-
m
T A B L E O F
C
O N T E N T S
A b
str a ctI
ntr od
u cti
o nB
a ck
gr ou nd
and T h
e o ry
M
eth
od
sR
e s ul
tsD i
s c u s si
o nC
o n clu si
o n sR
e com m
e nd
ati
o n sR
ef
e r e n ce s5
7
1 1
1
8
2
1
2 4
2
6
2
7
2 8
A
PP E N D I X A
A
P PE N D I
XB
A P P E N D I X C
A
P PE N D I X D
F i g
ur es and T
ab l
e sS
am
p
li
ng D
ata/
M
od
elI
np
utP
a r am
ete rsM
ete o r olog i
c al D
ataI N D E
X
O F F I
G
U
R
E S
F i g
ur e1
:D
u keF
o r e stS i
teF
i
gu r e 2:S
o u r c e T ow
e rF i g
u r e 3:S
o u r c e Em
is si
o nSi
te sF i g
u r e4
:F T I R D
ata s etM
od
el P
r ed i
cti
on sF
i
gur e 5:T
ed
la r «P
oi
ntS
am
p l
eD
ata s etM
o del Pr ed i
cti
o n sF
i
gur e 6: IS C
2 a nd
IS C
3A
r e a v s.V
olum
eS
o u r c eC
o niigu r at io n s,F T I
R D
ata s etF i g
u r e7
:A E
R
M
O D A
r e a v s.V
ol
um
eS
o u r c eC
o nfi g
u r ati
o n s,F
T
IR D
ata s etF i g
ur e 8: IS C
2 and IS C
3A
r e a v s.V
olum
eS
o u r c eC
o nfi gu r atio
n sT
ed
la r ®D
ata setF i g
u re9
:A E
R
M
O D A
r e a v s.V
ol
um
eS
o u r c eC
o nfi g
u r ati
o n s,T
ed l
ar ®D
ata setI N D E
X O
F T
A
B L E
S
T
ab
le1
:S
ou rc eC h
em ic a
l E
m
i
s si
o nR
ate sT
ab le 2:M
ete o rolog y V
a ria
b
lesT
ab
le 3:L i
n e a rR
eg
r essi
o nR
es ul tsf
o r IS C
volum
e a nd A E R
M
O D
v olum
eS
o u r ceP
red i
ctio n s
T a
b
le 4: L in e a rR
eg
re ssi
onR
e s ul tsf
o rA
r e aP
r ed i
cti
o n s;O P
-FT CR
d
ata s etA C K
N
O
W
L E D G E
M
E N T S
F
i
n an ci
al
s up p
o rtf
o r th i
s pr oj
e ctw
asp
r o vi d
ed b
y th
eO
ak R i d g
e In sti
tutef
o rS
ci
en c e a nd
Ed
uc ati
on(
O R
ISE
)
,U
.S
D
ep
a rtm
e nt of E
ne rg y,
O
ak R i d g
e, Te nn e ss e e, u nd
e r th
eIn
d
u stri
al
H
yg i
e n eG
rad
u ateF
el l
ow
shi p P
r og
r am
.I w
oul
d
li k
e to th
a nk D
r.J
os ep h J
.V
er vi
e r,T
ech
ni
cal D i
r e ctor of
th
eU
.S A
rm
y
'
s
E dg
ew
o od R
e s e a r ch
,D
e v el
op m
ent and E
ngi
n e e ri
ngC
ente r, an
d D
r .C ly d
eF
r a nk
e,
D
ep
uty A
s si
s sta ntS
ecr eta ry
of
En e rg
y,f
o r th
ei
r s up p
ort of
m
y re s e ar ch
at th
eC
ente rf
orN B C E
n vi
ronm
ental T
e ch
n ol
ogy
I
w
o ul d l i k
e to exp
r e s sm y
si
nc e r eg
r ati
tud
e toM
rH
ow
a rd
Fel d m
a n,S
e ni
o rE
n vi
r o nm
e ntal S
ci
e nti
st of
th
eA
m
e ri
c anP
etr ol
e um
I
n sti
tute and
M
rR
us s L e e of
N
O A A
,U
.S
.E
.P
.A
.f
or th
ei
ri
nd i
sp
e nsi b l
eh
elp
th
roug h
out th i
sp
roj
ect.W
i
th
out th
ei
rk
