Atmosfærisk dispersionsmodellering - Atmospheric dispersion modeling

Industriel luftforureningskilde

Atmosfærisk dispersionsmodellering er den matematiske simulering af, hvordan luftforurenende stoffer spredes i den omgivende atmosfære . Det udføres med computerprogrammer, der indeholder algoritmer til at løse de matematiske ligninger, der styrer forurenende spredning. De dispersionsmodeller benyttes til at estimere den downwind omgivende koncentration af luftforurenende stoffer eller toksiner, der udsendes fra kilder såsom industrianlæg, kørende trafik eller utilsigtede kemiske udslip. De kan også bruges til at forudsige fremtidige koncentrationer under specifikke scenarier (dvs. ændringer i emissionskilder). Derfor er de den dominerende type model, der bruges til beslutningstagning af luftkvalitet. De er mest nyttige til forurenende stoffer, der spredes over store afstande, og som kan reagere i atmosfæren. For forurenende stoffer, der har en meget høj rumlig-tidsmæssig variabilitet (dvs. har meget stejl afstand til kildeforfald såsom sort kulstof ) og til epidemiologiske undersøgelser, anvendes også statistiske landbrugsregressionsmodeller.

Spredningsmodeller er vigtige for statslige organer, der har til opgave at beskytte og styre luftkvaliteten . Modellerne bruges typisk til at afgøre, om eksisterende eller foreslåede nye industrielle faciliteter er eller vil være i overensstemmelse med National Ambient Air Quality Standards (NAAQS) i USA og andre nationer. Modellerne tjener også til at hjælpe med udformningen af ​​effektive kontrolstrategier for at reducere emissioner af skadelige luftforurenende stoffer. I slutningen af ​​1960'erne iværksatte Air Pollution Control Office i US EPA forskningsprojekter, der ville føre til udvikling af modeller til brug for by- og transportplanlæggere. En større og betydelig anvendelse af en vejspredningsmodel, der var resultatet af sådan forskning, blev anvendt på Spadina Expressway i Canada i 1971.

Luftspredningsmodeller bruges også af offentlige sikkerhedsansvarlige og beredskabspersonale til nødplanlægning af utilsigtede kemiske udslip. Modeller bruges til at bestemme konsekvenserne af utilsigtede udslip af farlige eller giftige materialer. Utilsigtede udslip kan resultere i brande, spild eller eksplosioner, der involverer farlige materialer, såsom kemikalier eller radionuklider. Resultaterne af dispersionsmodellering ved hjælp af værste tilfælde af kildebetingelser og meteorologiske forhold i tilfælde af utilsigtet frigivelse kan give et skøn over områder, der påvirkes af lokalitet, omgivelseskoncentrationer og bruges til at bestemme passende beskyttelsesforanstaltninger i tilfælde af en frigivelse. Egnede beskyttelsesforanstaltninger kan omfatte evakuering eller husly på plads for personer i modvind. På industrianlæg er denne type konsekvensanalyse eller nødplanlægning påkrævet i henhold til Clean Air Act (USA) (CAA) kodificeret i del 68 i afsnit 40 i Code of Federal Regulations .

Spredningsmodellerne varierer afhængigt af den matematik, der bruges til at udvikle modellen, men alle kræver input af data, der kan omfatte:

  • Meteorologiske forhold såsom vindhastighed og retning, mængden af ​​atmosfærisk turbulens (som karakteriseret ved det, der kaldes "stabilitetsklassen" ), den omgivende lufttemperatur, højden til bunden af ​​enhver inversion, der kan være til stede, skydække og solstråling.
  • Kildetermin (koncentrationen eller mængden af ​​toksiner i emissioner eller kildebetingelser ved utilsigtet frigivelse ) og materialets temperatur
  • Emissioner eller parametre frigivelse, såsom kilde placering og højde, type kilde (dvs. brand, pool eller udluftning stack) og udgang hastighed , udgangstemperatur og massestrømningshastighed eller frigivelseshastighed.
  • Terrænhøjder ved kildestedet og ved receptorplacering (erne), f.eks. Nærliggende hjem, skoler, virksomheder og hospitaler.
  • Placeringen, højden og bredden af ​​eventuelle forhindringer (f.eks. Bygninger eller andre strukturer) på stien til den udsendte gasformede plume, overfladeruhed eller brugen af ​​en mere generisk parameter "landligt" eller "by" terræn.

