Моделирование атмосферной дисперсии - Atmospheric dispersion modeling

Источник промышленного загрязнения воздуха

Моделирование атмосферной дисперсии - это математическое моделирование того, как загрязнители воздуха распространяются в окружающей атмосфере . Это выполняется с помощью компьютерных программ, которые включают алгоритмы для решения математических уравнений, определяющих дисперсию загрязняющих веществ. Модели рассеяния используются для оценки концентрации загрязняющих веществ или токсинов в воздухе с подветренной стороны, 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 загрязнителей, которые имеют очень высокую пространственно-временную изменчивость (т.е. имеют очень большое расстояние до источника разложения, такого как черный углерод ), и для эпидемиологических исследований также используются статистические модели регрессии землепользования.

Модели рассеивания важны для государственных органов, которым поручена охрана и управление качеством атмосферного 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 рассеивания проезжей части, которое явилось результатом таких исследований, было применено к скоростной автомагистрали Спадина в Канаде 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 рассеивания с использованием условий источника аварийного выброса наихудшего случая и метеорологических условий могут обеспечить оценку участков воздействия на место, концентрации в окружающей среде и использоваться для определения защитных действий, необходимых в случае выброса. Соответствующие защитные меры могут включать эвакуацию или укрытие людей с подветренной стороны. На промышленных предприятиях такой тип оценки последствий или аварийного планирования требуется в соответствии с Законом о чистом воздухе (США) (CAA), кодифицированным в части 68 раздела 40 Свода федеральных нормативных актов .

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

  • Метеорологические условия, такие как скорость и направление ветра, степень атмосферной турбулентности (которая характеризуется так называемым "классом устойчивости" ), температура окружающего воздуха, высота до дна любой возможной инверсии на высоте, облачный покров и солнечная радиация.
  • Термин источника (концентрация или количество токсинов в терминах источника выброса или аварийного выброса ) и температура материала
  • Параметры выбросов или выбросов, такие как расположение и высота источника, тип источника (например, пожар, бассейн или вентиляционная труба) и скорость на выходе, температура на выходе и массовый расход или скорость выброса.
  • Высота над уровнем моря в месте расположения источника и в местоположении (ах) рецептора, 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 из современных передовых программ моделирования рассеивания включают модуль препроцессора для ввода метеорологических и других данных, а многие также включают модуль постпроцессора для построения графиков выходных данных и / или построения области воздействия загрязнителей воздуха на карты. 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.

Атмосферные слои

Обсуждение слоев атмосферы Земли необходимо 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. Стратосферы являются следующим слоем и простираются от 18 км до 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 , как правило, примерно до 1,5–2,0 км в высоту. 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 .

ABL имеет наиболее важное значение в отношении выбросов, переноса и рассеивания переносимых по воздуху загрязнителей. Часть ABL между поверхностью Земли и основанием инверсионного слоя известна как слой смешения. Почти все переносимые по воздуху загрязнители, выбрасываемые в окружающую атмосферу, переносятся и рассеиваются в слое 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, состоящий 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.

Гауссово уравнение дисперсии загрязнителя воздуха

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. В их уравнении не учитывалось гауссово распределение и не учитывался эффект отражения шлейфа загрязняющего вещества от земли.

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 требований по охране окружающей среды в период с конца 1960-х годов и по настоящее время резко возросло использование расчетов рассеивания шлейфа загрязняющих веществ в воздухе. В то время было разработано множество компьютерных программ для расчета рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, которые получили название «модели рассеяния в воздухе». Основой для большинства этих моделей было полное уравнение для моделирования дисперсии по Гауссу непрерывных плавучих шлейфов загрязнения воздуха, показанное ниже:

куда:  
= параметр рассеивания бокового ветра
  знак равно
= параметр вертикальной дисперсии =
= вертикальная дисперсия без отражений
  знак равно
= вертикальная дисперсия при отражении от земли
  знак равно
= вертикальная дисперсия для отражения от инверсии вверх
  знак равно
           
           
           
= концентрация выбросов в г / м³ на любом расположенном рецепторе:
            x метров по ветру от точки источника излучения
            y метров при боковом ветре от осевой линии выброса
            z метров над уровнем земли
= уровень выбросов загрязняющих веществ от источника, г / с
= горизонтальная скорость ветра вдоль средней линии шлейфа, м / с
= высота центральной линии шлейфа выбросов над уровнем земли, в м
= стандартное вертикальное отклонение распределения выбросов, м
= горизонтальное стандартное отклонение распределения выбросов, м
= высота от уровня земли до нижней части инверсии наверху, в м
= экспоненциальная функция

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

Сумма четырех экспоненциальных членов довольно быстро сходится к окончательному значению. В большинстве случаев суммирование рядов с m = 1, m = 2 и m = 3 дает адекватное решение.

