Aerosol dynamics and transport in air-quality models developed at the urban and regional levels

• Autorzy: Markiewicz M.

Warianty tytułu

PL

Dynamika i transport aerozoli w modelach jakości powietrza w skali miasta i regionu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

An attempt is made to present the aerosol dynamics and transport in air-quality models used for short-term simulations of pollutant fields at urban and regional levels. Two groups of aerosol dynamics models built into air quality models are distinguished and characterised, i.e., sectional and modal models. Methods of solving aerosol dynamic and transport equation are described. A critical analysis of aerosol modelling is given.

PL

Opisano transport i dynamikę aerozoli w modelach jakości powietrza stosowanych w obliczeniach krótkoterminowych w skali miasta i regionu. Dynamikę aerozoli pokazują modele jakości powietrza należące do drugiej i trzeciej generacji. Opis procesów oddziałujących na rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń i numeryczne metody rozwiązywania równań matematycznych zależą od czasu powstania modelu. W modelach najnowszych stosuje się nowoczesne rozwiązania. Transport i dynamikę aerozoli w modelach jakości powietrza opisuje się, korzystając z modeli dynamiki aerozoli. Wyróżniono dwie grupy modeli, tzn. modele sektorowe i modele modalne. Aby opisać zmienność cząstek aerozoli pod względem wielkości, w modelach modalnych przyjmuje się ciągły rozkład. Typ funkcji gęstości prawdopodobieństwa tego rozkładu założony na początku symulacji nie zmienia się. W modelach sektorowych zmienność cząstek aerozoli opisuje pod względem wielkości rozkład dyskretny i typ funkcji gęstości tego rozkładu może się zmieniać. Pomimo że w ostatnim dziesięcioleciu odnotowano istotny postęp w modelowaniu rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń gazowych i cząstek aerozoli, należy nadal pracować nad rozbudową modeli jakości powietrza. Powinny być również podjęte prace zmierzające do opracowania baz danych odpowiedniej jakości, w tym szczegółowych baz danych o emisji. Dostępność takich baz umożliwi szersze zastosowanie modeli jakości powietrza opisujących rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń gazowych i aerozoli w atmosferze. Uważa się, że jakość danych wejściowych do modeli, w tym jakość danych o emisji wpływa istotnie na niepewność modelowania i dane te powinny być określane bardzo starannie.

Słowa kluczowe

EN

aerosol; air pollution; air quality

PL

aerozol; zanieczyszczenie powietrza; jakość powietrza

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej
• Czasopismo: Environment Protection Engineering
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 32, nr 2
• Strony: 93--104
• Opis fizyczny: bibliogr.52 poz.

Twórcy

autor

Markiewicz M.

• Institute of Environmental Engineering Systems, Warsaw University of Technology, ul. Nowowiejska 20, 00-653 Warszawa