Mange af de moderne, avancerede dispersion modelleringsprogrammer omfatter en pre-processor modul til indgangen af meteorologiske og andre data, og mange har også en post-processor modul til graftegning output data og / eller plotte området påvirket af de luftforurenende stoffer på Kort. Plotterne af de berørte områder kan også omfatte isopleter, der viser områder med minimale til høje koncentrationer, der definerer områder med den højeste sundhedsrisiko. Isopleths -plottene er nyttige til at bestemme beskyttelsesaktioner for offentligheden og respondenter.

De atmosfæriske spredningsmodeller er også kendt som atmosfæriske diffusionsmodeller, luftspredningsmodeller, luftkvalitetsmodeller og luftforureningsspredningsmodeller.

Atmosfæriske lag

Diskussion af lagene i Jordens atmosfære er nødvendig for at forstå, hvor luftbårne forurenende stoffer spredes i atmosfæren. Laget tættest på jordens overflade er kendt som troposfæren . Det strækker sig fra havniveau til en højde på omkring 18 km og indeholder omkring 80 procent af massen af ​​den samlede atmosfære. Den stratosfæren er det næste lag og strækker sig fra 18 km til ca. 50 km. Det tredje lag er mesosfæren, der strækker sig fra 50 km til omkring 80 km. Der er andre lag over 80 km, men de er ubetydelige med hensyn til atmosfærisk dispersionsmodellering.

Den laveste del af troposfæren kaldes det atmosfæriske grænselag (ABL) eller planetgrænselaget (PBL) . Lufttemperaturen i atmosfæren falder med stigende højde, indtil den når det, der kaldes et inversionslag (hvor temperaturen stiger med stigende højde), der dækker det konvektive grænselag , typisk til omkring 1,5 til 2,0 km i højden. Den øvre del af troposfæren (dvs. over inversionslaget) kaldes den frie troposfære, og den strækker sig op til tropopausen (grænsen i Jordens atmosfære mellem troposfæren og stratosfæren). I tropiske og mellemlige breddegrader i dagtimerne kan Free convective-laget omfatte hele troposfæren, som er op til 10 km til 18 km i den intertropiske konvergenszone .

ABL er af de vigtigste med hensyn til emission, transport og spredning af luftbårne forurenende stoffer. Delen af ​​ABL mellem Jordens overflade og bunden af ​​inversionslaget er kendt som blandingslaget. Næsten alle de luftbårne forurenende stoffer, der udsendes i den omgivende atmosfære, transporteres og spredes i blandingslaget. Nogle af emissionerne trænger ind i inversionslaget og kommer ind i den frie troposfære over ABL.

Sammenfattende er lagene af Jordens atmosfære fra overfladen af ​​jorden opad: ABL bestående af blandingslaget, der er dækket af inversionslaget; den frie troposfære; stratosfæren; mesosfæren og andre. Mange atmosfæriske dispersionsmodeller omtales som grænselagsmodeller, fordi de hovedsageligt modellerer luftforurenende dispersion inden for ABL. For at undgå forvirring har modeller, der kaldes mesoskala -modeller, mulighed for spredningsmodellering, der strækker sig vandret op til et par hundrede kilometer. Det betyder ikke, at de modellerer spredning i mesosfæren.

Gaussisk luftforurenende dispersionsligning

Den tekniske litteratur om spredning af luftforurening er ret omfattende og går tilbage til 1930'erne og tidligere. En af de tidlige luftforurenende plumdispersionsligninger blev afledt af Bosanquet og Pearson. Deres ligning antog ikke gaussisk fordeling, og den omfattede heller ikke effekten af ​​jordrefleksion af den forurenende plume.

Sir Graham Sutton udledte en luftforurenende plumdispersionsligning i 1947, som inkluderede antagelsen om gaussisk fordeling for plommens lodrette og sidevindspredning og også omfattede virkningen af ​​jordreflektion af fjorden.

