Региональная модель атмосферного переноса MSCE-HM была разработана для оперативного моделирования трансграничного загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) в регионе ЕМЕП для предоставления странам-участникам Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха информации об атмосферном загрязнении окружающей среды тяжелыми металлами.

 

Применение модели

Модель MSCE-HM используется для следующих целей:

  • оценка атмосферного переноса и выпадений тяжелых металлов на региональном (ЕМЕП) и национальном (отдельные страны) масштабе
  • оценка трансграничного переноса тяжелых металлов
  • моделирование выпадений на экосистемы для оценки превышения критических нагрузок (в сотрудничестве с CCE)
  • расчет временных и пространственных трендов
  • прогноз будущих уровней загрязнения HM и их трендов при различных сценариях выбросов

 

Описание модели

Модель схемы поведения тяжелых
металлов в атмосфере

 

MSCE-HM является региональной трехмерной эйлеровой моделью атмосферного переноса тяжелых металлов, использующей предварительно рассчитанные метеорологические данные. В модель включены процессы выбросов тяжелых металлов в атмосферу от антропогенных и природных источников, атмосферного переноса, химических превращений (в случае ртути) в газовой и водной фазах, и выпадений на подстилающую поверхность (см. рисунок). Расчетная область модели определена в полярной стереографической проекции и охватывает регион ЕМЕП с пространственным разрешением 50×50 км на 60° с.ш. Для расчетов в масштабе отдельной страны применяется более высокое разрешение (например, 5×5 км, 10×10 км). Подробное описание модели можно найти в отчете [Travnikov and Ilyin, 2005].

Вертикальная структура модели представлена в сигма-системе координат, плавно огибающей поверхность земли. Область расчетов разбита на 15 неравномерных сигма-слоев и простирается до уровня 100 гПа.

Атмосферная адвекция и вертикальный перенос описаны в модели с использованием консервативной монотонной адвекционной схемы Ботта четвертого порядка [Bott, 1989a; 1989b, 1992]. Вертикальная турбулентная диффузия описывается неявным образом для того, чтобы избежать ограничений по шагу интеграции по времени из-за возможных резких градиентов смесевого отношения загрязняющих веществ.

Вертикальная структура модельной области.
Кривые показывают границы σ-слоев

 

Такие тяжелые металлы, как свинец и кадмий и их соединения характеризуются очень низкой летучестью. В модели предполагается, что эти металлы (а также некоторые другие - никель, хром, цинк и др.) переносятся в атмосфере только в составе аэрозольных частиц. Считается, что их возможные химические превращения не меняют свойств частиц-носителей в точки зрения процессов выведения. В отличие от этих металлов, преобразования ртути в атмосфере включают переходы между газовой, водной и твердой фазами и химические реакции в газовой и водной средах.

Процессы выведения, описанные в модели, включают сухие выпадения и влажное вымывание. Схема сухого выпадения основана на подходе, использующим аналогию с электрическими сопротивлениями, [Wesely and Hicks, 2000] и позволяет учитывать выпадения на различные типы экосистем (леса, луга, водные поверхности и т.д.). Скорость сухого выпадения частиц на растительность описывается с помощью теоретических положений, предложенных в работе Slinn [1982] и экспериментальных данных, полученных в работах [Ruijgrok et al., 1997; Wesely et al., 1985]. Параметризация сухого выпадения на водную поверхность основана на подходе, предложенном Уильямсом [Williams, 1982], учитывающим разрушение волн и вымывание аэрозоля морской пеной. Модель рассматривает отдельно облачное и подоблачное влажное вымывание частиц и хорошо растворимой реакционно способной газообразной ртути на основе эмпирических данных. Кроме того, интенсивность осадков масштабируется для конвективных осадков в соответствии с подходом, предложенным Walton et al. [1988], для того чтобы учесть то, что конвективные облака охватывают только часть ячейки модели.

Важным процессом, влияющим на концентрации и выпадения тяжелых металлов (таких как свинец и кадмий), связанных с аэрозольными частицами, является ветровой подъем частиц с поверхности почв и морской воды. Этот процесс заслуживает особого внимания в районах с низким уровнем антропогенных выбросов.
 
