نمذجــة جــودة الهــواء والتحكم فيهـــا (1) Air Quality Modeling and Control

جامعة الدول العربية أمانة المجلس الوزارى العربى للكهرباء والأمانة الفنية لمجلس الوزارء العرب المسئولين عن شئون البيئة - الموسسة العامة القطرية للكهرباء والماء (كهرماء ) اللجنة الاقتصادية والاجتماعية لغربى آسيا ( ESCWA ) برنامج الأمم المتحدة للبيئة ( UNEP ) الدورة التدريبية حول " المبادئ الأساسية فى طرق حساب الابتعاثات الملوثة للبيئة بقطاع الكهرباء فى الدول العربية " دولة قطر – الدوحة / 29- 31مايو 2012 نمذجــة جــودة الهــواء والتحكم فيهـــا (1) Air Quality Modeling and Control مهندس / ماهــر عـزيــز استشارى الطاقة والبيئة وتغير المناخ موبايل : (2) 0122-368-9795 بريد اليكترونى: <maher_aziz49@yahoo.com>

المحاضرة الأولى مقدمة عامة لنمذجة جودة الهواء

Outline الخطوط العريضة • عمليات الغلاف الجوى • مكونات نمذجة جودة (نوعية)الهواء • الحاجة إلى النماذج • أنواع النماذج • الشروط المبدئية والإطارية (المبادئ والتخوم) • الحساسية واللاتيقنية • نواتج العينةSample Outputs • النماذج متواترة الاستخدام • دليل الموقع الإلكترونى لاستخراج البيانات والنماذج

عملية التحكم فى جودة الهواء • تأثيرات جودة الهواء • الصحة والرفاهية • التأثيرات الثانوية • تعرض السكان population exposure • مستهدفات جودة الهواء • الجدوى الفنية • القضايا الاقتصادية • التعافى robustness كيمياء الغلاف الجوي توزيعات الملوثات نموذج جودة الهواء توزيعات الابتعاثات تصميم استراتيجية التحكم الأرصاد الجوية • هى عملية تغذية مرتدة • نمذجة جودة الهواء هي عنصر مركزى (رئيسي)

نماذج جودة الهواء الإشعاع الشمسي الكيمياء المائية الكيمياء الضوئية النقل إلى الداخل أمطار النقل إلى الخارج ارتفاع الخلط الاضطراب الجوى ترسيب • تدمج وتكامل معرفتنا بفيزياء وكيمياء الغلاف الجوى • هى أدوات لتحديد أثر الابتعاثات على جودة الهواء في المستقبل

نماذج جودة الهواء • ما هو نموذج جودة الهواء؟ • هو صياغة رياضية تصف أنماط الابتعاثات، والأرصاد الجوية، والتحول الكيميائي، وعمليات الإزالة. • لماذا نستخدم النموذج؟ • ما هي مساهمة المصدر "أ" في تركيزات الملوثات في الموقع "ب"؟ • ما هي الاستراتيجية الأكثر فعالية من حيث التكلفة لخفضتركيزات الملوثات لتلبية متطلبات إماميات Standardsجودةالهواء؟ • ما هو التأثير على جودة الهواء الناجم عن إضافة أو خفض تدفق ابتعاث ملوث محدد؟ • أين يتعين أن يضع المرء مصدراًللتلوث في المستقبل (مجمع صناعي أوطريق سريع،...إلخ) للحد من آثاره البيئية؟ • ماذا ستكون عليه جودة الهواء غدا أو بعد غد؟

كسح ترسب عمليات متجانسة عمليات غير متجانسة عناصر نموذج جودة الهواء عمليات الأيروسول عمليات الامتصاص تفاعلات كيميائية حرارية تفاعلات كيميائية ضوئية العمليات الكيميائية ابتعاثات ناجمة عن النشاط البشري النموذج الرياضي المصادر التركيزات المتوقعة ابتعاثات طبيعية الملوثات المتأفقة (المتحركة فى اتجاه أفقى) النقل Transport الطوبوغرافيا الاضطراب الجوى خشونة السطوح ارتفاع الانعكاس الهطول أو الترسب الإشعاع الرياح غطاء السحب درجة الحرارة

الابتعــاثــات • الابتعاثات الناتجة عن النشاط البشري (من صنع الإنسان) Anthropogenic • المصدر النقطى Point Source(محطات توليد الكهرباء:أكاسيد النيتروجين "NOx"، أول أكسيد الكربون "CO"، الجسيمات الدقيقة) • منطقة المصدر • مصدر متنقل (السيارات، أكاسيد النيتروجين "NOx"، أول أكسيد الكربون "CO"، الغيوم الثقيلة "HC"، الجسيمات) • الابتعاثات الناتجة عن الكائنات الحيةBiogenic • معالجة الابتعاثات • الدوران مع الزمن Temporization • التصنيف أو التنويع Speciation • التشبيكGridding • مثال: نشاط حصر الابتعاثات العالمية Global Emission Inventory Activity (GEIA)

