stringtranslate.com

Моделирование атмосферной дисперсии

Моделирование атмосферного рассеяния — это математическое моделирование того, как загрязнители воздуха рассеиваются в окружающей атмосфере . Это выполняется с помощью компьютерных программ, которые включают алгоритмы для решения математических уравнений, управляющих рассеиванием загрязняющих веществ. Модели дисперсии используются для оценки концентрации загрязнителей воздуха или токсинов в окружающей среде с подветренной стороны, выделяемых из таких источников, как промышленные предприятия, транспортное движение или случайные выбросы химических веществ. Их также можно использовать для прогнозирования будущих концентраций при конкретных сценариях (т.е. при изменении источников выбросов). Таким образом, они являются доминирующим типом модели, используемой при разработке политики в области качества воздуха. Они наиболее полезны для загрязнителей, 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 распада, такого как черный углерод ), а также для эпидемиологических исследований также используются статистические регрессионные модели землепользования.

Модели рассеивания важны для правительственных учреждений, которым поручено защищать и контролировать качество окружающего воздуха . Модели обычно используются для определения того, соответствуют ли существующие или предлагаемые новые промышленные объекты Национальным стандартам качества окружающего воздуха (NAAQS) в США и других странах. Модели также помогают в разработке эффективных стратегий контроля, направленных на сокращение выбросов вредных загрязнителей воздуха. В конце 1960-х годов Управление по контролю за загрязнением воздуха Агентства по охране окружающей среды США инициировало исследовательские проекты, которые привели к разработке моделей для использования градостроительными и транспортными планировщиками. [1] Основное и важное применение модели дисперсии дорог, ставшей результатом таких исследований, было применено к скоростной автомагистрали Спадина в Канаде в 1971 году.

Модели рассеяния 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 случайных выбросов опасных или токсичных материалов. Случайные выбросы могут привести к пожарам, разливам или взрывам, связанным с опасными материалами, такими как химические вещества или радионуклиды. Результаты моделирования рассеяния с использованием условий источника аварийного выброса в наихудшем случае и метеорологических условий могут дать оценку территорий, подвергшихся воздействию, концентраций в окружающей среде и использоваться для определения соответствующих защитных мер в случае возникновения выброса. Соответствующие защитные меры могут включать эвакуацию или укрытие людей с подветренной стороны. На промышленных объектах такая оценка последствий или планирование действий в чрезвычайных ситуациях требуется в соответствии с Законом США о чистом воздухе (CAA), закрепленным в Части 68 Раздела 40 Свода федеральных правил .

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

Многие современные программы моделирования рассеяния включают в себя модуль препроцессора для ввода метеорологических и других данных, а многие также включают модуль постпроцессора для построения графиков выходных данных и/или построения площадей, подвергшихся воздействию загрязнителей воздуха. карты. Участки затронутых территорий могут также включать изоплеты , показывающие области от минимальной до высокой концентрации, которые определяют области наибольшего риска для здоровья. Изоплетные графики полезны при определении защитных мер для населения и лиц, принимающих меры реагирования.

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

Слои атмосферы

Обсуждение слоев земной атмосферы необходимо, чтобы понять, где в атмосфере рассеиваются переносимые по воздуху загрязнители. Слой, ближайший к поверхности Земли, известен как тропосфера . Он простирается от уровня моря до высоты около 18 км (11 миль) и содержит около 80 процентов массы всей атмосферы. Стратосфера является следующим слоем и простирается от 18 км (11 миль) до примерно 50 км (31 миль) . Третий слой — это мезосфера , простирающаяся от 50 км (31 мили) до примерно 80 км (50 миль). Есть и другие слои выше 80 км, но они несущественны с точки зрения 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, пока не достигает так называемого инверсионного слоя (где температура увеличивается с увеличением высоты), который ограничивает конвективный пограничный слой , обычно до высоты примерно от 1,5 до 2 км (от 0,93 до 1,24 мили). . Верхняя часть тропосферы (т. е. над инверсионным слоем) называется свободной тропосферой и простирается до тропопаузы (границы в атмосфере Земли между тропосферой и стратосферой). В тропических и средних широтах в дневное время слой свободной конвекции может охватывать всю тропосферу, которая составляет от 10 до 18 км (от 6,2 до 11,2 миль) в зоне внутритропической конвергенции .

