GLEMOS (Global EMEP Multi-media Modelling System) — мульти-масштабная модельная платформа для оценки загрязнения окружающей среды широким кругом токсичных веществ, разработанная в рамках программы ЕМЕП. GLEMOS предназначена для численного моделирования распространения, циркуляции и накопления разнообразных загрязняющих веществ (например, таких как тяжелые металлы и стойкие органические соединения) в природных средах (атмосфера, океан, почва, растительность). Характерной особенностью платформы является, возможность выбора как модельного домена (от глобального до локального масштаба), так и и пространственного разрешения. Модульная архитектура системы позволяет гибко настраивать конфигурацию модели под условия конкретной задачи и свойства загрязняющего вещества.

 

Сфера применения

Сфера практического применения GLEMOS включает:

  • Многосредовое моделирование загрязнения окружающей среды разнообразными токсичными веществами на различных масштабах (от глобального до локального)
  • Оценки долгосрочного накопления и циркуляции загрязняющих веществ в природных средах
  • Оценка межконтинентального переноса загрязняющих веществ и его влияния на уровни загрязнения в различных регионах
  • Построение будущих сценариев загрязнения и его взаимосвязи с изменением климата

 

Модульная архитектура

        
Общая схема модульной архитектуры
системы моделирования GLEMOS

Модульная архитектура является ключевой особенностью модельной платформы GLEMOS. Ее целью является гибкость выбора и настройки модельной конфигурации при моделирования загрязняющих веществ с сильно отличающимися свойствами. Каждый тип природной среды представлен в модели набором процедур, описывающих общие процессы, которые объединены в программные модули. Каждый модуль может быть присоединен или отключен от модели на этапе компиляции кода при помощи управляющих скриптов. Все загрязняющие вещества объединяются в группы, характеризующиеся подобными свойствами (например, тяжелые металлы, стойкие органические загрязнители и др.). Каждая группа загрязняющих веществ представлена в модели, набором модулей определяющих и их свойства и поведение в каждой природной среде. Кроме того, каждое загрязняющее вещество может быть представлено в виде различных физических состояний и химических соединений, специфичных для конкретной среды. Модули загрязняющих веществ могут присоединяться к модельной платформе с помощью процедуры, аналогичной той, которая использована для природных сред.


Основные группы веществ, включенные в текущую версию модели — ртуть, тяжелые металлы в составе атмосферного аэрозоля (Pb, Cd) и стойкие органические загрязнители (СОЗ). Дополнительная группа загрязняющих веществ, которые используется, в основном, для тестирования и оценки эффективности модели, включает инертные радиоактивные изотопы (131I, 134Cs, 137Cs, 132Te, и т.д). Кроме того, в ближайшем будущем планируется включить отдельную группу модулей для моделирования атмосферного аэрозоля с целью усовершенствования описания атмосферных процессов, относящихся к распространению тяжелых металлов и СОЗ (распределение газ-частицы, сорбция, гетерогенная химия и др.)

 

Расчетная область модели и пространственное разрешение

GLEMOS может применяться для оценки загрязнения на различных географических масштабах и с разным пространственным разрешением. Базовая сетка модели на глобальном масштабе имеет горизонтальное разрешение 1°×1°. При этом она имеет переменный шаг в зональном направлении при приближении к полюсами, для того, чтобы избежать чрезвычайно малых пространственных масштабов (и, связанных с ними, очень малых шагов интегрирования по времени). К северу от 82° с. ш. и к югу от 82° ю. ш., соответственно, ячейки сетки объединяются по две, сохраняя линейный шаг сетки не менее 15 км. Кроме того, в областях в непосредственной близости от полюсов (в радиусе 1°) отдельные ячейки сетки объединены в две круговые ячейки.

По вертикали расчетная область модели охватывает атмосферу до 10 гПа (около 30 км). Значительный вертикальный охват требуется для моделирования атмосферного переноса долгоживущих веществ в глобальном масштабе, чтобы избежать необходимости установки граничных условий на верхней границе, а также чтобы учесть возможный обмен между стратосферой и тропосферой. Вертикальная структура текущей версии модели состоит из 20 неоднородных сигма слоев, 10 из которых покрывают нижние 5 км тропосферы, и высота приземного слоя составляет около 75 м.

 

                 
Конфигурация горизонтальной сетки модели 1°×1°
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Вертикальная структура сетки модели

 

Параметризация физических и химических процессов

Параметризации процессов в природных средах, применяемые в GLEMOS, в значительной степени основаны на подходах, использованных в предыдущих, хорошо развитых и тщательно тестированных моделях MSCE-HM и MCSE-POP. Краткое описание основных процессов приведено в таблице.

