Modeling Pollutant Transport and Diffusion in the Atmospheric Boundary Layer Considering Terrain Orography and Meteorological Factors

N. Ravshanov; F. Kamoliddinova; Yuanyao Lu

doi:10.71310/pcam.5_76.2026.10

Авторы

Н. Равшанов Научно-исследовательский институт развития цифровых технологий и искусственного интеллекта Автор
Ф. Камолиддинова Научно-исследовательский институт развития цифровых технологий и искусственного интеллекта Автор
Yuanyao Lu Северо-Китайский технологический университет Автор

DOI:

https://doi.org/10.71310/pcam.5_76.2026.10

Ключевые слова:

математическое моделирование, численные методы, метеорологические условия, орография местности, загрязняющие вещества, влажность и температура воздуха, вычислительные эксперименты

Аннотация

В статье рассматривается задача моделирования процесса переноса и диффузии загрязняющих веществ и аэрозольных мелкодисперсных частиц в пограничном слое атмосферы с учётом орографических особенностей земной поверхности, скорости движения воздушных масс, температуры, влажности и плотности воздуха, диаметра частиц, коэффициентов диффузии и поглощения, а также взаимодействия загрязняющих веществ с подстилающей земной поверхностью и других внешних факторов. На основе предложенного математического аппарата проведены вычислительные эксперименты, в ходе которых выявлено, что высокая скорость ветра в сочетании с неустойчивой стратификацией атмосферы и интенсивным переносом примесей приводит к значительному увеличению концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы. Установлено, что при рассеивании вредных веществ в атмосфере основную роль играют горизонтальные потоки. Решены тестовые задачи при различных значениях размера частиц (dp = 10⁻⁷, 10⁻⁸ и 10⁻⁹ м). Установлено, что с течением времени при уменьшении размера частиц область их распространения существенно расширяется в направлении движения воздушной массы. Вычислительными экспериментами установлено, что при скоростях ветра u = 2 м/с, v = 0 м/с, w = 0,05 м/с и температуре воздуха в диапазоне T = 20–30 ∘C распространение загрязняющих веществ происходит преимущественно в горизонтальном направлении. При низкой скорости ветра наблюдается накопление загрязняющих веществ вблизи источника, тогда как при увеличении скорости ветра до u = 4 м/с, v = 4,5 м/с, w = 0,05 м/с происходит ускоренное удаление загрязняющих веществ от источника. При вертикальной скорости ветра w = 4,5 м/с происходит подъём частиц в верхние слои атмосферы, что способствует снижению их концентрации у поверхности земли с течением времени. Установлено, что при относительной влажности воздуха 80% скорость осаждения частиц увеличивается в 1,442 раза; при влажности 90% — в 1,765 раза; а при влажности 95% — в 2,190 раза.

Библиографические ссылки

Giovannini L., Ferrero E., Karl T. [et al.] 2020. Atmospheric pollutant dispersion over complex terrain: challenges and needs for improving air quality measurements and modeling. Atmosphere. 11(6): Art. 646. doi: https://doi.org/10.3390/atmos11060646.

Ravshanov N., Sharipov D. K., Narzullaeva N. 2016. Improved mathematical model of the processes of transport and diffusion of harmful substances in the surface boundary layer of the atmosphere. Scientific Review. Technical Sciences. 4: 49–59. (In Russian)

Ravshanov N., Nasrullaev P. 2024. Mathematical modeling of the process of transport and diffusion of pollutants in the surface layer of the atmosphere taking into account the terrain. Problems of Computational and Applied Mathematics. 6(62): 5–22. (In Russian)

Lai H.-C., Lin M.-C. 2020. Characteristics of the upstream flow patterns during PM2.5 pollution events over a complex island topography. Atmospheric Environment. 227: Art. 117418. doi: https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2020.117418.

Jia W., Zhang X. 2020. The role of the planetary boundary layer parameterization schemes on the meteorological and aerosol pollution simulations: a review. Atmospheric Research. 239: Art. 104890. doi: https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2020.104890.

Cheng F.-Y., Wang Y.-T., Huang M.-Q. [et al.] 2022. Boundary layer characteristics over complex terrain in Central Taiwan: observations and numerical modeling. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 127(2): Art. e2021JD035726. doi: https://doi.org/10.1029/2021JD035726.

Wang Y., Hao Y., Zhou Y. [et al.] 2025. Quantitative and mechanistic study of the effect of river valley topography on urban scale pollution dispersion. Environmental Pollution. 383: Art. 126848. doi: https://doi.org/10.1016/j.envpol.2025.126848.

Kholmatzhanov B. M. 2010. Modeling of pollutant transport in the atmospheric boundary layer (using the Akhangaran Valley as an example, taking into account mesoeffects). Extended abstract of Cand. Sci. (Geogr.) dissertation. Tashkent. 24 p. (In Russian)

Ravshanov N., Shertaev M., Toshtemirova N. 2015. A mathematical model for the study and forecast of the concentration of harmful substances in the atmosphere. American Journal of Modeling and Optimization. 3(2): 35–39. doi: https://doi.org/10.12691/ajmo-3-2-1.

