189 190 Chơng 8 Các mô hình số về ô nhiễm khí quyển thnh phố lớn Trong những năm gần đây, đã xây dựng một số mô hình lan truyền tạp chất từ nhiều nguồn nằm trong lãnh thổ thnh phố. Vấn đề ny thuộc loại những vấn đề phức tạp nhất, bởi vì sự lan truyền tạp chất liên quan mật thiết với chế độ động lực, nhiệt v ẩm của thnh phố, tính chất của mặt đệm, thnh phần hóa học của tạp chất v.v Một trong những mô hình ô nhiễm thnh phố đầy đủ nhất v tiến xa nhất đợc xây dựng bởi các cộng tác viên Chi nhánh Sibiri Viện Hn lâm Khoa học Liên Xô V. V. Penhenko, A. E. Aloian, G. L. Lazriev do viện sĩ G. I. Marchuk đứng đầu. Hệ xuất phát gồm: a) các phơng trình chuyển động, phơng trình liên tục v phơng trình thủy tĩnh; b) các phơng trình nhập lợng (cân bằng) nhiệt v hơi nớc; c) phơng trình vận chuyển (cân bằng) các tạp chất. Vận chuyển rối v nhập lợng động lợng, nhiệt lợng, hơi nớc v tạp chất đợc tính đến trong khuôn khổ lý thuyết rối bán thực nghiệm bằng cách đa ra các hệ số rối trên các phơng ngang v thẳng đứng. Trong lớp sát mặt đất, những trắc diện thẳng đứng của tất cả các đại lợng khí tợng v nồng độ tạp chất đợc viết có tính tới những thnh tựu của lý thuyết đồng dạng v thứ nguyên. ở phần bên trên, phần Ekman của lớp biên khí quyển, nghiệm số trị đợc xây dựng có sử dụng phơng pháp tách nhánh hệ phơng trình đầy đủ, trong đó giữ các nhập l ợng bình lu, đối lu v rối của các tính chất, còn t rong phơng trình cân bằng tạp chất giữ các nhập lợng tạp chất từ các nguồn v chuyển hóa một dạng chất ô nhiễm ny sang dạng khác. Tốc độ thẳng đứng xuất hiện do ảnh hởng của sự phân kỳ thông lợng phơng ngang cũng nh do sự chảy trờn theo những yếu tố gồ ghề của mặt đất. Khó khăn lớn khi xây dựng lý thuyết ô nhiễm khí quyển l vấn đề phát biểu điều kiện biên ở mặt đất đối với nồng độ tạp chất. Tất cả khó khăn l ở chỗ các tạp chất khác nhau về thnh phần hóa học tơng tác không nh nhau với mặt đất: một số chất khi tiếp xúc với mặt đất thì bị hấp thụ mạnh, những chất khác hầu nh phản xạ lại hon ton. Thông thờng, ngời ta viết điều kiện biên ny dới dạng ) , ,( )( tyxfqqv z q k iiii i g i z =+ . ở đây số hạng thứ nhất ở vế trái l thông lợng rối của tạp chất i , thứ hai thông lợng tạp chất i do rơi lắng trọng lực ( )(i g v tốc độ rơi lắng), ) , ,( tyxf i hm mô tả các nguồn tạp chất tại mực mặt đất, i nhân tử (với thứ nguyên tốc độ) đặc trng cho sự tơng tác của tạp chất i với mặt đệm, khi 0= i tạp chất phản xạ từ mặt, khi i bị hấp thụ hon ton. Trạng thái hiện nay của vấn đề l đối với phần lớn các tạp chất giá trị của nhân tử i cha đợc biết. 191 192 Phân tích kết quả tính toán cho thấy rằng, chỉ cần biết i trong khoảng từ 5 10 đến 1 m/s. Bên ngoi khoảng ny, phân bố nồng độ các tạp chất phụ thuộc yếu vo sự biến đổi của i . ở một trong các thí dụ, các trị số cực đại của nồng độ đã tăng lên khoảng hai lần khi i biến đổi từ 5 10 đến 3 10 m/s. Vì đồng thời với phơng trình vận chuyển tạp chất, cần tìm nghiệm của các phơng trình nhập lợng nhiệt lợng v ẩm, nên có thể mô phỏng chế độ nhiệt v ẩm thnh phố. Trong phơng trình cân bằng nhiệt đã tính đến các thông lợng rối của nhiệt hiện v ẩn v thông lợng nhiệt đi vo đất. Trong phơng trình cân bằng nhiệt tại mặt đất đợc dùng lm điều kiện biên, bên cạnh các thông lợng nhiệt hiện v nhiệt ẩn, bức xạ sóng ngắn v hồng ngoại v thông lợng nhiệt đi vo đất, đã tính đến thông lợng nhiệt nhân sinh s I tách ra trong quá trình sản xuất v tiêu thụ năng lợng trong thnh phố. Thông lợng ny đợc