Sistema GRAL

Modelado de dispersión a escala mesoescala y microescala con GRAMM / GRAL

El sistema GRAL es un acoplado euleriano (GRAMM campos de viento)  y un modelo lagrangiano (dispersión GRAL). GRAL calcula opcionalmente con su propio pronóstico o diagnóstico modelos de campo de viento. Dependiendo de las influencias de la topografía y el uso de la tierra, el calculo de area de GRAL  puede ser aproximado por el flujo del viento o alternativamente, puede ser inicializado por las propiedades de flujo de campos de viento GRAMM.  GRAMM considera en una zona de mesoescala la influencia de la topografía, el uso de la tierra y las propiedades del suelo. GRAL añade en un área más pequeña, anidada en la escala micro la influencia de los edificios.

En contraste con el AUSTAL200/TAL GRAL esta validado para carreteras urbanas y calles encajonadas y muy flexibles.

GRAL incluye un enfoque especial con respecto a los efectos de los portales de tunel  y el serpenteo del viento, lo que es especialmente importante para la baja velocidad del viento. De esta maneta GRAL es capaz de combinar los beneficios de un pronóstico estacional de campos de viento y la flexibilidad de los modelos prácticos lagrangianos

SoundPLAN organiza los ajustes de parámetros y las llamadas de programa del cálculo de campo GRAMM Wind, cálculo de dispersión GRAL y varios ejecutables de preprocesamiento bajo la probada interfaz de usuario de SoundPLAN.  Algunos ejecutables antes y después de procesar fueron reemplazados por programación propia para agregar funciones y ajustar el flujo de trabajo a la filosofía de SoundPLAN.

GRAL cumple con los requisitos de la normativa austriaca nacional para el cálculo de la dispersión RVS 04.02.12 - Dispersión de contaminantes del aire en las vías de transporte y los portales del túnel (título original: Ausbreitung von Luftschadstoffen y Verkehrswegen und Tunnelportalen, abril de 2014). Todo el mundo que conoce la topografía austriaca puede imaginar el valor de tal recomendación.

Flujo de trabajo

Preparación 

  • La librería de estación meteorológica de SoundPLAN  es una herramienta para analizar, acceder y editar datos meteorológicos y medidas de segundo plano. Este ayuda a calcular la estabilidad de clases incluyendo una derivada especial GRAL de Bowen et al.  Permite analizar los datos meteorológicos visualmente y ajustarlos a cualquier tarea.

  • Los ciclos de emisión de variantes de tiempo definidos en SoundPLAN amplían el estándar GRAL hasta una precisión de 8760 horas individuales por año si es necesario, por ejemplo para la emisiones dependientes del clima. Sin embargo el negocio como es usual es mucho más sencillo:  se agrupan primero las fuentes a unos pocos grupos de fuentes diferentes y se usan histogramas ejemplares de año como patrón de dispersión para todo un grupo. El post-procesamiento luego refina los resultados de dispersión de la meteorología clasificada hora por hora a la exactitud de una fila de tiempo meteorológico, creando un montón de vistas detalladas sobre los resultados basados en las emisiones por hora.

    Datos de entrada

    • SoundPLAN Geodatabase permite importar, digitalizar y editar datos de modelo a través de varias interfaces o simplemente usar modelos preparados para cálculos de ruido de SoundPLAN. Se pueden usar mapas de bits de fondo, por ejemplo fotos aéreas geo-referenciadas.

    Calculo

    • GRAMM y GRAL se ofrecen como versión de 32 bits y como versión de 64 bits.

    • El cálculo Kernel de SoundPLAN  le guía a través de tres tipos de ejecución: cálculo de campos de viento, cálculos de dispersión y post-procesamiento. Varios procesamientos posteriores se pueden calcular y almacenar como variaciones basadas en el mismo cálculo de dispersión. Se pueden realizar diferentes cálculos de dispersión utilizando los mismos campos de viento.

