Год издания: 2022
Ключевые слова: экологический мониторинг, загрязнение атмосферы, взвешенные частицы, GFS, температурная инверсия, данные реанализа, многофакторный дисперсионный анализ, кластеризация данных, регрессионная модель
Аннотация: По данным Минприроды России Красноярск является одним из нескольких городов России с самым грязным воздухом, концентрация вредных веществ в атмосфере города часто превышает допустимые нормы. ?Уровень загрязнения атмосферного воздуха в городе обусловлен многочисленными факторами – пространственной структурой и временной динамикой заПоказать полностьюгрязняющих выбросов, особенностями метеорологических условий, которые на территории г. Красноярска также обладают значительной временной и пространственной изменчивостью. ?Одним из факторов, оказывающих существенное влияние на климат г. Красноярска, является Красноярская ГЭС, расположенная в 40 км от города. Перекрытие р. Енисей плотиной Красноярской ГЭС в 1960-е годы привело к изменению температурного режима реки, рекреационных и микроклиматических условий у г. Красноярска. Температура воды стала существенно ниже летом и увеличилась в зимний период; незамерзающая зимой полынья в нижнем бьефе Красноярской ГЭС распространяется на расстояние до 300 км. Летом миллионный город потерял обычные места отдыха, а зимой открытая водная поверхность благоприятствует образованию туманов парения над рекой.?Особенности рельефа г. Красноярска, расположенного в долине с высокими и крутыми склонами, оказывают существенное влияние на динамику движения воздушных масс над городом. В многочисленных исследованиях отмечается, что в подобных условиях – в долинах – в результате термических неоднородностей генерируется локальная система ветров. Как береговые и морские бризы, локальные долинные ветры наиболее интенсивно развиты летом при антициклонических условиях. ?Учитывая характер подстилающей поверхности в бортах долины реки Енисей, благодаря активному нагреванию от нее в дневное время температура воздуха над склонами у дна долины будет выше, чем температура воздуха над центральной частью долины. В результате в тонком неустойчиво стратифицированном слое воздуха возникает восходящий по склонам поток и в силу сохранения массы воздуха создается замкнутая циркуляция поперек долины с опусканием воздуха в ее центральной части. Таким образом создаются весьма благоприятные для накопления загрязняющих веществ условия.?Загрязнение атмосферы связано с метеоусловиями. Метеорологические процессы вносят значительный вклад в создание неблагоприятных метеорологических условий (НМУ). НМУ представляют собой краткосрочное особое сочетание метеорологических факторов, способствующих накоплению вредных (загрязняющих) веществ в приземном слое атмосферного воздуха. В частности, особое внимание привлекает температурная стратификация нижних слоев атмосферы, которая может вызвать температурную инверсию – повышение температуры воздуха с высотой. Температурная инверсия ограничивает вертикальное рассеяние вредных примесей в атмосфере. Данные наблюдений показывают, что повышенный уровень загрязнения воздуха города Красноярска в наибольшей степени проявляется в зимний период и при слабых ветрах (не более 1-2 м/с), при температурной инверсии.?Рассматриваемые процессы уже в течение десятков лет исследуются методами математического, информационно-вычислительного моделирования. Современные методы вычислительной математики и суперкомпьютерные системы позволяют учитывать аэрографические и метеорологические особенности территории, процессы турбулентности, переноса мелкодисперсных инерционных частиц и химического реагирования для возможного прогнозирования и управления качеством атмосферного воздуха. Исследователями в России и за рубежом созданы различные математические модели и соответствующее программное обеспечение, которые обеспечивают возможность проведения детальных расчетов характеристик атмосферы, распространения и рассеивания в ней загрязняющих веществ. Традиционные подходы в оценке загрязнения атмосферы основаны на использовании программных систем численного прогноза погоды и атмосферного моделирования типа GFS, WRF, ECMWF, GEM, и проч.?Стоит обратить внимание на несколько моментов. Во-первых, качество и точность, пространственно-временное разрешение указанных моделей в последние годы значительно улучшились. Уровень детализации данных стал достаточным для анализа метеоусловий масштаба города Красноярска. Во-вторых, исследователи и организации, занимающиеся поддержкой и развитием этих моделей, стали создавать публично доступные ресурсы с результатами их расчетов. В результате у широкого круга заинтересованных специалистов появилась возможность работы с этими данными. Таким образом, появилась возможность использования данных суперкомпьютерного моделирования атмосферы для совместного анализа с результатами наземного мониторинга. Подобная постановка задачи в исследованиях загрязнения Красноярска является совершенно новой.?