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

R = RK + RД = (SГ + D) · (1 - A) - BЕФ , (1.1)

де SГ - 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);

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

Величина ВЕФ у свою чергу визначається як

ВЕФ = у · дз ·[ T34 - TA4 · ( 0.61 + 0.05 vе )] , (1.2)

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

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

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

Т3 = 273+ 23=296° К;

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

ТА=273 + ta=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 ц - відносна вологість повітря ц = 65%; Е - тиск насиченої пари, гПа, Е=20,24 гПа.

(гПа)

0,099(Вт/м2)

(Вт/м2)

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

Таблиця 1.1

Величина потоків	Значення потоків, Вт/м2
	Часи доби
	2-3	3-4	4-5	5-6	6-7	7-8	8-9	9-10	10-11	11-12
I	-	-	17	98	213	360	495	590	677	730
Sr	-	-	15	56	84	99	112	126	129	133
Q	-	-	32	154	297	459	607	716	806	863
R	-	-	28	135	261	403	534	630	709	759
	21-22	20-21	19-20	18-19	17-18	16-17	15-16	14-15	13-14	12-13
	Часи доби

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 ,

г = - (? t /? z) ·100 , (2.1.)

де ? t = tВРn - tВР n-1 - різниця температур повітря на верхньому (заданому) та нижньому рівнях, 0С;

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

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

Визначення розподілу температури по висоті tВР1 tВР5 проводять за формулою

tВРn = - [ ( г · ? z) / 100 ] + tВР n-1 (2.2.)

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.

Й 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

га = (? t /? z) ·100 = 1 0С/ 100м (2.3)

За формулою (2.3) визначаються температури tВР1 tВР5 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 г1=0,3 г1< гa -сильно усталена ;

Z2=100м г2=0,9 г2< гa - слабо усталена

Z3=700м г3=-0,5 г3< 0 - інверсія;

Z4=1300м г3=-1 г4<<0 - інверсія;

Z5=2000м г3=-1,3 г5>гa - неусталена.

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

И = tВРп + га · ( 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 И збільшується , шо характеризує стан атмосфери як усталений, вище від 1300м до 2000м значення И 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= ц · Е , (3.1)

де ц - відносна вологість повітря, %, ц = 88%;

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

Абсолютна вологість повітря визначається за формулою , г/м3,

а = 217 · е / Т , (3.2)

де Т = 273 + tа , 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 цz або абсолютної аz вологості на відповідних рівнях

цz = еz / Еz · 100 % , (3.4)

аz = 217 · еz / ТВР , (3.4а)

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

еz = ео · 10 -z/6300 , (3.5)

а Еz - тиск насиченої пари, гПа, при температурі повітря tВР на висоті Z (див. дод.1), е0 - пружність водяної пари на рівні zо; ТВР - температура повітря на відповідних рівнях Z.

eZ1= (гПа)

eZ2= (гПа)

eZ3= (гПа)

eZ4= (гПа)

eZ5= (гПа)

(г/м3)

Висота м	tBP	E гПа	е гПа	ц%	а г/м3
50	-5,35	4,12	3,58	86	2,9
100	-5,8	3,96	3,52	88	2,85
700	-2,8	4,97	2,82	56	2,26
1300	3,2	7,68	2,27	29	1,78
2000	-5,9	3,93	1,75	44	1,42

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 tВП = ta , яке охолоджується до температури tОХ, tOX=-9 :

Да = аВП - аОХ , (3.6)

де абсолютна вологість насиченого повітря аВП чи аОХ визначається відповідно

аВП = 0.8 · ЕВП /(1 + 0.004 · tВП ) , (3.7)

аОХ = 0.8 · ЕОХ /(1 + 0.004 · tОХ ). (3.8)

де ЕОХ - тиск насиченого повітря, охолодженого до температури tОХ, яка приймається за завданням.

(г/м3)

Різниця величин абсолютної вологості насиченого та охолодженного повітря становить

Да = 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

tC1 = ( t1 + t2 ) / 2 , (3.9)

де t1 - температура повітря на рівні z3 = 700 м приймається t1 = tВР2 =

=-2,8 ОС;

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

Тиск насиченої пари при t1 і t2 визначається за додатком 1 (E1=4.97 гПа; Е2=2,64 гПа), а їх середнє значення становить:

ЕСР = (Е1 + Е2) / 2 . (3.10)

(гПа)

При температурі суміші tC1 і відповідному значенні тиску насиченої пари ЕС=3,67 гПа надлишок водяної пари становить:

ДЕ = ЕСР - ЕС . (3.11)

(гПа)

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

ДS = 622· ДЕ / p . (3.12)

(г/кг)

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

qК = 2500 + 1.806 · tC1 , (3.13)

(кДж/кг)

Загальна кількість теплоти конденсації визначається за залежністю

QК = qК · ДS . (3.14)

(кДж/кг)

При цьому підвищується температура суміші повітря на величину

Дt = QК / 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

tС = tС1 + Дt . (3.16)

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

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

3.4 Визначення рівня конденсації

Рівень конденсації визначається за формулою, м ,

zК = 122·( tа - ) (3.17)

zК = 22·( 100 - ц ) (3.17а)

де ta - середня температура заданого місяця, ta=-5.2; - температура точки роси, ОС, на початковому рівні zо знаходиться за додатком 1 при відповідному значенні парціального тиску водяної пари е ( при ta ) ; ц - відносна вологість , %, на рівні z.

