Моделирование атмосферной дисперсии

Промышленный источник загрязнения воздуха

Моделирование атмосферной дисперсии - это математическое моделирование того, как загрязнители воздуха рассеиваются в окружающей атмосфере. Это выполняется с помощью компьютерных программ, которые включают алгоритмы для решения математических уравнений, которые управляют дисперсией загрязнителя. модели рассеяния используются для оценки концентрации загрязнителей воздуха или токсинов, выбрасываемых из таких источников, как промышленные предприятия, автомобильное движение или случайные выбросы химических веществ, в окружающей среде с подветренной стороны. Их также можно использовать для прогнозирования будущих концентраций при определенных сценариях (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 рассеиваются на большие расстояния и могут вступать в реакцию в атмосфере. Для загрязнителей, которые имеют очень высокую пространственно-временную изменчивость (т. Е. Имеют очень большое расстояние до источника разложения, например, черный углерод ), и для эпидемиологических исследований также используются статистические модели регрессии землепользования..

Модели рассеяния важны для правительственных агентств, которым поручена охрана окружающей среды и управление им качеством воздуха. Эти модели обычно используются для определения того, соответствуют ли существующие или предлагаемые новые промышленные предприятия Национальным стандартам качества окружающего воздуха (NAAQS) в США и других странах. Модели также служат для помощи в разработке эффективных стратегий контроля для сокращения выбросов 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. Основное и важное приложение модели рассеяния на проезжей части, которое стало результатом такого исследования, было применено к Скоростной автомагистрали Спадина в Канаде в 1971 году.

Модели рассеивания воздуха также используются службами общественной безопасности и аварийными службами. управленческий персонал 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 рассеивания с использованием условий аварийного источника выброса наихудшего случая и метеорологических условий могут дать оценку местоположения пораженных участков, концентрации в окружающей среде и использоваться для определения защитных действий, соответствующих в случае выброса. Соответствующие защитные меры могут включать эвакуацию или укрытие на месте для людей с подветренной стороны. На промышленных предприятиях этот тип оценки последствий или аварийного планирования требуется в соответствии с Законом о чистом воздухе (США) (CAA), кодифицированным в части 68 раздела 40 Свода федеральных правил <376.>Модели дисперсии различаются в зависимости от математики, использованной для разработки модели, но все они требуют ввода данных, которые могут включать:

• метеорологические условия, такие как скорость и направление ветра, количество атмосферной турбулентности (характеризуется тем, что называется «классом устойчивости» ), температурой окружающего воздуха, высотой до нижней границы любой инверсии наверху, которая может присутствовать, облачностью и солнечное излучение.
• Параметры источника (концентрация или количество токсинов в выбросах или случайные источники выбросов ) и температура материала
• Параметры выбросов или выбросов, такие как источник местоположение и высота, тип источника (например, огонь, бассейн или вентиляционная труба) и выход скорость, выход te температура и массовый расход или скорость выброса.
• Высота над уровнем моря в месте расположения источника и в местах расположения рецепторов, таких как близлежащие дома, школы, предприятия и больницы.
• Местоположение, 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 модуль препроцессора для ввода метеорологических и других данных, а многие также включают модуль постпроцессора для графического представления выходных данных и / или нанесение на карту территории, подверженной влиянию загрязнителей воздуха. Графики затронутых областей могут также включать изоплеты, показывающие области от минимальной до высокой концентрации, которые определяют 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.

• 1 Слои атмосферы
• 2 Уравнение рассеивания загрязнителя воздуха по Гауссу
• 3 Уравнение подъема плюма Бриггса
• 4 См. Также
  • 4.1 Модели атмосферного рассеивания
  • 4.2 Организации
  • 4.3 Другое
• 5 Ссылки
• 6 Дополнительная литература
  • 6.1 Книги
  • 6.2 Труды
  • 6.3 Руководство
• 7 Внешние ссылки

Обсуждение слоев в Атмосфера Земли необходима для понимания того, 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. стратосфера является следующим слоем и простирается от 18 км до примерно 50 км. Третий слой - это мезосфера, которая 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 пограничным слоем атмосферы (ABL) или планетарным пограничным слоем (PBL). Температура воздуха в атмосфере снижается с увеличением высоты до тех пор, пока не достигнет так называемого инверсионного слоя (где температура увеличивается с увеличением высоты), который ограничивает конвективный пограничный слой, обычно примерно до 1,5-2,0 км высотой. Верхняя часть тропосферы (то есть над слоем инверсии) называется свободной тропосферой и простирается до тропопаузы (границы 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 зоне межтропической конвергенции.

. наиболее важен в отношении выбросов, переноса и рассеивания переносимых по воздуху загрязнителей. Часть АПС между поверхностью Земли и дном инверсионного слоя известна как слой 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 над АПС.

