Направление и скорость ветра. Застой воздуха. Опасная скорость ветра

Особенности условий распространения примесей в городах.

Условия ведущие к уменьшению концентрации примесей.

Рассеиванию вредных примесей в воздухе, с уменьшением их локальных концентраций способствует неустойчивость атмосферы, приводящая к конвективным явлениям, и усилению ветра, ведущее к более значительному горизонтальному переносу. Осадки к тому же вымывают из атмосферы большую часть, взвешенных частиц (аэрозолей) и абсорбируют газы.

К понижению уровня загрязнения воздуха приводят:

1) Усиление ветра при устойчивой термической стратификации

2) Выпадение осадков

3) Усиление циклонической кривизны изобар

4) Адвекция холода на высотах

5) Прохождение холодного фронта

При краткосрочном прогнозе степени загрязнения от часов до суток рекомендуется использовать изложенные выше качественные тенденции ведущие к повышению или понижению уровня загрязнения воздуха. Детальные теоретические аспекты и опыт изложены в (2) и (3), ниже данные положения кратко иллюстрируются.

Кроме общих метеорологических факторов загрязнение города будет зависеть от характера промышленности города, в частности физических характеристик выбросов, географического положения промышленной зоны, рельефа и т.д. При чем отдельные метеорологические факторы могут оказывать неодинаковое воздействие на степень загрязнения в различных районов.

Одной из определяющих характеристик загрязнения города является локализация жилых кварталов относительно промышленных зон и направление преобладающих ветров. Дело в том, для того чтобы примесь достигла земли требуется время и даже относительно крупная частица аэрозоли в 10^-3 см (10 мкм) выпавшая из устья трубы высотой 50 м, имея скорость седиментации (падения в спокойном воздухе) всего 0,1 м/с, коснется земли только через 500 с. Горизонтальный перенос ветром в 10 м/с удалит её 5000 м от источника[1]. Очевидно, что в этом случае направления ветра, несущие примесь на город будут приводить к неблагоприятным метеорологическим ситуациям. Для Москвы и Екатеринбурга увеличению концентраций примесей способствует южный и юго-восточный ветер, в Красноярске и Чите северо-восточный и восточный. В Челябинске неблагоприятные ветра имеют северную составляющую, т.к. большая часть предприятий находится к северо-западу, северу и северо-востоку от жилых районов (таб.1).

Район	Основные источники загрязнения	Неблагоприятные ветра
Металлургический	Более 10 предприятий, основное «Мечел»	Северо-восточный, восточный
Центральная часть	«Мечел», электрометаллургический, цинковый, электродный, лакокрасочный, автотранспорт	Северный
Северо-западный	«Мечел», элекрометаллургический, цинковый, электродный, лакокрасочный, котельная	Северный, восточный
Юго-восточный, Ленинский	Трубопрокатный, ТЭЦ-1, электромашин, автотранспорт	Северо-западный

Таблица 1. Неблагоприятные ветра по районам Челябинска

Обычно в условиях города выявляется наличие двух максимумов загрязнения воздуха при штиле и при скорости ветра на уровне флюгера (10м) около 4-6 м/c. Cвязано это с наличием двух классов источников примесей- низких и высоких. Согласно (4) (Методика расчета концентраций …ОНД-86) источники классифицируются в зависимости от высоты устья источника выброса вредного вещества над уровнем земной поверхности. Источник относится к одному из следующих четырех классов: а) высокие источники, 50 м; б) источники средней высоты, =10...50 м; в) низкие источники, =2...10 м; г) наземные источники, 2 м.

Максимум концентрации примесей при штиле проявляется более четко при наличии приземной инверсии, задерживающих примеси от низких и наземных источников. Такая ситуация называемая застоем воздуха, когда отсутствует горизонтальный перенос и ослаблено вертикальное перемешивание. Наоборот, максимум концентрации примесей при умеренном ветре связанный с высокими источниками наблюдается при отсутствии приземной инверсии. Дело в том, что для таких источников существует некоторая опасная скорость ветра u_m, на уровне выбросов при которой наблюдаются максимальные концентрации примесей у земли. Опасная скорость зависит от эффективного подъема выброса, т.е. от начальной высоты и скорости выбросов в сочетании с перегревом (лекция 6) газов по сравнению с окружающим воздухом. Очень грубо, влияние скорости ветра заключается в том, что факел дыма с подъемом уширяется и чем сильнее он будет наклонен к земле, тем быстрее примеси достигнут земли. Чем больше эффективный подъём факела, тем больше будет величина скорости при которой достигаются максимальные концентрации вблизи поверхности земли. В свою очередь важно, чтобы между приземным слоем и факелом не существовало задерживающих слоёв, таких как инверсия температуры. Обычно для мощных тепловых электростанций u_m составляет 5-7 м/c, для металлургических 2-4 м/с, для химических предприятий 1-2 м/c. В целом же при устойчивой стратификации загрязнение воздуха уменьшается при усилении ветра, а при неустойчивой максимум отмечается при скоростях близких к опасным для основных источников выбросов.