    • Una función de coincidencia a observación permite reordenar los campos de viento de un cálculo GRAMM a medida local durante un cálculo GRAL, documentando las diferencias para evaluar la calidad de la biblioteca de campos de viento modificados.

    • GRAMM y GRAL pueden usar varios procesadores paralelos para calcular un campo de viento. SoundPLAN se preocupa por el número de procesadores utilizados. Utilizando el módulo adicional "Distributed Computing", SoundPLAN también puede distribuir el cálculo de campos de viento completos paralelos en varios ordenadores.

    Presentación

    • El módulo SoundPLAN Graphics ayuda a preparar excelentes gráficos de presentación. Los resultados de GRAMM y GRAL se pueden visualizar para cada situación de flujo de viento individual y las estadísticas de concentración. El número de mapas estadísticos disponibles apoya plenamente la flexibilidad de las opciones posteriores al procesamiento. Además de la visualización habitual de la media, la máxima y los percentiles hay partes de tiempo disponibles, los grupos de origen con diferentes histogramas de tiempo de emisión, la evaluación del olor y más.

    Descripción del modelo

    Origen

    El sistema modelo se desarrolló en la Universidad de Graz, Austria, Instituto de Motores de Combustión Interna y Termodinámica. También cuenta con el apoyo del Departamento de Calidad del Aire de Estiria, Austria. GRAMM fue desarrollado en la Universidad Técnica de Graz y es muy respetado en el mundo científico. Tanto GRAMM como GRAL son validados por muchas comparaciones y estudios internacionales y ambos son recomendados por las autoridades austríacas.

    Tipos de modelo y campos de aplicación


    GRAL es un modelo de partículas Lagrangiano, que es capaz de hacer frente a la turbulencia vertical inhomogénea y campos de viento inhomogéneos 3D. Tiene algoritmos especiales para tratar la dispersión en condiciones de baja velocidad del viento y para tratar la dispersión de los portales del túnel.


    El alcance de los cálculos de dispersión de GRAL llega desde los pequeños barrios urbanos, donde los edificios deben tenerse en cuenta, hasta ciudades enteras o incluso áreas más grandes, donde la topografía y los parámetros generalizados del uso de la tierra determinan el flujo del viento. El flujo de viento no homogéneo causado por la topografía y el uso de la tierra debe ser calculado previamente con GRAMM.


    Principalmente GRAL se utiliza para calcular el impacto del escape de tráfico, teniendo en cuenta el fondo de contaminación urbana, pero también se utiliza centrándose en toda la situación de impacto de contaminación del aire urbana, por ejemplo  para comparar las regulaciones técnicas para la calefacción doméstica.

    GRAMM utiliza un enfoque pronóstico para calcular los campos de viento de mesoescala en grandes áreas en terrenos complejos. La cuenca de Graz, en el lado sur de los Alpes, plantea un área de evaluación muy difícil. El sistema se ha utilizado en diferentes condiciones climáticas, por lo que es una solución mundial. Sin embargo, el lavado por lluvia no está parametrizado explícitamente.

    Con la creciente complejidad del terreno y las estructuras de uso de la tierra, la importancia de tener una medida local adecuada también crece para satisfacer los requisitos de un modelo razonable. La transposición de la medición de un lugar a otro, lo que se hace a menudo para terrenos simples, conduce en terrenos complejos principalmente a conflictos y malos resultados.


    En terrenos complejos, el área de cálculo del campo de viento debe ser mucho mayor que el área de cálculo de dispersión, debido a que la entrada topográfica determinante podría estar ubicada lejos del área de interés, dependiendo también del lugar donde se realizó la medición del viento. Sin embargo una vez terminado, el campo de viento GRAMM se puede utilizar para muchos más estudios dentro de esta gran área.

