stringtranslate.com

Моделирование атмосферной дисперсии

Моделирование атмосферной дисперсии — это математическое моделирование того, как загрязняющие вещества распространяются в окружающей атмосфере . Оно выполняется с помощью компьютерных программ, которые включают алгоритмы для решения математических уравнений, управляющих дисперсией загрязняющих веществ. Модели дисперсии используются для оценки подветренной концентрации загрязняющих веществ или токсинов, выбрасываемых из таких источников, как промышленные предприятия, транспортное движение или случайные выбросы химических веществ. Их также можно использовать для прогнозирования будущих концентраций при определенных сценариях (например, изменениях в источниках выбросов). Поэтому они являются доминирующим типом моделей, используемых при разработке политики в области качества воздуха. Они наиболее полезны для загрязняющих веществ, которые распространяются на большие расстояния и могут реагировать в атмосфере. Для загрязняющих веществ, которые имеют очень высокую пространственно-временную изменчивость (например, имеют очень большое расстояние до источника распада, например, черный углерод ), и для эпидемиологических исследований также используются статистические регрессионные модели землепользования.

Модели рассеивания важны для правительственных учреждений, которым поручено защищать и управлять качеством окружающего воздуха . Модели обычно используются для определения того, соответствуют ли существующие или предлагаемые новые промышленные объекты Национальным стандартам качества окружающего воздуха (NAAQS) в Соединенных Штатах и ​​других странах. Модели также помогают в разработке эффективных стратегий контроля для сокращения выбросов вредных загрязняющих веществ в воздух. 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 городскими и транспортными планировщиками. [1] Крупное и значимое применение модели рассеивания на дороге, полученное в результате такого исследования, было применено на скоростной автомагистрали Spadina в Канаде в 1971 году.

Модели рассеивания воздуха также используются службами общественной безопасности и персоналом по управлению чрезвычайными ситуациями для планирования действий в чрезвычайных ситуациях при случайных выбросах химических веществ. Модели используются для определения последствий случайных выбросов опасных или токсичных материалов. Случайные выбросы могут привести к пожарам, разливам или взрывам, в которых участвуют опасные материалы, такие как химикаты или радионуклиды. Результаты моделирования рассеивания с использованием наихудших условий источника случайного выброса и метеорологических условий могут дать оценку местоположения пострадавших территорий, концентраций в окружающей среде и использоваться для определения защитных мер, соответствующих в случае выброса. Соответствующие защитные меры могут включать эвакуацию или укрытие на месте для лиц, находящихся по ветру. На промышленных предприятиях этот тип оценки последствий или планирования действий в чрезвычайных ситуациях требуется в соответствии с Законом США о чистом воздухе (CAA), кодифицированным в части 68 раздела 40 Свода федеральных правил .

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

Многие современные, передовые программы моделирования дисперсии включают в себя модуль предварительной обработки для ввода метеорологических и других данных, а многие также включают в себя модуль постпроцессора для графического представления выходных данных и/или нанесения на карты зон, подвергшихся воздействию загрязняющих веществ. Графики зон, подвергшихся воздействию, могут также включать изоплеты, показывающие зоны с минимальными и высокими концентрациями, которые определяют зоны с самым высоким риском для здоровья. Графики изоплет полезны при определении защитных мер для населения и спасателей.

Модели атмосферной дисперсии также известны как модели атмосферной диффузии, модели дисперсии в воздухе, модели качества воздуха и модели дисперсии загрязнений воздуха.

Атмосферные слои

Обсуждение слоев в атмосфере Земли необходимо для понимания того, где загрязняющие вещества, находящиеся в воздухе, рассеиваются в атмосфере. Самый близкий к поверхности Земли слой 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 около 50 км (31 миля). Третий слой - мезосфера , которая простирается от 50 км (31 миля) до около 80 км (50 миль). Существуют и другие слои выше 80 км, но они незначительны по отношению к моделированию атмосферной дисперсии.

Самая нижняя часть тропосферы называется планетарным пограничным слоем (ППС), или иногда атмосферным пограничным слоем . Температура воздуха в ППС уменьшается с увеличением высоты, пока не достигнет покрывающей инверсии , которая является типом инверсионного слоя , где более теплый воздух находится выше в атмосфере, чем более холодный воздух. Мы называем область ППС ниже его покрывающей инверсии конвективным планетарным пограничным слоем ; обычно она составляет от 1,5 до 2 км (от 0,93 до 1,24 мили) в высоту. 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 в дневное время свободно-конвективный слой может охватывать всю тропосферу, которая составляет до 10–18 км (от 6,2 до 11,2 мили) в межтропической зоне конвергенции .