صياغة النموذج: المعادلات Equations • الأساس النظري لهذه النماذج هو معادلة بقاء الكتلة conservation of mass لانتقال الأنواع الجوية الأثرية trace speciesوكيميائها وترسبها. • الشكل العام لمعادلة الأنواع الكيميائية:

(تابع) صياغة النموذج: المعادلات Equations حـــيث أن: هو معدل التغير في ciنتيجة للتأفق (الانتقال فى الاتجاه الأفقي) هو معدل التغير في ciنتيجة للانتشار المضطربturbulent diffusion هو معدل التغير في ciنتيجة لعمليات السحب (الكسح، التبخر، الكيمياء المائية، الترسب الرطب) هو معدل التغير في ci نتيجة للترسب الجاف هو معدل التغير في ci نتيجة لعملياتالإيروسولات (الهباء الجوي) (النقل البيني بين الغاز والإيروسولات (الهباء الجوي)، ديناميكا الإيروسولات) Rgiصافي إنتاج المواد الكيميائية/معدل الفقد Eiمعدل الابتعاث

صياغة النموذج: البنية Structure • يتميز النموذج بعدد من العوامل التشغيلية operatorsيمثل كل منها عمليات فيزيائية/كيميائية مختلفة، وعلى سبيل المثال، A: عامل التأفق (الانتقال فى الاتجاه الأفقى) Advection Operator D: عامل الانتشار Diffusion Operator C: عامل السحب Cloud Operator R: عامل كيمياء المرحلة الغازية Gas-phase Chemistry Operator P: عامل الجسيمات/ الإيروسولات Particle / aerosol Operator S: عامل المصادر / المماص Source / Sink Operator

(تابع) صياغة النموذج: البنية Structure • يسفر التطبيق المتزامن لعامل التشغيل عن حل solution في خطوة زمنية لاحقة: 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)

معالجة الابتعاثاتEmission Processing • تُحَوِّل مختزن الابتعاثات (أول أكسيد الكربون "CO"، أكاسيد النيتروجين "NOx"، المركبات العضوية المتطايرة "VOC") إلى نموذج انحلال مكاني وزمانى Spatial & temporal. • مُعَالج كُفء للابتعاثات فعال حسابيا Computationally Efficient. • مُوَلِّد مدخلات ابتعاثات جاهزة نمذجياً model-ready للابتعاثات المجالية والنقطية والحركية (الانتقالية) mobile ، والأحيائية.

الأرصادية الجوية لتلوث الهواء Meteorology of Air Pollution • النطاقات (المقياسات) Scales • النطاق (المقياس) الكبير (1000 كم) • النطاق (المقياس) المتوسط (100 كم) • النطاق (المقياس) الصغير (1 كم) • طبقة حدود (تخوم) الغلاف الجوي Atmospheric Boundary Layer • عمليات الاضطراب والانتشار Turbulent & Diffusion Processes • الطبقة السطحية Surface Layer • التغير اليومي Diurnal Variation

الأرصادية الجوية لتلوث الهواء (تابع)Meteorology of Air Pollution • الاستقرارية الجوية Atmospheric Stability • عمليات السحب Cloud Processes • تأكسد المرحلة المائية لثاني أكسيد الكبريت "SO2" في السُحُب هو المسار الأكثر أهمية على النطاق العالمي لتحويل ثاني أكسيد الكبريت "SO2" إلى كبريتات Sulfate. • الترسب الحمضي Acid Deposition.

نماذج الأرصاد الجويةMeteorology Models • نموذج التوليد وسطى المقياس 5 (MM5) Mesoscale Model Generation 5 • نظام النمذجة الإقليمي للغلاف الجوي "RAMS" Regional Atmospheric Modeling System • النموذج الإقليمي للمناخ "RegCM2" Regional Climate Model • نموذج المناخ على النطاق المجتمعي (CCM3) Community Climate Model

أنماط (أنواع) النماذجTypes of Models • النماذج الرياضية: هي نماذج مؤسسة على توصيفات أساسية fundamental descriptions للعمليات الفيزيقية والكيميائية في الغلاف الجوي. • النماذج الإحصائية: هي نماذج مؤسسة على التحليل الإحصائي للبيانات.

النماذج الرياضيةMathematical Models • بدون أبعاد "0-D"، بُعْدْ واحد "1-D"، بعدان "2-D"، ثلاثة أبعاد "3-D" • نماذج لاجرانج: تحاكى التغييرات في التركيب الكيميائي لحُزْمَة هوائية معينة يتم تأفقها (أى انتقالها أفقياً) في الغلاف الجوي. • إطار نمذجة لاجرانج هو الإطار الذي يتحرك مع الرياح المحلية بحيث لا يوجد تبادل للكتلة بين حُزْمَة الهواء والمناطق المحيطة بها، باستثناء أنواع الابتعاثات التي يُسمح لها بدخول الحزمة الهوائية من خلال قاعدتها. • مثال: "OZIPR" (حزمة التوقيع المتساوية للأوزون Ozone Isopleth Plotting Package) • نماذج أويلر Eulerian Models : تصف تركيز الملوثات في مجموعة من الخلايا الحسابية الثابتة ضمن نطاق جغرافي • مثال: "MAQSIP" (منصة محاكاة جودة الهواء متعددة المقياسات (النطاقات)).

