Моделирование атмосферной дисперсии - Atmospheric dispersion modeling

Источник промышленного загрязнения воздуха

Моделирование атмосферной дисперсии это математическое моделирование о том, как загрязнители воздуха рассеяться в окружающем атмосфера. Это выполняется с помощью компьютерных программ, которые включают алгоритмы для решения математических уравнений, которые управляют рассеиванием загрязняющих веществ. В модели дисперсии используются для оценки окружающего концентрация загрязнителей воздуха или токсинов, выбрасываемых из таких источников, как промышленные предприятия, автомобильное движение или случайные выбросы химических веществ. Их также можно использовать для прогнозирования будущих концентраций по конкретным сценариям (т. Е. Изменений в источниках выбросов). Следовательно, они являются доминирующим типом модели, используемой при разработке политики в области качества воздуха. Они наиболее полезны для загрязняющих веществ, которые распространяются на большие расстояния и могут вступать в реакцию в атмосфере. Для загрязняющих веществ, которые имеют очень высокую пространственно-временную изменчивость (т. Е. Имеют очень большое расстояние до источника распада, например, черный углерод ) и для эпидемиологический исследования также используются статистические регрессионные модели землепользования.

Модели рассеивания важны для государственных органов, которым поручена защита окружающей среды и управление ею. качество воздуха. Модели обычно используются для определения того, соответствуют ли существующие или предлагаемые новые промышленные объекты Национальные стандарты качества окружающего воздуха (NAAQS) в Соединенные Штаты и другие народы. Эти модели также служат для помощи в разработке эффективных стратегий контроля для снижения выбросы вредных загрязнителей воздуха. В конце 1960-х Управление по контролю за загрязнением воздуха Агентства по охране окружающей среды США инициировало исследовательские проекты, которые приведут к разработке моделей для использования городскими и транспортными планировщиками.^[1] Основное и важное приложение модели рассеивания проезжей части, которое стало результатом таких исследований, было применено к Скоростная автомагистраль Спадина Канады в 1971 году.

Модели рассеивания в воздухе также используются службами общественной безопасности и персоналом по управлению чрезвычайными ситуациями для аварийного планирования аварийных выбросов химических веществ. Модели используются для определения последствий аварийных выбросов опасных или токсичных материалов. Случайные выбросы могут привести к пожарам, разливам или взрывам с участием опасных материалов, таких как химические вещества или радионуклиды. Результаты моделирования дисперсии с использованием наихудшего случая условия источника случайного выпуска и метеорологические условия, могут дать оценку месторасположения пораженных участков, концентрации в окружающей среде и использоваться для определения защитных действий, необходимых в случае выброса. Соответствующие защитные меры могут включать эвакуацию или укрытие на месте для лиц с подветренной стороны. На промышленных объектах такой вид оценки последствий или аварийного планирования требуется в соответствии с Закон о чистом воздухе (США) (CAA), кодифицированный в Части 68 Раздела 40 Свод федеральных правил.

Модели дисперсии различаются в зависимости от математики, используемой для разработки модели, но все они требуют ввода данных, которые могут включать:

• Метеорологический условия, такие как скорость и направление ветра, количество атмосферных турбулентность (характеризуемый тем, что называется «класс устойчивости» ), температура окружающего воздуха, высота до дна любого инверсия наверху может присутствовать облачный покров и солнечная радиация.
• Исходный термин (концентрация или количество токсинов в выбросах или условия источника случайного выпуска ) и температура материала
• Параметры выбросов или выбросов, такие как расположение и высота источника, тип источника (например, пожар, бассейн или вентиляционная труба) и выход скорость, температура на выходе и массовый расход или скорость выпуска.
• Высота над уровнем моря в месте расположения источника и в месте расположения приемника, например, в близлежащих домах, школах, предприятиях и больницах.
• Расположение, высота и ширина любых препятствий (таких как здания или другие сооружения) на пути испускаемого газового шлейфа, шероховатость поверхности или использование более общего параметра «сельская» или «городская» местность.

