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道路大気拡散モデリングとは、道路やその他の線状排出源からの大気汚染物質の輸送を研究するものです。車両排出ガス、車両速度、気象条件、地形形状 など、複雑な変数が関係するため、この分析にはコンピュータモデルが必要です。線状排出源の拡散は、少なくとも1960年代から研究されてきました。当時、米国の規制枠組みでは、主要な道路や空港プロジェクトによる大気汚染の影響を定量的に分析することが義務付けられていました。1970年代初頭には、この大気拡散モデルの一部が、高速道路計画の実際の事例に適用され、物議を醸した裁判事例にも用いられました。
道路大気拡散モデルの基本概念は、高速道路や幹線道路を線状発生源とみなして、その周辺の大気汚染物質濃度を算出することです。このモデルでは、交通量、車両速度、トラックの種類、車両排出ガス規制などの発生源特性に加え、道路形状、周辺地形、局地的な気象条件も考慮されます。例えば、多くの大気質基準では、特定の最悪に近い気象条件を適用することが求められています。
計算は非常に複雑なため、信頼できる結果を得るにはコンピュータモデルが不可欠ですが、スクリーニング手法としてワークブック形式のマニュアルも開発されています。結果の検証が必要な場合（訴訟など）には、現地での実地試験データを用いたモデル検証が必要となる場合があります。しかし、最良のモデルは幅広い入力データ変数にわたって徹底的に検証されているため、通常はこの手順は不要です。
計算結果は通常、平面図または断面図のいずれかで示される等値線または等高線のセットです。これらは一般的に、一酸化炭素、総反応性炭化水素、窒素酸化物、粒子状物質、またはベンゼンの濃度として表されます。大気質科学者は、このモデルを連続して実行することで、有害な大気汚染物質の濃度を低減する手法（例えば、道路形状の再設計、速度制限の変更、特定の種類のトラックの制限など）を研究できます。このモデルは、新たな車両交通量を引き起こす主要な新道路建設や土地利用変更に関する環境影響評価書で頻繁に利用されます。
この理論の論理的な構成要素は、点源に対するガウス型大気汚染物質拡散方程式の使用でした。[ 1 ] [ 2 ] 初期の点源大気汚染物質プルーム拡散方程式の 1 つは、1936 年に Bosanquet と Pearson [ 3 ]によって導出されました。彼らの方程式には、汚染物質プルームの地面反射の影響は含まれていませんでした。Sir Graham Sutton は 1947 年に点源大気汚染物質プルーム拡散方程式を導出しました[ 4 ]。この方程式には、プルームの垂直方向および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、プルームの地面反射の影響も考慮されています。GA Briggs [ 5 ]によるモデルの改良と検証、および DB Turner [ 1 ]による コンピュータを必要としないスクリーニング計算を含むユーザーフレンドリーなワークブックによるさらなる進歩がありました。
道路大気汚染の研究に取り組むために線源モデルを開発する必要性を認識したマイケル・ホーガンとリチャード・ヴェンティは、一連の出版物で点源方程式を統合する閉形式解を開発した。[ 6 ] [ 7 ]
ESLの数理モデルは 1970年までに線状発生源について完成しましたが、モデルの改良により、道路表面の水平方向の広がりを模倣した「帯状発生源」が生まれました。この理論は、面状発生源拡散モデルの先駆けとなりました。しかし、彼らの焦点は道路シミュレーションにあったため、大気物理学と衛星軌道計算の分野のコンピュータプログラマーであるレダ・パットモアをチームに加え、コンピュータモデルの開発を進めました。1970年末までに実用的なコンピュータモデルが作成され、その後、カリフォルニア州サニーベールの国道101号線の交通を対象とした一酸化炭素の現場測定値を用いてモデルが較正されました。
ESLモデルは、米国環境保護庁（EPA）から、トレーサーガスである六フッ化硫黄の拡散に関する実際の道路試験を用いてモデルを検証するための大規模な助成金という形で承認を受けました。このガスは、自然界や自動車の排気ガスには存在せず、このような拡散研究のための独自のトレーサーとなるため選ばれました。環境保護庁の動機の一つは、モデルを一般に公開することだったのかもしれません。EPAの研究を通じて検証が成功した後、このモデルはすぐにさまざまな場面で道路周辺の大気汚染レベルを予測するために活用されるようになりました。ESLグループは、カリフォルニア州クローバーデールの米国ルート101バイパスプロジェクト、バージニア州アーリントンを通る州間高速道路66号線の延伸、ニュージャージー州ラリタンとイーストブランズウィックを通るニュージャージー・ターンパイクの拡幅、ボストン交通計画レビューのためのボストンのいくつかの交通プロジェクトにこのモデルを適用しました。
