MODELE DE TRANSPORT

SI DISPERSIE A

POLUANTILOR IN MEDIUL

AERIAN

CUPRINS

• Metode de analiza si prognoza implementate in cadrul Proiectului AirForall.

• Sistemul cuplat de prognoza Aladin+Media

• Descrierea functionarii sub-modulului de modelare numerica in relatie cu utilizatorul.

Metode de analiza si prognoza implementate in cadrul Proiectului AirForall.

• Modele 3D de transport si difuzie atmosferica

- mezoscara

- scara fina (topografie, teren,sol + noi parametrizari fizice)

• Modele Gaussiene de dispersie• Modele de transport

Sistemul cuplat de modele-Modelul atmosferic 3D ALADIN – Modelul

Media de transport si difuzie a poluantilor atmosferici in Proiectul

Airforall.

Modelul ALADIN (model pe Arie Limitata Adaptare dinamica Dezvoltare InterNationala)

- versiunea pe arie limitata a modelului spectral global ARPEGE (Météo-France). -- integreaza numeric acelasi sistem de ecuatii primitive, modelul ALADIN

- Modelul ALADIN este implementat in ANM pe o statie de lucru SUN, al carei sistem de operare este Digital Unix.

In etapa actuala modelul lucreaza in regim de adaptare dinamica in versiune hidrostatica. Conditiile initiale si la limita (fisiere de cuplaj) sunt furnizate de solutia numerica a modelului global ARPEGE integrat la o rezolutie de circa 33 km.- Fisierele sunt post-procesate in grila si la rezolutia Romaniei, de aproximativ 10 km.- O integrare de 48 de ore conduce la obtinerea campurilor probabile la nivelele modelului. - O noua post-procesare furnizeaza campurile probabile (cat si alte campuri “diagnostice” folosite in prevederea operativa) la orice nivel dorit si pe orice subdomeniu al domeniului de integrare.

LAM Aladin

Arpege

• Doua tipuri de date concura la integrarea modelului: variabile prognostice (temperatura, vant, umezeala specifica,

presiunea la suprafata, temperatura solului, continutul de apa la suprafata si in profunzime si grosimea stratului de zapada);

constante (caracteristicile fizico-geografice ale suprafetei: orografia si parametrii asociati ei ca: abatere standard, anizotropia si directia axelor principale, lungimea de rugozitate, albedoul, emisivitatea, fractia de sol si gradul de acoperire cu vegetatie).

Constantele sunt generate in grila ALADIN o data la inceputul integrarii folosind o configuratie particulara a modelului, din date fizico-geografice disponibile (de exemplu date de la US NAVY). Aceeasi configuratie produce si datele climatologice in grila ALADIN: tem,peratura lunara la suprafata si sol, umezeala si grosimea stratului de zapada, proportia de vegetatie, albedoul, acoperirea terenului, caliatea solului. Campurile intiale si de la margine sunt obtinute din campurile ARPEGE prin interpolare, tinand cont de datele climatologice ALADIN, folosind o alta configuratie particulara a modelului. La interpolarea orizontala a campurilor climatologice si a variabilelor de suprafata se ia in considerare contrastul mare-uscat din grila ALADIN. Dupa interpolarea orizontala se aplica biperiodicizarea atat pentru campurile initiale cat si pentru cele laterale.

Domeniul de lucru al modelului :

- 41 nivele pe verticala

- 10km rezolutia pe orizontala, putand cobora functie de puterea de calcul

- integrarea se face pe un domeniu orizontal, obtinut in urma proiectiei conforme de la sfera la plan, impartit in 2 zone:

zona C I- domeniul fizic real– in zona C se integreaza ecuatiile

primitive

– in zona I este o zona intermediara, introdusa pentru a absorbi undele de gravitatie de scara mica si pentru a putea fi impusa o solutie de scara mare intregului domeniu (prin adaugarea unui termen suplimentar ecuatiilor primitive).

Aici datele meteorologice pot fi masurate si prognozate

zona E in care campul real este extins pentru a obtine un domeniu ciclic bi-periodic

• Organisation of the horizontal domain of Arpege/Aladin

•

O rgan isa tio n o f the ho rizo n ta l d o m ain o f A rp ege /A lad in

C

EI

uxL

uyL

yL

xL

Geometria modelului

• Modelul ALADIN lucreaza intr-o geometrie carteziana, fereastra interioara a modelului, C I, continand o grila regulata de puncte.