В рассматриваемом контексте цель настоящего проекта можно определить следующим образом: определение на основе данных реанализа и наземного мониторинга сочетания метеорологических факторов, способствующих накоплению загрязняющих веществ в пограничном слое атмосферного воздуха Красноярска вследствие выбросов от антропогенных и природных источников, с учетом особенностей городского рельефа и климата.?Для исследования и прогнозирования периодов повышенной концентрации загрязняющих веществ в пограничном слое атмосферы Красноярска в настоящем проекте предполагается использование метеорологических данных реанализа глобальной модели атмосферы GFS (NCEP, США). В их составе – несколько сотен слоев с характеристиками атмосферы на различных вертикальных уровнях, которые вычисляются на регулярной сетке с пространственным разрешением 0.25° (~25 км) с периодичностью 4 раза в сутки. Модель NCEP GFS считается одной из лучших моделей атмосферы, широко используется многими исследователями. ?Еще один источник информации, который планируется использовать – детальные пространственно-временные данные сети ФИЦ КНЦ СО РАН оперативного экологического мониторинга Красноярска – около 30 рассредоточенных по городу постов наблюдений, регистрирующие метеопараметры и концентрации взвешенных частиц PM2.5.?Совместный ретроспективный анализ данных атмосферной модели NCEP GFS и загрязнения города на постах наземного мониторинга позволит определить метеоусловия, которые приводят к накоплению загрязняющих веществ в пограничном слое атмосферного воздуха. Будут предложены модели, алгоритмы и вычислительные технологии, которые позволят оценивать и прогнозировать периоды повышенной концентрации загрязняющих веществ.?В проекте планируется сконцентрироваться на исследовании упомянутых массивов информации – статистическая обработка, многофакторный дисперсионный анализ, кластеризация, сокращение размерности методом главных компонент, разработка регрессионных математических моделей.?Будет выполнена разработка математической модели для определения температуры воздуха, постановка граничных условий на верхней границе и на подстилающей поверхности; разработка математической модели для переноса примесей, постановка граничных условий на верхней границе и на подстилающей поверхности.?Также необходимо будет разработать программные средства для обработки, анализа и визуализации исходных данных и результатов расчетов по математическим моделям.?Потребуется предварительная обработка данных наземного мониторинга на постах системы мониторинга атмосферного воздуха ФИЦ КНЦ СО РАН. Особое внимание планируется уделить анализу данных измерений концентраций взвешенных частиц в пригородной зоне Красноярска, преимущественно в северной части города. Здесь расположены пригородные поселки (Солонцы, Дрокино, Минино), которые можно охарактеризовать как малоэтажную застройку с большим количеством печного отопления, где в основном используется бурый уголь. Предварительные оценки показывают, что в зимний период при неблагоприятных метеоусловиях именно они вероятно являются основной причиной загрязнения всего Красноярска; необходимы детальные исследования по данной теме.?Решение задач интеграции и аналитической обработки данных инструментальных измерений загрязнения атмосферы и метеоданных реанализа NCEP GFS будет основано на использовании специализированных методов хранения и обработки больших массивов данных, технологий визуализации информации на основе веб-сервисов и геоинформационных веб-систем. Необходимость применения специальных программных средств обусловлена большим объемом исходных данных (терабайты). Для работы с ними будут использованы ранее разработанные в Институте вычислительного моделирования СО РАН программные инструменты, сервисы и веб-интерфейсы.?Научная новизна предлагаемого подхода связана с возможностью создания эффективных методов и инструментов для оценки экологического состояния территорий с интенсивной антропогенной нагрузкой. Его уникальность обусловлена наличием и совместной обработкой исходных данных – детальной базой данных наземного мониторинга, содержащей сведения о загрязнении Красноярска с 2018 года и подобными метеорологическими данными одной из лучших на сегодняшний день модели атмосферы NCEP GFS.?В результате выполнения проекта будет сформировано устойчивое ядро научной группы с навыками, научным и программным заделом в области анализа, на основе методов искусственного интеллекта и математического моделирования.