ИСТИНА

COSMO-Ru7-ART – интегрированная расчетная система, включающая мезомасштабную негидростатическую модель атмосферы COSMO-Ru7 (COnsortium for Small-scale MOdelling - RUssia) [1, 4, 6] и модель атмосферной химии ART (Aerosols and Reactive Trace gases) [2, 7, 8]. Входные данные COSMO-Ru7 – результаты работы глобальной системы усвоения на сетке с шагом 20 км за последний стандартный срок 00, 06, 12 или 18 UTC метеорологических характеристик: ветра, температуры, влажности на стандартных изобарических поверхностях, геопотенциальных высот этих поверхностей и атмосферного давления у подстилающей поверхности, представленные в узлах широт координатной сетки по области интегрирования. Граничные условия с интервалами по времени 3 часа поступают в систему мезомасштабного моделирования. Для расчета используется сферическая система координат со смещенным полюсом на 40 изобарических уровнях в атмосфере (верхний уровень на высоте примерно 23 км) и 7 уровней в почве. Основные этапы работы COSMO-Ru7: преобразование начальных условий для перевода на вычислительную сетку с шагом 7 км, интегрирование по времени уравнений гидротермодинамики атмосферы и деятельного слоя подстилающей поверхности, вычисление притоков тепла и влаги в каждой ячейке в толще модельной атмосферы, выполнение диагностических расчетов, формирование выходной стандартизированной продукции, подготовка на каждом шаге по времени (продолжительностью 40 c) информации для химической модели ART Модель атмосферной химии ART позволяет учитывать химические преобразования веществ в газовой фазе, фотодиссоциацию, коагуляцию, конденсацию, нуклеацию, осаждение, выведение и вымывание аэрозолей. Предусмотрен учет аэрозольной химии, взаимодействия аэрозолей с радиацией, эмиссия морской соли, минеральной пыли, пыльцы, биогенные выбросы гидрокарбонатов и гетерогенные реакции. Химические процессы в тропосфере представлены 172 реакциями. Среди неорганических соединений в явном виде рассматриваются 17 устойчивых соединений и 4 радикала. Органические соединения включают 26 устойчивых соединений и 16 радикалов. Пространственные и временные изменения концентраций малых газовых примесей рассчитываются с помощью трехмерного уравнения диффузии. В качестве граничных условий используются данные о выбросах газовых примесей. Рассчитываются концентрации оксидов азота, углерода и серы, азотной и серной кислоты, озона, пероксида водорода, альдегиды, кетоны, алканы, алкены. Соединения N2, O2, СН4 участвуют в химических реакциях, их концентрация считается постоянной. Для учета процессов фотодиссоциации в COSMO-ART используется модель фотолиза PAPA, позволяющая рассчитывать вертикальные профили частоты фотодиссоциации путем ввода коррекции стандартных профилей с учетом дополнительных факторов, рассчитываемых на каждом шаге модельного счета. С использованием модели MADESoot и ряда параметризаций учитываются физические и химические трансформации аэрозолей, разделенных в зависимости от размера и химического состава на 6 групп. Для каждой из них решаются прогностические уравнения для концентрации и массовой плотности аэрозолей. Распределение категорий землепользования основано на оценках проекта Global Land Cover 2000 Project (GLC, 2000). В качестве данных о выбросах веществ используются результаты проекта TNO (Netherlands) [35, 36], горизонтальный шаг сетки примерно 8 км (0,125×0,0625), временное разрешение – 1 час. На каждом шаге по времени расчет метеорологических величин и химических преобразований выполняется совместно, что позволяет учитывать обратное влияние концентрации аэрозолей и газов на атмосферные процессы. COSMO-Ru7-ART реализована в Гидрометцентре России на вычислительном комплексе SGI Altix 4700 для территории Центрального Федерального округа (ЦФО) с шагом по пространству 7 км, по времени – 40 с и 40 уровнями по вертикали. В настоящее время с использованием COSMO-Ru7-ART выполняется ежедневный расчет прогноза (на 48 ч. от 00 ч. МСК) концентраций загрязняющих газообразных веществ и аэрозолей. Для оперативного уточнения эмиссий загрязняющих веществ разработана методика, базирующаяся на данных измерений концентраций этих веществ на станциях экологического мониторинга [3]. Оценка эмиссий загрязняющих веществ при оперативном прогнозе их концентрации особенно сложна для территорий, подверженных антропогенному загрязнению. Объем выбросов не измеряется напрямую, инвентаризация эмиссий загрязняющих веществ проводится косвенными методами со значительным (иногда более года) запаздыванием по времени. Предлагается оперативный метод расчета эмиссий угарного газа, основанный на данных измерения его концентрации. Рассчитанные предложенным способом эмиссии могут быть использованы в качестве входных данных для химико-транспортных моделей. При сравнении результатов численных экспериментов с данными наблюдений сети Мосэкомониторинг было выявлено, что прогноз концентрации СО с использованием эмиссий, рассчитанных предложенным методом, в большинстве случаев, показал большую согласованность с данными наблюдений, чем прогноз с использованием данных эмиссий TNO. Для экстренных ситуаций, требующих расчета распространения шлейфа загрязняющих веществ, подготовлена и реализована технология оперативного задания данных об очагах лесных пожаров. Технология оценки выброса в атмосферу загрязняющих веществ во время лесных пожаров основана на корректировке входных данных при моделировании распространения атмосферных примесей с учетом типа растительности и ее средней биомассы. Это позволяет оценить соответствующий фактор эмиссии [5], при заданных площади пожара и его продолжительности моделировать распространение шлейфа пожара и производить учет физической и химической трансформации примесей в атмосфере. В пользу этого метода говорит возможность оперативного его применения, так как дополнительная коррекция входных данных о локализации очагов горения и выборе типа растительности при проведении численных экспериментов не требует длительного времени. Проверка полученных результатов свидетельствует о перспективности использования данного метода. В дальнейшем предполагается продолжить работу по совершенствованию прогноза в следующих направлениях: оперативное уточнение антропогенной эмиссии газов по данным мониторинга концентраций этих газов в воздух и оперативный прогноз распространения шлейфов воздушных загрязнений от различных очагов (лесных пожаров, выбросов пыльцы, вулканов, техногенных выбросов) с учетом свойств подстилающей поверхности и спутниковых данных. ЛИТЕРАТУРА 1. Вильфанд Р. М., Ривин Г. С., Розинкина И. А. Система COSMO-RU негидростатического мезомасштабного краткосрочного прогноза погоды Гидрометцентра России: первый этап реализации и развития // Метеорология и Гидрология. 2010. № 8. С. 6-20. 2. Описание химического блока ART: http://www.imk-tro.kit.edu/download/LM-ART.pdf 3. Ревокатова А.П., Суркова Г.В., Кирсанов А.А., Ривин Г.С. Прогноз загрязнения атмосферы Московского региона с помощью модели COSMO-ART // Вестн. Моск. ун-та. Сер.5. География, 2012. № 4. С.25-32. 4. Сайт консорциума COSMO: http://www.cosmo-model.org 5. Andreae, M. O. and Merlet, P.: Emission of trace gases and aerosols from biomass burning, Global Biogeochem. Cycles, 15, 955–966, 2001. 6. Baldauf, M., Seifert, A., Forstner, J., Majewski, D., Raschendorfer, M., and Reinhardt, T.: Operational convective-scale numerical weather prediction with the cosmo model: description and sensitivities, Mon. Weather Rev., 139, 3887-3905, doi:10.1175/MWR-D-10-05013.1, 2011. 7. Knote, C., Brunner, D., Vogel, H., Allan, J., Asmi, A., Äijälä, M., Carbone, S., van der Gon, H. D., Jimenez, J. L., Kiendler-Scharr, A., Mohr, C., Poulain, L., Prévôt, A. S. H., Swietlicki, E., and Vogel, B.: Towards an online-coupled chemistry-climate model: evaluation of trace gases and aerosols in COSMO-ART, Geosci. Model Dev., 4, 1077-1102, doi:10.5194/gmd-4-1077-2011, 2011. 8. Vogel B., H. Vogel, D. Baumer, M. Bangert, K. Lundgren, R. Rinke, T. Stanelle. The comprehensive model system COSMO-ART – Radiative impact of aerosol on the state of the atmosphere on the regional scale // Atmos. Chem. Phys., 2009, v.9, p. 8661-8680.