Các biến đổi động lực học ở lớp khí quyển bao gồm mọi mức độ của các quá trình động lực học từ cực nhỏ của sự bay hơi, ngưng tụ, hình thành mây, mưa đến các quá trình nhỏ như các di chuy
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-BÁO CÁO PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
KHÍ TƯỢNG HỌC VÀ QUÁ TRÌNH MÔ HÌNH HÓA
GVHD : TS NGUYỄN VĂN MINH MẪN
HV : PHẠM TRẦN THANH VĂN 13070276
TP HỒ CHÍ MINH, tháng 5 năm 2015
Trang 2Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS Nguyễn VănMinh Mẫn Thầy đã tận tình hướng dẫn chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện,cung cấp tài liệu phù hợp và hướng dẫn các phương pháp nghiên cứu để chúng tôi
có thể hoàn thành tốt bài báo cáo này
Tp HCM, ngày 15 tháng 5 năm 2015
Trang 4Hình 1 - 1 : Khí quyển Trái đất
Hình 1 - 2 : Vị trí của các trạm khí tượng học từ năm 1800 đến năm 2000
Hình 1 - 3 : Một số công cụ dùng để đo lường các thông số thời tiết
Hình 2 - 1 : 16 vị trí hướng gió trên la bàn
Hình 2 - 2 : Tốc độ giảm đoạn nhiệt khô
Hình 2 - 3 : Các mức độ ổn định của khí quyển
Hình 2 - 4 : Tốc độ giảm đoạn nhiệt trong 3 trường hợp: ổn định, trung tính và không ổn định
Hình 2 - 5 : Nhiệt độ khí quyển tại các trường hợp khác nhau của độ ổn định
Hình 3 - 1 : Hệ toạ độ Cartesian được sử dụng để xác định dạng hình học của sự phát tán.Hình 3 - 2 : Mặt bên thể hiện cách nguồn ảnh diễn tả sự phản xạ chất thải tại mặt đấtHình 3 - 3 : Lược đồ thể hiện sự phản xạ chất ô nhiễm tại mặt đất và tầng nghịch đảo.Hình 4 - 1 : Khí thải từ phương tiện giao thông
Hình 4 - 2 : Khói từ các nhà máy thải vào môi trường
Hình 4 - 3 : Kẹt xe cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm không khí trong đô thị
Hình 4 - 4 : Ô nhiễm bụi trong không khí cạnh các khu công nghiệp
Hình 4 - 5 : Ô nhiễm khí trong không khí cạnh các khu công nghiệp
Hình 4 - 6 : Nồng độ NO2 tại 6 điểm quan trắc tại Tp.HCM năm 2012
Hình 4 - 7 : Nồng độ CO tại 6 điểm quan trắc tại Tp.HCM năm 2012
Hình 4 - 8 : Nồng độ bụi tại 6 điểm quan trắc tại Tp.HCM năm 2012
Hình 4 - 9 : Hệ thống cây xanh trong đô thị
Hình 4 - 10 : Phương tiện giao thông công cộng
Hình 4 - 11 : Các khu công nghiệp mới, xa khu dân cư
Hình 4 - 12 : Công ty Vedan và nước thải của công ty này
Trang 5Chương 1: GIỚI THIỆU
1.1 Khí tượng học
Khí tượng học là nghiên cứu khoa học về khí quyển của trái đất và sự thay đổi của nó, được sử dụng trong dự báo thời tiết (Oxford Advanced Learner's Dictionary, 8th edition)Khí quyển là lớp không khí bao quanh trái đất, được cố định vị trí nhờ vào lực hấp dẫn Lớp khí quyển trái đất là một hệ thống hóa học, vật lý động rất phức tạp Các biến đổi động lực học ở lớp khí quyển bao gồm mọi mức độ của các quá trình động lực học từ cực nhỏ của sự bay hơi, ngưng tụ, hình thành mây, mưa đến các quá trình nhỏ như các di chuyển của gió theo chiều ngang, dọc trong một vùng, các quá trình ở mức độ trung bình như lốc xoáy, núi lửa, … đến sự lưu thông của toàn bộ khối khí quyển (NASA, 2012)
Hình 1-1: Khí quyển Trái đất
Thời tiết là trạng thái hiện tại của lớp khí quyển và được đo thông qua nhiệt độ, áp suất khíquyển, tốc độ và hướng gió, … Các dữ liệu này được thu thập thông qua các trạm quan sát khí tượng sau một thời gian định kỳ Ví dụ: ở Mỹ, để có thể tính được mức độ ô nhiễm từ một nguồn phát tán sử dụng các mô hình phân tán cần có 8760 tập dữ liệu khí tượng mỗi giờ Mỗi tập chứa các thông tin về hướng và tốc độ gió, độ ổn định khí quyển, …
(Abhishek Tiwary, Jeremy Colls, 2010)
Trang 6Hình 1-2 cho thấy số lượng tất cả các trạm khí tượng học trên toàn thế giới từ năm 1800 đến năm 2000 Tổng số trạm là 7280, các trạm được tô màu nhằm xác định thời điểm đầu tiên trạm cung cấp dữ liệu khí tượng để phân tích
Hình 1-2: Vị trí của các trạm khí tượng học từ năm 1800 đến năm 2000.
