Физические механизмы и экологические проблемы загрязнения атмосферного пограничного слоя над неоднородными поверхностями (1097952), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Такая проблема теперьрешалась уже не только как гидродинамическая задача обтекания горныхмассивов, но и как часть актуальной задачи о переносе примеси над такимигорными регионами. Анализ топографии центрального района Израиляпоказывает, что расчетную областьможно разделить на четыре части : первая- море и береговая зона; вторая - Иудейские Горы, высота которых порядка от200 м до 1 км, ширина около 40−50 км; третья − озеро Кинерет и Мертвое море,высота ниже уровня моря от 300 до 400 м и ширина около 40 км;четвертая −Иорданские Горы, высота которых около 1 км и ширина около 40 км (внутрирасчетнойобласти).Такойрельефзаставляетнатекающийпотокприспосабливаться до натекания на горные массивы.
Поэтому, высотаинверсионного слоя и вообще высота поверхности потока увеличивается передгорами. Особый случай представляетрайон Хайфы, где Кармельские Горыпрактически начинаются от берега моря. Поэтому расчет переноса примеси вэтом районе особенно сложен, так как характеристика движения в основномопределяется топографией.Обтекание центрального района Израиля с шагом сетки 5 км приведено нарис.2.Рисунокпоказываетотклоненияповерхностейпостояннойпотенциальной температуры от невозмущенного состояния. Из анализаповерхности потока высотой 1 км видно, что поверхность начинаетприподниматься за 10- 15 км до первой изолинии высотой 100 м по сравнению сневозмущенной поверхностью.
Поверхность течения в районе Мертвого моря иКиннерета более изрезанная.Расчеты, показанные на рис. 3 и относящиеся к району Хайфы, с шагом 2км, показывают возможность “проседания” поверхностей тока, возникновениязастойных зон (слабо проветриваемой зоны) к востоку Кармельского хребта.Этот рисунок также дает изолинии отклонения (в соответствующих единицах)поверхностей постоянной потенциальной температуры от невозмущенногосостояния. Очевидно, что топография оказывает слабое влияние на расстоянии2310 км от гор к южной части расчетной области. Поверхность течения начинаетприподниматься на расстоянии около 10 км от Хадеры, т. е. учитываяпротяженность планетарного пограничного слоя, возможен дальний переносвлияния примесей от локальных источников в этом регионе.Рис.
2. Изолинии приземнойРис. 3. Изолинии приземнойпотенциальной температуры дляпотенциальной температуры дляцентрального района Израиля.района Хайфы.Теперь применим систему уравнений (2.6) для расчета обтекания Кипра,большую часть которого занимают горы.Изрезультатованализареальныхданных,полученныхизМетеорологического Центра Кипра, одним из самых типичных синоптическихпроцессов для Кипра является западный перенос. Направление ветра позволяетнам поставить задачу обтекания для Кипра, как задачу в канале.Из рассмотренных примеров обтекания горных систем атмосфернымипотоками моделирование задачи обтекания Кипра с точки зрения правильнойпостановки гидродинамической проблемы представляется наиболее корректной.Действительно, так как Кипр представляет из себя остров размером около 140км с юга на север и 230 км с запада на восток, взяв область для расчетаразмером порядка 300*400 км и поместив Кипр в центр расчетной области, мывправе рассматривать задачу в канале в предположении, что на боковых стенкахвыполняетсяусловиенепротекания,анавстречупотокувозмущения24уменьшаются.
Согласно данным метеослужбы Кипра, существуют два наиболееважных с точки зрения синоптических масштабов атмосферных процессов −западный перенос и южный ветер (из Африки). Большая часть осадковвыпадает при западных ветрах. Поскольку, как и при обтекании СеверногоИзраиля, решение задачи обтекания использовалось для моделирования задачипереноса примеси, необходимо сочетать решение задачи как для всего Кипра,так и для его основного курортного района Ларнака − Лимассол.Рис. 5.
Моделирование обтекания Кипра.Выбор района Зиги для моделирования (мелкомасштабные процессы) былпроизведен из-за присутствия источников примесей. Шаг сетки по вертикалиопределяется необходимостью учета движений в нижних слоях атмосферы, итак как в соответствии с данными, для типичного нижнего атмосферного слоявысота инверсии равняется около 500 м.Расчеты для этого региона с шагом сетки 2 км указывают на возможностьвозникновения застойных (слабо-проветриваемых) зон к югу от хребта25Профитис Елиас (рис.
6). При определенных условиях зоны проседанияповерхностей потока могут возникать и между горами (рис. 5). Таким образом,даже чисто гидродинамическое моделирование обтекания различных горныхрайонов Кипра может дать информацию и о местах торможения внешнегопотока, (где развитие городской инфраструктуры и производство энергии,сопровождающееся выбросом загрязнений, нежелательно).
