A thesis is presented which reports on an investigation into air quality with an emphasis on the design and development of a numerical model for the transport of gaseous and particulate pollutants in airborne and deposited matter. The reported programme of research was undertaken with the dual aim of; establishing a programme of monitoring in order that ambient concentrations of selected air pollutants, released from various sources proximate to the Dundee area, could be quantified and assessed; and implementing the design, development and verification of a computational prototype model for the simulation of short term air pollutant transport using available Personnal Computer (PC) technology. Four monitoring programmes were successfully undertaken and reported on during the course of research. Three of the monitoring programmes were concerned with the quantification and assessment of ambient concentrations of traffic related pollutants in and around urban areas within the City of Dundee, Scotland. The fourth monitoring programme reports on the quantification and assessment of the potential environmental impact of the Baldovie Municipal Waste Incinerator with regards to the stack emission of the heavy metals, Cadmium (Cd) and Lead (Pb). The findings of the reported studies were found to form original contributions to local knowledge as well as to the field of air quality. Some of the finding have been published in reputable journals (Collett <i>et al</i>, (1 9 9 7 )), (Collett <i>et al</i>, (1 9 9 8 )). Also presented is a detailed report on the design, development and verification of the Short term Atmospheric Pollutant Transport Analysis Model (SAPTAM). The SAPTAM model was developed to simulate short term pollutant dispersal accounting for the effects of atmospheric stability, terrain and secondary transport dynamics, such as, dry deposition, wet deposition and chemical reactions. The model employs a simplified three dimensional Eularian wind field generator (WIFS) coupled to a Lagrangian particle in cell model (PICATS). The PICATS model simulates pollutant dispersion by releasing pseudo particles into a resolved wind field and calculating the consecutive trajectory of each particle over time. The findings of the reported research programme clearly demonstrate that the SAPTAM model, while supporting a low computational overhead and high level of description, is capable of representing pollutant dispersion over a range of scales with an acceptable level of empirical adequacy. The reported work undertaken as part of the development and verification of the SAPTAM model collectively forms an original contribution to knowledge given that the derivation and implementation of the approach on a PC based platform is completely novel.

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Downslope flows and regions of enhanced cooling have important impacts on society and the environment. Parameterisation of these often subgrid-scale phenomena in numerical models requires a sound understanding of the underlying physical processes, which has been the overarching aim of this work. A numerical model has been used to characterise the development of a region of enhanced cooling in an idealised alpine valley with width and depth of order 10 and 1 km, respectively, under stable, decoupled, poorly-drained conditions. A focus of this work has been to remove the uncertainty surrounding the forcing mechanisms behind the development of regions of enhanced cooling. The average valley-atmosphere cooling has been found to be almost equally partitioned between radiative and dynamics effects. Complex interactions between the downslope flows and the region of enhanced cooling have been quantified for the first time. For example, relatively large variations in the downslope flows are generally restricted to the region of enhanced cooling and cannot solely be attributed to the analytical model of [McNider, 1982a]. These flow variations generally coincide with return flows above the downslope flows, where a thin region of unstable air occurs, as well as coinciding with elongated downslope flow structures. The impact of these interactions on the dispersion of passive pollutants has been investigated. For example, pollutants are generally trapped within the region of enhanced cooling. The concentration of pollutants within the region of enhanced cooling, emitted over the lower half of the slopes, increase as the emission source moves away from the ground-based inversion that expands from the bottom of the valley. The concentration of pollutants within the region of enhanced cooling is very similar when varying the location of the emission source over the top half of the valley slopes. This work includes a test of the effects of varying the horizontal numerical grid resolution on average valley-atmosphere temperature changes.