Hình 1-3: Một số công cụ dùng để đo lường các thông số thời tiết
- Mô hình hóa: biểu diễn các thông số và các hiện tượng thời tiết dưới dạng các thuật ngữ toán học (Dym, 2004)
Sử dụng phương pháp mô hình hóa có ưu điểm so với phương pháp đo lường:
- Giải thích các hiện tượng thời tiết.
Trang 7- Tiên đoán được thời tiết trong tương lai.
- Biết được thời tiết tại những nơi chưa khảo sát, tại những thời điểm chưa đo lường.
- Xác định nguyên nhân gây ra các hiện tượng thời tiết.
Như vậy, về nguyên tắc, một mô hình hoàn hảo có thể tính toán được mọi thông số thời tiết
ở mọi nơi, tại mọi thời điểm với duy nhất một lần cung cấp thông tin đầu vào của các yếu
tố thời tiết và làm cho quá trình đo lường là không cần thiết nữa Tuy nhiên, mô hình hoàn hảo như vậy là không tồn tại Đo lường cần thực hiện thường xuyên nhằm đóng vai trò kiểm chứng lại tính chính xác của mô hình và cung cấp dữ liệu đầu vào cho mô hình ở bước tính tiếp theo
1.3 Cấu trúc bài báo cáo
Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về thời tiết Phần còn lại của bài báo cáo sẽ được tổ chức như sau:
- Phần 2: các yếu tố khí tượng cần đo lường.
- Phần 3: các mô hình phát tán nhằm xác định khả năng phát tán từ một nguồn phát từ các thông tin về khí tượng được cung cấp.
- Phần 4: cách áp dụng việc mô hình hóa trong khí tượng học vào thực tế.
Trang 8Chương 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHÍ
TƯỢNG
2.1 Hướng gió
Hướng gió được xác định bởi hướng mà gió được thổi tới bởi vì ta quan tâm tới cái được chứa trong gió trước khi thổi tới hơn là vị trí tiếp theo mà gió đến Hướng gió thường đượcđánh giá bằng một trong 16 điểm trên compa hoặc góc tính theo chiều kim đồng hồ từ hướng bắc Thông thường, trong một khoảng thời gian ngắn hay dài, giá trị của hướng gió không cố định Khí tượng học luôn sử dụng giá trị trung bình của hướng gió để xác định vùng của mặt đất bị ảnh hưởng bởi sự phát tán của một nguồn phát (ví dụ: núi lửa, khói bụi, …) Các thay đổi trong khoảng thời gian ngắn (giữa giây và phút), phụ thuộc vào độ chuyển động không đều của không khí, được thêm vào trong các giá trị trung bình (có thể thấy được trên các lá cờ hoặc chong chóng gió) Cũng như các thay đổi theo chiều ngang trong một khoảng thời gian ngắn, thành phần thay đổi theo chiều dọc trong một khoảng thời gian ngắn cũng ảnh hưởng tới sự phân tán của sự chuyển động không đều Độ lớn của biến đổi theo chiều ngang và chiều dọc đều bị ảnh hưởng bởi độ ổn định của khí quyển, phụ thuộc vào sự cân bằng giữa tốc độ giảm đoạn nhiệt và tốc độ giảm môi trường Các khái niệm này được khảo sát ở phần Error: Reference source not found
Hình 2-4: 16 vị trí hướng gió trên la bàn
Trang 92.2 Tốc độ gió
Tốc độ gió được đo bằng ms-1 hoặc knots (một knot bằng một dặm hải lý trên giờ)
Tốc độ gió rất quan trọng trong các phân tán khí quyển theo 3 cách:
- Bất kỳ sự phát tán nào cũng bị pha loãng đi một phần nào đó bởi tốc độ gió thổi qua nguồn phát.
