Transcript نمذجة جودة الهواء والتحكم فيها 1

‫جامعة الدول العربية‬
‫أمانة المجلس الوزارى العربى للكهرباء واألمانة الفنية لمجلس الوزارء العرب المسئولين عن شئون البيئة ‪-‬‬
‫الموسسة العامة القطرية للكهرباء والماء (كهرماء )‬
‫اللجنة االقتصادية واالجتماعية لغربى آسيا ( ‪) ESCWA‬‬
‫برنامج األمم المتحدة للبيئة ( ‪) UNEP‬‬
‫الدورة التدريبية حول " المبادئ األساسية فى طرق‬
‫حساب االبتعاثات الملوثة للبيئة بقطاع الكهرباء فى الدول العربية "‬
‫دولة قطر – الدوحة ‪ 31 -29 /‬مايو ‪2012‬‬
‫نمذجــة جــودة الهــواء‬
‫والتحكم فيه ــا (‪)1‬‬
‫‪Air Quality Modeling and Control‬‬
‫مهندس ‪ /‬ماهــر عـزيــز‬
‫‪1‬‬
‫استشارى الطاقة والبيئة وتغير المناخ‬
‫موبايل ‪(2) 0122-368-9795 :‬‬
‫بريد اليكترونى‪<[email protected]> :‬‬
‫المحاضرة األولى‬
‫مقدمة عامة لنمذجة جودة الهواء‬
‫‪2‬‬
‫‪Outline‬‬
‫الخطوط العريضة‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫عمليات الغالف الجوى‬
‫مكونات نمذجة جودة (نوعية) الهواء‬
‫الحاجة إلى النماذج‬
‫أنواع النماذج‬
‫الشروط المبدئية واإلطارية (المبادئ والتخوم)‬
‫الحساسية والالتيقنية‬
‫نواتج العينة ‪Sample Outputs‬‬
‫النماذج متواترة االستخدام‬
‫دليل الموقع اإللكترونى الستخراج البيانات والنماذج‬
‫‪3‬‬
‫عملية التحكم فى جودة الهواء‬
‫تأثيرات جودة الهواء‬
‫• الصحة والرفاهية‬
‫• التأثيرات الثانوية‬
‫• تعرض السكان ‪population exposure‬‬
‫مستهدفات جودة الهواء‬
‫• الجدوى الفنية‬
‫• القضايا االقتصادية‬
‫• التعافى ‪robustness‬‬
‫كيمياء الغالف‬
‫الجوي‬
‫تصميم‬
‫استراتيجية التحكم‬
‫توزيعات االبتعاثات‬
‫نموذج جودة الهواء‬
‫توزيعات الملوثات‬
‫األرصاد الجوية‬
‫•‬
‫•‬
‫هى عملية تغذية مرتدة‬
‫نمذجة جودة الهواء هي عنصر مركزى (رئيسي)‬
‫‪4‬‬
‫نماذج جودة الهواء‬
‫•‬
‫•‬
‫تدمج وتكامل معرفتنا بفيزياء وكيمياء الغالف الجوى‬
‫هى أدوات لتحديد أثر االبتعاثات على جودة الهواء في المستقبل‬
‫اإلشعاع الشمسي‬
‫الكيمياء المائية‬
‫الكيمياء الضوئية‬
‫النقل إلى الخارج‬
‫ارتفاع الخلط‬
‫االضطراب الجوى‬
‫أمطار‬
‫النقل إلى الداخل‬
‫ترسيب‬
‫‪5‬‬
‫نماذج جودة الهواء‬
‫•‬
‫ما هو نموذج جودة الهواء؟‬
‫‪o‬‬
‫•‬
‫هو صياغة رياضية تصف أنماط االبتعاثات‪ ،‬واألرصاد الجوية‪ ،‬والتحول الكيميائي‪ ،‬وعمليات اإلزالة‪.‬‬
‫لماذا نستخدم النموذج؟‬
‫‪o‬‬
