APR-11-004

10
7/18/2019 APR-11-004 http://slidepdf.com/reader/full/apr-11-004 1/10   Atmospheric Pollution Research 2 (2011) 2433 Atmospheric Pollution Research www.atmospolres.com  Atmospheric dispersion modelling of  the fugitive particulate matter from overburden dumps with numerical and integral models Konstantinos E. Kakosimos 1 , Marc J. Assael 1 , John S. Lioumbas 2 , Anthimos S. Spiridis 2  1  Thermophysical  Properties Laboratory, Department  of  Chemical  Engineering,  Aristotle University  of  Thessaloniki, Thessaloniki  GR54124, Greece 2  Spiridis  A. ‐ Koutalou B. LLP –  ΗΥΕΤΟS, 3 & 6, Navarinou Square, Thessaloniki  GR54622, Greece  ABSTRACT The present work addresses the problem of  atmospheric dispersion of  particulate matter  (PM) from the overburden dumps of  a mine,  using a steady–state  Lagrangian numerical  model (commercial  CFD software)  and the integral  model  AERMOD (U.S. EPA). The analysis includes most of  the complex physical phenomena in atmospheric  diffusion. In the vicinity of  the city of  Amyndaion in Northern Greece,  there is a large mine that provides lignite for the thermal power stations of  the Hellenic Public Power Corporation. The excavated land is dumped in nearby open pits, which are planned to be extended towards South. These pits are sources of  air–suspended particulate matter that can affect the nearby residential  areas. The numerical  model was applied for a number of  specific meteorological  scenarios,  while the integral  model  for five years period. The results from both models showed an increase on the concentration levels,  near the residential  area, of  two orders of  magnitude if  the dumps expand Southern. The models inter–comparison was based solely on the average yearly concentration and showed a fair agreement.  Nevertheless,  the numerical  model  tends to underestimate  the concentration levels mainly because of  the “limited” number of  particles employed in the Langrangian model  and the lack of  wind–meandering.  Keywords: Dispersion Particulate matter  Mine Modelling Pollution  AERMOD  Article History: Received: 03 May  2010 Revised: 15  July  2010  Accepted: 01  August  2010 Corresponding  Author: Konstantinos E. Kakosimos Tel: +302310996170 Fax:  +302310996170 mail: [email protected]  ©  Author(s) 2011. This work  is distributed  under  the Creative Commons  Attribution 3.0 License.  doi: 10.5094/APR.2011.004  1. Introduction Lignite (brown coal) is the most important  energy mineral raw material  of  Greece. Lignite exploitation has a highly significant  contribution to the development of  the energy sector in Greece during the last 50 years, and will have, according to estimations,  continue to be the primary source of  energy for another 40 years, as Greece is very rich in lignite resources. The main basins  – from where lignite is extracted by opencast mining  – is in northwestern Greece (Eordea mountain basin), where 70% of  the electricity of  the country is generated. Despite the fact that the European Union puts strong emphasis on the use of  renewable energy resources, Greece is still investing on lignite by building new power plants and mines (Markakis et al., 2010). Unfortunately,  although many measures are taken for a cleaner energy production during lignite burning,  very few are taken in the mining of  lignite.  Mining operations have always generated substantial  quantities of  airborne respirable dust, which led to the development of  lung diseases in mine workers and inhabitants of  the surrounding area. Many computer models have been developed for predicting pollutant dispersion or dust generation. However, despite the evolution of  computer processors and complex numerical algorithms,  most of  the models are based on empirical  formulae, which take as input the wind flow or perform some coarse calculations and then use statistical  correlations for predicting dust dispersion.  One of  the main reasons is that the application of  complex numerical  models,  based on Navier–Stokes equations,  requires many input parameters as well as the knowledge of  simulating the atmospheric boundary layer in a realistic mesoscale environment. Present work demonstrates an integrated methodology,  that employs a well–known commercial  CFD software,  which is based on the solution of  Navier–Stokes  equations,  to model the atmospheric phenomena of  wind flow and dust diffusion. The target area is an overburden dump of  one of  the lignite mines in the Eordea valley near the city of  Amyndaion in Northern Greece. Today the modelling of  the pollutant’s dispersion is achieved by several basic mathematical  algorithms:  the box model, Gaussian model, Eulerian model, and Lagrangian model.  The box model is the simplest of  the modelling algorithms (Lettau,  1970).  It assumes that the air shed is in the shape of  a box of  homogeneous concentration.  Although useful,  this model has limitations.  The Gaussian models (Pasquill,  1971),  being the most common mathematical  models used for atmospheric dispersion,  assume that the pollutant will disperse according to the normal statistical  distribution.  Eulerian models solve the conservation of  continuity momentum and mass equation for a given pollutant. The wind field vector, which is normally used, is considered turbulent and it also affects the pollutant concentration.  The direct solution of  the governing equation is demanding and for this reason various approximations of  the turbulent characteristics  of  the flow are incorporated like, k–ε, k–ω, RNG, LES, etc. Lagrangian models predict pollutant dispersion based on a shifting reference grid,  generally based on the prevailing wind direction,  or vector, or the general direction of  the dust plume movement.  These models are 

description

List of Useful Links to Study Ansys

Transcript of APR-11-004

Page 1: APR-11-004

7/18/2019 APR-11-004

http://slidepdf.com/reader/full/apr-11-004 1/10

   Atmospheric Pollution Research 2 (2011) 24‐33 

Atmospheric Pollution Researchwww.atmospolres.com

 

 Atmospheric 

dispersion 

modelling 

of  

the 

fugitive 

particulate 

matter 

from 

overburden 

dumps 

with 

numerical 

and 

integral 

models 

Konstantinos E. Kakosimos 1, Marc J. Assael 

1, John S. Lioumbas 

2, Anthimos S. Spiridis 

1 Thermophysical  Properties Laboratory, Department  of  Chemical  Engineering,  Aristotle University  of  Thessaloniki, Thessaloniki  GR‐54124, Greece2 Spiridis  A. ‐ Koutalou B. LLP –  ΗΥΕΤΟS, 3 & 6, Navarinou Square, Thessaloniki  GR‐54622, Greece

 

ABSTRACT 

The present work addresses the problem of  atmospheric dispersion of  particulate matter (PM) from the overburden 

dumps of  a mine, using a  steady–state  Lagrangian numerical model  (commercial CFD  software) and  the  integral model AERMOD (U.S. EPA). The analysis includes most of  the complex physical phenomena in atmospheric diffusion. 

In the vicinity of  the city of  Amyndaion in Northern Greece, there is a large mine that provides lignite for the thermal 

power stations of  the Hellenic Public Power Corporation. The excavated land is dumped in nearby open pits, which 

are planned  to be extended  towards South. These pits are sources of  air–suspended particulate matter  that can 

affect  the  nearby  residential  areas.  The  numerical  model  was  applied  for  a  number  of   specific  meteorological 

scenarios, while the integral model for five years period. The results from both models showed an increase on the 

concentration  levels, near  the  residential  area, of   two  orders of  magnitude  if   the dumps expand  Southern.  The 

models  inter–comparison  was  based  solely  on  the  average  yearly  concentration  and  showed  a  fair  agreement. 

