Derivation of an eddy diffusivity depending on source distance under moderately unstable conditions

Abstract

Accounting for the current knowledge of the Convective Boundary Layer (CBL) structure and characteristics, a new formulation for eddy diffusivities has been derived, to be used in atmospheric dispersion models. Expressions are proposed for eddy diffusivities depending on source distance for inhomogeneous turbulence calculated directly with the Batchelor theory. The classical statistical diffusion theory, the observed spectral properties and the observed characteristics of energy-containing eddies are used to estimate these parameters. In addition, a vertical eddy diffusivity was introduced in an air pollution model and validated with the data of Copenhagen experiments and compared with the results of the obtained from classic formulation of the literature. A statistical evaluation show that, the results of the dispersion model with the K-parameterisation included, produces a good fit of the measured ground-level concentration data in the experimental conditions considered. Furthermore, the current work suggests that wind and eddy diffusivities profiles physically more realistic are important in regions near of an elevated source, and improves the description of the transport process of atmospheric pollutants.Keywords: eddy diffusivity; analytical model; inhomoheneous turbulence; Planetary Boundary Layer. RESUMOConsiderando-se o atual conhecimento sobre a estrutura e as características da Camada Limite Convectiva (CLC), foi obtida uma nova formulação geral para coeficientes de difusão para serem utilizados em modelos de dispersão atmosférica. Expressões são propostas para coeficientes de difusão dependentes da distância da fonte para turbulência não-homogênea, obtidas diretamente com a teoria de Batchelor. A teoria estatística de difusão clássica, as propriedades espectrais observadas e as características dos turbilhões mais energéticos são usados para estimar estes parâmetros. Além disso, o coeficiente de difusão vertical foi introduzido em um modelo de poluição do ar e validado com os dados experimentais de Copenhagen, além de comparado aos resultados de uma formulação clássica da literatura. Uma avaliação estatística mostra que os resultados do modelo de dispersão, utilizando a parametrização proposta, fornecem uma boa concordância com os dados de concentração superficiais nas condições experimentais consideradas. Adicionalmente, este trabalho sugere que perfis de vento e coeficientes de difusão mais reais são importantes em regiões próximas a uma fonte elevada, e melhoram a descrição do processo de transporte de poluentes atmosféricos.Palavras-chave: coeficiente de difusão; modelo analítico; turbulência não-homogênea; Camada Limite Planetária.