‫ما هي مساهمة المصدر "أ" في تركيزات الملوثات في الموقع "ب"؟‬
‫‪o‬‬
‫ما هي االستراتيجية األكثر فعالية من حيث التكلفة لخفض تركيزات الملوثات لتلبية متطلبات إماميات‬
‫‪ Standards‬جودة الهواء؟‬
‫‪o‬‬
‫ما هو التأثير على جودة الهواء الناجم عن إضافة أو خفض تدفق ابتعاث ملوث محدد؟‬
‫‪o‬‬
‫أين يتعين أن يضع المرء مصدرا للتلوث في المستقبل (مجمع صناعي أو طريق سريع‪ ...،‬إلخ) للحد من‬
‫آثاره البيئية؟‬
‫‪o‬‬
‫ماذا ستكون عليه جودة الهواء غدا أو بعد غد؟‬
‫‪6‬‬
‫عناصر نموذج جودة الهواء‬
‫كسح‬
‫عمليات‬
‫متجانسة‬
‫ترسب‬
‫عمليات‬
‫االمتصاص‬
‫عمليات‬
‫األيروسول‬
‫عمليات غير‬
‫متجانسة‬
‫تفاعالت كيميائية‬
‫حرارية‬
‫تفاعالت كيميائية‬
‫ضوئية‬
‫العمليات الكيميائية‬
‫ابتعاثات ناجمة عن النشاط‬
‫البشري‬
‫التركيزات المتوقعة‬
‫النموذج الرياضي‬
‫المصادر‬
‫ابتعاثات طبيعية‬
‫الملوثات المتأفقة (المتحركة فى‬
‫اتجاه أفقى)‬
‫النقل ‪Transport‬‬
‫الطوبوغرافيا‬
‫االضطراب الجوى‬
‫خشونة السطوح‬
‫ارتفاع االنعكاس‬
‫الهطول أو الترسب‬
‫اإلشعاع‬
‫الرياح‬
‫غطاء السحب‬
‫درجة الحرارة‬
‫‪7‬‬
‫االبتعــاثــات‬
‫•‬
‫االبتعاثات الناتجة عن النشاط البشري (من صنع اإلنسان) ‪Anthropogenic‬‬
‫‪o‬‬
‫المصدر النقطى ‪( Point Source‬محطات توليد الكهرباء‪ :‬أكاسيد النيتروجين "‪ ،"NOx‬أول أكسيد‬
‫الكربون "‪ ،"CO‬الجسيمات الدقيقة)‬
‫‪o‬‬
‫منطقة المصدر‬
‫‪o‬‬
‫مصدر متنقل (السيارات‪ ،‬أكاسيد النيتروجين "‪ ،"NOx‬أول أكسيد الكربون "‪ ،"CO‬الغيوم الثقيلة "‪،"HC‬‬
‫الجسيمات)‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫االبتعاثات الناتجة عن الكائنات الحية ‪Biogenic‬‬
‫معالجة االبتعاثات‬
‫‪o‬‬
‫الدوران مع الزمن ‪Temporization‬‬
‫‪o‬‬
‫التصنيف أو التنويع ‪Speciation‬‬
‫‪o‬‬
‫التشبيك ‪Gridding‬‬
‫مثال‪ :‬نشاط حصر االبتعاثات العالمية )‪Global Emission Inventory Activity (GEIA‬‬
‫‪8‬‬
‫صياغة النموذج‪ :‬المعادالت ‪Equations‬‬
‫•‬
‫األساس النظري لهذه النماذج هو معادلة بقاء الكتلة ‪conservation of mass‬‬
‫النتقال األنواع الجوية األثرية ‪ trace species‬وكيميائها وترسبها‪.‬‬
‫•‬
‫الشكل العام لمعادلة األنواع الكيميائية‪:‬‬
‫‪9‬‬
‫(تابع) صياغة النموذج‪ :‬المعادالت ‪Equations‬‬
‫حـــيث أن‪:‬‬
‫هو معدل التغير في ‪ci‬نتيجة للتأفق (االنتقال فى االتجاه األفقي)‬