(м)

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

tК = ta - zК / 100 . (3.18)

(м)

Таким чином, рівень zК = 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 tнас , що адіабатично підіймається, досягає температури навколишнього атмосферного повітря tн.п , тобто висота шару перемішування визначається за умови tнас= tн.п. Розрахунок рівня конвекції здійснюється у такій послідовності.

1. Визначається вологоадіабатичний градієнт гВ , величина якого залежить від атмосферного тиску pzк на рівні zК і tК .

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

G = g· p /R · (273 + tа), (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 zК визначається як

pzк = p + Дp = p + (-G · zК ). (3.21)

(гПа)

Значення вологоадіабатичного градієнта гВ приймається за додатком 2 відповідно до одержаних pzк=1001,42 гПа і tК=-7,4 .

Виходячи з отриманого значення гВ , визначається розподіл температури насиченої маси повітря tнас по висоті.

2. Визначається температура навколишнього атмосферного повітря tн.п на рівні zК і далі її розподіл по висоті, виходячи з tВРn і гn . Результати розрахунків зводяться в таблицю 3.2.

Розрахунок зводиться в таблицю 3.2.

Таблиця 3.2

Температура повітря, оС	відповідно по висоті , м
	220	2000	2500	2800	2824
Насиченої маси повітря	-7,4	-20,6	-24,3	-26,45	-26,5
Навколишнього повітря	-5,2	-5,9	-18,4	-25,9	-26,5

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

3.6 Побудування графіку кривої стану повітря

Графік (рис.3.1) повинен містити:

криву стратифікації для періоду року, що досліджується;

криву стану повітря, що адіабатично підіймається;

криву стану насиченої маси повітря.

По горизонтальній осі відкладаються значення температури, ОС, а по вертикальній - висота z, м. На графік наносяться визначені рівень конденсації zК та висота шару перемішування zш.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:

середня місячна температура повітря,ОС;

відносна вологість повітря, %;

середня місячна швидкість повітря, м/с;

середня місячна сума опадів , мм ;

місячний максимум опадів, мм ;

місячний мінімум опадів, мм;

повторюваність похмурого неба, %;

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 Твик =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 uм , при якій спостерігаються максимальні концентрації домішок у приземному шарі атмосфери [6]. Небезпечна швидкість пропорційна параметру vм .

Для нагрітих викидів

vм = 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 vм < 2 м/с uм = vм=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:

хmax=(10-20)?Hтр

хmax=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 (Нтр=18м, Zінверсії=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:

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

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

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

Ш Наявність туманів в даному випадку являється НМУ.

Ш 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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

І	II	Ш	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	Рік
-5,8	-5,2	-0,4	8,0	15,2	17,7	20,8	19,7	14,5	7,9	1,4	-3,3	7,6

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

І	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IV	X	XI	XII	Рік
88	88	84	73	64	65	66	68	71	80	88	89	77

3. Середня місячна та річна швидкість вітру

Висота флюгера (м)	І	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	Рік
16	3,7	4,1	3,8	3,6	3,5	2,8	2,5	2,3	2,4	2,3	3,3	3,7	3,2

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

Місяць	І	II	III	IV	V	VI	VII	VII	IX	X	XI	XII	Рік
Спостережений МАХ, мм	64	70	85	98	181	133	274	199	141	133	111	97	758
Спостережений ММ, мм	26	28	23	36	46	63	64	55	37	37	37	32	484

5. Середня кількість днів з туманами

I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	Рік
7	6	5	2	0,5	0,7	0,9	1	2	4	7	8	44

6. Кількість похмурих днів по загальній хмарності

І	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	Рік
17,8	16,5	14,3	10,5	8,7	6,6	4,7	4,3	6,3	11,8	19,2	20,6	141

7. Повторюваність напрямків вітру та штилів (%)

Місяць	Пн	ПнСх	Сх	ПдСх	Пд	ПдЗх	Зх	ПнЗх	Штиль
І	11	8	14	16	12	14	13	12	14
VII	19	11	9	10	6	8	13	24	21
Рік	13	10	13	18	10	10	11	15	18

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

Широта 49	Години доби до полудня
	2-3	3-4	4-5	5-6	6-7	7-8	8-9	9-Ю	10-11	11-12
І	-	-	17	98	213	360	495	590	677	730
S	-	-	15	56	84	99	112	126	129	133