Многие современные передовые программы моделирования дисперсии включают препроцессор модуль для ввода метеорологических и других данных, а многие также включают модуль постпроцессора для графического отображения выходных данных и / или заговор территория, подверженная влиянию загрязнителей воздуха на картах. Графики затронутых территорий также могут включать: изоплеты показаны области от минимальной до высокой концентрации, определяющие области наибольшего риска для здоровья. Графики изоплет полезны при определении защитных действий для населения и ответственных лиц.

Модели атмосферной дисперсии также известны как модели атмосферной диффузии, модели атмосферной дисперсии, модели качества воздуха и модели дисперсии загрязнения воздуха.

Атмосферные слои

Обсуждение слоев в Атмосфера Земли необходимо, чтобы понять, где переносимые по воздуху загрязнители рассеиваются в атмосфере. Слой, ближайший к поверхности Земли, известен как тропосфера. Он простирается от уровня моря до высоты около 18 км и содержит около 80 процентов массы всей атмосферы. В стратосфера является следующим слоем и простирается от 18 км до примерно 50 км. Третий слой - это мезосфера который простирается от 50 км до примерно 80 км. Есть и другие слои выше 80 км, но они несущественны для моделирования атмосферной дисперсии.

Самая нижняя часть тропосферы называется атмосферный пограничный слой (ППС) или планетарный пограничный слой (PBL) . Температура воздуха в атмосфере понижается с увеличением высоты, пока не достигнет того, что называется инверсионный слой (где температура увеличивается с увеличением высоты), который закрывает Конвективный пограничный слой обычно около 1,5–2,0 км в высоту. Верхняя часть тропосферы (т. Е. Выше инверсионного слоя) называется свободная тропосфера и он простирается до тропопауза (граница в атмосфере Земли между тропосферой и стратосферой). В тропических и средних широтах днем Свободный конвективный слой может охватывать всю тропосферу, которая составляет от 10 км до 18 км в Зона межтропической конвергенции.

ABL имеет наиболее важное значение в отношении выбросов, переноса и рассеивания переносимых по воздуху загрязнителей. Часть АПС между поверхностью Земли и дном инверсионного слоя называется слоем смешения. Почти все переносимые по воздуху загрязнители, выбрасываемые в окружающую атмосферу, переносятся и рассеиваются внутри слоя смешения. Часть выбросов проникает через инверсионный слой и попадает в свободную тропосферу выше АПС.

Таким образом, слои атмосферы Земли от поверхности земли вверх следующие: ABL, состоящий из слоя смешения, покрытого слоем инверсии; свободная тропосфера; стратосфера; мезосфера и другие. Многие модели атмосферной дисперсии называют модели пограничного слоя потому что они в основном моделируют распространение загрязнителей воздуха в пределах административной границы. Чтобы избежать путаницы, модели, называемые мезомасштабные модели имеют возможности моделирования рассеяния, которые простираются по горизонтали до нескольких сотен километров. Это не означает, что они моделируют дисперсию в мезосфере.

Гауссовское уравнение дисперсии загрязнителя воздуха

Техническая литература по рассеиванию загрязнителей воздуха довольно обширна и восходит к 1930-м годам и ранее. Одно из первых уравнений дисперсии шлейфа загрязнителя воздуха было получено Бозанке и Пирсоном.^[2] Их уравнение не предполагало Гауссово распределение также не учитывался эффект отражения шлейфа загрязняющего вещества от земли.

Сэр Грэм Саттон вывел уравнение рассеивания шлейфа загрязняющих веществ в воздухе в 1947 году.^[3] который действительно включал предположение о гауссовом распределении для вертикальной и боковой дисперсии шлейфа, а также включал эффект отражения шлейфа от земли.

