Modellering av atmosfærisk spredning

Den atmosfæriske spredningsmodeller er en simulering av dispersjonen fjær føre til forurensning i en gitt kontekst og temporality, laget ved hjelp av matematiske verktøy og datamaskin og kartlegging. Modellene søker å ta hensyn til de direkte og indirekte konsekvensene, i rom og i tid, av utslipp (utilsiktet eller ikke) av uønskede, farlige eller giftige stoffer (gasser, partikler, aerosoler, radionuklider, etc.).

applikasjon

Det brukes til å bedre vurdere, forutsi og forhindre konsekvensene av atmosfærisk forurensning på bygninger, helse og økosystemer, for eksempel i tilfelle forurensninger som slippes ut av stasjonære eller mobile kilder, eller i tilfelle risikoer forårsaket av branner. (Risiko for kvelning eksplosjoner, forurensning eller sekundær forurensning av jord, grunnvann eller sjø), ved ulykker, bevisst utslipp av flyktige forurensninger osv.

Modellering er også mye brukt for å studere effekten av lekkasje av radiotoksiske produkter eller effekten av atomulykker , inkludert i radioøkologi . Det samme gjelder risikoen forårsaket av spredning av smittsomme organismer, etc.

Atmosfærisk dispersjonsmodellering er en tredimensjonal simulering av atmosfæriske strømninger som derfor går langt utover det enkle rammeverket for værvarsling . Å tolke resultatene av beregninger krever å kombinere ferdigheter innen toksikologi , økotoksikologi og atmosfærisk kjemi

På bildet motsatt vil det være sannsynlig at røyken som sendes ut under et atmosfærisk inversjonstak av den laveste stakken, vil forårsake betydelige bakkeeffekter nedstrøms, mens den som sendes høyere opp, spres i høyden. Forurensningen som er fanget i de nedre lagene kan noen ganger til og med sirkulere i motsatt retning av den rådende vinden eller vinden som hersker i det høyere atmosfæriske laget. Modellene må derfor ta hensyn til variasjoner i luftens oppførsel i alle høyder av luftkolonnen.

Prinsipper

Det grunnleggende prinsippet er at, teoretisk, er den atmosfæriske spredningen av forurensende stoffer et fenomen som kan modelleres og simuleres , basert på teorien om fluidmekanikk .

Inndata

En vellykket modell må være basert på egnede inndata:

Meteorologiske data ;
Feltdata (eller topografiske ) data;
Typer utslippskilder;
Typene av parameterisering av utslippskilder;
Forurensningens art;
Utslippsmekanismene.

Modellering blir vanskeligere og må konfigureres når miljøet er mer komplekst på grunn av:

geomorfologi (fjell, daler, takket kystlinje, elvemunninger, kløfter);
fargene (dominerende eller lokalt veldig lyse eller veldig mørke farger, som spiller en rolle når det gjelder albedo);
konstruksjoner (byarkitektonisk, aktivitetssone osv.):
flora (skog med mer eller mindre tett baldakin og variabel etter årstid), enger eller brøyting, før eller etter høsting, etc. som sesongmessig modifisere den grovheten av landskapet, dens albedo og dens termo-hygrometriske egenskaper, i særdeleshet knyttet til fordampning);
komplekse meteorologiske forhold ( atmosfærisk inversjon , dis , turbulens, etc.);
mangel på kunnskap om forurensningen (særlig angående nanoforurensende stoffer, mange nye forurensninger og forurensningskompleksene som kan virke synergistisk med hverandre)

Moderne teknikker, avledet fra eksisterende modeller, når de er implementert, gjør det likevel mulig å forutsi mer og mer pålitelig måten forurensningene vil spre seg i atmosfæren, det vil si å estimere eller forutsi vindretningen og konsentrasjonen av luftforurensninger. eller giftstoffer fra forurensende kilder.

