Các mô hình số ô nhiễm khí thành phố lớn Các mô hình số ô nhiễm khí thành phố lớn Bởi: PGS TS NGƯT Phạm Văn Huấn Trong năm gần đây, xây dựng số mô hình lan truyền tạp chất từ nhiều nguồn nằm lãnh thổ thành phố Vấn đề thuộc loại vấn đề phức tạp nhất, lan truyền tạp chất liên quan mật thiết với chế độ động lực, nhiệt ẩm thành phố, tính chất mặt đệm, thành phần hóa học tạp chất v.v Một mô hình ô nhiễm thành phố đầy đủ tiến xa xây dựng cộng tác viên Chi nhánh Sibiri Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô V V Penhenko, A E Aloian, G L Lazriev viện sĩ G I Marchuk đứng đầu Hệ xuất phát gồm: a) phương trình chuyển động, phương trình liên tục phương trình thủy tĩnh; b) phương trình nhập lượng (cân bằng) nhiệt nước; c) phương trình vận chuyển (cân bằng) tạp chất Vận chuyển rối nhập lượng động lượng, nhiệt lượng, nước tạp chất tính đến khuôn khổ lý thuyết rối bán thực nghiệm - cách đưa hệ số rối phương ngang thẳng đứng Trong lớp sát mặt đất, trắc diện thẳng đứng tất đại lượng khí tượng nồng độ tạp chất viết có tính tới thành tựu lý thuyết đồng dạng thứ nguyên Ở phần bên trên, phần Ekman lớp biên khí quyển, nghiệm số trị xây dựng có sử dụng phương pháp tách nhánh hệ phương trình đầy đủ, giữ nhập lượng bình lưu, đối lưu rối tính chất, phương trình cân tạp chất - giữ nhập lượng tạp chất từ nguồn chuyển hóa dạng chất ô nhiễm sang dạng khác Tốc độ thẳng đứng xuất ảnh hưởng phân kỳ thông lượng phương ngang chảy trườn theo yếu tố gồ ghề mặt đất Khó khăn lớn xây dựng lý thuyết ô nhiễm khí vấn đề phát biểu điều kiện biên mặt đất nồng độ tạp chất Tất khó khăn chỗ tạp chất khác thành phần hóa học tương tác không với mặt đất: số chất tiếp xúc với mặt đất bị hấp thụ mạnh, chất khác - phản xạ lại hoàn toàn Thông thường, người ta viết điều kiện biên dạng 1/5 Các mô hình số ô nhiễm khí thành phố lớn ∂qi ρ kzρ ∂z + v(i) g qi = βiρqi − fi(x,y,t) Ở số hạng thứ vế trái thông lượng rối tạp chất i, thứ hai - thông lượng tạp chất i rơi lắng trọng lực ( v(i)g − tốc độ rơi lắng), fi(x,y,z) − hàm mô tả nguồn tạp chất mực mặt đất, βi − nhân tử (với thứ nguyên tốc độ) đặc trưng cho tương tác tạp chất i với mặt đệm, βi = tạp chất phản xạ từ mặt, βi → ∞ − bị hấp thụ hoàn toàn Trạng thái vấn đề phần lớn tạp chất giá trị nhân tử βi chưa biết Phân tích kết tính toán cho thấy rằng, cần biết βi khoảng từ 10 − đến m/ s Bên khoảng này, phân bố nồng độ tạp chất phụ thuộc yếu vào biến đổi βi Ở thí dụ, trị số cực đại nồng độ tăng lên khoảng hai lần βi biến đổi từ 10 − đến 10 − m/s Vì đồng thời với phương trình vận chuyển tạp chất, cần tìm nghiệm phương trình nhập lượng nhiệt lượng ẩm, nên mô chế độ nhiệt ẩm thành phố Trong phương trình cân nhiệt tính đến thông lượng rối nhiệt ẩn thông lượng nhiệt vào đất Trong phương trình cân nhiệt mặt đất dùng làm điều kiện biên, bên cạnh thông lượng nhiệt nhiệt ẩn, xạ sóng ngắn hồng ngoại thông lượng nhiệt vào đất, tính đến thông lượng nhiệt nhân sinh Is tách trình sản