Under den stimulans , der blev givet ved fremkomsten af ​​strenge miljøkontrolregler , var der en enorm vækst i anvendelsen af ​​beregninger af luftforurenende røgspredning mellem slutningen af ​​1960'erne og i dag. Rigtig mange computerprogrammer til beregning af spredningen af ​​luftforurenende emissioner blev udviklet i løbet af denne periode, og de blev kaldt "luftspredningsmodeller". Grundlaget for de fleste af disse modeller var den komplette ligning for Gaussisk spredningsmodellering af kontinuerlige, flydende luftforureningsplumer vist nedenfor:

hvor:  
= parameter for sidevindspredning
  =
= parameter for vertikal spredning =
= lodret spredning uden refleksioner
  =
= lodret spredning til refleksion fra jorden
  =
= lodret spredning til refleksion fra en inversion højt
  =
           
           
           
= koncentration af emissioner, i g/m³, ved enhver receptor placeret:
            x meter medvind fra emissionskilden
            y meter sidevind fra emissionsplommens midterlinje
            z meter over terræn
= kilde forurenende emissionsemission, i g/s
= vandret vindhastighed langs plommens midterlinje, m/s
= højde for emissionsplume midterlinje over terræn, i m
= lodret standardafvigelse af emissionsfordelingen i m
= vandret standardafvigelse af emissionsfordelingen i m
= højde fra jorden til bunden af ​​inversionen højt, i m
= den eksponentielle funktion

Ovenstående ligning inkluderer ikke kun refleksion opad fra jorden, den omfatter også nedadgående refleksion fra bunden af ​​ethvert inversionslåg, der er til stede i atmosfæren.

Summen af ​​de fire eksponentielle udtryk i konvergerer ganske hurtigt til en slutværdi. I de fleste tilfælde vil summeringen af ​​serien med m = 1, m = 2 og m = 3 give en tilstrækkelig løsning.

og er funktioner i atmosfærisk stabilitetsklasse (dvs. et mål for turbulensen i den omgivende atmosfære) og af nedvindens afstand til receptoren. De to vigtigste variabler, der påvirker graden af ​​spredt emission af forurenende stoffer, er højden af ​​emissionskildepunktet og graden af ​​atmosfærisk turbulens. Jo mere turbulens, jo bedre spredningsgrad.

Ligninger for og er:

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

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

(enheder af , og , og x er i meter)

Koefficient EN B C D E F
Jeg y -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
Jeg z 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

Klassificeringen af ​​stabilitetsklasse foreslås af F. Pasquill. De seks stabilitetsklasser refereres til: A-ekstremt ustabil B-moderat ustabil C-lidt ustabil D-neutral E-let stabil F-moderat stabil

De resulterende beregninger for koncentrationerne af forurenende stoffer luft udtrykkes ofte som en luftforurenende stof koncentration konturkort for at vise den rumlige variation i forurenende stoffer over et stort område, der undersøges. På denne måde kan konturlinjerne overlejre følsomme receptorplaceringer og afsløre luftforurenende stoffers rumlige forhold til områder af interesse.

Hvorimod ældre modeller er afhængige af stabilitetsklasser (se terminologi for spredning af luftforurening ) til bestemmelse af og nyere modeller i stigende grad afhænger af Monin-Obukhov-lighedsteorien for at udlede disse parametre.

Briggs plume stiger ligninger

Den gaussiske luftforureningsdispersionsligning (diskuteret ovenfor) kræver input af H, som er forureningsplommens midterlinjehøjde over jordoverfladen - og H er summen af H s (den faktiske fysiske højde af forurenende plums emissionskildepunkt) plus Δ H (plume -stigningen på grund af plumes opdrift).

Visualisering af en flydende gaussisk luftforurenende dispersionsplume

For at bestemme Δ H brugte mange, hvis ikke de fleste af luftspredningsmodellerne udviklet mellem slutningen af ​​1960'erne og begyndelsen af ​​2000'erne det, der kaldes "Briggs -ligningerne". GA Briggs offentliggjorde først sine observationer og sammenligninger af plume -stigning i 1965. I 1968 sammenlignede han på et symposium sponsoreret af CONCAWE (en hollandsk organisation) mange af de plume -stigningsmodeller, der derefter var tilgængelige i litteraturen. I samme år skrev Briggs også det afsnit af publikationen, der blev redigeret af Slade, og beskæftiger sig med de sammenlignende analyser af plume -stigningsmodeller. Det blev efterfulgt i 1969 af hans klassiske kritiske gennemgang af hele plume rise litteraturen, hvor han foreslog et sæt plume rise -ligninger, der er blevet bredt kendt som "Briggs -ligningerne". Efterfølgende ændrede Briggs sine 1969 plume stigningsligninger i 1971 og i 1972.

