Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН
advertisement
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН Сибирский центр климато-экологических исследований и образования УДК УТВЕРЖДАЮ Директор, д.ф.-м.н., профессор ______________Гордов Е.П. «____» _____________ 2007 г. ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ Веб-система оценки качества воздуха г. Томска на основе данных математической модели переноса примеси Государственный контракт № 02.517.11.9011 в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2012 годы Научный руководитель, аспирант _______________ подпись, дата Томск-2007 1 Титов А.Г. СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ Научный руководитель, Титов А.Г. подпись, дата аспирант (разделы) 1, 2, 3___) Исполнители темы к.ф.-м.н. подпись, дата 2 Беликов Д.А. (разделы) 1, 2_____) РЕФЕРАТ Отчет 15_ с., _3_ ч., _8_ рис., _9_ источников. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА Атмосферное загрязнение, перенос газовых примесей, экологический мониторинг, метеорология, численное моделирование, Интернет, программирование, веб-технологии, вебпортал, информационно-вычислительные системы. Процессы, происходящие в пограничном слое атмосферы, оказывают существенное влияние на жизнь и деятельность человека. По этой причине в настоящее время одной из актуальных проблем охраны окружающей среды является задача моделирования атмосферных процессов и создания прикладных информационно-вычислительных систем c доступом через Интернет для осуществления мониторинга и прогноза экологического и метеорологического состояния пограничного слоя атмосферы. Целью данной работы является создание веб-системы для наглядной оценки химического состава воздуха в городском центре и его пригородах, получаемой на основе метеорологических наблюдений, адекватного учета выбросов промышленных предприятий в атмосферу, измерений концентраций загрязняющих атмосферу газов, а также численного моделирования процессов трансформации и переноса газовых примесей. Для проведения сценарных расчетов, направленных на выявление характерных особенностей распространения загрязнений над выбранной территорией при различных погодных условиях широко используются математические модели. Для расчета концентраций вторичных загрязнителей используются модели переноса примеси с интегрированными в нее блоками химических реакций. метеорологических Модель, применяемая параметров, вычисляемые в данной с работе, опирается использованием на поля прогностических метеорологических моделей. В данной работе предлагается произвести размещение данных для г. Томска, полученных в результате использования математической модели переноса примеси, на достаточно мощной вычислительной платформе, и обеспечить базовый набор программных инструментов для их обработки и визуализации с доступом через универсальный веб-интерфейс. На данный (http://atmos.iao.ru, момент на основе http://atmos.scert.ru) программного создан обеспечения работающий веб-портала прототип АТМОС веб-приложения, позволяющий проводить оценку таких параметров, как средние загрязнения за месяц и за сезон, их 3 динамику по годам, а также суточную динамику для различных примесей. При этом используются результаты работы модели за выборочные периоды с 2000 по 2005 гг. Данная система, в ее окончательном виде, может быть использована для оценки долговременных экологических рисков в городских условиях, а также для расчета гипотетических сценариев в случае аварийных выбросов в различных метеоусловиях. Веб-система может быть достаточно быстро адаптирована для применения в условиях других промышленных центров. Результаты проведенной работы в перспективе могут быть использованы в области охраны окружающей среды и экологии, для выработки рекомендаций по экологической и медицинской безопасности, а также для оценки антропогенного влияния на изменение природной среды и климата в регионе. 4 СОДЕРЖАНИЕ Введение ....................................................................................................................................... 6 1. Постановка задачи.................................................................................................................. 8 2. Описание системы .................................................................................................................. 9 3. Полученные результаты ...................................................................................................... 12 Заключение................................................................................................................................ 14 Список использованных источников..................................................................................... 15 5 ВВЕДЕНИЕ Процессы, происходящие в пограничном слое атмосферы, оказывают существенное влияние на жизнь и деятельность человека [1]. При этом даже незначительные отклонения во влагообмене и теплообмене между атмосферой и земной поверхностью, химическом составе воздуха и других характеристиках оборачиваются заметными последствиями для окружающей среды. По этой причине в настоящее время одной из актуальных проблем охраны окружающей среды является задача моделирования атмосферных процессов и создания прикладных информационновычислительных систем c доступом через Интернет для осуществления мониторинга и прогноза экологического и метеорологического состояния пограничного слоя атмосферы. Это является особенно важным в условиях бурного развития промышленности, энергетики и автотранспорта, что обуславливает возрастание числа