    La función de reordenamiento de partida a observación ya mencionada para seleccionar los mejores campos de viento apropiados de acuerdo con una estación de medición local es útil cuando se calcula para períodos anuales, ya que requiere una gran reserva de campos de viento calculados. Para obtener resultados razonables para una o varias situaciones de flujo de viento, GRAMM tiene una función de reinicio  que calcula hasta 8 diferentes inicializaciones de campo de viento para obtener la mejor solución de ajuste para una ubicación de anemómetro dentro del área de cálculo. SoundPLAN documenta la diferencia entre el flujo de viento medido  calculado en la ubicación del anemómetro.

    Los resultados de la situación de flujo único de GRAL se agregan y se evalúan utilizando una potente rutina POSPROCESAMIENTO. Para optimizar la relación entre el tiempo de cálculo y el nivel de detalle, el GRAL opera sobre una lista meteorológica clasificada y las emisiones medias anuales por fuente. Las fuentes con ciclos similares de variación de emisiones por hora deben estar marcadas por números de grupo en la configuración del modelo. Éstos se pueden abordar para combinar los ciclos de variación de las emisiones con una serie temporal meteorológica por hora durante el post-procesamiento. Este procedimiento es mucho más rápido que calcular 8760 trabajos de dispersión por año con GRAL.


    Pos procesamiento


    El post-procesamiento calcula los mapas de las medias anuales, los percentiles por hora o diarios, el máximo horario y diario, los intervalos de tiempo estacional definidos por el usuario y los intervalos de tiempo definidos por el usuario. También puede calcular cuántas horas, días o% superan o rebajan las concentraciones de umbral definidas por el usuario.

    Adicionalmente SoundPLAN implementó un método de evaluación del olor definido en la regulación alemana "GIRL" Para evaluar el olor de los diferentes tipos de fuentes por su intensidad. Este método cuenta primero para cada tipo de olor el número de horas por encima de un umbral definido por el usuario y luego pesa la intensidad por un factor definido por el usuario. Para olores diferentes que llegan al mismo tiempo, el olor más fuerte determina el peso de esta hora del olor. El resultado se indica como%.

    La versión SoundPLAN de este método que implementamos sólo en el procesamiento posterior de GRAL es más flexible que la directiva, que requiere un umbral fijo y un conjunto pequeño y limitado de pesos.


    La conversión de NOx no se incluye aquí, sino un paso adelante, porque todos los enfoques dependientes de la concentración se basan en la carga total. La carga total puede ser el resultado de una superposición de mapas, por lo que esta conversión se coloca en el módulo SoundPLAN Graphics.

    Los cálculos GRAMM y GRAL deben usar estadísticas de viento clasificadas. En el caso de los proyectos urbanos, éstos tienen normalmente 10 sectores de dirección del viento, 7 clases de Pasquill / Gifford o, aproximadamente, 6 clases de Klug / Manier. Las clases de velocidad del viento deben considerarse de acuerdo con la clasificación de estabilidad seleccionada.

    Las series temporales meteorológicas y patrones de emisión por hora, por ejemplo se recomiendan ciclos diarios, semanales y mensuales para el post-procesamiento. Los patrones de emisión se pueden definir fácilmente en el módulo de la biblioteca de histogramas de tiempo.


    Resolución espacial

    Resolución horizontal: típicamente es de  2 x 2 a 5 x 5 m para GRAL cuando los edificios deben ser resueltos, 10 x 10 a 20 x 20 sin edificios. Los campos de viento GRAMM de mesoescala deben ser bastante gruesos, típicamente de 50 x 50 m en topografía extrema a 300 x 300 m si la topografía y el uso de la tierra pueden resolverse sensatamente dentro de esta rejilla o cuando el área de cálculo es mayor de 5 x 5 km. Si los edificios se incluirán en GRAL a veces puede ser razonable usar una resolución de cuadrícula más alta también para GRAMM.