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

Техническая литература по рассеиванию загрязнения воздуха довольно обширна и восходит к 1930-м годам и ранее. Одно из первых уравнений дисперсии шлейфа загрязнителя воздуха было получено Бозанке и Пирсоном. Их уравнение не предполагало гауссовского распределения и не учитывало эффект отражения от земли шлейфа загрязняющего вещества.

Сэр Грэм Саттон вывел уравнение дисперсии шлейфа загрязнителя воздуха в 1947 году, которое действительно включало предположение о гауссовом распределении для вертикального и бокового ветра дисперсии шлейфа, а также учитывало эффект отражения шлейфа от земли.

Под влиянием введения строгих нормативных актов по охране окружающей среды, в период с конца 1960-х годов и по настоящее время резко выросло использование расчетов рассеивания шлейфа загрязнителей воздуха. В то время было разработано множество компьютерных программ для расчета рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, которые получили название «модели рассеивания в воздухе». Основой для большинства этих моделей было Полное уравнение для моделирования гауссовой дисперсии непрерывных плавучих шлейфов загрязнения воздуха, показанное ниже:

$C\; =\; Q\; u\; \cdot \; f\; \sigma \; y\; 2\; \pi \; \cdot \; г\; 1\; +\; г\; 2\; +\; г\; 3\; \sigma \; Z\; 2\; \pi \; \{\backslash \; displaystyle\; C\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash ;\; Q\}\; \{u\}\}\; \backslash \; cdot\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash ;\; f\}\; \{\backslash \; sigma\; \_\; \{y\}\; \{\backslash \; sqrt\; \{2\; \backslash \; pi\}\}\}\}\; \backslash ;\; \backslash \; cdot\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash ;\; g\_\; \{1\}\; +\; g\_\; \{2\}\; +\; g\_\; \{3\}\}\; \{\backslash \; sigma\; \_\; \{z\}\; \{\backslash \; sqrt\; \{2\; \backslash \; pi\}\}\}\; \}\}$

