Tiểu luận môn phương pháp nghiên cứu khoa học khí tượng học và quá trình mô hình hóa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG 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 PHẠM MINH THIỆN 7140258 LÊ HỒNG DŨNG 7140819 TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2015 LỜI CẢM ƠN Chúng xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến TS Nguyễn Văn Minh Mẫn Thầy tận tình hướng dẫn suốt trình thực hiện, cung cấp tài liệu phù hợp hướng dẫn phương pháp nghiên cứu để hoàn thành tốt báo cáo Tp HCM, ngày 15 tháng năm 2015 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH Hình 1-1: Khí Trái đất Hình 1-2: Vị trí trạm khí tượng học từ năm 1800 đến năm 2000 Hình 1-3: Một số công cụ dùng để đo lường thông số thời tiết Hình 2-1: 16 vị trí hướng gió la bàn Hình 2-2: Tốc độ giảm đoạn nhiệt khô Hình 2-3: Các mức độ ổn định khí Hình 2-4: Tốc độ giảm đoạn nhiệt trường hợp: ổn định, trung tính không ổn định Hình 2-5: Nhiệt độ khí trường hợp khác độ ổn định Hình 3-1: Hệ toạ độ Cartesian sử dụng để xác định dạng hình học phát tán Hình 3-2: Mặt bên thể cách nguồn ảnh diễn tả phản xạ chất thải mặt đất Hình 3-3: Lược đồ thể phản xạ chất ô nhiễm mặt đất tầng nghịch đảo Hình 4-1: Khí thải từ phương tiện giao thông Hình 4-2: Khói từ nhà máy thải vào môi trường Hình 4-3: Kẹt xe nguyên nhân gây ô nhiễm không khí đô thị Hình 4-4: Ô nhiễm bụi không khí cạnh khu công nghiệp Hình 4-5: Ô nhiễm khí không khí cạnh khu công nghiệp Hình 4-6: Nồng độ NO2 điểm quan trắc Tp.HCM năm 2012 Hình 4-7: Nồng độ CO điểm quan trắc Tp.HCM năm 2012 Hình 4-8: Nồng độ bụi điểm quan trắc Tp.HCM năm 2012 Hình 4-9: Hệ thống xanh 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 nước thải công ty Chương 1: Giới thiệu Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Khí tượng học Khí tượng học nghiên cứu khoa học khí trái đất thay đổi nó, sử dụng dự báo thời tiết (Oxford Advanced Learner's Dictionary, 8th edition) Khí lớp không khí bao quanh trái đất, cố định vị trí nhờ vào lực hấp dẫn Lớp khí trái đất hệ thống hóa học, vật lý động phức tạp Các biến đổi động lực học lớp khí bao gồm mức độ trình động lực học từ cực nhỏ bay hơi, ngưng tụ, hình thành mây, mưa đến trình nhỏ di chuyển gió theo chiều ngang, dọc vùng, trình mức độ trung bình lốc xoáy, núi lửa, … đến lưu thông toàn khối khí (NASA, 2012) Hình 1-1: Khí Trái đất Thời tiết trạng thái lớp khí đo thông qua nhiệt độ, áp suất khí quyển, tốc độ hướng gió, … Các liệu thu thập thông qua trạm quan sát khí tượng sau thời gian định kỳ Ví dụ: Mỹ, để tính mức độ ô nhiễm từ nguồn phát tán sử dụng mô hình phân tán cần có 8760 tập liệu khí tượng Mỗi tập chứa thông tin hướng tốc độ gió, độ ổn định khí quyển, … (Abhishek Tiwary, Jeremy Colls, 2010) Chương 1: Giới thiệu Hình 1-2 cho thấy số lượng tất trạm khí tượng học toàn giới từ năm 1800 đến năm 2000 Tổng số trạm 7280, trạm tô màu nhằm xác định thời điểm trạm cung cấp liệu khí tượng để phân tích Hình 1-2: Vị trí trạm khí tượng học từ năm 1800 đến năm 2000 1.2 Mô hình hóa Để mô tả tượng xảy thiên nhiên, ta thường sử dụng hai phương pháp chính: đo lường mô hình hóa - Đo lường: dùng thiết bị để lấy thông số thời tiết nơi cụ thể, thời điểm định Tuy nhiên, phương pháp lại cung cấp thông tin thời tiết tương lai thông tin nơi mà chưa thể lấy liệu Hình 1-3: Một số công cụ dùng để đo lường thông số thời tiết - Mô hình hóa: biểu diễn thông số tượng thời tiết dạng thuật ngữ toán học (Dym, 2004) Sử dụng phương pháp mô hình hóa có ưu điểm so với phương pháp đo lường: - Giải thích tượng thời tiết Chương 1: Giới thiệu - Tiên đoán thời tiết tương lai - Biết thời tiết nơi chưa khảo sát, thời điểm chưa đo lường - Xác định nguyên nhân gây tượng thời tiết - Tác động để thay đổi thời tiết cho phù hợp với mong muốn - … Như