PBL важен для переноса и рассеивания загрязняющих веществ в воздухе, поскольку турбулентная динамика ветра наиболее сильна у поверхности Земли. Часть PBL между поверхностью Земли и нижней частью слоя инверсии известна как слой смешения. Почти все загрязняющие вещества в воздухе, выбрасываемые в окружающую атмосферу, переносятся и рассеиваются в слое смешения. Некоторые выбросы проникают через слой инверсии и попадают в свободную тропосферу над PBL.

Подводя итог, можно сказать, что слои земной атмосферы от поверхности земли и выше таковы: PBL, состоящий из слоя смешения, накрытого слоем инверсии; свободная тропосфера; стратосфера; мезосфера и другие. Многие модели атмосферной дисперсии называются моделями пограничного слоя , поскольку они в основном моделируют дисперсию загрязняющих веществ в воздухе в пределах ABL. Чтобы избежать путаницы, модели, называемые мезомасштабными моделями, обладают возможностями моделирования дисперсии, которые простираются по горизонтали до нескольких сотен километров. Это не означает, что они моделируют дисперсию в мезосфере.

Гауссово уравнение дисперсии загрязняющих веществ в воздухе

Техническая литература по рассеиванию загрязняющих веществ в воздухе довольно обширна и датируется 1930-ми годами и ранее. Одно из ранних уравнений рассеивания загрязняющих веществ в воздухе было получено Босанкетом и Пирсоном. [2] Их уравнение не предполагало гауссово распределение и не включало эффект отражения загрязняющих веществ от земли.

Сэр Грэм Саттон вывел уравнение дисперсии шлейфа загрязняющих веществ в воздухе в 1947 году [3] , которое включало предположение о гауссовом распределении для вертикальной и поперечной дисперсии шлейфа, а также учитывало эффект отражения шлейфа от земли.

Под стимулом, предоставленным появлением строгих правил контроля за окружающей средой , произошел огромный рост в использовании расчетов дисперсии шлейфа загрязняющих веществ в воздухе между концом 1960-х годов и сегодня. Большое количество компьютерных программ для расчета дисперсии выбросов загрязняющих веществ в воздухе было разработано в тот период времени, и они были названы «моделями дисперсии 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 учитывает не только отражение вверх от земли, но и отражение вниз от нижней части любой инверсионной крышки, присутствующей в атмосфере.

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

и являются функциями класса атмосферной устойчивости (т.е. меры турбулентности в окружающей атмосфере) и расстояния по ветру до рецептора. Две наиболее важные переменные, влияющие на полученную степень рассеивания выбросов загрязняющих веществ, — это высота точки источника выбросов и степень атмосферной турбулентности. Чем больше турбулентность, тем лучше степень рассеивания.

Уравнения [6] [7] для и имеют вид:

(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 измерения , и , и x указаны в метрах)

Классификация классов устойчивости предложена Ф. Паскуиллом. [8] Выделяют шесть классов устойчивости: A-крайне неустойчивый B-умеренно неустойчивый C-слегка неустойчивый D-нейтральный E-слегка устойчивый F-умеренно устойчивый

Полученные расчеты концентраций загрязняющих веществ в воздухе часто выражаются в виде контурной карты концентрации загрязняющих веществ в воздухе , чтобы показать пространственное изменение уровней загрязняющих веществ на большой исследуемой территории. Таким образом, контурные линии могут накладываться на чувствительные рецепторные местоположения и выявлять пространственную связь загрязняющих веществ в воздухе с интересующими областями.

В то время как старые модели полагаются на классы устойчивости (см. терминологию рассеивания загрязняющих веществ в воздухе ) для определения и , более поздние модели все больше полагаются на теорию подобия Монина-Обухова для вывода этих параметров.

Уравнения подъема струи Бриггса

Гауссово уравнение дисперсии загрязняющих веществ в воздухе (обсуждавшееся выше) требует ввода H , который является высотой центральной линии шлейфа загрязняющих веществ над уровнем земли, а H представляет собой сумму H s (фактической физической высоты точки источника выбросов загрязняющих веществ в шлейфе) плюс Δ H (подъем шлейфа из-за его плавучести).