n ow l
edg
e,k i
nd
ne s s,i
n si g h
t and
ch
a ri
ty
, th i
sp
roj
e ctw
o ul d h
av eb
e e nm
uc
h m
or ed i f fi
c ul
t.A d d i
ti
on al
th
a nk
sg
o to aU
th
ep
r of
e s si
onal
sw h
o to ok
tim
e to e xp l
ai
n a nd d i
s cu s sc o n c e
p
ts a nd i d
e a sw i
th
m
e, es
p
eci
al ly
e a rl y
oni
n th
el
ear ni
ng
c u rve! T h
e s ep
e op l
ei
n cl
ud
eM
sJ
ud y
Zw i
ck
e r of R
em
oteS
e n si
ng A i
r,M
r . Jim
Pa um i
e r of
Pa ci fi
cE
n vi
ronm
ental S
e r vi
c e s, and
of
c ou r sem
y
ad
vi
s or ,D
r.L
ori T
od d
,
w h
oh
el p
ed m
e s e e th
eb i g p i
ctu re.Sp
e ci
al
th
ank
sg
o toM
r.D
o nG
am i l
e s,
D O E
.T h
ank
sf
or c ah
ni
ng
m
ed
ow
n and
talk i
ng
m
e th
r o ug h i
t.O f
c o u r s e, th
el
a rge st th
a nk
s go tom
yM
om
,P
atP ip
e r,f
o rh
e r su pp
o rt a nd
A
F I E LD ST
U D
Y
EV A
LU
A
T IO
N
O F S
H
O R
T-T E RM
RE
F IN
ED G A
U
S SI
A
N
D I SPE R SI O
N
M
O D E L S
A l li
s o nR
.P i p
erD
epa rtm
e nt of E
n vir o n
m
e ntal S
cie
nc es and E
ng i
ne e ri
ng
Sc
h
o ol
of P
ub li
cH
e alt
h
U
niv e r s
it
y
of
N
o rth C
a rol i
n aC
hapelH
i ll,N
o rth C
a r oUn a
2 7 5 9 9-7 4 0 0A B ST R A C T
A
trac e r study w
a s c ond
u cted
at th
eD
uk
eF
o re stSit
ei
nC h
ap
el H i l l
,N
orth C
a roU
n ain
J
a n u ary
,19 9 5
to e v alu
ate the ab il i
ty
of
th
r e e short-term
r efi
ned
G
au ssiandi
sp
er sio n
m
od
el
s top
red ict t
h
ef
ate of
v ol
um
e s o u r c e em i
s si
o ns u nd
e rfi
el d
stud
y c o nd it
io n s
.St u
d y
p
a rti
ci p
a nt sin c
lu
d
ed
theA
m
e ri
c a nP
etr ol
e um I
n stit
ute(
A PI
)
, th
eU
nit
ed St
atesE
n vir o n
m
e ntal
Pr ote ctio
nA g
e n cy
(
E
PA
)
, th
eU
ni
ted St
ate sD
ep
a rtm
ent of E
ne rg
y(
D O E
)
, th
eU
ni
v e r sit
y
of
N
o rth C
ar ol i
n a atC h
ap
el
H
i l l
(
U
N
C
)
, a nd p
riv
ate c o nsult
i
ng
fi
rm
s.T h
em
od
el
s evalu
ated w
e reI
nd
u stri
al So u
rc eC
om p l
e x-
Sh
ortT
e rm
versio n s2
an
d
3(
I S C 2
,I SC
3)
and
th
eA
m
eri
canM
eteo r ol
og i
c al So
ci
ety
(
A
M
S
)
/
Envir o n
m
ental
Prote ct
io
nA g
ency
(
EP A
)
R
eg
ul
atory
M
od
el I m p
ro v em
e ntC
om m it t
e e(
A E R
M
I C
)
m
od
el
,A E R
M
O D
.A l l
thr eem
od
els a r e
b
as ed
o n th
e ste ad y
-stateG
a u ssia np l
um
ed i
sp
e r sio n
e
q
u ati
on,w h i
ch p
red i
cts c o n ce ntratio n s a
td
ow
nw in
d
re cep
to rlo
c ati
on sw h
e ni
nteg
r ated
o ve r t
h
edi
stan ceb
etw
e en th
e s o ur c e a nd
re c ep
tor.C h