‫هو معدل التغير في ‪ci‬نتيجة لالنتشار المضطرب ‪turbulent diffusion‬‬
‫هو معدل التغير في ‪ci‬نتيجة لعمليات السحب (الكسح‪ ،‬التبخر‪ ،‬الكيمياء المائية‪ ،‬الترسب‬
‫الرطب)‬
‫هو معدل التغير في ‪ ci‬نتيجة للترسب الجاف‬
‫هو معدل التغير في ‪ ci‬نتيجة لعمليات اإليروسوالت (الهباء الجوي) (النقل البيني بين الغاز‬
‫واإليروسوالت (الهباء الجوي)‪ ،‬ديناميكا اإليروسوالت)‬
‫‪Rgi‬‬
‫صافي إنتاج المواد الكيميائية‪/‬معدل الفقد‬
‫‪Ei‬‬
‫معدل االبتعاث‬
‫‪10‬‬
‫صياغة النموذج‪ :‬البنية ‪Structure‬‬
‫•‬
‫يتميز النموذج بعدد من العوامل التشغيلية ‪ operators‬يمثل كل منها عمليات فيزيائية‪/‬كيميائية‬
‫مختلفة‪ ،‬وعلى سبيل المثال‪،‬‬
‫‪ :A‬عامل التأفق (االنتقال فى االتجاه األفقى) ‪Advection Operator‬‬
‫‪ :D‬عامل االنتشار ‪Diffusion Operator‬‬
‫‪ :C‬عامل السحب ‪Cloud Operator‬‬
‫‪ :R‬عامل كيمياء المرحلة الغازية ‪Gas-phase Chemistry Operator‬‬
‫‪ :P‬عامل الجسيمات‪ /‬اإليروسوالت ‪Particle / aerosol Operator‬‬
‫‪ :S‬عامل المصادر ‪ /‬المماص ‪Source / Sink Operator‬‬
‫‪11‬‬
‫(تابع) صياغة النموذج‪ :‬البنية ‪Structure‬‬
‫•‬
‫يسفر التطبيق المتزامن لعامل التشغيل عن حل ‪ solution‬في خطوة‬
‫زمنية الحقة‪:‬‬
‫‪c(x,y,z; t +∆t) = c(x, y, z; t) + [A(∆t) + D(∆t) + C(∆t) +‬‬
‫)‪R(∆t) + P(∆t) + S(∆t)] c(x, y, z; t‬‬
‫‪12‬‬
‫معالجة االبتعاثات‬
‫‪Emission Processing‬‬
‫•‬
‫تُ َحوووو خول مختووووزن االبتعاثووووات (أول أكسوووويد الكربووووون "‪ ،"CO‬أكاسوووويد النيتووووروجين‬
‫"‪ ،"NOx‬المركبووات العضوووية المتطووايرة "‪ )"VOC‬إلووى نموووذج انحووالل مكوواني‬
‫وزمانى ‪.Spatial & temporal‬‬
‫•‬
‫•‬
‫ُم َعالج ُكفء لالبتعاثات فعال حسابيا ‪.Computationally Efficient‬‬
‫ُم َولخووود مووودخالت ابتعاثوووات جووواهزة نموووذجيا ‪ model-ready‬لالبتعاثوووات المجاليوووة‬
‫والنقطية والحركية (االنتقالية) ‪ ، mobile‬واألحيائية‪.‬‬
‫‪13‬‬
‫األرصادية الجوية لتلوث الهواء‬
‫‪Meteorology of Air Pollution‬‬
‫•‬
‫•‬
‫النطاقات (المقياسات) ‪Scales‬‬
‫‪o‬‬
‫النطاق (المقياس) الكبير (‪ 1000‬كم)‬
‫‪o‬‬
‫النطاق (المقياس) المتوسط (‪ 100‬كم)‬
‫‪o‬‬
‫النطاق (المقياس) الصغير (‪ 1‬كم)‬
‫طبقة حدود (تخوم) الغالف الجوي‬
‫‪o‬‬
‫عمليات االضطراب واالنتشار‬
‫‪o‬‬
‫الطبقة السطحية ‪Surface Layer‬‬
‫‪o‬‬