الأنواع الأنواع الخارجة الداخلة الابتعاثات (ب) (أ) الإظهار التخطيطي لكل من (أ) نموذج لاجرانج و (ب) نموذج إويلر

النماذج الإحصائية Statistical Models • محاولة لربط التركيزات المقاسة للملوثات في موقع معين بمصادرها باستخدام بِنَى (تركيبات) Compositions المُسْتَقْبِل receptor والمصدر Source فقط. وليس ضروريا وجود معلومات عن الأرصاد الجوية والطوبوغرافيا والموقع وحجم (أو مقدار) المصادر. • مثال: توازن الكتلة الكيميائيةChemical Mass Balance (CMB).

نماذج المسارTrajectory Models • يتم حل معادلة الاستمرارية Continuity Equation باستخدام حقل الرياح باعتباره إطار مرجعي. • المزايا • بسيطة وكُفْء • أسهل (أيسر) فى الترميز to code والتشغيل مقارنة بالنماذج الشبكية Grid Models • سهلة (يسيرة) التحديد لمدخلات النموذج وتغيير المدخلات في محاكيات الحساسية • يمكن أن تشمل آليات كيميائية كبيرة وواضحة • سهلة (يسيرة) التعديل للآليات • يسهل الإطار المرجعى Reference Frame تقييم العلاقات بين المصدر والمتلقي

نماذج المسار(تابع)Trajectory Models (Contd.) • العيوب • هى تمثيل مبسط للغاية للنقل والتشتت المضطرب مما قد ينجم عنه تقدير غير كافي يتسبب فى تقديرات مبالغ فيها لتركيزات الأنواع. • صعبة فى تمثيل سيناريوهات عدة أيام، خاصة مع الخلط والنقل المركبين complex من فوق الطبقة الحدودية للغلاف الجوي atmospheric boundary layer. • تمدنا بتحليلات زمنية ومكانية ضعيفة. ويُعَرَّف الناتج في مجموعة محدودة من النقاط في أوقات معينة على طول مسار (محور) الحزمة، مما يجعل من الصعب دراسة التأثيرات على مساحة جغرافية أو مكاملتها integrated عبر الوقت في موقع معين.

نماذج الشبكة الأويليرية Eulerianثلاثية الأبعاد "3-D" • المزايا • تتضمن وصفا تفصيليا لعمليات الأرصاد الجوية والنقل transport. • تركيزات الأنواع المتوقعة بواسطة النموذج مُعَرَّفة على نطاق جغرافي كامل • مصممة لمحاكاة سيناريوهات عدة أيام • العيوب • مكلفة فى صيانتها وتشغيلها. • صعبة بإزاء تتبع حالات عدم اليقين في توقعات النموذج.

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 • استجابة متغيرات مخرجات النموذج للتغييرات فى تحديد بارميترات العملية processأو بنية/عددية أو رقمية النموذج، أو المتغيرات المُدْخَلَة. • تعديل استجابة متغير مُخْرَج لتغير في الابتعاثات نتيجة تعديل النموذج أو المتغيرات المُدْخَلَة. • تغيير في استراتيجية التحكم فى الابتعاثات اللازمة لبلوغ إمامى (معيار) معين لجودة الهواء.

اللاتيقن (عدم اليقين) Uncertainty • بيانات المدخلات Input Data • الابتعاثات • الأرصاد الجوية • حالات وظروف التخوم Boundary Conditions • الجانبية Lateral • العليا Upper • الألجورتمات (الحسابات الرمزية) الرقمية Numerical Algorithm • النقل Transport • مخططات اختلاف الزمان والمكان • تحديد بارامترات العمليات الفيزيقية على النطاق الفرعي • آلية الكيمياء Chemistry Mechanism

البيانات والنماذج على الإنترنت • مركز دعم النماذج التنظيمية للهواء (SCRAM) • http://www.epa.gov/scram001/ • أنشطة جرد (مختزن) الابتعاثات العالمية (GEIA) • http://blueskies.sprl.umich.edu/geia/ • منصة محاكاة جودة هواء متعددة النطاقات (MAQSIP) • http://envpro.ncsc.org/products/maqsip/ • نظام استرجاع المعلومات الخاصة بالقياسات الهوائية (AIRS) • http://www.epa.gov/airs/

تطبيقات النمذجةModeling Applications • المناطق الحضرية Urban • تخطيط قياسات المجال • تقدير خفوضات الابتعاثات اللازمة لتحقيق الإمامى (المعيار) الوطني لجودة الهواء المحيط. • تقدير مساهمة المصادر المختلفة لتركيزات الملوثات عند المُسْتَقْبِلاَت receptors. • النطاق الإقليمى Regional • تقدير النقل الإقليمي للملوثات ومساهماتها في حوادث (حلقات) episodes التلوث المحلي • النطاق العالمى Global • تقدير التطور العالمي للمركبات الكيميائية، وغازات الدفيئة، والتأثير على المناخ العالمي

THANK YOU

نمذجــة جــودة الهــواء والتحكم فيهـــا (1) Air Quality Modeling and Control