- Tăng lên sự trộn lẫn và pha loãng.
- Một nguồn nổi (nóng hoặc lạnh) bị bẻ cong nhiều hơn ở tốc độ gió cao hơn, làm cho nó gần với chiều cao phát ra.
Ma sát với mặt đất làm giảm tốc độ gió ở gần bề mặt, do đó tốc độ tại đỉnh của ống khói công nghiệp thường lớn hơn đáng kể khi ở đáy Thay đổi theo chiều cao có thể được tính toán theo công thức:
(2.1)u(z): tốc độ gió ở độ cao z
u0: tốc độ gió được đo ở độ cao z0
p: số mũ phụ thuộc vào độ ổn định của khí quyển
Mức độ ổn định khí quyển
(theo Pasquill)
Số mũ p ở vùng địa thế gồ ghề
Số mũ p ở vùng địa thế bằng phẳng
Bảng 1: Sự thay đổi của số mũ tốc độ gió theo độ ổn định khí quyển
2.3 Tốc độ giảm đoạn nhiệt khô
Áp suất khí quyển giảm lũy thừa theo chiều cao Do đó, khi một khối khí di chuyển lên (hoặc xuống) trong khí quyển, nó phải được mở rộng (hoặc co hẹp) lại và trở nên lạnh (hoặc nóng) Đối với khí quyển khô (chứa đựng hơi nước nhưng không phải ở dạng lỏng), mức độ giảm của nhiệt độ so với chiều cao gây ra bởi loại di chuyển này được gọi là độ giảm đoạn nhiệt khô ( hoặc DALR) Đoạn nhiệt nghĩa là tổng năng lượng khối khí được bảo toàn trong suốt quá trình di chuyển này, không trao đổi với khối khí xung quanh
Trang 10Hình 2-5: Tốc độ giảm đoạn nhiệt khô
Trong khí quyển trung tính (ví dụ: khi khí quyển ở trạng thái mà các khối khí đoạn nhiệt ở trạng thái cân bằng với khối khí xung quanh chúng trong suốt quá trình di chuyển theo chiều dọc), nhiệt độ T(z) có thể được tính toán như sau:
Đối với khối khí có khối lượng m di chuyển một khoảng rất nhỏ trong khí quyển, sự thay đổi không khí bên trong dU có thể được tính toán dựa trên luật thứ nhất của nhiệt động lực học:
Trong đó, dQ: lượng nhiệt chuyển đến khối khí từ các khối khí xung quanh và dW là công được thực hiện bởi hệ thống
Với p là áp suất hệ thống và dV là sự thay đổi thể tích
Đối với một hệ thống đoạn nhiệt: dQ = 0 và dU có thể được tính bởi:
Trang 11Sắp xếp lại và chia cả 2 vế cho dz, ta có:
tử (ảnh hưởng đến khối lượng phân tử) và trong g (do sự tăng lên về khoảng cách từ trung tâm của Trái đất) ảnh hưởng đến giá trị Đây là lý do của sự giảm đáng kể của nhiệt độ ở những ngọn núi cao
2.4 Tốc độ giảm đoạn nhiệt bão hòa
Nếu nhiệt độ không khí giảm dưới độ ngưng tụ của hơn nước trong khi khối khí vẫn được đưa lên cao, lượng hơi nước dư sẽ bắt đầu ngưng tụ Điều này sẽ giải phóng lượng nhiệt ẩncủa sự bốc hơi nước, quá trình này làm giảm độ làm lạnh Ngược lại, nếu một khối khí đi xuống thấp chứa giọt nước lỏng –các giọt nước sẽ bốc hơi khi khối khí ấm lên, giải phóng
ra nhiệt lượng từ khối khí và làm giảm tốc độ làm nóng Sự thay đổi của nhiệt độ theo chiều cao khi có sự hiện diện của nước lỏng được gọi là tốc độ giảm đoạn nhiệt bão hòa (SALR) hay sat:
Công thức (2.9) được viết lại trong trường hợp SALR: sat =
Trong đó, là năng suất tỏa nhiệt của hỗn hợp khí và hơi nước Nếu tỉ lệ khối lượng của hơinước so với khối lượng khí khô trong khối khí (còn gọi là tỉ lệ trộn lẫn bão hòa) là qs:
(2.10)Nếu mw là khối lượng của hơi nước trong khối khí và L là lượng nhiệt ẩn của quá trình bốc hơi nước trên mỗi gram, nhiệt lượng được giải phóng cho quá trình di chuyển cực nhỏ của khối khí là –Ldmw Do đó, phương trình cân bằng năng lượng của khối khí ở (2.5) có thể được viết thành:
Trang 12Bảng 2: Sự thay đổi tốc độ giảm bão hòa ( o C km -1 ) theo nhiệt độ và áp suất
Ta vẫn có thể áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng mặc dù khối khí được bảo hòa, các đặc điểm nhiệt động lực học vẫn còn được thỏa mãn:
Vì không khí cũng phải được bão hòa, điều này gần như đạt được ở các khu nhiệt đới hơn
là ở sa mạc Sahara Giá trị lớn nhất đạt được khi không khí rất lạnh bởi vì khi đó hàm lượng hơi nước thấp Giá trị trung bình của tốc độ giảm trên Trái đất là khoảng 6.5 oC km-1
.
