道路空気拡散モデリング

道路大気拡散モデル化は、道路やその他の線状排出源からの大気汚染物質輸送の研究です。車両の排出量、車両の速度、気象、地形 などの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。 線状排出源拡散は、米国の規制枠組みで主要な道路や空港プロジェクトの大気汚染影響の定量分析が義務付けられ始めた 1960 年代から、少なくとも研究されてきました。1970 年代初頭までに、この大気拡散モデルのサブセットは、実際の高速道路計画に適用され、物議を醸した裁判例にも適用されました。

道路空気拡散モデルの基本概念は、高速道路や幹線道路を線状汚染源と見なして、その付近の大気汚染物質レベルを計算することです。このモデルでは、交通量、車両速度、トラックの混合、車両の排出規制などの汚染源特性が考慮され、さらに道路の形状、周囲の地形、地域の気象も考慮されます。たとえば、多くの大気質基準では、最悪ケースに近い気象条件を適用することが求められています。

計算は非常に複雑であるため、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、ワークブック形式のマニュアルがスクリーニング手法として開発されています。結果を審査する必要がある場合 (訴訟など) は、現地の現場でのフィールド テスト データを使用してモデルを検証する必要があります。最適なモデルは、幅広い入力データ変数にわたって広範囲に検証されているため、この手順は通常は必要ではありません。

計算の結果は通常、平面図または断面図で等高線または等高線マップのセットになります。これらは通常、一酸化炭素、総反応性炭化水素、窒素酸化物、粒子状物質、ベンゼンの濃度として表されます。大気質科学者は、モデルを連続的に実行して、有害な大気汚染物質の濃度を減らす技術を研究できます (たとえば、道路の形状を再設計する、速度制御を変更する、または特定の種類のトラックを制限するなど)。このモデルは、新しい車両交通を誘発する主要な新しい道路または土地利用の変更を含む環境影響評価で頻繁に使用されます。

この理論の論理的な構成要素は、点源に対するガウス 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年にボサンケットとピアソンによって導き出されました^[3]。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考慮されていませんでした。グラハム・サットン卿は、プルームの垂直方向および横風拡散に対するガウス分布の仮定を含み、プルームの地面反射の影響も考慮した点源大気汚染物質プルーム拡散方程式を1947年に導きました[4 ^{] 。GAブリッグス[5]}によるモデルの改良と検証、および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なワークブックを作成したDBターナー^[1]によって、さらなる進歩が 遂げられました。

道路上の大気汚染の研究にアプローチするための線源モデルの開発の必要性を認識し、マイケル・ホーガンとリチャード・ベンティは一連の論文で点源方程式を統合する閉形式の解法を開発した。^{[6] [7]}

ESL の 数学的モデルは 1970 年までに線状発生源用に完成していましたが、モデルの改良により、道路表面の水平方向の範囲をエミュレートする「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す。しかし、彼らの焦点は道路シミュレーションであったため、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 Leda Patmore 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。実用的なコンピュータ モデルは 1970 年後半までに作成され、その後、カリフォルニア州サニーベールの米国ルート 101の交通を対象とした一酸化炭素の現場測定でモデルが調整されました。

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路上テストを使用し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。このガスが選ばれたのは、自然にも車両排気ガスにも発生せず、このような拡散研究に固有のトレーサーとなるためです。環境保護庁の動機の一部は、モデルを公開することだったのかもしれません。EPA の研究による検証が成功した後、モデルはすぐにさまざまな状況で使用され、道路周辺の大気汚染レベルを予測しました。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、および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 2 つの他の研究グループが何らかの道路空気拡散モデルを積極的に開発していることが知られていました。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Caltrans本部です。Caltrans の Caline モデルは、ESL Inc. グループから一部の技術を借用したものです。Caltrans はクローバーデールやその他の場所での初期のモデル適用作業の一部に資金を提供し、モデルの一部を使用する権利を与えられていたためです。

無限線光源の結果として得られる解は次のようになります。

${\displaystyle \chi \ =\int _{0}^{\infty }{\frac {q}{\pi \left(ucdx^{2}\right)\left(cos\alpha \right)}}\left(\exp {\frac {y^{2}}{2c^{2}x^{2}}}\right)dx}$

どこ：

xは観測者から道路までの距離である

yは観測者の高さである

uは平均風速である

αは基準フレームに対する線源の傾斜角である。

cとd はそれぞれ水平風向と垂直風向の標準偏差（ラジアンで測定）です。

この方程式は、エラー関数 (erf) を使用して閉じた形式の解に統合され、完全な無限線、線分、高架線、または線分から作成された円弧を含むようにジオメトリを変更できます。いずれの場合も、結果として生じる大気汚染物質の濃度の 3 次元コンターを計算し、数学モデルを使用して、代替の道路設計、最悪の気象条件のさまざまな仮定、または変化する交通状況 (たとえば、トラックの混合、車両の排出ガス規制、または車両速度の変化) を調査できます。

ESL 研究グループはまた、垂直ストリップのエリア ソース概念を導入してモデルを拡張し、車両の乱流によって生成される高速道路上の混合ゾーンをシミュレートしました。このモデルも 1971 年に検証され、現場テスト データとの良好な相関関係を示しました。