Nevertheless, the numerical model tends to underestimate the concentration levels mainly because of  the “limited” 

number of  particles employed in the Langrangian model and the lack of  wind–meandering. 

Keywords:

Dispersion Particulate matter  

Mine 

Modelling 

Pollution 

 AERMOD 

 Article 

History:

Received: 03 May  2010 

Revised: 15  July  2010 

 Accepted: 01  August  2010 

Corresponding  Author:

Konstantinos E. Kakosimos 

Tel: +30‐2310996170 

Fax: +30‐2310996170 E ‐mail: [email protected]  

©  Author(s) 2011. This work  is distributed  under  the Creative Commons  Attribution 3.0 License.   doi: 10.5094/APR.2011.004

 

1. Introduction 

Lignite (brown coal) is the most important energy mineral raw 

material  of   Greece.  Lignite  exploitation  has  a  highly  significant contribution  to  the  development  of   the  energy  sector  in Greece during  the  last 50  years, and will have, according  to estimations, continue to be the primary source of  energy for another 40 years, as Greece  is very rich  in  lignite resources. The main basins  – from 

where lignite is extracted by opencast mining  – is in northwestern 

Greece  (Eordea mountain basin), where 70% of   the  electricity of  the country is generated. Despite the fact that the European Union puts  strong emphasis on  the use of   renewable energy  resources, Greece is still investing on lignite by building new power plants and mines  (Markakis  et  al.,  2010).  Unfortunately,  although  many measures are taken for a cleaner energy production during  lignite burning,  very  few  are  taken  in  the  mining  of   lignite.  Mining operations  have  always  generated  substantial  quantities  of  airborne  respirable  dust,  which  led  to  the  development  of   lung diseases in mine workers and inhabitants of  the surrounding area. 

Many  computer models have  been developed  for predicting pollutant  dispersion  or  dust  generation.  However,  despite  the evolution  of   computer  processors  and  complex  numerical  algo‐rithms, most of  the models are based on empirical formulae, which 

take as  input  the wind  flow or perform  some coarse calculations and then use statistical correlations for predicting dust dispersion. One  of   the  main  reasons  is  that  the  application  of   complex numerical  models,  based  on  Navier–Stokes  equations,  requires 

many input parameters as well as the knowledge of  simulating the atmospheric boundary  layer  in a realistic mesoscale environment. Present  work  demonstrates  an  integrated  methodology,  that employs a well–known  commercial CFD  software, which  is based on  the  solution  of   Navier–Stokes  equations,  to  model  the atmospheric  phenomena  of   wind  flow  and  dust  diffusion.  The target area  is an overburden dump of  one of   the  lignite mines  in the Eordea valley near the city of  Amyndaion in Northern Greece. 

Today the modelling of   the pollutant’s dispersion  is achieved by several basic mathematical algorithms: the box model, Gaussian model,  Eulerian model,  and  Lagrangian model.  The box model  is the simplest of  the modelling algorithms (Lettau, 1970). It assumes that  the  air  shed  is  in  the  shape  of   a  box  of   homogeneous concentration.  Although  useful,  this  model  has  limitations.  The Gaussian  models  (Pasquill,  1971),  being  the  most  common mathematical  models  used  for  atmospheric  dispersion,  assume that the pollutant will disperse according to the normal statistical distribution. Eulerian models  solve  the conservation of  continuity momentum and mass equation for a given pollutant. The wind field vector, which  is normally used,  is considered turbulent and  it also affects  the  pollutant  concentration.  The  direct  solution  of   the governing  equation  is  demanding  and  for  this  reason  various approximations  of   the  turbulent  characteristics  of   the  flow  are 

incorporated  like,  k–ε,  k–ω,  RNG,  LES,  etc.  Lagrangian  models predict  pollutant  dispersion  based  on  a  shifting  reference  grid, generally based on the prevailing wind direction, or vector, or the general direction of  the dust plume movement. These models are 

Page 2: APR-11-004

7/18/2019 APR-11-004

http://slidepdf.com/reader/full/apr-11-004 2/10

  Kakosimos et  al. –   Atmospheric Pollution Research 2 (2011) 24‐33  25 

usually appropriate for the simulation of  dust dispersion having the discreet  form of  the pollutant  (a number of  particles with specific size distribution). 

In  most  air  quality  applications,  one  is  concerned  with dispersion  in the atmospheric boundary  layer (ABL), the turbulent air layer next to the earth's surface that is controlled by the surface 

heating  and  friction  and  the  overlying  stratification.  The  ABL typically ranges from a few hundred meters in depth at night to 1  – 2  km  during  the  day.  So  the  problem  of   atmospheric  dispersion involves  mainly  two  phenomena,  the  flow  of   the  wind  and  the dispersion of  the pollutant. One can simulate the ABL and calculate the velocity components or use empirical equations  that approxi‐mate the phenomena in the ABL. The last approach constitutes the main  advantage  of   the  empirical  models  against  the  numerical ones  (Eulerian,  Lagrangian).  For  these  reasons,  the  empirical models are the most commonly used ones (box or Gaussian) and as they can be applied with a minimum set of  required data and in a short  time.  The  list  of   empirical models  (Meroney,  2004)  is  very large  and  covers  a  wide  area  of   applications  (ISC3,  CALPUFF, AERMOD, SLAB, DEGADIS, FDM, etc). In addition, most of  them are accompanied by many  validation  tests and  are  recommended by 

national  environmental  organizations  (e.g.,  U.S.  Environmental Protection Agency). Despite the above advantages of  the empirical models,  if   a  more  detailed  analysis  is  required  or  the  terrain  is quite complex,  their application  is  risky and  restricted and  thus a more sophisticated CFD model certainly has to be employed. 

CFD  is  a  numerical  analysis method  employed  to  solve  fluid flow problems with a computer. This method generally follows an Eulerian  approach  applied  to  the  airflow  modelling  (Anderson, 1995). However, it can also incorporate a Lagrangian algorithm for the  modelling  of   particles  subjected  to  forces  of   gravity  and airflow. In such cases, the forces (gravity and airflow) are based on an Eulerian  reference  frame, whereas  the Lagrangian algorithm  is used  to  characterize  the  advection  and  diffusion  processes  that occur among  the  individual particles and  influence each particle's 

trajectory.  CFD  algorithms  (Ansys  CFX,  Fluent,  etc)  have  been extensively  used  and  have  been  validated  on  simulations  in  the lower ABL  (Prospathopoulos  and Voutsinas, 2006; Blocken  et  al., 2007), usually near the ground and over obstacles (i.e., buildings). According to the authors' best knowledge, the application of  a CFD algorithm  (like  CFX,  Fluent)  in  a  large  area  (15x15  km),  like  the valley  of   the  city  of   Amyndaion,  rarely  appears  in  the  literature (Moussafir et al., 2010). 