Questões ambientais estão no centro das discussões nas últimas décadas. A poluição atmosférica, causada pela expansão pós-revolução industrial fez surgir a necessidade de aprender a descrever, usando modelos matemáticos, esse fenômeno. Com esse conhecimento pode-se propor soluções que mitiguem a poluição e os danos colaterais causados ao ambiente. A dispersão de poluentes modelada por soluções analíticas, a partir das equações de advecção-difusão oferecem um conhecimento sobre cada componente que constrói a equação, característica inexistente em outras abordagens, como a numérica. Entretanto ela era incapaz de descrever propriedades que se referem à turbulência, as estruturas coerentes, causadas por componentes não-lineares suprimidas por construção das equações governantes do modelo. Este trabalho estudou uma forma de recuperar características associadas à turbulência através de uma componente fundamental em estruturas coerentes, a fase. Essa é incluída no modelo que passa a descrever manifestações da turbulência em processos de dispersão através de flutuações de pequena escala na concentração da solução do modelo sesquilinear, que é determinístico-estocástico. No decorrer do trabalho há um estudo através de variações de parâmetros para compreender os efeitos da fase no modelo. Ele também foi aplicado ao experimento de Copenhagen e a dois cenários reais com a intenção de compreender o modelo frente à variáveis micrometeorológicas assim como aprimorá-lo para simular a dispersão de poluentes oriundos de fontes de forma realística. / Environmental issues have been at the center of discussions in the last few decades. Atmospheric pollution, caused by post-industrial revolution, has increased the necessity to describe, using mathematical models, this phenomenon. With this knowledge is possible to propose solutions mitigating the pollution and collateral damages caused in the environment. The pollutant dispersion modeled by analytical solutions, from advection-diffusion equations, offers a knowledge about each component that constructs the equation, a characteristic that does not exist in other approaches, such as numerical. However it was unable to describe properties that refer to turbulence, coherent structures, caused by nonlinear components suppressed by constructing the model governing equations. This work studied a way to recover characteristics associated with turbulence through a fundamental component in coherent structures, the phase. This is included in the model which describes manifestations of turbulence in the dispersion process through the presence of small-scale concentration fluctuations in the sesquilinear model, which is deterministicstochastic. In the course of this work there is a study through variations of parameters to understand the phase effects in the model. It was also applied to Copenhagen experiment and to two real scenarios with the intention of understanding the model regarding micrometeorological variables as well as improving it to simulate the pollutant dispersion from sources in a realistic way.

O presente trabalho propõe um novo modelo para dispersão de poluentes na atmosfera, tal modelo foi idealizado no trabalho de dissertação da autora e continuou-se seu desenvolvimento nesta pesquisa. O modelo é baseado na solução semi-analítica da equação de advecção-difusão para emissão contínua, com resolução através do método de separação de variáveis e da transformada de Fourier. As condições de contorno são tratadas como infinitas reflexões do poluente no solo e no topo da camada limite atmosférica. Adiante, estas reflexões são utilizadas de modo parcial, na tentativa de considerar fenômenos da dispersão que não podem ser explicitados no modelo determinístico, de forma que os contornos podem ser entendidos como estocásticos, ou seja, pode-se interpretar os contornos como uma amostragem de uma distribuição. Além disso, é realizada uma otimização nos contornos parcialmente reflexivos, com o objetivo de desenvolver uma metodologia de otimização e determinar os valores ótimos para a reflexão parcial. Os resultados obtidos foram, primeiramente, comparados com os experimentos de Copenhagen e Hanford. Posteriormente, comparou-se o modelo com dados de concentração coletados em uma fábrica de celulose, a CMPC Celulose Riograndense. Simulou-se, também, a dispersão de poluentes emitidos por uma usina termelétrica no Brasil, que faz parte do programa de pesquisa e desenvolvimento tecnológico do setor de energia elétrica da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). / The present work proposes a new model for pollutant dispersion in the atmosphere, this model was idealized in the dissertation work of the author and continued its development in this research. The model is based on the semi-analytic solution of the advectiondiffusion equation for continuous emission, with resolution through the method of separation of variables and the Fourier transform. The boundary conditions are treated as infinite reflections of the pollutant in the soil and at the top of the atmospheric boundary layer. These reflections are used in a partial way in the attempt to consider phenomena of dispersion that can not be explained in the deterministic model, so that the boundaries can be understood as stochastic, that is, one can interpret the boundaries as a sampling of a distribution. In addition, an optimization is performed in the partially reflective boundaries, with the purpose of developing an optimization methodology and determining the optimal values for the partial reflection. The results obtained were firstly compared with the experiments of Copenhagen and Hanford. Subsequently, the model was compared with concentration data collected at a cellulose production plant. The dispersion of pollutants emitted by a thermoelectric plant in Brazil was also simulated, which is part of the research and technological development program of the electric energy sector of the National Electric Energy Agency (ANEEL).

