大気拡散モデリング

大気拡散モデリングは、大気汚染物質が周囲の大気中でどのように拡散するかを数学的にシミュレートするものです。これは、汚染物質の拡散を支配する数式を解くアルゴリズムを含むコンピュータプログラムを使用して実行されます。拡散モデルは、工場、車両交通、化学物質の偶発的な放出などの発生源から排出される大気汚染物質または毒素の風下周囲の濃度を推定するために使用されます。また、特定のシナリオ (つまり、排出源の変更) における将来の濃度を予測するためにも使用できます。したがって、大気質政策の策定に使用される主要なタイプのモデルです。これらは、長距離に拡散し、大気中で反応する可能性のある汚染物質に最も役立ちます。時空間変動性が非常に高い汚染物質 (つまり、ブラックカーボンなど、発生源からの距離による減衰が非常に急である汚染物質) や疫学研究では、統計的土地利用回帰モデルも使用されます。

拡散モデルは、大気環境の保護と管理を任務とする政府機関にとって重要です。モデルは通常、既存または計画中の新しい産業施設が米国およびその他の国の国家大気環境基準(NAAQS)に準拠しているかどうかを判断するために使用されます。モデルはまた、有害な大気汚染物質の排出を削減するための効果的な制御戦略の設計に役立ちます。1960 年代後半、米国環境保護庁の大気汚染管理局は、都市計画者や交通計画者が使用するモデルの開発につながる研究プロジェクトを開始しました。^[1]このような研究から生まれた道路拡散モデルの主要かつ重要な応用は、1971 年にカナダのスパディナ高速道路に適用されました。

大気拡散モデルは、公衆安全対応者や緊急管理担当者が化学物質の偶発的放出に対する緊急時計画に利用しています。モデルは、危険物質や有毒物質の偶発的放出の結果を判断するために使用されます。偶発的な放出は、化学物質や放射性核種などの危険物質を伴う火災、流出、爆発につながる可能性があります。最悪の偶発的放出源条件と気象条件を使用した拡散モデリングの結果から、影響を受ける地域の位置、周囲の濃度を推定し、放出が発生した場合に適切な保護措置を判断するために使用できます。適切な保護措置には、風下方向にいる人の避難や屋内待機が含まれます。産業施設では、連邦規則集第 40 編第 68 部に制定されている米国大気浄化法(CAA) に基づいて、この種の結果評価や緊急時計画が義務付けられています。

分散モデルは、モデルの開発に使用される数学によって異なりますが、すべてのモデルで次のようなデータの入力が必要です。

風速や風向、大気の乱気流の量（いわゆる「安定度クラス」で特徴付けられる）、周囲の気温、存在する可能性のある上空の逆転層の最下部までの高さ、雲量、太陽放射などの気象条件。
発生源（排出物または事故による放出物中の毒素の濃度または量）と物質の温度
排出または放出のパラメータには、排出源の位置と高さ、排出源の種類（火災、プール、排気筒など）、排出速度、排出温度、質量流量または放出速度などがあります。
発信元と受信先（近くの住宅、学校、企業、病院など）の地形の標高。
放出されたガスの煙の経路にある障害物（建物やその他の構造物など）の位置、高さ、幅、表面の粗さ、またはより一般的なパラメータ「田舎」または「都市」の地形の使用。

最新の高度な拡散モデリングプログラムの多くには、気象データやその他のデータを入力するためのプリプロセッサモジュールが含まれています。また、出力データをグラフ化したり、大気汚染物質の影響を受けたエリアを地図上にプロットしたりするためのポストプロセッサモジュールも含まれています。影響を受けるエリアのプロットには、健康リスクが最も高いエリアを定義する、最小濃度から高濃度までのエリアを示す等値線も含まれる場合があります。等値線プロットは、一般の人々や対応者に対する保護措置を決定する際に役立ちます。

大気拡散モデルは、大気拡散モデル、空気拡散モデル、大気質モデル、大気汚染拡散モデルとも呼ばれます。

大気層

地球の大気の層について議論することは、空気中の汚染物質が大気のどこに拡散するかを理解するために必要です。地球の表面に最も近い層は対流圏として知られています。これは海面から約 18 km (11 マイル) の高さまで広がり、大気全体の質量の約 80 パーセントを占めています。成層圏は次の層で、18 km (11 マイル) から約 50 km (31 マイル) まで広がっています。3 番目の層は中間圏で、50 km (31 マイル) から約 80 km (50 マイル) まで広がっています。80 km より上には他の層もありますが、大気拡散モデリングに関しては重要ではありません。