em i
c als
w
e r e r el
eas ed
atk
n ow
nr ate s an
d m
e a su r em
entsw
e re tak
en at v ari
ou sp
oi
ntsi
n th
e study fi
el d
u si
ng T
ed l
a r ®b
ag
p
oin
t s am p l i
ng
and
op
en-p
ath F
ouri
erT
ransform I
nfi
T
h
eO
P-F T IR
c om
pari s o n s
w
e r e c o ndu ctedb
y c o nfi guri ng them
o dels to pred ict pointc on ce ntr at
i
o n s al
o ng
th
eF T
IR
sp
e ctrom
ete r op
e n-p
ath
s, th
e np
ath
-i
ntegr at
i
ng
th
ep
r ed i
c ti
o ns o v e r th
e s am p l
ed
tim
ei
nte rval
s.T h
eT
ed l
a r ®b
ag p
oi
nt sam p l
e c om p
ari
s o n sw
e r e c o nd
u cted b y
c o nfi g
u ri
ng
th
em
od
el
stop
r ed i
ctp
oi
n t con c e nt rati
o n s at th
eT
ed l
a r ®po
i
nt s am
pl
el
o c ati
o n sf
o r e a ch fi
v e-m i
n ute
i
nte r v al d
u ri
ng th
e poi
nt s am
pl i
ng o n e-h
o u rt
i
m
ep
eri
od
.T h
em
od
el p
r ed i
cti
o nsw
er e th
e n tim
e -a v e r ag
ed f
or com p
ari
sonw i
th
th
eT e
d l
a r ® o n e-h
ourp
oi
nt s am p l
e s. Th
e ch
em i
c al
u s ed i
n thi
s stud
y a n al
ysi
sw
as s ulf
u rh
e x afl
uori
d
e(
SF
g)
.T h
e stud y f
o u nd
th
atI S C
a nd A E R
M
O D
u nd
e rp
red i
cted
th
em
e asu r ed
c on c entr ati
on sf
o re a c
h d
ata s et c ol l
e cted h
i th
efi
el d
stud
y ISC
a nd
A ER
M
O D
e a ch
u nd
e rp
red i
cted
th
eO
P-F T I
R d
ata setb
y af
a cto r of
ap p
roxi m
atel y 1
.6
. ISC
und
e rp
red i
cted
th
eT
edl
a r ®d
atas etb y
ap p
roxi m
atel y 2
.1
,w h i l
eA E R
M
O D
u nd
erp
red i
cted by
af
actor of
ap p
r oxi m
ately 2
.6
.R
eg
ard l
e s s of
s our c e c onfi g
u ra ti
on orm
e asur em
e nt te ch
ni q
u e u s ed
, und
e r
-p
r ed i
cti
o nw i
th
r e s
p
e ct to th
em
e a s u r ed
c o n c e ntr ati
o nw
a s c o n si
ste ntl y
ob
s e r v ed
.T h i
si
nd i
c ate s th
ats a
f
ety f
a cto r s o r o th
e r c o r r e cti
o nsm
ayb
e n e c ess a ryi
np
r ed i
cti
ng
c o ntam i
nantc o nc entr at
i
on s over th
edi
sta n c es e xam i
n ed i
n th i
s stud
y
;i
.e.,i
n th
e hea rfi
el d
of l
e s s th
a nI N T R O D U C T I O N
A i
rq
u ali
ty m
od
el
s a r ed
e si g
ned
to si
m
ul
ate th
e tr a n sp
ort a nd f
at e of
con tam i
n ant si
n th
eat
m
o sp h
e r e.T h
eU
.S
. En vi
r o nm
ental P
r ote cti
o nA g
e ncy
r e c om m
end
s th
e us e of
ai
rq
u al i
ty
m
od
el
s top
r edi
ct th
e sh
o rt and l
ong
-r a ng
ef
ate of i
nd
u stri
al
em i
s si
o n sf
o rr e
g
ul
ato ry
,p
ub l i
cp
ol i
cy a nd i
nd
u stri
al p l
a n ni
ng p
urp
ose s^"^
.