1970年代初頭までに、少なくとも他に2つの研究グループが、道路上の大気拡散モデルの開発に積極的に取り組んでいることが知られていた。マサチューセッツ州レキシントンの環境研究技術グループと、カリフォルニア州サクラメントのカリフォルニア州運輸局本部である。カリフォルニア州運輸局のCalineモデルは、ESL Inc.グループの技術の一部を取り入れている。これは、カリフォルニア州運輸局がクローバーデールなどの地域での初期のモデル適用作業に資金を提供し、ESL Inc.のモデルの一部を使用する権利を得ていたためである。
無限線源に対する解は次のようになります。
どこ：
xは観測者から道路までの距離である。
yは観測者の高さです
uは平均風速です
αは、基準座標系に対する線源の傾斜角である。
cとdは、それぞれ水平方向と垂直方向の風向の標準偏差（ラジアン単位）である。
この方程式は誤差関数（erf）を用いて閉形式解に統合され、形状のバリエーションとして、完全な無限線、線分、高架線、または線分から構成される円弧を含めることができます。いずれの場合も、結果として生じる大気汚染物質濃度の3次元等高線を計算し、この数理モデルを用いて、代替道路設計、最悪の気象条件に関する様々な仮定、または様々な交通状況（例えば、トラック構成の変化、車両排出ガス規制、または車両速度の変化）を研究することができます。
ESL研究グループは、車両による乱流によって高速道路上に発生する混合ゾーンをシミュレートするために、垂直帯状の面源概念を導入することでモデルを拡張した。このモデルも1971年に検証され、実地試験データとの良好な相関関係を示した。
このモデルは、やや劇的な事例で初期に適用された例がいくつかある。1971年、アーリントン交通連合（ACT）は、バージニア州アーリントンを通る州間高速道路66号線の延伸をめぐり、バージニア州高速道路委員会を相手取って連邦地方裁判所に訴訟を起こした。ESLモデルは、計画されている高速道路付近の大気質を計算するために使用された。ACTはこの訴訟で、米国第4巡回控訴裁判所の判決により勝訴した。裁判所は、大気質レベルがクリーンエア法に定められた連邦大気環境基準に違反すると予測した原告の専門家による計算と証言に特に注目した。
2件目の論争となったのは、ニュージャージー州イーストブランズウィックで、ニュージャージー・ターンパイク公社がターンパイクの大規模な拡幅を計画したケースである。ここでも、道路大気拡散モデルが、ターンパイク周辺の住宅、学校、公園における大気汚染レベルを予測するために用いられた。上級裁判所での最初の審理でESLモデルの結果が提示された後、裁判官はターンパイク公社に対し、原告であるイーストブランズウィックの懸念する市民と交渉し、悪影響に対する大気質改善策を策定するよう命じた。ターンパイク公社はERTを専門家として雇い、2つの研究チームは新たに作成された道路大気拡散モデルを用いて、この訴訟の和解交渉を行った。
CALINE3 モデルは、比較的単純な地形に位置する高速道路の風下側の受容体位置における大気汚染濃度を決定するために設計された定常ガウス拡散モデルです。CALINE3 は、より高度な CAL3QHC および CAL3QHCR モデルに組み込まれています。CALINE3 は、その使いやすさと政府関係者の間での普及により広く使用されていますが、元の Hogan-Venti モデルで扱われるケースの複雑さを分析するには不十分です。CAL3QHC および CAL3QHCR モデルはFortranプログラミング言語で利用可能です。これらのモデルには、粒子状物質または一酸化炭素のいずれかをモデル化するオプションがあり、信号交差点での渋滞交通をシミュレートするアルゴリズムが含まれています[リンク削除]。
さらに、非定常ラグランジュパフアルゴリズムを採用した、より新しいモデルがいくつか開発されています。HYROAD [リンク削除]拡散モデルは、国立協同高速道路研究プログラムのプロジェクト 25-06を通じて開発され、ROADWAY-2 モデルのパフおよび定常プルームアルゴリズムを組み込んでいます(Rao et al., 2002)。
