環境工程篇

AERMOD 擴散模式 - 概說

AERMOD 原先的設計,就是要用來取代 ISC3 擴散模式的。採用的氣象資料比較複雜,整理起來不太容易!這個小節先介紹 AERMOD 而已!

最近更新時間: 2019/07/22

早期的擴散模式,大概都是使用美國環保署公告的 ISC3 模式。後來因為氣象站的資料變化,以及一些擴散機制的改變, 後來美國環保署後續開發了 AERMOD 這個模式來取代 ISC3。不過,如同空品模式概說裡面提到的一樣, 擴散模式需要有 (1)氣象場與 (2)地表高層或其他特殊地形以及 (3)排放量資料後,才能夠進行運算。當然,前兩個還需要其他額外模式的支援! 這個章節,我們就先來約略談談 AERMOD 是如何開發?以及它該如何與相關模式協同運作的方式!

AERMOD 發展背景 (ps1)

1991 年,美國氣象協會 (American Meteorological Society, AMS) 以及美國環保署 (US EPA) 開始研究將行星邊界層 (planetary boundary layer, PBL) 加入到法規認可的擴散模式中。於是,這兩個單位抽調人力,組成 AERMIC 小組 (AMS/EPA Regulatory Model Improvement Committee) 進行研究。

大部分的空氣品質模式都會考慮到 PBL 的效應,這是因為紊流經常發生在地表的空氣層,這是因為地表的熱效應、摩擦阻力與地表粗糙度互相影響的關係。 而空氣擴散在紊流的情況下,會比較容易快速進行。PBL 大約在 1970 年代開始就被廣泛的研究,包括實際測量與實驗室分析。

在 1980 年代中期,使用渦流擴散 (eddy-diffusion) 機制以及數值統計理論與 PBL 混合層機制的擴散參數評估,被加入概率密度函數 (probability density function, pdf) 觀點中,並加入較為容易取得的氣象參數 (例如表面熱流) 等計算出紊流效應, 並帶入空氣品質擴散模式中,包括 PPSP, OML, HPDM, CTDMPLUS, HPDM 等模式 (相關模式請自行查詢文獻囉),都有這方面的機制存在。 AERMIC 的組成分子中,就有很多學者來自於 PPSP, CTDMPLUS, HPDM 等團隊的開發者。

但是,在 1980 年代後期,學者在分析 15 種以上的擴散模式機制後,發現到當時所使用的計算機制所產生的 PBL 高度預測結果,與實際的觀測值似乎有不小的誤差! 由於美國環保署需要制定法規標準,因此這種誤差需要進行較有效的改善才行。到了 1991 年,US EPA 持續著重在 PBL 紊流參數的研究與最新的擴散模式改善上, AERMIC 最早的任務,就是要改善 PBL 以及提供最新的擴散模式,以符合 US EPA 的法規標準。後來再既定的目標之後,又加入了 PBL 紊流機制的研究, 煙流與地形之間相互運動的關係 (是反彈污染物?還是沈降到地表?),建築物對污染物的下洗作用 (downwash) 等等。

AERMIC 團隊開發的短程 (short-range) 新擴散模式與既有的模式 ISC3 是有重疊的,新模式在平均風速、PBL 紊流、CBL (convective boundary layer, 對流的邊界層效應) 的擴散機制、煙流與地形的互動等, 與 ISC3 較為類似,不過新的模式在 CBL 的紊流參數、計算理論等,均有比較好的改善,同時,學者們研究兩者的機制, 發現到 AERMIC 模式的發展比起 ISC3 來說,較能展現實際的狀態。

  • 行星邊界層 (planetary boundary layer, PBL) 或大氣邊界層 (atmospheric boundary layer, ABL) 簡介 (ps2)

開始談行星邊界層之前,我們先來討論一個『冷風』現象~冬天寒流來很冷的時候,在一個空間當中,為了躲避寒風,你會待在空間正中央? 還是會躲在牆邊,即使這片牆是一大片,而沒有 L 型的角落。答案當然是躲在牆邊~為什麼?你可能會說,因為牆邊風比較小啊~ 好答案!那...為什麼躲在牆邊風就會比較小?強風不就是這樣吹過來~你怎麼躲的掉呢?呵呵!因為這個是有理論依據的。

流體力學基礎
流體經過一平整表面時的流速概念 (ps3),上圖的箭頭代表風速喔!越長風速越快!

根據實驗的結果,如上圖所示,當流體 (不論是液體、空氣) 經過一個表面時,空氣與該表面因為有黏滯力的關係,因此風與表面之間, 是沒有相對運動的!也就是說,越接近表面的風速會越弱。所以,當你躲風的時候,躲在牆角,可能會有意想不到的幫助!

同樣的,理論上,越高空的風速越高,越接近地表的風速越低。也因為地表層黏滯力的關係,讓風速會降低,而且很容易在盛行風的方向 (例如台灣冬天吹東北風), 產生水平與垂直的亂流 (也稱為紊流, turbulence)。也因為紊流的關係,讓垂直方向的擾動強度增加,因此大氣就很容易將空氣成份均勻混合。 這對污染物的擴散影響相當大。

另外,不同的地球表面粗糙度也會影響到地表風速的變化。一般來說,比較粗糙的地表,包括不規則地表或人為建築物 (例如都會區) 可以降低大約 40%~50% 的風速。但是在海面、冰原上、可能降低風速的情況只到 20%~30% 而已,風速會比較強。而由於 PBL 會受到地表粗糙度、陽光輻射熱等的影響, 因此 PBL 的高度是會變化的。通常白天比較高而晚上比較低。經過計算的結果,PBL 層頂 (地表到 PBL 的最高點) 大約是數百公尺到一千公尺之間。