факторов негативного воздействия на качество атмосферного воздуха, связанное с изменением его химического и аэрозольного состава. В последние десятилетия для проведения сценарных расчетов, направленных на выявление характерных особенностей распространения загрязнений над выбранной территорией при различных погодных условиях широко используются математические модели [2]. Сценарный анализ выполняется с целью изучения вклада отдельных источников в общий баланс загрязнения атмосферы [3], а также для оценки последствий возможных аварийных ситуаций на объектах повышенной опасности [4]. Кроме того, математические модели включаются в оперативные системы прогноза качества воздуха, работающие в режиме реального времени. Такие системы позволяют с высокой скоростью рассчитывать детальные распределения концентраций загрязнений над территорией города и его окрестностями, при высокой достоверности результатов, обеспеченной измерениями, регулярно проводимыми на стационарных постах контроля за качеством воздуха [5, 6]. При этом следует учитывать влияние продуктов вторичной эмиссии – веществ, образующихся в атмосфере в результате химических и фотохимических реакций. Для расчета концентраций вторичных загрязнителей используются модели переноса примеси с интегрированными в нее блоками (схемами) химических реакций, которые основаны на уравнениях химической кинетики [2]. Целью данной работы является создание веб-системы для наглядной оценки химического состава воздуха в городском центре и его пригородах. На данный момент в системе реализован блок оценки загрязнения воздуха за выборочные периоды 2000-2005 гг., для которых с использованием математической модели переноса примеси [7] были получены детальные поля концентраций загрязнителей. 6 В модели [7] учитывается перенос, рассеяние и сухое осаждение легких газовых компонент примеси, а также химические взаимодействия между загрязнителями. Модель опирается на поля метеорологических параметров, вычисляемые с использованием прогностических метеорологических моделей. Задача решается численно с использованием метода конечного объема, с применением новой эффективной модификации явно-неявного конечно-разностного метода решения пространственных нестационарных адвективно-диффузионно-кинетических уравнений на многопроцессорных вычислительных системах с распределённой памятью (кластеры ТГУ и ИОА СО РАН). Высокая степень достоверности результатов расчета основана на детальной информации об источниках поступления загрязнителей воздуха: промышленных предприятиях, объектах теплоэнергетики, автотранспорте. 7 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ В настоящее время по-прежнему является актуальной задача построения информационновычислительных систем для изучения уровня атмосферного загрязнения городских индустриальных центров. В данной работе предлагается произвести размещение данных для г. Томска, полученных в результате использования математической модели переноса примеси [7], на достаточно мощной вычислительной платформе, и обеспечить базовый набор программных инструментов для их обработки и визуализации с доступом через универсальный веб-интерфейс. В качестве основы для построения такой веб-системы было выбрано программное обеспечение веб-портала ATMOS [8], специально разработанное для быстрого создания научных вебприложений практически любого уровня сложности. Для визуализации результатов был выбран программный пакет с открытым кодом GrADS (Grid Analysis and Display System) [9], имеющий широкие возможности графического представления табличных данных. Веб-интерфейс системы предлагается реализовать с помощью технологии DHTML, которая позволяет обеспечить более дружественный пользователю программный интерфейс, нежели стандартный HTML. В качестве языка реализации инструментария обработки данных был выбран язык PHP вследствие простоты разработки программных модулей на базе программного ядра портала ATMOS. В отчете рассматривается практическая реализация рабочего прототипа данной веб-системы. 8 2. ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ Разрабатываемая веб-система состоит из трех функциональных частей: 1. Данные, полученные в результате работы модели [7] для г. Томска за выборочные периоды с 2000 по 2005 гг. 2. Графический интерфейс пользователя 3. Набор PHP-сценариев, реализующих обработку данных, а также их представление в GrADS-формате Следует отметить, что данные, полученные непосредственно в результате моделирования, по ряду технических непригодными причин для (формат, объем, использования в соглашения о наименовании веб-системе, поэтому файлов) первоначально являются они были структурированы и приведены к стандартному бинарному формату, используемому программным пакетом GrADS, для чего был написан специализированный конвертер на языке Java. Данные хранятся на сервере и доступны только для обработки системой. Конечный пользователь не имеет непосредственного доступа к данным, однако свободно может получить результаты графического отображения, как данных, так и результатов их обработки. Графический интерфейс пользователя разработан на базе программного ядра портала ATMOS и представляет собой динамическую HTML форму для ввода параметров расчета и визуализации (Рис. 1). Рис. 1. Интерфейс пользователя для ввода параметров вычислений и визуализации 9 Форма позволяет задавать для системы следующие параметры. Выпадающий список «Воздушная примесь» (Рис. 2) позволяет выбрать требуемый загрязнитель воздуха. Рис. 2. Выбор воздушной примеси В настоящее время существует возможность выбора воздушных примесей из