Numerical Study of the Susuplume Air Pollution Model

В настоящей работе предложена модель рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе SUSUPLUME, представляющая собой модификацию классической модели гауссового шлейфа (Gaussian plume model). Представленная модель описывает динамику рассеяния с учетом различных факторов: метеорологической обстановки, параметров источника загрязнения. Уравнения классической модели дополнены уравнениями движения центра масс единичного выброса. Численное исследование показало, что в стационарных метеоусловиях представленная модель качественно совпадет с другими известными моделями. Результаты расчета концентраций загрязняющих веществ не противоречат полученным значениям на основе методики ММР 2017, утвержденной к применению на территории Российской Федерации. Модель также содержит ряд идентифицируемых параметров, с помощью которых она может быть адаптирована к реальным условиям. Вычислительно модель состоит из двух блоков: блока регистрации измерительной информации и блока расчета концентраций загрязняющих веществ. Блок регистрации измерительной информации имеет низкую трудоемкость (свыше миллиона регистраций в секунду). Блок расчета концентраций загрязняющих веществ имеет высокую трудоемкость (около 400 точек вычислений концентрации в секунду), но поскольку все концентрации в представленной модели рассчитываются независимо, то это позволяет в перспективе использовать распараллеливание вычислительного процесса.

Ключевые слова

модель распространения загрязняющих веществ; гауссова модель; метод Ромберга.

Литература

1. Krupnova, T.G. Short Communication: Effect of Urban Greening and Land Use on Air Pollution in Chelyabinsk, Russia / T.G. Krupnova, O.V. Rakova, A.L. Plaksina, S.V. Gavrilkina, E.O. Baranov, A.D. Abramyan // Biodiversitas. - 2020. - V. 21, № 6. - P. 2716-2720.
2. Об утверждении методов расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе. - M.: Ростехнадзор, 2017.
3. Tao, Z. Effect of Land Cover on Atmospheric Processes and Air Quality Over the Continental United States - A NASA Unified WRF (NU-WRF) Model Study / Z. Tao, J.A. Santanello, M. Chin, S. Zhou, Q. Tan, E.M. Kemp, C.D. Peters-Lidard // Atmospheric Chemistry and Physics. - 2013. - V. 13. - P. 6207-6226.
4. Kai Wang. Implementation and Initial Application of a New Chemistry-Aerosol Option in WRF/Chem For Simulation of Secondary Organic Aerosols and Aerosol Indirect Effects / Kai Wang, Yang Zhang, Khairunnisa Yahya, Shiang-Yuh Wu, G. Grell // Atmospheric Environment. - 2015. - V. 115. - P. 716-732.
5. Khairunnisa Yahya. Modeling Regional Air Quality and Climate: Improving Organic Aerosol and Aerosol Activation Processes in WRF/ Chem Version 3.7.1 / Khairunnisa Yahya, Glotfelty T., Kai Wang, Yang Zhang, A. Nenes // Geoscientific Model Development. - 2017. - V. 10. - P. 2333-2363.
6. Jian He. Impacts Of Air-Sea Interactions on Regional Air Quality Predictions Using a Coupled Atmosphere-Ocean Model in Southeastern U.S. / Jian He, Ruoying He, Yang Zhang // Aerosol and Air Quality Research. - 2018. - V. 18. - P. 1044-1067.
7. Solazzo, E. A Novel Methodology for Interpreting Air Quality Measurements from Urban Streets Using CFD Modelling / E. Solazzo, S. Vardoulakis, X. Cai // Atmospheric Environment. - 2011. - V. 45. - P. 5230-5239.
8. Gmez-Losada, A. A Data Science Approach for Spatiotemporal Modelling of Low and Resident Air Pollution in Madrid (Spain): Implications for Epidemiological Studies / A. Gmez-Losada, F.M. Santos, K. Gibert, J.C.M. Pires // Computers, Environment and Urban Systems. - 2019. - V. 75. - P. 1-11.
9. Sanchez, B. Modelling NOX Concentrations Through CFD-RANS in an Urban Hotspot Using High Resolution Traffic EmissionsaAnd Meteorology from a Mesoscale Model / B. Sanchez, J.L. Santiago, A. Martilli, F. Martin, R. Borge, C. Quaassdorff, D. De La Paz // Atmospheric Environment. - 2017. - V. 163. - P. 155-165.
10. Kamenetsky, E.S. Aerodynamics of Mountain Valleys with Varying Cross Sections / E.S. Kamenetsky, A.A. Radionoff // Boundary-Layer Meteorology. - 1999. - V. 91. № 2. - P. 191-197.
11. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (OНД-86). - Л.: Гидрометеоиздат, 1987.
12. Генихович, Е.Л. Основные направления доработки нормативного документа ОНД-86 по расчету рассеивания в атмосфере выбросов загрязняющих веществ / Е.Л. Генихович. - СПб.: НПК " Атмосфера" при ГГО им. А.И. Воейкова, 2002.
13. Hurley, P.J. TAPM: A Practical Approach to Prognostic Meteorological and Air Pollution Modelling / P.J. Hurley, W.L. Physick, A.K. Luhar // Environmental Modelling and Software. - 2005. - V. 20, № 6. - P. 737-752.
14. Hurley, P. TAPM V4. User Manual / P. Hurley // CSIRO Marine and Atmospheric Research Internal Report. - 2008. - № 5. - 35 p.
15. Gifford, F.A. Turbulent Diffusion Typing Schemes: a Review / F.A. Gifford // Nuclear Safety - 1976. - V. 17, № 1. - P. 68-86.
16. Atmospheric Dispersion Models for Application in Relation to Radionuclide Release // International Atomic Energy Agency, Technical Publications, V. 379. - 1986. - 138 p.
17. Беспалов, М.С. Моделирование распространения примеси в атмосфере как инструмент воздухоохранной деятельности / М.С. Беспалов // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. - 2016. - Т. 27, № 1.- C. 74-85.
18. Бызова, Н.Л. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси / Н.Л. Бызова, Е.К. Гаргер, В.Н. Иванов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991.
19. Бызова, Н.Л. Турбулентность в пограничном слое атмосферы / Н.Л. Бызова, В.Н. Иванов, Е.К. Гаргер. - Л.: Госкомгидромет, 1989.
20. The AMS/EPA Regulatory Model - AERMOD. - U.S. Environmental Protection Agency, 2004. EPA-454/B-03-001.
21. Scire, J.S. Model Formulation and User’s Guide for the CALPUFF Dispersion Model / J.S. Scire, D.G. Strimaitis, R.J. Yamartino // California Air Resources Board, 1990.
22. Брыкин, С.Н. Методика разработки нормативов предельно-допустимых выбросов радиоактивных веществ в атмосферный воздух. Т. 2 / С.Н. Брыкин, В.В. Марковский, И.С. Серебряков. - 2010. - 216 c.
23. Берлянд, М.Е. Прогноз и регулирование загрязнений атмосферы / М.Е.Берлянд. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985.
24. Scire, J. User’s Guide to the MESOPUFF II Model and Related Processor Programs / J. Scire, F. Lurmann, A. Bass, S. Hanna. - U.S. Environmental Protection Agency, Washington, EPA/600/8-84/013 (NTIS PB84181775), 1984.
25. Romberg, W. Vereinfachte numerische Integration / W. Romberg // Det Kongelige Norske Videnskabers Selskab Forhandlinger, Trondheim, 1955. - V. 28, № 7. - P. 30-36. (in German)