• Problema care se pune si pe care o rezolva rutina de geometrie a ALADIN, EGGX, este cunoasterea factorului de scara corespunzator proiectiei in fiecare punct de grila si a perechilor (, ) asociate fiecarui punct de grila (unde sunt definite constantele de sol, initializate si prognozate variabilele modelului).

• Definirea domeniului se realizeaza prin coordonatele geografice ale celor doua colturi ale domeniului de lucru, de sud-vest si nord-est.

• Proiectia Lambert este proiectia unui con pe sfera, axa conului fiind paralela cu axa de rotatie a Pamantului, iar Polul fiind un punct singular al acestei transformari de coordonate. In implementarea operativa a modelului, conul este considerat tangent la sfera.

• Dinamica modelului. Ecuatiile primitive care stau la baza integrarii modelului sunt scrise intr-un sistem de axe in care coordonata verticala este - coordonata hibrida ce deriva din presiune, definita astfel:

• P(x,y,z,t) = A() + B() Ps(x, ,t) ,

unde Ps este presiunea la suprafata, iar verifica anumite conditii

• Sistemul de ecuatii primitive pe

sfera este proiectat pe domeniul plan de integrare.

• Parametrizarile fizice din modelCodul numeric al fizicii modelului ALADIN asigura o buna concordanta cu dinamica modelului. El satisface o consistenta totala intre schema de parametrizare, ansamblul de constante universale si termodinamice si

ecuatiile modelului.• Procesele fizice care sunt parametrizate pentru vant sunt: difuzia

turbulenta verticala, schimbul vertical de masa, transportul vertical de masa datorat undelor de gravitatie generate de schimbarile de masa la scara mica ale orografiei, tendinta rezultata din transportul de masa prin caderea precipitatiilor.

• Procesele fizice care sunt parametrizate pentru temperatura sunt: bilantul radiativ, incluzand absortia radiatiei solare directe si imprastierea, difuzia turbulenta verticala, incluzand redistributia turbulenta a caldurii de la suprafata, schimburile verticale datorate convectiei; incalzirea si racirea datorate condensarii ploii in norii stratificati si convectivi, evaporarea ploii, toate procesele descrise prin considerarea a doua sau trei faze ale apei, tendinta datorata efectului de cadere a precipitatiilor si cele pentru umiditatea specifica.

• Termodinamica modelului ia in considerare in mod diagnostic prezenta apei condensate in atmosfera. Astfel, se presupune ca ea precipita instantaneu in

straturile inferioare. • Schema de radiatie permite calculul tendintelor de temperatura datorate

fluxurilor radiative ascendente si descendente la fiecare pas de timp. Solutia ecuatiei de transfer radiativ pentru calculul grosimii optice include dependenta de acoperirea noroasa. Aceasta din urma este obtinuta in maniera diagnostica

• Stratul limita de la suprafata si transferurile verticale turbulente au o formulare in coeficienti de schimb si depind de numarul lui Richardson si de altitudine. Deasupra stratului limita de la suprafata se presupune ca schimburile verticale sunt dependente de lungimea de amestec si de convectia putin adanca.

• Schema de convectie se bazeaza pe calculul conditiilor caracteristice in nor: flux de masa, temperatura, umezeala specifica, etc. De aici se deduc tendintele de umezeala, temperatura si cantitate de miscare asociate fluxului de masa convectiv

• Suprafata solului are o reprezentare complexa in cadrul modelului prin parametrizari ale: contrastului mare-uscat, albedoului, emisivitatii, lungimii de rugozitate, proportiei de vegetatie, efectelor de sub grila.

Datele furnizate de modelul ALADIN, in proiectie Lambert sunt interpolate intr-o grila regulata latitudine-longitudine, plasata dupa caz peste un anumit domeniu de interes de pe teritoriul Romaniei. Acestea constituie +-date de intrare in modelul de transport al poluantilor MEDIA.

