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 5 năm 2015
1


LỜI CẢM ƠN
Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Nguyễn Văn
Minh 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

2


MỤC LỤC

3


DANH MỤC HÌNH

Hình 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 đất
Hình 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.

4


Chương 1: Giới thiệu

Chương 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 khí
quyển, 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)

5


Chương 1: Giới thiệu
Hình 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.

1.2 Mô hình hóa
Để có thể mô tả được các hiện tượng xảy ra trong thiên nhiên, ta thường sử dụng hai
phương pháp chính: đo lường và mô hình hóa.
-

Đo lường: dùng các thiết bị để lấy các thông số thời tiết ở một nơi cụ thể, tại một thời điểm
nhất định. Tuy nhiên, phương pháp này lại không thể cung cấp thông tin về thời tiết ở trong
tương lai hoặc thông tin tại một nơi mà chưa thể lấy dữ liệu.

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.

6


Chương 1: Giới thiệu
-

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.

-

Tác động để thay đổi thời tiết cho phù hợp với mong muốn.

-

…

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.

7


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 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 được
đánh 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

8


Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến khí tượng

2.2 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

Số mũ p ở vùng địa thế gồ

Số mũ p ở vùng địa thế bằng

(theo Pasquill)
A- Ổn định nhất
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 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.

9


Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến khí tượng

Hình 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:
dU = dQ + dW

(2.2)

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.
Nhưng ta lại có: dW = -pdV

(2.3)

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:
dU = mcvdT

(2.4)

Trong đó, cv là năng suất tỏa nhiệt của một thể tích khí không đổi và dT là sai phân của
nhiệt độ. Do đó, đối với khối khí đoạn nhiệt khô, theo luật đầu tiên của nhiệt động lực học,
ta có:
mcvdT = -pdV

(2.5)

Thay thế dV, sử dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng pV=, ta có thể viết lại phương
trình (2.5) thành:
mcvdt = - dT

(2.6)
10


Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến khí tượng
Sắp xếp lại và chia cả 2 vế cho dz, ta có:
(mcv + ) =

(2.7)

Thay thế = trong công thức (2.7) ta được:
=

(2.8)

Nhưng
Do đó, giá trị của (hay ) được cố định bởi một hàng số vật lý và có thể được tính bằng:
(2.9)
Với g là gia tốc trọng trường (9.81 m s-2) và cp là lượng nhiệt xác định của không khí tại áp
suất không đổi (1010 J kg-1 K-1). Do đó, o C km-1. Giá trị này có độ chính xác chấp nhận
được ở khí quyển thấp hơn 20 km. Trên độ cao này, những thay đổi trong thành phần phân
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 ẩn
của 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 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) có thể
được viết thành:
mcvdT = -pdV - Ldmw

(2.11)

11


Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng 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 thay thế cv, cp ta được:
-

(2.13)

Nhưng . Chia toàn bộ biểu thức bởi dz và thay thế trong đẳng thức (2.13):
sat

= =

(2.14)

Vì áp suất hơi nước bão hòa phụ thuộc vào cả nhiệt độ lẫn áp suất, SALR cũng bị thay đổi
theo (Bảng 2). Giá trị nhỏ nhất đạt được khi áp suất là ở trên bề mặt và nhiệt độ ấm nhất.
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.

12


Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến khí tượng

Hình 2-6: Các mức độ ổn định của khí quyển

Hình 2-6 mô tả hình minh họa cho 3 mức độ ổn định của khí quyển: ổn định, trung tính và
không ổn định.
-

Hệ thống ổn định: bất cứ dự di chuyển nào của viên bi cũng tạo ra một lực phục hồi giúp di
chuyển nó về lại vị trí ban đầu.

-

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

13


Chương 2: Các yếu tố 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 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.

-

Hệ thống không ổn định: sự chênh lệch giữa DALR và ELR sẽ được tăng tốc và làm giá trị
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 28). 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:
-

Vào các ngày trời không mây, bức xạ mặt trời sẽ làm nóng mặt đất vào ban ngày, làm cho
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.

14


Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến khí tượng
-

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 giảm
nhẹ 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.
Tốc độ gió trên

Mặt trời vào ban ngày

Ban đêm

bề mặt (ms-1)

(mật độ thông lượng theo W m-2)
Mạnh
Trung bình
Yếu

(lượng mây tính theo oktas)
8
4-7

(>590)
A
A-B
B

C
C

D
D
D
D
D

<2
2-3
3-5
5-6
>6

(300-590)
A-B
B
B-C
C-D
D

(<290)
B
C
C
D
D

G

E
D
D
D

0-3

G
F
E
D
D

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.

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 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 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. 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 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.

