Досліджено основні закономірності просторово-часового розподілу атмосферного аерозолю над Україною за даними наземних та супутникових спостережень протягом 2003 - 2012 рр. Вперше виконано наземні спостереження портативним сонячним фотометром Microtops II в різних регіонах України. Розроблено алгоритм перехресного калібрування фотометра Microtops II з сонячним фотометром Cimel. Вперше виконано порівняння супутникових даних Polder з наземними вимірюваннями мережі Aeronet в атмосфері над Україною та підтверджено достовірність використання супутникових даних для оцінювання розподілу аерозолю над Східною Європою. Виявлено два максимуми значень оптичної товщини аерозолю протягом року: у квітні - травні та серпні - вересні. Встановлено сезонні закономірності розподілу аерозолю за розміром над Україною. Збільшення значень аерозольної оптичної товщини весною та в кінці літа відповідає відносному збільшенню вмісту дрібнодисперсного аерозолю. Спостерігається збільшення кількості крупнодисперсного аерозолю в атмосфері над Києвом з квітня до серпня, а потім зменшення до листопада. Вперше для території України одержано оцінки забруднення атмосфери за даними супутникових спостережень поляриметра Polder. Виявлено географічні регіони, відповідальні за епізоди підвищеної концентрації крупно- та дрібнодисперсної фракцій аерозолів, за допомогою методу траєкторної статистики.

Створено ефективні алгоритми та програмні засоби для оцінки за даними оптичного зондування дисперсного складу аерозолів з великими сильнопоглинальними частинками. Розроблено математичну модель спектральної залежності коефіцієнта аерозольного ослаблення та встановлено для неї залежність похибки зміщення від частки великих частинок, на основі якої запропоновано методику оцінки області розв'язків і вибору початкових наближень для інтегрального рівняння аерозольного світлорозсіювання. Розроблено проекційний метод гістограм для алгебризації інтегрального рівняння, розв'язок якого шукається шляхом мінімізації відхилу у просторі Соболєва 2-го порядку. Сформульовано основні вимоги до вимірювальних пристроїв та створено алгоритм їх калібрування.

Системно проаналізовано проблеми оцінки, прогнозування та управління техногенним забрудненням прикордонного шару атмосфери (ПША) в мезометеорологічному та локальному масштабах, синтезу на даній основі інформаційних систем. Розроблено узагальнену структурну схему системи аналізу, прогнозування й управління техногенним забрудненням ПША регіону, проблемну систему, цільові базові моделі забруднення ПША в мезо- та локальному масштабах, та на їх основі моделі та структурні схеми, принципи, математичні моделі та засоби, програмні засоби, завдяки яким створено інтегровані інформаційні системи обробки фактичної інформації, аналізу та прогнозування техногенного забруднення ПША регіону (мезометеорологічний масштаб) та його великих промислових центрів (локальний масштаб) великими стаціонарними джерелами викидів, математичну модель і структурну схему системи прийняття управлінських рішень за умов змішаної інформації для розподілених моніторингових систем, зважаючи на особливості роботи регіональних центрів екологічного моніторингу України. З використанням математичних засобів системного аналізу, моделювання багаторівневих ієрархічних систем розв'язано математичну задачу оптимального управління - побудовано структурну схему дворівневої системи управління, розподілено повноваження (групи керівних параметрів) між рівнями системи. Розроблено стратегії оптимального управління для кожного рівня.

Розроблено нові схеми параметризації вертикальної турбулентної дифузії атмосферних аерозольних домішок. Запропоновано новий підхід до математичного моделювання вертикальної турбулентної дифузії - метод двопараметричної параметризації - з використанням в явному вигляді двох параметрів: середньоквадратичної швидкості вертикальних турбулентних рухів і характерного часу кореляції лагранжевої швидкості частинок аерозолю. Зазначено, що двопараметрична параметризація базується на основі кінетичного рівняння Фоккера - Планка та дозволяє здійснити певні уточнення результатів, одержаних у разі використання напівемпіричної К-теорії. Проаналізовано вплив седиментації аерозольних частинок на їх вертикальну турбулентну дифузію. Використано фізичну ідею про скорочення характерного часового лагранжевого масштабу турбулентного руху аерозольних частинок завдяки їх більш швидкому проходженню крізь турбулентні утворення в середовищі. Одержано нову формулу (параметризацію), яка виражає залежність вертикального коефіцієнта турбулентної дифузії аерозольних частинок від їх швидкості седиментації. Проаналізовано можливості використання запропонованих параметризацій для вирішення дифузійних задач прикладної метеорології.