• Modelul ALADIN care se integreaza operativ in ANM, are urmatoarele caracteristici:

• Masina: statie de lucru SUN• Sistemul :UNIX • Dimensiune grila: 10 km• Numar puncte: 89x89 (extensie 100x100)• Nivele verticale: 41• Cuplat: cu ARPEGE• Interval de prognoza: 48 ore• Latitudinea , longitudinea coltului SE: 41.11° N , 20.69° E• Latitudinea , longitudinea coltului NE: 49.80° N , 32.13° E

Functionare operativa

Rezumatul caracteristicilor modelului ALADIN:

• este versiunea hidrostatica, pe aria limitata a unui model global de prognoza numerica a vremii, care este operational la Meteo-France, Toulouse;

• este implementat in Romania, in ANM, primind conditii initiale si la limita de la Meteo-France via INTERNET;

• este structurat pe 41 nivele verticale;• are pasul de timp - 450 s.• are rezolutia spatiala- 10 Km;• In configuratia implementata in Airforall, el furnizeaza date meteorologice

prognostice pentru modelul de poluare:

Parametrul Nivelul vertical post-procesatVant orizontal 9 nivele de presiune , 10mVant vertical 9 nivele de presiune Temperatura 9 nivele de presiune , 2mUmezeala specifica 9 nivele de presiune ,10mPrecipitatii convective si stratiforme, ploaie, zapada suprafataPresiunea aerului suprafata

Caracteristici ale modelului ALADIN-varianta la scara fina (aprox. 2.5km) in Airforall

• Experimentele facute cu aceasta varianta au vizat o portiune din judetul Maramures, ce include orasul Baia Mare;

• integrarea modelului se face pe o grila cu pasul de aproximativ 2.5km

• pentru obtinerea din modelul ALADIN, a fisierelor de input pentru integrarea modelului MEDIA, sunt necesare doua etape:– decuparea suprafetei cuprinse intre: 47.2 - 48.0N si

23.0 - 23.8 E, pe care se va face integrarea modelului atmosferic

– integrarea propriu-zisa a modelului ALADIN

Modelul MEDIA - Model Eulerian de DIspersie

Atmosferica

Introducere

• Studiul poluarii atmosferice implica descrierea, explicarea si prognoza comportamentului substantelor emise in atmosfera. Aceste substante sunt transportate de vant, amestecate in atmosfera prin fenomenele de turbulenta si uneori antrenate si depuse la suprafata terestra cu ajutorul precipitatiilor. Turbulenta este de fapt responsabila de dispersia poluantilor in spatiu in jurul unei directii medii de propagare. In difuzia atmosferica, factorii meteorologici care au o influenta directa sunt vantul, structura verticala a temperaturii si umezelii si precipitatiile.

• Toti factorii care genereaza o buna turbulenta contribuie la reducerea consecintelor asupra mediului inconjurator, amestecand poluantul in atmosfera.

• Concentratia unui poluant emis in atmosfera poate fi prognozata, plecand de la un model de prognoza atmosferica, cuplat cu un model numeric de transport al poluantului. Este cazul cuplajului dintre modelul de transport MEDIA si modelul atmosferic de prognoza a vremii ALADIN.

• Modelul MEDIA este un model eulerian tridimensional, utilizat in prognoza transportului si dispersiei poluantilor atmosferici, elaborat de un colectiv de cercetatori francezi de la Météo-France. El este cuplat cu un model de prognoza numerica a vremii, elaborat printr-o cooperare internationala, in care Romania este partener. Ambele modele sunt implementate la ANM Bucuresti pe o platforma Alpha Dec Station 250 4/266, cu sistem de operare Digital Unix.

iSSCCt

C 0 KV

1. ECUATIILE MODELULUI

Concentratia unui element chimic pasiv din atmosfera urmeaza legea conservarii masei:

unde: C este concentratia de poluant intr-un punct dat, la momentul t; V-este vectorul vant furnizat de modelul de prognoza

numerica a vremii;K-este tensorul lui Reynolds;So-reprezinta termenii sursa;

Si- reprezinta termenii puturi.

• ADVECTIA - termenul (V ·C)

concentratia de poluant este advectata eulerian prin campul 3D de vant prognozat de modelul ALADIN;

pentru conservarea masei si a energiei este folosita metoda elementului finit, cu functii “chapeau”.

