Казанский (Приволжский) федеральный университет

Моделирование переноса биоаэрозолей в нижнем слое атмосферы с учетом неоднородностей температуры и влажности

К.Г. Шварц, Ю.А. Шварц, В.А. Шкляев, С.Ю. Баландина, В.В. Семериков

Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, 614990, Россия

Аннотация

В статье описывается двумерная модель переноса биоаэрозолей от нестационарного источника примеси в пограничном слое атмосферы на локальном уровне (размеры изучаемой территории до 50 км) с учетом шероховатости, температурной неоднородности и влажности подстилающей поверхности. Уравнения модели выводятся путем усреднения поперек слоя исходных трехмерных уравнений скорости, теплопроводности, влажности воздуха, а также переноса живой примеси. Оценивается возможность создания систем локального мониторинга биоаэрозолей на основе разработанной модели. Численные расчеты выполнены с помощью сеточного метода, пространственный шаг сетки составляет 200 м. Численное моделирование переноса спор микромицетов осуществлялось с учетом и без учета их размножения, с учетом локального движения воздуха, возникающего из-за его температурной неоднородности. В зимний период биоаэрозоль по своим характеристикам подобна пассивной примеси. Слабая неоднородность подстилающей поверхности, покрытой снегом, практически не влияет на движение воздуха. В летний период температурная неоднородность подстилающей поверхности формирует местное локальное движение воздуха, влияющее на направление ветра и увеличивающее его скорость. Кроме того, в данный период происходит размножение микромицетов, что существенно увеличивает концентрацию биоаэрозолей в нижнем слое атмосферы.

Ключевые слова: биоаэрозоли, пограничный слой атмосферы, метеорологические параметры, двумерная модель, численное решение