Danchenko V. K., Ivlev L. S. 2001. On the identification of aerosols of different origins. In: Proc. 3rd International Conference “Natural and Anthropogenic Aerosols”. St. Petersburg. P. 41–52. (In Russian)

Lavrinenko R. F. 2001. On the formation of the chemical composition of atmospheric precipitation. In: Proc. 3rd International Conference “Natural and Anthropogenic Aerosols”. St. Petersburg. P. 14–35. (In Russian)

Ravshanov N., Muradov F., Akhmedov D. 2020. Operator splitting method for numerical solving the atmospheric pollutant dispersion problem. Journal of Physics: Conference Series. 1441: Art. 012164. doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1441/1/012164.

Raputa V. F., Shlychkov V. A., Lezhenin A. A., Romanov A. N., Yaroslavtseva T. V. 2014. Numerical analysis of data on aerosol fallout of impurities from a high-altitude source. Optika Atmosfery i Okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 27(8): 713–718. EDN: SMGMXX. (In Russian)

Ravshanov N., Nabieva I. S. 2024. Mathematical modeling of the process of propagation of harmful substances in the atmosphere taking into account temperature, physical and chemical properties. International Journal of Theoretical and Applied Issues of Digital Technologies. 7(4): 27–32. doi: https://doi.org/10.62132/ijdt.v7i4.216. (In Russian)

Kordzadze A. 2007. Air, water and soil quality modeling for risk and impact assessment. In: Mathematical Modeling of Dynamic Ecological Processes in Systems “Sea–Land–Atmosphere”. P. 181–193.

Sukhinov A. I., Khachunts D. S., Chistyakov A. E. 2015. Mathematical model of impurity propagation in the atmospheric surface layer and its software implementation on a multiprocessor computing system. Vestnik of Ufa State Aviation Technical University. 19(1(67)): 213–223. (In Russian)

Zhong J., Cai X.-M., Bloss W. J. 2016. Coupling dynamics and chemistry in the air pollution modelling of street canyons: a review. Environmental Pollution. 214: 690–704. doi: https://doi.org/10.1016/j.envpol.2016.04.052.

Ravshanov N., Zhuraboeva O., Boborakhimov B., Sharipov Kh. 2025. Modeling the spread of pollutants in the atmosphere taking into account the relief and meteorological conditions. Problems of Computational and Applied Mathematics. 4(68): 38–46. doi: https://doi.org/10.71310/pcam.4_68.2025.01. (In Russian)

Arya S.P. 1999. Meteorology and dispersion of pollutants in the atmosphere. Oxford: Oxford University Press. [20] Ravshanov N., Nabieva I., Sapaeva D., Hojiev N. 2025. Mathematical modeling of the distribution of pollutants in the atmosphere, taking into account their physical and mechanical properties. Proc. of SPIE. 13662: 136620K-1–136620K-6. doi: https://doi.org/10.1117/12.3072577.

Ravshanov N., Nabieva I., Zhurabaeva O. 2025. Mathematical modeling of the spatiotemporal distribution of pollutants in the atmosphere. International Journal of Theoretical and Applied Issues of Digital Technologies. 63–69. doi: https://doi.org/10.62132/ijdt.v8i3.287. (In Russian)

Ravshanov N., Nabieva I. S., Boborakhimov B. I. 2025. Software for predicting the spread of harmful substances in the atmosphere, taking into account their type and wind speed. Problems of Computational and Applied Mathematics. 2/2(66): 54–59.

Nabieva I. S. 2025. Numerical modeling of the transport and diffusion of pollutant particles taking into account airflow characteristics and temperature. Problems of Computational and Applied Mathematics. 1(63): 27–40.

Ravshanov N., Boborakhimov B., Nabiyeva I. S. 2026. Mathematical modeling of the distribution of harmful substances in the atmosphere in variable-direction currents. Information Technologies of Modeling and Control. 2(144): 123–131.

Shafiev T., Nazarov Sh. 2023. Studies of the influence of vegetation cover on the process of transfer and diffusion of harmful substances in the atmosphere. E3S Web of Conferences. 431. doi: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202343101059.

Ravshanov N. K., Tashtemirova N. N., Muradov F. A., Ravshanov Z. N. 2021. Systems methodology of mathematical modeling of the mass transfer process in the atmosphere. Tashkent: Navruz. 280 p. (In Russian)

Ravshanov N., Nazarov Sh. E., Boborakhimov B. 2022. Modeling the process of transfer and diffusion of aerosol particles in the atmosphere taking into account the capture of particles by vegetation elements. In: Ecological Readings – 2022. (In Russian)