Difuzia turbulenta-termenul (K·C)

Pentru coerenta cu modelul atmosferic, difuzia este modelata folosind coeficientii de schimb (se presupune ca poluantul este difuzat in acelasi mod cu vaporii de apa din atmosfera)

.

* difuzia orizontala - modelata prin diferente finite.

* difuzia verticala -

- depinde de gradientul termic si de forfecarea vantului; pentru parametrizare se estimeaza coeficientul de schimb vertical printr-o formula in care intra:

- Vh - vintul orizontal;

- l lungimea de amestec.

- modelarea se face prin metoda elementelor finite

TERMENII PUTURI - Si

Principalele procese de saracire a continutului norului de poluant sunt:

-spalarea prin precipitatii- depuneri umededepuneri umede;

-captarea datorata particulelor de suprafata-depuneri uscatedepuneri uscate;

- transformarile chimice ale poluantului;

-procese de dezintegrare radioactiva.

A) Depunerea umeda-

Depunerea umeda datorata spalarii prin precipitatiieste parametrizata folosind un coeficient global detransfer din aer catre apa, care descrie diluarea saucaptarea, legat fiind de precipitatiile prognozate demodelul atmosferic. Rata de depunere umeda Dw se exprima:

Dw = Cm·E·P / mw

Cm - este concentratia medie in stratul care precipita;

E este coeficientul de spalare;

P este intensitatea precipitatiilor;

mw este masa specifica de apa.

TERMENII PUTURI

B) Depunerea uscata:

parametrizarea depunerii

uscate s-a facut prin

intermediul unui coeficient ,

care are dimensiunea unei

viteze. Ecuatia pentru rata de

depunere uscata este:

Dd = vd · Csol

cu vd - viteza de depunere

Csol - concentratia din aer in

apropierea solului

C)Dezintegrarea radioactiva

este simulata in cazul poluantilor radioactivi, aplicand legea dezintegrarii radioactive.

TERMENUL SURSA

• Termenul sursa este prezentat printr-o distributie gaussiana, care descrie astfel difuzia intr-o scara de sub grila, schema fiind simplificata prin ipotezele:

-izotropia orizontala;-omogeneitatea verticala.

Formula variatiei concentratiei in puncte de grila vecine sursei:

C - concentratia de poluant

Q(t) - debitul de poluant emis de sursa

- suprafata ochiului de retea ce contine sursa

H - extensia verticala a norului de poluant

d - distanta fata de sursa

2

2

2 2exp

2 rr

d

H

tQ

t

C

SISTEMUL DE COORDONATE folosit de MEDIA

Sistemul de coordonate cerut de modelul MEDIA este:

• pe orizontala: latitudine-longitudine

• pe verticala 13 nivele sigma

CUPLARE MODELE ALADIN-MEDIA

• se integreaza modelul MEDIA, tinand cont de informatii despre sursa (sursele) care emite substanta poluanta si de datele meteorologice prognostice furnizate de modelul ALADIN, adaptate cerintelor de input ale modelului 3D de transport al poluantilor.

• se proceseaza iesirile optionale- program de grafica care furnizeaza setul de harti probabile ale pozitiei norului de poluant din trei in trei ore. Hartile reprezinta izolinii de log10 C, unde C este concentratia medie de poluant prognozata.

REZULTATE

• Sunt prezentate rezultatele integrarii pe 24 de ore a modelului MEDIA, cuplat cu ALADIN - pe doua domenii, D1(la 10km), D2 (la 5km), considerand acelasi scenariu de poluare :

• Una din sursele poluante este plasata la Baia Mare–coordonate 47.68° N, 23.62° E;

• extinderea verticala a norului de poluant:

- inaltimea bazei norului la 10 m;

- inaltimea varfului norului la 500 m;

- cantitatea de poluant emisa - 1 g/s (3600g/h);

• se considera ca sursa emite 11 ore.

REZULTATE (D1) 16.04.2004

• Domeniul de integrare: rezolutie 10 km (78 x86puncte)

42.2 0 - 49.7 0

20.8 0 - 30.5 0

• Frecventa datelor meteo la iesirea din modelul ALADIN, pentru 24 ore de prognoza :

din 6 in 6 ore

• Pasul de timp al modelului MEDIA este de 15 minute.