Invers modellering

Noen ganger er det nødvendig å etablere retrotrajectories; på grunnlag av nedfall, eksponeringsdata og meteorologiske arkiver er det da nødvendig å rekonstituere forurensningskilden ved hjelp av " invers modellering " ).

Siden 1990-tallet har denne typen modellering utviklet seg mye, og utnyttet forbedringer innen informatikk og meteorologiske modeller, som har vært i stand til å bruke de kraftigste datamaskinene i flere tiår.

Den retrospektive modelleringen av luftforurensninger (eller vannforurensninger) er ikke perfekt, men utvikler seg. Denne typen modellering ble for eksempel brukt til å rekonstruere de betydelige utslippene (historisk rekord) av Xenon 133 ( radioaktivt ) som dukket opp etter Tohoku-jordskjelvet i 2011 , og før og etter tsunamien som fulgte .

Bruk og begrensninger

Den atmosfæriske spredningsmodelleringen har mange bruksområder:

oppfylle lovgivningsmessige forpliktelser for å informere og beskytte befolkningen, og til obligatorisk overvåking av visse forurensninger i forskjellige skalaer. Disse skalaene kan være globale (f.eks. Overvåking av forurensende stoffer som nedbryter ozonlaget ), overnasjonale (f.eks. For grenseoverskridende overvåking av kvikksølv , bly og kadmium , tre store forurensninger hvis overvåking er obligatorisk i Europa), nasjonale eller lokale.
arkitekter eller byplanleggere eller administrative myndigheter som er ansvarlige for by- og landsplanlegging, bruker den til å bedre forutsi og forhindre opphopning av forurensende stoffer, og begrense effekten av urbane varmebobler , eller unngå "canyon-effekten" knyttet til morfologier i gater og bygninger. Spesialiserte organer som er ansvarlige for luftbeskyttelse, slik som National Ambient Air Quality Standards i USA eller det franske byrået for miljø- og arbeidsmiljøsikkerhet, kan også bruke disse verktøyene på en forebyggende måte for å autorisere eller ikke etablere et industriområde. De gjør det også mulig å forhåndsbestemme effektive sikkerhetsplaner ved å optimalisere ledelsen for beredskapspersonell i tilfelle en industriulykke eller finne effektive midler for å bekjempe skadelige luftforurensninger.
Under havn, vei, flyplass, industriell utvikling eller sannsynligvis vil være en kilde til forurensning (forbrenningsovn osv.) Gjør modellering det mulig å unngå å eksponere fremtidige boliger, skoler, sykehus eller dyr, avlinger osv. med en risiko for forurensning av en kronisk eller utilsiktet forurensning.
spesialister i helserisiko eller øko-epidemiologi knyttet til luftbårne bioforurensninger kan bruke den til å studere eller forutse visse epidemier;
ad hoc administrative myndigheter bruker av og til atmosfæriske spredningsmodeller for å regulere biltrafikken for å begrense effektene i luften når værforholdene bidrar til stagnerende forurensning.
Noen spesialister sivil sikkerhet bruker den som en del av krisehåndteringen av luftforurensning (eller forberedelse for et mulig angrep), inkludert for å overvåke grenseoverskridende forurensning eller oppnåelse av ryggbaner av forurensningsplommer. Disse modellene brukes under arbeidsulykker eller hendelser som forårsaker utilsiktet utslipp av luftforurensninger ( bioforurensninger , kjemikalier , radionuklider, etc.). Modellering av spredning av gasser og røyk kan også bidra til å forhindre visse effekter av naturlige fenomener som på grunn av vulkanutbruddet . Spredningen av Tsjernobyl-skyen har vært gjenstand for mange modeller.
modellering av spredning av pollen i luften er av økologisk, agronomisk og sanitær interesse (jf. pollenallergi) og har også blitt brukt for å forhindre, om mulig, kryssbestøvning rundt avlinger av GMO- planter .

