Визначення метеорологічних і кліматичних факторів Аналіз метеорологічних умов забруднення атмосфери

Полтавський національний технічний університет

імені Юрія Кондратюка

Кафедра екології

Курсова робота з дисципліни:

Метеорологія і кліматологія

Виконав: студент групи 201-СЕ

Степаненков Г.В.

№ залікової книжки 07113

Перевірив: Ільяш О.Е.

Полтава 2009

ВИЗНАЧЕННЯ МЕТЕОРОЛОГІЧНИХ І КЛІМАТИЧНИХ ФАКТОРІВ

1. Визначення радіаційного балансу діяльного шару землі

1.1 Розрахунок радіаційного балансу

Радіаційний баланс діяльного шару землі R являє собою суму короткохвильової радіації R_К та довгохвильової радіації R_Д і залежить від складових його потоків

R = R_K + R_Д = (S_Г + D) · (1 - A) - B_ЕФ , (1.1)

де S_Г - потік сонячної радіації на горизонтальну земну поверхню, Вт/м², [1,2] ;

D - потік розсіяної радіації на земну поверхню, Вт/м², [1,2] ;

А - альбедо земної поверхні (див. завдання);

В_ЕФ- ефективне випромінювання, узяте зі зворотнім знаком, Вт/м² .

Величина В_ЕФ у свою чергу визначається як

В_ЕФ = σ · δз ·[ T₃⁴ - T_A⁴· ( 0.61 + 0.05 √е )] , (1.2)

де σ - постійна Стефана-Больцмана, що дорівнює 5.7·10^-11 кВт/(м² К⁴);

δз - відносна випромінююча властивість земної поверхні чи коефіцієнт випромінювання, δз=0,86;

Т_З - температура земної поверхні ,⁰К, що дорівнює Т_З = 273 + t₃ . Температура земної поверхні t₃ ,⁰С, приймається за [1];

Т₃ = 273+ 23=296° К;

Т_А - середнє значення температури повітря найбільш теплого місяця року, ⁰К(див анотацію);

Т_А=273 + t_a=290°К;

е - парціальний тиск водяної пари (пружність водяної пари), гПа, [1,2].

е - потенційний тиск водяної пари (пружність водяної пари), гПа,

Пружність водяної пари визначається за формулою

де φ - відносна вологість повітря φ = 65%; Е - тиск насиченої пари, гПа, Е=20,24 гПа.

(гПа)

0,099(Вт/м²)

(Вт/м²)

(Вт/м²)

(Вт/м²)

(Вт/м²)

(Вт/м²)

(Вт/м²)

(Вт/м²)

(Вт/м²)

Розрахунок величини радіаційного балансу R зводиться в табличну форму - табл.1.1.

Таблиця 1.1

1.2 Побудова діаграми добового розподілу радіаційного балансу

На основі даних таблиці 1.1 будують сумісну діаграму добового розподілу сумарної сонячної радіації та радіаційного балансу у теплий період (липень).По горизонтальній осі відкладають часи доби, а по вертикальній - значення величини Q,(Вт/м²) та величини R , (Вт/м²) - рис1.1.

2.Аналіз теплового режиму атмосфери

2.1 Визначення розподілу температури атмосферного повітря по висоті

Розподіл температури атмосферного повітря по висоті характеризується вертикальним температурним градієнтом, ⁰С/м ,

γ = - (∆ t /∆ z) ·100 , (2.1.)

де ∆ t = t_ВРⁿ - t_ВР ^n-1 - різниця температур повітря на верхньому (заданому) та нижньому рівнях, ⁰С;

∆ z - різниця рівнів, м ( див. завдання);

γ - вертикальний температурний градієнт відповідно до кожного рівня висоти ( див. завдання).