Briggs opdelte luftforurening plumes i disse fire generelle kategorier:

  • Kolde jetstråler i rolige omgivende luftforhold
  • Kold jetstråler i blæsende omgivende luftforhold
  • Varme, flydende fjer i rolige omgivende luftforhold
  • Varme, flydende fjer i blæsende omgivende luftforhold

Briggs betragtede banen for koldstråler til at blive domineret af deres starthastighedsmoment, og banen for varme, flydende fjer for at blive domineret af deres flydende momentum i det omfang, deres starthastighedsmoment var relativt uvæsentlig. Selvom Briggs foreslog plume-stigningsligninger for hver af de ovennævnte plume-kategorier, er det vigtigt at understrege, at "Briggs-ligningerne", der bliver meget udbredt, er dem, han foreslog til bøjede, varme flydende plumes .

Generelt er Briggs ligninger for bøjede, varme flydende fjer baseret på observationer og data, der involverer røg fra typiske forbrændingskilder, såsom røggasstabler fra dampgenererende kedler, der brænder fossile brændstoffer i store kraftværker. Derfor var stakkeudgangshastighederne sandsynligvis i området 20 til 100 ft/s (6 til 30 m/s) med udgangstemperaturer fra 250 til 500 ° F (120 til 260 ° C).

Et logisk diagram til brug af Briggs-ligningerne til at opnå plume-stigningsbanen for bøjede flydende fjer er vist nedenfor:

BriggsLogic.png
hvor:  
Δh = plume stigning, i m
F  = opdriftsfaktor, i m 4 s −3
x = medvind afstand fra plume kilde, i m
x f = medvind fra plumkilden til punktet for maksimal fjordstigning, i m
u = vindhastighed ved faktisk stabelhøjde, i m/s
s  = stabilitetsparameter, i s −2

De ovennævnte parametre, der bruges i Briggs ligninger, diskuteres i Beychoks bog.

Se også

Atmosfæriske spredningsmodeller

Liste over atmosfæriske spredningsmodeller giver en mere omfattende liste over modeller end angivet nedenfor. Den indeholder en meget kort beskrivelse af hver model.

Resultat af en atmosfærisk dispersionsmodellering ved hjælp af AERMOD
2016 HYSPLIT -kort
3D dynamisk FEM luftforureningstransportmodel - koncentrationsfelt på terræn
3D dynamisk FEM luftforureningstransportmodel - koncentrationsfelt på vinkelret overflade

Organisationer

Andre

Referencer

Yderligere læsning

Bøger

Indledende
Fremskreden
  • Arya, S. Pal (1998). Air Pollution Meteorology and Dispersion (1. udgave). Oxford University Press. ISBN 0-19-507398-3.
  • Barrat, Rod (2001). Atmosfærisk spredningsmodellering (1. udgave). Earthscan -publikationer. ISBN 1-85383-642-7.
  • Colls, Jeremy (2002). Luftforurening (1. udgave). Spon Press (Storbritannien). ISBN 0-415-25565-1.
  • Cooper JR, Randle K, Sokh RG (2003). Radioaktive udgivelser i miljøet (1. udgave). John Wiley & Sons. ISBN 0-471-89924-0.
  • European Process Safety Center (1999). Atmosfærisk spredning (1. udgave). Rugby: Institution of Chemical Engineers. ISBN 0-85295-404-2.
  • Godish, Thad (2003). Luftkvalitet (4. udgave). CRC Tryk. ISBN 1-56670-586-X.
  • Hanna, SR & Drivas, DG (1996). Retningslinjer for brug af Vapor Cloud Dispersion -modeller (2. udgave). Wiley-American Institute of Chemical Engineers. ISBN 0-8169-0702-1.
  • Hanna, SR & Strimaitis, DG (1989). Workbook of Test Cases for Vapor Cloud Source Dispersion Models (1. udgave). Center for kemisk processikkerhed, American Institute of Chemical Engineers. ISBN 0-8169-0455-3.
  • Hanna, SR & Britter, RE (2002). Spredning af vindstrøm og dampskyer på industri- og byområder (1. udgave). Wiley-American Institute of Chemical Engineers. ISBN 0-8169-0863-X.
  • Perianez, Raul (2005). Modellering af spredning af radionuklider i havmiljøet: en introduktion (1. udgave). Springer. ISBN 3-540-24875-7.
  • Pielke, Roger A. (2001). Mesoskala modellering (2. udgave). Elsevier. ISBN 0-12-554766-8.
  • Zannetti, P. (1990). Luftforureningsmodellering: teorier, beregningsmetoder og tilgængelig software . Van Nostrand Reinhold. ISBN 0-442-30805-1.