Визуализация плавучего гауссовского шлейфа рассеивания загрязняющих веществ в воздухе

Для определения Δ H многие, если не большинство моделей рассеивания воздуха, разработанных между концом 1960-х и началом 2000-х годов, использовали то, что известно как уравнения Бриггса. GA Briggs впервые опубликовал свои наблюдения и сравнения по подъему струи в 1965 году. [9] В 1968 году на симпозиуме, спонсируемом CONCAWE (голландской организацией), он сравнил многие модели подъема струи, доступные тогда в литературе. [10] В том же году Briggs также написал раздел публикации под редакцией Slade [11], посвященный сравнительному анализу моделей подъема струи. За этим в 1969 году последовал его классический критический обзор всей литературы по подъему струи, [12], в котором он предложил набор уравнений подъема струи, которые стали широко известны как «уравнения Бриггса». Впоследствии Бриггс модифицировал свои уравнения подъема струи 1969 года в 1971 и 1972 годах. [13] [14]

Бриггс разделил выбросы загрязняющих веществ в атмосферу на четыре основные категории:

Бриггс считал, что траектория холодных струйных струй определяется их начальным импульсом скорости, а траектория горячих, плавучих струй определяется их плавучим импульсом в той степени, в которой их начальный импульс скорости был относительно не важен. Хотя Бриггс предложил уравнения подъема струи для каждой из вышеперечисленных категорий струй, важно подчеркнуть, что «уравнения Бриггса», которые стали широко использоваться, — это те, которые он предложил для наклонных, горячих плавучих струй.

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

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

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

Смотрите также

Модели атмосферной дисперсии

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

Результат моделирования атмосферной дисперсии с использованием AERMOD
Карта HYSPLIT 2016 года
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

Ссылки

  1. ^ Фенстерсток, Дж. К. и др., «Снижение потенциала загрязнения воздуха посредством экологического планирования», JAPCA, т. 21, № 7, 1971.
  2. ^ Босанкет, CH и Пирсон, JL, «Распространение дыма и газов из дымоходов», Trans. Faraday Soc., 32:1249, 1936
  3. ^ Саттон, О.Г., «Проблема диффузии в нижних слоях атмосферы», QJRMS, 73:257, 1947 и «Теоретическое распределение загрязнений воздуха из заводских труб», 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, ДБ (1994). Рабочая тетрадь оценок атмосферной дисперсии: введение в моделирование дисперсии (2-е изд.). CRC Press. ISBN 1-56670-023-X.
  6. ^ Seinfeld, John H. (2006). "Глава 18". Атмосферная химия и физика: от загрязнения воздуха до изменения климата . Wiley. ISBN 9780471720171.
  7. ^ Ханна, Стивен (1982). «Справочник по атмосферной диффузии». Отчет Министерства энергетики США .
  8. ^ W, Klug (апрель 1984 г.). Атмосферная диффузия (3-е издание). F. Pasquill и FB Smith. Ellis Horwood, (John Wiley & Sons) Чичестер, 1983 (3-е изд.). Нью-Йорк: Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества.
  9. ^ Бриггс, GA, «Модель подъема плюма в сравнении с наблюдениями», JAPCA, 15:433–438, 1965
  10. ^ Бриггс, GA, «Конференция CONCAWE: обсуждение сравнительных последствий различных формул подъема струи», Atmos. Envir., 2:228–232, 1968
  11. Слейд, Д. Х. (редактор), «Метеорология и атомная энергия 1968», Лаборатория ресурсов воздуха, Министерство торговли США, 1968
  12. ^ Бриггс, GA, «Plume Rise», USAEC Critical Review Series, 1969
  13. ^ Бриггс, GA, "Некоторые недавние анализы наблюдений за подъемом шлейфа", Труды Второго международного конгресса по чистому воздуху, Academic Press, Нью-Йорк, 1971
  14. ^ Бриггс, GA, «Обсуждение: дымовые шлейфы в нейтральной и стабильной среде», Atmos. Envir., 6:507–510, 1972

Дальнейшее чтение

Книги

Вводный
Передовой

Труды

Руководство

Внешние ссылки