Modellering af atmosfærisk spredning

Den atmosfæriske spredning modellering er en simulering af spredning faner af forurening i en given kontekst og midlertidighed, lavet ved hjælp af matematiske værktøjer og computer og kortlægning software. Modellerne søger at tage hensyn til de direkte og indirekte konsekvenser i rummet og i tid af frigivelser (utilsigtet eller ej) af uønskede, farlige eller giftige stoffer (gasser, partikler, aerosoler, radionuklider osv.).

Ansøgning

Det bruges til bedre at vurdere, forudsige og forebygge konsekvenserne af atmosfærisk forurening på bygninger, sundhed og økosystemer, for eksempel i tilfælde af forurenende stoffer, der udsendes af stationære eller mobile kilder, eller i tilfælde af risici forårsaget af brande. (Risiko for kvælning eksplosioner, forurening eller sekundær forurening af jorden, grundvandet eller havet) ved ulykker, bevidst spild af flygtige forurenende stoffer osv.

Modellering bruges også i vid udstrækning til at undersøge virkningerne af lækage af radiotoksiske produkter eller virkningerne af nukleare ulykker , herunder inden for radioøkologi . Det samme gælder for de risici, der er forårsaget af spredning af infektiøse organismer osv.

Atmosfærisk dispersionsmodellering er en tredimensionel simulering af atmosfæriske strømme, som derfor går langt ud over den enkle ramme for vejrudsigter . At fortolke resultaterne af beregninger kræver en kombination af færdigheder inden for toksikologi , økotoksikologi og atmosfærisk kemi

På billedet modsat vil den røg, der udsendes under et atmosfærisk inversionsloft af den laveste stak, sandsynligvis forårsage betydelige jordeffekter nedstrøms, mens den, der udsendes højere op, spredes i højden. Den forurening, der således fanges i de nederste lag, kan undertiden endda cirkulere i den modsatte retning af den fremherskende vind eller vinden, der hersker i det højere atmosfæriske lag. Modellerne skal derfor tage højde for variationer i luftens opførsel i alle højder af luftsøjlen.

Principper

Grundprincippet er, at den atmosfæriske spredning af forurenende stoffer teoretisk er et fænomen, der kan modelleres og simuleres , baseret på teorien om fluidmekanik .

Indtast data

En vellykket model skal baseres på passende inputdata:

• Meteorologiske data ;
• Feltdata (eller topografiske ) data
• Typer af emissionskilder
• Typerne af parametrering af emissionskilder;
• Forureningenes art
• Emissionsmekanismerne.

Modellering bliver vanskeligere og skal konfigureres, når miljøet er mere komplekst på grund af:

• geomorfologi (bjerge, dale, tagget kystlinje, flodmundinger, kløfter);
• farverne (dominerende eller lokalt meget lyse eller meget mørke farver, som spiller en rolle med hensyn til albedo)
• konstruktioner (byarkitektonisk, aktivitetszone osv.):
• flora (skove med mere eller mindre tæt baldakin og varierende afhængigt af årstid), enge eller pløjning før eller efter høst osv. som sæsonmæssigt modificere den ruhed af landskabet, dets albedo og dens termo-hygrometriske karakteristika, navnlig bundet til evapotranspiration);
• komplekse meteorologiske forhold ( atmosfærisk inversion , dis , turbulens osv.);
• manglende viden om det forurenende stof (især med hensyn til nanoforurenende stoffer, mange nye forurenende stoffer og de forurenende komplekser, der kan virke synergistisk med hinanden).

Moderne teknikker, afledt af eksisterende modeller, når de først er implementeret, gør det ikke desto mindre muligt at forudsige mere og mere pålideligt, hvordan forurenende stoffer vil sprede sig i atmosfæren, det vil sige at estimere eller forudsige vindretningen og koncentrationen af ​​luftforurenende stoffer eller toksiner fra forurenende kilder.