и 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 для и :

(x) = ехр (I y + J y ln (x) + K y [ln (x)] 2 )

(х) = ехр (I z + J z ln (x) + K z [ln (x)] 2 )

(единицы , и , и x в метрах)

Коэффициент А B C D E F
Я у -1,104 -1,634 -2,054 -2,555 -2,754 -3,143
J y 0,9878 1.0350 1,0231 1,0423 1.0106 1,0148
K y -0,0076 -0,0096 -0,0076 -0,0087 -0,0064 -0,0070
Я г 4,679 -1,999 -2,341 -3,186 -3,783 -4,490
J z -1,7172 0,8752 0,9477 1,1737 1,3010 1,4024
K z 0,2770 0,0136 -0,0020 -0,0316 -0,0450 -0,0540

Классификация классов устойчивости предложена Ф. Паскуиллом. К шести классам устойчивости относятся: A-чрезвычайно нестабильный B-умеренно нестабильный C-слегка нестабильный D-нейтральный E-слегка стабильный F-умеренно стабильный

Полученные в результате расчеты концентраций загрязнителей воздуха часто выражаются в виде контурной карты концентрации загрязнителей воздуха , чтобы показать пространственные вариации уровней загрязнителей на обширной исследуемой территории. Таким образом, контурные линии могут наложить на чувствительные рецепторы местоположения и выявить пространственное отношение загрязнителей воздуха к интересующим областям.

В то время как более старые модели полагаются на классы устойчивости (см. Терминологию рассеивания загрязнения воздуха ) для определения, а более современные модели все больше полагаются на теорию подобия Монина-Обухова для получения этих параметров.

Уравнения подъема плюма Бриггса

Гауссовское уравнение дисперсии загрязнителя воздуха (обсуждавшееся выше) требует ввода H, который представляет собой высоту центральной линии выброса загрязняющего вещества над уровнем земли, а H представляет собой сумму H s (фактическая физическая высота точки источника выбросов загрязняющего вещества) плюс Δ H (подъем плюма за счет его плавучести).

Визуализация всплывающего гауссовского шлейфа рассеивания загрязнителя воздуха

Для определения Δ H 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 подъемов шлейфов в 1965 году. В 1968 году на симпозиуме, спонсируемом CONCAWE (голландская организация), он сравнил многие модели подъемов шлейфов, 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 в 1969 году последовал его классический критический обзор всей литературы о подъеме шлейфа, в котором он предложил набор уравнений подъема шлейфа, которые стали широко известны как «уравнения Бриггса». Впоследствии Бриггс модифицировал свои уравнения подъема шлейфа 1969 года в 1971 и 1972 годах.

Бриггс разделил шлейфы загрязнения воздуха на эти 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 в траектории струй холодных струй доминирует их начальный импульс скорости, а в 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 наклонных, горячих плавучих шлейфов .

В общем, уравнения Бриггса для изогнутых горячих плавучих шлейфов основаны на наблюдениях и данных, касающихся шлейфов от типичных источников горения, таких как дымовые трубы паропроизводящих котлов, сжигающих 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 для получения траектории подъема шлейфа наклонных плавучих шлейфов представлена ​​ниже:

BriggsLogic.png
куда:  
Δh = высота шлейфа, м
F  = коэффициент плавучести, м 4 с −3
Икс = расстояние по ветру от источника шлейфа, в м
x f = 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, с −2

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

Смотрите также

Модели атмосферной дисперсии

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

Результат моделирования атмосферной дисперсии с помощью AERMOD
Карта HYSPLIT на 2016 год
Трехмерная динамическая модель переноса загрязнения воздуха методом МКЭ - поле концентрации на уровне земли
Трехмерная динамическая модель переноса загрязнения воздуха методом МКЭ - поле концентрации на перпендикулярной поверхности

Организации

Другие

использованная литература

дальнейшее чтение

Книги

Вводный
Передовой
  • Арья, С. Пал (1998). Метеорология загрязнения воздуха и рассеивание (1-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-507398-3.
  • Баррат, Род (2001). Моделирование атмосферной дисперсии (1-е изд.). Публикации Earthscan. ISBN 1-85383-642-7.
  • Коллс, Джереми (2002). Загрязнение воздуха (1-е изд.). Spon Press (Великобритания). ISBN 0-415-25565-1.
  • Купер Дж. Р., Рэндл К., Сох Р. Г. (2003). Радиоактивные выбросы в окружающую среду (1-е изд.). Джон Вили и сыновья. ISBN 0-471-89924-0.
  • Европейский центр безопасности процессов (1999). Атмосферная дисперсия (1-е изд.). Регби: Институт инженеров-химиков. ISBN 0-85295-404-2.
  • Годиш, Тад (2003). Качество воздуха (4-е изд.). CRC Press. ISBN 1-56670-586-X.
  • Ханна, С.Р. и Дривас, Д.Г. (1996). Руководство по использованию моделей дисперсии облака пара (2-е изд.). Wiley-Американский институт инженеров-химиков. ISBN 0-8169-0702-1.
  • Ханна, С.Р. и Стримайтис, Д.Г. (1989). Рабочая тетрадь тестовых примеров для моделей дисперсии источника облака пара (1-е изд.). Центр безопасности химических процессов, Американский институт инженеров-химиков. ISBN 0-8169-0455-3.
  • Ханна, SR и Бриттер, RE (2002). Ветровой поток и рассеивание облаков пара на промышленных и городских объектах (1-е изд.). Wiley-Американский институт инженеров-химиков. ISBN 0-8169-0863-X.
  • Перианез, Рауль (2005). Моделирование распространения радионуклидов в морской среде: введение (1-е изд.). Springer. ISBN 3-540-24875-7.
  • Пилке, Роджер А. (2001). Мезомасштабное моделирование (2-е изд.). Эльзевир. ISBN 0-12-554766-8.
  • Заннетти, П. (1990). Моделирование загрязнения воздуха: теории, вычислительные методы и доступное программное обеспечение . Ван Ностранд Рейнхольд. ISBN 0-442-30805-1.

