Vol. 30, issue 06, article # 10

Abstract:

We discuss the development of a modeling system for the study of climatic and environmental problems in urban areas exposed to natural and anthropogenic impacts. Some typical tasks are considered: formation of mesoclimates and air quality of urban agglomerations against the background of global processes in specific regions. The models of hydrodynamics, transport, and transformation of various substances in the gas and aerosol states are used for solving direct and inverse problems of this class. The modeling technology is based on variational principles and the concept of adjoint integrating factors. This provides a consistent unification of all the models, the construction of numerical schemes, and assimilation of operational data from various monitoring tools. We propose a new algorithm for the implementation of the model for parameterization of the vertical turbulent exchange in the arbitrary stratified atmosphere. The results of the scenarios of the formation of the typical mesoclimates and distribution of impurities in the atmosphere of Novosibirsk agglomeration are presented.

Keywords:

variational principle, model of hydrodynamics and chemistry of the atmosphere, data assimilation, parameterization of vertical turbulence, mesoclimate, air pollution, urban area, Novosibirsk

References:

    1.  Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука, 1982. 319 с.
   2. Марчук Г.И., Пененко В.В., Алоян А.Е. Лазриев Г. Численное моделирование микроклимата города // Метеорол. и гидрол. 1979. № 8. С. 5–15.
   3. Пененко ВВ. Методы численного моделирования атмосферных процессов. Л.: Гидрометиздат, 1981. 352 с.
   4. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды Новосибирск: Наука, 1985. 256 с.
   5. Integrated systems of meso-meteorological and chemical transport models / Eds. A. Baklanov, A. Machura, R. Sokhi. Heidelberg; Dordrecht: Springer, 2011. 242 p.
   6. Seamless prediction of the Earth system: from minutes to months. Geneva: WMO, 2015. 471 p.
   7. Oke T. Boundary layer climates. Routledge, 2002. 464 p.
   8. Atmospheric Boundary layers. Nature, theory, and application to environmental modeling and security / Eds. A. Baklanov, B. Grisogono. Springer Science + Business Media, 2007. 241 p.
   9. Bocquet M., Elbern H., Eskes H., Hirtl M., Žabkar R., Carmichael G.R., Flemming J., Inness A., Pagow-ski M., Pérez Camaño J.L., Saide P.E., San Jose R., Sofiev M., Vira J., Baklanov A., Carnevale C., Grell G., Seigneur C. Data assimilation in atmospheric chemistry models: current status and future prospects for coupled chemistry meteorology models // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 5325–5358. DOI: 10.5194/acp-15-5325-2015.
10. Пененко В.В. О концепции природоохранного прогнозирования // Оптика атмосф. и океана. 2010.  T. 23, № 6. C. 432–438.
11. Penenko V., Baklanov A., Tsvetova E., Mahura A. Direct and Inverse Problems in a Variational Concept of Environmental Modeling // Pure Appl. Geophis. 2012. V. 169. P. 447–465. DOI: 10.1007/s00024-011-0380-5.
12. Пененко В.В., Цветова Е.А., Пененко А. В.Развитие вариационного подхода для прямых и обратных задач гидротермодинамики и химии атмосферы //Изв. АН. Физ. атмосф. и океана. 2015. T. 51, № 3. C. 358–367.
13. Пененко В.В., Цветова Е.А., Пененко А.В. Методы совместного использования моделей и данных наблюдений в рамках вариационного подхода для прогнозирования погоды и качества состава атмосферы // Метеорол. и гидрол. 2015. № 6. C. 13–24.
14. Пененко В.В., Цветова Е.А. Вариационные методы построения монотонных аппроксимаций для моделей химии атмосферы // Сиб. ж. вычисл. матем. 2013. Т. 16, № 3. С. 239–252.
15. Penenko V.V., Tsvetova E.A., Penenko A.V. Variational approach and Euler’s integrating factors for environmental studies // Comput. Math. Appl. 2014. V. 67, N 12. P. 2240–2256. DOI: 10.1016/j.camwa. 2014.04.004.
16. Langland R.H., Chi-Sann Liou. Implementation of an E – e parametrization of vertical subgrid-scale mixing in a regional model // Month. Weather Review. 1996. V. 124, N 5. P. 905–918.
17. Penenko V.V., Tsvetova E.A. A variational approach to environmental and climatic problems of urban agglomeration // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2016. V. 48, UNSP 012020. DOI: 10.1088/1755-1315/48/1/ 012020.