Под воздействием стимулов, вызванных появлением строгих правила экологического контроля, с конца 1960-х годов и по настоящее время значительно выросло использование расчетов рассеивания шлейфа загрязнителей воздуха. В течение этого периода было разработано множество компьютерных программ для расчета рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, которые получили название «модели рассеяния в воздухе». В основе большинства этих моделей лежал Полное уравнение для моделирования гауссовой дисперсии Непрерывные плавучие шлейфы загрязнения воздуха показано ниже:^[4][5]

${displaystyle C = {frac {; Q} {u}} cdot {frac {; f} {sigma _ {y} {sqrt {2pi}}}}; cdot {frac {; g_ {1} + g_ {2} + g_ {3}} {sigma _ {z} {sqrt {2pi}}}}}$

куда:
${displaystyle f}$	= параметр рассеивания бокового ветра
	= ${displaystyle exp; [-, y ^ {2} /, (2; sigma _ {y} ^ {2};);]}$
${displaystyle g}$	= параметр вертикальной дисперсии = ${displaystyle, g_ {1} + g_ {2} + g_ {3}}$
${displaystyle g_ {1}}$	= вертикальная дисперсия без отражений
	= ${displaystyle; exp; [-, (z-H) ^ {2} /, (2; sigma _ {z} ^ {2};);]}$
${displaystyle g_ {2}}$	= вертикальная дисперсия отражения от земли
	= ${displaystyle; exp; [-, (z + H) ^ {2} /, (2; sigma _ {z} ^ {2};);]}$
${displaystyle g_ {3}}$	= вертикальная дисперсия для отражения от инверсии вверх
	= ${displaystyle sum _ {m = 1} ^ {infty}; {ig {} exp; [-, (zH-2mL) ^ {2} /, (2; sigma _ {z} ^ {2};);] }$
?	${displaystyle +, exp; [-, (z + H + 2mL) ^ {2} /, (2; sigma _ {z} ^ {2};);]}$
?	${displaystyle +, exp; [-, (z + H-2mL) ^ {2} /, (2; sigma _ {z} ^ {2};);]}$
?	${displaystyle +, exp; [-, (z-H + 2mL) ^ {2} /, (2; sigma _ {z} ^ {2};);] {ig}}}$
${displaystyle C}$	= концентрация выбросов в г / м³ на любом расположенном рецепторе:
	x метров по ветру от точка источника выбросов
	y метров при боковом ветре от центральной линии выброса
	z метров над уровнем земли
${displaystyle Q_ {}}$	= уровень выбросов загрязняющих веществ от источника, г / с
${displaystyle u}$	= горизонтальная скорость ветра вдоль средней линии шлейфа, м / с
${displaystyle H}$	= высота центральной линии выброса над уровнем земли, м
${displaystyle sigma _ {z}}$	= вертикальный стандартное отклонение распределения выбросов, м
${displaystyle sigma _ {y}}$	= горизонтальное стандартное отклонение распределения выбросов, м
${displaystyle L_ {}}$	= высота от уровня земли до нижней точки переворота вверх, в м
${displaystyle exp}$	= the экспоненциальная функция

Вышеприведенное уравнение включает не только восходящее отражение от земли, но и нисходящее отражение от нижней части любой инверсной крышки, присутствующей в атмосфере.

Сумма четырех экспоненциальных членов в ${displaystyle g_ {3}}$ сходится к окончательному значению довольно быстро. В большинстве случаев суммирование ряда с м = 1, м = 2 и м = 3 обеспечит адекватное решение.

${displaystyle sigma _ {z}}$ и ${displaystyle sigma _ {y}}$ являются функциями класса устойчивости атмосферы (т. е. меры турбулентности в окружающей атмосфере) и расстояния по ветру до рецептора. Двумя наиболее важными переменными, влияющими на полученную степень рассеивания выбросов загрязняющих веществ, являются высота точки источника выбросов и степень атмосферной турбулентности. Чем больше турбулентность, тем лучше степень рассеивания.