V
ali d
ati
on of
th
em
od
el
s 'p
r ed i
cti
v e ab i l i
ty i
sn e c e s s a ry t o e n sur e th
at th
eg
o al
s of
e nvi
r o nm
en tal p
r ote cti
o n a nd
p
ub l i
ch
e al
th
a re ef f
e cti
vely
ad d
re ss ed
.I
ti
sim p
orta nt th
at th
em
od
el
s n ot o nl y p
red i
cth i g h
c onc entrati
onsw i
th
reas onab
l
e a c cu ra cy b
ut th
at th
em
od
el
sh
ave an a c cu r ate"
m
od
el
-p h y
si
c s"b
a si
s,w hi
ch i
nc r e a s e s c o nfi d
enc ei
n th
ei
r ap p l i
c ati
o n tom
od
el i
ng
s c e n ar
i
o s o utsi d
e th
e e v al
u ated
r ang
e^.P
revi
ousfi
el d
a nd
stati
sti
c al
studi
e sh
avec o
m p
a r ed
ob
s e rv ed
and
pr ed i
cted
c onc e ntr ati
o n sw h i
ch w
e r e pai
r ed i
n ti m
e,b
ut n otn e c es sa r
i l
yi
n sp
a c e; a nd
n ot ove rd i
sta n c e s of l
e s s th
a n 5 0 0m
ete r s,d
u e to th
el
a ck
of
a
p p li
cab l
ed
ata s ets ^'^'^.
A
re vi
ew
of m
od
el
v al i d
ati
o n stud i
e s c o nd
ucted b y
th
eA
m
e ri
c anP
etr ol
e um
In sti
tute*i
d
e nti
fi
ed d
efi
ci
en ci
esi
ncl
ud
i
ng
th
el
a ck
of
si
m
ul
ati
o n stud i
e s of m
od
el p
erf
orm
anc ei
n th
ev er
y
n ea rfi
el d
orb
ey
ond
af
ew h
und
r ed
m
eter s a nd
th
el
a ck
of
s uf fi
ci
ent e xp
eri
m
e ntal
d
ataf
o r " rig
o ro u s te sti
ng
of
th
em
od
el
sth
at a r e used
to r ep
r e s e nt are a/
vol
um
e so ur cei m p
a ctsf
o r a v a ri
et y of
r eg
ul
ato ry p
e rm i
t ti
ng
a nd
c om p l i
a n c e app l i
c ati
o n s" .S
om
e of
th
ei
n suffi
ci
e n ci
esi
n cl
ud
ed d
ata s ets c om p
ri
s ed
of i
n sta nta n eou s sy
ri
ng
e s am p l
e s,w h i
ch
a renot a
p p
r op
ri
atef
o r e v al
uati
ng
th
em
od
el
s us ed i
n th i
s stud y d
u e to th
el
a ck
of
ti m
ew
hi
ch i
s n e ed
ed
to in v e sti gatela
te r alm
od
el d
ispe r si
o n perf
orm
a n c e. In ad d i
ti
o n, n o n e o
f
t
h
ep
r evi
ou s c om p
ari
s on s of A E R
M
O D
a nd I S C
(
th
em
od
els u s e
d in
th i
s stud
y,f
orm
al l
yi
ntr od
u c ed l
ate ri
n th is s e c
ti
o n)
e v al
u ated
th
em
od
el p
r ed ic
tio n s
w i
th
r e sp
e ct to op
e n-p
ath
Fou
ri
e r Tr a n sf
o rm
Infr
a r ed
(
O
P-F T IR
)
spe ctr o s c o
p
ym
e a s u r em
e nts. Inte r e stin
O
P-F T IR
s
p
e ctro sc op yi
si
nc r e a si
ng i
n pa rtd
u e to th
e po s sib i l i
tie s
p
r e s e nted b
y u si
ngO P
-F T I R f
orf
e n c eli
nem
o ni
to ri
ng
to c om p
ute em i
s si
on e stim
ati
o n s.T h
ep
urp
o s e of
th i
s stud
y
i
s toc o
m
pa r em
od
el p
r ed ic
ti
onsi
n th