TRAQSIMモデルは、米国運輸省ボルペ国立交通システムセンター大気質施設の支援を受けて、博士論文の一部として 2004 年に開発されました。このモデルは、非定常ガウスパフアルゴリズムを使用して車両の動的な挙動を組み込んでいます。HYROAD とは異なり、TRAQSIM は交通シミュレーション、秒単位のモード別排出量、およびガウスパフ拡散を完全に統合したシステム (真のシミュレーション) に統合し、個々の車両を離散的な移動源としてモデル化しています。TRAQSIM は、現在の CALINE3 および CAL3QHC 規制モデルの後継となる次世代モデルとして開発されました。TRAQSIM 開発の次のステップは、粒子状物質 (PM) および有害大気汚染物質 (HAP) の拡散をモデル化する手法を組み込むことです。
都市部の峡谷や高速道路の構造に起因する複雑な都市気象を扱うためのモデルがいくつか開発されている。このようなモデルの開発は、米国環境保護庁の大気汚染管理局がニューヨーク市と共同で行ったものが最も初期（1968～1970年）である。 [ 8 ]このモデルは、ニューヨーク市大気資源局のジャック・フェンスターストックによってトロントのスパディナ高速道路にうまく適用された。 [ 9 ] [ 10 ]その他の例としては、ターナー・フェアバンク高速道路研究センターのキャニオン・プルーム・ボックス・モデル[ 11 ] （現在はバージョン3（CPB-3））、デンマーク国立環境研究所の運用道路汚染モデル（OSPM）、および光化学を含み、一次および二次の両方の物質をモデル化できるMICRO-CALGRIDモデルなどがある。コーネル大学のCTAGモデルは、乱流反応流モデルを使用して、車両誘発乱流（VIT）、道路誘発乱流（RIT）[ 13 ]、大気汚染物質の化学変換およびエアロゾルダイナミクスを解明します。CTAGモデルは、高速道路建設環境の特徴付けや、道路近傍の大気汚染に対する植生バリアの影響の研究にも適用されています。
主要道路付近の住民は、いくつかの健康被害の発生率が高いことを示す最近の健康関連文献を受けて、交通機関が道路大気拡散モデルを用いて、新規および拡張された道路、バスターミナル、トラック停留所、その他の発生源の影響を評価する責任について、法的論争が巻き起こっている。
最近、ネバダ州のシエラクラブは、ラスベガスにおける国道95号線の拡張が近隣の大気質に与える影響を評価しなかったとして、ネバダ州運輸局と連邦道路局を提訴した。 シエラクラブは、新たな自動車交通による有害大気汚染物質および粒子状物質の排出に対処するため、補足的な環境影響評価書を発行すべきだと主張した。原告側は、環境保護庁のMOBILE6.2モデル、CALINE3拡散モデル、その他の関連モデルなど、モデリングツールが利用可能であると主張した。被告側は、フィリップ・プロ判事の管轄する米国地方裁判所で勝訴した。同判事は、利用可能なモデリングツールがないとする運輸当局の技術的な主張が、科学誌に掲載された多数の査読済み研究（例：Korenstein and Piazza、Journal of Environmental Health、2002年）によって反駁されているにもかかわらず、運輸当局の行動は「恣意的かつ気まぐれ」ではなかったと判断した。米国第9巡回区控訴裁判所への控訴審では、控訴裁判所は、最終判決が出るまで高速道路の新規建設を差し止めた。シエラクラブと被告側は法廷外で和解し、国道95号線が近隣の学校に及ぼす大気質への影響に関する研究プログラムを立ち上げた。
他にも多くの注目を集めた事例を受けて、環境団体は、新たな交通プロジェクトが近隣地域に及ぼす大気質への影響を評価するために拡散モデリングを用いるよう求めているが、EPAの規制大気モデル支援センター（SCRAM）を通じてモデルやガイダンスが利用可能であるにもかかわらず、州の運輸機関や連邦道路局は、現在まで利用可能なツールはないと主張している。
より議論を呼んだ事例としては、デトロイト複合貨物ターミナルとデトロイト川国際横断橋（米国ミシガン州）、およびデンバーにおける州間高速道路70号線東行きの拡張（米国コロラド州）などが挙げられる。
これらの事例すべてにおいて、地域団体はモデリングツールは利用可能であると主張しているが、交通計画機関はすべての段階において不確実性が大きすぎると主張している。地域団体にとって大きな懸念事項は、交通機関が大気質分析において許容できる不確実性のレベルを明確に定義しようとしないこと、そしてそれがモデル使用における不確実性と精度について規定している環境保護庁の大気質モデルに関するガイドラインとどのように異なるかということである。