biểu diễn dới dạng: ]18/)6([ sin2921)( += ttI s khi 6 giờ t 24 giờ v 21)( =tI s W/m 2 đối với những thời điểm khác. Nh vậy, thông lợng nhân sinh bằng 21 W/m 2 vo ban đêm từ 0 đến 6 giờ, sau 6 giờ tăng lên, đạt cực đại bằng 50 W/m 2 lúc 15 giờ v giảm tới cực tiểu vo lúc 24 giờ; lu ý rằng theo ớc lợng ở phần lớn các thnh phố của thế giới thì s I dao động giữa 310 v 5060 W/m 2 , tuy nhiên ở các khu trung tâm thnh phố s I có thể đạt tới 200300 W/m 2 . ở phần trung tâm Luân đôn (diện tích khoảng 1 km 2 ), trung bình một ngy phát thải nhiệt đạt 230259 W/m 2 , còn ở trung tâm New York thậm chí 600650 W/m 2 . Nói chung thông lợng s I bằng 510 % của cân bằng bức xạ ( R ) của mặt đất vo ban ngy ( 600400 R W/m 2 ) v đạt 1525 % vo ban đêm ( 200100 R W/m 2 ). Tham số gồ ghề 0 z chấp nhận bằng 1 m đối với phần thnh phố có các công trình xây dựng với độ cao trung bình 2030 m, bằng 0,5 m đối với phần công viên của thnh phố, v bằng 0,1m đối với các vùng ngoại ô; albeđô mặt đất tuần tự l 0,2, 0,4, 0,3; hệ số dẫn nhiệt độ của đất 2,6, 1,1 v 1,1 W/(m. o C). Tại thời điểm, đầu độ chênh của tất cả các đại lợng khí tợng so với các trị số trung bình của chúng đợc chấp nhận bằng không. Việc tính toán các đặc trng vi khí hậu của thnh phố đợc thực hiện cho trờng hợp trờng áp suất bị suy thoái mạnh, khi đó tốc độ gió địa chuyển (nền) gần bằng không ( 0= g u ), còn những đặc điểm của chế độ nhiệt v gió trong thnh phố đợc hình thnh chỉ dới ảnh hởng của những yếu tố bất đồng nhất nhiệt vật lý, bức xạ v ẩm của mặt đệm. Trên hình 8.1 biểu diễn biến trình ngy của hiệu T nhiệt độ không khí tại độ cao 2 m ở trung tâm thnh phố v ở các điểm nằm ở ngoại vi thnh phố về phía tây bắc v tây nam. Cực đại chính của T gần bằng 3,5 o C đạt đợc vo ban đêm, trớc khi Mặt Trời mọc (4 giờ 41 ph), cực đại thứ hai (gần 1,6 o C) vo ban ngy, lúc 1213 giờ. Các cực tiểu T đạt đợc ngay sau lúc Mặt Trời lặn (20 giờ 31 ph) v sáng sớm (gần 6 giờ). Thực tế trong vòng cả ngy v đêm hiệu T dơng, v chỉ trong một khoảng thời gian không lớn sau hong hôn thì nhiệt độ không khí ở trung tâm thnh phố mới thấp hơn một chút so với các vùng ngoại vi, chủ yếu l so với một điểm ở phía tây nam, nằm gần hồ chứa lớn, ban đêm nguội lạnh chậm hơn so với bề mặt đất trong 193 194 thnh phố. Hình 8.1. Biến trình ngy hiệu nhiệt độ không khí tại độ cao 2 m giữa trung tâm thnh phố v các điểm ở ngoại vi về phía tây bắc (1) v tây nam (2); những dấu gạch nối thẳng đứng các thời điểm bình minh v hong hôn, gạch ngang các thời điểm T đi qua không Hình 8.2. Trờng nhiệt độ ( o C) trong mặt phẳng thẳng đứng (dọc kinh tuyến) đi qua trung tâm thnh phố tại 14 giờ (a) v 4 giờ (b) Kết quả tính toán trờng nhiệt độ trong mặt phẳng thẳng đứng đi qua trung tâm thnh phố dọc kinh tuyến đợc thể hiện trên hình 8.2. Phần gạch chéo của trục y l thnh phố, còn các hình bán nguyệt nhỏ chỉ mặt nớc (sông). Vo ban ngy (hình 8.2 a), trên mỗi phần thnh phố hình thnh một đảo (vòm cung) nhiệt độc lập. Cng lên cao, những vòm cung ny liên kết lại thnh một vòm cung, vòm cung ny lan cao lên tới độ cao gần 600 m. Vo ban đêm (hình 8.2 b), ở các vùng ngoại vi đến tận độ cao gần 200 m quan sát thấy phân tầng nghịch nhiệt với độ chênh nhiệt độ gần 3 o C, bên trên thnh phố nghịch nhiệt độ bị suy yếu mạnh nó lan đến độ cao gần 100 m với độ chênh nhiệt độ xấp xỉ 1 o C; độ cao vòm cung nhiệt ban đêm gần 400 m, tức nhỏ hơn so với ban ngy. Phân tích các dòng không khí cho thấy rằng, vo ban ngy ở phần