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USEPAEKMA模式簡介1USEPAEKMA模式簡介林清和輔英科技大學環境工程與科學系1EKMA模式簡介1.1EKMA之發展背景EKMA是為建立因光化學反應而產生臭氧濃度與有機物和氮氧化物之間關係而發展出來的(EPA,1977)。此模式使用一組臭氧等濃度線並以下列參數描述最高臭氧濃度:(1)早晨非甲烷有機化合物(NMOC);氮氧化物(NOX)以及一氧化碳(CO)等之濃度。(2)一天之中各時間揮發性有機化合物(VOCS);氮氧化物(NOX)以及一氧化碳(CO)之新鮮排放。(3)由上風處傳送過來之污染物。(4)氣象條件。(5)非甲烷有機化合物(NMOC)之反應性;以及生物源之排放。臭氧等濃度線則由不同的NMOCS以及NOX濃度經電腦模擬大氣中光化學反應而發展出來,其中VOCS與NOX之新鮮排放量與NMOCS以及NOX之初始濃度成比例關係。由此以各種前驅物初始濃度為顯性參數,各種污染物排放、初始CO濃度、氣象、大氣傳輸、NMOC反應性以及生物源排放為隱性參數繪製臭氧等濃度圖。而臭氧等濃度圖目的則在於評估為降低尖峰濃度值以符合國家空氣品質USEPAEKMA模式簡介2標準(NAAQS)中之臭氧濃度值(0.12ppm)時,NMOC所需削減百分率。為符合EKMA使用者能快速產生臭氧等濃度圖之需求,USEPA開發出了一套名為OzoneIsoplethPlottingPackage(OZIPP)之程式(此程式即稱為EKMA程式)。自從原版OZIPP模式發表以來,已公開許多更新、更複雜版本,分別敘述如下:(1)OZIPM(1977):用來處理不同化學動力機制的一套電腦程式。(2)OZIPM(1981):此版OZIPM含有原版程式的修正檔案以便適用於各種不同的電腦作業系統。本版本同時具有不須經由臭氧等濃度圖即可計算降低臭氧濃度所需NMOC減量百分比之功能。(3)OZIPM(1985):利用新發展並經煙霧室資料驗證過的機制稱為CBM-X之化學反應機制。(4)OZIPM(1986):為OZIPM-3更新版。此版本所需電腦記憶體容量更少,並含有OZIPM-3版修正程式。預設的化學機制為CBM-4(CBM-X的濃縮版)。1.2EKMA應用限制說明OZIPM-4模式限制在大型都市區域中或在緊鄰大型都市下風處使用。因此,除非在已存限制與假設之下十分小心使用,否則應避免在以下情形下使用:(1)偏遠地區臭氧問題。(2)由去程傳輸近來臭氧或∕及前驅已十分明顯(多日傳輸情形)。(3)為單一或小群污染源訂定管制策略。(4)理論上,OZIPM-4模擬之臭氧等濃度圖真實性,受到以下因USEPAEKMA模式簡介3素影響:(5)NMOC以及NOX轉化的動力機制(化學反應機制)。(6)為產生軌跡模式而輸入OZIPM-4的物理性假設條件。(7)執行OZIPM-4所需設定的氣象資料與假設。(8)上風處臭氧及前驅物之濃度值,VOCS、NOX、CO的排放資料,其中包含生物源排放。(9)積分OZIPM-4中設定之微分方程式所需數學假設。(10)為產生等濃度圖所進行之內差值誤差。1.3基本假設一、動力機制一套動力機制是由一組描述某些化學反應過程的化學反應以及反應速率常數所組成。使用動力機制,吾人可推導出偶合、一階、常係數非線性微分方程式。此方程式可用以描述污染物濃度隨時間變化速率。這些方程式可使用電腦積分並用來描述煙霧室或大氣中污染物濃度變化。原始版本的EKMA(OZIPP)使用二種碳氫化合物∕NOX反應機制來描述光化反應產生之臭氧(Dodge,1977)。在此機制之中,使用propylene與butane為都市排放的代表性污染。基於都市中碳氫化合物混和氣體反應性的考量,propylene:butane比例必須設定於1:3,且不能更改。有鑑於此以及其他原始OZIPP程式的缺點,許多使用者建議模式應能提供更多化學機制選擇的彈性。此類反應後來由Killus以及Whitten(1984)提出碳鍵結機制加以改良(CBM-3)。