VIII.2. Az AERMOD modell felépítése és tulajdonságai

Az AERMOD diszperziós modellel a különböző forrástípusokból származó szennyezőanyagok légköri kibocsátásának hatását lehet megbecsülni. A diszperziós módszerek mellett a határréteg hasonlósági elméletét alkalmazza, s figyelembe veszi az alapvető légkörfizikai folyamatokat, mindezek alapján finom koncentráció-becslések előállítását teszi lehetővé a meteorológiai- és terepviszonyok széles választékán. A modell érvényességi területe a forrástól számított 50 km sugarú környezetre terjed ki. A számításokat gáznemű légszennyezőanyagokra és aeroszol részecskékre is képes elvégezni. A gázok légköri elszállítódása és hígulása során fellépő kémiai reakciókat viszont nem veszi figyelembe. Az AERMOD képes a szennyezőanyagok szállítása során fellépő kikerülési mechanizmusok, így a száraz és a nedves ülepedés számítására is.

A legnagyobb fejlődést az eddigi diszperziós modellekhez képest az jelenti, hogy az AERMOD lehetőséget nyújt a planetáris határréteg jellemzésére a felszín és a keveredési réteg skálázásán keresztül. A modell a szükséges meteorológiai elemek vertikális profiljait a mérések, illetve azok extrapolációja alapján állítja elő a hasonlósági elmélet összefüggéseinek felhasználásával. A szélsebesség, szélirány, turbulencia karakterisztikák, hőmérséklet és a hőmérsékleti gradiens vertikális profiljainak közelítése valamennyi rendelkezésre álló meteorológiai megfigyelés felhasználásával történik. A modellt úgy tervezték, hogy egy minimális mennyiségű meteorológiai megfigyelés felhasználásával is futtatható egyen. Az eddigi modellekkel ellentétben az AERMOD figyelembe veszi a planetáris határréteg vertikális inhomogenitását. Ennek megvalósítása az aktuális planetáris határréteg paramétereinek átlagolásával történik, melynek eredményeként egy ekvivalens, homogén planetáris határréteget kapunk.

VIII.2.1. AERMET- meteorológiai preprocesszor

A modellrendszer felhasználójának először meteorológiai adatsorokat kell megadnia az AERMET preprocesszor számára. A jelenlegi állapot szerint az AERMET a következő adatokat fogad(hat)ja be:

  • a meteorológiai szolgálatok által a felszíni szinoptikus meteorológiai mérőállomásokon mért és a felhasználó által a számítási területre reprezentatívnak tekintett adatok,

  • magas légköri mérésekből kapott (lehetőség szerint reggeli felszállásokból nyert) szél, hőmérséklet, harmatpont adatok, és

  • lehetséges a helyben végzett szél, hőmérséklet, turbulencia, légköri nyomás és sugárzási mérések adatainak a bevitele is.

Ez utóbbi esetre ritkán kerül sor, mert itt olyan kampánymérésekből származó meteorológiai megfigyelésekről van szó, amelyek rövidebb időszakra vonatkoznak, nem ölelnek fel egy egész évet, mint ahogy az az első két esetben megkövetelt. A program elvégzi az adatok kiválogatását, a minőségellenőrzést, majd a megfigyelési adatok 24 órás periódusba való rendezése után egy köztes fájlt hoz létre, amelyből majd egyesített adatfájlt készít. Ezután előállítja a határréteg paramétereket. Természetesen (ahogyan a VII. fejezetben is láttuk) ez a modell is futtatható numerikus modelleredményekből felépített (analízis, vagy előrejelzési) adatbázisokon.

Az AERMET-ben meghatározásra került egy minimális adatszükséglet is, ami feltétlenül szükséges az AERMOD futtatásához. Ilyenkor az egyéb, méréssel nem megadott paramétereket a program képes más mennyiségekből származtatni. A minimális adatszükséglet: szélsebesség (u), szélirány (D), felhőborítottság (n), léghőmérséklet (T) és a reggeli rádiószonda felszállás adatok. Ezen adatok egy része felhasználásra kerül az AERMOD egyéb moduljaiban is, így például a felhőborítottságra szükség van a száraz ülepedés meghatározásához is. Ha a felhőborítottság hiányzik, akkor a gradiens Richardson-számot használják fel a felhővel való borítottság meghatározására (van Ulden és Holtslag 1985).

VIII.1. táblázat. Az órás felszíni meteorológiai adatok pontossági és formai követelményei az AERMET preprocesszorban.

