Математическое моделирование распространения загрязняющих веществ в атмосфере.

Введение

Математическое моделирование рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

Моделирование атмосферного рассеивания – это математическое моделирование того, как загрязняющие вещества воздуха рассеиваются в приземном слое атмосферы. Оно выполняется с помощью компьютерных программ, включающих алгоритмы для решения математических уравнений, описывающих процессы рассеивания загрязняющих веществ. Модели рассеивания используются для оценки приземных концентраций загрязняющих веществ или токсичных веществ, выбрасываемых из источников, таких как промышленные предприятия, транспортные средства или в результате аварийных выбросов химических веществ. Они также могут применяться для прогнозирования будущих концентраций при различных сценариях (например, при изменении источников выбросов). Таким образом, они являются основным типом моделей, используемых при разработке политики в области качества воздуха. Они наиболее эффективны для загрязняющих веществ, которые распространяются на большие расстояния и могут вступать в реакции в атмосфере. Для загрязняющих веществ с высокой пространственно-временной изменчивостью (то есть с быстрым уменьшением концентрации с расстоянием от источника, например, для сажи) и для эпидемиологических исследований также применяются статистические модели регрессии на основе данных о землепользовании. Модели рассеивания важны для государственных органов, ответственных за защиту и управление качеством атмосферного воздуха. Эти модели обычно используются для определения соответствия существующих или планируемых промышленных объектов национальным стандартам качества атмосферного воздуха (NAAQS) в Соединенных Штатах и других странах. Они также помогают в разработке эффективных стратегий контроля для сокращения выбросов вредных загрязняющих веществ. В конце 1960-х годов Управление по контролю за загрязнением воздуха Агентства по охране окружающей среды США (EPA) инициировало исследовательские проекты, которые привели к разработке моделей для использования городскими и транспортными планировщиками. Важным результатом этих исследований стало применение модели рассеивания вдоль автомагистрали Spadina в Канаде в 1971 году. Модели рассеивания воздуха также используются службами безопасности и персоналом по управлению в чрезвычайных ситуациях для планирования действий при аварийных выбросах химических веществ. Модели используются для оценки последствий аварийных выбросов опасных или токсичных веществ. Аварийные выбросы могут приводить к пожарам, разливам или взрывам с участием опасных материалов, таких как химические вещества или радионуклиды. Результаты моделирования рассеивания, основанные на наихудших сценариях аварийных выбросов и метеорологических условиях, позволяют оценить зоны поражения, приземные концентрации и определить необходимые защитные меры в случае выброса. К соответствующим защитным мерам могут относиться эвакуация или укрытие для населения, находящегося в направлении распространения загрязняющих веществ. На промышленных предприятиях такой анализ последствий или планирование действий в чрезвычайных ситуациях требуется в соответствии с Законом США о чистом воздухе (CAA), закрепленным в части 68 раздела 40 Кодекса федеральных правил. Модели рассеивания различаются в зависимости от математических методов, используемых при их разработке, но все они требуют ввода данных, включающих: метеорологические условия, такие как скорость и направление ветра, степень атмосферной турбулентности (характеризуемая так называемым "классом устойчивости"), температуру воздуха, высоту нижней границы любого инверсионного слоя, облачность и солнечную радиацию; характеристики источника (концентрация или количество токсичных веществ при выбросе или аварийном выбросе) и температуру вещества; параметры выброса или высвобождения, такие как местоположение и высота источника, тип источника (например, пожар, пруд или дымовая труба), скорость истечения, температуру истечения и массовый расход или скорость выброса; высоты рельефа в месте расположения источника и в точках приема (например, вблизи жилых домов, школ, предприятий и больниц); местоположение, высоту и ширину любых препятствий (таких как здания или другие сооружения) на пути газового шлейфа, шероховатость поверхности или использование более общей характеристики рельефа – "сельская местность" или "город". Многие современные, продвинутые программы моделирования рассеивания включают модуль предварительной обработки для ввода метеорологических и других данных, а также модуль постобработки для графического представления результатов и/или построения карт зон, затронутых загрязняющими веществами. На картах зон поражения могут быть изображены изоплины, показывающие области с минимальными и высокими концентрациями, определяющие зоны с наибольшим риском для здоровья. Изоплины полезны для определения защитных мер для населения и служб реагирования. Модели атмосферного рассеивания также известны как модели атмосферной диффузии, модели рассеивания воздуха, модели качества воздуха и модели рассеивания загрязнения воздуха.