где:
$f\; \{\backslash \; displaystyle\; f\}$	= параметр рассеивания бокового ветра
	= $exp\; [-\; y\; 2\; /\; (2\; \sigma \; y\; 2)]\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; exp\; \backslash ;\; [-\; \backslash ,\; y\; ^\; \{2\}\; /\; \backslash ,\; (2\; \backslash ;\; \backslash \; sigma\; \_\; \{y\}\; ^\; \{2\}\; \backslash ;)\; \backslash ;]\}$
$g\; \{\backslash \; displaystyle\; g\}$	= параметр вертикальной дисперсии = $g\; 1\; +\; g\; 2\; +\; g\; 3\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash ,\; g\_\; \{1\}\; +\; g\_\; \{2\}\; +\; g\_\; \{3\}\}$
$g\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; g\_\; \{1\}\}$	= вертикальная дисперсия без отражений
	= $ехр\; [-\; (Z\; -\; ЧАС)\; 2\; /\; (2\; \sigma \; Z\; 2)]\; \{\backslash \; Displaystyle\; \backslash ;\; \backslash \; ехр\; \backslash ;\; [-\; \backslash ,\; (zH)\; ^\; \{2\}\; /\; \backslash ,\; (2\; \backslash ;\; \backslash \; sigma\; \_\; \{\; z\}\; ^\; \{2\}\; \backslash ;)\; \backslash ;]\}$
$g\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; g\_\; \{2\}\}$	= вертикальная дисперсия для отражения от земли
	= $exp\; [-\; (z\; +\; H)\; 2\; /\; (2\; \sigma \; Z\; 2)]\; \{\backslash \; Displaystyle\; \backslash ;\; \backslash \; ехр\; \backslash ;\; [-\; \backslash ,\; (z\; +\; H)\; ^\; \{2\}\; /\; \backslash ,\; (2\; \backslash ;\; \backslash \; sigma\; \_\; \{z\}\; ^\; \{2\}\; \backslash ;)\; \backslash ;]\}$
$g\; 3\; \{\backslash \; displaystyle\; g\_\; \{3\}\}$	= вертикальная дисперсия для отражения от инверсии вверх
	= $\sum \; m\; =\; 1\; \infty \; \{exp\; [-\; (z\; -\; H\; -\; 2\; m\; L)\; 2\; /\; (2\; \sigma \; z\; 2)]\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sum\; \_\; \{m\; =\; 1\}\; ^\; \{\backslash \; infty\}\; \backslash ;\; \{\backslash \; big\; \backslash \; \{\}\; \backslash \; exp\; \backslash ;\; [-\; \backslash ,\; (zH-2mL)\; ^\; \{2\}\; /\; \backslash ,\; (2\; \backslash ;\; \backslash \; sigma\; \_\; \{z\}\; ^\; \{2\}\; \backslash ;)\; \backslash \; ;]\}$
?	$+\; ехр\; [-\; (z\; +\; H\; +\; 2\; м\; L)\; 2\; /\; (2\; \sigma \; z\; 2)]\; \{\backslash \; displaystyle\; +\; \backslash ,\; \backslash \; exp\; \backslash ;\; [-\; \backslash ,\; (z\; +\; H\; +\; 2mL)\; ^\; \{2\}\; /\; \backslash ,\; (2\; \backslash ;\; \backslash \; sigma\; \_\; \{z\}\; ^\; \{2\}\; \backslash ;)\; \backslash ;]\}$
?	$+\; exp\; [-\; (z\; +\; H\; -\; 2\; м\; L)\; 2\; /\; (2\; \sigma \; z\; 2)]\; \{\backslash \; Displaystyle\; +\; \backslash ,\; \backslash \; ехр\; \backslash ;\; [-\; \backslash ,\; (z\; +\; H-2mL)\; ^\; \{2\}\; /\; \backslash ,\; (2\; \backslash ;\; \backslash \; sigma\; \_\; \{z\}\; ^\; \{2\}\; \backslash ;)\; \backslash ;]\; \}$
?	$+\; exp\; [-\; (z\; -\; H\; +\; 2\; м\; L)\; 2\; /\; (2\; \sigma \; z\; 2)]\}\; \{\backslash \; displaystyle\; +\; \backslash ,\; \backslash \; exp\; \backslash ;\; [-\; \backslash ,\; (z-H\; +\; 2mL)\; ^\; \{\; 2\}\; /\; \backslash ,\; (2\; \backslash ;\; \backslash \; sigma\; \_\; \{z\}\; ^\; \{2\}\; \backslash ;)\; \backslash ;]\; \{\backslash \; big\; \backslash \}\}\}$
$C\; \{\backslash \; displaystyle\; C\}$	= концентрация выбросов, дюйм г / м³, у любого рецептора, расположенного:
	x метров по ветру от точки источника выбросов
	y метров при боковом ветре от центральной линии выброса
	z метров над уровнем земли
$Q\; \{\backslash \; displaystyle\; Q\_\; \{\}\}$	= скорость выбросов загрязняющих веществ от источника, г / с
$u\; \{\backslash \; displaystyle\; u\}$	= горизонтальная скорость ветра вдоль центральной линии шлейфа, м / с
$H\; \{\backslash \; displaystyle\; H\}$	= высота центральной линии выброса шлейфа над уровнем земли, м
$\sigma \; z\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\; \_\; \{z\}\}$	= вертикальное стандартное отклонение распределения выбросов в м
$\sigma \; y\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\; \_\; \{y\}\}$	= горизонтальное стандартное отклонение распределения выбросов, в м
$L\; \{\backslash \; displaystyle\; L\_\; \{\}\}$	= высота от уровня земли до нижней части инверсии вверху, в м
$exp\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; exp\}$	= 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 $g\; 3\; \{\backslash \; displaystyle\; g\_\; \{3\}\}$довольно быстро сходится к окончательному значению. В большинстве случаев суммирование рядов с m = 1, m = 2 и m = 3 дает адекватное решение.

$\sigma \; z\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\; \_\; \{z\}\}$и $\sigma \; y\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\; \_\; \{y\}\}$являются функциями класса устойчивости атмосферы. (т. е. мера турбулентности в окружающей атмосфере) и расстояние 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 для $\sigma \; y\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\; \_\; \{y\}\}$и $\sigma \; z\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\; \_\; \{z\}\}$:

$\sigma \; y\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\; \_\; \{y\}\}$(x) = exp (I y + J y ln (x) + К y [пер (х)])

$\sigma \; z\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\; \_\; \{z\}\}$(x) = exp (I z + J z ln (x) + K z [ln (x)])

(единицы $\sigma \; z\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\; \_\; \{z\}\}$и $\sigma \; y\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\; \_\; \{y\}\}$, а x выражены в метрах)

Коэффициент	A	B	C	D	E	F
Ry	0,443	0,324	0,216	0,141	0,105	0,071
ry	0,894	0,894	0,894	0,894	0,894	0,894
Iy	-1,104	-1,634	-2,054	-2,555	-2,754	-3,143
Jy	0,9878	1,0350	1,0231	1,0423	1,0106	1.0148
Ky	-0.0076	-0.0096	-0.0076	-0.0087	-0.0064	-0,0070
Iz	4,679	-1,999	-2,341	-3.186	-3,783	-4,490
Jz	-1,7172	0,8752	0,9477	1,1737	1,3010	1,4024
Kz	0,2770	0.0136	-0.0020	-0.0316	-0.0450	-0.0540

Классификация класса устойчивости предложена Ф. Паскуилл. К шести классам устойчивости относятся: A-крайне нестабильный B-умеренно нестабильный C-слегка нестабильный D-нейтральный E-незначительно стабильный F-умеренно стабильный

Полученные расчеты для концентраций загрязнителей в воздухе 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. терминологию рассеивания загрязнения воздуха ) для определения $\sigma \; y\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\; \_\; \{y\}\}$и $\sigma \; z\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\; \_\; \{z\}\}$, более современные модели все больше полагаются на теорию подобия Монина-Обухова для получения этих параметров.