xuất tiêu thụ lượng thành phố Thông lượng biểu diễn dạng: Is(t) = 21+29 sin[π(t − 6) / 18] t ≤ 24 Is(t) = 21 W/m2 thời điểm khác Như vậy, thông lượng nhân sinh 21 W/m2 vào ban đêm - từ đến giờ, sau tăng lên, đạt cực đại 50 W/m2 lúc 15 giảm tới cực tiểu vào lúc 24 giờ; lưu ý theo ước lượng phần lớn thành phố giới Is dao động 3-10 50-60 W/m2, nhiên khu trung tâm thành phố Is đạt tới 200-300 W/ m2 Ở phần trung tâm Luân đôn (diện tích khoảng km2), trung bình ngày phát thải nhiệt đạt 230-259 W/m2, trung tâm New York chí 600-650 W/m2 Nói chung thông lượng Is 5-10 % cân xạ (R) mặt đất vào ban ngày ( R ≈ 400−600 W/m2) đạt 15-25 % vào ban đêm ( − R ≈ 100−200 W/m2) Tham số gồ ghề Z0 chấp nhận m phần thành phố có công trình xây dựng với độ cao trung bình 20-30 m, 0,5 m - phần công viên thành phố, 2/5 Các mô hình số ô nhiễm khí thành phố lớn 0,1m vùng ngoại ô; albeđô mặt đất - 0,2, 0,4, 0,3; hệ số dẫn nhiệt độ đất - 2,6, 1,1 1,1 W/(m.oC) Tại thời điểm, đầu độ chênh tất đại lượng khí tượng so với trị số trung bình chúng chấp nhận không Việc tính toán đặc trưng vi khí hậu thành phố thực cho trường hợp trường áp suất bị suy thoái mạnh, tốc độ gió địa chuyển (nền) gần không ( ug = 0), đặc điểm chế độ nhiệt gió thành phố hình thành ảnh hưởng yếu tố bất đồng nhiệt vật lý, xạ ẩm mặt đệm Trên hình 8.1 biểu diễn biến trình ngày hiệu ΔT nhiệt độ không khí độ cao m trung tâm thành phố điểm nằm ngoại vi thành phố phía tây bắc tây nam Cực đại ΔT gần 3,5 oC đạt vào ban đêm, trước Mặt Trời mọc (4 41 ph), cực đại thứ hai (gần 1,6 oC) - vào ban ngày, lúc 12-13 Các cực tiểu ΔT đạt sau lúc Mặt Trời lặn (20 31 ph) sáng sớm (gần giờ) Thực tế vòng ngày đêm hiệu ΔT dương, khoảng thời gian không lớn sau hoàng hôn nhiệt độ không khí trung tâm thành phố thấp chút so với vùng ngoại vi, chủ yếu so với điểm phía tây nam, nằm gần hồ chứa lớn, ban đêm nguội lạnh chậm so với bề mặt đất thành phố Hình 8.1 Biến trình ngày hiệu nhiệt độ không khí độ cao m trung tâm thành phố điểm ngoại vi phía tây bắc (1) tây nam (2); dấu gạch nối thẳng đứng - thời điểm bình minh hoàng hôn, gạch ngang - thời điểm ΔT qua không 3/5 Các mô hình số ô nhiễm khí thành phố lớn Hình 8.2 Trường nhiệt độ (oC) mặt phẳng thẳng đứng (dọc kinh tuyến) qua trung tâm thành phố 14 (a) (b) Kết tính toán trường nhiệt độ mặt phẳng thẳng đứng qua trung tâm thành phố dọc kinh tuyến thể hình 8.2 Phần gạch chéo trục y thành phố, hình bán nguyệt nhỏ mặt nước (sông) Vào ban ngày (hình 8.2 a), phần thành phố hình thành đảo (vòm cung) nhiệt độc lập Càng lên cao, vòm cung liên kết lại thành vòm cung, vòm cung lan cao lên tới độ cao gần 600 m Vào ban đêm (hình 8.2 b), vùng ngoại vi đến tận độ cao gần 200 m quan sát thấy phân tầng nghịch nhiệt với độ chênh nhiệt độ gần oC, bên thành phố nghịch nhiệt độ bị suy yếu mạnh - lan đến độ cao gần 100 m với độ chênh nhiệt độ xấp xỉ oC; độ cao vòm cung nhiệt ban đêm gần 400 m, tức nhỏ so với ban ngày Phân tích dòng không