Disse simuleringene er alltid veldig komplekse. De pålegger derfor betydelig datatid og ressurser. Men fremgangen deres gjør det mulig å gi for eksempel et estimat over lokaliseringen av områdene som er mest berørt av forurensning, nivået av forurensende stoffer som innbyggerne eller nødetatene vil måtte møte. Rednings- eller krisehåndteringsorganisasjoner kan dermed bedre tilpasse ressursene sine i henhold til situasjonen (nåværende og fremtidig) og gjennomføre passende beskyttelsestiltak (for eksempel for å unngå å gjenåpne et evakuert område der vinden igjen kan føre til forurensning).

Fremskritt innen informatikk og modellering har forbedret nøyaktigheten til modeller, spesielt i forurensningskontekster i lav høyde og inversjonslag i heterogene landskap og spesielt i sammenheng med en kompleks "urban baldakin" (dvs. i nærvær av en veldig stor antall komplekse bygninger).

En spredningsmodell, til og med semi- empirisk , kan konsolideres ved målinger i vindtunneler (hvor termiske gradienter kan rekonstrueres), men kan bare valideres ved sammenligning med målinger gjort i den virkelige verden, i det modellerte feltet og under forskjellige værforhold .

Noen eksisterende modeller

ADMS 4.2
AERMOD
ATSTEP
CALPUFF
DISPERSJON21
ISC3
NAVN
KVIKSEL
MOCAGE-Ulykke
FJELLET
PERLE
RIMPUFF
SIRANE
SIKKER LUFT
PUFF-FJER

Se også

Relaterte artikler

Eksterne linker

(Fr)

Bibliografi

(fr) M Bocquet, Bruno Sportisse (2007), Invers modellering for luftkvalitet: elementer av metodikk og eksempler ; Luftforurensning ( Inist / CNRS-sammendrag )
(fr) A Khlaifi, A Ionescu, Y Candau (2010), Design av et nettverk av sensorer for estimering av kilder til kronisk forurensning ved omvendt modellering - Atmosfærisk forurensning ( Sammendrag av Inist / CNRS )
(fr) P MAYS (2002), Måling og estimering av diffuse og flyktige utslipp ; Miljø og teknikk, ( INST / Cnrs-sammendrag )
(fr) Y Roustan t al. (2005), doktoravhandling, Modellering av kvikksølv, bly og kadmium på europeisk skala ; National School of Bridges and Roads, 2005-12-12 med pastell.archives-ouvertes.fr, PDF, 167 s
(fr) Y Roustan t al. (2006), Modellering av kvikksølv, bly og kadmium i europeisk skala (Jf POLAIR3D kjemitransportmodell og invers modellering); Tidsskrift: Luftforurensning; 2006, vol. 48, nr191, s. 317-326, 10 side (r); ( ISSN 0032-3632 ) ( Résumé Inist / CNRS) * (fr) Bruno Sportisse (2008), Luftforurensning: Fra prosesser til modellering; Springer, 1. jan. 2008 - 351 sider ([https://books.google.fr/books?id=dOcWwb4O8B4C&dq=%22mod%C3%A9lisation+inverse%22&lr=&hl=fr&source=gbs_navlinks_s ekstrahert med google bøker)
(fr) Uliasz, M. (1983), Anvendelse av forstyrrelsesteorien til følsomhetsanalysen av en luftforurensningsmodell ; Zeitshrift für Meteorologie, 33: 169 {181
(en) Wu, Y., Brashers, B., Finkelstein, P. L. og Pleim, JE (2003), En flerlags biokjemisk tørravsetningsmodell 1. Modellformulering ; J. Ge ophys. Res. 108: D14013
(no) Zhang, L., Moran, MD, Makar, P. A., Brook, JR og Gong, S. (2002), modellering av gassformet tørravsetning i AURAMS: et samlet regionalt luftkvalitetsmodellsystem ; Atmos Ca. , 36: 537 {560
(fr) A Ionescu (2010), Tilbake til kildene til luftforurensning: synspunkt fra franske forskere ; Luftforurensning, red: APPA
V Mallet, D Quélo, B Sportisse, I Korsakissok (2007), Polyphemus: en multimodell plattform for luftforurensning og risikovurdering ; Forurensning ..., 2007; PDF, 10 s, med hal.archives-ouvertes.fr
Sportisse B (1999) Bidrag til modellering av reaktive strømmer: Reduksjon av kjemiske kinetikkmodeller og simulering av atmosfærisk forurensning (Doktoravhandling, Palaiseau, École polytechnique).