16

Chương 3: Các mô hình phát tán

Hình 3-9: Hệ toạ độ Cartesian được sử dụng để xác định dạng hình học của sự phát tán

Hệ toạ độ:
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Nguồn vật lý được đặt tại vị trí gốc toạ độ (0,0,0)
Trục x được đặt dọc theo chiều gió chính.
x khoảng cách từ nguồn theo chiều gió.
y khoảng cách mặt bên theo chiều gió chính.
z chiều cao so với mặt đất.
h chiều cao vật lý của ống khói.
dh chiều cao bổ sung bởi luồng khói bay lên bởi nhiệt độ và/hoặc động lượng của
nó.
H = h + dh chiều cao hiệu dụng được giải phóng.
ū tốc độ gió trung bình tại chiều cao luồng khói.

3.3 Phương trình làn khói Gaussian
Dựa trên những phân tích sự phát tán của luồng khí, lượng chất ô nhiễm từ một nguồn liên

tục có thể được xem như là một chuỗi liên tục các luồng khí chồng lấp nhau, được tính
theo công thức sau:

Q: nồng độ tại nguồn.
σy: độ lêch chuẩn theo 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 thời gian luồng khói duy chuyển từ
nguồn đến điểm đặt thiết bị thu. Tức là việc giải phóng phải đạt được trạng thái ổn
định và sự khuếch tán dọc theo chiều gió là không đáng kể so với sự đối lưu. Đơn
vị thời gian đo lường thường được sử dụng là giờ.

•

Các chất phải ổn định về mặt hoá học và không bị lắng đọng xuống đất. Tức là các
chất khí này phải không phản ứng, và các hạt này phải có đường kính <20μm để
chúng không bị đóng cặn lại.

•

Sự biến đổi theo phương đứng và phương ngang của nồng độ các chất có thể biểu
diễn được bởi phân phối Gaussian, và là một hàm theo x.

•

Tốc độ gió ở độ cao nhất định là không đổi. Điều này không bao giờ đạt được trong
thực tế. Sự biến đổi của tốc độ gió theo chiều cao thông thường được diễn tả theo
một hàm logarit. Phiên bản nâng cao của phương trình Gaussian là chia khí quyển
ra thành các lớp khác nhau, mỗi lớp có một tập hợp xác định các đặc trưng như tốc
độ gió và độ ổn định.

•

Hướng gió ở độ cao nhất định là không đổi. Xin nhắc lại, điều này cực kì hiếm đạt
được trong thực tế.

3.5 Ảnh hưởng của các ràng buộc theo phương đứng
1.Sự phản xạ ở mặt đất
Giả sử rằng không có chất thải nào bị hấp thụ bởi mặt đất, bất kì chất ô nhiễm nào khi
chạm mặt đất cũng được phát tán trở lại khí quyển. Điều này được giải quyết một cách lý
thuyết hoá bằng việc thêm vào một nguồn ảnh, tương đương về độ lớn so với nguồn thật
nhưng đặt tại vị trí (0,0,-H). Mặc dù đây chỉ là một mánh khoé toán học vô nghĩa về mặt
vật lí nhưng lại giải quyết được vấn đề phản xạ của luồng khói khi tiếp xúc với mặt đất.

18


Chương 3: Các mô hình phát tán

Hình 3-10: Mặt bên thể hiện cách nguồn ảnh diễn tả sự phản xạ chất thải tại mặt đất

Khi đó, phương trình phát tán trở thành

2. Sự phản xạ ở tầng nghịch đảo
Sự phát tán từ trên xuống dưới luôn bị ràng buộc bởi bề mặt vật lý, chẳng hạn như mặt
nước hay địa hình. Sự phát tán từ dưới lên cũng bị ràng buộc bởi chính cấu trúc nhiệt độ
của khí quyển. Nếu tồn tại tầng nghịch đảo nâng lên cao thì sẽ tạo nên một rào chắn ngăn
việc phát tán lên cao một cách tự do. Từ đó, để thuận lợi cho việc tính toán, ta sẽ đặt thêm
một số nguồn ảnh tương tự như tại mặt đất. Khi đó sẽ xuất hiện thêm một số đại lượng
phản xạ so với công thức tính ban đầu.

19


Chương 3: Các mô hình phát tán

Hình 3-11: Lược đồ thể hiện sự phản xạ chất ô nhiễm tại mặt đất và tầng nghịch đảo

Công thức được bổ sung thành

Trong đó, Hbl là chiều cao tầng nghịch đảo hay đỉnh của lớp biên. Trong công thức này,
biểu thức thứ nhất trong ngoặc nhọn là thành phần trực tiếp, và biểu thức thứ hai đại diện
cho các nguồn ảnh đã được đề cập ở trên. Biểu thức thứ ba trong ngoặc nhọn đại diện cho
sự phản xạ ở tầng nghịch đảo (nguồn ảnh B), đại lượng thứ tư (nguồn ảnh C) là phản xạ
của nguồn ảnh B tại mặt đất, và đại lượng thứ năm (nguồn ảnh D) là phản xạ của nguồn
ảnh A tại tầng nghịch đảo.