O presente trabalho propõe um novo modelo para dispersão de poluentes na atmosfera, tal modelo foi idealizado no trabalho de dissertação da autora e continuou-se seu desenvolvimento nesta pesquisa. O modelo é baseado na solução semi-analítica da equação de advecção-difusão para emissão contínua, com resolução através do método de separação de variáveis e da transformada de Fourier. As condições de contorno são tratadas como infinitas reflexões do poluente no solo e no topo da camada limite atmosférica. Adiante, estas reflexões são utilizadas de modo parcial, na tentativa de considerar fenômenos da dispersão que não podem ser explicitados no modelo determinístico, de forma que os contornos podem ser entendidos como estocásticos, ou seja, pode-se interpretar os contornos como uma amostragem de uma distribuição. Além disso, é realizada uma otimização nos contornos parcialmente reflexivos, com o objetivo de desenvolver uma metodologia de otimização e determinar os valores ótimos para a reflexão parcial. Os resultados obtidos foram, primeiramente, comparados com os experimentos de Copenhagen e Hanford. Posteriormente, comparou-se o modelo com dados de concentração coletados em uma fábrica de celulose, a CMPC Celulose Riograndense. Simulou-se, também, a dispersão de poluentes emitidos por uma usina termelétrica no Brasil, que faz parte do programa de pesquisa e desenvolvimento tecnológico do setor de energia elétrica da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). / The present work proposes a new model for pollutant dispersion in the atmosphere, this model was idealized in the dissertation work of the author and continued its development in this research. The model is based on the semi-analytic solution of the advectiondiffusion equation for continuous emission, with resolution through the method of separation of variables and the Fourier transform. The boundary conditions are treated as infinite reflections of the pollutant in the soil and at the top of the atmospheric boundary layer. These reflections are used in a partial way in the attempt to consider phenomena of dispersion that can not be explained in the deterministic model, so that the boundaries can be understood as stochastic, that is, one can interpret the boundaries as a sampling of a distribution. In addition, an optimization is performed in the partially reflective boundaries, with the purpose of developing an optimization methodology and determining the optimal values for the partial reflection. The results obtained were firstly compared with the experiments of Copenhagen and Hanford. Subsequently, the model was compared with concentration data collected at a cellulose production plant. The dispersion of pollutants emitted by a thermoelectric plant in Brazil was also simulated, which is part of the research and technological development program of the electric energy sector of the National Electric Energy Agency (ANEEL).

Questões ambientais estão no centro das discussões nas últimas décadas. A poluição atmosférica, causada pela expansão pós-revolução industrial fez surgir a necessidade de aprender a descrever, usando modelos matemáticos, esse fenômeno. Com esse conhecimento pode-se propor soluções que mitiguem a poluição e os danos colaterais causados ao ambiente. A dispersão de poluentes modelada por soluções analíticas, a partir das equações de advecção-difusão oferecem um conhecimento sobre cada componente que constrói a equação, característica inexistente em outras abordagens, como a numérica. Entretanto ela era incapaz de descrever propriedades que se referem à turbulência, as estruturas coerentes, causadas por componentes não-lineares suprimidas por construção das equações governantes do modelo. Este trabalho estudou uma forma de recuperar características associadas à turbulência através de uma componente fundamental em estruturas coerentes, a fase. Essa é incluída no modelo que passa a descrever manifestações da turbulência em processos de dispersão através de flutuações de pequena escala na concentração da solução do modelo sesquilinear, que é determinístico-estocástico. No decorrer do trabalho há um estudo através de variações de parâmetros para compreender os efeitos da fase no modelo. Ele também foi aplicado ao experimento de Copenhagen e a dois cenários reais com a intenção de compreender o modelo frente à variáveis micrometeorológicas assim como aprimorá-lo para simular a dispersão de poluentes oriundos de fontes de forma realística. / Environmental issues have been at the center of discussions in the last few decades. Atmospheric pollution, caused by post-industrial revolution, has increased the necessity to describe, using mathematical models, this phenomenon. With this knowledge is possible to propose solutions mitigating the pollution and collateral damages caused in the environment. The pollutant dispersion modeled by analytical solutions, from advection-diffusion equations, offers a knowledge about each component that constructs the equation, a characteristic that does not exist in other approaches, such as numerical. However it was unable to describe properties that refer to turbulence, coherent structures, caused by nonlinear components suppressed by constructing the model governing equations. This work studied a way to recover characteristics associated with turbulence through a fundamental component in coherent structures, the phase. This is included in the model which describes manifestations of turbulence in the dispersion process through the presence of small-scale concentration fluctuations in the sesquilinear model, which is deterministicstochastic. In the course of this work there is a study through variations of parameters to understand the phase effects in the model. It was also applied to Copenhagen experiment and to two real scenarios with the intention of understanding the model regarding micrometeorological variables as well as improving it to simulate the pollutant dispersion from sources in a realistic way.

