Математическое моделирование процесса переноса и диффузии загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы с учетом рельефа местности

Н. Равшанов; П. Насруллаев

Авторы

Н. Равшанов Ташкентский педиатрический медицинский институт Автор
П. Насруллаев Научно-исследовательский институт развития цифровых технологий и искусственного интеллекта Автор

Ключевые слова:

математическая модель, конечно-разностный метод, перенос и диффузия загрязняющих веществ, рельеф местности, динамическая вязкость атмосферы

Аннотация

Для мониторинга и прогнозирования экологического состояния приземного слоя атмосферы в работе предложены математическая модель и численный алгоритм, учитывающие погодные и климатические факторы. В модели отражены: скорости движения воздушных масс и осаждения частиц в пограничном слое атмосферы, их влияние на концентрацию загрязняющих веществ в результате разложения и фотохимических трансформаций, а также снижение концентрации из-за вымывания, зависящего от интенсивности осадков. В расчетах также учитываются другие возмущающие факторы, воздействующие на процесс переноса и диффузии аэрозольных частиц. Скорость осаждения частиц рассчитывается с учетом их диаметра, плотности, ускорения силы тяжести и динамической вязкости атмосферы. Процесс переноса и диффузии загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы разделен на две подзадачи. Для вычисления концентрации загрязняющих веществ в атмосфере решаются уравнения гидромеханики с соответствующими краевыми условиями. Для учета орографии местности рассматривается задача течения идеальной несжимаемой жидкости, где поле скоростей определяется решением уравнения для потенциала скорости с учетом деформации потока при обтекании рельефа.

Библиографические ссылки

Воронов О.В. и др. К вопросу применения моделей пограничного слоя атмосферы для расчета загрязняющих примесей от разнообразных источников // Наука и техника транспорта. – 2021. – № 1. – С. 82-87.

Седляров О.И., Бородина Е.С. Моделирование распространения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы с учетом влияния застройки и рельефа местности // Промышленные процессы и технологии. – Т. 2, № 4. – 2022. – С. 9-21. – doi: http://dx.doi.org/10.37816/2713-0789-2022-2-2(4)-8-25.

Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1975. – 448 с.

Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 272 с.

Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1970. – 342 c.

Peri´a˜nez R. et al. Оценка вертикального коэффициента турбулентной диффузии выбросов промышленных предприятий // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. – 2015. – Т. 51. – № 4. – С. 502-507.

Lateb M. et al. On the use of numerical modelling for near-field pollutant dispersion in urban environments: a review // Environmental Pollution. – 2016. – Vol. 208. – P. 271-283. – doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.envpol.2015.07.039.

Martins V. et al. Origin of inorganic and organic components of PM2.5 in subway stations of Barcelona // Environmental Pollution. – 2016. – Vol. 208. – P. 125-136. – doi: http: //dx.doi.org/10.1016/j.envpol.2015.07.004.

Yang T. et al. A mathematical model for soil solute transfer into surface runoff as influenced by rainfall detachment // Sci. Total Environ. – 2016. – Vol. 557-558. – P. 590-600. – doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.03.087.

Anderson P., Paulo X., Davidson M. Simulation of atmospheric pollutant dispersion considering a bi-flux process and fractional derivatives // Atmospheric Pollution Research. – 2020. – Vol. 11, Issue 1. – P. 57-66.

Sharan M., Gopalakrishnan S. Mathematical Modeling of Diffusion and Transport of Pollutants in the Atmospheric Boundary Layer // Pure appl. geophys. – 2003. – Vol. 160. – P. 357-394. – doi: http://dx.doi.org/10.1007/s00024-003-8784-5.

Lorenzo G. et al. Atmospheric Pollutant Dispersion over Complex Terrain: Challenges and Needs for Improving Air Quality Measurements and Modeling // Atmosphere. – 2020. – Vol. 11. – doi: http://dx.doi.org/10.3390/atmos11060646.

Weichenthal S. et al. Characterizing the spatial distribution of ambient ultrafine particles in Toronto: a land use regression model // Environmental Pollution. – 2016. – Vol. 208. – P. 241-248. – doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.envpol.2015.04.011.

Halonen J.I. et al. Is long-term exposure to traffic pollution associated with mortality? A small-area study in London // Environmental Pollution. – 2016. – Vol. 208. – P. 25-32. – doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.envpol.2015.06.036.

Hong Y. et al. Integrating atmospheric deposition, soil erosion and sewer transport models to assess the transfer of traffic-related pollutants in urban areas // Environmental Modelling & Software. – 2017. – Vol. 96. – P. 158-171. – doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.envsoft.2017.06.047.

Halonen J.I. et al. Long-term exposure to traffic pollution and hospital admissions in London // Environ. Pollut. – 2016. – Vol. 208. – P. 48-57. – doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.envpol.2015.09.051.

Ravshanov N., Tashtemirova N.N., Ubaidullaev M.Sh. Direct and connected problem of transport of harmful substances in the atmosphere, taken into account of the absorption and capture of particles by vegetation in the ground layer // Bulletin of TUIT: Management and Communication Technologies. – 2024. – № 2(14). – https://shorturl.at/8mUvP.

Равшанов Н., Таштемирова Н., Каршиев Д.А. Моделирование процесса распространения аэрозольных частиц в пограничном слое атмосферы с учетом их поглощения и захвата растительным покровом // Проблемы вычислительной и прикладной математики. – 2024. – №2(56). – С. 41-57.

Shafiev T., Nazarov Sh. Studies of the influence of vegetation cover on the process of transfer and diffusion of harmful substances in the atmosphere // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 431. – P. 1-11. – doi: http://dx.doi.org/10.1051/e3sconf/202343101059.

Равшанов Н., Назаров Ш.Э., Расулмухаммедов А. Исследование основных параметров процессе диффузии вредных веществ в атмосфере // Проблемы вычислительной и прикладной математики. – 2022. – №2/1(40). – С. 174-191.

Ravshanov N., Nazarov Sh.E., Boborakhimov B. Modeling the Process of Pollutant Spread in the Atmosphere with Account for the Capture of Particles by Vegetation Elements // Lobachevskii Journal of Mathematics. – 2024. – Vol. 45, No. 3. – P. 1156-1169.

Gutko E. CFD modeling of the atmosphere pollution in the case of accidents for solving monitoring problems // Вiстник Днiпропетровского унiверситета. Механiкa. – 2013. – Т. 1, Вип. 17. – С. 163-168.

Самарский А.А. Теория разностных схем.. – М.: Наука, 1983. – 616 с.

Полянин А.Д. Справочник по точным решениям уравнений тепло-массопереноса. – М.: Факториал, 1998. – 368 с.