2.5 Tốc độ giảm môi trường
Tốc độ giảm đoạn nhiệt mô tả sự trao đổi nhiệt độ ở khối khí khi nó được thay thế theo chiều dọc Điều này thường không giống như nhiệt độ theo chiều dọc trong thực tế của không khí (đo bằng các thiết bị đo) Giá trị tốc độ giảm môi trường (ELR) là sự thay đổi theo chiều dọc của nhiệt độ không khí theo chiều cao tồn tại bất kỳ thời điểm và địa điểm nào Nó có thể bằng với tốc độ giảm đoạn nhiệt nhưng thường khác nhau trong đa số các trường hợp Sự cân bằng cục bộ giữa hai giá trị này đưa ra khái niệm về độ ổn định
Trang 13- Hệ thống trung tính: không có lực nào được tạo ra theo mọi hướng.
- Hệ thống không ổn định: bất kỳ sự di chuyển nào cũng tạo ra một lực khiến viên bi rời khỏi
vị trí ban đầu.
3 mức độ định trong Hình 2-6 giúp ta hình dung được một cách dễ dàng hơn 3 trường hợp khác biệt giữa DALR và ELR trong Hình 2-7
Hình 2-7: Tốc độ giảm đoạn nhiệt trong 3 trường hợp: ổn định, trung tính và không ổn định
- Hệ thống ổn định: khối khí bắt đầu ở A và di chuyển lên cao sẽ lạnh tại DALR, đạt tới nhiệt độ thấp hơn ở B Tuy nhiên, không khí xung quanh khối khí ở cùng độ cao sẽ có giá
Trang 14trị ELR ở C Khối khí trở nên lạnh hơn và đặc hơn khối khí ở xung quanh nó và sẽ hướng tới quay trở lại chiều cao bắt đầu của nó Nếu sự di chuyển ban đầu của khối khí theo hướng xuống, nó sẽ trở nên ấm hơn và ít đặc hơn khối khí xung quanh và có xu hướng đi lên cao lại Do đó, giá trị ELR trở nên ổn định bởi vì sự nhiễu loạn đã bị hãm lại.
- Hệ thống trung tính: khối khí đi lên sẽ lạnh ở DALR Do giá trị của ELR cũng bằng với DALR, khối khí sẽ ở trong không khí ở cùng nhiệt độ và mật độ sau khi bị thay thế Do đó, giá trị ELR trung tính bởi vì các di chuyển theo chiều dọc sẽ không được tăng tốc hoặc bị hãm lại.
ELR không ổn định.
Trong thực tế, sự thay đổi nhiệt độ thật sự trong khí quyển thường là sự kết hợp cả 3 trạng thái của ELR, vì thế sự phát tán theo chiều dọc sẽ khác nhau tùy theo từng độ cao (Hình 2-8) Giữa A và B, sức nóng mặt trời rất mạnh làm ấm lớp không khí dưới cùng; lớp ở giữa
BC gần với DALR trong khi lớp CD thể hiện sự tăng nhiệt độ theo chiều cao Sự thay đổi trong hình cho thấy sự không ổn định (phát tán mạnh) ở AB, gần với trung tính ở BC và rất
ổn định (phát tán yếu) ở CD
Hình 2-8: Nhiệt độ khí quyển tại các trường hợp khác nhau của độ ổn định
2.6 Các loại ổn định theo Pasquill
Các ảnh hưởng của môi trường đối với độ ổn định của khí quyển:
lớp không khí thấp nhất bất ổn định.
