Моделирование атмосферной дисперсии

Источник промышленного загрязнения воздуха

Моделирование атмосферного рассеяния - 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 загрязнителя. Модели дисперсии используются для оценки концентрации в окружающей среде с подветренной стороны.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 загрязнителей, которые имеют очень высокую пространственно-временную изменчивость (т.е. имеют очень большое расстояние до источника разложения, такого как черный углерод ), а также для эпидемиологических исследований также используются статистические модели регрессии землепользования.

Модели рассеивания важны для государственных органов, которым поручена охрана и управление качеством атмосферного воздуха . 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, направленных на сокращение 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. ^[1]Основное и важное приложение модели рассеивания проезжей части, которое стало 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 дать оценку 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 предприятиях такой вид 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.
• Источник (концентрация или количество токсинов в терминах источника выброса или аварийного выброса ) и температура материала
• Выбросы или параметры 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 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 из современных передовых программ моделирования рассеяния включают модуль препроцессора для ввода метеорологических и других данных, а многие также включают модуль постпроцессора для графического представления выходных данных и / или построения области воздействия загрязнителей воздуха на карты. Графики затронутых территорий 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 [ править ]

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 атмосферным пограничным слоем (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 до высоты примерно 1,5–2,0 км. Верхняя часть тропосферы (т. Е. Выше инверсионного слоя) называется свободной тропосферой и простирается до тропопаузы (границы в атмосфере Земли между тропосферой и стратосферой). В тропических и средних широтах днемСвободный 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 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 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.

Уравнение рассеивания загрязнителя воздуха по Гауссу [ править ]

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 распределения по Гауссу и не учитывало эффект отражения от земли шлейфа загрязняющих веществ.

Сэр Грэм Саттон вывел уравнение дисперсии шлейфа загрязнителя воздуха в 1947 году ^[3], 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 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». Основой для большинства из этих моделей было полное уравнение для моделирования непрерывной плавучести загрязненного воздуха с помощью полного уравнения гауссовой дисперсии , показанное ниже: ^{[4] [5]}

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

куда:
${\ displaystyle f}$	= параметр рассеивания бокового ветра
	знак равно ${\ Displaystyle \ ехр \; [- \, y ^ {2} / \, (2 \; \ sigma _ {y} ^ {2} \;) \;]}$
${\ displaystyle g}$	= параметр вертикальной дисперсии = ${\ displaystyle \, g_ {1} + g_ {2} + g_ {3}}$
${\ displaystyle g_ {1}}$	= вертикальная дисперсия без отражений
	знак равно ${\ Displaystyle \; \ ехр \; [- \, (zH) ^ {2} / \, (2 \; \ sigma _ {z} ^ {2} \;) \;]}$
${\ displaystyle g_ {2}}$	= вертикальная дисперсия отражения от земли
	знак равно ${\ Displaystyle \; \ ехр \; [- \, (z + H) ^ {2} / \, (2 \; \ sigma _ {z} ^ {2} \;) \;]}$
${\ displaystyle g_ {3}}$	= вертикальная дисперсия для отражения от инверсии вверх
	знак равно ${\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }\;{\big \{}\exp \;[-\,(z-H-2mL)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]}$
?	${\displaystyle +\,\exp \;[-\,(z+H+2mL)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]}$
?	${\displaystyle +\,\exp \;[-\,(z+H-2mL)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]}$
?	${\displaystyle +\,\exp \;[-\,(z-H+2mL)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]{\big \}}}$
${\displaystyle C}$	= концентрация выбросов в г / м³ на любом расположенном рецепторе:
	x метров по ветру от точки источника излучения
	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
${\displaystyle \sigma _{z}}$	= стандартное вертикальное 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
${\displaystyle \exp }$	= 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 довольно быстро сходится к окончательному значению. В большинстве случаев суммирование рядов с m = 1, m = 2 и m = 3 дает адекватное решение.${\displaystyle g_{3}}$

${\displaystyle \sigma _{z}}$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.${\displaystyle \sigma _{y}}$

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

${\displaystyle \sigma _{y}}$(x) = ехр (I _y + J _y ln (x) + K _y [ln (x)] ² )

${\displaystyle \sigma _{z}}$(х) = ехр (I _z + J _z ln (x) + K _z [ln (x)] ² )

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

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

Полученные в результате расчеты концентраций загрязнителей воздуха часто выражаются в виде контурной карты концентрации загрязнителей воздуха , чтобы показать пространственные изменения уровней загрязнителей 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, а более современные модели все чаще полагаются на теорию подобия Монина-Обухова для получения этих параметров.${\displaystyle \sigma _{y}}$${\displaystyle \sigma _{z}}$

Уравнения подъема шлейфа Бриггса [ править ]

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

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. ^[9] В 1968 году на симпозиуме, спонсируемом CONCAWE (голландская организация), он сравнил многие модели подъемов шлейфов, доступные тогда в литературе. ^[10] В том же году Бриггс также написал раздел публикации под редакцией Слэйда ^[11], посвященный сравнительному анализу моделей подъема шлейфа. За этим последовал в 1969 году его классический критический обзор всей литературы по поднятию 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 подъема шлейфа для каждой из вышеперечисленных категорий шлейфов, важно подчеркнуть, что «уравнения Бриггса», которые получают широкое распространение, - это те, которые он предложил для наклонных, горячих плавучих шлейфов .

В общем, уравнения Бриггса для изогнутых горячих плавучих шлейфов основаны на наблюдениях и данных, включающих шлейфы 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 схема для использования уравнений Бриггса ^[4] для получения траектории подъема шлейфа наклонных плавучих шлейфов представлена ​​ниже:

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

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

См. Также [ править ]

Модели атмосферной дисперсии [ править ]

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

• ADMS
• АЕРМОД

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

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

Организации [ править ]

• 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

Другое [ править ]

• 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

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

Книги [ править ]

Ход работы [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• 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 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.