Atmospheric dispersion modeling is the mathematical simulation of how air pollutants disperse in the ambient atmosphere. It is performed with computer programs that include algorithms to solve the mathematical equations that govern the pollutant dispersion. The dispersion models are used to estimate the downwind ambient concentration of air pollutants or toxins emitted from sources such as industrial plants, vehicular traffic or accidental chemical releases. They can also be used to predict future concentrations under specific scenarios (i. e. changes in emission sources). Therefore, they are the dominant type of model used in air quality policy making. They are most useful for pollutants that are dispersed over large distances and that may react in the atmosphere. For pollutants that have a very high spatio temporal variability (i. e. have very steep distance to source decay such as black carbon) and for epidemiological studies statistical land use regression models are also used. Dispersion models are important to governmental agencies tasked with protecting and managing the ambient air quality. The models are typically employed to determine whether existing or proposed new industrial facilities are or will be in compliance with the National Ambient Air Quality Standards (NAAQS) in the United States and other nations. The models also serve to assist in the design of effective control strategies to reduce emissions of harmful air pollutants. During the late 1960s, the Air Pollution Control Office of the U. S. EPA initiated research projects that would lead to the development of models for the use by urban and transportation planners. A major and significant application of a roadway dispersion model that resulted from such research was applied to the Spadina Expressway of Canada in 1971. Air dispersion models are also used by public safety responders and emergency management personnel for emergency planning of accidental chemical releases. Models are used to determine the consequences of accidental releases of hazardous or toxic materials, Accidental releases may result in fires, spills or explosions that involve hazardous materials, such as chemicals or radionuclides. The results of dispersion modeling, using worst case accidental release source terms and meteorological conditions, can provide an estimate of location impacted areas, ambient concentrations, and be used to determine protective actions appropriate in the event a release occurs. Appropriate protective actions may include evacuation or shelter in place for persons in the downwind direction. At industrial facilities, this type of consequence assessment or emergency planning is required under the U. S. Clean Air Act (CAA) codified in Part 68 of Title 40 of the Code of Federal Regulations. The dispersion models vary depending on the mathematics used to develop the model, but all require the input of data that may include:
Meteorological conditions such as wind speed and direction, the amount of atmospheric turbulence (as characterized by what is called the "stability class"), the ambient air temperature, the height to the bottom of any inversion aloft that may be present, cloud cover and solar radiation. Source term (the concentration or quantity of toxins in emission or accidental release source terms) and temperature of the material
Emissions or release parameters such as source location and height, type of source (i. e., fire, pool or vent stack) and exit velocity, exit temperature and mass flow rate or release rate. Terrain elevations at the source location and at the receptor location(s), such as nearby homes, schools, businesses and hospitals. The location, height and width of any obstructions (such as buildings or other structures) in the path of the emitted gaseous plume, surface roughness or the use of a more generic parameter "rural" or "city" terrain. Many of the modern, advanced dispersion modeling programs include a pre processor module for the input of meteorological and other data, and many also include a post processor module for graphing the output data and/or plotting the area impacted by the air pollutants on maps. The plots of areas impacted may also include isopleths showing areas of minimal to high concentrations that define areas of the highest health risk. The isopleths plots are useful in determining protective actions for the public and responders. The atmospheric dispersion models are also known as atmospheric diffusion models, air dispersion models, air quality models, and air pollution dispersion models.