Procedurer

  • Forago I, Georgiev K, Havasi A, red. (2004). Fremskridt inden for luftforureningsmodellering for miljøsikkerhed (NATO -værksted) . Springer, 2005. ISSN  0957-4352 .
  • Kretzschmar JG, Cosemans G, red. (1996). Harmonisering inden for atmosfærisk dispersionsmodellering til lovgivningsmæssige formål (4. værksted) . International Journal of Environment and Pollution, bind. 8 nr. 3–6, Interscience Enterprises, 1997. ISSN  0957-4352 .
  • Bartzis, J G., red. (1998). Harmonisering inden for atmosfærisk dispersionsmodellering til reguleringsformål (5. værksted) . International Journal of Environment and Pollution, bind. 14 nr. 1–6, Interscience Enterprises, 2000. ISSN  0957-4352 .
  • Coppalle, A., red. (1999). Harmonisering inden for atmosfærisk dispersionsmodellering til lovgivningsmæssige formål (6. workshop) . International Journal of Environment and Pollution, bind. 16 nr. 1–6, Inderscience Enterprises, 2001. ISSN  0957-4352 .
  • Batchvarova, E., red. (2002). Harmonisering inden for atmosfærisk dispersionsmodellering til lovgivningsmæssige formål (8. værksted) . International Journal of Environment and Pollution, bind. 20 nr. 1–6, Inderscience Enterprises, 2003. ISSN  0957-4352 .
  • Suppan, P., red. (2004). Harmonisering inden for atmosfærisk dispersionsmodellering til lovgivningsmæssige formål (8. værksted) . International Journal of Environment and Pollution, bind. 24 nr. 1–6 og bind 25 nr. 1–6, Inderscience Enterprises, 2005. ISSN  0957-4352 .
  • Zannetti, P., red. (1993). International konference om luftforurening (1., Mexico City) . Computational Mechanics, 1993. ISBN 1-56252-146-2.
  • De Wispelaere, C., red. (1980). International tekniske møde om luftforurening Modellering og dens anvendelse (11.) . Plenum Press, 1981. ISBN 0-306-40820-1.
  • De Wispelaere, C., red. (1982). International tekniske møde om luftforurening Modellering og dens anvendelse (13) . NATO -komiteen for det moderne samfunds udfordringer [af] Plenum Press, 1984. ISBN 0-306-41491-0.
  • Gryning, S .; Schiermeir, FA, red. (1995). Internationalt teknisk møde om modellering af luftforurening og dens anvendelse (21.) . NATO -komiteen for det moderne samfunds udfordringer [af] Plenum Press, 1996. ISBN 0-306-45381-9.
  • Gryning, S .; Chaumerliac, N., red. (1997). Internationalt teknisk møde om modellering af luftforurening og dens anvendelse (22.) . NATO -udvalget for det moderne samfunds udfordringer [af] Plenum Press, 1998. ISBN 0-306-45821-7.
  • Gryning, S .; Batchvarova, E., red. (1998). Internationalt teknisk møde om modellering af luftforurening og dens anvendelse (23.) . NATO -komiteen for det moderne samfunds udfordringer [af] Kluwer Academic/Plenum Press, 2000. ISBN 0-306-46188-9.
  • Gryning, S .; Schiermeir, FA, red. (2000). Internationalt teknisk møde om luftforureningsmodellering og dens anvendelse (24.) . NATO -komiteen for det moderne samfunds udfordringer [af] Kluwer Academic, 2001. ISBN 0-306-46534-5.
  • Borrego, C .; Schayes, G., red. (2000). International tekniske møde om luftforurening Modellering og dens anvendelse (25) . NATO -komiteen for det moderne samfunds udfordringer [af] Kluwer Academic, 2002. ISBN 0-306-47294-5.
  • Borrego, C .; Incecik, S., red. (2003). International tekniske møde om luftforurening Modellering og dens anvendelse (26) . NATO -komiteen for det moderne samfunds udfordringer [af] Kluwer Academic/Plenum Press, 2004. ISBN 0-306-48464-1.
  • Udvalget for atmosfærisk spredning af farlige materialer, National Research Council, red. (2002). Sporing og forudsigelse af atmosfærisk spredning af farlige materialeudgivelser (værksted) . National Academies Press, 2003. ISBN 0-309-08926-3.

Vejledning

eksterne links