近年來,CBM-3的擴充版本--延伸碳鍵結機制(CBM-X)已被開發出。CBM-X並與OZIPM-3模式結合並設定為預設化學反應機制。CBM-XUSEPAEKMA模式簡介4後來被合併成為CBM-4模式(WhittenandGrey,1986)作為區域性氧化劑模式。若分別以CBM-X與CBM-4為OZIPM-3執行基礎,執行後成果顯示,二者間符合程度極高(Greyetal.,1988)。因此,使用較少資源的機制(CBM-4)被選擇為OZIPM-4中使用。在OZIPM-4中捨棄Dodge的propylene∕butane機制而使用CBM-4的碳鍵結機制具有以下優點:(1)CBM-4比Dodge機制具有更寬廣的反應性範圍。(2)若僅以pyopylene及butane來代表大氣中碳氫化合物混合氣體變化的反應性(Dodge模式),此種反應性極難加以定義。而在OZIPM-4中以CBM-4機制取代CBM-3機制時,亦具有以下優點:(1)CBM-4機制是以較近期量測數據來替代機制中各項反應速率常數。(2)CBM-4比CBM-3經過更嚴密的實驗驗證。(3)CBM-4更正了CBM-3中計算光解反應速率時的錯誤。二、臭氧前驅物前驅物的定義為所有經由化學反應能形成臭氧的化合物皆稱為臭氧前驅物,臭氧最主要的前驅物為有機化合物以及氮氧化物(NOX)。而使用都市EKMA時將有機物定義為以下二類。第一類稱為VOC或者揮發性有機化合物,是為排放源清單中各種反應性有機化合物排放量加總。第二類稱為NMOC或非甲烷有機化合物,代表大氣中所有量測而得的有機化合物。而NOX一如往常,代表NO和NO2濃度的總合。三、數值模擬USEPAEKMA模式簡介5電腦模擬意指計算動力機制中含有的各種污染物濃度隨時間變化的函數。使用者可於所指定的各個不同時間點計算污染物濃度,而計算過程包含了將模式中隱含的物理及化學動力機制形成的偶合、一階、非線性、常係數微分方程式積分。再配合使用者依各次模擬而指定的前驅物初始濃度、排放型態、污染物的稀釋與傳輸、反應性以及光密度等條件計算出所需結果。四、臭氧等濃度圖OZIPM-4產生的臭氧等濃度圖如圖1-1,圖中每一條曲線代表一小時平均最大值的臭氧等濃度線。因此,同一線上任一點的NMOC以及NOX二軸對應值皆能產生相等的臭氧濃度最大值,OZIPM-4模式中,經由121次模擬即能產生此圖。五、反應性反應性描述前驅物產生臭氧的速率以及程度的特性。美國法令規定OZIPM-4應用上,反應性是由OZIPM-4使用者指定好的一連串CBM-4反應、反應速率常數與NMOC混合物種而決定。六、生物源排放植物排放碳氫化合物,特別是白天。而排放速率則依溫度而顯著增加,經由植物排放出污染物對於臭氧形成亦有貢獻。七、預設值執行OZIPM-4時需要某些特定參數,而使用者於輸入時未設定這些參數時,電腦程式即會給予系統某些特定預設值。例如,於架構等濃度圖時最高NMOC的濃度預設值為2.0ppmC,如果使用者於輸入時並未對此條件給予特定值時,OZIPM-4即設定2.0為此參數值。八、圖點由OZIPM-4產生的等濃度途中任一點具有以下三種參數:初始USEPAEKMA模式簡介6的NMOC、NOX前驅物濃度值以及此濃度值相對應1小時平均最大臭氧濃度值。如是三個參數所形成的資料組稱為一個圖點。於圖中某些圖點是經由實際的電腦模擬產生(註:由一組微分方程式積分而得),而其餘圖點則是由電腦模擬產生圖點內插而得。九、平滑曲線內插(splineinterpolation)平滑曲線內插是由電腦模擬產生圖點後,用來決定這些圖點間臭氧濃度值。(內插的目的在於降低架構等濃度圖時電腦模擬所需次數,因此降低執行OZIPM-4時成本。Spline函數極類似連接於某二點間的線,若此線被極力拉直,則線於該二點連接處會產生些微彎曲,但點和點間則呈一直線。若是線間的張力減弱,則此線會呈二點間平滑連接曲線。而OZIPM-4中的二次spline函數則提供類似於調整線張力的張力係數,由電腦模擬所得的圖點內插出其他圖點。