Труды

  • Forago I, Георгиев К., Хаваси А., ред. (2004). Достижения в моделировании загрязнения воздуха для экологической безопасности (семинар НАТО) . Springer, 2005. ISSN  0957-4352 .
  • Kretzschmar JG, Cosemans G, ред. (1996). Гармонизация в рамках моделирования атмосферной дисперсии для нормативных целей (4-й семинар) . Международный журнал окружающей среды и загрязнения, вып. 8 нет. 3–6, Interscience Enterprises, 1997. ISSN  0957-4352 .
  • Барцис, Дж. Г., изд. (1998). Гармонизация моделирования атмосферной дисперсии для нормативных целей (5-й семинар) . Международный журнал по окружающей среде и загрязнению, т. 14 нет. 1–6, Interscience Enterprises, 2000. ISSN  0957-4352 .
  • Coppalle, A., ed. (1999). Гармонизация моделирования атмосферной дисперсии для нормативных целей (6-й семинар) . Международный журнал окружающей среды и загрязнения, вып. 16 нет. 1–6, Inderscience Enterprises, 2001. ISSN  0957-4352 .
  • Батчварова, Е., Под ред. (2002). Гармонизация моделирования атмосферной дисперсии для нормативных целей (8-й семинар) . Международный журнал по окружающей среде и загрязнению, т. 20 нет. 1–6, Inderscience Enterprises, 2003. ISSN  0957-4352 .
  • Суппан, П., изд. (2004). Гармонизация моделирования атмосферной дисперсии для нормативных целей (8-й семинар) . Международный журнал по окружающей среде и загрязнению, т. 24 нет. 1–6 и том 25, вып. 1–6, Inderscience Enterprises, 2005. ISSN  0957-4352 .
  • Заннетти, П., изд. (1993). Международная конференция по загрязнению воздуха (1-я, Мехико) . Вычислительная механика, 1993. ISBN. 1-56252-146-2.
  • De Wispelaere, C., ed. (1980). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (11-е) . Пленум Пресс, 1981. ISBN 0-306-40820-1.
  • De Wispelaere, C., ed. (1982). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (13-е) . Комитет НАТО по вызовам современного общества [автор] Plenum Press, 1984. ISBN 0-306-41491-0.
  • Gryning, S .; Schiermeir, FA, eds. (1995). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (21-е) . Комитет НАТО по вызовам современного общества [автор] Plenum Press, 1996. ISBN 0-306-45381-9.
  • Gryning, S .; Chaumerliac, N., eds. (1997). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (22-е) . Комитет НАТО по вызовам современного общества [автор] Plenum Press, 1998. ISBN 0-306-45821-7.
  • Gryning, S .; Батчварова, Е., ред. (1998). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (23-е) . Комитет НАТО по вызовам современного общества [автор] Kluwer Academic / Plenum Press, 2000. ISBN 0-306-46188-9.
  • Gryning, S .; Schiermeir, FA, eds. (2000). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (24-е) . Комитет НАТО по вызовам современного общества [автор] Kluwer Academic, 2001. ISBN 0-306-46534-5.
  • Borrego, C .; Шайес, Г., ред. (2000). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (25-е) . Комитет НАТО по вызовам современного общества [автор] Kluwer Academic, 2002. ISBN 0-306-47294-5.
  • Borrego, C .; Инчечик, С., ред. (2003). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (26-е) . Комитет НАТО по вызовам современного общества [автор] Kluwer Academic / Plenum Press, 2004. ISBN 0-306-48464-1.
  • Комитет по атмосферному рассеянию выбросов опасных материалов, Национальный исследовательский совет, под ред. (2002). Отслеживание и прогнозирование атмосферной дисперсии выбросов опасных материалов (семинар) . National Academies Press, 2003. ISBN. 0-309-08926-3.

Руководство

внешние ссылки