Omvendt modellering

Det er undertiden nødvendigt at etablere retrotrajectories; på baggrund af nedfald, eksponeringsdata og meteorologiske arkiver er det nødvendigt at rekonstituere forureningskilden ved hjælp af ”  invers modellering  ” ).

Siden 1990'erne har denne type modellering udviklet sig meget ved at drage fordel af forbedringer inden for datalogi og meteorologiske modeller, som har været i stand til at bruge de mest kraftfulde computere i årtier.

Den retrospektive modellering af luftforurenende (eller akvatiske) forureningsfuger er ikke perfekt, men skrider fremad. Denne type modellering blev f.eks. Brugt til at rekonstruere de betydelige emissioner (historisk rekord) af Xenon 133 ( radioaktiv ), der dukkede op efter Tohoku-jordskælvet i 2011 , og før og efter tsunamien, der fulgte .

Anvendelse og begrænsninger

Den atmosfæriske dispersionsmodellering har mange anvendelser:

• opfylde lovgivningsmæssige forpligtelser til at informere og beskytte befolkningen og til obligatorisk overvågning af visse forurenende stoffer i forskellige skalaer. Disse skalaer kan være globale (f.eks. Overvågning af forurenende stoffer, der nedbryder ozonlaget ), overnationale (f.eks. Til grænseoverskridende overvågning af kviksølv , bly og cadmium , tre store forurenende stoffer, hvis overvågning er obligatorisk i Europa), nationale eller lokale.
• arkitekter eller byplanlæggere eller administrative myndigheder, der er ansvarlige for by- og landsplanlægning, bruger det til bedre at forudsige og forhindre ophobning af forurenende stoffer og begrænse virkningerne af byens varmebobler eller undgå "kløfteffekten" knyttet til morfologierne i gader og bygninger. Specialiserede organer, der er ansvarlige for luftbeskyttelse, såsom de nationale standarder for luftkvalitet i USA eller det franske agentur for miljø- og arbejdsmiljøsikkerhed, kan også bruge disse værktøjer på en forebyggende måde for at godkende eller ej etablering af et industrianlæg. De gør det også muligt på forhånd at fastlægge effektive sikkerhedsplaner ved at optimere ledelsen af ​​beredskabspersonale i tilfælde af en arbejdsulykke eller at finde effektive midler til bekæmpelse af skadelige luftforurenende stoffer.
• Under havn, vej, lufthavn, industriel udvikling eller sandsynligvis være en kilde til forurening (forbrændingsanlæg osv.) Gør modellering det muligt at undgå at udsætte fremtidige boliger, skoler, hospitaler eller dyr, afgrøder osv. med risiko for kontaminering af en kronisk eller utilsigtet forureningsdæmpning.
• specialister inden for sundhedsrisiko eller øko-epidemiologi forbundet med luftbårne bioforurenende stoffer kan bruge den til at undersøge eller forudse visse epidemier;
• ad hoc-administrative myndigheder bruger undertiden atmosfæriske spredningsmodeller til at regulere biltrafikken for at begrænse dens virkninger i luften, når vejrforholdene fremmer stagnerende forurening.
• Nogle specialister civilsikkerhed bruger det som en del af krisestyring af luftforurening (eller forberedelse til et muligt angreb), herunder til overvågning af grænseoverskridende forurening eller opnåelse af rygbaner med forureningskilder. Disse modeller anvendes under industrielle ulykker eller hændelser, der forårsager utilsigtede udslip af luftforurenende stoffer ( biocontaminants , kemikalier , radionuklider, etc.). Modellering af spredning af gasser og dampe kan også hjælpe med at forhindre visse virkninger af naturlige fænomener som f.eks. På grund af vulkanudbruddet . Spredningen af Tjernobyl-skyen har været genstand for adskillige modeller.
• modellering af spredning af pollen i luften er af økologisk, agronomisk og sundhedsmæssig interesse (jf. pollenallergi) og er også blevet brugt til at forhindre, om muligt, krydsbestøvning omkring afgrøder af GMO- planter .