Таким образом влияние скорости ветра на величину относительного загрязнения города зависит как от взаимного расположения источников загрязнения и жилой застройки, так и от параметров источников (высокие, горячие, низкие и т.д.), определяющих величину опасной скорости ветра.

5.2.2. Термическая устойчивость атмосферы. Температура и её инверсии.

Термическая устойчивость пограничного слоя атмосферы характеризуется разностью температур ΔТ между воздухом у поверхности земли Т_в и некоторым уровнем в погранслое Т_h, ΔТ=Тв-Тh, а также глубиной слоя перемешивания Н_П.

В обычно температура падает в тропосфере с высотой 6,5K на 1 км, следовательно ожидается, что ΔТ между Т_в и Т_h положительна. Однако при наличии изотермий и инверсий ΔТ может быть ≤ 0. Влияние ΔТ на величину параметра Р особенно значимо при наличии инверсий (в этом случае наблюдается между ΔТ и Р корреляция отрицательная).

На уровень загрязнения воздуха у земли влияет и величина слоя Н_П, обычно определяемого по возможности термической конвекции. В этом слое температура частицы, поднимающейся с некоторого уровня сухоадиабатически будет выше чем температура окружающего воздуха. Обычно Н_П оценивается по аэрологической диаграмме (рис.1), проводя сухую адиабату (γ_а0≈1К/100м) от точки с приземной температурой Тв до пересечения с кривой стратификации температуры T(z). При этом в утренние часы к Тв, измеряемой на метеостанции, добавляется 3-5К для учета «острова тепла» в городе. Дневные температуры (нагрев при большей инсоляции), обычно выше утренних и в послеполуденные достигают Тмакс, в этом случае Нп также увеличивается. C учетом суточного хода температуры слой перемешивания может быть оценен для любой части дня. Очевидно, что чем более низкая температура на высотах z, тем больше глубина слоя перемешивания.

При слабом ветре с уменьшением слоя Нп концентрации примесей в воздухе возрастают. С усилением ветра связь между слоем перемешивания и концентрациями ослабевает по двум причинам увеличение горизонтального оттока и возрастанием динамической турбулентности вследствие сдвига ветра.

Заметим, что слой перемешивания определенный таким образом нельзя путать с высотой эффективного подъёма поскольку частицы при достижение уровня, где их температура Тi сравнивается c Т(z) имеют максимальную скорость и будут двигаться до тех пор пока не израсходуют кинетическую энергии на работу против сил плавучести. Суходиабатический градиент γ_а при значительном перегреве частицы, больше чем γ_а0 и является величиной переменной зависящей от отношения температуры частицы при подъеме к температуре окружающей среды γ_а = γ_а0 (Тi/Тe), но и энергия плавучести, перешедшая в кинетическую будет больше.

При адиабатическом расширении перегретых выбросов начальная температура Тi₀ которых значительно выше окружающей Те, ускорение частицы (1) будет большим, и максимальная скорость большей и большей будет и высота подъёма Нэ.

(1)

В простейшем случае Нэ для каждого из типов источников можно найти интегрируя (1) при известном Т (z)=Те(z).

При рассмотрении неблагоприятных условий, связанных с термической стратификацией следует учитывать, что для каждого из типов источников будет и своя типичная ситуация, когда условия загрязнения будут максимальны. Для высоких источников (заводские трубы, ТЭЦ) важна приподнятая инверсия в сочетании с неустойчивой стратификацией нижнего слоя, а для низких источников (печное отопление, автотранспорт) штиль в сочетании с приземной инверсией.

Таблица 2. Аномально неблагоприятные метеоусловия условия для основных групп выбросов в атмосферу.

Выбросы	Термическая стратификация погранслоя	Скорость ветра, м/с	Вид инверсии и её высота над источником
на уровне флюгера	На уровне выбросов
Горячие высокие	Неустойчивая	3-7 штиль	5-10 5-10	Приподнятая на 100-300 м
Холодные Высокие	Неустойчивая	1-2 Штиль	2-4 2-4	Приподнятая на 100-300 м
Низкие	Устойчивая	Штиль	Штиль	Приземная

Хотя застой при инверсиях и является основным условием накопления примесей от низких источников, немаловажным фактором для появления максимального концентраций является и сама температура воздуха. В зимнее время повышение уровня загрязнения наблюдается при дополнительном понижении температуры. При антициклонической погоде устанавливается устойчивая термическая стратификация при низких температурах воздуха. При понижении температуры увеличивается количество сжигаемого топлива, время необходимое для прогрева двигателей, т.е. рост загрязнения связан не с термической стратификацией, а с сопутствующими низкой температуре увеличением выбросов.

Дата добавления: 2014-01-07