IL MODELLO STAZIONARIO IBRIDO.
Crisi del Modello gaussiano e nascita del modello ibrido.
Journal of Applied Meteorology vol. 28, pp.206-224 (1989)
Several regulatory models (gaussian plume models) were tested ... with Kincaid, Illinois, and Bull Run, Tennessee, tracer datasets .... for their performance in an
“operational” or “regulatory” application, i.e., for their ability to predict ground-level concentrations (GLCs) for specific averaging time -1, 2, 24 h - without regard to the validity or accuracy of individual model components (plume rise, dispersion parameters, etc.).
When predicted and observed concentrations at the Kincaid site were unpaired in space and time, (such a model) predicted the maximun hourly averaged SO2 GLC to within 30% - 70% .
When the concentrations were paired in space and time, none of the models predicted the concentration field with any accuracy, i.e. the correlation coefficients between observed and predicted concentrations were often negative.
Stiven Hanna
US-EPA + American Meteorological Society (AMS)
Comitato AERMIC
obiettivo costruzione di un modello che:
• fosse relativamente semplice e di tipo stazionario,
• capace di simulare realisticamente le situazioni convettive
• capace di utilizzare i parametri della turbolenza atmosferica
• capace di diventare “regulatory”.
Dal Documento Finale:
“ AERMIC’s initial focus were on the regulatory models that are designed for estimating near-field impacts from a variety of industrial source types.
The basic approch in EPA’s present regulatory platform for near-filed modeling has, with very few exceptions, remained fundamentallly unchanged since the beginning of the air programs some 20 years ago. During this time, significant scientific advances have been made which have yet to be incorpored into the basic approch.
AERMIC, formed to make a major transformation in regulatory modeling, took a meaninful step toward this objective by selecting ISC3 for our initial efforts.
AERMIC chose a phased approch to updating the modular ISC3 model in the the AERMIC MODEL (AERMOD). “
Struttura del PBL convettivo e variabili di controllo.
Parametri:
Friction velocity u*
Flusso Turbolento di calore Sensibile H0
Lunghezza di Monin-Obukhov L
Altezza di Rimescolamento z
Caratteristica principale di una situazione convettiva
La distribuzione della componente verticale w
• ha media nulla,
• non è gaussiana
• non è simmetrica.
Dato che il modello gaussiano stazionario ipotizza una distribuzione gaussiana di w, è evidente la ragione per cui tale modello fallisce nelle situazioni convettive.
La velocità verticale più probabile è negativa
Nel PBL si stabilisce un’alternanza di di flussi verticali:
Updraft (più intensi ma meno estesi)
Downdraft (più estesi ma meno intensi)
Crisi del concetto di altezza di livellamento del baricentro.
Esperimenti in Laboratorio (Willis e Deardorff, 1978) Emissioni entro il SL.
C x y z dy Cy , ,
ale trasvers Integrale
ione Concentraz
zi
z Z ale Adimension
Verticale
Coordinata
U z X xw
i
*
ale Adimension
Sottovento
Distanza
La maggior parte dell’inquinante:
- ristagna al suolo a breve distanza dalla sorgente (a causa dei downdraft)
- finché viene catturato da un updraft (lift-off) salendo fino all’altezza di rimescolamento
Emissioni entro il ML.
Il baricentro del plume:
- si abbassa al suolo a X 0.6 (il plume è catturato da un downdraft che è una struttura fortemente coerente)
- poi sale fino alla sommità del PBL (comportandosi come una normale emissione al suolo).
Esperimenti in campo (campagna CONDORS - Briggs)
Risultati sostanzialmente coincidenti con quelli di laboratorio.
Nelle situazioni adiabatiche e stabili la distribuzione di w è sostanzialmente gaussiana e quindi le ipotesi del modello gaussiano non sono contraddette.
Assenza di galleggiamento.
Idee di base:
1) vita media di updraft e di downdraft molto grande;
2) se alla quota zs è emessa una particella, essa resta intrappolata nella struttura incontrata all’emissione finché non giunge al suolo (downdraft) o all’altezza di rimescolamento (updraft);
3) la particella si muoverà con una traiettoria rettilinea con pendenza (positiva o negativa) determinata dal valore e dal segno della velocità verticale della
struttura coerente;
4) raggiunta una delle frontiere, la particella inverte il moto riflettendosi tra le due frontiere;
5) se dalla sorgente sono emesse contemporaneamente diverse particelle, esse per ragioni statistiche non seguiranno la medesima traiettoria.
p z z U x
x z Q x
Cy , w s
2
2 2 2 2
2 2
1 2 1 1
1
exp 2 2 2
2 exp
w w F
w w w F
pw
Pedice 1 = downdraft, pedice 2 = updraft
* 2
* 1
* 2
* 1
2 1
48 . 0
26
. 0
40 . 0
35 . 0
4 . 0 6
. 0
w w
w w
w w
F F
La relazione precedente non tiene conto di tutta la complessità della situazione.
In definitiva la
relazione finale in assenza di galleggiamento è:
22
exp 2 2
0 1 , 0
, ,
y y
y y
x C y
x
C
1 1
2
2 2 1 2
1
2
1 1
1 2 1
exp 2 2 1
exp 2 0
,
i
s i
s i
y
X a
Z n R X
A X
a Z n R X
A Uz x Q
C
1 1
1 2
2 b A F
2 2
2 2
2 b A F
a1 w1/ w* a2 w2 / w*
* 1
1 / w
b b2 2 / w* R1 a1 b12 R2 a2 b22
i s
s z z
Z /
Presenza del galleggiamento.
=> Flusso di galleggiamento adimensionale:
=> Parametro di dispersione adimensionale
=> Innalzamento adimensionale del baricentro:
i
b Uw z
F
F* *2
2 *23 43 2 2
12* 1.2 ' F X bi X
zi
X a X
F Z
hi* s 1.6 *13 23 i 4 . 0 35
.
0 2
1 a
a
48 . 0 b 26
.
0 2
1
b
22
exp 2 2
, 1 ,
y y y
C y z y x
C
0 *2
2 2
* 2
* 2 2
* 1
2
* 1
*
1 2
) 2 exp (
2 8 . 0 2
) 2 exp (
2 2 . 1 2
m z z z z
i y
m h
m h
Uz C Q
Modelli ibridi attualmente disponibili.
CTDMPLUS (US-EPA, 1989)
E’ stato il primo modello ibrido realizzato da EPA e molto adatto a simulare le situazioni convettive in presenza di orografia complessa.
HPDM (Sigma Co., USA 1991)
È un’evoluzione di CTDMPLUS limitatamente a siti con orografia piana.
AERMOD (US-EPA/AMS, 1995)
E’ attualmente il modello ibrido di riferimento di EPA che deve sostituire i modelli gaussiani nelle diverse applicazioni anche di tipo ingegneristico e può essere usato sia in siti piani che in presenza di orografia.