3.6 Ví dụ áp dụng công thức tính toán nồng độ chất ô nhiễm

theo mô hình phát tán Gaussian
Chúng ta sẽ áp dụng những ý tưởng đã trình bày ở trên để dự đoán nồng độ tại mặt đất khi
xuôi gió của SO2 được giải phóng từ một ống khói với chiều cao biết trước. Những thông
tin được cung cấp bao gồm:

20


Chương 3: Các mô hình phát tán
 Các đặc tính của nguồn
 Chiều cao: 100m
 Bán kính trong: 5m
 Vận tốc thoát: 20m/s
 Nhiệt độ thoát: 80oC = 353K
 Lượng than đốt = 3000 tấn/ngày, tỉ lệ lưu huỳnh(S) = 1.4%
 Điều kiện môi trường
 Tốc độ gió ở 10m = 8m/s
 Thời tiết – mây
 Nhiệt độ không khí ở chiều cao ống khói: 10oC = 283K
 Điểm đặt thiết bị thu
 6000m xuôi theo chiều gió, tại mặt đất trên địa hình phẳng
Những thông tin trên chỉ được đặt ra để làm ví dụ, tuy nhiên nó có thể xem là tiêu biểu cho
một cơ sở đốt than tầm trung. Cùng một công thức Gaussian có thể được áp dụng cho một
dãi rộng các khả năng về các đặc điểm của nguồn và các điều kiện về thời tiết.
 Bước 1: Tra Bảng 1 để xác định loại ổn định từ điều kiện môi trường.
 Do trời có gió và nhiều mây, nên ta xác định loại D.
 Bước 2: tính σy, σz.
 Tra Bảng 4, khu vực mở với độ ổn định loại D và x=6000m. Ta được:
σy=379m, σz=113m.

Bảng 4: Công thức tính độ lệch tương ứng với loại ổn định

 Bước 3: dùng phương trình (6.1) để tính tốc độ gió ở 100m.




Tra Bảng 5 với loại D, p=0.15
Ta được u(100)=8(100/10)0.15=11.3m/s

21


Chương 3: Các mô hình phát tán

Bảng 5: Sự biến đổi số mũ p của tốc độ gió với loại ổn định

 Bước 4: tính chiều cao hiệu dụng luồng khói khi được giải phóng.

Fb: thông lượng luồng khói thoát ra.
w0: tốc độ luồng khói lúc thoát ra.
Tp0: nhiệt độ luồng khói lúc thoát(K).
Ta0: nhiệt độ xung quanh(K).
Nếu Fb<55 thì dh=21F0.75/uh
Nếu Fb≥55 thì dh=39F0.6/uh
Với uh là tốc độ gió tại độ cao h

22

Chương 3: Các mô hình phát tán
 Bước 5: tính tỉ lệ khí SO2 được giải phóng.
 Lượng than được đốt = 3000 tấn/ngày
 Lượng S=1.4% = 4.86x102 g/s
 Lượng SO2=9.72x102 g/s
 Bước 6: giải phương trình phát tán.
 Sử dụng công thức 6.25 cho nồng độ luồng khí trung tâm tại mặt đất.
 Với Q=9.72x102 g/s, ū=11.3 m/s, σy=379m, σz=113m và H=314m.

3.7 Những giới hạn của mô hình Gaussian


Chỉ ứng dụng cho bề mặt phẳng và mở.



Rất khó lưu ý tới hiệu ứng vật cản.



Các điều kiện khí tượng và điều kiện tại bề mặt đất là không đổi tại mọi khoảng cách nơi
diễn ra sự lan truyền đám mây khí.



Chỉ áp dụng cho các chất khí có mật độ gần với mật độ không khí.



Chỉ áp dụng cho các trường hợp vận tốc gió u ≥ 1 m/s.

23


Chương 4: Áp dụng thuyết phát tán

Chương 4: ÁP DỤNG THUYẾT PHÁT TÁN
Thuyết phát tán Gaussian được ứng dụng rộng rãi trong việc dự báo thời tiết, quản
lý và dự báo ô 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 chất lượng không khí
- Tính toán sự phát tán ô nhiễm không khí
- Phân tích mô hình Gauss thành lập công thức tính toán sự tập trung ô nhiễm
Phần mềm ISCST3 được post tại website: />
Phần mềm này được sử dụng rộng rãi trong việc khảo sát sự phát tán của nguồn
phát trong không khí tại Việt Nam cũng như trên thế giới (kèm theo đồ án mẫu)

24


Chương 4: Áp dụng thuyết phát tán

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