  Скачати повний текст

Індекс рубрикатора НБУВ: Д232.2 + Д242.147

Рубрики:

Атмосферний і космічний пил, аерозолі та інші зависі (колоїдні суміші) в атмосфері

Атмосферна турбулентність і турбулентний обмін. Дифузія

Шифр НБУВ: РА336144 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Одержано кількісні характеристики турбулентно-циркулярного режиму нижнього шару атмосфери над територією Індокитаю з використанням методів математичного моделювання. Виконано адаптацію тривимірної нестаціонарної моделі до складних умов орографії досліджуваного регіону. За даними об'єктивного аналізу Британської метеослужби відібрано типові синоптичні ситуації, для яких розраховано метеорологічні величини та параметри турбулентності у вузлах регулярної сітки з кроком 0,5 - <$E1~ symbol Р> по горизонталі та на 21-му розрахунковому рівні по вертикалі. З використанням даних стосовно швидкості вітру та стратифікації атмосфери розраховано перенос та розсіювання забруднювальних речовин. Наведено приклади розрахунку концентрації домішки поблизу промислових підприємств В'єтнаму.

Удосконалено оптичну схему фур'є-спектрометра за рахунок зменшення кількості й оптимізації форми поверхонь оптичних елементів і розробки методів визначення концентрації газових складових атмосфери за спектрограмами фур'є-спектрометра для забезпечення її сталого експрес-моніторингу. Досліджено оптичну схему фур'є-спектрометра, запропоновано її вдосконалення за рахунок зменшення кількості й оптимізації форми оптичних поверхонь. Розроблено новий метод розрахунку оптичного елемента "фокона". Теоретично підтверджено, що асферичний профіль, який описується параболою з деформацією четвертого порядку може бути представлений сферою зі зміщенням. Розроблено метод розрахунку та виготовлення оптичного елемента еліпсоїда, використання якого в оптичній системі вихідної оптики приладу дозволяє зменшити кількість оптичних поверхонь з чотирьох до однієї. Запропоновано та теоретично обгрунтовано метод визначення концентрацій газових складових у приземному шарі атмосфери з використанням одношарової моделі переносу випромінювання за спектрограмами, одержаними з застосуванням фур'є-спектрометра, метод визначення загального вмісту та висотного розподілення озону у вертикальномку стовпі атмосфери з використанням багатошарової моделі переносу випромінювання. Вдосконалено оптичну схему лабораторного зразка фур'є-спектрометра з застосуванням розроблених дзеркальних асферичних елементів. Для апробації розроблених методів проведено польові вимірювання пропускання товщею атмосфери на горизонтальних і вертикальних трасах. Проведено експериментальні дослідження, за результатами яких підтверджено високу точність і придатність до практичного застосування

Одержано розрахункові оцінки сумарного часу перебування крапель в пиловій хмарі та встановлено долю крапель, які не попали в пилову хмару, що дозволяє визначити ефективність вловлювання виваженого пилу. На основі практичного застосування математичних моделей визначено оптимальні геометричні та режимні параметри однофазних розпилювальних пристроїв. Розроблене нестандартне обладнання для пилопригнічення дозволяє за мінімальних витрат транспортувати дрібнодисперсні краплі технологічної рідини в робочу зону завантаження та розвантаження вугілля портальними кранами, спорядженими грейферними пристроями, і тим самим забезпечити ефективне управління екологічною безпекою.

Набуло подальшого розвитку двочастотне зондування рідких опадів шляхом розробки комбінованого методу, який відрізняється від існуючих використанням апріорі даних контактних вимірювань, параметрів гамма-розподілу крапель дощу за розмірами від його інтенсивності, що вперше дозволило одержати замкнену систему рівнянь для визначення мікроструктурних та інтегральних характеристик дощу. Запропоновано ітераційну схему розв'язку системи рівнянь двочастотного зондування рідких опадів на основі дослідженого комбінованого методу, яка, на відміну від існуючих, дозволяє здійснити однозначне профілювання мікроструктурних параметрів рідких опадів у разі трипараметричної моделі розподілу крапель за розмірами, а також з урахуванням ослаблення сигналів в опадах. Досліджено метод відновлення параметрів дисперсних середовищ з твердою фазою (ефективного радіусу частинок, їх концентрації та питомої маси), відмінною особливістю якого є те, що він базується на розв'язанні інверсної задачі двочастотного дистанційного зондування дисперсних середовищ у ран трипараметричної моделі розподілу частинок за розмірами.