 

  Процесс
  Описание
  Атмосфера
  Адвекция   Схема Ботта второго порядка, модифицированная для сферической геометрии
  Сохранение массы   Вычисление вертикальных скоростей из уравнения неразрывности, используя
  аналитическую инверсию схемы Ботта
  Турбулентная диффузия   Неявная разностная схема второго порядка
  Химия (ртуть)   Окислительно-восстановительные реакции с O3, OH, Cl, Br, BrO в газовой фазе и
  облачной воде
  Распределение газ-частицы (СОЗ)   Мгновенное равновесие регулируемое уравнением Юнге-Панкова
  Деградация (СОЗ)   Реакция с OH в газовой фазе; фото-деградация аэрозольной фракции (ПАУ)
  Океан
  Адвекция   Трехслойная конечно-разностная схема второго порядка типа «чехарда»
  Распределение между фазами (СОЗ)   Мгновенное равновесие регулируемое эмпирическими коэффициентами
  Седиментация   Скорость седиментации, аппроксимируемая формулой Стокса
  Деградация (СОЗ)   Процесс первого порядка, описываемый эмпирическими скоростями деградации
  Почва
  Вертикальный перенос   Перенос с конвективными потоками воды, диффузия и биотурбация

  Разделение между фазами (СОЗ)

  Мгновенное равновесие регулируемое эмпирическими коэффициентами со
  свободно доступным органическим углеродом; процесс динамического обмена
  первого порядка с потенциально доступным органическим углеродом
  Деградация (СОЗ)   Процесс первого порядка, описываемый эмпирическими скоростями деградации
  Обмен между средами
  Сухое выпадение   «Резисторный» подход; скорости сухого выпадения аэрозоля, зависящие от
  размера частиц
  Влажное выпадение   Внутри облачное и подоблачное вымывание, эмпирический подход
  Газовый обмен   «Резисторный» подход; упрощенная двухслойная модель


Более детально параметризация модели и описание подходов представлены в технических отчетах [Travnikov and Ilyin, 2005; Gusev et al., 2005; Tarrason and Gusev, 2008; Travnikov et al., 2009, Jonson and Travnikov, 2010, Travnikov and Jonson, 2011].

 

Тестирование модели

Модельная платформа GELMOS тестировалась в ряде численных экспериментов, проводившихся в рамках Целевой Группы по Полусферному Переносу Загрязнителей Воздуха (TF HTAP). Программа оценки моделей включала в себя тестирование атмосферного переноса, сравнение результатов моделирования с данными наблюдений и оценку неопределенности расчетов типа «источник-приемник» на глобальном масштабе. Кроме того, атмосферный модуль переноса GLEMOS был тестирован в численном эксперименте, основанном на расчете атмосферного переноса радиоактивных изотопов от аварийного выброса на АЭС Фукусима-1 (Япония).

 

Дальнейшее развитие

Разработка и обновление модельной платформы GLEMOS является непрерывным процессом, направленным на улучшение производительности модели и поддержку ее подходов и параметризаций в соответствии с развитием современных научных представлений. В частности, ближайшие изменения модели будут включать в себя:

  • Дальнейшее совершенствование модульной архитектуры, включая адаптацию и тестирование процедуры моделирования на различных масштабах и улучшение вычислительной эффективности;
  • Включение информации об атмосферном аэрозоле и химических реагентах для улучшения оценки уровней загрязнения тяжелыми металлами и СОЗ на основе внешних данных или упрощенных химических модулей;
  • Подготовка системы моделирования для распространения и поддержки в виде программного обеспечения с открытым исходным кодом

 

Литература

Travnikov O. and I.Ilyin [2005] Regional Model MSCE-HM of Heavy Metal Transboundary Air Pollution in Europe. EMEP/MSC-E Technical Report 6/2005, p.59.

Gusev A., Mantseva E., Shatalov V., Strukov B. [2005] Regional Multicompartment Model MSCE-POP. EMEP/MSC-E Technical Report 5/2005.

Travnikov O., J.E. Jonson, A.S Andersen, M. Gauss, A. Gusev, O. Rozovskaya, D. Simpson, V. Sokovykh, S. Valiyaveetil and P. Wind [2009] Development of the EMEP global modelling framework: Progress report. Joint MSC-E/MSC-W Report. EMEP/MSC-E Technical Report 7/2009.

Jonson J. E. and Travnikov O. (Eds.). [2010] Development of the EMEP global modeling framework: Progress report. Joint MSC-W/MSC-E Report. EMEP/MSC-W Technical Report 1/2010.

Travnikov O. and Jonson J. E. (Eds.). [2011] Global scale modelling within EMEP: Progress report. EMEP/MSC-E Technical Report 1/2011

 

Наверх