Литература

Андреева И.С., Белан Б.Д., Бородулин А.И., Буряк Г.А., Марченко Ю.В., Олькин С.Е., Панченко М.В., Петрищенко В.А., Пьянков О.В., Резникова И.К., Сафатов А.С., Сергеев А.Н., Степанова Е.В. Изучение изменчивости биогенной компоненты атмосферного аэрозоля над лесными массивами Западной Сибири // Оптика атмосферы и океана. – 2000. – Т. 13, № 6–7. – С. 639–644.
Бородулин А.И., Сафатов А.С., Белан Б.Д., Панченко М.В., Пененко В.В., Цветова Е.А. Высотные профили концентраций биоаэрозолей в тропосфере юга Западной Сибири // Оптика атмосферы и океана. – 2005. – Т. 18, № 8. – С. 694–698.
Stohl A. Computation, accuracy and applications of trajectories – a review and bibliography// Atmos. Environ. – 1998. – V. 32. No 6. – P. 947–966. – doi: 10.1016/S1352-2310(97)00457-3.
Пененко В.В., Цветова Е.А. Моделирование процессов переноса примесей в прямых и обратных задачах климатоэкологического мониторинга и прогнорзирования // Оптика атмосферы и океана. – 1999. – Т. 12. № 6. – С. 482–488.
Пененко В.В., Цветова Е.А. Некоторые аспекты решения взаимосвязанных задач экологии и климата // Прикл. механика и техн. физика. – 2000. – Т. 41, № 5. – С. 161–170.
Penenko V., Baklanov A., Tsvetova E. Methods of sensitivity theory and inverse modelling for estimation of source parameters // Future Gener. Comput. Syst. – 2002. – V. 18, No 6. – P. 661–671. – doi: 10.1007/978-1-4020-5877-6_2.
Шварц К.Г., Шкляев В.А. Методические подходы к созданию системы локального расчетного мониторинга атмосферных биоаэрозолей // Геоинформационное обеспечение пространственного развития Пермского края. Сб. науч. тр. – Пермь: Перм. гос. нац. исслед. ун-т, 2013. – Вып. 6. – С. 56–60.
Шатров А.В., Шварц К.Г. Численное моделирование атмосферных мезомасштабных процессов переноса примесей в окрестности города Кирова // Вычис. механика сплошных сред. – 2010. – Т. 3, № 3. – С. 117–125. – doi: 10.7242/1999-6691/2010.3.3.32.
Шварц К.Г., Шкляев В.А. Численное моделирование атмосферных мезомасштабных процессов переноса многокомпонентной примеси при торфяном пожаре // Вычисл. механика сплошных сред. – 2012. – Т. 5, № 3. – С. 274–283. – doi: 10.7242/1999-6691/2012.5.3.32.
Шварц К.Г., Шварц Ю.А., Шкляев В.А. Двумерная модель мезомасштабных процессов в нижнем слое атмосферы с учетом неоднородности температуры и влажности воздуха // Вычисл. механика сплошных сред. – 2015. – Т. 8, № 1. – С. 5–15. – doi: 10.7242/1999-6691/2015.8.1.1.
Алоян А.Е. Динамика и кинематика газовых примесей и аэрозолей в атмосфере. – М.: ИВМ РАН, 2002. – 201 с.
Кривоногих К.Н., Четина О.А. Термотолерантность и протеолитическая активность микромицетов больничной среды // Междисциплинарные исследования: Сб. материалов науч.-практ. конф. – Пермь: Перм. гос. нац. исслед. ун-т, 2013. – Т. 1. – С. 39–42.
Четина О.А., Кирьянова И.Н., Баландина С.Ю., Крылова И.О. Оценка патогенности и общей токсичности некоторых плесневых грибов жилых помещений города Перми // Вестник молодых ученых ПГНИУ: Сб. науч. тр.: в 2 т. / Отв. ред. Е.Н. Батурин. – Пермь: Перм. гос. нац. иссл. ун-т, 2011. – Т. 1. – С. 214–223.
Баландина С.Ю., Семериков В.В., Шварц К.Г. Изучение сезонной динамики содержания микромицетов в атмосферном воздухе около лечебного учреждения // Вестн. Удм. ун-та. Сер. 6: Биология. Науки о Земле. – 2015. – Вып. 3. – С. 7–10.
Семериков В.В., Четина О.А., Баландина С.Ю., Шварц К.Г. О биоразнообразии плесневых грибов техногенно-измененных почв на территории Пермского края // Геогр. вестн. – 2013. – Вып. 4. – С. 79–81.
Ризниченко Г.Ю. Математические модели в биофизике и экологии. – М.-Ижевск: Ин-т комп. исслед., 2003. – 184 с.
Аргучинцев В.К., Аргучинцева А.В. Моделирование мезомасштабных гидротермодинамических процессов и переноса антропогенных примесей в атмосфере и гидросфере региона оз. Байкал. – Иркутск: Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2007. – 255 с.
Романова Е.Н., Мосолова Г.И., Береснева И.А. Микроклиматология и ее значение для сельского хозяйства. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. – 244 с.
Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей / Под ред. Ф.Т.М. Ньистадта, Х. Ван Допа. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 351 с.
Шкляев В.А., Ермакова Л.Н., Шкляева Л.С. Исследование микроклимата города с целью оценки биометеорологических показателей селитебной территории// Геогр. вестн. – 2010. – № 3. – С. 52–59.
Шкляев В.А., Шкляева Л.С. Использование результатов наблюдений по температурному профилемеру для корректировки неблагоприятных метеорологических условий (НМУ) // Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: Труды Второй Всерос. науч. конф. с междунар. участием. – Казань: Отечество, 2013. – Т. II. – С. 151.
Аристов С.Н., Фрик П.Г. Крупномасштабная турбулентность в тонком слое неизотермической вращающейся жидкости // Механика жидкости и газа. – 1988. – № 4. – С. 48–55.
Аристов С.Н., Шварц К.Г. Вихревые течения в тонких слоях жидкости. – Киров: ВятГУ, 2011. – 207 с.
Шварц К.Г. Модели геофизической гидродинамики. – Пермь: Перм. гос. ун-т, 2006. – 66 с.
Шварц К.Г., Шкляев В.А. Математическое моделирование мезомасштабных и крупномасштабных процессов переноса примеси в бароклинной атмосфере. – М.-Ижевск: Ин-т комп. исслед., 2015. – 156 с.

Поступила в редакцию

30.05.17

Шварц Константин Григорьевич, доктор физико-математических наук, профессор кафедры прикладной математики и информатики

Пермский государственный национальный исследовательский университет