Розроблено новий метод визначення стандарту чистого повітря в різних регіонах Землі на підставі вивчення фрактальної природи генезису атмосферних аерозольних частинок. Проведено прецизійні вимірювання складу та концентрацій ізотопів за допомогою компараторного нейтронно-активаційного аналізу аерозолєвмісних ядерних фільтрів. Теоретично обгрунтовано фрактальну природу атмосферних аерозольних частинок. Здійснено регресійний аналіз одержаних спектрів нормованих концентрацій елементів атмосферного аерозолю. На підставі порівняльного аналізу експериментальних спектрів нормованих концентрацій елементів атмосферного аерозолю узагальнено теорію лінійної кореляції спектрів Пушкіна та Михайлова на річну часову шкалу.

Запропоновано прогнозні моделі для оцінювання рівня забруднення атмосферного повітря викидами від автотранспорту в умовах міської забудови. Проаналізовано сучасний стан прогнозування процесів забруднення атмосферного повітря при викидах від автотранспорту на вулицях міст. На базі методу дискретних вихорів розроблено прогнозну модель для оцінювання рівня забруднення атмосферного повітря викидами від автотранспорту для схеми "вуличний каньйон", яка дозволяє оперативно розрахувати розсіювання викидів з урахуванням будівель, параметрів метеоситуації, типу викиду та рециркуляційних зон біля будівель. Набула подальшого розвитку прогнозна модель для оцінювання рівня забруднення атмосферного повітря на базі рівнянь відривних течій нев'язкої рідини та рівняння конвективно-дифузійного переносу забруднювальної речовини, що дозволяє оперативно прогнозувати рівень забруднення в атмосфері від автотранспорту в умовах мікрорайону (комплекс будівель з автомагістралями) та окремих вулиць міста ("вуличний каньйон'). Набула подальшого розвитку прогнозна модель для оцінювання рівня забруднення атмосферного повітря з урахуванням хімічної трансформації в атмосфері викидів від автотранспорту. Створено спеціалізоване програмне забезпечення для виконання обчислювального експерименту на базі побудованих моделей. Проведено обчислювальні експерименти на базі створених прогнозних моделей. Наведено розв'язання комплексу прикладних задач з прогнозу рівня забруднення атмосферного повітря від автотранспорту в умовах міської забудови.

Приведены результаты измерений интегральных характеристик процесса вторичного подъема радиоактивных частиц, определены их статистические характеристики, функции распределения объемной активности по размерам частиц при различных метеорологических условиях в приземном слое атмосферы. Оценен вклад частиц различных диапазонов в величину общей объемной активности <$Enothing sup 137 roman Cs>, величину счетной концентрации аэрозольных топливных частиц, общую объемную бета-активность при измерениях на площадке ЧАЭС, определена скорость выщелачивания и растворения частиц (в зависимости от их размера) в имитаторе легочной жидкости. Обобщены данные о коэффициенте ресуспензии и интенсивности ресуспензии, верифицированы расчетные методы интегральных параметров ресуспензии, наиболее часто используемые в практике. Уделено внимание разработке статистического метода долгосрочного прогноза объемной активности на основе теории случайных процессов.

Розглянуто задачу моделювання процесів поширення шкідливих домішок в атмосфері. Досліджено шляхи подолання обчислювальної складності таких задач, пов'язаних з необхідністю розгляду великих розмірностей просторово-часових координат, а також забезпечення високої точності реалізації. Для задачі моделювання процесів атмосферної дифузії було застосовано метод кластерингу та використано багатопроцесорні кластерні системи для реалізації методу.

Розглянуто проблему утворення аерозолів у верхній атмосфері з метеороїдів масами 10<^>-18 - 10<^>-8 г, що потрапляють на Землю. На основі аналітичних розв'язків спрощених класичних рівнянь гальмування та нагрівання малих метеороїдів визначено максимальні температури частинок, яких вони досягають протягом свого руху в атмосфері, та висоти, на яких частинки досягають критично малої швидкості ("висоти зупинки"). Прийнято, що космічна частинка перетворюється на аерозоль коли вона не досягає температури плавлення. Побудовано базову вхідну характеристику - тривимірний розподіл густини ймовірності кількості таких частинок по критичних для досягнення температури плавлення параметрах: початковій масі, швидкості та куту входження в атмосферу. Зазначено, що кам'яні частинки з масами, меншими за <$E 1,7~cdot~10 sup -14> г, стають аерозолями незалежно від інших параметрів. Шляхом трансформації даного розподілу відповідно до рівнянь метеорної фізики одержано двовимірний розподіл по масі та висоті утворення у атмосфері аерозолів космічного походження.