The main objectives of   the present work are:  (i) to present a methodology  to  estimate  the  atmospheric  dispersion  of   the fugitive  particulate  matter  (PM)  from  overburden  dumps  with  a steady  state  Lagrangian  numerical  model,  (ii)  to  estimate  the influence of   the  expansion of   the dumps  to  the  local  air quality, and  (iii)  to  evaluate  the  results  of   the  numerical  model  with  an 

integral one. 

First,  the  methodology  is  described,  in  more  detail:  the topographical and meteorological data, the numerical model of  the commercial  CFD  software  (ANSYS  CFX)  used,  the  calculation procedure of   the  emission  rate  and  the  integral model AERMOD (U.S.  EPA).  Then  the  results  are  presented  concerning  the objectives of  the paper and finally, the conclusions of  this work are explained in the same context. 

2. Methodology 

The Eordea Mountain Basin is a highly active industrial area in the  northwestern  part  of   Greece,  which  suffers  from  major  air quality problems. The problems are mainly caused by lignite–fired 

power stations and lignite mining operations in the basin. The most significant  pollutants  emitted  in  large  quantities  are  suspended particles and SO2. The influence of  the presence of  power stations to  the  regional  air  quality  has  been  studied  (Triantafyllou  et  al., 

2001;  Triantafyllou  and  Kassomenos,  2002;  Triantafyllou  et  al., 2002), while a recent survey (Sichletidis et al., 2005) in the area has directly  related  the diseases of   the  respiratory  system, especially those of   children,  to  the high  levels of   air  suspended particulate matter.  However,  there  is  no  study  available  to  the  public, regarding  the  influence  of   the  surrounding  mines  and  especially the  dump  sites  on  the  local  air  quality.  Furthermore,  it  is  a 

common belief  that the spreading of  the mines and the dump sites is  unrestrained  and  takes  place  without  the  necessary  environ‐mental studies. For this reason, this work studies the present and future  influence  of   a  specific  overburden  dump  near  the  city  of  Amyndaion (40.69°Ν 21.68°Ε). 

2.1. Topography 

The valley of  Amyndaion (part of  the Eordea mountain basin) is  characterized  as  a  broad,  relatively  flat  bottomed  basin surrounded by high mountains with heights  ranging  from 800  to more  than  1 500 m  above  mean  sea  level  (MSL)  (Figure  1).  The sides  and  the  floor  of   the  valley  are  partly  wooded,  covered  by isolated trees, small bushes and rock outcrops, while there are also dispersed  cultivated  areas.  The  mean  height  of   the  valley  above 

MSL  is  approximately  650 m.  The  valley  is  40 km  long,  while  its width varies between 10 and 25 km. Its main axis is from NW to SE, with a steep slope from SE to NW. On the E and NE sides there are two  lakes,  whose  water  volume  is  constantly  decreasing.  The topographic  complexity  and  the  variety  of   physical–geographical characteristics  in  the  valley  are  expected  to  induce  local  circu‐lation, such as anabatic/katabatic flows. There are a large number of   villages  spreading  all  over  the  valley.  Figure  2  illustrates  the digital  map  of   the  area  that  was  used  (see  also  Figure  1);  the circular region represents the outer limits of  the boundary divided into eight sectors, one for each wind direction. Based on this map a structured mesh of  hexahedral elements was generated. The mesh density (∼2.5 million cells, 30 layers at the vertical direction, height of   first  cell,  ∼0.5 m,  average  expansion  ratio,  1.2)  was  selected following  a  series  of   tests  with  various  mesh  densities.  This  is 

enough  to describe  the  terrain  in detail and  stabilize  the mathe‐matical  solution  of   the  problem  with  the  minimum  computing power. 

Figure 

1.  A satellite image of  the valley  of  the city  of   Amyndaion. The area 

inside  the  black   frame  is  the  one  that  was  used   at   the  calculations  (see 

Figure 2). 

Page 3: APR-11-004

7/18/2019 APR-11-004

http://slidepdf.com/reader/full/apr-11-004 3/10

26  Kakosimos et  al. –   Atmospheric Pollution Research 2 (2011) 24‐33 

Figure 

2. 

Part   of   the  digitized   valley   and   the  calculation mesh  (see  also 

Figure 1).  The  circular   region  represents  the outer   limits of   the boundary  

divided  into eight  sectors one  for  each wind  direction. 

2.2. Meteorology 

The  necessary  meteorological  data  originate  from  the municipal  meteorological  station  (Class  A  –  City  of   Amyndaion). 

The  data  studied  covers  the  years  from 1963  to  2007.  The  local climate  is  characterised  by  the  low  temperatures  and  frequent snow falls during winter, the extended rain falls during autumn and a short dry period during summer. In more detail, the mean annual precipitation is around 416 mm with two discrete rain periods one during late autumn and one during late spring. The driest month is August  with  mean  precipitation  around  22.4 mm.  The  mean temperature of  the area  is 12.3 °C while the hottest month  is July (22.3 °C) and the coldest one is January (2.4 °C). 

A  detailed  statistical  analysis  was  performed  for  the  years from 2003  to 2007  to  identify  the most  frequent meteorological conditions  concerning  wind  speed  and  direction.  This  analysis revealed  that  the most  frequent wind  blows  from North  (∼18%) while the next three from Southeast, Northwest and West (5–10%) (Figure  3).  Moreover,  the  strongest  winds  blow  from  North  and Northwest,  while  there  are  often  calm  periods  (<1 m s

 –1  around 

15%).  The  results  from  the  statistical analysis were used  to  form 

nine meteorological cases/scenarios to represent some of  the most frequent winds which are also transferring PM from the dumps to the nearby city. The  formed  scenarios are presented  in Section 3 (Table 1). Furthermore, to strengthen the creditability of  the data, they were  cross  checked with  simulated  data  from  the  National Oceanic  and  Atmospheric  Administration  of   U.S.  (GDAS,  2008). These data are on a three–hour base and available at a resolution of  100x100 km. Both sets are in full agreement, and thus the GDAS data were also used  in cases where no data were available at the meteorological  station.  Specially,  simulated  vertical  soundings were used to estimate the characteristics of  the boundary layer at 

present  work’s  numerical  model.  The  mixing  height  and  the stability  class  also  originate  from  the  GDAS  data.  The  boundary layer depth ranged from a few hundred meters up to 1 500 meters while the stability class was mainly stable or neutral.  It should be mentioned  that  the  numerical  model  employed  to  simulate  the dispersion  only  under  neutral  conditions.  Therefore,  a  mixing height around 500 m was selected. On the other hand the integral model  is  able  to  take  into  consideration  all  stability  classes, 

therefore detailed meteorological data of   five  years  (2003–2007) were used for the hourly calculations. 

2.3. Numerical Model 

Theoretically,  the  Navier–Stokes  equations,  in  their  native form, have the ability to describe either laminar or turbulent flow. 

However,  the  solution  of   these  equations  for  a  real  problem  is quite  demanding  and  requires  enormous  computing  power.  For this  reason,  turbulent  models  were  developed  that  describe indirectly  the  turbulent effects mainly with a statistical approach. The turbulent model employed in the present work and used in the commercial  CFD  software  (ANSYS  CFX)  was  the  k–ε model.  This model  was  chosen  among  others  because  it  is  considered  to estimate  the  atmospheric  boundary  layer  more  accurately (Hargreaves and Wright, 2007). 

