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Uncertainties in modeling hazardous gas releases for emergency response

Baumann-Stanzer, Kathrin; Stenzel, Sirma

Meteorologische Zeitschrift Vol. 20 No. 1 (2011), p. 19 - 27

published: Feb 1, 2011

DOI: 10.1127/0941-2948/2011/0506

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Abstract

In case of an accidental release of toxic gases the emergency responders need fast information about the affected area and the maximum impact. Hazard distances calculated with the models MET, ALOHA, BREEZE, TRACE and SAMS for scenarios with chlorine, ammoniac and butane releases are compared in this study. The variations of the model results are measures for uncertainties in source estimation and dispersion calculation. Model runs for different wind speeds, atmospheric stability and roughness lengths indicate the model sensitivity to these input parameters. In-situ measurements at two urban near-traffic sites are compared to results of the Integrated Nowcasting through Comprehensive Analysis (INCA) in order to quantify uncertainties in the meteorological input. The hazard zone estimates from the models vary up to a factor of 4 due to different input requirements as well as due to different internal model assumptions. None of the models is found to be 'more conservative' than the others in all scenarios. INCA wind-speeds are correlated to in-situ observations at two urban sites in Vienna with a factor of 0.89. The standard deviations of the normal error distribution are 0.8 ms-1 in wind speed, on the scale of 50 degrees in wind direction, up to 4°C in air temperature and up to 10 % in relative humidity. The observed air temperature and humidity are well reproduced by INCA with correlation coefficients of 0.96 to 0.99. INCA is therefore found to give a good representation of the local meteorological conditions. Besides of real-time data, the INCA-short range forecast for the following hours may support the action planning of the first responders.

Kurzfassung

Bei unfallbedingter Freisetzung eines toxischen Gases benötigen die Einsatzkräfte eine rasche Information über den betroffenen Bereich und die maximalen Auswirkungen. Berechnungen der Gefahrenzonen mit den Modellen MET, ALOHA, BREEZE, TRACE und SAMS und für Szenarien mit Chlor-, Ammoniakund Butanfreisetzung werden in dieser Untersuchung verglichen. Die Unterschiede in den Modellergebnissen liefern ein Maß für die Unsicherheiten in der Quelltermabschätzung und der Ausbreitungsrechnung. Modelläufe für verschiedene Windgeschwindigkeiten, atmosphärische Stabilitäten und Rauigkeitslängen zeigen die Abhängigkeit der Modellergebnisse von diesen Eingangsdaten. Messungen an zwei städtischen verkehrsnahen Standorten werden mit Ergebnissen der “Integrated Nowcasting through Comprehensive Analysis” (INCA) verglichen, um Unsicherheiten in den meteorologischen Eingangsdaten zu quantifizieren. Die Gefahrenzonenangaben der Modelle unterscheiden sich um bis zu einem Faktor 4 aufgrund verschiedener Erfordernissen hinsichtlich der Eingangsdaten sowie aufgrund unterschiedlicher interner Modellannahmen. Es zeigt sich, dass keines der Modelle bei allen Szenarien konservativere Ergebnisse als die anderen liefert. INCA Windgeschwindigkeiten sind mit den Stationsmessungen an zwei städtischen Standorten in Wien mit einem Faktor 0.89 korreliert. Die Standardabweichungen der Normalverteilung des Fehlers beträgt für die Windgeschwindigkeit 0.8 ms-1, für die Windrichtung rund 50 Grad, bis zu 4 C für die Lufttemperatur und bis zu 10 % für die relative Feuchte. Die Messwerte der Lufttemperatur und Luftfeuchte werden mit INCA mit Korrelationskoeffizienten zwischen 0.96 und 0.99 sehr gut wiedergegeben. INCA bietet demnach eine gute Beschreibung der lokalen meteorologischen Verhältnisse. Zusätzlich zu den Echt-Zeit-Daten kann die INCA - Kurzfristvorhersage für die nächsten Stunden die Einsatzplanung der Einsatzkräfte untersyützen.