ed
ow
nw i
nd
r a nge of l
es s th
an5
0 0m
ete rsfr
om
th
es our ce r e
l
e a s e vn th m
e a s u r ed
c on c en tr atio n s c o
l l
e cted
usin
g b
oth
tr ad i
tio n a
l
poi
nt sam pl
e sa n
d O
P-FT
IR
spe ctr o s c o
p
y.Co n c
entr atio n s
w
e r em
e a s u r ed
u si
ng
op
e n-p
ath
F T IR
(
O
P-F T IR
)
sp
e ctro scop y
and
T
ed l
ar ®b
ag p
oi
nt s am p l
e s, ar ra ng
ed i
n arc sd
ow
nw i
nd
of
th
e s ou rc e r el
e a s e, to c r e atet
w
od
a ta s etsw i
th w h i
ch
to e v alu a
te th
em
od
el p
r ed i
cti
o n s. Th i
s stud
y us e sO P
-F T
IR
s
p
e ctrom
e te rd
ata and
Ted la r ®
p
oi
nt s am
ple s
to e v al
u ate th
e ai
rq
u al i
tym
od
els o
n as
p
ati
all y
-r es olv
ed
, te
m p
or al b
a si
si
n ord
er tod
eterm i
neth
e r el
ati
onshi p
b
etw
e e n th
ec onta
m i
n a ntm
e a s u r em
e nt techn o
l
og i
e s a nd
th
em
od
el p
red
i
cti
on s.F i g
ure1 p
re sents ad i
ag
ram
of
th
eD
uk
eF
o r e stS i
te.O P
-F T I R
of fe r
s ad
v a nta
g
e s o v e r trad i
ti
o n al p
oi
nt s am p l
esdu e
to th
ed
ata'sp
ath
-in
teg
r ated
n atu re, e n ab li
ng i
t to "sm
ooth
out"t
h
e c o n c e ntr atio n s a
l
ong
ea ch
a rc radi i
;w h
e r e a sp
oi
nt s am
pl
e s c a n e a si l
ym i
s sl
a rge o r sm
al l
c o n c e ntr atio n s
w h i
ch
a r eb
etw
e e nsa
m p l i
ng p
oin
ts. Th
e t wo-
i
nstr um
entO
P-FT
IR
stu
d
y als o of
fe r s adva ntag
e s o v e r a sing le ope n-path c o nfi
g
u r atio nd
u e to the ab
i l ity tos
p
atia
l l y
r e sol
v e th
ep l
um
e com p
o n e nts.W
it
h
r etr o r ef le c
to r sa r r a ng
ed in
an a r cd
ow
nw i
nd
of
th
e em i
s sio n
s ou r c e,i
t c a nb
ed
ete rm in
ed i f
thep l
um
eis e n
tir e
l
y c ap
tu r ed
o rr e
p
res en ted b
y th
e s am p l i
ng m
e ch
ani
sm.T h
em
od
el
s s ele c
ted fo r u s
ein
th i
s stud y w
ereI
ndu s
tria
l So
u r ceC
om p l
exSh
ortT
e rm
-T w
o(
IS C
2)
,I
nd
u stri
al S
o u rceCo
m p l
exSh
o rt T e rm
-
T hr e e
(
I S C
3)
, a nd
th
eA
m
e ri
c a nM
ete o r olo
g i
c al So c
ie
t y(
A
M
S
)
/
En vi
r o nm
e ntal
Pr ote ctio n
A g
e n cy(
E P A
)
R
eg
ula
to ry
M
od
el
Im p
r o v em
entC
om m i
tte e(
A
E RM
I C
)
m
od
el
,A E R
M
O D
.A l l
th
r e em
od
el
sa r eb
a s ed
on th
e ste ad
y-state
G
a u s sia
np l
um
ed is
p
e r si
o n eq
u ati
o n,w hi
ch p
r ed i
cts a n o rm
al
c o nta
m i
nantd i
stri b
utio n
fr
om
th
e s o u r c e rel
e as ep
oin
t(
s)
tow
a rd l
o c ati
o n sd
ow
nw i
nd
of
t
h
e r ele a s e
.I
nteg
r atio