Disse simuleringer er altid meget komplekse. De pålægger derfor betydelig computertid og ressourcer. Men deres fremskridt gør det muligt at give f.eks. Et skøn over placeringen af ​​de områder, der er mest berørt af forurening, niveauerne af forurenende stoffer, som indbyggerne eller nødtjenesterne skal stå over for. Rednings- eller krisestyringsorganisationer kan således bedre tilpasse deres ressourcer efter situationen (nuværende og fremtidige) og gennemføre passende beskyttelsesforanstaltninger (for eksempel for at undgå genåbning af et evakueret område, hvor vinden igen kan medføre forurening).

Fremskridt inden for datalogi og modellering har forbedret nøjagtigheden af ​​modeller, især i forureningskontekster i lav højde og inversionslag i heterogene landskaber og især i sammenhæng med en kompleks "urban baldakin" (dvs. i nærværelse af en meget stor antal komplekse bygninger).

En dispersion model, selv semi- empiriske , kan konsolideres ved målinger i vindtunneller (hvor termiske gradienter kan være rekonstruerede), men kan kun valideres ved sammenligning med målinger foretaget i den virkelige verden, i det modellerede område og under forskellige vejrforhold .

Nogle eksisterende modeller

• ADMS 4.2
• AERMOD
• ATSTEP
• CALPUFF
• DISPERSION21
• ISC3
• NAVN
• KVIKSYD
• MOCAGE-ulykke
• FJEDER
• PERLE
• RIMPUFF
• SIRANE
• SIKKER LUFT
• PUFF-FJER

Se også

Relaterede artikler

• Air Resources Laboratory
• Luftforurening
• Krisestyring
• Cindynics
• Væskemekanik
• Anemometri
• Modelisering
• Digital terrænmodel (DTM)
• Atmosfærisk grænselag
• Kriging

eksterne links

• (Fr)

Bibliografi

• (fr) M Bocquet, Bruno Sportisse (2007), Invers modellering af luftkvalitet: elementer i metodologi og eksempler  ; Luftforurening ( Inist / CNRS resume )
• (fr) A Khlaifi, A Ionescu, Y Candau (2010), Design af et netværk af sensorer til estimering af kilder til kronisk forurening ved invers modellering - Atmosfærisk forurening ( Inist / CNRS resume )
• (fr) P MAYS (2002), Måling og estimering af diffuse og flygtige emissioner  ; Miljø og teknik, ( INST / Cnrs resume )
• (fr) Y Roustan t al. (2005), doktorafhandling, Modellering af kviksølv, bly og cadmium på europæisk skala  ; National School of Bridges and Roads, 2005-12-12 med pastel.archives-ouvertes.fr, PDF, 167 s
• (fr) Y Roustan t al. (2006), Modellering af kviksølv, bly og cadmium i europæisk skala (Jf. POLAIR3D kemitransportmodel og invers modellering); Tidsskrift: Luftforurening; 2006, bind. 48, nr191, s. 317-326, 10 side (r); ( ISSN  0032-3632 ) ( Resumé Inist / CNRS) * (fr) Bruno Sportisse (2008), Luftforurening: Fra processer 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 ekstraheret med google bøger)
• (fr) Uliasz, M. (1983), Anvendelse af forstyrrelsesteorien til følsomhedsanalysen af ​​en luftforureningsmodel  ; Zeitshrift für Meteorologie, 33: 169 {181
• (en) Wu, Y., Brashers, B., Finkelstein, P. L. og Pleim, JE (2003), En flerlags biokemisk tøraflejringsmodel 1. Modelformulering  ; J. Ge ophys. Res. 108: D14013
• (en) Zhang, L., Moran, MD, Makar, P. A., Brook, JR og Gong, S. (2002), Modellering af gasformig tøraflejring i AURAMS: et samlet regionalt luftkvalitetsmodelleringssystem  ; Atmos Ca. , 36: 537 {560
• (fr) A Ionescu (2010), Tilbage til kilderne til atmosfærisk forurening: synspunkt fra franske forskere  ; Luftforurening, red .: APPA
• V Mallet, D Quélo, B Sportisse, I Korsakissok (2007), Polyphemus: en multimodel platform til luftforurening og risikovurdering  ; Forurening…, 2007; PDF, 10 s, med hal.archives-ouvertes.fr
• Sportisse B (1999) Bidrag til modellering af reaktive strømme: Reduktion af kemiske kinetikmodeller og simulering af luftforurening (doktorafhandling, Palaiseau, École polytechnique).