Referanser

Monika Krysta, Numerisk modellering og dataassimilering av radionukliddispersjon i nærfeltet og på kontinental skala , Val de Marne, koll. “Doktoravhandling ved Universitetet i Paris XII”, 196 s. ( les online [PDF] )
" Modellering av atmosfærisk spredning | Avizo Experts-Conseils ” , på Avizo Experts-Conseils | Miljø, infrastruktur og konstruksjon ,12. mai 2020(tilgjengelig på en st august 2020 )
(in) Prof. P. Burt ( University of Greenwich ), " Hvordan elvemunninger produserer lokal flytrafikk - Hvordan disse lokale vindene og turbulensen som er fremkalt av topografi, kan påvirke spredningen av aerosolstørrelsesområdet på 2, 5 og 10 μm betydelig " [ PDF] , ATTMA Aerosol Day
Cionco R (1965) En matematisk modell for luftstrømmen i en vegetativ baldakin . J. Appl. Met., 4,517–522.
Eksempel på omvendt modelleringsmetode: Doktorgradsavhandling i kjemi, atmosfærisk forurensning og miljøfysikk , med tittelen: Omvendt modellering for optimalisering av primære kilder til luftforurensning i regional skala , av I Pison (2005), med Open-Archives
CC Marchant & al. (2011), Estimering av utslippshastigheter for partikler fra meieriprodukter ved lidar og omvendt modellering ; Transaksjoner av ASABE; Ed: American Society of Agricultural Engineer; flygning. 54, nr4, s. 1453-1463 ; 11 side (r); ( ISSN 2151-0032 ) ( Sammendrag Inist CNRS )
M Bocquet (2010), Omvendt modellering av utilsiktede luftforurensningskilder: nylig fremgang ; Luftforurensning, 2010 - ( Sammendrag Inist / CNRS )
Reactor ulykke Fukushima pressemeldingen- Ny internasjonal studie om utslipp av radioaktive stoffer i atmosfæren ; og " study " ( Arkiv • Wikiwix • Archive.is • Google • Hva skal jeg gjøre? ) (versjon sendt til et fagfellevurdert tidsskrift og vil derfor sannsynligvis bli senere endret)
Roustan Y (2005) Modellering av atmosfærisk spredning av kvikksølv, bly og kadmium i europeisk skala (PhD-avhandling fra École des Ponts / ParisTech
Sotiris Vardoulakis, Bernard EA Fisher, Koulis Pericleous, Norbert Gonzalez-Flescac; Modellering av luftkvalitet i gatekløfter: en anmeldelse Atmosfærisk miljø ; Atmospheric Environment 37 (2003) 155–182 37 (2003) 155–182 ( abstrakt og full artikkel )
Jarosz N (2003) Studie av atmosfærisk spredning av maispollen: bidrag til å kontrollere risikoen for kryssbestøvning (Doktoravhandling, INAPG AgroParisTech)
Foudhil H (2002) Utvikling av en digital modell for atmosfærisk spredning av partikler på skalaen til et heterogent landskap (Doktoravhandling, Bordeaux 1)
Soulhac L (2000) Modellering av atmosfærisk spredning inne i den urbane baldakinen (Doktoravhandling, École Centrale de Lyon), PDF, 349 sider
Charpentier C (1967) Studie av stabiliteten til en kunstig produsert termisk gradient i lav hastighetsstrøm ved hjelp av et rutenett av varmeelementer . EDF intern rapport