Визначення розподілу температури по висоті t_ВР¹¸ t_ВР⁵ проводять за формулою

t_ВРⁿ = - [ ( γ · ∆ z) / 100 ] + t_ВР ^n-1 (2.2.)

s

1) Z₁=50м

2)Z₂=100м

3)Z₃=700м

4)Z₄=1300м

5)Z₅=2000м

2.2 Побудова графіка кривої стратифікації

Користуючись визначеними даними зміни температури повітря з висотою у заданий період року, будують графік кривої стану атмосферного повітря (рис.2.1) – кривої стратифікації. На горизонтальній осі координат відкладають значення температур (⁰С) ,а на вертикальній – висоту (м).

2.3 Визначення характеру стану атмосфери

Визначення характеру стану атмосфери на заданих рівнях можна проводити, користуючись двома методами.

Ι метод передбачає порівняння динаміки зміни кривої стратифікації (1) з кривою стану суміші повітря, що адіабатично підіймається (2), яка додатково будується на рис.2.1.

Крива (2) характеризується величиною адіабатичного вертикального градієнта

γ_а = (∆ t /∆ z) ·100 = 1 ⁰С/ 100м (2.3)

За формулою (2.3) визначаються температури t_ВР¹¸ t_ВР⁵ і будується крива стану суміші повітря (2), що адіабатично підіймається, відповідно до заданих рівней z (рис. 2.1).

1) Z₁=50м

2)Z₂=100м

3) Z₃=700м

4) Z₄=1300м

5) Z₅=2000м

За даними рис.2.1 проводиться аналіз характеру стану атмосфери на кожному рівні:

Z₁=50м γ₁=0,3 γ₁< γ_a-сильно усталена ;

Z₂=100м γ₂=0,9 γ₂< γ_a - слабо усталена

Z₃=700м γ₃=-0,5 γ₃< 0- інверсія;

Z₄=1300м γ₃=-1 γ_4<<0 - інверсія;

Z₅=2000м γ₃=-1,3 γ₅>γa- неусталена.

ІІ метод передбачає дослідження стану атмосфери шляхом визначення зміни з висотою величини потенційної температури, ^ОС,

Θ = t_ВР^п + γ_а· ( Z / 100 ) . (2.4)

Розподіл потенційної температури з висотою зображений на мал. 2.2., де по горизонтальній вісі координат відкладається температура 0, °С, а по вертикальній - висота z,, м.

До висоти Z₄ = 1300 м значення Θ збільшується , шо характеризує стан атмосфери як усталений, вище від 1300м до 2000м значення Θ зменшується, тому стан атмосфери неусталений.

3 Аналіз розподілу водяної пари в атмосфері

3.1 Визначення характеристик вологості повітря

Пружність (парциальний тиск) водяної пари визначається за формулою гПа,

е= φ · Е , (3.1)

де φ – відносна вологість повітря, %, φ = 88%;

Е – тиск насиченої пари, гПа, приймається за додатком 1 відповідно до значення t_а(Е=4,15 гПа).

Абсолютна вологість повітря визначається за формулою , г/м³,

а = 217 · е / Т , (3.2)

де Т = 273 + t_а , ^оК .

г/м³

Питома вологість повітря , г/кг, визначається як

s = 622 · е / p , (3.3)

де p – атмосферний барометричний тиск приймається рівним 1013.3 гПа.

(г/кг)

3.2 Визначення розподілу вологості повітря по висоті

Розподіл вологості по висоті характеризується величинами відносної φ_z або абсолютної а_zвологості на відповідних рівнях

φ_z = е_z / Е_z· 100 % , (3.4)

а_z = 217 · е_z / Т_ВР , (3.4а)

де е_z - парціальний тиск ненасиченого вологого повітря, гПа, на висоті Z визначається за формулою

е_z = е_о · 10 ^-z/6300 , (3.5)

а Е_z – тиск насиченої пари, гПа, при температурі повітря t_ВР на висоті Z (див. дод.1), е₀ – пружність водяної пари на рівні z_о; Т_ВР - температура повітря на відповідних рівнях Z.

e_Z1= (гПа)

e_Z2= (гПа)

e_Z3= (гПа)

e_Z4= (гПа)

e_Z5= (гПа)

(г/м³)

(г/м³)

(г/м³)

(г/м³)

(г/м³)

3.3 Розрахунок умов конденсації водяної пари в атмосферному

Повітрі

1.При радіаційному охолодженні земної поверхні охолоджується і прилеглий до неї шар повітря, що в багатьох випадках приводить до конденсації водяної пари.