n of
th
eG
au s sia n
d is
p
e r si
o n eq
uatio n
o ver th
ed i
sta n cefr
om
th
es our c e e
m i
s sio n
to a r e c ep
to rl
o c atio
nd
ow
nw i
nd p
r odu c e s a
c o n c e ntr atio n
p
r edi
ctio
nf
o ra s
p
e ci fi
cp
oin
t.E
a ch m
od
el
e stim
ate s th
e con c e ntr ati
o n v al
u ef
or e ach
s o u r c e a nd
r e c e
p
to r c om b i
n atio
nf
o r e a ch i
np
u tm
eteo rol
og y
tim
ein
terv al
.E m i
s si
o n s o urc e s c anb
ec
h
a ract eri
z ed
a sp
oin
t, are a, v olu
m
e or op
enp i
t em i
s s ons.I
n thi
s study
,S
Few
asr el
eas ed
fr
om
a si
m
ul
ated
v olu
m
e s o u r c e em i
s si
o n a nd
th
em
od
el
sw
e r e evalu a
ted w i
th
v olu
m
es o u r c e e
m i
s si
on confi g
u ra ti
on sT h
eI S C m
od
el
s a r e th
em
o st c om
m
onl y
us ed m
od
el
si
ni
ndu
stry f
o r sh
ort-te rm
(
d
efi
n ed
as
l
ess th
a n5 0 k
m
tr a n sp
o rt a nd
1
-2 4 h
ou r sfr
om
startin
g
em i
s si
on tim
e)
r eg
ul
atory
s
h
o rt-te r
m
"c om p l
i
c ated
s o u r c e"(
i
n cl
ud
in
g
a r e a and
v olu
m
e s o u r c e s)
r eg
ul
ato ry p
u rp
o s e si
n si m p l
e te r r ai
nf
orb
oth
r u r al
a nd
u rb
anl
a nd
u s e cl
a s si fi
c ati
o n s .T h
eI S C m
od
el
s a r es
in
g l
el i
n e seg m
e ntm
od
el
s,w hi
ch
r ef
e r s to r ep
res e nti
ng
th
e s our c e a r e a a s a si
ng l
el i
n eo r
i
e nted
n o rm
al
to th
ew in
d di
r e cti
o n. Thi
s te ch
ni q
uei
s a si m p l ifi
c ati
o n of
them
ul
ti p l
el i
n e seg m
e nt te ch
ni q
u e u sed i
nm
od
el
s such
a sP A L
(
P
oi
nt,A
r ea,L i
n e)
and F D
M
(
F
ug i
ti
veD
ustM
od
el
)
*.
T h
eA E R
M
I C m
od
el
,A E R
M
O D
,i
s a n ai
rq
ual i
ty m
od
el d
evelo
p
ed b y
aj
oi
nt eff
o rtb
etw
e e n th
eA
m
e ri
c a nM
ete o r ol
og i
c al S
o ci
et y(
A
M
S
)
a nd
th
eE PA
.A
E RM
O D d i ff
e rsfr
om
th
eI S C m
od
el
si
n th
atit
u se s cu r r e ntp l
an eta ry b
o und
a ryl
ay
e r(
P E L
)
th
e o ry
tod
ete rm in
e thed i
sp
e r si
o np
a r am
ete r s ay a nd
CTz(
th
e sta nd
a rd d
e vi
ati
on of
th
edi
sp
e rsionin
t
h
ey
and
zd i
r e cti
o n s)
i
n ste ad
of d
ep
e nd in
g
o n Pa squil l
-Gi
ff
o r
d
-Tum
er(
PG
T)
sta
bi l i
ty
c u r v e s
(
w h i
ch
a r eb
a s ed
ex cl
u si
v el y
on sho r t-r a ng
ed i
sp
e r si
o nfr
om g
r o u nd l
e vel
su rf
acere
le a s
es and
are am
e a s u r e of di
sp
e rsio n rathe r th
a n tu rb
ul
e n c el
ev el
s)
.A E RM
O D i
st
h
er ef
o r e ap p l i
cab l
e to el
ev ated
rele a s
es,w h i l
eI S C i
s not^'^ "
.