O estudo experimental dos processos de dispersão atmosférica de poluentes permite a análise de problemas específicos e a avaliação dos modelos teórico-numéricos. Os custos da experimentação de campo conduzem à realização de estudos de laboratório em modelos reduzidos. Este trabalho tem por objetivo principal a reprodução dos ventos atmosféricos e dos processos de dispersão em escala reduzida em túnel de vento. Foram estabelecidos os requerimentos gerais de modelagem para os diversos problemas relacionados com o estudo experimental da dispersão de poluentes atmosféricos, incluindo a simulação da camada limite atmosférica e da fonte de emissão. A partir desta análise, foram desenvolvidos e avaliados diversos modelos experimentais dos ventos turbulentos na camada limite atmosférica neutral utilizando velocidades médias muito baixas que permitam cumprir os requerimentos de semelhança do processo de dispersão. As simulações incluem ventos turbulentos sobre terrenos homogêneos a diferentes escalas. Na avaliação experimental foram utilizados dados da literatura e comparações diretas com resultados de campo para a condição de atmosfera em estabilidade neutra. Foram estudados escoamentos turbulentos mais complexos nas proximidades de um modelo simples de uma edificação e em um entorno urbano não homogêneo. Para os estudos da difusão atmosférica, foi estabelecida a prioridade da modelagem de problemas locais de dispersão. Foi modelada uma fonte de emissão pontual de baixa altura representativa de uma chaminé que permita a modificação das condições de empuxo da pluma. A análise do processo de dispersão e das concentrações foi realizada considerando diversas configurações que incluem a fonte de emissão isolada num escoamento homogêneo, a consideração dos efeitos da esteira próxima ao modelo de uma edificação, e finalmente de um terreno urbano não homogêneo. Foram determinadas as concentrações médias e as flutuações de concentração na pluma. Estes resultados permitiram obter os campos de concentração e, a partir das funções de densidade de probabilidade e funções de densidade espectral, analisar as zonas de intermitência no campo de concentração. Comparações com resultados da literatura e com modelos teóricos complementam o estudo realizado. É dada ênfase na análise das flutuações de concentração e na intermitência dos processos de dispersão, dada a importância do seu conhecimento para o desenvolvimento de modelos bem como à escassa informação experimental na bibliografia. Os resultados deste trabalho permitem estabelecer a viabilidade da simulação da camada atmosférica neutral e dos estudos de dispersão em túnel de vento, determinando vantagens e limitações dos modelos reduzidos. A influência das características do escoamento turbulento, das configurações próximas do terreno e das características da emissão no processo de dispersão foi estudada. Finalmente, são analisadas as condições de intermitência associadas aos escoamentos turbulentos e, em particular, aos campos de concentração próximos a uma fonte de emissão. / The experimental study of the pollutant dispersion processes allows the analysis of specific problems as well as the evaluation of theoretical models. The costs related to full scale measurements make the experimental studies over reduced scaled models a better research tool. This work has the aim of modeling some kinds of atmospheric winds and related dispersion processes in wind tunnels. The general modeling laws related to the experimental study of pollutants dispersion were followed, including the boundary layer simulation and the emission source. Several experimental models of the turbulent winds in neutral boundary layers were developed and evaluated by using very low wind velocities, allowing the fulfillment of the similitude laws of the dispersion process. The simulations include turbulent winds over homogeneous terrains at different scales. Literature data were used in the experimental evaluation as well as direct comparisons with field results for the atmosphere under neutral stability conditions. Also, more complex turbulent flows were studied in the close proximities of a simple building model in a non homogeneous surrounding. For the atmospheric