Проводиться розрахунок умов конденсації насиченого вологого повітря з температурою t_ВП = t_a , яке охолоджується до температури t_ОХ, t_OX=-9 :

Δа = а_ВП – а_ОХ , (3.6)

де абсолютна вологість насиченого повітря а_ВП чи а_ОХ визначається відповідно

а_ВП = 0.8 · Е_ВП /(1 + 0.004 · t_ВП ) , (3.7)

а_ОХ = 0.8 · Е_ОХ /(1 + 0.004 · t_ОХ ). (3.8)

де Е_ОХ– тиск насиченого повітря, охолодженого до температури t_ОХ, якаприймається за завданням.

(г/м³)

(г/м³)

Різниця величин абсолютної вологості насиченого та охолодженного повітря становить

Δа = 2,62-1,58 = 1,04 (г/м³).

Таким чином, за таких умов в 1м ³ атмосферного повітря сконденсується 1,04г водяної пари.

2. Конденсація водяної пари відбувається також при змішуванні двох близьких до стану насичення мас повітря, які мають різну температуру.

Розрахунок кількості водяної пари, що сконденсується і видалиться з повітря, та розрахунок підвищення температури суміші мас повітря викону-ється в наступній послідовності.

У першому наближенні температура суміші

t_C1 = ( t₁ + t₂ ) / 2 , (3.9)

де t₁ – температура повітря на рівні z₃ = 700 мприймається t₁ = t_ВР²=

=-2,8^ОС;

t₂ - температура холодної маси повітря, ^ОС, t₂=-11 ^ОС.

Тиск насиченої пари при t₁і t₂визначається за додатком 1 (E₁=4.97 гПа; Е₂=2,64 гПа), а їх середнє значення становить:

Е_СР = (Е₁ + Е₂) / 2 . (3.10)

(гПа)

При температурі суміші t_C1 і відповідному значенні тиску насиченої пари Е_С=3,67 гПанадлишок водяної пари становить:

ΔЕ = Е_СР - Е_С . (3.11)

(гПа)

Визначається кількість вологи, г, що видаляється з 1кг надлишку насиченого вологого повітря в процесі конденсації (питома вологість)

ΔS = 622· ΔЕ / p . (3.12)

(г/кг)

При конденсації водяної пари виділяється теплота конденсації. Її питома величина, кДж/кг, визначається як

q_К = 2500 + 1.806 · t_C1 , (3.13)

(кДж/кг)

Загальна кількість теплоти конденсації визначається за залежністю

Q_К = q_К · ΔS . (3.14)

(кДж/кг)

При цьому підвищується температура суміші повітря на величину

Δt = Q_К / c , (3.15)

де c = 1.005 кДж/ (кг ^оС) – питома теплоємність повітря при постійному атмосферному тиску.

Остаточно температура повітря, яку набула суміш у ході конденсато-утворення, визначається як

t_С = t_С1 + Δt . (3.16)

t_c=-6,9+0,198=-6,7

Таким чином, при конденсації водяної пари температурасуміші для умов прикладу підвищиться від -6,9 до -6,7 ^ОС.

3.4 Визначення рівня конденсації

Рівень конденсації визначається за формулою, м ,

z_К = 122·( t_а - t) (3.17)

z_К = 22·( 100 - φ) (3.17а)

де t_a- середня температура заданого місяця,t_a=-5.2; t – температура точки роси, ^ОС, на початковому рівні z_о знаходиться за додатком 1 при відповідному значенні парціального тиску водяної пари е ( при t_a); φ- відносна вологість , %, на рівні z_.