OZIPM-4的使用者通常不須特別擔心此spline函數如何運作。1.4EKMA輸入資料總覽使用者執行OZIPM-4的計算過程中所需輸入參數包含:(1)經度。(2)緯度。(3)時區。(4)日期。(5)早晨或下午的混合層高度(或者混合層深度)。(6)逐時溫度變化。(7)模擬的起始與終止時間。(8)初始CO濃度。(9)由於高空傳輸,位於混合層以上空氣中的NMOC、NOX、CO、USEPAEKMA模式簡介7臭氧以及其餘近十種化合物濃度(於OZIPM-4中,這些高空傳輸物質的濃度並不隨時間變化)(10)地表附近NMOC、NOX、CO、臭氧以及其餘近十種化合物濃度。(11)每小時排放的VOC、CO以及NOX排放量。(12)有機物反應性,可設定三種反應性:背景、初始以及高空傳輸。然而各時段各種反應性在圖上每一圖點皆為固定值。NOX反應性中,NOX的初始值為NO2。(13)生物源排放速率以及種類。(14)逐時大氣溫度。1.5EKMA輸出選項OZIPM-4最主要功能即在於估計欲符合臭氧空氣品質標準時所需NMOC的減量程度,而結果輸出的形式則依使用者選定選項而定。一般而言,有下列三種輸出方式可供選擇:(1)依前驅物情況而定的臭氧隨時間濃度變化(CALC選項)(2)在不產生臭氧等濃度圖的情形下,計算特定案例為達空氣品質標準所需VOC排放減量(EKMA選項)(3)產生臭氧等濃度圖(ISOPLETH選項)2EKMA之相關技術探討OZIPM-4模式是為模擬都市大氣中臭氧形成而設計的一種軌跡模式。此模式包含了兩大部分,第一部份將氣象學上的假設與化學動力機制結合以數學方式來模擬大氣中所發生的物理及化學反應。第二部份則使用以上模擬的結果,計算某特定案例中實行特定管制措施造USEPAEKMA模式簡介8成影響或是使用以產生臭氧等濃度圖。本節將著重於介紹執行模擬過程中所需使用動力模式概念基礎以及數學技巧。2.1OZIPM-4模式中的概念基礎於OZIPM-4模式中,含有臭氧及其前驅物的特定空氣團隨著假定的軌跡而傳輸。在此,軌跡是以下之方式所定義:模擬空氣團早上八點由市中心開始移動一直到出現當日最大臭氧濃度值時空氣團所經過路徑。當空氣團移動遭遇到新排放的前驅物時將產生均勻的混合。空氣團的垂直方向上大小預設為由地表面一直延伸到混合層高度,而空氣團水平方向上大小恰使空氣團與周遭大氣濃度梯度小至不足以引起水平方向上的空氣交換。而空氣團中的空氣在任何時間皆假設為均勻混合。在模擬的初期假設空氣團中含有特定的NMOC、NOX與CO初始濃度。當空氣團沿著軌跡線移動時,空氣團的高度會隨著混合層高度改變而改變,而混合層高度可於使用者設定的時段(例如08:00a.m.-03:00p.m.)內改變,而於使用者設定時段前或後的時間,混合層高度則設定為常數。當空氣團的垂直高度增加時,空氣團的體積增加,而位於混合層頂以上的空氣可於此時進入混合層中。於混合層以上的污染物通常以表層以上傳輸或高空傳輸等詞稱之。當混合層以上的臭氧或臭氧前驅物因空氣團的高度增加而混合進空氣團中時,即假設立刻產生快速且均勻的混合。空氣團中的NMOC、物種NO、NO2、CO以及O3之濃度會隨著空氣團高度增加的稀釋現象而降低,但濃度亦隨著由高空傳輸或新排放的污染物進入而增加。其中所有物種皆根據動力機制(例如CBM-4)產生化學反應。機制中某些光解速率為日照強度以及光譜分USEPAEKMA模式簡介9佈的函數,而日照強度與光譜分佈則依日期與地點產生每日變化。以下說明用於OZIPM-4軌跡模式中的假設與規則:(1)於此所指的空氣團是一個假想的具有固定水平方向大小的空氣包,其中的污染物為均勻混合但溫度則隨著日間時間不同而變化。(2)包含此空氣團的大氣則假設為具有充分均一性,因此,水平方向的擴散並不影響空氣團中污染物的濃度。(3)空氣團垂直高度可根據使用者設定而隨時間變化。(4)空氣團於模擬起始時含有已設定的NMOC、NO及CO初始濃度。(5)由探討區域外界經
本文标题:EKMA模式简介
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