khí cho thấy rằng, vào ban ngày phần lớp biên xuất chuyển động xoáy thuận (tại độ cao 50 m lúc 12 tốc độ cực đại 6,2 m/s), phần - chuyển động xoáy nghịch (tại độ cao 1400 m cực đại tốc độ 1,5 m/s) Vì xoáy thuận quan sát thấy hội tụ dòng không khí ảnh hưởng lực ma sát, nên bên thành phố chuyển động thẳng đứng không khí nhìn chung chuyển động thăng ( w > 0): lúc 14 lan lên tới độ cao khoảng 1500 m (với cực đại tốc độ 16 cm/s độ cao 500 m bên trung tâm thành phố), lúc w > tới độ cao gần 500 m (với cực đại tốc độ gần cm/s độ cao khoảng 100 m) Tuy nhiên, bên mặt nước (sông) chuyển động không khí vào ban ngày chuyển động giáng ( w < 0) Sự đánh giá đóng góp nhân tố khác hình thành hiệu ΔT tác giả công trình thảo luận tỏ lý thú Vì hệ số dẫn nhiệt độ đất thành phố xấp xỉ 2,5 lần lớn so với vùng ngoại vi (2,6 1,1 W/(m.oC) ban đêm thông lượng nhiệt đất hướng lên trên, ban ngày hướng xuống dưới, nên khác biệt tính chất nhiệt vật lý đất thành phố ngoại ô quan sát thấy cao nhiệt độ không khí thành phố hệ tăng cường độ đảo nhiệt gần đất vào ban đêm suy yếu cường độ đảo nhiệt vào ban ngày Phần đóng 4/5 Các mô hình số ô nhiễm khí thành phố lớn góp cực tố gần 1,3 oC vào ban đêm (lúc giờ) ?1,1 oC vào ban ngày (lúc giờ) Sự tăng tham số gồ ghề z0 dẫn đến tăng cường thông lượng nhiệt rối Ban đêm thông lượng nhiệt hướng từ khí xuống mặt đất, tăng cường có nghĩa nhiệt độ không khí gần mặt đất tăng lên cách cực đại lên 0,7 oC, z0 thành phố 10 lần lớn so với ngoại ô, đảo nhiệt tăng cường Ngược lại, ban ngày, phân tầng bất ổn định, nhiệt độ không khí gần mặt đất tăng z0 giảm cách cực đại ?0,6 o C, đảo nhiệt suy yếu Giảm albeđô mặt đất thành phố xuống 0,2 trị số ngoại ô 0,3 dẫn tới làm tăng nhiệt độ không khí cách cực đại lên 0,8 oC; ảnh hưởng tái xếp trường chuyển động, nhiệt độ tăng lên vào ban đêm Giảm bốc dẫn đến tăng nhiệt độ không khí Nếu giả thiết bốc nước diễn từ 1/4 bề mặt thành phố giáng thủy bị mang khỏi thành phố giảm bề mặt bốc tự do, nhiệt độ không khí độ cao m tăng cách cực đại lên oC vào ban ngày 0,6 oC vào ban đêm Cuối cùng, phần đóng góp nguồn nhiệt nhân sinh vào ΔT nhỏ không đáng kể vào ban ngày xấp xỉ ảnh hưởng nhân tố khác vào ban đêm; thí dụ bàn luận tính đến Is làm tăng nhiệt độ không khí gần mặt đất thành phố lên 1,6oC Dưới ta tổng hợp đóng góp nhân tố vào ΔT với trị số nêu tham số: 5/5 ... Tham số gồ ghề Z0 chấp nhận m phần thành phố có công trình xây dựng với độ cao trung bình 20-30 m, 0,5 m - phần công viên thành phố, 2/5 Các mô hình số ô nhiễm khí thành phố lớn 0,1m vùng ngoại ô; ... minh hoàng hôn, gạch ngang - thời điểm ΔT qua không 3/5 Các mô hình số ô nhiễm khí thành phố lớn Hình 8.2 Trường nhiệt độ (oC) mặt phẳng thẳng đứng (dọc kinh tuyến) qua trung tâm thành phố 14 (a)... đất thành phố ngoại ô quan sát thấy cao nhiệt độ không khí thành phố hệ tăng cường độ đảo nhiệt gần đất vào ban đêm suy yếu cường độ đảo nhiệt vào ban ngày Phần đóng 4/5 Các mô hình số ô nhiễm khí