(м)

Температура на рівні конденсації при адіабатичному підійманні вологого повітря визначається як, ^ОС,

t_К = t_a - z_К / 100 . (3.18)

(м)

Таким чином, рівень z_К = 220м відповідає межі, на якій розпочинає відбуватись конденсаційні процеси і характеризує висоту утворення купчастих хмар над земною поверхнею.

3.5 Визначення висоти шару перемішування

Усталеність примежевого шару атмосфери характеризується так званою "висотою шару перемішування", де на розсіювання забруднювачів значною мірою впливає конвективне та турбулентне перемішування.

Висота шару перемішування (рівня конвекції) обумовлюється рівнем, на якому температура насиченої маси повітря t_нас , що адіабатично підіймається, досягає температури навколишнього атмосферного повітря t_н.п , тобто висота шару перемішування визначається за умови t_нас= t_н.п. Розрахунок рівня конвекції здійснюється у такій послідовності.

1. Визначається вологоадіабатичний градієнт γ_В, величина якого залежить від атмосферного тиску p_zк на рівні z_К іt_К.

Для знаходження значення p_zкнеобхідно визначити вертикальний градієнт тиску G , гПа/100м,

G = g· p /R · (273 + t_а), (3.19)

де g- прискорення вільного падіння, що приймається 9,81 м/с;

p- барометричний тиск ( 1013.3 гПа);

R – питома газова постійна вологого повітря, м²/(с² К), що знаходиться як

R = Rс · (1 + 0,608 ·s) , (3.20)

де Rс - питома газова постійна сухого повітря 287 м²/(с² К).

(гПа/100м)

Величина атмосферного тиску на висоті z_Квизначається як

p_zк = p + Δp = p + (-G · z_К ). (3.21)

(гПа)

Значення вологоадіабатичного градієнта γ_В приймається за додатком 2 відповідно до одержаних p_zк=1001,42 гПа і t_К=-7,4 .

Виходячи з отриманого значення γ_В, визначається розподіл температури насиченої маси повітря t_наспо висоті.

2. Визначається температура навколишнього атмосферного повітря t_н.п на рівні z_К і далі її розподіл по висоті, виходячи з t_ВРⁿ і γ_n . Результати розрахунків зводяться в таблицю 3.2.

Розрахунок зводиться в таблицю 3.2.

Таблиця 3.2

Таким чином, одержано, що висота шару перемішування знаходиться на рівні z_ш.п= 2824 м.

3.6 Побудування графіку кривої стану повітря

Графік (рис.3.1) повинен містити:

1) криву стратифікації для періоду року, що досліджується;

2) криву стану повітря, що адіабатично підіймається;

3) криву стану насиченої маси повітря.

По горизонтальній осі відкладаються значення температури, ^ОС, а по вертикальній - висота z, м. На графік наносяться визначені рівень конденсації z_К та висота шару перемішування z_ш.п .

4 Аналіз режиму вітрів

Для проведення аналізу режиму вітрів, що характеризує метеорологічні умови заданого району, будується роза вітрів для теплого, холодного періоду року та річна роза вітрів.

По 8 румбам відмічають у процентному відношенні значення повторюваності вітрів у відповідних напрямках, що характерні для теплого (липень) періоду року, для холодного (січень) періоду року та річні значення (рис.4.1).

5. Кліматична характеристика місцевості

Характеристика кліматичного режиму місцевості складається на основі кліматограми, яка являє собою графічне відображення річного ходу основних метеорологічних елементів у даній місцевості:

1) середня місячна температура повітря,^ОС;

2) відносна вологість повітря, %;

3) середня місячна швидкість повітря, м/с;

4) середня місячна сума опадів , мм ;

5) місячний максимум опадів, мм ;

6) місячний мінімум опадів, мм;

7) повторюваність похмурого неба, %;

8) повторюваність туманів, %;

Для побудування кліматограми використовуються дані, прийняті за [1-3].