diffusion studies, it was decided to model local dispersion situations. A single, punctual type of emission source was modeled, representing the conditions at a low height chimney and allowing the modification of the plume buoyancy conditions. The analysis of the dispersion process and concentrations was performed under several configurations including the isolated source emission in a homogeneous flow, the consideration of the wake effects close to a building model, and finally of a non homogeneous urban terrain. The mean and fluctuating components of the plume concentration were obtained. These results allowed the characterization of the concentration fields. From the probability and spectral density functions it was possible to analyze the intermittence of the concentration field. Comparisons with literature results and with theoretical models complement the study. Special care is taken in the analysis of the fluctuations of the concentration and in the intermittence of the dispersion processes, due to its importance to the development of theoretical models as well as the lack of experimental information in the open literature.

Questões ambientais estão no centro das discussões nas últimas décadas. A poluição atmosférica, causada pela expansão pós-revolução industrial fez surgir a necessidade de aprender a descrever, usando modelos matemáticos, esse fenômeno. Com esse conhecimento pode-se propor soluções que mitiguem a poluição e os danos colaterais causados ao ambiente. A dispersão de poluentes modelada por soluções analíticas, a partir das equações de advecção-difusão oferecem um conhecimento sobre cada componente que constrói a equação, característica inexistente em outras abordagens, como a numérica. Entretanto ela era incapaz de descrever propriedades que se referem à turbulência, as estruturas coerentes, causadas por componentes não-lineares suprimidas por construção das equações governantes do modelo. Este trabalho estudou uma forma de recuperar características associadas à turbulência através de uma componente fundamental em estruturas coerentes, a fase. Essa é incluída no modelo que passa a descrever manifestações da turbulência em processos de dispersão através de flutuações de pequena escala na concentração da solução do modelo sesquilinear, que é determinístico-estocástico. No decorrer do trabalho há um estudo através de variações de parâmetros para compreender os efeitos da fase no modelo. Ele também foi aplicado ao experimento de Copenhagen e a dois cenários reais com a intenção de compreender o modelo frente à variáveis micrometeorológicas assim como aprimorá-lo para simular a dispersão de poluentes oriundos de fontes de forma realística. / Environmental issues have been at the center of discussions in the last few decades. Atmospheric pollution, caused by post-industrial revolution, has increased the necessity to describe, using mathematical models, this phenomenon. With this knowledge is possible to propose solutions mitigating the pollution and collateral damages caused in the environment. The pollutant dispersion modeled by analytical solutions, from advection-diffusion equations, offers a knowledge about each component that constructs the equation, a characteristic that does not exist in other approaches, such as numerical. However it was unable to describe properties that refer to turbulence, coherent structures, caused by nonlinear components suppressed by constructing the model governing equations. This work studied a way to recover characteristics associated with turbulence through a fundamental component in coherent structures, the phase. This is included in the model which describes manifestations of turbulence in the dispersion process through the presence of small-scale concentration fluctuations in the sesquilinear model, which is deterministicstochastic. In the course of this work there is a study through variations of parameters to understand the phase effects in the model. It was also applied to Copenhagen experiment and to two real scenarios with the intention of understanding the model regarding micrometeorological variables as well as improving it to simulate the pollutant dispersion from sources in a realistic way.