Referencer

1. Monika Krysta, Numerisk modellering og dataassimilering af radionukliddispersion i det nærmeste felt og på kontinentalt niveau , Val de Marne, koll.  “Doktorafhandling ved University of Paris XII”, 196  s. ( læs online [PDF] )
2. "  Modellering af atmosfærisk spredning | Avizo Experts-Conseils  ” , om Avizo Experts-Conseils | Miljø, infrastruktur og byggeri ,12. maj 2020(tilgængelige på 1 st august 2020 )
3. (in) Prof. P. Burt ( University of Greenwich ), "  Hvordan flodmundinger producerer lokal lufttrafik - Hvordan disse lokale vinde og turbulens induceret af topografi kan påvirke spredningen af ​​aerosolstørrelsesområdet på 2, 5 og 10 μm markant  " [ PDF] , ATTMA Aerosol Day
4. Cionco R (1965) En matematisk model for luftstrøm i en vegetativ baldakin . J. Appl. Met., 4.517-522.
5. Eksempel på omvendt modelleringsmetode: Doktorafhandling i kemi, atmosfærisk forurening og miljøfysik med titlen: Omvendt modellering til optimering af primære kilder til atmosfærisk forurening på regional skala , af I Pison (2005), med Open-Archives
6. CC Marchant & al. (2011), Estimation af mejeriprodukter partikelemission satser med lidar og revers modellering  ; Transaktioner af ASABE; Ed: American Society of Agricultural Engineer; flyvningen. 54, nr. 4, s.  1453-1463  ; 11 side (r); ( ISSN  2151-0032 ) ( Resumé Inist CNRS )
7. M Bocquet (2010), Omvendt modellering af utilsigtede luftforureningskilder: nylige fremskridt  ; Luftforurening, 2010 - ( Resumé Inist / CNRS )
8. Reactor ulykke Fukushima release - Ny international undersøgelse om udledning af radioaktive stoffer i atmosfæren  ; og "  undersøgelse  " ( Arkiv • Wikiwix • Archive.is • Google • Hvad skal jeg gøre? ) (version indsendt til en peer-reviewed journal og sandsynligvis derfor senere ændret)
9. Roustan Y (2005) Modellering af den atmosfæriske spredning af kviksølv, bly og cadmium i europæisk målestok (ph.d.-afhandling fra École des Ponts / ParisTech
10. Sotiris Vardoulakis, Bernard EA Fisher, Koulis Pericleous, Norbert Gonzalez-Flescac; Modellering af luftkvalitet i gade kløfter: en anmeldelse Atmosfærisk miljø  ; Atmosfærisk miljø 37 (2003) 155–182 37 (2003) 155–182 ( abstrakt og fuld artikel )
11. Jarosz N (2003) Undersøgelse af den atmosfæriske spredning af majspollen: bidrag til at kontrollere risikoen for krydsbestøvning (doktorafhandling, INAPG AgroParisTech)
12. Foudhil H (2002) Udvikling af en digital model af atmosfærisk spredning af partikler i skalaen af ​​et heterogent landskab (Doktorafhandling, Bordeaux 1)
13. Soulhac L (2000) Modellering af atmosfærisk spredning inde i den urbane baldakin (doktorafhandling, École Centrale de Lyon), PDF, 349 sider
14. Charpentier C (1967) Undersøgelse af stabiliteten af et kunstigt fremstillet termisk gradient i en lav hastighed flow ved hjælp af et gitter af varmelegemeelementer . EUF's interne rapport