следующего набора: крупнодисперсный аэрозоль, диоксид серы, диоксид азота, оксид углерода, мелкодисперсные частицы, оксид азота, озон. Параметр «Высота атмосферного слоя» позволяет задавать рассматриваемый высотный уровень, который для существующего набора данных может варьироваться от 10 до 180 метров. В списке «Вычисляемая характеристика» (Рис. 3) необходимо выбрать процедуру обработки и визуализации данных атмосферного загрязнения. Рис. 3. Выбор вычисляемой характеристики На данный момент реализована возможность вычисления и визуализации таких характеристик, как среднее загрязнение за месяц, среднее загрязнение за сезон, суточная динамика концентрации загрязнителя по часам, динамика средних за месяц по годам, а также динамика средних за сезон по годам. Поля «Временной диапазон» (Рис. 4) позволяет задать интересующую временную область. Рис. 4. Установка интересующего временного диапазона Верхние три поля для ввода года, месяца и дня определяют начало области, нижние три поля – конец области. Следует отметить, что содержимое полей «Временной диапазон» формируется динамически и полностью отражает текущее состояние набора данных модели переноса примеси, то есть добавление новых данных на сервере, например, за 30 июня 2005 г., автоматически отразится на интерфейсе пользователя. Это является особенно актуальным с точки зрения оперативности доступа к информации, а также ввиду того, что процесс моделирования является 10 весьма дорогостоящим, и данные могут поступать небольшими порциями. Доступность полей для заполнения является функцией от выбираемой вычисляемой характеристики, так, например, в случае выбора пункта меню «Суточная динамика по часам» нижние три поля будут блокированы для ввода, а в случае выбора пункта меню «Среднее загрязнение за сезон» будут доступны для заполнения только первые два поля начала области – год и сезон (осень, зима, весна, лето). В выпадающем списке «Вид графического вывода» (Рис. 5) необходимо выбрать тип графического вывода: контурная карта или закрашенная контурная карта, а в поле «Размер выходного изображения» - желаемый размер рисунка. Рис. 5. Задание параметров визуализации Также существует возможность задать желаемую частоту кадров анимации для характеристик динамики концентрации загрязнителей. После ввода всех параметров нужно нажать кнопку «Выбрать», после чего программа произведет необходимые расчеты и выведет результат на экран. 11 3. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ В данном разделе приводится несколько примеров, демонстрирующие возможности рабочего прототипа системы в настоящее время. На Рис. 6 показано среднее загрязнение диоксидом серы за июль 2005 г. на высоте 10м. Следует отметить, что шкала значений концентрации отнормирована относительно соответствующего значения ПДК, которое располагается в центре шкалы, и в данном случае равно 50. На Рис.7 приводится среднее загрязнение диоксидом азота за лето 2003 г. на высоте 10м. Следует иметь в виду, что на данный момент эти результаты нельзя считать репрезентативными из-за недостаточного количества данных. Рис. 6. Среднее загрязнение диоксидом серы за июль 2005 г. 12 Рис. 7. Среднее загрязнение диоксидом азота за лето 2003 г. На Рис. 8 показана почасовая динамика концентрации оксида серы за 26 февраля 2004 года, а также соответствующий JavaScript интерфейс, реализующий эффект анимации. Рис. 8. Динамика концентрации оксида серы за 26 февраля 2004 г. 13 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Разрабатываемая веб-система может быть использована для выявления областей сильного загрязнения воздуха в г. Томске в зависимости от метеоусловий и для проверки степени достоверности получаемых прогнозов качества воздуха. В ближайшее время планируется реализовать возможность масштабирования карты Томска до 100 м, а также реализовать возможность просчета гипотетических сценариев для различных аварийных выбросов. Вебсистема может быть достаточно быстро адаптирована для применения в условиях других промышленных центров. Результаты проведенной работы в перспективе могут быть использованы в области охраны окружающей среды и экологии, для выработки рекомендаций по экологической и медицинской безопасности, а также для оценки антропогенного влияния на изменение природной среды и климата в регионе. 14 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Оке Т.Р. Климаты пограничного слоя. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 360 с. 2. Moussiopoulos N., Sahm P., Kessler C. Numerical simulation of photochemical smog formation in Athens, Greece - A case study // Atmos. Environ. 1995. V. 29. N 24. P. 3619-3632. 3. Старченко А.В., Беликов Д.А., Есаулов А.О. Численное моделирование влияния метеорологических параметров на качество атмосферного воздуха в городе // Тр. конф. ENVIROMIS 2002. Томск: Изд-во ГУ “Томский ЦНТИ”, 2002. С. 142-151. 4. Пененко В.В., Коротков М.Г. Применение численных моделей для прогнозирования аварийных и экологических ситуаций в атмосфере // Оптика атмосф.и океана. 1998. Т. 11. № 6. С. 567-572. 5. EURAD: http://www.eurad.uni-koeln.de 6. ADMS-Urban: http://www.cerc.co.uk/software/urban.htm 7. Belikov D.A., Starchenko A.V. An Investigation of Secondary Pollutants Formation (Ozone) in the Atmosphere of Tomsk // Journal of Atmospheric and Oceanic Optics. 2005. Vol. 18. № 05-06. Pp. 391-398. 8. Gordov E. P., Lykosov V. N., and Fazliev A. Z. Web portal on environmental sciences "ATMOS", Adv. Geosci., 2006, 8, 33-38, (www.adv-geosci.net/8/33/2006/). 9. Grid Analysis and Display System, http://www.iges.org/grads/ 15