‫التغير اليومي ‪Diurnal Variation‬‬
‫‪Atmospheric Boundary Layer‬‬
‫‪Turbulent & Diffusion Processes‬‬
‫‪14‬‬
‫األرصادية الجوية لتلوث الهواء (تابع)‬
‫‪Meteorology of Air Pollution‬‬
‫•‬
‫•‬
‫االستقرارية الجوية ‪Atmospheric Stability‬‬
‫عمليات السحب ‪Cloud Processes‬‬
‫‪o‬‬
‫تأكسوود المرحلووة المائيووة لثوواني أكسوويد الكبري و "‪ "SO2‬فووي ال ُس وحُب هووو المسووار‬
‫األكثوور أهميووة علووى النطوواق العووالمي لتحويوول ثوواني أكسوويد الكبري و "‪ "SO2‬إلووى‬
‫كبريتات ‪.Sulfate‬‬
‫‪o‬‬
‫الترسب الحمضي ‪.Acid Deposition‬‬
‫‪15‬‬
‫نماذج األرصاد الجوية‬
Meteorology Models
Mesoscale Model Generation 5 )MM5( 5 ‫نموذج التوليد وسطى المقياس‬
•
"RAMS" ‫نظام النمذجة اإلقليمي للغالف الجوي‬
•
Regional Climate Model "RegCM2" ‫النموذج اإلقليمي للمناخ‬
•
Community Climate Model )CCM3( ‫نموذج المناخ على النطاق المجتمعي‬
•
Regional Atmospheric Modeling System
16
‫أنماط (أنواع) النماذج‬
‫‪Types of Models‬‬
‫•‬
‫النمااااذج الريا اااية‪ :‬هااام نمااااذج ملسساااة علاااا توصاااي ات أساساااية‬
‫‪ fundamental descriptions‬للعمليااات ال يقيقيااة والكيميائيااة‬
‫فم الغالف الجوي‪.‬‬
‫•‬
‫النمااااذج اإلحصاااائية‪ :‬هااام نمااااذج ملسساااة علاااا التحليااال اإلحصاااائم‬
‫للبيانات‪.‬‬
‫‪17‬‬
‫النماذج الرياضية‬
‫•‬
‫•‬
‫‪Mathematical Models‬‬
‫بدون أبعاد "‪ ،"0-D‬بُعد واحد "‪ ،"1-D‬بعدان "‪ ،"2-D‬ثالثة أبعاد "‪"3-D‬‬
‫نماذج الجرانج‪ :‬تحاكى التغييرات في التركيب الكيميوائي لحُز َموة هوائيوة معينوة يوتم‬
‫تأفقها (أى انتقالها أفقيا) في الغالف الجوي‪.‬‬
‫‪o‬‬
‫إطار نمذجة الجرانج هو اإلطار الذي يتحرك مع الرياح المحلية بحيث ال يوجد تبادل للكتلة بوين‬
‫حُز َمة الهواء والمناطق المحيطة بها‪ ،‬باستثناء أنوواع االبتعاثوات التوي يُسومح لهوا بودخول الحزموة‬
‫الهوائية من خالل قاعدتها‪.‬‬
‫‪o‬‬
‫•‬
‫مثال‪( "OZIPR" :‬حزمة التوقيع المتساوية لألوزون ‪)Ozone Isopleth Plotting Package‬‬
‫نمواذج أويلور ‪ : Eulerian Models‬تصوف تركيوز الملوثوات فوي مجموعوة مون الخاليووا‬
‫الحسابية الثابتة ضمن نطاق جغرافي‬
‫‪o‬‬
‫مثال‪( "MAQSIP" :‬منصة محاكاة جودة الهواء متعددة المقياسات (النطاقات))‪.‬‬
‫‪18‬‬
‫األنواع‬
‫األنواع‬
‫الخارجة‬
‫الداخلة‬
‫االبتعاثات‬
‫(ب)‬
‫(أ)‬