АНАЛІЗ МЕТЕОРОЛОГІЧНИХ УМОВ ЗАБРУДНЕННЯ АТМОСФЕРИ

6. Характеристика об'єкта - джерела забруднення

Метеорологічні умови суттєво впливають на процеси перенесення і розсіювання шкідливих речовин в атмосфері. Для аналізу і прогнозування цих процесів необхідно враховувати характеристику джерела забруднення.

Для хімічного виробництва характеристика основних джерел викидів повинна бути представлена:

- висотою джерела викидів над рівнем землі H=18 м;

- діаметром устя джерела D=1,0 м;

- об'ємом газоповітряної суміші V=22, м³/с;

- температурою суміші, що викидається Т_вик=15^ОС, (характером викидів);

Маємо гарячі викиди так як ∆t>20 ^ОС

- кількістю джерел приблизно з однаковими параметрами викидів N=2 , шт;

- відстанню від підприємства до населеного пункту L=1500 м;

Аналіз рівня забруднення атмосфери в районі розташування промислового підприємства та на території населеного міста проводиться на основі якісної оцінки впливу основних метеорологічних та кліматичних параметрів. Зазначаються також періоди року найбільш несприятливих метеорологічних умов із точки зору їх впливу на підвищення рівня забруднення атмосфери в даному районі.

7. Аналіз впливу метеорологічних факторів на рівень забруднення атмосфери

7.1 Аналіз режиму вітрів

Рівень забруднення атмосфери в районі розташування джерел викидів промислових домішок і на відстані від них суттєво залежить від швидкості та напрямку вітру.

Для кожного джерела існує деяка небезпечна швидкість вітру u_м, при якій спостерігаються максимальні концентрації домішок у приземному шарі атмосфери [6]. Небезпечна швидкість пропорційна параметру v_м.

Для нагрітих викидів

v_м= 0,65 , (7.1)

де ∆T - різниця між температурою суміші, що викидається, і температурою навколишнього повітря, ^ОС; H - висота джерела викидів над рівнем землі, м; N - кількість труб приблизно з однаковими параметрами викидів, шт; V - сумарний об'єм газоповітряної суміші, що викидається в атмосферу усіма джерелами, визначається як: V = V₁ · N,

де V₁ - витрата газоповітряної суміші одним джерелом, м³/с.

(м/с)

Приблизно приймається, що

при v_м< 2 м/с u_м = v_м=1,89 м/с

В моєму випадку з точки зору швидкості вітру на даній території створюються сприятливі та безпечні умови для роботи підприємства хімічної галузі.

Безпосереднім фактором, що визначає ступінь забруднення атмосфери, є напрямок вітру. Аналіз повторюваності різних напрямків вітру у різні періоди року (див. рис. 4.1), особливо із боку підприємства-джерела викидів, проводиться з урахуванням відстані між підприємством і житловою забудовою, ураховуючи, що максимум концентрацій шкідливих речовин створюється на відстані, кратній 10-20 висотам труб для низьких джерел викидів, і на відстані 20-40 висоти труби для високих джерел.

Максимум концентрацій шкідливих речовин для джерела викиду з висотою рівною 18м (не високого джерела) дорівнює:

х_max=(10-20)∆H_тр

х_max=180-360 м.

Концентрація домішок набуває максимального значення на відстані від180м до 360м від джерела забруднення. Враховуючи те, що підприємство хімічної промисловості розташоване на відстані L=1500м від забудови, можна зробити висновок, що в даній місцевості за напрямом вітру склалися безпечні метеорологічні умови.

7.2 Аналіз стратифікації атмосфери

До основних факторів, що впливають на рівень забруднення атмосфери належать її стратифікація (усталеність атмосфери).

Для проведення аналізу впливу стратифікації (усталеності) на ступінь забруднення атмосфери використовуються дані розділу 2.

Найбільшої уваги потребують метеорологічні умови, що характеризу-ються інверсійним розподілом температури в атмосфері. До таких умов відносять приземні та піднесені інверсії:

В моєму випадку умови склалися так, що інверсія знаходиться близько до джерела викиду (Н_тр=18м, Z_{інверсії}=100м), тому склалися не сприятливі умови для розсіювання домішок.