対流圏の最も低い部分は惑星境界層(PBL) または大気境界層と呼ばれる。PBL の空気温度は高度が上昇するにつれて低下し、ついには逆転層の一種であるキャッピング逆転層に達する。この逆転層では、暖かい空気が冷たい空気よりも大気中の高い位置に存在する。PBL のキャッピング逆転層より下の領域を対流惑星境界層と呼び、その高さは通常 1.5 ～ 2 km (0.93 ～ 1.24 マイル) である。対流圏の上部 (つまり逆転層より上) は自由対流圏と呼ばれ、対流圏界面(地球の大気における対流圏と成層圏の境界)まで広がる。熱帯および中緯度では、昼間、自由対流層が対流圏全体、つまり熱帯収束帯の最大 10 ～ 18 km (6.2 ～ 11.2 マイル) を構成することがあります。

PBL は、風の乱流ダイナミクスが地球の表面で最も強くなるため、大気汚染物質の輸送と拡散に関して重要です。PBL のうち、地球の表面と逆転層の底部の間の部分は、混合層として知られています。大気中に放出される大気汚染物質のほぼすべてが、混合層内で輸送され、拡散されます。放出物の一部は逆転層を貫通し、PBL より上の自由対流圏に入ります。

要約すると、地表から上方へ向かって、地球の大気の層は、逆転層で覆われた混合層で構成される PBL、自由対流圏、成層圏、中間圏などです。大気拡散モデルの多くは境界層モデルと呼ばれています。これは、主に ABL 内の大気汚染物質の拡散をモデル化するためです。混乱を避けるために、メソスケールモデルと呼ばれるモデルには、水平方向に数百キロメートルまで広がる拡散モデリング機能があります。これは、中間圏での拡散をモデル化するという意味ではありません。

ガウス大気汚染物質拡散方程式

大気汚染拡散に関する技術文献は非常に多く、1930年代以前にまで遡ります。初期の大気汚染物質拡散方程式の1つは、ボサンケットとピアソンによって導き出されました。^{[2]彼らの方程式は}ガウス分布を仮定しておらず、汚染物質の煙の地面反射の影響も考慮していませんでした。

グラハム・サットン卿は1947年に大気汚染物質の煙拡散方程式を導き出しました^[3]。この方程式には、煙の垂直方向と横風方向の拡散に対するガウス分布の仮定が含まれており、また、煙の地面反射の影響も考慮されていました。

厳しい環境管理規制の出現による刺激を受けて、1960 年代後半から今日まで、大気汚染物質の煙拡散計算の利用が飛躍的に増加しました。この時期には、大気汚染物質の放出拡散を計算するためのコンピュータプログラムが数多く開発され、「大気拡散モデル」と呼ばれていました。これらのモデルの大半の基礎となったのは、以下に示す「連続浮遊大気汚染煙のガウス拡散モデル化の完全方程式」でした。 ^[4]^[5]

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

上記の式には、地面からの上向きの反射だけでなく、大気中に存在する逆転層の底からの下向きの反射も含まれます。

の 4 つの指数項の合計は、最終値に非常に急速に収束します。ほとんどの場合、 m = 1、m = 2、m = 3の級数を合計すると、適切な解が得られます。 $g_{3}$

$\sigma _{z}$ これらは、大気安定度クラス（つまり、周囲の大気の乱流の尺度）と受容体までの風下距離の関数です。得られる汚染物質排出拡散度に影響を与える最も重要な 2 つの変数は、排出源の高さと大気の乱流度です。乱流が大きいほど、拡散度は高くなります。 $\sigma _{y}$

およびに対する式^[6]^[7]は以下の通りである。 $\sigma _{y}$ $\sigma _{z}$

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

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

（、、x の単位はメートルです） $\sigma _{z}$ $\sigma _{y}$

安定性クラスの分類はF.パスキルによって提案された。^[8] 6つの安定性クラスは次のように呼ばれる：A-極めて不安定、B-中程度に不安定、C-わずかに不安定、D-中立、E-わずかに安定、F-中程度に安定