Változó megnevezése

Mértékegység

Típus(1)

Adathiány jelzése

Alsó határérték

Felső határérték

Légköri nyomás

hPa*10

99999

9000

10999

Felszín feletti magasság

m

<=

99999

0

5000

Száraz hőmérséklet

şC*10

9990

–300

360

Harmatpont

şC*10

9990

–650

350

Szélirány

deg északtól

<=

999

0

360

Szélsebesség

m s–1*10

9990

0

500

Csapadék

mm*1000

<=

–9

0

25400

Relatív nedvesség

egész %

<=

999

0

100

Hőmérsékleti gradiens

şC/(100 m)

<=

9999

–2

5

Harmatpont gradiens

şC/(100 m)

<=

9999

0

2

(1) < = vagy < jelzi, hogy az alsó és a felső határértékek bennfoglaltatnak-e vagy sem az elfogadási intervallumban

Ha a vizsgált területen további mérési eredmények, mint pl. sugárzási adatok (globálsugárzás (S) és a sugárzási egyenleg (Rn)), valamint a vertikális (Fw) és horizontális (Fv) turbulens profilok is rendelkezésre állnak, akkor lehetőség van ezek felhasználására is.

Az AERMET adatfájlok struktúrájában, az adatok pontosságában és formátumában az előírásoktól való legkisebb eltérés is futtatási hibát eredményez, amire figyelni kell. Az AERMET számításaihoz szükséges egyes órás felszíni meteorológiai paraméterek megadásának formátumát és pontosságát a VIII.1. táblázat szemlélteti.

VIII.2.2. Az AERSURFACE modul

Az AERSURFACE modul a felszíni karakterisztikákat határozza meg az AERMET számára. Ez igen fontos lépés ahhoz, hogy a valóságot jobban közelítő felszíni jellemzőket - mint az albedó, a Bowen-arány és a felszíni érdességi magasság – is figyelembe vegyünk. Ezek az adatok elérhetőek a felszín borítottság adatbázisokból, de kikereshetőek a felszíni karakterisztikákat tartalmazó táblázatokból.

Megjegyezzük, hogy ezek a bemenő adatok felszíntípusonként és évszakonként is eltérhetnek egymástól, s mivel nem egy-egy konkrét értékkel, hanem egy-egy jellemző intervallummal jellemezhetők – értékük függ a felhasznált adatbázistól, illetve az alkalmazott szakirodalomtól. Itt is, mint ahogy a II. fejezetben már láttuk a bemenő felszíni paraméterek bizonytalanságával kell számolnunk, amit a modelleredmények interpretálásánál sem szabad figyelmen kívül hagyni.

A felszíni karakterisztikák megadhatóak irányonként (12 irány szektorra), és lehetséges a havi változékonyság figyelembevétele is. Az albedó (a)a felszín által visszavert globálsugárzás és a felszínre beérkező globálsugárzás hányadosa. Értéke 0 és 1 között változik. Az egyes felszín-típusok jellemző albedó értékekkel rendelkeznek. A Bowen-arány (β) a szenzibilis hőáram (H) és a latens hőáram (LE) hányadosa. A nappali Bowen-arány a felszíni nedvesség mérőszáma, az albedó pedig más paraméterekkel együtt a konvektív planetáris határréteg magasságának a meghatározására szolgál. A felszín érdességi magassága (z0) az a felszín (illetve a kiszorítási rétegvastagság, d) feletti magasság, ahol a transzmissziós számítások során használt modellbeli szélsebesség-profil a felszíni súrlódás miatt nullává válik. A számítási módszer érzékeny ezen felszíni paraméterek változására, ezért a felhasználóknak a valós környezethez legjobban illeszkedő paraméter értékeket kell kiválasztaniuk a modell futtatásakor.

VIII.2.3. Az AERMAP program

Az AERMAP az adott területre jellemző felszíni skálamagasságot számítja ki az egyes receptor pontokra a rácspontokban megadott felszíni adatokból. Ezen adatokat jelenleg kötött adatfájlban, a Digitális Magassági Térkép (Digital Elevation Map, DEM) által meghatározott formátumban kell megadni az AERMAP számára. A receptor pontokban definiált felszíni skálamagasság a füstfáklya középvonal magasságának kiszámításához szükséges. Az AERMAP-et ezen kívül a receptor hálózat előállítására is használják. Egyaránt alkalmas különálló és hálózatot alkotó receptorok magasságának meghatározására. Az AERMAP a főprogram számára a következő információkat adja át: a receptor elhelyezkedése (xr, yr), közepes tengerszint feletti magassága (zr) és a receptor felszíni skálamagassága (hc). Az AERMOD-dal végzett számításkor lehetőség van a felszín általános jellemzésére a VIII.3. ábrán jelzett három opció (komplex felszín, emelkedő, vagy sík felszín) megadásával. Pontosabb domborzati leírásra az AERMAP adatállománya (adatfájlja) nyújt lehetőséget, ahogyan azt a VIII.4. ábra szemlélteti.