O estudo experimental dos processos de dispersão atmosférica de poluentes permite a análise de problemas específicos e a avaliação dos modelos teórico-numéricos. Os custos da experimentação de campo conduzem à realização de estudos de laboratório em modelos reduzidos. Este trabalho tem por objetivo principal a reprodução dos ventos atmosféricos e dos processos de dispersão em escala reduzida em túnel de vento. Foram estabelecidos os requerimentos gerais de modelagem para os diversos problemas relacionados com o estudo experimental da dispersão de poluentes atmosféricos, incluindo a simulação da camada limite atmosférica e da fonte de emissão. A partir desta análise, foram desenvolvidos e avaliados diversos modelos experimentais dos ventos turbulentos na camada limite atmosférica neutral utilizando velocidades médias muito baixas que permitam cumprir os requerimentos de semelhança do processo de dispersão. As simulações incluem ventos turbulentos sobre terrenos homogêneos a diferentes escalas. Na avaliação experimental foram utilizados dados da literatura e comparações diretas com resultados de campo para a condição de atmosfera em estabilidade neutra. Foram estudados escoamentos turbulentos mais complexos nas proximidades de um modelo simples de uma edificação e em um entorno urbano não homogêneo. Para os estudos da difusão atmosférica, foi estabelecida a prioridade da modelagem de problemas locais de dispersão. Foi modelada uma fonte de emissão pontual de baixa altura representativa de uma chaminé que permita a modificação das condições de empuxo da pluma. A análise do processo de dispersão e das concentrações foi realizada considerando diversas configurações que incluem a fonte de emissão isolada num escoamento homogêneo, a consideração dos efeitos da esteira próxima ao modelo de uma edificação, e finalmente de um terreno urbano não homogêneo. Foram determinadas as concentrações médias e as flutuações de concentração na pluma. Estes resultados permitiram obter os campos de concentração e, a partir das funções de densidade de probabilidade e funções de densidade espectral, analisar as zonas de intermitência no campo de concentração. Comparações com resultados da literatura e com modelos teóricos complementam o estudo realizado. É dada ênfase na análise das flutuações de concentração e na intermitência dos processos de dispersão, dada a importância do seu conhecimento para o desenvolvimento de modelos bem como à escassa informação experimental na bibliografia. Os resultados deste trabalho permitem estabelecer a viabilidade da simulação da camada atmosférica neutral e dos estudos de dispersão em túnel de vento, determinando vantagens e limitações dos modelos reduzidos. A influência das características do escoamento turbulento, das configurações próximas do terreno e das características da emissão no processo de dispersão foi estudada. Finalmente, são analisadas as condições de intermitência associadas aos escoamentos turbulentos e, em particular, aos campos de concentração próximos a uma fonte de emissão. / The experimental study of the pollutant dispersion processes allows the analysis of specific problems as well as the evaluation of theoretical models. The costs related to full scale measurements make the experimental studies over reduced scaled models a better research tool. This work has the aim of modeling some kinds of atmospheric winds and related dispersion processes in wind tunnels. The general modeling laws related to the experimental study of pollutants dispersion were followed, including the boundary layer simulation and the emission source. Several experimental models of the turbulent winds in neutral boundary layers were developed and evaluated by using very low wind velocities, allowing the fulfillment of the similitude laws of the dispersion process. The simulations include turbulent winds over homogeneous terrains at different scales. Literature data were used in the experimental evaluation as well as direct comparisons with field results for the atmosphere under neutral stability conditions. Also, more complex turbulent flows were studied in the close proximities of a simple building model in a non homogeneous surrounding. For the atmospheric diffusion studies, it was decided to model local dispersion situations. A single, punctual type of emission source was modeled, representing the conditions at a low height chimney and allowing the modification of the plume buoyancy conditions. The analysis of the dispersion process and concentrations was performed under several configurations including the isolated source emission in a homogeneous flow, the consideration of the wake effects close to a building model, and finally of a non homogeneous urban terrain. The mean and fluctuating components of the plume concentration were obtained. These results allowed the characterization of the concentration fields. From the probability and spectral density functions it was possible to analyze the intermittence of the concentration field. Comparisons with literature results and with theoretical models complement the study. Special care is taken in the analysis of the fluctuations of the concentration and in the intermittence of the dispersion processes, due to its importance to the development of theoretical models as well as the lack of experimental information in the open literature.