大気汚染物質濃度の計算結果は、調査対象の広い範囲にわたる汚染物質レベルの空間的変動を示すために、大気汚染物質濃度等高線図として表現されることがよくあります。このようにして、等高線は敏感な受容体の位置を重ね合わせ、大気汚染物質と対象エリアの空間的関係を明らかにすることができます。

古いモデルでは、およびの決定に安定クラス（大気汚染拡散用語を参照）に依存していましたが、最近のモデルでは、これらのパラメータを導出するためにモニン・オブホフ相似理論に依存することが増えています。 $\sigma _{y}$ $\sigma _{z}$

ブリッグスのプルーム上昇方程式

ガウス大気汚染物質拡散方程式（上記で説明）では、汚染物質プルームの中心線の高さであるHを入力する必要があります。H は、 H _s（汚染物質プルームの排出源の実際の物理的な高さ）と Δ H（プルームの浮力によるプルームの上昇）の合計です。

Δ H を決定するために、1960年代後半から2000年代初頭にかけて開発された大気拡散モデルの多く、あるいはほとんどは、いわゆるブリッグス方程式を使用していました。GA ブリッグスは、1965年に初めて煙の上昇に関する観察と比較を発表しました。^[9] 1968年、CONCAWE（オランダの組織）が主催したシンポジウムで、当時文献で入手可能だった多くの煙の上昇モデルを比較しました。^[10]同年、ブリッグスは、スレイドが編集した出版物の煙の上昇モデルの比較分析に関するセクションも執筆しました。 ^[11]続いて1969年には、煙の上昇に関する文献全体を批判的にレビューし、^[12]その中で、彼は「ブリッグス方程式」として広く知られるようになった一連の煙の上昇方程式を提案しました。その後、ブリッグスは1969年の煙の上昇方程式を1971年と1972年に修正しました。^[13]^[14]

ブリッグスは大気汚染物質を次の 4 つの一般的なカテゴリーに分類しました。

穏やかな大気条件における冷たいジェット噴流
風の強い大気条件下での冷たいジェット噴流
穏やかな大気条件における高温で浮力のある煙
風の強い大気中の高温で浮力のある煙

ブリッグスは、冷たいジェット噴流の軌道は初期の速度運動量によって支配され、高温で浮力のある噴流の軌道は初期の速度運動量が比較的重要でない程度に浮力運動量によって支配されると考えました。ブリッグスは上記の噴流のカテゴリーごとに噴流上昇方程式を提案しましたが、広く使用されるようになった「ブリッグス方程式」は、彼が曲がった高温で浮力のある噴流に対して提案したものであることを強調することが重要です。

一般的に、ブリッグスの曲がった高温の浮力のある煙の式は、大規模な発電所で化石燃料を燃焼させる蒸気発生ボイラーの煙突などの一般的な燃焼源からの煙に関する観察とデータに基づいています。したがって、煙突の出口速度はおそらく 20 ～ 100 フィート/秒 (6 ～ 30 メートル/秒) の範囲で、出口温度は 250 ～ 500 °F (120 ～ 260 °C) の範囲でした。

ブリッグス方程式^[4]を使用して曲がった浮力のあるプルームのプルーム上昇軌道を取得するためのロジック図を以下に示します。

ブリッグスの方程式で使用される上記のパラメータについては、ベイチョクの著書で説明されています。^[4]

参照

大気拡散モデル

大気拡散モデルのリストには、以下にリストされているものよりも包括的なモデルのリストが記載されています。各モデルの簡単な説明も含まれています。

ヒスプリット
ＩＳＣ３
名前
メルキュール
オーエスピーエム
フルイディン・パナッシュ
リムパフ
安全な空気
パフ・プルーム
ポリフェモス
ミュンヘン

組織

その他

参考文献

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さらに読む

書籍

入門

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ガイダンス

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外部リンク

EPA の規制大気モデリング支援センター
EPA の大気質モデリンググループ (AQMG)
NOAA の大気資源研究所 (ARL)
英国大気拡散モデル連絡委員会ウェブサイト
英国分散モデリング局のウェブサイト
大気化学輸送モデル LOTOS-EUROS
運用優先物質モデル OPS (オランダ語)
HAMS-GPS 分散モデリング
大気拡散モデリングに関する Wiki。大気拡散モデル作成者の国際コミュニティ (主に研究者ですが、モデルのユーザーも含む) を対象としています。その目的は、拡散モデル作成者が作業中に得た経験を蓄積することです。

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