Атмосферные слои

Обсуждение слоев в атмосфере Земли необходимо для понимания того, где воздушные загрязнители рассеиваются в атмосфере. Слой, ближайший к поверхности Земли, называется тропосферой. Он простирается от уровня моря до высоты около 10-12 км и содержит около 80 процентов массы всей атмосферы. Стратосфера – следующий слой, простирающийся от 10-12 км до примерно 50 км. Третий слой – мезосфера, простирающаяся от 50 км до примерно 85 км. Существуют 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 понижается с увеличением высоты, пока не достигается так называемый инверсионный слой (где температура повышается с увеличением высоты), который ограничивает конвективный пограничный слой, обычно на высоте около 1-2 км. Верхняя часть тропосферы (то есть над инверсионным слоем) называется свободной тропосферой и простирается до тропопаузы (границы в атмосфере Земли между тропосферой и стратосферой). В тропических и умеренных широтах в дневное время свободный конвективный слой может охватывать всю тропосферу, высота которой в зоне межтропической конвергенции может достигать 15-18 км. ABL имеет наибольшее значение в отношении выбросов, переноса и рассеивания загрязняющих веществ в воздухе. Часть ABL между поверхностью Земли и нижней границей инверсионного слоя известна как смешивающий слой. Почти все загрязняющие вещества, выбрасываемые в окружающую среду, переносятся и рассеиваются внутри смешивающего слоя. Некоторые выбросы проникают через инверсионный слой и попадают в свободную тропосферу над ABL. В итоге, слои атмосферы Земли, начиная с поверхности земли и вверх, следующие: ABL, состоящий из смешивающего слоя, увенчанного инверсионным слоем; свободная тропосфера; стратосфера; мезосфера и другие. Многие модели атмосферной дисперсии называют моделями пограничного слоя, поскольку они в основном моделируют рассеивание загрязняющих веществ воздуха в пределах ABL. Чтобы избежать путаницы, модели, называемые мезомасштабными моделями, обладают возможностями моделирования дисперсии, простирающимися горизонтально на несколько сотен километров. Это не означает, что они моделируют дисперсию в мезосфере.

Discussion of the layers in the Earth's atmosphere is needed to understand where airborne pollutants disperse in the atmosphere. The layer closest to the Earth's surface is known as the troposphere. It extends from sea level to a height of about and contains about 80 percent of the mass of the overall atmosphere. The stratosphere is the next layer and extends from to about The third layer is the mesosphere which extends from to about There are other layers above 80 km, but they are insignificant with respect to atmospheric dispersion modeling. The lowest part of the troposphere is called the atmospheric boundary layer (ABL) or the planetary boundary layer (PBL) The air temperature of the atmosphere decreases with increasing altitude until it reaches what is called an inversion layer (where the temperature increases with increasing altitude) that caps the Convective Boundary Layer, typically to about in height. The upper part of the troposphere (i. e., above the inversion layer) is called the free troposphere and it extends up to the tropopause (the boundary in the Earth's atmosphere between the troposphere and the stratosphere). In tropical and mid latitudes during daytime, the Free convective layer can comprise the entire troposphere, which is up to in the Intertropical convergence zone. The ABL is of the most important with respect to the emission, transport and dispersion of airborne pollutants. The part of the ABL between the Earth's surface and the bottom of the inversion layer is known as the mixing layer. Almost all of the airborne pollutants emitted into the ambient atmosphere are transported and dispersed within the mixing layer. Some of the emissions penetrate the inversion layer and enter the free troposphere above the ABL. In summary, the layers of the Earth's atmosphere from the surface of the ground upwards are: the ABL made up of the mixing layer capped by the inversion layer; the free troposphere; the stratosphere; the mesosphere and others. Many atmospheric dispersion models are referred to as boundary layer models because they mainly model air pollutant dispersion within the ABL. To avoid confusion, models referred to as mesoscale models have dispersion modeling capabilities that extend horizontally up to a few hundred kilometres. It does not mean that they model dispersion in the mesosphere.