Представлены результаты исследования загрязнения атмосферы аэрозольными соединениями серы и азота в районе украинской антарктической станции Академик Вернадский в период экспедиционного рейса НИС "Эрнст Кренкель". Приведен анализ причин, обусловивших наблюдаемый уровень концентрации исследуемых веществ в атмосфере.

Моделювання приземного озону в Києві для епізоду його підвищеного вмісту у серпні 2000 р. виконано за допомогою моделі міського забруднення повітря UAM-V. Дослідження загального вмісту озону над Києвом та змін його концентрації з висотою в тропосфері виконано на основі наземних спостережень з інфрачервоним фур'є-спектрометром у Головній астрономічній обсерваторії Національної академії наук України у рамках проекту ESA-NIVR-KNMI N 2907. У 2008 р. з'явилися дані супутника "Aura-OMI" за профілями озону в атмосфері OMO3PR, що включають вміст озону в нижньому шарі атмосфери, починаючи з 2005 р., які можна використовувати у ході оцінки концентрації приземного озону у всіх великих містах України. Статистичне дослідження даних із забруднення повітря озоном у м. Київ та даних медичної статистики по захворюваннях системи зовнішнього дихання населення міста було проведено за допомогою пакета прикладних програм "Statistica". Проведено регресійний аналіз, побудовано прогностичні моделі регресії, виконано ретроспективне прогнозування епідеміологічної ситуації щодо патологій системи зовнішнього дихання у м. Київ в 2000 - 2007 рр.

Проведен анализ данных о тепловых взрывах крупных метеороидов в атмосфере Земли. Исправлена кумулятивная функция притока космических тел с учетом высоты взрыва, определяемой, согласно концепции, максимальным торможением. Это привело к согласию интегральной функции притока, приведенной в работе [Brown P., Spalding R. Е., ReVelle D. О., et al. The flux of small near-Earth objects colliding with the Earth // Nature. - 2002. - 420. - P. 314 - 316], и ранее полученной нами. Обнаружено, что по крайней мере одно явление из приведенных в работе - результат взрыва кометоида. Показано, что Тунгусский феномен невозможно объяснить в рамках модели монолитного тела.

Проанализировано влияние морфологии твердых частиц атмосферных аэрозолей на вероятности взаимодействия с летучими примесями, определяемые в лабораторных экспериментах, и на константы скорости удаления этих примесей в гетерогенных процессах. Предложены уравнения, позволяющие определять эти вероятности из зависимостей наблюдаемых констант скорости и вероятностей от массы твердого субстрата в проточных реакторах. Показано, что большинство минеральных и углеродных аэрозолей в атмосфере представляет собой агрегаты наночастиц или частицы с внутренними нанопорами, вследствие чего применение к ним приближения непроницаемых сферических частиц приводит к недооценке скорости гетерогенного стока примесей из атмосферы. Показана возможность ускорения реакции, протекающей по механизму Лэнгмюра - Хиншельвуда, за счет взаимодействия примесей со стенками нанопор атмосферных частиц и образования устойчивых адсорбционных комплексов на поверхности.

Доказана теорема о фундаментальности решения дифференциального уравнения турбулентной диффузии для функции q(t, x, y, z) пространственно-временного распределения вредных веществ от любого типа непрерывно действующего источника, который удовлетворяет условиям теоремы. Решение представлено уравнением, которое названо "формулой SVT". Формула SVT содержит пространственные координаты, составляющие вектора скорости ветра и тензора турбулентного напряжения, учитывает поглощающие свойства поверхности и скорость осаждения частиц вредных веществ.

На основании аналитических и численных решений модельных диффузионных задач показана состоятельность гипотезы о том, что одним из возможных механизмов формирования крупномасштабной "пятнистой" структуры загрязнения подстилающей поверхности мощным газоаэрозольным выбросом в нижней части атмосферы является суточный (или синоптический) ход интенсивности турбулентного перемешивания.

Рассмотрены особенности проведения видеосъемки пылегазового облака и ограничения, связанные с метеорологическими условиями. Определены критерии выбора изображений, используемых при оценке концентрации двуокиси азота в пылегазовом облаке.