Гауссовское уравнение дисперсии загрязнителя воздуха (обсуждалось выше) требует ввода H, который представляет собой высоту центральной линии шлейфа загрязнителя над уровнем земли, а H - это сумма H s (фактическая физическая высота точки источника выброса загрязняющего шлейфа) плюс ΔH (подъем шлейфа из-за плавучести шлейфа).

Визуализация всплывающего гауссовского шлейфа рассеивания загрязнителя воздуха

Для определения ΔH многие, если не большинство моделей рассеивания воздуха, 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. В 1968 году на симпозиуме, спонсируемом CONCAWE (голландская организация), он сравнил многие модели подъема шлейфа, которые тогда были доступны в литературе. В том же году Бриггс также написал раздел публикации под редакцией Слейда, посвященный сравнительному анализу моделей подъема шлейфа. За этим последовал его классический критический обзор всей литературы о подъеме шлейфа, в котором он предложил в 1969 году набор уравнений подъема шлейфа, которые стали широко известны как «уравнения Бриггса». Впоследствии Бриггс модифицировал свои уравнения роста шлейфа 1969 года в 1971 и 1972 годах.

Бриггс разделил шлейфы загрязнения воздуха на эти четыре общие категории:

• Шлейфы холодной струи в спокойных условиях окружающего воздуха
• Холодная струйные струи в ветреных условиях окружающего воздуха
• Горячие плавучие струи в спокойных условиях окружающего воздуха
• Горячие плавучие струи в ветреных условиях окружающего воздуха

Бриггс считал траекторию холодных струйных струй преобладает их начальный импульс скорости, а на траектории горячих плавучих струй доминирует их подъемный импульс до такой степени, что их начальный импульс скорости был относительно неважным. Хотя Бриггс предложил уравнения подъема шлейфа для каждой из вышеперечисленных категорий шлейфов, важно подчеркнуть, что «уравнения Бриггса», которые становятся широко используемыми, - это те, которые он предложил для наклоненных, горячих плавучих шлейфов .

В целом, Уравнения Бриггса для изогнутых горячих плавучих шлейфов основаны на наблюдениях и данных, включающих шлейфы от типичных источников горения, таких как дымовые трубы парогенераторных котлов, сжигающих ископаемое топливо в большие электростанции. 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 для получения траектории подъема шлейфа наклонных плавучих шлейфов представлена ​​ниже:

где:
Δh	= высота шлейфа в дюймах м
F	= коэффициент плавучести, в мс
x	= расстояние по ветру от источника шлейфа, в м
xf	= расстояние по ветру от источника шлейфа до точки максимального подъема шлейфа, в м
u	= скорость ветра на фактической высоте штабеля, в м / с
s	= параметр стабильности, в с

Вышеуказанные параметры, используемые в уравнениях Бриггса, обсуждаются в книге Бейчка.

Модели атмосферной дисперсии

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

• ADMS
• AERMOD

Результат моделирования атмосферной дисперсии с использованием AERMOD

• ATSTEP
• CALPUFF
• CMAQ
• DISPERSION21
• FLACS
• FLEXPART

2016 HYSPLIT map

• HYSPLIT
• ISC3
• NAME
• MERCURE
• OSPM
• Fluidyn-Panache
• RIMPUFF
• SAFE AIR
• PUFF-PLUME

Трехмерная динамическая модель переноса загрязнения воздуха с помощью МКЭ - поле концентрации на уровне земли 3D динамическая модель переноса загрязнения воздуха методом конечных микроскопов - поле концентрации на перпендикулярной поверхности

.

Организации

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

Другое

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

Книги

Труды

• Центр поддержки EPA для нормативного моделирования атмосферы
  • 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)
• Проект Open Directory содержит большой объем информации о моделировании дисперсии
• Веб-сайт Комитета по связям по моделированию атмосферной дисперсии Великобритании
• Веб-сайт Британского бюро моделирования дисперсии
• Модель переноса химии атмосферы LOTOS-EUROS
• Операционный приоритет Su bstances model OPS (на голландском языке)
• HAMS-GPS Моделирование дисперсии
• Wiki 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.