ABL имеет наиболее важное значение с точки зрения выбросов, переноса и рассеивания загрязняющих веществ в воздухе. Часть АПС между поверхностью Земли и нижней частью инверсионного слоя известна как слой смешения. Практически все переносимые по воздуху загрязняющие вещества, 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, слоями земной атмосферы от поверхности земли вверх являются: ABL, состоящий из слоя смешения, перекрытого инверсионным слоем; свободная тропосфера; стратосфера; мезосфера и другие. Многие модели атмосферной дисперсии называются моделями пограничного слоя , поскольку они в основном моделируют дисперсию загрязнителей воздуха в пределах административной границы. Чтобы избежать путаницы, модели, называемые мезомасштабными моделями, имеют возможности моделирования дисперсии, простирающиеся по горизонтали до нескольких сотен километров. Это не означает, что они моделируют дисперсию в мезосфере.

Гауссово уравнение дисперсии загрязнителей воздуха

Техническая литература по рассеиванию загрязнения воздуха довольно обширна и датируется 1930-ми годами и ранее. Одно из первых уравнений дисперсии шлейфа загрязнителей воздуха было получено Бозанке и Пирсоном. [2] Их уравнение не предполагало гауссово распределение и не включало эффект отражения шлейфа загрязняющих веществ от земли.

Сэр Грэм Саттон в 1947 году вывел уравнение дисперсии шлейфа загрязнителя воздуха [3] , которое включало предположение о гауссовском распределении вертикального и бокового рассеяния шлейфа, а также учитывало эффект отражения шлейфа от земли.

Благодаря появлению строгих правил экологического контроля , в период с конца 1960-х годов по настоящее время произошел огромный рост использования расчетов рассеивания шлейфов загрязнителей воздуха. В этот период было разработано множество компьютерных программ для расчета рассеивания выбросов загрязняющих веществ в воздух, получивших название «модели рассеивания воздуха». Основой для большинства этих моделей было полное уравнение для моделирования гауссовой дисперсии непрерывных плавучих шлейфов загрязнения воздуха, показанное ниже: [4] [5]

Приведенное выше уравнение включает не только отражение вверх от земли, но также включает отражение вниз от нижней части любой инверсионной крышки, присутствующей в атмосфере.

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

и являются функциями класса устойчивости атмосферы (т. е. меры турбулентности в окружающей атмосфере) и расстояния по ветру до объекта воздействия. Двумя наиболее важными переменными, влияющими на полученную степень дисперсии выбросов загрязняющих веществ, являются высота точки источника выбросов и степень атмосферной турбулентности. Чем больше турбулентность, тем лучше степень дисперсии.

Уравнения [6] [7] для и :

(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 )

(единицы , и , и x указаны в метрах)

Классификацию классов устойчивости предложил Ф. Паскиль. [8] Относятся к шести классам устойчивости: A-крайне нестабильный B-умеренно нестабильный C-слабо нестабильный D-нейтральный E-слабо 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 загрязнения на обширной исследуемой территории. Таким образом, контурные линии могут перекрывать чувствительные местоположения рецепторов и выявлять пространственное соотношение загрязнителей воздуха с интересующими областями.

В то время как более старые модели полагаются на классы устойчивости (см. терминологию дисперсии загрязнения воздуха ) для определения и , более поздние модели все чаще полагаются на теорию подобия Монина-Обухова для получения этих параметров.

Уравнения подъема шлейфа Бриггса

Гауссово уравнение дисперсии загрязнителей воздуха (обсуждаемое выше) требует ввода H , который представляет собой высоту центральной линии шлейфа загрязняющих веществ над уровнем земли, а H представляет собой сумму H s (фактическая физическая высота точки источника выбросов шлейфа загрязняющих веществ) плюс Δ H. (шлейм поднимается из-за плавучести шлейфа).

Визуализация плавучего гауссова шлейфа рассеивания загрязнителей воздуха

Для определения Δ H во многих, если не в большинстве моделей рассеяния воздуха, разработанных в период с конца 1960-х по начало 2000-х годов, использовались так называемые уравнения Бриггса. Г.А. Бриггс впервые опубликовал свои наблюдения и сравнения подъема шлейфа в 1965 году. [9] В 1968 году на симпозиуме, спонсируемом CONCAWE (голландская организация), он сравнил многие модели подъема шлейфа, доступные в то время 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 подъему шлейфа, [12] 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. [13] [14]

Бриггс разделил шлейфы загрязнения воздуха на четыре основные категории:

Бриггс считал, что в траектории шлейфов холодных струй доминирует их начальный импульс скорости, а в траектории горячих плавучих шлейфов доминирует их плавучий импульс до такой степени, что их начальный импульс скорости был относительно неважен. Хотя Бриггс предложил уравнения подъема шлейфа для каждой из вышеупомянутых категорий шлейфа, важно подчеркнуть, что «уравнения Бриггса», которые стали широко использоваться, - это те, которые он предложил для наклоненных, горячих плавучих шлейфов.