VIII.3. ábra. A szennyező forrás környezetének jellemzése.

VIII.4. ábra. Az AERMAP outputja, pont forrás környezetének domborzati viszonyai, egy példaábrán.

VIII.2.4. Az INTERFACE program egység

Az INTERFACE a Monin–Obukhov-féle hasonlósági elmélet felhasználásával kiszámolja i) a szélirány, ii) a szélsebesség, iii) a hőmérséklet vertikális profilját, iv) a vertikális potenciális hőmérsékleti gradienst, v) a vertikális és vi) a horizontális turbulenciát.

VIII.2.5. A PRIME füstfáklya modell

A legtöbb diszperziós modell rendelkezik saját, a füstfáklya kezdeti emelkedését leíró számítási szubrutinnal, amely a kezdetben felfelé kilövellt füst széllel történő horizontális elmozdulását jellemzi. Az AERMOD ezen modulja a PRIME (Plume Rise Model Enhancements) nevet kapta, és Briggs (1975, 1984) módszerén alapszik. A PRIME algoritmus a füstfáklya emelkedését szimulálja különböző légköri viszonyok között és meghatározza a fáklya föld felé történő lemosódásának a mértékét. Ezt a környező épületek által keltett turbulens örvények idézik elő (VIII.5. ábra).

A PRIME modul az épületek által keltett turbulencia számos további hatásának a figyelembevételét is lehetővé teszi (az épület sodorvonalában felerősödő diszperzió, a felerősödő turbulencia és a fáklya főáramlási vonalának eltérése miatti kisebb mértékű fáklyaemelkedés), valamint kisebb-nagyobb távolságokra képes nyomon követni a fáklya sodorvonalakat is.

A PRIME a füstfáklya emelkedést a tömeg, az energia és az impulzus megmaradási törvényéből numerikusan számítja ki. A modell alap jellemzője a vertikális szélnyírás hatásának figyelembe vétele, ami az alacsony kéményekből történő füst feláramláskor fontos lehet. Az épületek szélárnyékában tapasztalható szélsebesség csökkenés megnövelheti a füstfáklya feláramlását, amely csak az alacsonyabb források esetén lehet jelentős – PRIME modell ezt a hatást is számszerűsíti.

VIII.5. ábra. Sematikus ábra a magas pontforrások és az épületek által keltett turbulencia hatására kialakult együttes szennyezettségi mező szemléltetésére (kékkel jelölt terület).

Az AERMOD képes az ún. „plume lofting” figyelembevételére is. Ez a jelenség, akkor következik be, ha füst tömegének egy része inverziós réteg fölé kerül, s emiatt hosszabb ideig fent marad, hiszen az inverzió megakadályozza lekeveredését. A modellrendszer képes követni annak a füstfáklyának a helyzetét is, amely bekerült az emelt szintű stabil rétegbe és később onnan visszatér a határrétegbe. A szimuláció során lehetőség nyílik a fáklya meanderezése következtében fellépő oldalirányú diszperzió növekedés figyelembe vételére is mind a konvektív, mind a stabil határrétegben. Az AERMOD továbbá viszonylag egyszerű közelítés alkalmazásával képes az áramlás és a diszperzió összetett felszín feletti szimulálására is, amikor a füstfáklya vagy érinti vagy követi a domborzatot, ahogyan azt Snyder et al. (1985) tárgyalja.

Az AERMOD modell-rendszer eredménye (outputja) különböző átlagolási időre (órás, 8 órás, 24 órás, éves) számított szennyezőanyag koncentrációk lehetnek a források környezetében az általunk megadott receptor pontokban. Lehetőség van a maximális koncentrációk meghatározására is. Egy magas pontforrás (helye X-szel jelölve) évi átlagos és órás maximális NOx koncentrációjának területi eloszlásárát a VIII.6. és a VIII.7. ábra térképes formátumban mutatja be Steib és Labancz (2005) vizsgálatai alapján.

VIII.6. ábra. Az AERMOD-dal számított, pont-forrás körüli évi átlagos NOx koncentráció mező (a szürke árnyalataival jelölve, µg m-3) a domborzati viszonyok (szaggatott vonal) figyelembevételével (Steib és Labancz, 2005).

VIII.7. ábra. Az AERMOD-dal számított, pont-forrás körüli maximális órás NOx koncentráció mező (a szürke árnyalataival jelölve, µg m-3) a domborzati viszonyok (szaggatott vonal) figyelembevételével (Steib és Labancz, 2005).