Figure 

3.   A  wind   rose  diagram   for   the  year   2006  (wind   directions  are 

“blowing  from”). 

k–ε approach.  The  k–ε model  introduces  two new  variables  into the system of  equations the turbulent kinetic energy, k  (kg m

 –2 s

 –2), 

and the turbulent dissipation rate, ε (m2 s

 –3). A brief  description of  

the equations of  the model follows. Thus the governing equations are the continuity equation: 

(1) 

and the momentum equation: 

( )

( )   ( ) ( )

T

eff eff  

U U U U p U B

 ρ  ρ μ μ 

∂+ ∇ • ⊗ − ∇ • ∇ = −∇ + ∇ • ∇ +

  (2) 

eff t  μ μ μ = +   ,

2

0.09=t 

k μ ρ 

ε   (3) 

Table 

1. Meteorological  scenarios and  average calculated  PM10 concentrations (at   Amyndaion) 

Concentration 

(μg m‐3

Wind Speed (m s‐1

)

1.5  2.5 3.5 

Sources  0  1  2  3 0 1 2 3 0 1  2  3 

Wind Direction 

N  0.37  0.40  0.40 0.40 0.15 0.19 0.21 0.3 0.15 0.12  0.07  0.11

NNW  0.39  0.53  0.60 0.77 0.05 0.13 0.32 0.59 0.04 0.07  0.15  0.32

NW  0.00  0.10  0.46 1.38 0.0 0.01 0.76 1.71 0.0 0.01  0.21  0.36

( )   0U t 

 ρ  ρ 

∂+ ∇ • =

Page 4: APR-11-004

7/18/2019 APR-11-004

http://slidepdf.com/reader/full/apr-11-004 4/10

  Kakosimos et  al. –   Atmospheric Pollution Research 2 (2011) 24‐33  27 

where  ρ (kg m –3

) is the fluid density, U (m s –1

) is the velocity field, t  (s)  is  time,  B  is  the  sum  of   body  forces,  μeff   (kg m

 –1 s

 –1)  is  the 

effective viscosity accounting for turbulence,   p (Pa) is the modified pressure and  μt  (kg m

 –1 s

 –1)  is the turbulence viscosity. The values 

of  k  and ε come directly from the differential transport equations: 

( ) ( )1.0

k k  Uk k P

t  ρ    μ  ρ μ ρε ∂   ⎡ ⎤⎛ ⎞+ ∇ • = ∇ • + ∇ + −⎢ ⎥⎜ ⎟∂   ⎝ ⎠⎣ ⎦

  (4) 

( )( ) ( )1.44 1.92

1.3

k U P

t k 

 ρε    μ    ε  ρ ε μ ε ρε 

∂   ⎡ ⎤⎛ ⎞+ ∇ • = ∇ • + ∇ + −⎢ ⎥⎜ ⎟∂   ⎝ ⎠⎣ ⎦

  (5) 

( )   ( )2

33

k t t kbP U U U U k Pμ μ ρ = ∇ • ∇ + ∇ − ∇ • ∇ • + +   (6) 

where Pk  is the turbulence production due to viscous and buoyancy forces, while Pkb is the buoyancy production rate (usually with the Boussinesq model; Cotton, 1997). Finally the energy equation is: 

( )

( ) ( ) ( )tot 

tot M E  

h   p

Uh T U U S S  t t 

 ρ 

 ρ λ τ 

∂   ∂

− + ∇ • = ∇ • ∇ +∇ • • + • +∂ ∂ 

(7) 

where SE  is a source of  energy, htot  (kg m2 s

 –2), is the total enthalpy 

while  the  term  U•SM  accounts  for  the  external  sources  of  momentum  and  it  is  usually  neglected.  More  details  about  the model equations can be obtained in the cited literature (e.g. Ansys, 2006). 

Particulate  matter  dispersion.  For  the  simulation  of   the  particle dispersion,  the Lagrangian approach was preferred  instead of   the Eulerian one, because it calculates concentration distribution more accurately  (Loomans  and  Lemaire,  2002)  and  takes  into  account effect of  obstacles more efficiently  (Riddle et al., 2004). Unfortu‐nately  when  dealing  with  real  problems  a  very  large  number  of  virtual  particles  is  needed.  The  particle  displacement,   x   (m),  is calculated using  forward Euler  integration of  the particle velocity, over a time–step δt  as: 

n o o

i i pi x x v t δ = +   (8) 

where  the  superscripts o  and n  refer  to  the  old  and new  values respectively,  and  v   (m s

 –1)  is  the  particle  velocity.  In  forward 

integration, the particle velocity calculated at the start of  the time–step  is assumed to prevail over the entire step. At the end of  the time–step,  the  new  particle  velocity  is  calculated  using  the analytical solution: 

( )exp 1 expo

 p f p f all

t t v v v v F  

δ δ τ 

τ τ 

⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + − − + − −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠

  (9) 

where,  superscripts  f   and  p  refer  to  the  fluid  and  the  particles respectively, and τ is the particles’ life time (in our study something larger  than  the necessary  travelling  time  from  the  source  to  the receptor). The forces, F  (N), acting on the particle which affect the particle acceleration, are due to the difference in velocity between the particle and fluid, as well as to the displacement of  the fluid by the particle. The equation of  motion for such a particle is 

 p

 p D B R VM p

dvm F F F F F  

dt = + + + +   (10) 

where mp (kg) is the particle’s mass, F D (N) is the drag force, F B (N) 

is the buoyancy  force, F R  (N)  is due to domain rotation, F VM  (N)  is the virtual mass force and F P (N) is the force due to pressure. 

Atmospheric  boundary  layer.  The  most  important  part  of   the numerical  model  is  the  approximation  of   the  atmospheric boundary  layer  (ABL).  The  characteristics  of   the  boundary  layer define the boundary conditions used by the model. The boundaries are the inlet, outlet, upper boundary and the required variables are velocity,  turbulent  kinetic  energy  and  turbulent  dissipation  rate. 

The following paragraphs describe the calculation of  the boundary conditions according to the most common empirical formulae. 