‫اإلظهار التخطيطي لكل من (أ) نموذج الجرانج و (ب) نموذج إويلر‬
‫‪19‬‬
‫النماذج اإلحصائية‬
‫‪Statistical Models‬‬
‫•‬
‫محاولة لربط التركيزات المقاسة للملوثات في موقع معين بمصادرها باستخدام بِنَى‬
‫(تركيبات) ‪ Compositions‬ال ُمستَقبِل ‪ receptor‬والمصدر ‪ Source‬فقط‪.‬‬
‫وليس ضروريا وجود معلومات عن األرصاد الجوية والطوبوغرافيا والموقع‬
‫وحجم (أو مقدار) المصادر‪.‬‬
‫‪o‬‬
‫مثال‪ :‬توازن الكتلة الكيميائية )‪.Chemical Mass Balance (CMB‬‬
‫‪20‬‬
‫نماذج المسار‬
‫‪Trajectory Models‬‬
‫•‬
‫يووتم حوول معادلووة االسووتمرارية ‪ Continuity Equation‬باسووتخدام حقوول الريوواح باعتبوواره إطووار‬
‫مرجعي‪.‬‬
‫•‬
‫المقايا‬
‫‪o‬‬
‫بسيطة و ُكفء‬
‫‪o‬‬
‫أسهل (أيسر) فى الترميز ‪ to code‬والتشغيل مقارنة بالنماذج الشبكية ‪Grid Models‬‬
‫‪o‬‬
‫سهلة (يسيرة) التحديد لمدخالت النموذج وتغيير المدخالت في محاكيات الحساسية‬
‫‪o‬‬
‫يمكن أن تشمل آليات كيميائية كبيرة وواضحة‬
‫‪o‬‬
‫سهلة (يسيرة) التعديل لآلليات‬
‫‪o‬‬
‫يسهل اإلطار المرجعى ‪ Reference Frame‬تقييم العالقات بين المصدر والمتلقي‬
‫‪21‬‬
‫نماذج المسار‬
‫(تابع)‬
‫)‪Trajectory Models (Contd.‬‬
‫•‬
‫العيوب‬
‫‪o‬‬
‫هى تمثيل مبسط للغاية للنقل والتشت المضطرب مما قد ينجم عنه تقودير غيور كوافي يتسوبب فوى‬
‫تقديرات مبالغ فيها لتركيزات األنواع‪.‬‬
‫‪o‬‬
‫صعبة فى تمثيل سيناريوهات عدة أيام‪ ،‬خاصة مع الخلط والنقل الموركبين ‪ complex‬مون فووق‬
‫الطبقة الحدودية للغالف الجوي ‪.atmospheric boundary layer‬‬
‫‪o‬‬
‫تمدنا بتحليالت زمنية ومكانية ضعيفة‪ .‬ويُ َعرَّف الناتج في مجموعة محدودة من النقاط في أوقوات‬
‫معينة على طول مسار (محور) الحزمة‪ ،‬مما يجعل مون الصوعب دراسوة التوأثيرات علوى مسواحة‬
‫جغرافية أو مكاملتها ‪ integrated‬عبر الوق في موقع معين‪.‬‬
‫‪22‬‬
‫نماذج الشبكة األويليرية ‪ Eulerian‬ثالثية األبعاد "‪"3-D‬‬
‫•‬
‫•‬
‫المقايا‬
‫‪o‬‬
‫تتضمن وصفا تفصيليا لعمليات األرصاد الجوية والنقل ‪.transport‬‬
‫‪o‬‬
‫تركيزات األنواع المتوقعة بواسطة النموذج ُم َعرَّفة على نطاق جغرافي كامل‬
‫‪o‬‬
‫مصممة لمحاكاة سيناريوهات عدة أيام‬
‫العيوب‬
‫‪o‬‬
‫مكلفة فى صيانتها وتشغيلها‪.‬‬
‫‪o‬‬
‫صعبة بإزاء تتبع حاالت عدم اليقين في توقعات النموذج‪.‬‬
‫‪23‬‬
‫الحساسية ‪Sensitivity‬‬
‫•‬
‫أنواع تحليل الحساسية‬
‫‪-‬‬