Уравнения^[6][7] за ${displaystyle sigma _ {y}}$ и ${displaystyle sigma _ {z}}$ находятся:

${displaystyle sigma _ {y}}$(x) = exp (I_у + J_уln (x) + К_у[ln (x)]²)

${displaystyle sigma _ {z}}$(x) = exp (I_z + J_zln (x) + К_z[ln (x)]²)

(единицы ${displaystyle sigma _ {z}}$, и ${displaystyle sigma _ {y}}$, и x в метрах)

Классификация классов устойчивости предложена Ф. Паскуиллом.^[8] К шести классам устойчивости относятся: A-крайне нестабильный, B-умеренно нестабильный, C-слегка нестабильный, D-нейтральный, E-слегка стабильный, F-умеренно стабильный.

Итоговые расчеты для концентрации загрязнителей воздуха часто выражаются как загрязнитель воздуха концентрация контурная карта чтобы показать пространственные вариации уровней загрязнения на обширной исследуемой территории. Таким образом, контурные линии могут наложить на чувствительные рецепторы местоположения и выявить пространственные отношения загрязнителей воздуха к интересующим областям.

В то время как более старые модели полагаются на классы устойчивости (см. терминология рассеивания загрязнения воздуха ) для определения ${displaystyle sigma _ {y}}$ и ${displaystyle sigma _ {z}}$, более свежие модели все больше полагаются на Теория подобия Монина-Обухова чтобы получить эти параметры.

Уравнения подъема плюма Бриггса

Гауссовское уравнение дисперсии загрязнителя воздуха (обсуждалось выше) требует ввода ЧАС которая представляет собой высоту центральной линии выброса загрязняющих веществ над уровнем земли, а His - сумма ЧАС_s (фактическая физическая высота точки источника выбросов загрязняющего шлейфа) плюс ΔЧАС (подъем плюма за счет его плавучести).

Визуализация всплывающего гауссовского шлейфа рассеивания загрязнителя воздуха

Для определения ΔЧАС, многие, если не большинство моделей рассеяния в воздухе, разработанных в период с конца 1960-х до начала 2000-х годов, использовали так называемые «уравнения Бриггса». Г.А. Бриггс впервые опубликовал свои наблюдения и сравнения подъема шлейфа в 1965 году.^[9] В 1968 г. на симпозиуме, спонсируемом голландской организацией CONCAWE, он сравнил многие модели подъема шлейфа, которые тогда были доступны в литературе.^[10] В том же году Бриггс также написал раздел публикации под редакцией Slade.^[11] занимается сравнительным анализом моделей подъема шлейфа. За этим последовал в 1969 году его классический критический обзор всей литературы о подъеме шлейфов,^[12] в котором он предложил набор уравнений роста шлейфа, которые стали широко известны как «уравнения Бриггса». Впоследствии Бриггс модифицировал свои уравнения подъема шлейфа 1969 года в 1971 и 1972 годах.^[13][14]

Бриггс разделил шлейфы загрязнения воздуха на четыре основные категории:

• Шлейфы холодной струи в спокойных условиях окружающего воздуха
• Шлейфы холодной струи в ветреную погоду
• Горячие плавучие шлейфы в спокойных условиях окружающего воздуха
• Горячие плавучие шлейфы в ветреную погоду

Бриггс считал, что на траектории струй холодных струй доминирует их начальный импульс скорости, а на траектории горячих плавучих струй - их плавучесть до такой степени, что их начальный импульс скорости был относительно неважным. Хотя Бриггс предложил уравнения роста шлейфов для каждой из вышеперечисленных категорий шлейфов, Важно подчеркнуть, что «уравнения Бриггса», которые становятся широко используемыми, - это те, которые он предложил для наклонных, горячих плавучих струй..

В общем, уравнения Бриггса для изогнутых горячих плавучих шлейфов основаны на наблюдениях и данных, включающих шлейфы от типичных источников горения, таких как дымовые трубы от сжигания парогенерирующих котлов ископаемое топливо на крупных электростанциях. Следовательно, скорости на выходе из трубы, вероятно, находились в диапазоне от 20 до 100 футов / с (от 6 до 30 м / с) с температурами на выходе от 250 до 500 ° F (от 120 до 260 ° C).