現在,你會知道 PBL 的高度會影響到污染物的擴散,且在 PBL 內,污染物的垂直擴散速度會比較快。過去用高斯擴散模式推估的方式, 通常假設大氣傳輸為穩流的狀態,才有辦法快速的得到擴散的數值。但這就會有些許的問題,畢竟實際測量上面,擴散還是與 PBL 有關的! 這也就是 AERMOD 為什麼會開發來取代 ISC3 模式的主要原因之一囉。

  • AERMIC 團隊發展的目標:取代 ISC3 模式

美國是個聯邦政府,各大州都有自己的法規模式,大部分的 SIP (State Implementation Plans, 國家實施計畫) 計畫, 大多使用 ISC3 作為工業排放源類型的近距離影響評估效應,US EPA 也在 1995 年公告 ISC3 為法規公認的模式。由於 ISC3 已經使用多年, 不過許多機制仍值得改善。為此,AERMIC 主要以 ISC3 作為取代的目標,讓模式操作者在轉換到新模式時,不會有太多的陣痛期。 因此,AERMIC 在發展時,主要著重在:

  • 採用 ISC3 的電腦輸入/輸出架構
  • 使用最新的機制改善 ISC3 的運算機制與擴散機制等
  • 盡量採用與 ISC3 相同的輸入/輸出檔案格式,方便模式操作人員轉換到新模式

AERMIC 開發的新模式,稱為 AERMIC Model,後來稱為 AERMOD !

AERMOD 模式的使用還包含兩個附屬模式,一個是 AERMET 模式,此模式主要在提供 AERMOD 運算時所需要的氣象參數, 包括前面提到的 PBL 特徵參數等的計算。另一個附屬模式則是 AERMAP,此模式主要在將地形與地層高度等特徵, 包括受體點的地形高層位置參數等,設計出提供給 AERMOD 使用的受體與地形資料。最終再由 AERMOD 模式去操作排放源與受體之間的擴散效應。 至於 AERMOD 改善了 ISC3 的機制,大致上有:

  • 改善垂直與穩流的邊界層效應
  • 煙流上升效應與浮力效應
  • 煙流在逆溫層的反彈或滲透效應的改善
  • 改善在垂直方向的風速、紊流、溫度等參數的計算
  • 都市夜間的邊界層計算
  • 從地表到煙流上升高度間,都可以加入受體點的計算
  • 建築物的影響效應
  • 改善基礎邊界層效應的參數
  • 處理煙流尾流資訊

最終,在 2000 年,US EPA 宣佈 AERMOD 取代 ISC3 成為主要的聯邦空氣品質模式範本。

AERMOD 模式概觀

AERMOD 是一個穩定態煙流模式 (steady-state plume model),在穩定邊界層 (stable boundary layer, SBL) 狀態下, 是假設以高斯擴散理論處理煙流的水平與垂直擴散效應,並據以計算濃度分佈。在垂直邊界層效應 (CBL) 的情況下, 水平擴散依舊使用高斯擴散理論,而垂直分佈方面,則加入概率密度函數 (probability density function, pdf) 來計算污染物濃度的擴散狀態。

再過去, ISC3 對於探空資料僅有計算出一層混合層高度,只要煙流上升高度超過混合層高度時,該污染物就假設不再回到地表受體。 而 AERMOD 則會持續超出混合層高度的煙流質量,並且允許在混合層之外的煙流,可能經過一段時間的擴散,會再次回到地表受體。 AERMOD 可以持續追蹤在 SBL 或 CBL 狀態下的煙流尾流的擴散,因此計算結果會比較符合實際的觀測值。

能夠有上述的功能,主要在於 AERMOD 模式,可以使用多層垂直方向的氣象場資料。每個垂直分層都有獨立的氣象參數資料, 包括風速、風向、紊流狀態、溫度等等。此外,AERMOD 也能直接使用 NWS (National Weather Service) 氣象站的資料。

一般來說,AERMOD 需要的氣象資料有: (1)地表大氣資料: AERMOD 僅須單一地面氣象資料,包括風速、風向、大氣溫度等。如果沒有雲層資料, 可能也需要 2m 與 10m 高度的溫度資料,以及陽光輻射資料等。(2)探空大氣資料:完整的一筆探空資料,被使用來計算混合層高度, 同時,地表面的粗糙度,也會被用來作為計算 PBL 的相關參數。

由於 AERMOD 的垂直氣象資料可以分為多層,因此可以計算出非均勻的 PBL 高度。過去混合層高度計算完畢後,溫度梯度可能是線性的。 而 AERMOD 採用多層的垂直氣象場,因此每一層之間,就有不同的溫度梯度計算結果,這對模式運作來調查實際的擴散,會具有更準確的效應。

總之,AERMOD 的模式運作就如同底下的圖示這樣。要跑 AERMOD 之前,要先進行:

AERMOD 模式運作的流程
AERMOD 模式運作的流程 (ps1)
  • AERMET 的運算:
    • 先取得氣象局的地面與探空資料 (純文字檔,格式要正確)
    • 經過 AERMET 的定義,執行模式後,取得 AERMOD 需要的氣象場資料。
  • AERMAP 的運算:
    • 先取得台灣地區的地面高層資料,以 DEM 格式來處理最佳 (Digital Elevation Model, DEM)。
    • 帶入 AERMAP 取得模擬範圍內的地形與受體資料。
  • AERMOD 的運算:
    • 取得前兩項資料
    • 設計排放量資料,同時設計輸出資料 (年平均、最大日平均等等)
    • 運作模式,最終產生純文字檔的輸出資訊。最終帶入繪圖軟體製圖。

上面三個步驟的詳細資訊,就讓我們在後續的章節慢慢談吧!

參考資料

伺服器篇文件
各版本彙整說明
CentOS 6.x