    Una resolución a escala micrométrica del terreno y de las estructuras de uso de la tierra con GRAMM no es ni necesaria ni sensible. Los detalles topográficos prominentes como terraplenes y terraplenes similares están mejor representados por un objeto de construcción dentro del modelo GRAL

    Resolución vertical: El límite inferior para GRAMM es típicamente de 10 m para la capa de tierra, extendiéndose en las capas siguientes con un factor de 1,2 a 1,35 dependiendo de la topografía. La resolución GRAL suele ser de 0,5 - 1 m para la capa de tierra en presencia de edificios con un factor de estiramiento de 1,05 o 2 m para la capa de tierra sin edificios y un factor de estiramiento de 1,1 para las capas siguientes. La cuadrícula de conteo se puede elegir en una resolución diferente.

    GRAMM y GRAL funcionan como programas de 64 bits, por lo que el límite principal de tamaño y resolución de área no será el espacio de trabajo, sino el tiempo de cálculo y el número de procesadores y computadoras disponibles.


    Fuentes de emisión


    Las fuentes de SoundPLAN se transforman automáticamente en fuentes de emisión GRAL. Existen fuentes de puntos, líneas, áreas y carreteras. Adicionalmente hay una fuente portal de túnel para calcular el escape del túnel, incluyendo el impulso de flotabilidad y rigidez. Todas las fuentes pueden tener una expansión vertical, por ejemplo para crear fuentes de volumen por encima de las carreteras para simular la dilución inicial de contaminantes por turbulencia del vehículo. Se excluye el portal del túnel, que tiene una geometría especial. Para la elevación flotante del penacho de las fuentes puntuales una altura eficaz de la fuente se puede definir según Hurly (detalles vea la documentación de GRAL). Las emisiones de la carretera se pueden elevar por encima de la superficie de la carretera para simular efectos de barrera de ruido en un enfoque aproximado.


    Perspectiva: El núcleo original GRAL puede acoplarse al modelo de emisión NEMO, desarrollado también en la Universidad Técnica de Graz. NEMO utiliza la misma base de datos que HBEFA, pero es mas rapido, actualizado para toda la medición de los factores de emisión que se hace en la Universidad de Graz. Actualmente discutimos cómo podemos apoyar esa fuente de datos de la manera más eficiente también con la interfaz de SoundPLAN.

    Contaminantes

    En SoundPLAN, los contaminantes pueden definirse libremente como gas neutro. Los aerosoles PM también se tratan como un gas neutro para la dispersión. Esto significa que la velocidad de deposición y la velocidad de sedimentación no se consideran inmediatamente durante el cálculo de la dispersión. Los mapas de deposición para PM se derivarán en su lugar de la concentración cercana al contaminante del suelo. Para los caminos y las emisiones difusas dentro del entorno urbano este procedimiento implementa una ligera sobrestimación. Pueden ocurrir problemas para tamaños de grano> 10 μg. Para fuentes altas, especialmente para fuentes que emiten partículas de polvo más gruesas, este método podría causar una subestimación.

    Perspectivas: Por lo tanto, la velocidad de deposición y velocidad de sedimentación, considerada dentro del cálculo de dispersión, será parte del futuro desarrollo de GRAL.

    Topografía

    GRAL puede calcular sin topografía, pero debería ser acoplado a los campos de viento GRAM si la topografía y/o el uso de la tierra deben ser considerados.

    Buildings, Obstacles, LanduseConstrucciones, obstáculos, uso del suelo

    Los edificios pueden ser modelados en GRAL en la resolución de la trama de cálculo GRAL.

    Respecto al uso de la tierra se requieren campos de viento GRAMM. Incluso cuando el uso de la tierra se puede introducir en SoundPLAN como polígono en forma libre, la resolución del uso de la tierra está estrictamente vinculada a la trama de cálculo GRAMM.

    Resultados disponibles


    Los resultados de GRAMM se pueden mostrar para cada altura seleccionada sobre el terreno como el terreno que sigue los mapas.


    • Campos de viento individuales: Parámetros de viento como la velocidad del viento, dirección del viento, inclinación vertical de la dirección del viento.