Логическая диаграмма для использования уравнений Бриггса^[4] для получения траектории подъема шлейфа изогнутых плавучих шлейфов представлена ​​ниже:

куда:
Δh	= высота шлейфа, м
F	= коэффициент плавучести, м4s−3
Икс	= расстояние по ветру от источника шлейфа, в м
Иксж	= расстояние по ветру от источника шлейфа до точки максимального подъема шлейфа, в м
ты	= скорость ветра при фактической высоте штабеля, м / с
s	= параметр устойчивости, в с−2

Вышеуказанные параметры, используемые в уравнениях Бриггса, обсуждаются в книге Бейчка.^[4]

Смотрите также

Модели атмосферной дисперсии

Список моделей атмосферной дисперсии предоставляет более полный список моделей, чем перечисленные ниже. Он включает очень краткое описание каждой модели.

• ADMS
• АЕРМОД

Результат моделирования атмосферной дисперсии с помощью AERMOD

• АТСТЕП
• КАЛЬПУФ
• CAMx
• CMAQ
• ДИСПЕРСИЯ 21
• FLACS
• FLEXPART

Карта HYSPLIT 2016

• HYSPLIT
• ГИПАКТ
• ISC3
• ИМЯ
• МЕРКЮР
• OSPM
• Флюидин-Панаш
• RIMPUFF
• БЕЗОПАСНЫЙ ВОЗДУХ
• ПУФ-СЛИВА
• LillPello
• PUMA
• СИРАН
• Ванадис - 3D МКЭ

Трехмерная динамическая модель переноса загрязнения воздуха с помощью МКЭ - поле концентрации на уровне земли

Трехмерная динамическая модель переноса загрязнения воздуха методом МКЭ - поле концентрации на перпендикулярной поверхности

Организации

• Группа моделирования качества воздуха
• Лаборатория воздушных ресурсов
• Финский метеорологический институт
• KNMI, Королевский голландский метеорологический институт
• Национальный институт экологических исследований Дании
• Шведский метеорологический и гидрологический институт
• TA Люфт
• Комитет по связям по моделированию атмосферной дисперсии Великобритании
• Бюро моделирования дисперсии Великобритании
• Институт исследований пустынь
• VITO (институт) Бельгия; https://vito.be/en
• Шведское агентство оборонных исследований, FOI

Другие

• Терминология рассеивания загрязнения воздуха
• Список моделей атмосферной дисперсии
• Портативная система измерения выбросов (PEMS)
• Моделирование рассеивания воздуха на проезжей части
• Полезные преобразования и формулы для моделирования рассеивания в воздухе
• Прогноз загрязнения воздуха

Рекомендации

дальнейшее чтение

Книги

Труды

внешняя ссылка

• Центр поддержки EPA для регулирующего атмосферного моделирования
  • Предпочтительные / рекомендуемые модели EPA
  • Альтернативные модели EPA
  • Фотохимические модели EPA
  • Предварительные модели отбора EPA
• Группа моделирования качества воздуха EPA (AQMG)
• Лаборатория воздушных ресурсов NOAA (ARL)
• В Open Directory Project имеется большой объем информации о моделировании дисперсии.
• Веб-сайт британского комитета по моделированию атмосферной дисперсии
• Веб-сайт британского бюро моделирования дисперсии
• Транспортная модель химии атмосферы LOTOS-EUROS
• Операционная модель приоритетных веществ OPS (на голландском)
• HAMS-GPS Моделирование дисперсии
• Вики по моделированию атмосферной дисперсии. Адресовано международному сообществу разработчиков моделей атмосферной дисперсии - в первую очередь исследователей, но также и пользователей моделей. Его цель - объединить опыт, полученный разработчиками дисперсионных моделей во время их работы.