7.3 Аналіз повторюваності туманів і атмосферних опадів

На формування певного рівня забруднення атмосферного повітря суттєво впливають також тумани і опади.

Повторюваність туманів. Для даного періоду року повторюваність туманів відноситься до НМУ (повторюваність туманів складає 6 днів, тоді коли середньо річна складає 3,66 днів на рік), що призводить до забруднення рівня приземного шару повітря.

Атмосферні опади. В лютому кількість опадів складає 28 мм, що складає лише 5,7% опадів порівняно з річною їх кількістю. Отже кількість опадів за досліджуваний період не достатня для ефективного очищення приземного шару атмосфери.

7.4 Аналіз несприятливих метеорологічних умов (НМУ)

НМУ – це такі метеорологічні умови, які обмежують розсіювання промислових викидів в атмосфері для даного промислового підприємства (хімічної промисловості) в даний період року (лютий). До таких умов належать:

- Близькість фактичної середньо місячної швидкості вітру v_в=4,1м/с до небезпечної швидкості u_м=1,89 м/с. Швидкість вітру не є НМУ для підприємства хімічної промисловості.

- Наявність інверсії близько до джерела викиду. Наявність інверсії є НМУ для даного підприємства.

- Малі швидкості вітру. Для підприємства середньо місячна швидкість вітру v_в=4,1 м/с не є НМУ.

- Наявність туманів в даному випадку являється НМУ.

- Незначна кількість опадів також є НМУ для даного виробництва.

8 Аналіз метеорологічних умов поширення домішок

Аналіз метеорологічних умов поширення домішок зводиться до визначення форми димової струмини, характерної для заданих джерел викидів, виходячи із метеорологічних умов даної місцевості.

Для хімічного підприємства характерна задимляючи струмина (зрізана зверху), яка утворюється в умовах, коли усталений шар повітря розташовується на невеликій відстані від місця викиду, тобто струмина обмежена зверху інверсією. Приземні концентрації у таких умовах можуть досягати високих значень.

Література

1. Справочник по климату СССР. Ч. 1-5. - Л.: Гидрометеоиздат,1966-1969г.

2. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика./ Госстрой СССР.- М.: Стройиздат,1983.- с.136.

3. В.А. Барановський. Екологічний атлас України.-Київ:Географіка,2000.-40с.

4. Чемерис М.П.Метеорологія і кліматологія. Практикум. - Луцьк: Вид-во "Медіа", 1999. - 151с.

5. Практикум по курсу "Метеорология и климатология" для студентов экол. спец.- Кременчуг, 1996.

6. Методическое пособие по курсу "Метеорология и климатология". краткий атлас облаков.- Кременчуг, 1996.

7. П.И.Колесник. Метеорология. Практикум. – Киев: Вища школа, 1986. – 175с.

8. Климатические характеристики условий распространения примесей в атмосфере. Справочное пособие / Под ред. д. гегр. наук Э.Ю. Безуглой д.ф.-м. наук, проф. М.Е. Берлянда.- Л.: Гидрометеоиздат,1983 - 327с.

9. Методические указания по прогнозу загрязнения воздуха в городах / Под ред. д.ф.-м.наук, проф. М.Е. Берлянда.- Л.: Гидрометеоиздат, 1983 - 78с.

Кліматичні дані даної місцевості:

1.Середня місячна та річна температура повітря

2. Середня місячна та річна відносна вологість повітря, <р (%)

3. Середня місячна та річна швидкість вітру

4. Найменша та найбільша місячна кількість опадів, (мм)

5. Середня кількість днів з туманами

6. Кількість похмурих днів по загальній хмарності

7. Повторюваність напрямків вітру та штилів (%)

8. Сонячна радіація (пряма) розсіяна, яка надходить в липні на міську поверхню при безхмарному небі, Вт/м²