Bibliografia

• [1] ACKERMANN I. et al., Modal aerosol dynamics model for Europe: Development and first application, Atmos. Environ., 1998, 17, 2981–2999.
• [2] BINKOWSKI S.F., SHANKAR U., The regional particulate matter model. Part I: Model description and preliminary results, J. Geophys. Res., 1995, 100, 26191–26209.
• [3] BINKOWSKI F.S., ACKERMAN I.J., Prediction of aerosol surface area with a modal aerosol dynamics model – development and three-dimensional application, J. Aerosol Dynamics, 1999, 30, 5505–5506.
• [4] BUTCHER J.C., The numerical analysis of ordinary differential equations: Runge–Kutta and general linear methods, Wiley and Sons, New York, 1987.
• [5] BYUN D. et al., Development and implementation of the EPA’s Models-3 initial operating version: Community multi-scale air quality (CMAQ) model, Proceedings from the 22nd International Conference on: Air pollution modelling and its application, June, 1997, Clermont–Ferrand, France, (eds. Gryning S.E., Chaumerliac N.), Plenum Press, New York, 1998, 357–369.
• [6] CAPALDO K.P., A computationally efficient hybrid approach for dynamic gas-aerosol transfer in air quality models, Atmos. Environ., 2000, 34, 3617–3627.
• [7] CHOCK D.P., WINKLER S.L., A trajectory-grid approach for solving the condensation and evaporation equations of aerosols, Atmos. Environ., 2000, 34, 2957–2973.
• [8] DENNIS R. et al., The next generation of integrated air quality modelling: EPAs MODELS-3, Atmos. Environ., 1996, 1925–1938.
• [9] DHANIYAL S., WEXLER A.S., Numerical schemes to model condensation and evaporation of aerosols, Atmos. Environ., 1996, 30, 919–928.
• [10] DIAZ J.M.F. et al., A flux-based characteristics method to solve particle condensational growth, Atmos. Environ., 1998, 32, 3027–3037.
• [11] GEAR C.W., Numerical Initial Value Problems in Ordinary Differential Equations, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New York, 1971.
• [12] GELBARD F., SEINFELD J.H., Simulation of muliticomponent aerosol dynamics, J. Colloid Interface Sci., 1980, 78, 485–501.
• 13] GELBARD F., Modelling multicomponent aerosol particle growth by vapor condensation, Aerosol Sci. Technol., 1990, 12, 399–412.
• [14] HAIRER E., WANNER G., Solving ordinary differential equations. Part II: Stiff problems, Springer, Berlin, 1991.
• [15] HARRINGTON D.Y., KREIDENWEIS S.M., Simulations of sulphate aerosol dynamics. Part II: Model intercomparison, Atmos. Environ., 1998, 10, 1701–1709.
• [16] HARRINGTON D.Y., KREIDENWEIS S.M., Simulations of sulphate aerosol dynamics. Part I: Dynamic model description, Atmos. Environ., 1998, 10, 1691–1700.
• [17] HASS H., Description of the EURAD chemistry transport module (CTM), [in:] Ebel A. et al. Report 83, Institute of Geophysics and Meteorology, University of Cologne, 1991, Germany.
• [18] JACOB M., TURCO R.P., Simulating condensational growth, evaporation and coagulation of aerosols using a combined moving and stationary grid, Aerosol Sci. Technol., 1995, 22, 73–92.
• [19] JACOBSON M., Development and application of a new air pollution modelling system. Part II: Aerosol module structure and design, Atmos. Environ., 1997, 31, 131–144.
• [20] JACOBSON M.Z., Numerical techniques to solve condensational and dissolutional growth equations when growth is coupled to reversible reactions, Aerosol Sci. Technol., 1997, 27, 491–498.
• [21] LAMBERT J.D., Computational methods in ordinary differential equations, Academic Press, New York, 1992.
• [22] LIU R. et al., An integrated air pollution modelling system for urban and regional scales. Part I: Structure and performance, J. Geophys. Res., 1997, 102, 6063–6079.
• [23] LURMANN F.W. et al., Modelling urban and regional aerosols. Part II: Application to California’s south coast air basin, Atmos. Environ., 1997, 31, 2695–2715.
• [24] MADANY A., BARTOCHOWSKA M., A review of air pollution dispersion models, (in Polish) The scientific works of Technical University of Warsaw, Environmental Engineering, 1995, 19, 73–110.