vậy, nguyên tắc, mô hình hoàn hảo tính toán thông số thời tiết nơi, thời điểm với lần cung cấp thông tin đầu vào yếu tố thời tiết làm cho trình đo lường không cần thiết Tuy nhiên, mô hình hoàn hảo không tồn Đo lường cần thực thường xuyên nhằm đóng vai trò kiểm chứng lại tính xác mô hình cung cấp liệu đầu vào cho mô hình bước tính 1.3 Cấu trúc báo cáo Chương trình bày khái niệm thời tiết Phần lại báo cáo tổ chức sau: - Phần 2: yếu tố khí tượng cần đo lường - Phần 3: mô hình phát tán nhằm xác định khả phát tán từ nguồn phát từ thông tin khí tượng cung cấp - Phần 4: cách áp dụng việc mô hình hóa khí tượng học vào thực tế Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến khí tượng Chương 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHÍ TƯỢNG 2.1 Hướng gió Hướng gió xác định hướng mà gió thổi tới ta quan tâm tới chứa gió trước thổi tới vị trí mà gió đến Hướng gió thường đánh giá 16 điểm compa góc tính theo chiều kim đồng hồ từ hướng bắc Thông thường, khoảng thời gian ngắn hay dài, giá trị hướng gió không cố định Khí tượng học sử dụng giá trị trung bình hướng gió để xác định vùng mặt đất bị ảnh hưởng phát tán nguồn phát (ví dụ: núi lửa, khói bụi, …) Các thay đổi khoảng thời gian ngắn (giữa giây phút), phụ thuộc vào độ chuyển động không không khí, thêm vào giá trị trung bình (có thể thấy cờ chong chóng gió) Cũng thay đổi theo chiều ngang khoảng thời gian ngắn, thành phần thay đổi theo chiều dọc khoảng thời gian ngắn ảnh hưởng tới phân tán chuyển động không Độ lớn biến đổi theo chiều ngang chiều dọc bị ảnh hưởng độ ổn định khí quyển, phụ thuộc vào cân tốc độ giảm đoạn nhiệt tốc độ giảm môi trường Các khái niệm khảo sát phần Error: Reference source not found Hình 2-4: 16 vị trí hướng gió la bàn Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến khí tượng 2.2 Tốc độ gió Tốc độ gió đo ms-1 knots (một knot dặm hải lý giờ) Tốc độ gió quan trọng phân tán khí theo cách: - Bất kỳ phát tán bị pha loãng phần tốc độ gió thổi qua nguồn phát - Tăng lên trộn lẫn pha loãng - Một nguồn (nóng lạnh) bị bẻ cong nhiều tốc độ gió cao hơn, làm cho gần với chiều cao phát Ma sát với mặt đất làm giảm tốc độ gió gần bề mặt, tốc độ đỉnh ống khói công nghiệp thường lớn đáng kể đáy Thay đổi theo chiều cao tính toán theo công thức: (2.1) u(z): tốc độ gió độ cao z u0: tốc độ gió đo độ cao z0 p: số mũ phụ thuộc vào độ ổn định khí Mức độ ổn định khí Số mũ p vùng địa gồ Số mũ p vùng địa (theo Pasquill) A- Ổn định B C D E F ghề 0.15 0.15 0.20 0.25 0.40 0.60 phẳng 0.07 0.07 0.10 0.15 0.35 0.55 Bảng 1: Sự thay đổi số mũ tốc độ gió theo độ ổn định khí 2.3 Tốc độ giảm đoạn nhiệt khô Áp suất khí giảm lũy thừa theo chiều cao Do đó, khối khí di chuyển lên (hoặc xuống) khí quyển, phải mở rộng (hoặc co hẹp) lại trở nên lạnh (hoặc nóng) Đối với khí khô (chứa đựng nước dạng lỏng), mức độ giảm nhiệt độ so với chiều cao gây loại di chuyển gọi độ giảm đoạn nhiệt khô ( DALR) Đoạn nhiệt nghĩa tổng lượng khối khí bảo toàn suốt trình di chuyển này, không trao đổi với khối khí xung quanh Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến khí tượng Hình 2-5: Tốc độ giảm đoạn nhiệt khô Trong khí trung tính (ví dụ: khí trạng thái mà khối khí đoạn nhiệt trạng thái cân với khối khí xung quanh chúng suốt trình di chuyển theo chiều dọc), nhiệt độ T(z) tính toán sau: Đối với khối khí có khối lượng m di chuyển khoảng nhỏ khí quyển, thay đổi không khí bên dU tính toán dựa luật thứ nhiệt động lực học: dU = dQ + dW (2.2) Trong đó, dQ: lượng nhiệt chuyển đến khối khí từ khối khí xung quanh dW công thực hệ thống Nhưng ta lại có: dW = -pdV (2.3) Với p áp suất hệ thống dV thay đổi thể tích Đối với hệ thống đoạn nhiệt: dQ = dU tính bởi: dU = mcvdT (2.4) Trong đó, cv suất tỏa nhiệt thể tích khí không đổi dT sai phân nhiệt độ Do đó, khối