    • Estadísticas del campo de viento para el período de tiempo calculado: media, min, máximo de la velocidad del viento, casos por encima o por debajo de una determinada velocidad del viento, contados como horas o como porcentaje. Todos los resultados GRAMM también se pueden mostrar como mapa de sección transversal.

    GRAL requiere la definición de hasta 9 terrenos siguiendo las capas de cuadrícula de conteo, las cuales se pueden mostrar como resultado. El terreno que sigue a la cuadrícula de conteo es independiente de la cuadrícula de cálculo.


    • Situaciones de concentración única: Los mapas de concentración, la altura deseada sobre el suelo y el espesor de la capa deben definirse antes de que comience el GRAL.


    • Estadísticas de concentración: El contenido del mapa debe ser ordenado y calculado por el post-procesamiento. Además de la visualización habitual de la media, la máxima y los percentiles hay partes de tiempo disponibles, los grupos de origen con diferentes histogramas de tiempo de emisión, la evaluación del olor y más. Si se definió más de 1 capa de trama de conteo, todos los resultados GRAL también se pueden mostrar como mapa de sección transversal.


    Las operaciones de cuadrícula para combinar o modificar mapas por fórmulas están disponibles para todos los mapas de concentración, por ejemplo, para obtener estadísticas diarias y horarias a partir de medias anuales mediante funciones predefinidas o fórmulas definidas por el usuario (ambas utilizando derivaciones empíricas).

    Las tablas para los resultados de un solo punto aún no están soportadas, pero todos los mapas pueden mostrarse con valores de cuadrícula para obtener resultados de punto único representativos y comprobar al mismo tiempo para qué área estos puntos son representativos.


    Document

    Most recent Documentation of the Lagrangian Particle Model GRAL (Graz Lagrangian Model)


 

GRAL Sistema

Das GRAL - System, das in alpinem Gelände entwickelt wurde, ist dazu geeignet komplexe topographische Verhältnisse zu bewältigen, Landnutzung zu berücksichtigen und niedrige Windgeschwindigkeiten zu verarbeiten.
GRAMM berechnet ein Windfeld in einem groben Raster. Mit diesem initialisiert GRAL ein feineres Raster, um z.B. Schadstoffausbreitungen für ganze Städte mesoskalig oder Stadtviertel mikroskalig zu berechnen.
In Österreich wurden in der Vergangenheit bereits große Städte wie Wien, Graz und Klagenfurt berechnet. (Entwicklerversion)
Bei komplexem Gelände ist eine feinere Maschenweite notwendig als bei Ebenen und Becken.
Für eine nachfolgende GRAL-Initialisierung ist ein feineres Windfeld-Raster bis zu 10 x 10 m möglich. GRAMM kann jedoch die feineren mikroskaligen GRAL Windfelder nicht ersetzen.
GRAMM Windfeldberechnungen können mithilfe von Windrosen kontrolliert werden, die an benutzerdefinierten Standorten schrittweise während der Berechnung aufgebaut werden.
Ausbreitungsberechnungen können im diagnostischen Verfahren, initialisiert durch ein prognostisches mesoskaliges Windfeld, ohne Gebäude durchgeführt werden.
Ausbreitungsberechnungen können auch prognostisch durchgeführt werden, um Straßenschluchten in hoher Genauigkeit aufzulösen.
Da GRAL auf niedrige Windgeschwindigkeiten spezalisiert ist, wurde viel Forschungsabeit in die Simulation der Tunnelabluft gesteckt. Die Berechnung verwendet stationäre Windfelder. Der Tunnelimpuls und die natürlich mäandrierende Strömung werden erst bei der Partikelausbreitung simuliert.
GRAL berechnet die Ausbreitung mit durchschnittlichen Emissionen. Das GRAL Post Processing leitet anschließend mithilfe von Verteilungsmustern für Quellgruppen stündliche Ergebnisse ab.
From hourly results a huge amount of results can be extracted. GRAL post processing is the most flexible post processing SoundPLAN can offer.