- Vào các buổi tối không mây, bức xạ nhiệt bước sóng dài sẽ làm lạnh mặt đất, làm cho lớp không khí dưới cùng ổn định.
Trang 15- Khi tốc độ gió tăng, sự trao đổi theo chiều dọc của khí quyển diễn ra mạnh mẽ làm cho giá trị ELR bằng với DALR (trung tính).
Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và tốc độ gió lên độ ổn định khí quyển khiến cho Pasquill nảy ra ý tưởng tạo ra các mức để đo độ ổn định từ A (rất không ổn định) đến G(rất ổn định) và gắn kết chúng với các đại lượng của khí tượng
Bảng 3 thể hiện rõ các ảnh hưởng trên Khi mặt trời chiếu sáng mạnh và gió thổi nhẹ, lượng nhiệt ở mặt đất là lớn nhất, khiến cho nhiệt độ của lớp không khí dưới cùng tăng cao và tạo ra môi trường không ổn định Khi ít ánh nắng mặt trời, hiệu ứng này bị giảmnhẹ và sự không ổn định cũng ít dần Khi tốc độ gió tăng cao, sự trộn lẫn theo chiều dọc tác động làm cho môi trường trở nên trung tính (loại D) Vào ban đêm, mặt đất trở nên lạnh, khối khí thấp nhất rất ổn định (lớp G) Khi trời nhiều mây hoặc có nhiều gió, lớp D sẽ xuất hiện nhiều hơn
Mạnh (>590)
Trung bình(300-590)
Yếu(<290)
Bảng 3: Sự phục thuộc của độ ổn định vào các thông số khí tượng
Bằng việc đo lường các thông số khí tượng học (hướng và tốc độ gió, tốc độ giảm đoạn nhiệt khô, tốc độ giảm môi trường, …), để có thể mô tả ảnh hưởng của một nguồn ô nhiễm, ta cần phải áp dụng các mô hình phát tán Nội dung
này được trình bày ở Chương 3.
Trang 16Chương 3: CÁC MÔ HÌNH PHÁT TÁN
3.1 Giới thiệu
Về mặt định tính, các mô hình phát tán được dùng để diễn tả tình trạng của các chất phát thải trong khí quyển tại một điểm, một vùng hay tuyến nguồn Về mặt định lượng, các mô hình phát tán là công cụ được dùng để ước lượng nồng độ một chất trong khí quyển, đưa rađược thông tin cụ thể về các nhân tố khí tượng, địa chất và cường độ của nguồn
Có nhiều mô hình phát tán được sử dụng hiện nay, trong đó có 3 mô hình được sử dụng rộng rãi nhất, gồm có: mô hình Eulerian, mô hình Gaussian, mô hình Lagrangian Cụ thể:
• Mô hình Eulerian: là mô hình phân tán được dùng để giải quyết phương trình khuếch tán khí quyển một cách số học Phương pháp thực hiện chủ yếu là tiến hànhviệc đo lường các tính chất của khí quyển tại một số điểm cố định bằng các cảm biến đo gió
• Mô hình Gaussian: là mô hình phát tán được xây dựng dựa trên phân bố chuẩn Gaussian theo hướng gió
• Mô hình Lagrangian: là mô hình phát tán được xây dựng dựa trên việc phân tích các quá trình xảy ra trong một khối khí liên tục di chuyển, hay mô phỏng lại các quá trình đó dựa trên sự phát tán của các hạt nhân tạo hay việc theo dõi các bong bóng khí tượng được thả bay xuôi theo gió
Trong khuôn khổ bài viết này, chúng ta chỉ tập trung phân tích mô hình phân tán của Gaussian
3.2 Lý thuyết phân tán theo mô hình Gaussian
Trước hết, ta cần phải diễn tả được vị trí nơi mình muốn ước lượng nồng độ, liên hệ tới cả nguồn lẫn mặt đất Hệ toạ độ chuẩn Cartesian (x,y,z) được sử dụng trong trường hợp này