Поэтому была данарекомендация о желательном расположении крупной электростанции в районе,отмеченном крестиком на рис. 5.Рис. 6. Расчеты длярегиона Зиги с шагомсетки 2 кмВторая глава посвящена исследованию влияния вновь опустыненныхтерриторий на аэрозольное загрязнение атмосферы и на возникающие при этомэкологические проблемы для окружающих регионов.Можно выделить два типичных метеорологических процесса, приводящихк выносу пылесолевых частиц в атмосферу в аридных регионах: пыльные бурина холодном фронте и неоднородное нагревание барханной поверхности.Поскольку поверхность бархана наклонена к горизонту, то даже небольшой(1-2°C)перепадмикроциркуляциютемпературынатемпературытипадлиненарасстояниигорно-долинногобарханадают10ветра.-мвызываетИзмеренияперепадавеличину155-10°C.Этиминициркуляционные ячейки охватывают приземный слой толщиной порядканескольких десятков метров, но они включаются в более крупные ячейки,26обусловленные процессами в планетарном слое атмосферы, которые в своюочередь связаны с процессами субсиноптического и синоптического масштаба.Процесс возникновениямикромасштабных циркуляционных ячеек типабриза и горно-долинного ветра, вызванных градиентами температуры на малыхпространственныхмасштабахможнообъединитьобщимтермином“термоконвекция”.
Несмотря на то, что термоконвекция вызывает слабые ветры- порядка 3-5 м/с, этого оказывается достаточным для создания и поддержанияпылевых структур и, значит, пылесолепереноса.В литературе, в основном, предполагается, что основным механизмомэрозии почвы при сильном ветре и эмиссии частиц почвы в атмосферу припыльных бурях являются сальтационные процессы, при которых частицы сразмерами порядка 20-100 мкм (такие частицылегче всего отрываются отповерхности турбулентными напряжениями). поднимаются в приповерхностномслое и при падении на поверхность выбивают частицы более мелких размеров,которые переносятся турбулентными движениями в высокие слои атмосферы.Сальтация крупных частиц почвы и является основным механизмом,инициирующем пыльную бурю.
Существующие модели влияния аридныхтерриторийнаэкспериментальныеданныесвязываютпараметрыэмитированных поверхностью частиц с величиной динамической скорости вприземном пограничном слое u* и не учитывают термоконвективные процессы,зависящие от нагрева поверхности.Эмиссия почвенных частиц, происходящая в организованных вихревыхструктурах пограничного слоя (например, пыльные дьяволы), возникает придостаточно сильном ветре с динамической скоростью превышающей ~20 см/с.
Втоже время, результаты проведенных натурных измерений указывают навозможность выноса тонкодисперсного аэрозоля из почвы в условиях, которыене классифицируются как пыльные бури (величина динамической скоростиниже критического значения). Наблюдаемые в экспериментах выносытонкодисперсного аэрозоля с размерами частиц менее 1 мкм не могут бытьобъяснены подобным образом, за исключением случаев формирования в27пограничном слое интенсивных вихрей (типа «пыльных дьяволов»), которыемогут создавать локальные области с высокой скоростью потока. Однако, какпоказываютизмерения,пыльныедьяволыобычнонеподнимаюттонкодисперсный аэрозоль. Однако, при обтекании неровностей подстилающейповерхности – барханов, в случаях сильной температурной неоднородностиподстилающейповерхности,вызывающихусилениелокальныхветров,тонкодисперсный аэрозоль может выноситься в атмосферу.3 Полевые исследования – результаты и анализ данныхПроведенные в 1991-1992 гг.
полевые экспериментальные исследования вПриаралье в соответствие с существующими в литературе представлениямибыли направлены на изучение влияния пыльных бурь на атмосферу и условийформирования интенсивных вихревых структур, термиков и "неподвижныхстолбов" (вертикальных струй).Эти комплексные экспериментальные исследования были продолжены в1995-19996гг в единственной в Европе пустыне (Черные земли Калмыкии), Онивключали наземные и самолетные измерения выносов и распределения аэрозоляв пограничном слое. При полевых исследованиях использовались локальныедатчики и дистанционные методы зондирования, включая оптические,акустические и лидарные.
Анализ данных по распределению аэрозоля иметеорологических данных показал присутствие в атмосфере значительногоколичества тонкодисперсного аэрозоля(<3-5 мкм), поднимаемого в атмосферупри жаркой маловетреной погоде с относительной влажностью воздуха ниже40%.Анализ функций распределения аэрозольных частиц вблизи поверхностиЗемли и при самолетных измерениях на высоте~1км показал, что в отсутствиесильного ветра в воздух поднимаются частицы(<3-5 мкм).
При этом.проводилсяанализ содержания элементов . с использованием оптической иэлектронной микроскопии в грунте и пробах аэрозоля во время полётов насамолёте, который показал различие элементного состава приземного аэрозоляи самолетных проб.28Содержание элементов в грунте и пробах аэрозоля во времяполётов на самолёте в 1996 годуРис. 7.Таблица 1.Относительное содержание в грунте пустыньчастиц различных размеров.Размерчастиц, мкм <1 1-3 3-5 5-10 10-20 20-50 50-250КалмыкияСодержание%6.2 2.9 0.7 0.5 0.52.586.6ДубаиСодержание%1.78 0.44 0.11 0.34 0.15 0.35 96.36Рис 8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