‫اختبارات قائمة بذاتها لتأثيرات عملية تحديد معينة للبارامترات داخل نموذج أو آلية‪.‬‬
‫‪Stand-alone tests of the effects of a particular parameterization‬‬
‫‪within a model or mechanism‬‬
‫‪-‬‬
‫اسووتجابة متغيوورات مخرجووات النموووذج للتغييوورات فووى تحديوود بووارميترات العمليووة ‪ process‬أو‬
‫بنية‪/‬عددية أو رقمية النموذج‪ ،‬أو المتغيرات ال ُمد َخلَة‪.‬‬
‫‪-‬‬
‫تعديل استجابة متغير ُمخ َرج لتغير في االبتعاثات نتيجة تعديل النموذج أو المتغيرات ال ُمد َخلَة‪.‬‬
‫‪-‬‬
‫تغيير في استراتيجية التحكم فى االبتعاثات الالزمة لبلوغ إمامى (معيار) معين لجودة الهواء‪.‬‬
‫‪24‬‬
‫الالتيقن (عدم اليقين) ‪Uncertainty‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫بيانات المدخالت ‪Input Data‬‬
‫‪o‬‬
‫االبتعاثات‬
‫‪o‬‬
‫األرصاد الجوية‬
‫حاالت وظروف التخوم ‪Boundary Conditions‬‬
‫‪o‬‬
‫الجانبية ‪Lateral‬‬
‫‪o‬‬
‫العليا ‪Upper‬‬
‫األلجورتمات (الحسابات الرمزية) الرقمية ‪Numerical Algorithm‬‬
‫‪o‬‬
‫النقل ‪Transport‬‬
‫‪o‬‬
‫مخططات اختالف الزمان والمكان‬
‫‪o‬‬
‫تحديد بارامترات العمليات الفيزيقية على النطاق الفرعي‬
‫آلية الكيمياء ‪Chemistry Mechanism‬‬
‫‪25‬‬
‫البيانات والنماذج على اإلنترنت‬
‫•‬
‫مركز دعم النماذج التنظيمية للهواء (‪)SCRAM‬‬
‫‪o‬‬
‫•‬
‫أنشطة جرد (مختزن) االبتعاثات العالمية (‪)GEIA‬‬
‫‪o‬‬
‫•‬
‫‪http://blueskies.sprl.umich.edu/geia/‬‬
‫منصة محاكاة جودة هواء متعددة النطاقات (‪)MAQSIP‬‬
‫‪o‬‬
‫•‬
‫‪http://www.epa.gov/scram001/‬‬
‫‪http://envpro.ncsc.org/products/maqsip/‬‬
‫نظام استرجاع المعلومات الخاصة بالقياسات الهوائية (‪)AIRS‬‬
‫‪o‬‬
‫‪http://www.epa.gov/airs/‬‬
‫‪26‬‬
‫تطبيقات النمذجة‬
‫‪Modeling Applications‬‬
‫•‬
‫•‬
‫المناطق الحضرية ‪Urban‬‬
‫‪o‬‬
‫تخطيط قياسات المجال‬
‫‪o‬‬
‫تقدير خفوضات االبتعاثات الالزمة لتحقيق اإلمامى (المعيار) الوطني لجودة الهواء المحيط‪.‬‬
‫‪o‬‬
‫تقدير مساهمة المصادر المختلفة لتركيزات الملوثات عند ال ُمستَقبِالَت ‪.receptors‬‬
‫النطاق اإلقليمى ‪Regional‬‬
‫‪o‬‬
‫•‬
‫تقدير النقل اإلقليمي للملوثات ومساهماتها في حوادث (حلقات) ‪ episodes‬التلوث المحلي‬
‫النطاق العالمى ‪Global‬‬
‫‪o‬‬
‫تقدير التطور العالمي للمركبات الكيميائية‪ ،‬وغازات الدفيئة‪ ،‬والتأثير على المناخ العالمي‬
‫‪27‬‬
THANK YOU
28