The  numerical  criterion  that  distinguishes  the  states  of   the ABL is the sensible heat, H (Van Ulden and Holtslag, 1985) which is derived from the simplified form of  the energy balance for ABL: 

n H G Rλ + Ε + =   (11) 

where,  λ  is  the  latent  heat  of   evaporation,  E   is  the  evaporation rate, G is the energy flux from ground, and Rn is the net radiation. An empirical approximation follows: 

0,unstable0.9

0,neutral110,stable

<⎧⎪

= =⎨+   ⎪ >⎩

n

o

 R

 H  B

, where  p a

o

w v

 pC M 

 B  M L e

ΔΤ

= Δ   (12) 

Βο is the Bowen ratio (Bowen, 1926; Kakane and Agyei, 2006),  p (Pa) is the pressure, C  p (J kg

 –1 K

 –1), is the specific heat of  air, Lv (J), 

is  the evaporation enthalpy of  water, Mw and Μa,  the molecular weights of  water and air respectively, and ΔT  (K) and Δe (Pa) is the temperature and pressure difference at two different heights. The calculation  of   the  net  radiation  depends  on  whether  there  are available  measurements  of   solar  radiation  or  not.  In  this  case (AERMIC,  2006)  it  can  be  calculated  by  the  theoretical  solar radiation and the total cloud cover, n, as: 

6 4

1 2

3

(1 )

1

ref SB ref  

n

a R c T T c n

 R c

σ − + − +

= +   (13) 

Here,  c1 = 5.31x10 –13

 Wm –2 

K –6

,  c2 = 60 W m –2

,  c3=0.12, σ SB = 5.67x10

 –8 W m

 –2 K

 –4,  and  a  is  the  ground  reflection 

coefficient.  The  calculation  of   the  velocity  vertical  distribution  is based on the following equation: 

( ) ( )* ln0.4

 z m m o

o

u   zu z z

 z

⎛ ⎞⎛ ⎞= − Ψ + Ψ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠⎝ ⎠

  (14) 

( )   ( )*

0.4

ln

=⎛ ⎞

− Ψ + Ψ⎜ ⎟

⎝ ⎠

ref 

ref 

m ref m o

o

uu

 z z z

 z

 (15) 

where,  u* (m s –1

)  is  the  friction  velocity,  zo  (m)  is  the  surface roughness,  while  the  function  Ψm  refers  to  the  atmospheric stability  (zero  for  neutral  conditions).  The  above  mentioned characteristics  differ  along  with  the  atmospheric  state.  For  the calculations the Monin–Obukhov Length, L (m) , (Venkatram, 1980) is necessary. For an unstable atmosphere: 

( )  ( ) ( )

( )( )

( ) ( )

2

1

31 4   *

1 12 ln ln 2 tan 2 ,

2 2

1 16 ,0.4

−⎛ ⎞+ +⎛ ⎞⎜ ⎟Ψ = + − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠   ⎝ ⎠

= − = −

m

a p ref  

b z b z z b z

C T ub z z L L

gH 

π 

 ρ 

 (16) 

For a stable atmosphere: 

Page 5: APR-11-004

7/18/2019 APR-11-004

http://slidepdf.com/reader/full/apr-11-004 5/10

28  Kakosimos et  al. –   Atmospheric Pollution Research 2 (2011) 24‐33 

( )   ( ) ( )2

*0.29 2

*

*

17 1 , , 0.09 1 0.50.4

−Ψ = − − = − = −ref  z L

m

T u z e L T n

gT 

  (17) 

where  T ref   (K)  is  the  temperature  and g (m s –2

)  is  acceleration  of  gravity. The height of  the ABL depends mainly on the atmospheric stability  class  and  the  wind  velocity.  It  can  be  calculated,  as everything else,  empirically  (Steeneveld et  al., 2007).  In our  case 

the results of  the GDAS database where used. 

Another  important  characteristic  of   the  ABL  is  the  vertical variation of  the wind direction. This variation is introduced because of  the Coriolis force and the round shape of  the earth. The criterion to check whether the influence of  the Coriolis force is significant or not is the Rossby number, Ro, defined as: 

5 -1, 2 sin 7.29210 rad s

 D

u Ro f 

 L f ϕ    −∞= = Ω Ω =   (18) 

where  u (m s –1

)  and  LD (m)  are  the  characteristic  velocity  and length scale of  the phenomenon and φ (rad) is the latitude. 

If   the number  is greater  than one,  then  the  influence  is not important  (Luketa–Hanlin,  2006;  Prospathopoulos  and Voutsinas, 2006).  In  our  case  the  Rosby  number  is  around  100,  thus  the Coriolis  force  is  neglected.  However,  there  is  still  the  vertical variation, Dz  (m), of   the wind direction by  the distance  from  the ground, z (m), owing to the round shape of  earth. This variation is noted up to the mixing height and is calculated according to: 

1.58 1  z h

 z h D D e−⎡ ⎤= −⎣ ⎦  (19) 

where,  Dh  is  the  wind  direction  at  specific  height  h.  Indicative values of  Dh can be found in literature. 

Finally,  the  turbulent  kinetic  energy  and  the  turbulent 

dissipation  rate  for  the  inlet and  the upper boundary are derived by the following set of  equations (Prospathopoulos and Voutsinas, 2006; Blocken et al., 2007): 

2 3

* *, ( )0.40.09

= =u u

k z z

ε    (20) 

In addition at the upper boundary a constant velocity field (or shear  stress)  is applied, as  it  is  recommended when dealing with simulations in an ABL. 

2.4. Emission rate 

The source under consideration  is an overburden dump near 

the  mines  of   Amyndaion,  Greece  operated  mainly  by  the  Greek Public  Power  Corporation.  For  the  present  study  literature resources  (U.S.  EPA,  1995;  Chaulya  et  al.,  2003)  were  used  to estimate  the  various  emission  rates  of   processes  concerning  the overburden dumps. The overall calculated emission  rates  showed that the main source of  particulate matter  is the bare  land of  the overburden dumps, because of  the vast exposed area (each virtual source bounds more than 400 000 m

2, Figure 1) and the wind drift. 

That  is,  the  emission  rate  from  one  of   the  virtual  sources   – overburden  dumps  –  is  at  least  two  orders  of   magnitude  larger than  any  other  source  (e.g.  conveying  and  unloading).  For  this reason,  the emissions  from  the exposed overburden dumps were employed solely and all other sources were considered to be of  no significant strength. 

The  particles  emission  rate  from  an  overburden  dump depends on the wind velocity (friction velocity) and the size of  the particles. The emission rate, E  (g m

 –2 s

 –1), can be calculated by the 

following equation (Chaulya et al., 2003): 

0.2 0.1100

100 2.6 120 0.2 276.5

m s u a E 

m s u a

−⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

− + +⎝ ⎠ ⎝ ⎠  (21) 

where, m (%) is the soil humidity, s (%) is the silt content, u (m s –1

) is the wind velocity and a (km

2) is area of  the source. The average 

emission  rate  for  total  solid  particles  in  our  tests  was  equal  to 

0.0002 g m

 –2

 s

 –1

. The size distribution of  the particles was the one recommended  for  coal mining overburden  soil by  EPA  (U.S.  EPA, 1995)  that  is particles  smaller  than 30  μm diameter 48%,  smaller than 15 μm 28%, smaller than 10 μm 23% and smaller than 2.5 μm 

3%. 

2.5. Air quality model 

Local  field  measurements  of   PM  are  missing,  so  for  the evaluation of  the results of  the numerical model a well–known air quality model was  implemented. The AMS/EPA Regulatory Model (AERMOD) described here  is applicable  to  rural and urban areas, flat  and  complex  terrain,  surface  and  elevated  releases,  and multiple  sources  (including, point, area and volume sources). The AERMOD modelling system consists of  two pre–processors and the 

dispersion  model.  The  meteorological  pre–processor  (AERMET) provides AERMOD with the meteorological information that needs to characterize the ABL. The terrain pre–processor (AERMAP) both characterizes  the  terrain,  and  generates  receptor  grids  for  the dispersion model (AERMOD). 

