробации альтернативной параметризации городской застройки – схемы TERRA-URB. 3. На основе открытых пространственных данных OpenStreetMap сформирована база данных характеристик структуры подстилающей поверхности и геометрических параметров городских каньонов на сетке с пространственным разрешением 1 км, предназначенной для реализации модели COSMO_CLM. Сетка охватывает территорию Москвы и ближнего Подмосковья с пространственным размахом 145 км х 145 км. 4. Выполнена количественная оценка условий формирования и параметров аномалий тяжелых металлов и металлоидов (ТММ) в поверхностном слое городских почв как результат решения ряда взаимосвязанных задач на основе экспериментальной информации, полученной в 2015-2016 гг. для территории жилой зоны вблизи одной из крупных автомагистралей Восточного административного округа (ВАО) Москвы – Вешняковской ул. Выделены парагенетические ассоциации ТММ и элементов-приоритетных поллютантов в городских почвах ВАО, обладающих близким поведением, общими источниками и зонами аккумуляции; проведен анализ пространственного распределения отдельных ТММ и суммарного загрязнения на модельной территории в данном округе Москвы; определены ведущие техногенные и почвенно-геохимические факторы формирования аномалий ТММ в почвенном покрове. Установлено, что формирование техногенных аномалий ТММ в городских почвах обусловлено выпадением техногенных частиц определенной крупности, содержащихся в выбросах автотранспорта и промышленных предприятий. В результате, в городских почвах формируется сорбционно-седиментационный барьер, причем роль физико-химических свойств почв в закреплении техногенных металлов незначительна. | ||
3 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Моделирование турбулентности и переноса загрязнений в городской среде |
Результаты этапа: 1. При помощи LES-модели, содержащей блок лагранжева переноса частиц, проведены расчеты турбулентности и распространения мелкодисперсных примесей в городской среде. Рассматривалась упрощенная геометрия периодической последовательности городских каньонов при поперечном направлении среднего ветра. Для того, чтобы выяснить оказывают ли влияние граничные условия и избыточная вязкость среды на структуру среднего течения и турбулентность, а как следствие и на перенос примесей, выполнены LES-расчеты при двух значениях числа Рейнольдса (Re = 12000 и Re = 2 × 10^7 ) и проведен сравнительный анализ их результаты между собой и с данными лабораторных измерений. Показано, что для воспроизведения структуры течения в каньоне и корректного вычисления концентрации примеси в городской среде необходимо пространственное разрешение модели около 40 узлов сетки на ширину "улицы" и более. Численно показано, что для данной конфигурации обтекаемых объектов величина числа Рейнольдса не оказывает определяющего влияния на структуру течения и на распространение газообразной примеси, что говорит о возможности рассматривать данные лабораторных измерений при Re ~ 10^4 как аналог турбулентности в реальной городской среде. Выполнены расчеты переноса частиц сажи с размерами до семидесяти микронов в диаметре. Получены оценки предельных размеров частиц, для которых возможен перенос по последовательности каньонов. Показано, что наибольшая концентрация загрязнения в каньонах достигается для примесей, состоящих из частиц с размерами, близкими к предельному. Используя преимущества лагранжева подхода, изучены временные характеристики переноса примесей в городских каньонах при двух значениях отношения высоты "зданий" H к ширине "улиц" W (H/W=1 и H/W=2). Найдены и объяснены некоторые закономерности вентиляции "улиц". В частности, показано, что через определенное время от одномоментного выброса примеси наступает продолжительный этап экспоненциального убывания ее концентрации. На этом этапе коэффициент турбулентного обмена концентрацией безынерционной примеси между пограничным слоем атмосферы над городом и внутренней частью городских каньонов не зависит от геометрических характеристик каньонов и структуры турбулентного течения в них. Основные результаты проведенного исследования описаны в статье: Глазунов А.В. "Численное моделирование турбулентности и переноса мелкодисперсной примеси в городских каньонах" (принята к печати в журнале "Вычислительные методы и программирование"). 2. Впервые для основной депонирующей среды в городе – почвенного покрова – получена количественная оценка роли искусственного рельефа в его загрязнении тяжелыми металлами и металлоидами. На примере Восточного округа Москвы установлено, что загрязнение почв дифференцировано в зависимости от параметров застройки, которая на расстоянии от зданий менее 23-36 м при их суммарной площади более 660 м^2 и высоте более 7,5-21 м создает защитные барьеры-экраны для внутридворовых территорий, уменьшающие концентрации в почвах. в 1,2-3 раза. Противоположное, то есть, загрязняющее воздействие застройки проявляется в «колодцах-ловушках», образующихся в зависимости от металла на расстоянии менее 25-30 м от окружающих зданий при их высоте более 8,5-20 м, средней площади более 118-323 м^2 и общей площади более 323-1300 м^2. Влияние этих двух конфигураций застройки проявляется только при определенном направлении атмосферных потоков. В восточной Москве преобладают южные, западные и восточные ветры, защитой от которых служат здания, расположенные в северо-западном секторе относительно точки исследования. Увеличение их высоты и уменьшение расстояния до точки способствуют уменьшению концентраций в почвах. При увеличении средней или суммарной площади зданий в северо-восточном и юго-западном секторах формируются зоны осаждения из атмосферы. Различие пороговых значений параметров застройки, при которых происходит увеличение концентраций в городских почвах селитебной зоны, связано с неоднородностью обогащения частиц различного диаметра, поступающих с транспортными и промышленными выбросами и переносимых воздушными потоками на разное расстояние. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".