khí đoạn nhiệt khô, theo luật nhiệt động lực học, ta có: mcvdT = -pdV (2.5) Thay dV, sử dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng pV=, ta viết lại phương trình (2.5) thành: mcvdt = - dT (2.6) 10 Chương 3: Các mô hình phát tán σz: độ lệch chuẩn theo phương z ū: tốc độ gió trung bình Hạng mũ thứ diễn tả phân tán theo phương ngang, hạng mũ thứ hai diễn tả phân tán theo phương đứng Đây phương trình phát tán Gaussian bản, cốt lõi nhiều mô hình dự đoán chất lượng không khí 3.4 Những giả định mô hình phát tán Gaussian • Thời gian giải phóng lấy mẫu phải lớn thời gian luồng khói chuyển từ nguồn đến điểm đặt thiết bị thu Tức việc giải phóng phải đạt trạng thái ổn định khuếch tán dọc theo chiều gió không đáng kể so với đối lưu Đơn vị thời gian đo lường thường sử dụng • Các chất phải ổn định mặt hoá học không bị lắng đọng xuống đất Tức chất khí phải không phản ứng, hạt phải có đường kính [...]... 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 hành việc 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... 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 15 Chương 3: Các mô hình phát tán Chương 3: CÁC MÔ HÌNH PHÁT TÁN 3.1 Giới thiệu Về mặt định tính, các mô hình phát... 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 ra được 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... hỗn hợp khí và hơi nước Nếu tỉ lệ khối lượng của hơi nước 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)... phương y 17 Chương 3: Các mô hình phát tán σz: độ lệch chuẩn theo phương z ū: tốc độ gió trung bình Hạng mũ thứ nhất diễn tả sự phân tán theo phương ngang, hạng mũ thứ hai diễn tả sự phân tán theo phương đứng Đây là phương trình phát tán Gaussian cơ bản, là cốt lõi của nhiều mô hình dự đoán chất lượng không khí 3.4 Những giả định của mô hình phát tán Gaussian • Thời gian giải phóng và lấy mẫu phải lớn hơn... 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... ảnh hưởng đến khí tượng trị 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... nhiễm môi trường Trong khuôn khổ bài báo cáo, chúng ta chỉ xét vấn đề ô nhiễm không khí trong đô thị Để khảo sát sự phát tán của một nguồn phát trong không khí người ta dùng phần mềm ISCST3 để mô phỏng Đặc điểm của phần mềm: Phần mềm ISCST3 là sản phẩm của "Environment Software and Modelling Group" thuộc Đại học kỹ thuật khoa học máy tính Madrid - ISCST3 sử dụng mô hình Gauss - ISCST3 xây dựng mô hình. .. 4.1Nguyên nhân ô nhiễm không khí trong đô thị: Trong đô thị không khí bị ô nhiễm do các nguyên nhân: khí thải từ các phương tiện giao thông, khói thải từ các nhà máy, khu công nghiệp, rác sinh hoạt của người dân, rác thải từ các làng nghề… Hình 4-12: Khí thải từ phương tiện giao thông Hình 4-13: Khói từ các nhà máy thải vào môi trường 25 Chương 4: Áp dụng thuyết phát tán Hình 4-14: Kẹt xe cũng là nguyên... đến khí tượng Áp suất/mb 1000 800 600 400 200 Nhiệt độ/oC -40 9.5 9.4 9.3 9.1 8.6 -20 8.6 8.3 7.9 7.3 0 6.4 6.0 5.4 20 40 4.3 3.9 3.0 Bảng 2: Sự thay đổi tốc độ giảm bão hòa (oC 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: m - (2.12) Chia cả 2 vế cho khối lượng khối khí và ... khí tượng để phân tích Hình 1-2: Vị trí trạm khí tượng học từ năm 1800 đến năm 2000 1.2 Mô hình hóa Để mô tả tượng xảy thiên nhiên, ta thường sử dụng hai phương pháp chính: đo lường mô hình hóa. .. mô hình phát tán sử dụng nay, có mô hình sử dụng rộng rãi nhất, gồm có: mô hình Eulerian, mô hình Gaussian, mô hình Lagrangian Cụ thể: • Mô hình Eulerian: mô hình phân tán dùng để giải phương trình. .. từ thông tin khí tượng cung cấp - Phần 4: cách áp dụng việc mô hình hóa khí tượng học vào thực tế Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến khí tượng Chương 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHÍ TƯỢNG 2.1 Hướng