General description. AERMOD  is a  steady–state plume model.  In the  stable  boundary  layer  (SBL),  it  assumes  the  concentration distribution  to  be  Gaussian  in  both  the  vertical  and  horizontal direction.  In  the  convective  boundary  layer  (CBL),  the  horizontal distribution  is  also  assumed  to  be  Gaussian,  but  the  vertical distribution  is  described  with  a  bi–Gaussian  probability  density function (pdf). This behaviour of  the concentration distributions in the CBL was demonstrated in literature (Willis and Deardorff, 1981; Briggs,  1993).  Additionally,  in  the  CBL,  AERMOD  treats  “plume 

lofting,”  whereby  a  portion  of   plume  mass,  released  from  a buoyant source, rises to and remains near the top of  the boundary layer  before  becoming mixed  into  the  CBL.  AERMOD  also  tracks any plume mass that penetrates into the elevated stable layer, and then  allows  it  to  re–enter  the  boundary  layer  when  and  if  appropriate.  For  sources  in  both  the  CBL  and  the  SBL,  AERMOD treats the enhancement of  lateral dispersion resulting from plume meander. Using  a  relatively  straight  forward  approach, AERMOD incorporates  current  concepts  about  flow  and  dispersion  in complex  terrain.  Where  appropriate  the  plume  is  modelled  as either  impacting  and/or  following  the  terrain.  This  approach has been designed  to be physically  realistic and  simple  to  implement while avoiding the need to distinguish among simple, intermediate and complex terrain, as required by other regulatory models. As a result,  AERMOD  removes  the  need  for  defining  complex  terrain 

regimes.  All  terrain  is  handled  in  a  consistent  and  continuous manner  while  considering  the  dividing  streamline  concept  in stably–stratified conditions (Snyder et al., 1985). 

Obligatory  input  data.  AERMOD  is  designed  to  run  with  a minimum  of   observed  meteorological  parameters.  As  a replacement  for  the  ISC3  (Industrial  Source  Complex)  model, AERMOD can operate using data of  a type that  is readily available from  weather  service  stations.  AERMOD  requires  only  a  single surface measurement of  wind speed, wind direction and ambient temperature. It also needs observed cloud cover. However, if  cloud cover  is  not  available  (e.g.  from  an on–site monitoring  program) two vertical measurements of   temperature  (typically at 2 and 10 meters), and a measurement of  solar radiation can be substituted. A  full  morning  upper  air  sounding  (RAWINSONDE)  is  required  in 

order  to  calculate  the  convective  mixing  height  throughout  the day. Surface  characteristics  (surface  roughness, Bowen  ratio, and albedo) are also needed in order to construct similarity profiles of  the  relevant  ABL  parameters.  AERMOD  has  become  EPA’s 

Page 6: APR-11-004

7/18/2019 APR-11-004

http://slidepdf.com/reader/full/apr-11-004 6/10

  Kakosimos et  al. –   Atmospheric Pollution Research 2 (2011) 24‐33  29 

preferred regulatory model for both simple and complex terrain. A description  of   the  fully  revised  model  is  presented  in  literature (Cimorelli  et  al.,  2005).  Performance  of   the  final  version  of  AERMOD is documented in Perry et al. (2005). 

3. Results and Discussion 

This  section  presents  the  results  of   the  numerical  model (Ansys CFX)  for  the  selected meteorological  scenarios. Moreover, the  results  of   the  numerical model  are  compared with  the  ones from  the  air–quality  model  (AERMOD).  However,  the  air–quality model used the detailed hourly–based meteorological data for the full length of  the study (from 2003 to 2007). 

3.1. Selection of  scenarios 

An extensive statistical analysis on the meteorological data of  the target area for the years from 2003 to 2007 was undertaken to form a specific number of  scenarios (Table 1) concerning the wind direction  and  speed  (see  Section 2.2).  These  scenarios  consist of  three  wind  directions  (North,  North–Northwest  and  Northwest) and  three wind  speeds. Moreover,  these  scenarios  appear  to  be 

the most  frequent ones– statistically speaking– (∼40%) and at the same time are the ones that transfer the pollution from the dump site to the nearby residential area. 

3.2. Simulations of  scenarios 

For  each  scenario,  the  wind’s  velocity  field  is  calculated  in steady  state;  a  value  of   10

 –4  of   the  residuals was  required  for  a 

successful convergence for all the variables. Figure 4 illustrates the resulting  velocity  field  in  two of   the  scenarios. Consequently  the particle tracking algorithm (presented earlier) is employed for each source. For each scenario the average ground concentration of  PM 

was  calculated  for  the  city  of   Amyndaion.  The  results  are summarized  on  Table  1  and  representative  contour  plots  are illustrated  in Figure 5, where one can observe  the PM dispersion 

from each one of   the virtual sources  for  the same wind direction (North–Northwest)  and  speed  (2.5 m s

 –1).  In  addition,  from  this 

figure it is clear that the concentration levels are increasing as the dump  site  is  expanding  Southern  and  closer  to  the  city.  This increase  is  also  demonstrated  in  Figure  6,  where  the  average concentration  for each source at each scenario  is compared  (as a ratio) with the average concentration for source 0 (current state  – see  Figure  1)  at  the  same  scenario.  For  example  for  a  North–Northwest  direction  the  concentration  levels  increase  up  to  two orders of  magnitude when  the dump site  is  located at  the virtual source 3. 

This  high  increase  at  the  concentration  levels  could  not  be appointed to  the  fact  that  the Southern sources are closer  to  the city. A  thorough  study  of   the  topography  of   the  sources  reveals 

that  the  two Northern  virtual  sources  (source0  and  source1) are located  in a small basin and the surrounding hills prohibit a  large portion of  the dust cloud to escape the dump site. This is clearer in Figure 4b and Figure 5a, where the continuity of  the dust cloud  is disrupted  by  the  surrounding  hills.  On  the  other  hand,  the  two Southern sources are located outside this basin and the dust cloud can travel directly to the city. 

3.3. Results evaluation 

As  it  was  described  earlier,  to  evaluate  the  results  of   the numerical  model  the  well  known  integral  model  AERMOD  (U.S. EPA) was  employed.  The detailed hourly meteorological data  for the years  from 2003  to 2007 were used and  the average concen‐tration  at  the  city  of   Amyndaion  was  calculated.  The  calculated annual average concentration levels for each source are illustrated in Figure 7. A quantitative analysis of   the  contour plots presents similar  quantitative  results  as  in  the  case  where  the  numerical model  was  used.  In  Figure  7,  one  can  also  observe  the  PM 

atmospheric dispersion at all wind directions. The highest  impact of  the dump sites appears to be North–eastern of  them (frequent South–western winds) and Southern (North–North western winds). 

