Классификация моделей распространения примесей в атмосфере

Прежде чем перейти к обзору моделей распространения примесей в атмосфере, необходимо ввести хотя бы простейшую их классификацию. Классифицируем модели по трем признакам

Главным признаком, определяющим модель - это их эмпирический или теоретический характер. Строго говоря, во всех моделях присутствуют оба начала, но в одних - это простейшие и не слишком обоснованные рассуждения при тщательном достижении соответствия экспериментальным данным, а в других - фундаментальные уравнения теории диффузии в турбулентных средах со сложным математическим аппаратом и огромным объемом вычислений.

Фундаментальные теоретические модели в настоящее время используются только для научных целей, они позволяют качественно объяснить некоторые наблюдаемые эффекты.
Наибольший интерес представляют полуэмпирические модели. В таких моделях эмпирика дополнена довольно развитым математическим аппаратом, что позволяет анализировать достаточно сложные ситуации, значительно отличающиеся от исходных экспериментов, и фактически объединять результаты разнородных экспериментов, например, метеорологических и диффузионных. В этом главное отличие от чисто эмпирических моделей, которые описывают весь процесс в целом: на входе - параметры выброса, на выходе - концентрация в данной точке пространства.

Вторым признаком для классификации является богатство учитываемых в модели физических процессов. В эмпирических моделях зачастую физика процессов почти не учитывается или сильно искажается. Так, эмпирические модели с гауссовым распределением концентрации в струе и близким к линейному законом расширению струи (то есть практически все эмпирические модели) не могут быть проинтерпретированы как диффузионные.
В более сложных моделях учитывают законы движения воздуха и диффузии, причем используют очень разные наборы упрощающих предположений. Почти все модели распространения дополняются учетом специальных процессов, таких как начальный подъем нагретых выбросов, оседание тяжелых частиц, вымывание примесей осадками. Для задач экологии важную роль играет также учет химических превращений веществ в процессе распространения, в частности модели фотохимического смога. Но эти вопросы не главные при авариях. Для прогноза, необходимого при авариях, необходимо явно разделить модель воздушных течений вблизи места аварии и модель распространения примеси.

Третьим признаком для классификации является тип используемого математического аппарата. Эмпирические модели используют явные формулы, которые при реализации на ЭВМ не вызывают никаких затруднений, трудоемким является только ввод и вывод информации. Полуэмпирические модели содержат уже процедуры численного решения дифференциальных уравнений в частных производных. Теоретические же модели чрезвычайно разнообразны по аппарату: от теории подобия и чисто аналитических выкладок до численного решения уравнений мезометеорологии с диффузией и трансформацией. Особо следует отметить использование аппарата теории вероятности, который был основным у классиков, но в современных моделях играет весьма скромную роль.
Модели можно разделить также на стационарные (таких большинство среди эмпирических моделей) и нестационарные.

В настоящее время, в мире используется огромное количество различных моделей рассеивания примесей в атмосферном воздухе. Ниже представлена схема с указанием основных моделей

Для описания процессов распространения примесей в атмосфере могут использоваться математические модели трех типов:

1. Модели гауссового типа - модели этого типа относятся к полуэмпирическим. На данный момент насчитывается свыше 60 видов моделей гауссовского типа, каждая из которых предоставляет свой математический аппарат, имеет свои особенности и преимущества. Такие модели используются в качестве нормативных (утвержденных на государственном уровне и рекомендуемых к использованию) в странах Европы, США, Канаде.
2. Лагранжевы дисперсионные стохастические модели. Модели этого типа можно отнести к чисто теоретическим. Лагранжевы модели не нашли широкого распространения при расчёте рассеивания выбросов, однако могут использоваться в научных исследованиях.
3. Модели, основанные на теории турбулентной диффузии. Моделей данного типа, на данный момент, всего две - это модель, утвержденная в 1986 году Общесоюзным нормативным документом ОНД-86 и её усовершенствованная версия - методика расчёта рассеивания (МРР-2017), утвержденная Приказом Минприроды РФ №273. Эти модели используются на территории Российской Федерации, а также в некоторых странах бывшего СССР.

Далее мы рассмотрим некоторые из этих моделей.