dới của lớp biên xuất hiện chuyển động xoáy thuận (tại độ cao 50 m lúc 12 giờ tốc độ cực đại bằng 6,2 m/s), ở phần trên chuyển động xoáy nghịch (tại độ cao 1400 m cực đại tốc độ 1,5 m/s). Vì trong xoáy thuận quan sát thấy sự hội tụ các dòng không khí dới ảnh hởng của các lực ma sát, nên bên trên thnh phố chuyển động thẳng đứng của không khí nhìn chung l chuyển động thăng ( 0>w ): lúc 14 giờ nó lan lên trên tới độ cao khoảng 1500 m (với cực đại tốc độ 16 cm/s tại độ cao 500 m bên trên trung tâm thnh phố), lúc 2 giờ 0>w tới độ cao gần 500 m (với cực đại tốc độ gần 2 cm/s tại độ cao khoảng 100 m). Tuy nhiên, bên trên mặt nớc (sông) chuyển động không khí vo ban ngy l chuyển động giáng ( 0<w ). Sự đánh giá đóng góp của các nhân tố khác nhau trong sự hình thnh hiệu T do các tác giả của công trình chúng ta đang thảo luận tỏ ra rất lý thú. Vì hệ số dẫn nhiệt độ của đất trong thnh phố xấp xỉ 2,5 lần lớn hơn so với các vùng ngoại vi (2,6 v 195 196 1,1 W/(m. o C) v ban đêm thông lợng nhiệt trong đất hớng lên trên, còn ban ngy hớng xuống dới, nên do sự khác biệt về các tính chất nhiệt vật lý của đất ở thnh phố v ngoại ô quan sát thấy sự cao hơn của nhiệt độ không khí thnh phố v hệ quả l sự tăng cờng độ đảo nhiệt ở gần đất vo ban đêm v sự suy yếu cờng độ đảo nhiệt vo ban ngy. Phần đóng góp cực đại của nhân tố ny bằng gần 1,3 o C vo ban đêm (lúc 3 giờ) v 1,1 o C vo ban ngy (lúc 9 giờ). Sự tăng tham số gồ ghề 0 z dẫn đến tăng cờng thông lợng nhiệt rối. Ban đêm thông lợng nhiệt hớng từ khí quyển xuống mặt đất, v nó tăng cờng có nghĩa rằng nhiệt độ không khí gần mặt đất tăng lên một cách cực đại lên 0,7 o C, nếu 0 z trong thnh phố 10 lần lớn hơn so với ngoại ô, v đảo nhiệt tăng cờng. Ngợc lại, ban ngy, trong phân tầng bất ổn định, nhiệt độ không khí gần mặt đất khi tăng 0 z giảm một cách cực đại 0,6 o C, còn đảo nhiệt suy yếu. Giảm albeđô mặt đất trong thnh phố xuống 0,2 trong khi trị số của nó ở ngoại ô bằng 0,3 sẽ dẫn tới lm tăng nhiệt độ không khí một cách cực đại lên 0,8 o C; dới ảnh hởng của sự tái sắp xếp trờng chuyển động, nhiệt độ cũng tăng lên cả vo ban đêm. Giảm bốc hơi dẫn đến tăng nhiệt độ không khí. Nếu giả thiết rằng bốc hơi nớc chỉ diễn ra từ 1/4 bề mặt thnh phố do giáng thủy bị mang ra khỏi thnh phố v do giảm bề mặt bốc hơi tự do, nhiệt độ không khí tại độ cao 2 m sẽ tăng một cách cực đại lên 1 o C vo ban ngy v 0,6 o C vo ban đêm. Cuối cùng, phần đóng góp của các nguồn nhiệt nhân sinh vo T nhỏ không đáng kể vo ban ngy v xấp xỉ bằng ảnh hởng của các nhân tố khác vo ban đêm; trong thí dụ đang đợc chúng ta bn luận đã tính đến s I lm tăng nhiệt độ không khí gần mặt đất trong thnh phố lên 1,6 o C. Dới đây ta tổng hợp những đóng góp của các nhân tố vo T với những trị số nêu ở trên của các tham số: T o C T o C Nhân tố NgyĐêm Nhân tố NgyĐêm Độ dẫn nhiệt đất 1,1 1,3 Albeđô 0,8 1,0 Độ gồ ghề mặt 0,6 0,7 Bốc hơi 0,6 . với bề mặt đất trong 19 3 19 4 thnh phố. Hình 8 .1. Biến trình ngy hiệu nhiệt độ không khí tại độ cao 2 m giữa trung tâm thnh phố v các điểm ở ngoại vi về phía tây bắc (1) v tây nam (2); những. vấn đề l đối với phần lớn các tạp chất giá trị của nhân tử i cha đợc biết. 19 1 19 2 Phân tích kết quả tính toán cho thấy rằng, chỉ cần biết i trong khoảng từ 5 10 đến 1 m/s. Bên ngoi. 2,6, 1, 1 v 1, 1 W/(m. o C). Tại thời điểm, đầu độ chênh của tất cả các đại lợng khí tợng so với các trị số trung bình của chúng đợc chấp nhận bằng không. Việc tính toán các đặc trng vi khí