Figure  8  shows  a  comparison  of   the  calculated  average concentration values between the numerical model and AERMOD. The  predicted  concentration  levels  are  of   the  same  order  of  magnitude and the agreement between the two models could be considered  fair. Especially, the two predictions come closer  if  one compares  the  results  of   AERMOD  with  the  addition  of   the numerical model’s results for the Northwest and North–Northwest wind  direction.  This  last  modification  is  probably  necessary because the influence of  these two wind directions in the AERMOD simulations  is  not  discrete.  The  overall  differences  of   the  two models could be attributed to a series of  causes, a list of  the most important ones follows: 

i)  AERMOD takes in consideration the elevated terrain, but not 

its  influence  on  the  wind  field  therefore  the  impact  of   the surrounding  hills  appears  to  be  lower  than  in  the  results  of   the numerical model, 

ii)  the characteristics/parameters of  the atmospheric boundary layer are explicitly defined in the numerical model while in the case of  AERMOD they are internally calculated, 

iii)  the  numerical  model  is  applied  only  on  the most  frequent meteorological  scenarios  while  AERMOD  used  the  detailed meteorological data, 

iv)  the  Langrangian  numerical  model  calculates  the  PM 

atmospheric  dispersion  based  on  a  finite  number  of   particles (around a few millions) which are significantly  lower than the real case. 

Figure 4. Velocity   field   for  N‐1.5 (a) and  NW ‐1.5 (b) at  height  10 m above ground. 

Page 7: APR-11-004

7/18/2019 APR-11-004

http://slidepdf.com/reader/full/apr-11-004 7/10

30  Kakosimos et  al. –   Atmospheric Pollution Research 2 (2011) 24‐33 

Figure 

5. Concentration contours  for  scenario NNW ‐2.5  for  each one of  the sources at  the ground  level  ( a‐Source 0, b‐Source 1, c ‐Source 2 and  d ‐Source 3). 

Figure 

6. 

Ratio of  PM average concentration  for  each source to PM average concentration  for  source 0 (current  state –  see Figure 1) at  the city  of   Amyndaion. 

Page 8: APR-11-004

7/18/2019 APR-11-004

http://slidepdf.com/reader/full/apr-11-004 8/10

  Kakosimos et  al. –   Atmospheric Pollution Research 2 (2011) 24‐33  31 

Figure 

7.  Average concentration (  μg m‐3 ) at  the area of  the city  of   Amyndaion as it  was calculated   for  three different  meteorological  

scenarios (wind  direction) by  CFX  and   for  the whole year  (2004) by   AERMOD ( a‐Source 0, b‐Source 1, c ‐Source 2 and  d ‐Source 3). 

Figure 

8.  Average daily  concentration (  μg m‐3

 ) of  PM10  for  each source at  ground  level   for  the year  2004, by   AERMOD. 

Page 9: APR-11-004

7/18/2019 APR-11-004

http://slidepdf.com/reader/full/apr-11-004 9/10

32  Kakosimos et  al. –   Atmospheric Pollution Research 2 (2011) 24‐33 

4. Conclusions 

In conclusion, a numerical model and an  integral model were employed  to  simulate  the  present  and  future  state  of   an overburden  dump  of   lignite  mine  near  the  city  of   Amyndaion. Previous studies have proven  that air suspended PM  impacts  the 

health  of   inhabitants,  and  thus  such  a  study  was  considered  of  great  importance. A  series of   assumptions, mainly  related  to  the definition  of   the  boundary  conditions  of   the  numerical  model, were undertaken  in order  to simulate  the atmospheric dispersion of  dust in the atmospheric boundary layer. 

The results with both models showed that the yearly average concentration  induced  solely  by  the  overburden  dump  (current and  future  state)  is approximately 2 μg m

‐3. This  concentration  is 

quite  lower  than  the  European  limit  for PM10 which  is 40  μg m‐3 

(EC,  2008). However,  it  should  be  remembered  that  the  present work  studies  the  impact  from a  single overburden  site and  takes into  consideration  only  its  emissions  without  the  addition  of  background  concentration  and  the  emissions  from  the neighbouring  sites.  If   all  of   them  are  summed  then  the  total 

emission  rate  increases  drastically  and  so  does  the  induced  PM concentration.  Furthermore,  a  southern  expansion  of   the  over‐burden dumps showed that will  increase  the concentration  levels at  the  city of  Amyndaion. For  this  reason, a more detailed  study should be conducted by the  local authorities  in order to  indentify the most appropriate areas to expand the dump sites and to take into advantage the local topography. 

The overall application of  the complex numerical model in an environmental study was considered successful. The comparison of  the  two  models  showed  that  both  predictions  agree  fairly  well, though  the numerical model  tends  to underestimate  the concen‐tration  levels. This could be appointed mainly on the use of  a few 

meteorological  scenarios  and  the  detailed  data  and  the  finite number  of   particles  used  in  the  Lagrangian  model.  However, 

caution  must  be  shown  at  the  description  of   the  ABL  into  the numerical model, because  it  requires experience on dealing both with numerical models and atmospheric phenomena. A successful application of  a CFD model in one case cannot guarantee a similar success  in  all  cases.  Therefore,  to our opinion, both  integral  and numerical models should be applied in order to get the full picture. 

Acknowledgements 

The  research  study  was  financed  by  the  Municipality  of  Amyndaion, Greece  (Research  Committee  of  Aristotle University, Project  No  83314)  and  part  of   it  was  presented  at  the  6

th 

International Congress on Computational Mechanics, Thessaloniki Greece 2008. 

References 

AERMIC,  2006.  AERMOD  (Version  07026):  EPA‐US,  http://www.epa.gov/ 

ttn/scram/dispersion_prefrec.htm#aermod, Accessed 12/2010. 

Anderson,  J.D.,  1995.  Computational   Fluid   Dynamics:  The  Basics  with 

 Applications. New York: McGraw‐Hill. 

ANSYS, 2006. ANSYS CFX version 5.7 Manual. ANSYS Europe Ltd. 

Blocken,  B.,  Stathopoulos,  T.,  Carmeliet,  J.,  2007.  CFD  simulation  of   the 

atmospheric  boundary  layer:  wall  function  problems.   Atmospheric 

Environment  41, 238‐252. 

Bowen,  I.S.,  1926.  The  ratio  of   heat  losses  by  conduction  and  by 

evaporation from any water surface. Physical  Review  27 , 779‐787. 

Briggs, G.A., 1993. Plume dispersion in the convective boundary layer. Part 

II:  analyses  of   CONDORS  field  experiment  data.   Journal   of    Applied  Meteorology  32, 1388‐1425. 

Chaulya, S.K., Ahmad, M., Singh, R.S., Bandopadhyay, L.K., Bondyopadhay, 

C., Mondal, G.C., 2003. Validation of  two air quality models for Indian 

mining conditions. Environmental  Monitoring and   Assessment  82, 23‐

43. 

Cimorelli, A.J., Perry, S.G., Venkatram, A., Weil, J.C., Paine, R.J., Wilson, R.B., 

Lee,  R.F.,  Peters,  W.D.,  Brode,  R.W.,  2005.  AERMOD:  a  dispersion 

model  for  industrial  source  applications.  Part  I:  general  model 

formulation  and  boundary  layer  characterization.  Journal   of   Applied  

Meteorology  44, 682‐693. 