このモデルは、やや劇的なケースで初期にいくつか適用されました。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 号線の延伸をめぐってバージニア州高速道路委員会を相手取った訴訟の原告となり、連邦地方裁判所に訴訟を起こしました。ESL モデルは、提案された高速道路付近の空気の質を計算するために使用されました。米国第 4 巡回控訴裁判所の判決により、ACT はこの訴訟に勝訴しました。裁判所は、空気の質のレベルが大気浄化法に定められた連邦周辺空気質基準に違反すると予測した原告の専門家の計算と証言に特に注目しました。

2 つ目の論争となった訴訟は、ニュージャージー州イーストブランズウィックで起こりました。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幅な拡幅を計画していたのです。ここでも、道路空気拡散モデルが採用され、ターンパイク付近の住宅、学校、公園の大気汚染レベルを予測しました。上級裁判所での最初の審問で ESL モデルの結果が提示された後、判事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市民と交渉し、悪影響に対する大気質緩和策を策定するよう命じました。ターンパイク公社は ERT を専門家として雇用し、2 つの研究チームが新たに作成された道路空気拡散モデルを使用してこの訴訟の和解交渉を行いました。

CALINE3 モデルは、比較的単純な地形にある高速道路の風下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分散モデルです。CALINE3 は、より精巧な CAL3QHC および CAL3QHCR モデルに組み込まれています。CALINE3 は、そのユーザー フレンドリな性質と政府機関による推進により広く使用されていますが、元の Hogan-Venti モデルで対処された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できます。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をシミュレートするアルゴリズムが含まれています [1]。

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最近のモデルもいくつか開発されています。HYROAD拡散モデルは、国立共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モデルのパフと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）^{[リンク切れ‍ ]}。

TRAQSIM モデルは、米国運輸省の Volpe 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。このモデルには、非定常ガウス パフ アルゴリズムを使用した動的な車両挙動が組み込まれています。HYROAD とは異なり、TRAQSIM は交通シミュレーション、秒単位のモード排出、ガウス パフ拡散を、個々の車両を個別の移動源としてモデル化する完全統合システム (真のシミュレーション) に統合しています。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) と有害大気汚染物質 (HAP) の拡散をモデル化する方法を組み込むことです。

都市の峡谷や高速道路の構成に起因する複雑な都市気象を扱うモデルがいくつか開発されている。最も初期のモデル開発（1968-1970年）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だった。 ^[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ダイナ高速道路に適用され、成功を収めた。 ^{[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^[11]キャニオン・プルーム・ボックス・モデル^（[12]は現在バージョン3（CPB-3））、デンマーク国立環境研究所の運用街路汚染モデル（OSPM）、光化学反応を含み一次種と二次種の両方をモデル化できる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、車両誘起乱流（VIT）、道路誘起乱流（RIT）、^[13] の化学変換、大気汚染物質のエアロゾルダイナミクスを解析します。CTAGモデルは、高速道路建設環境の特性評価や、道路付近の大気汚染に対する植生障壁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さまざまな健康被害の発生率が高いことを示す最近の健康文献により、道路の新規および拡張、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特徴付けるために道路空気拡散モデルを使用する運輸機関の責任をめぐる法廷闘争が引き起こされています。

最近、ネバダ州のシエラクラブは、ネバダ州運輸局と連邦道路管理局に対し、ラスベガスの米国ルート 95の拡張が近隣の空気の質に与える影響を評価しなかったとして訴訟を起こしました。[2] シエラクラブは、新しい自動車交通による有害な大気汚染物質と粒子状物質の排出に対処するために、補足的な環境影響評価書を発行する必要があると主張しました。原告は、環境保護庁の MOBILE6.2 モデル、CALINE3 拡散モデル、およびその他の関連モデルを含むモデリング ツールが利用可能であると主張しました。被告は、米国地方裁判所でフィリップ プロ判事の下で勝訴しました。判事は、利用可能なモデリング ツールがないという運輸局の技術的主張が、科学雑誌に掲載された多数の査読済み研究 (例: Korenstein および Piazza、Journal of Environmental Health、2002 年) と矛盾しているにもかかわらず、運輸局の行動は「恣意的で気まぐれ」ではなかったと判決を下しました。米国第9巡回区控訴裁判所に上訴した控訴裁判所は、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は法廷外で和解し、米国ルート95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。

他にも注目を集めた数々の事件を受けて、環境保護団体は、近隣のコミュニティに対する新たな交通プロジェクトが大気質に与える影響を評価するために拡散モデルを使用するよう求めているが、現在までに州交通局と連邦道路局は、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、利用できるツールはないと主張している。[3]

最も論争を呼んだ訴訟としては、デトロイト複合一貫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）、デンバーの州間高速道路70号線東側の拡張（米国コロラド州）などがある。

これらすべてのケースにおいて、コミュニティベースの組織はモデリングツールが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ステップに不確実性が多すぎると主張している。コミュニティベースの組織にとっての大きな懸念は、交通機関が大気質分析で許容できる不確実性のレベルを定義したがらないことであり、それがモデル使用における不確実性と精度を扱っ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う比較されるかである。[4]

• 大気汚染拡散用語
• 大気拡散モデリング
• 大気拡散モデリングの参考文献
• ラインソース
• 大気拡散モデルのリスト
• 点源（汚染）
• ボリュームソース（汚染）

• EPA 規制大気モデリング支援センター
• EPA推奨モデル
• EPA の大気質モデリング グループ (AQMG)
• EPA の大気有害物質リスク評価 (ATRA) リファレンス ライブラリ