Моделирование переноса загрязняющих примесей с использованием GEOS-Chem

3.2 Моделирование процессов крупномасштабного переноса загрязняющих примесей в атмосфере с использованием глобальной химической транспортной модели GEOS-Chem.

В настоящее время моделирование распределения содержания загрязняющих примесей в атмосфере над территорией Беларуси осуществляется на основе химико-транспортной модели GEOS-Chem [29, 30] (версия v9.02 с учётом вторичных органических аэрозолей на основе метеорологических полей GEOS-5 и GEOS-fp [31]). Входными данными для модели являются базы данных поступления химических компонентов и аэрозолей в атмосферу и метеоданные. Базы данных поступления компонентов в атмосферу используются как глобальные, так и региональные. Источники газообразных загрязнителей в GEOS-Chem разделены на четыре категории: антропогенные источники, сжигание биотоплива, микробиологические процессы, горение биомассы. Отдельно рассматриваются источники аэрозольного загрязнения. Используемые базы данных поступления аэрозолей в атмосферу включают антропогенные выбросы, выбросы в результате сжигания биотоплива, горения биомассы, извержений вулканов, поступления из морской воды, выветривания. В модель включены следующие микрофизические процессы: образование частиц, рост, коагуляция, осаждение и вымывание.

Модель учитывает основные механизмы переноса и трансформации примесей в атмосфере: горизонтальный и вертикальный перенос, эмиссию, осаждение и химические превращения. Ядром химического механизма являются взаимные превращения озона, оксидов азота и углеводородов, взаимодействие которых играет ключевую роль в химии тропосферы. При этом учитываются химические реакции в газовой и жидкой фазах, а также кинетические процессы формирования и эволюции аэрозолей. Всего химический механизм модели включает около 80 компонентов и 300 реакций.

Результатом моделирования является распределение содержания атмосферных примесей в пространстве и времени.  На рис. 5 в качестве примера представлены усредненные за октябрь 2009 года пространственные распределения колонных концентраций диоксида азота, рассчитанные по GEOS-Chem (слева) и измеренные спутниковой аппаратурой OMI (справа). Можно сделать вывод, что рассчитанное и измеренное распределения довольно хорошо согласуются друг с другом.

Рисунок 5 — Пространственное распределение колонных концентраций диоксида азота

 

Модель позволяет также рассчитывать плотности выпадения загрязнителей. Учёт влажного осаждения осуществляется на основе двух типов метеорологических данных: конвективных потоков влажного воздуха и потоков осадков. На основе этой информации  действуют два механизма удаления примесей: удаление из восходящих потоков влажного воздуха и вымывание осадками. Сухое осаждение зависит от типа подстилающей поверхности и метеорологических условий.

Как показали расчеты по модели GEOS-Chem, влажное осаждение составляет более 90% общего количества выпадений. В качестве примера на рис. 6 представлено рассчитанное в рамках модели распределение выпадений восстановленного азота. Видно, что больше всего выпадений имело место на восточной границе Беларуси. Там же выпадало больше всего осадков. Только в районе Гродно значительное количество выпадений окисленного азота сопровождалось небольшим количеством осадков. Причиной может быть наличие в районе Гродно мощных источников выбросов окислов азота. 

Рисунок 6 — Среднегодовое распределение (кг/км2) выпадений восстановленного азота по территории Беларуси в 2012 году (слева) и среднегодовое распределение (мм) осадков в том же году (справа).

 

В Таблице 3 приведены среднегодовые выпадения на территории Беларуси серы и азота, рассчитанные по модели GEOS-Chem с учетом и без учета (в скобках) антропогенных источников, располагающихся в пределах Беларуси, тыс. тонн/год. Здесь же для сравнения в приведены  данные ЕМЕР [50-52] (в знаменателе). Расхождение между двумя моделями ЕМЕР и GEOS-Chem по окисленной сере составляет два раза, по восстановленному азоту – полтора раза, по окисленному азоту имеем практическое совпадение. В целом можно говорить о хорошем согласии результатов, полученных по двум моделям.

 

Таблица 3 – Выпадения на территории Беларуси серы и азота, тыс. тонн/год