Cotton, W.R., 1997. Explicit Simulation and Parameterization of  Mesoscale 

Convective  Systems.  U.S.  Department  of   Energy,  Atmospheric 

Radiation Measurement Program, Report DOE/ER/61749‐3. 

EC, 2008. Council Directive 2008/50/EC on ambient air quality and cleaner 

air for Europe. Official   Journal  of  the European Communities L(152), 1‐

44. 

GDAS, 2008. The Real‐time Environmental Applications and Display System: 

Air  Resources  Laboratory,  National  Oceanic  and  Atmospheric 

Administration's. 

Hargreaves, D.M., Wright, N.G., 2007. On the use of  the k‐ε{lunate} model 

in  commercial  CFD  software  to  model  the  neutral  atmospheric 

boundary  layer.   Journal   of   Wind   Engineering  and   Industrial  

 Aerodynamic 95, 355‐369. 

Kakane, V.C.K., Agyei,  E.K., 2006. Determination of   surface  fluxes using a 

bowen ratio system. West   Africa  Journal  of   Applied  Ecology  9 , 1‐9. 

Lettau,  H.H.,  1970.  Physical  and  meteorological  basis  for  mathematical 

models  of   urban  diffusion  processes.  Proceedings  of   Symposium  of  

Multiple‐Source  Urban Diffusion Models,  Chapel  Hill,  North  Carolina, 

Eds: Stern, A.C., USEPA AP‐86, pp. 2.1–2.26. 

Loomans, M.,  Lemaire,  T., 2002.  Particle  concentration  calculations using 

CFD—a  comparison.  Proceedings  of   Indoor   Air , Monterey,  California, 

USA. 

Luketa‐Hanlin,  A., 2006. A review of  large‐scale LNG spills: experiments and 

modelling.  Journal  of  Hazardous Materials 132, 119‐140. 

Markakis,  K.,  Poupkou,  A.,  Melas,  D.,  Zerefos,  C.,  2010.  A  GIS  based 

anthropogenic  PM10  emission  inventory  for  Greece.   Atmospheric 

Pollution Research 1, 71‐81. 

Meroney, R.N.,  2004. Wind  tunnel  and  numerical  simulation  of   pollution 

dispersion:  a  hybrid  approach,  Invited   Lecture:  Croucher  Advanced 

Study Institute, Hong University of  Science and Technology. 

Moussafir,  J.,  Olry,  C.,  Perdriel,  S.,  Castanier,  P.,  Tinarelli,  G.,  2010. 

Applications  of   the  MSS  (MICRO‐SWIFT‐SPRAY)  model  to  long‐term 

regulatory simulations of  the impact of  industrial plants. Proceedings of  

Harmo 13, 1‐4 June Paris, paper No H13‐257. 

Pasquill, F., 1971. Atmospheric dispersion of  pollution. Quarterly   Journal  of  

the Royal  Meteorological  Society  97, 369‐395. 

Perry, S.G., Cimorelli, A.J., Paine, R.J., Brode, R.W., Weil, J.C., Venkatram, A., 

Wilson,  R.B.,  Lee,  R.F.,  Peters,  W.D.,  2005.  AERMOD:  a  Dispersion 

model  for  industrial  source  applications.  Part  II:  model  performance 

against 17  field  study databases.  Journal  of   Applied  Meteorology  44, 

694‐708. 

Prospathopoulos,  J.,  Voutsinas,  S.G.,  2006.  Implementation  issues  in  3D 

wind  flow  predictions  over  complex  terrain.  Journal   of   Solar   Energy  

Engineering 128, 539‐553. 

Riddle,  A.,  Carruthers,  D.,  Sharpe,  A.,  McHugh,  C.,  Stocker,  J.,  2004. 

Comparisons between  FLUENT and ADMS  for atmospheric dispersion 

modelling.  Atmospheric Environment  38, 1029‐1038. 

Sichletidis,  L.,  Tsiotsios,  I.,  Gavriilidis,  A.,  Chloros,  D.,  Gioulekas,  D., 

Kottakis, I., Pataka, A., 2005. The effects of  environmental pollution on 

the  respiratory  system  of   children  in  Western  Macedonia,  Greece. 

 Journal  of  Investigational   Allergology  and  Clinical  Immunology  15, 117‐

123. 

Snyder, W.H., Thompson, R.S., Eskridge, R.E., Lawson, R.E., Castro, I.P., Lee, 

J.T., Hunt,  J.C.R., Ogawa, Y., 1985. The structure of  strongly stratified flow  over  hills  ‐ dividing‐ streamline  concept.   Journal   of   Fluid  

Mechanics 152, 249‐288. 

Page 10: APR-11-004

7/18/2019 APR-11-004

http://slidepdf.com/reader/full/apr-11-004 10/10

  Kakosimos et  al. –   Atmospheric Pollution Research 2 (2011) 24‐33  33 

Steeneveld, G.J., van de Wiel, B.J.H., Holtslag, A.A.M., 2007. Comments on 

deriving the equilibrium height of  the stable boundary layer. Quarterly  

 Journal  of  the Royal  Meteorological  Society  133, 261‐264. 

Triantafyllou, A.G.,  Kassomenos,  P.A.,  2002. Aspects  of   atmospheric  flow 

and dispersion of  air pollutants in a mountainous basin. Science of  the 

Total  Environment  297, 85‐103. 

Triantafyllou, A.G., Paliatsos, A.G., Voutsinas, M., Zuburtikudis, I., 2002. Air 

quality  assessment  in  an  industrial  area  by  using  environmental 

indicators. Fresenius Environmental  Bulletin 11, 933‐939. 

Triantafyllou, A.G.,  Patra, A.,  Zuburtikoudis,  I.,  Pavlidis,  A.,  Vosniakos,  F., 

Zoumakis,  N.,  2001.  An  analysis  of   atmospheric  pollutants 

concentration  in  urban  area  in  Greece.  Fresenius  Environmental  

Bulletin 10, 615‐619. 

U.S.  EPA,  1995.  Compilation  of   air   pollutant   emission  factors,  Volume  I: 

Stationary    point   and   area  sources.  AP  42,  Fifth  edition,  Research 

Triangle Park, New York. 

Van  Ulden,  A.P.,  Holtslag,  A.A.M.,  1985.  Estimation  of   atmospheric 

boundary  layer  parameters  for  diffusion  applications.   Journal   of  

Climate and   Applied  Meteorology  24, 1196‐1207. 

Venkatram, A., 1980. Estimating  the Monin‐Obukhov  length  in  the  stable 

boundary  layer  for  dispersion  calculations.  Boundary ‐Layer  

Meteorology  19, 481‐485. 

Willis, G.E., Deardorff, J.W., 1981. A  laboratory study of  dispersion  from a 

source  in  the  middle  of   the  convectively  mixed  layer.   Atmospheric 

Environment  ‐ Part   A General  Topics 15, 109‐117.