• [25] MARCHUK G.I., Mathematical modelling of environmental problems, (in Polish) Polish Science Publishing Office, Warsaw, 1985.
• [26] MARKIEWICZ M., The fundamentals of the air pollution dispersion modelling, (in Polish) Technical University of Warsaw Editorial Office, Warsaw, 2004.
• [27] MC RAE G.J., SEINFELD J.H., Development of a second generation mathematical model for urban air pollution. II. Evaluation of model performance, Atmospheric Environment, 1983, 17, 501–522.
• [28] MC RAE G.J. et al., Development of a second generation mathematical model for urban air pollution. I. Model formulation. Atmos. Environ., 1982, 16, 679–696.
• [29] MEMMESHEIMER M. et al., Air quality modelling with the EURAD model, Proceedings from the International Conference on: Harmonization within atmospheric dispersion modelling for regulatory purposes, Belgirate, Italy, 2001, 370–374.
• [30] MORAWSKA L. et al., The modality of particle size distributions of environmental aerosols, Atmos. Environ., 1999, 33, 4401–4411.
• [31] MULLER F., Splitting error estimation for micro-physical-multiphase chemical systems in meso-scale air quality models, Atmos. Environ., 2001, 35, 5749–5764.
• [32] PETERS L.K. et al., The current state and future directions of Eulerian models in simulating the tropospheric chemistry and transport of trace species: a review, Atmos. Environ., 1995, 29, 189–222.
• [33] PIELKE R.A., Mesoscale meteorological modelling, Academic Press, Inc., New York, 1986, 2002.
• [34] PILINIS C., SEINFELD J.H., Development and evaluation of an Eulerian photochemical gas-aerosol model, Atmos. Environ., 1988, 22, 1985–2001.
• [35] PYYKONEN J., JOKINIEMI J., Computational fluid dynamics-based sectional aerosol modelling schemes, J. Aerosol Sci., 2000, 31, 531–550.
• [36] RICHTMAYER R.D., MORTON K.W., Difference methods for initial value problems, Interscience Publishers, New York, 1967.
• [37] RUSSELL A., DENNIS R., NARSTO critical review of photochemical models and modelling, Atmos. Environ., 2000, 34, 2283–2324.
• [38] SAXENA P. et al., A comparative study of equilibrium approaches to the chemical characterization of secondary aerosols, Atmos. Environ., 1986, 20, 1471–1483.
• [39] SEAMAN N.L., Meteorological modelling for air-quality assessments. Atmos. Environ., 2000, 34, 2231–2259.
• [40] SEIGNEUR C. et al., Modelling atmospheric particulate matter, Environ. Science and Technology, 1999, 33, 80A–86A.
• [41] SEINFELD J.H., Atmospheric chemistry and physics of air pollution, Wiley and Sons, New York, 1986.
• [42] SEINFELD J.H., PANDIS S.N., Atmospheric chemistry and physics, Wiley and Sons, New York, 1998.
• [43] SMITH G.D., Numerical solution of partial differential equations: Finite differences, Oxford University Press, Oxford, 1978.
• [44] STETTER H.J., Analysis of discretisation methods for ordinary differential equations, Springer, Berlin, 1973.
• [45] SUN Q., WEXLER A.S., Modelling urban and regional aerosol-condensation and evaporation near acid neutrality, Atmos. Environ., 1998, 32, 3527–3531.
• [46] SUN Q., WEXLER A.S., Modelling urban and regional aerosol-condensation and evaporation near acid neutrality – application to the June 24–25 SCAQS episode, Atmos. Environ., 1998, 32, 3533-3542.
• [47] VAROGLU E., FINN W., Finite elements incorporating characteristics for one-dimensional diffusion-convection equations, J. Comput. Phys., 1980, 34, 371-389.
• [48] VAN DER HOUVEN P.J., Construction of integration formulas for initial value problems, North-Holland, Amsterdam, 1977.
• [49] WEXLER A.S., SEINFELD J.H., Second-generation inorganic aerosol model, Atmos. Environ., 1991, 25A, 2731-2748.
• [50] WEXLER A.S., LURMANN F.W., SEINFELD J.H., Modelling urban and regional aerosols. Part I: Model development, Atmos. Environ., 1994, 28A, 531-546.
• [51] ZANETTI P., Air pollution modelling, Van Nostrand Reinhold, New York, 1990.
• [52] ZLATEV Z., Computer treatment of large air pollution models, Environmental Science and Technology Library, Kluver Academic Publishers, Dordrecht, 1995.