Компьютерное моделирование распространения в атмосфере антропогенных загрязнений

Основные моменты

- Приоритетное значение имеет моделирование регионального переноса опасных веществ, особенно в контексте угрозы применения химического и биологического оружия, что требует принципиально новых вычислительных подходов.

- Выявлен системный кризис в моделировании: традиционные методы исчерпали потенциал для крупномасштабных задач, а переход к компьютерному прогнозированию сдерживается отсутствием специализированного ПО и методологических решений.

Актуальность. Исследование закономерностей атмосферного рассеяния примесей приобретает критическую важность в условиях роста антропогенного загрязнения и потенциальных угроз применения химического и биологического оружия, аварий на РХБОО, совершения терактов (диверсий). Развитие вычислительных технологий открывает новые возможности для моделирования этих процессов.

Цель работы – комплексный анализ современных методов математического моделирования распространения антропогенных загрязнений в атмосфере.

Источниковая база исследования. Научные публикации из Google Scholar и Российской электронной библиотеки, а также авторские разработки.

Метод исследования. Аналитический.

Обсуждение. Катастрофический рост загрязнения, особенно в урбанизированных зонах, требует совершенствования методов прогнозирования. Особую актуальность это приобретает в контексте возможного применения аэрозольных форм химического и биологического оружия. Компьютерное моделирование позволяет решать ранее недоступные задачи прогнозирования.

Выводы. Существующие модели эффективны для локальных расчетов (до нескольких километров), но требуют развития для региональных масштабов и особенно в условиях большого города. Ключевым ограничением является недостаток специализированного ПО. Исследователям необходимо выбирать между адаптацией существующих методик и разработкой новых решений.

1. Ляшенко НВ, Лепихова ВА, Вяльцев АВ. Безопасность в чрезвычайных ситуациях, вызванных авариями с АХОВ. Новочеркасск: Лик; 2021. 112 с.

2. Нафикова ЭВ, Елизарьев АН, Мусина СА, Терпигорева ИВ. Обеспечение безопасности населения и территорий при авариях на химически опасных объектах. Уфа: РИК УГАТУ; 2020. 126 с.

3. Сеттон ОГ. Микрометеорология. Л.: Гидрометеоиздат; 1958. 355 с. Sutton OG. Micrometeorology. New York: McGraw-Hill; 1953.

4. Бызова НЛ. Методическое пособие по расчету рассеяния примесей в пограничном слое атмосферы по метеорологическим данным. М.: Гидрометеоиздат; 1973. 46 с.

5. Бызова НЛ. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы. М.: Гидрометеоиздат; 1974. 191 с.

6. Бызова НЛ, Гаргер ЕК, Иванов ВН. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси. Л.: Гидрометеоиздат; 1991. 280 с.

7. Монин АС, Яглом АМ. Статистическая гидромеханика. Ч. 1. М.: Наука; 1965. 638 с.

8. Берлянд МЕ. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат; 1975. 448 с.

9. Вителис ВМ., Каинов Ю.Н., Киреев В.А. Методы расчетного определения ущерба при применении вероятным противником химического и зажигательного оружия. Часть 2. Методы оценки характеристик поражающего действия химических боеприпасов и приборов вероятного противника. М.: ВАХЗ; 1985. 135 с.

10. Берлянд МЕ. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат; 1985. 272 с.

11. Монин АС. Полуэмпирическая теория турбулентной диффузии. Труды Геофизического института АН СССР. 1956;(33):3–47.

12. Кароль ИЛ. О влиянии приземного слоя атмосферы на распространение тяжелой однородной примеси из высотного мгновенного точечного источника. Изв АН СССР, сер. геофиз. 1959;(7):1079–84.

13. Гагарин МВ, Кармишин АМ, Кравченко ОП. Теория поражающего действия ОМП. М.: ВАХЗ; 1995. 152 с.

14. Марчук ГИ. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука; 1982. 320 с.

15. Пененко ВВ, Алоян АЕ. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука; 1985. 256 с.

16. Алоян АЕ. Моделирование динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере. М.: Наука; 2008. 415 с.

17. Лоборев ВМ, ред. Т. 1. Развитие взрыва. В: Анисимов АВ, ред. Физика ядерного взрыва. В 5 т. М.: Физматлит; 2009. 832 с.

18. Игнатьева ЛП, Потапова МО, Чирцова МВ и др. Эколого-гигиенические критерии оценки загрязнения атмосферного воздуха. Иркутск: ИГМУ; 2022. 79 с.

19. Амосов ПВ, Бакланов АА, Макаров ДВ, Маслобоев ВА. Численное моделирование загрязнения атмосферы в подходах случайного выбора дискретных участков пыления и поинтервального распределения размера пыли. Вестник МГТУ. 2022;25(1):61–73. https://doi.org/10.21443/1560-9278-2022-25-1-61-73

20. Добровольская Л.А., Клюев Д.C. Прогнозирование степени загрязнения атмосферного воздуха в промышленном регионе. Вісник Приазовського державного технічного університету. Серія: Технічні науки. 2018;(36):216–23. https://doi.org/10.31498/2225-6733.36.2018.142552

21. Шалыгина ИЮ, Кузнецова ИН, Нахаев МИ, Коновалов ИБ, Захарова ПИ. Прогнозирование метеорологических условий и загрязнения воздуха с применением данных численной модели атмосферы и химической транспортной модели. Труды Гидрометцентра России. 2017;365:81–93.

22. Айдосов А, Айдосов ГА, Заурбеков НС. Модельная оценка экологической обстановки компонентов природной среды с учетом атмосферных процессов. М.: Академия Естествознания; 2018. 342 с.