Первая версия параметризации ветрового подъема тяжелых металлов, включенная в модель MSCE-HM, описана в работах [Gusev et al., 2005; Ilyin et al., 2007]. Эта параметризация основана на подходах, широко применяемых в современных моделях образования минеральной пыли [например, Gomes et al., 2003; Zender et al., 2003]. В частности, ветровой подъем пылевых частиц из почвы рассматривается как сочетание двух основных процессов - сальтации и сандбластинга (sandblasting), представляющих собой горизонтальное перемещение крупных агрегатов почвы, обусловленное давлением ветра и выброса мелких частиц пыли, соответственно. Подъем пыли рассчитывается для поверхностей, лишенных растительности (пустыни и голая почва, сельскохозяйственные почвы в период культивации, городские территории). Помимо этого, на основе эмпирической параметризации, предложенной Gong-Monahan [Gong, 2003], рассматривается образование морской соли и ветрового подъема тяжелых металлов с морской поверхности.

 

Тестирование модели

Тестирование модели включает в себя сравнение рассчитанных концентраций и выпадений с результатами измерений, исследования чувствительности и сравнение результатов моделирования с результатами, полученными другими региональными моделями переноса (так называемые imtercomparison study). Сопоставление результатов моделирования с данными измерений проводится каждый год. Описание его результатов приводится в ежегодных отчетах. Изучение чувствительности модели и оценки неопределенностей рассчитанных выпадений и концентраций описаны в техническом отчете [Travnikov and Ilyin, 2005]. Подробная информация по результатам сравнения моделей доступна в технических отчетах и в научных статьях. Модель MSCE-HM была рассмотрена на Целевой группе ЕМЕП по измерениям и моделированию, заседание которой состоялось в Москве в октябре 2005 года. На семинаре был сделан вывод, что модель может использоваться для оценки трансграничного переноса на большие расстояния и выпадения тяжелых металлов в Европе (ECE/EB.AIR/GE.1/2006/4).

 

Дальнейшее развитие модели

Наряду с региональной моделью MSCE-HM в настоящий момент идет разработка единого подхода к моделированию атмосферного переноса тяжелых металлов на разных пространственных масштабах. Для оценки загрязнения ТМ в различных масштабах - глобальном, региональном и местном - разрабатывается глобальная многосредная система моделирования ЕМЕП (Global EMEP Multi-media Modelling System (GLEMOS)). Предполагается, что в ближайшем будущем модель GLEMOS заменит модель MSCE-HM.

 

Литература

Bott A. [1989a] A positive definite advection scheme obtained by nonlinear renormalization of the advective fluxes. Mon. Wea. Rev. 117, 1006-1015.

Bott A. [1989b] Reply to comment on “A positive definite advection scheme obtained by nonlinear renormalization of the advective fluxes.” Mon. Wea. Rev. 117, 2633-2636.

Bott A. [1992] Monotone flux limitation in the area-preserving flux-form advection algorithm. Mon. Wea. Rev. 120, 2592-2602.

Gomes L., Rajot J.L., Alfaro S.C. and A.Gaudichet [2003] Validation of a dust production model from measurements performed in semi-arid agricultural areas of Spain and Niger. Catena, vol. 52, pp.257–271.

A. Gusev, O.Rozovskaya, V. Shatalov Modelling POP long-range transport and contamination levels by MSCE-POP model. EMEP/MSC-E Technical Report 1/2007

Ilyin I., Rozovskaya O., Sokovykh V., and Travnikov O. [2007] Atmospheric modelling of heavy metal pollution in Europe: Further development and evaluation of the MSCE-HM model. EMEP/MSC-E Technical Report 2/2007., 52 p.

Ruijgrok W., Tieben H., Eisinga P. [1997] The dry deposition of particles to a forest canopy: A comparison of model and experimental results. Atmos. Environ. 31, 399-415

Slinn W.G.N. [1982] Predictions for particle deposition to vegetative canopies. Atmos. Environ. 16, 1785-1794.

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.

Williams R.M. [1982] A model for the dry deposition of particles to natural water surfaces. Atmos. Environ. 16, 1933-1938.

Wesely M.L. and Hicks B.B. [2000] A review of the current status of knowledge on dry deposition. Atmos. Environ. 34, 2261-2282.

Walton J.J., MacCracken M.C. and Ghan S.J. [1988] A global-scale Lagrangian trace species model of transport, transformation, and removal processes. J. Geophys. Res. 93(D7), 8339-8354.

 

Наверх