В целом, уравнения Бриггса для изогнутых горячих плавучих шлейфов основаны на наблюдениях и данных, касающихся шлейфов от типичных источников горения, таких как дымовые трубы паровых котлов, сжигающих ископаемое топливо на крупных электростанциях. Таким образом, скорости на выходе из дымохода, вероятно, находились в диапазоне от 20 до 100 футов/с (от 6 до 30 м/с), а температура на выходе - от 250 до 500 °F (от 120 до 260 °C).

Логическая схема использования уравнений Бриггса [4] для получения траектории подъема наклоненных плавучих шлейфов представлена ​​ниже:

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

Смотрите также

Модели атмосферной дисперсии

Список моделей атмосферной дисперсии представляет собой более полный список моделей, чем приведенный ниже. В нем содержится очень краткое описание каждой модели.

Результат моделирования атмосферной дисперсии с использованием AERMOD.
Карта ХИСПЛИТ 2016 г.
3D-динамическая модель переноса загрязнения воздуха FEM - поле концентрации на уровне земли
3D-динамическая модель переноса загрязнения воздуха FEM - поле концентрации на перпендикулярной поверхности

Организации

Другие

Рекомендации

  1. ^ Фенстерсток, Дж. К. и др., «Снижение потенциального загрязнения воздуха посредством экологического планирования» [ постоянная мертвая ссылка ] , JAPCA, Том 21, № 7, 1971.
  2. ^ Босанке, Ч. Х. и Пирсон, Дж. Л., «Распространение дыма и газов из дымоходов», Пер. Фарадей Соц., 32:1249, 1936 г.
  3. ^ Саттон, О.Г., «Проблема диффузии в нижних слоях атмосферы», QJRMS, 73:257, 1947 и «Теоретическое распределение переносимых по воздуху загрязнений из фабричных дымоходов», QJRMS, 73:426, 1947.
  4. ^ abc Бейчок, Милтон Р. (2005). Основы рассеивания дымовых газов (4-е изд.). опубликовано автором. ISBN 0-9644588-0-2.
  5. ^ Тернер, Д.Б. (1994). Справочник по оценкам атмосферной дисперсии: введение в моделирование дисперсии (2-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 1-56670-023-Х.
  6. ^ Сейнфельд, Джон Х. (2006). «Глава 18». Химия и физика атмосферы: от загрязнения воздуха до изменения климата . Уайли. ISBN 9780471720171.
  7. ^ Ханна, Стивен (1982). «Справочник по атмосферной диффузии». Отчет Министерства энергетики США .
  8. ^ W, Клюг (апрель 1984 г.). Атмосферная диффузия (3-е издание). Ф. Паскуилл и Ф. Б. Смит. Эллис Хорвуд, (John Wiley & Sons) Чичестер, 1983 (3-е изд.). Нью-Йорк: Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества.
  9. ^ Бриггс, Джорджия, «Модель подъема шлейфа по сравнению с наблюдениями», JAPCA, 15: 433–438, 1965.
  10. ^ Бриггс, Джорджия, «Встреча CONCAWE: обсуждение сравнительных последствий различных формул повышения шлейфа», Atmos. Окружающая среда, 2: 228–232, 1968 г.
  11. ^ Слэйд, Д.Х. (редактор), «Метеорология и атомная энергия, 1968 г.», Лаборатория воздушных ресурсов, Министерство торговли США, 1968 г.
  12. ^ Бриггс, Джорджия, "Подъем шлейфа", Серия критических обзоров USAEC, 1969.
  13. ^ Бриггс, Джорджия, «Некоторые недавние анализы наблюдения за подъемом шлейфа», Proc. Второй Интернационал. Конгресс чистого воздуха, Academic Press, Нью-Йорк, 1971 г.
  14. ^ Бриггс, Джорджия, «Дискуссия: шлейфы дымохода в нейтральной и стабильной среде», Atmos. Окружающая среда, 6:507–510, 1972.

дальнейшее чтение

Книги

Вводный
Передовой

Слушания

Руководство

Внешние ссылки