23. Семакин АН. Оценка масштабируемости программы расчета движения примесей в атмосфере средствами симулятора gem5. Компьютерные исследования и моделирование. 2020;12(4):773–94. https://doi.org/10.20537/2076-7633-2020-12-4-773-794

24. Powers JG, Klemp JB, Skamarock WC, Davis C, Dudhia J, Gill DO, et al. The Weather Research and Forecasting model: Overview, system efforts, and future directions. Bulletin of the American Meteorological Society. 2017;98(8):1717–37.

25. Sportisse B. Fundamentals in air pollution: from processes to modelling. Springer; 2010. 299 p.

26. Thakur P, Ballard S, Nelson R. Radioactive fallout in the United States due to the Fukushima nuclear plant accident. Journal of Environmental Monitoring. 2012;14(5)P:1317–24.

27. Sandberg A, Nikoleris N, Carison TE, Hagersten E. Kaxiras detailed architectural simulation at near-native speed workload characterization. 2015. P. 183–92.

28. Розинкина ИА, Ривин ГС, Багров АН, Блинов ДВ, Быков ФЛ, Васькова ДВ и др. Конфигурация COSMO-Ru2By модели COSMO: успешность и методология оценки численных прогнозов β- и γ-мезомасштабных атмосферных процессов. Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2023;(2):6–34.

29. Старченко АВ, Беликов ДА, Вражнов ДА, Есаулов АО. Применение мезомасштабных моделей ММ5 и WRF к исследованию атмосферных процессов. Оптика атмосферы и океана. 2005;18(5-6):455–61.

30. Danabasoglu G, Lamarque J-F, Bacmeister J, Bailey D, Duvivier A, Edwards J, et al. The Community Earth System Model version 2 (CESM2). Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 2020;12(2). https://doi.org/10.1029/2019MS001916

31. Кантюков РА, Мешалкин ВП, Панарин ВМ, Горюнкова АА, Гимранов РК, Рыженков ИВ, Кантюков РР. Компьютерное моделирование загрязнения атмосферы при разрыве газопроводов. Нефтегазовое дело. 2015;13(1):90–6. EDN: VEDWKJ.

32. Лаптева НА, Сафатов АС, Агафонов АП. Моделирование распространения аэрозольных частиц, содержащих вирус SARS-COV-2, вокруг госпиталя. Оптика атмосферы и океана. 2023;36(6):443–7. https://doi.org/10.15372/AOO20230603

33. Уорк К, Уорнер С. Загрязнение воздуха. Источники и контроль. Пер. с англ. Под ред. Е.Н. Теверовского. М.: Мир; 1980. 544 с.

34. Яблоков АВ. О концепции «популяционного груза» (Обзор). Гигиена и санитария. 2015;(6):11–5. EDN: UXZQRD.

35. Макоско АА, Матешева АВ. Загрязнение атмосферы и качество жизни населения в XXI веке: угрозы и перспективы. М.: Российская академия наук; 2020. 258 с.

36. Бородулин АИ, Десятков БМ, Ярыгин АА. Модель распространения атмосферных примесей в пограничном слое атмосферы. Программа для ЭВМ. 2006. Зарегистрирована Федеральным Институтом промышленной собственности РОСПАТЕНТа. Рег. номер 2007610293. 16.01.2007.

37. Старченко АВ, Кижнер ЛИ, Данилкин ЕА и др. Численное моделирование погоды и качества атмосферного воздуха в городах. Томск: Изд-во Том. ун-та; 2022. 138 с.

38. Толстых МА. Система моделирования атмосферы для бесшовного прогноза. М.: Гидрометеорологический научно-исследовательский центр РФ, 2017. 166 с.

39. Арутюнян РВ, Большов ЛА, Боровой АА, Велихов ЕП. Системный анализ причин и последствий аварии на АЭС «Фукусима-1». М.; 2018. 408 с.

40. Бабков ВС, Ткаченко ТЮ. Анализ математических моделей распространения примесей от точечных источников. Наукові праці ДонНТУ. Серія «Інформатика, кібернетика та обчислювальна техніка». 2011;(13):147–55.

41. Дунский ВФ, Никитин НВ, Соколов МС. Пестицидные аэрозоли. М.: Наука; 1982. 288 с.

42. Бородулин АИ, Майстренко ГМ, Чалдин БМ. Статистическое описание распространения аэрозолей в атмосфере. Метод и приложения. Новосибирск: Изд-во Новосибирского университета; 1992. 124 с.

43. Бородулин АИ, Десятков БМ. Моделирование распространения примесей в атмосферном пограничном слое. Новосибирск: Изд-во Новосибирского университета; 2007. 376 с.

44. Хрипков ЮИ. Математическое моделирование в эпидемиологии при аэрозольном механизме передачи инфекции (количественная эпидемиология). М.: ВУ РХБЗ; 2003. 274 с.

45. Семенчин ЕА, Кузякина МВ. Стохастические методы решения обратных задач в математической модели атмосферной диффузии. М.: Физматлит; 2012. 176 с.

46. Csanady GT. Dispersion of particles from elevated sources. Part. I. Aust J Phus. 1955(8):545–50.

47. Csanady GT. Dispersion of dust particles from elevated sources. Part. II. Aust J Phus. 1957;(10):558–64.

48. Csanady GT. Variance of local concentration fluctuations. Phys Fluids. 1967;10(9):76–78.

49. Csanady GT. Turbulent diffusion: elementary statistical theory and atmospheric applications. Turbulent Diffusion in the Environment. Geophysics and Astrophysics Monographs, v. 3. Boston (USA): Reidol Publishing Company; 1973. P. 46–81.