Модели гауссового типа: краткий обзор рекомендуемых моделей

Краткий обзор рекомендуемых в Европе и США моделей гауссового типа и способа распространения программного обеспечения для работы с моделями

В предыдущей части мы рассмотрели простейшую модель гауссового типа - модель Пасквилла-Бриггса. В этой части мы кратко рассмотрим основные модели гауссового типа, а также особенности разработки программного обеспечения для работы с этими моделями. В дальнейшем, эта информация нам пригодиться для того, чтобы сравнить подходы к разработке и применению моделей рассеивания примесей в России и за рубежом.

Скрининговые модели гауссового типа

Упрощенно, определение скрининговой модели рассеивания можно сформулировать так - это модель, реализующая основные зависимости и, позволяющая максимально быстро получить значения концентраций равных или превышающих значения, которые могли бы быть получены при использовании полной модели. То есть скрининговая модель - это некий инструмент предварительного анализа ситуации, который позволяет ответить нам на вопрос: стоит ли использовать полную модель рассеивания.

Практически каждая рекомендуемая модель рассеивания гауссового типа имеет своего "двойника" в виде скрининговой модели. Однако, есть и самостоятельные скрининговые модели, например, модель VALLEY — это скрининговая модель для оценки 24-часовых или годовых концентраций, создаваемых выбросами из 50 точечных и площадных источников. То есть в самой модели, для её упрощения уже заложены ограничения - не более 50 источников, расчёт только среднесуточных и среднегодовых концентраций. Идея модели VALLEY в дальнейшем была развита в виде другой скрининговой модели COMPLEX1 — модели с несколькими точечными источниками, которая позволяет при рассеивании учитывать рельеф местности.

Рекомендуемые модели гауссового типа

Так как модели гауссового типа относятся к эмпирическим моделям, то на сегодняшний день существуют более 50 различных моделей, учитывающих те или иные особенности распространения примесей в атмосфере. Для того, чтобы каким-либо образом регламентировать использование той или иной модели, Агентство по охране окружающей среды в США (EPA) может рекомендовать ту или иную модель для использования. Такой подход, с одной стороны, позволяет сократить число моделей, используемых в практических задачах, а, с другой стороны - е ограничивает само развитие и усовершенствование этих моделей так как никто не исключает того факта, что в число рекомендуемых войдет и какая-то новая, более совершенная и проработанная модель.

На сегодняшний день, EPA рекомендует к использованию следующие модели рассеивания:

AERMOD — модель атмосферной дисперсии, позволяющая рассчитывать концентрации примесей от точечных, площадных, линейных и объемных источников загрязнения. Учитывает рельеф местности и включает в себя алгоритмы учета влияния зданий и сооружений на рассеивание примеси. Одна из особенностей модели AERMOD - учёт процессов сухого и влажного осаждения примесей. AERMOD развивалась на протяжении 14 лет прежде, чем попала в список рекомендованных моделей

Результат моделирования рассеивания примеси в AERMOD

CALPUFF — нестационарная модель рассеивания, которая моделирует влияние изменяющихся во времени и пространстве метеорологических условий на перенос, трансформацию и осаждение загрязняющих веществ. Модель CALPUFF можно использовать для моделирования переноса на большие расстояния, а также для рассеивания выбросов в условиях для сложных ландшафтов.
BLP — модель рассеивания гауссовых шлейфов, основная цель которой - максимально точный учёт эффектов, связанных с промышленными источниками выбросов, такими как подъем шлейфа, оседание твердых частиц и т.д.
CALINE3 и основанные на ней модели CAL3QHC и CAL3QHCR. CAL3QHC — стационарные гауссовы модели рассеивания, предназначенные для определения концентраций загрязняющих веществ от автомагистралей, расположенных на относительно ровной местности. Группа этих моделей позволяет учитывать в том числе и эффект "пробок" на рассеивание примесей в атмосфере.
CTDMPLUS — комплексная модель рассеивания в сложных условиях рельефа. Это усовершенствованная модель качества воздуха для точечных источников, которая может использоваться в любых условиях стабильности (т. е. во всех условиях атмосферной турбулентности) для сложного рельефа.
OCD — модель рассеивания выбросов в открытом море и прибрежной зоне. Учитывает перенос и рассеивание шлейфов над водой, а также изменения, происходящие при пересечении шлейфом береговой линии.

Распространение моделей рассеивания в Европе и США

Основные компоненты любой рекомендуемой модели рассеивания распространяются в Европе и США по следующей схеме:

на официальных сайтах агентств и служб по охране окружающей среды публикуется исчерпывающая информация о модели: документация, справочная информация, описание алгоритмов и так далее. Здесь же публикуется исходный программный код и готовые к запуску файлы программ, реализующих ту или иную модель. Например, ссылка на сайт EPA с моделями рассеивания примесей. Здесь же публикуются тестовые примеры и наборы данных для того, чтобы любой желающий мог оценить работу модели. Вся информация публикуется бесплатно. Стоит отметить, что публикуемые исполняемые файлы - это файлы консольных приложений (без графического интерфейса), а исходные данные, обычно, передаются в программы в виде текстовых файлов специального формата. Это сужает круг лиц, которые могут использовать бесплатное программное обеспечение, но не препятствует всестороннему изучению и тестированию модели группами ученых и исследователей.
сторонние компании-разработчики программного обеспечения, используя исполняемые файлы моделей, разрабатывают графический интерфейс пользователя - делают удобный оконный интерфейс, меню и т.д. Это программное обеспечение уже может использоваться не только специалистами в программировании и моделировании, но и, в принципе, всеми желающими. Компании-разработчики продают свои разработки всем желающим.
третья заинтересованная группа - метеорологические службы и частные компании, обрабатывающие данные по метеорологии, рельефу местности и т.д. Эти компании платно предоставляют заинтересованным лицам узкоспециализированную информацию в виде зашифрованных (или просто бинарных) фалов, которая необходима для корректной работы модели. К таким данным можно отнести, например, данные о рельефе местности, данные о многолетних наблюдениях за атмосферой и так далее. Технически, модели могут работать и без этих данных, однако, результат рассеивания может содержать очень большие погрешности по сравнению с прямыми измерениями концентраций в атмосферном воздухе.

Таким образом, с одной стороны, мы можем использовать модели рассеивания бесплатно (если разберемся со всей документацией), а, с другой стороны - даже, если мы покупаем программное обеспечение у компании-разработчика, то мы можем быть точно уверены, что результаты, полученные в этой программе в точности соответствуют тем, которые должна показывать верифицированная модель, размещенная на сайте, например, EPA так как исходный код самой модели полностью открыт и доступен всем желающим.