• Ca rezultat al integrarii modelului MEDIA se obtin in grila aleasa campurile probabile ale logaritmului concentratiilor de poluant. Rezultatele sunt procesate din trei in trei ore.

Evolutia norului de poluant dupa 6 si 9 ore de integrare (D1)

Evolutia norului de poluant dupa 12 si 15 ore de integrare (D1)

Campul de vant furnizat de modelul ALADIN dupa 6 ore de integrare

REZULTATE (D2) 16 aprilie 2004

• Domeniul de integrare - include jud. Maramures: rezolutie 5.5 km (31 x 45 puncte)

46.800 - 48.300

22.500 - 24.700

• Frecventa datelor meteo la iesirea din modelul ALADIN (varianta hidrostatica), pentru 24 ore de prognoza

din 3 in 3 ore

• Pasul de timp al modelului MEDIA este de 7.5 minute

• Ca rezultat al integrarii modelului MEDIA se obtin in grila aleasa campurile probabile ale logaritmului concentratiilor de poluant, procesate din trei in trei ore.

.

Evolutia norului de poluant dupa 6 si 9 ore de

integrare (D2)

Evolutia norului de poluant dupa 12 si 15 ore de integrare(D2)

Rezultate model MEDIA-domeniul D3 cu rezolutie fina(2.5km)- emisie PB

- Rularea s-a facut pentru 7 martie2005 obtinandu-se o prognoza pe 24 de ore a norului de poluant, pe domeniul 23.0 – 23.8 E, 47.2 – 48.0 N, cu pasul de 2.5km, folosind fisierele postprocesate din modelul ALADIN

- Date despre sursa: media zilnica a emisiilor de plumb de la cele 2 surse- Cuprom si Romplumb: 0.002g/s si respectiv 0.06g/s

- extinderea verticala a norului de poluant:- inaltimea bazei norului la 10 m;- inaltimea varfului norului la 500 m;

- emisia este pe 24 ore

Evolutia norului de poluant (PB) dupa 6 si 24 ore de integrare(D3-

2.5km) (CU+RPB)

Rezultate model MEDIA-domeniul D3 cu rezolutie fina(2.5km)-emisie SO2

- Rularea pentru 7 martie2005 obtinandu-se prognoza pe 24 de ore a norului de poluant, pe domeniul 23.0 – 23.8 E, 47.2 – 48.0 N, cu pasul de 2.5km, folosind fisierele postprocesate din modelul ALADIN

- Date despre sursa: media zilnica a emisiilor de SO2 de la

sursa Romplumb: 92g/s

- extinderea verticala a norului de poluant:

- inaltimea bazei norului la 10 m;

- inaltimea varfului norului la 500 m;

- emisia este pe 24 ore

Evolutia norului de poluant (SO2) dupa 6 si 24 ore de integrare(D3-

2.5km) de la RPB

Rezultate model MEDIA-domeniul D3 cu rezolutie

fina(2.5km)- emisie pulberi - Rularea s-a facut pentru 7 martie2005

obtinandu-se o prognoza pe 24 de ore a norului de poluant, pe domeniul 23.0 – 23.8 E, 47.2 – 48.0 N, cu pasul de 2.5km, folosind fisierele postprocesate din modelul ALADIN

- Date despre sursa: media zilnica a emisiilor de pulberi de la cele 2 surse- Cuprom si Romplumb: 0.005g/s si respectiv 0.17g/s

- extinderea verticala a norului de poluant:- inaltimea bazei norului la 10 m;- inaltimea varfului norului la 500 m;

- emisia este pe 24 ore

Evolutia norului de poluant (pulberi) dupa 6 si 24 ore de

integrare(D3-2.5km) (CU+RPB)

CONCLUZII

Modelul, complexitatea, scara si tipul simularii la care efectueaza prognoza numerica sunt optiuni ale utilizatorului;

Rezolutia temporala in modelul de transport al poluantilor este functie de rezolutia spatiala folosita pentru domeniul ales;

Modelul poate fi rulat pentru mai multe surse deodata, care emit acelasi poluant, obtinand cumulul de concentratii probabile.