B
A C
K G
R O U N D A N D T
H
EO R Y
Eva
lu a
tio n
of
M
od
el
Pr edi
ctio n s
w i
th
F T IR
T
h
e r el
ati
o n shi p b
etw
e e nO
P-FT
IR
sp
e ctr om
ete rm
e a s u r em
e nts a nd
so u r c e em i
ssio n
r atesh
a sb
e e n e xplo r e
d b
y P ic c ot et al
a nd C
a rte r et al
th
r o ug h
th
e e stim
ati
on of
s o u r c ee
m i
s sio n
s tr e ngth b
a s ed
onO P
-F
T IR
m
e a s u r ed
c o n c e ntr atio n s
d
ow
n-w i
nd fr
om
ac o nta
m i
nant rel
ea s e " '".
B
oth
of
th
e s e stud i
esu sed m
ath
em
ati
c al
al g
o ri
th m
sb
a sed
onG
a u ssi
a nd i
sp
e rsio n as sum p
tio
ns,w h i
ch
are em p l
oy
ed i
n th
em
od
el
s sele
cted f
orev a
lu a
ti
o ni
n th is
stud
y. Pi
c c ot et al f
o u nd
th
eir
sy
stem
tob
ew i
th in
+- 2 5 to
3
0p
erc entac cu r ate
in e st
i m
atin
g
th
e em i
s sio
n sfr
om
ag
rou nd l
e v el
s our c e.C
a rte r et al
co n clu
d
ed
t
h
at th
e sm
al l
e r th
em
ete o r ol
og i
c al i
nte r v al
a v e r ag i
ng
ti
m
e, th
eg
r eate r th
e ac cu ra cy
of
m
od
el p
r ed ic
tio n s o
f
s o u r c e em i
s si
on str e ng
th
.T h
eG
a u s si
a nd is
pe r sio n
eq
u ati
o nw
asf
o u nd
to pe rfo r
m
b
ette r atd i
sta n c e sg
r e ate r th
a n 5 0m
ete r s th
a n at th
os el
ess th
an 5 0m
ete r s ^ ^.O
utd
oo rfi
el d
stud i
e sha v e
b
e e n condu
cted
to ev aluate th
e a ccur acy
a nd p
re si
sio n of O P
-F T I R i
n com p
a ri
s o n tom
ult
i p l
ep
oi
nt sam p l
e rs s et up
al
ong
th
ep
ath
" '' *.
I
n th
esestu
d ie
s,q
u ali
tati
v e a nd q
u a nti
tati
ve re sult
s varie
d b
oth by
th
eOP
-
F T I R
sy
stem
u s ed
a nd
b y
th
e c o ntam i
n a ntm
e a sur ed
A fi
el d
stud y
condu
cted b y C
arter et al
^ ^i
n vesti g
ated
th
er e
l
ati
o nsh i p b
etw
e e nO P
-F T I R m
e a s urem
e nts and p
oin
t s am p l i
ng
c ani
ste r s and
c o n clu
d
ed
t
h
at th
eO P
-F T I R d
ata
d i
sp l
ay
ed
al
ow
e rp
r e ci
sio n th
a n th
at ob
tam
ed b y
th
e c a ni
stersb
utw
a s c om
pa r ab le
to c a niste r s in a c c u r a cyf
o r all
th
r e eO
P-F TI R
syste
m
s te sted
^ ^M
od
el E
v alu
ati
onSt
ud ie s
A d
e v elo
p
m
ental
eval
u ati
on of A E R
M
O D
A vit
h
com p
a ri
so nstoI SC 2
w
as c ond
u cted
u sing
p
oin
t s am p l
ed
ata sets c oll
e cted fr
om
tw
oSF
etr a c e r stud i
es(
19 8 4
, 19
8 8)
a nd
on eS O
2stu
d
y(
1 9 5 8
)
T h
e study
r ele
as es(
b
oth p
as siv e a
nd b
u oy
an t)
w
er e c o nd
ucted fr
om
s u r
f
ace-l
e v el
a nd
ele v a
ted
s o ur ce s,fl
a t and
c om p l
ex te r r ai
n and i
n r u r al
a nd
u rb
an a r e as^ *
.
F or s u r
f
a c e rel
e a s e s,A E R
M
O D
e xhi b it
ed
a te nd
e n cy
t o u nd
e rp
r ed ic
t th
em
axi
m
um
con c e ntr at
i
o n s a sm
e a su r ed by p
oin
t sam p l i
ng by
af
a ctor of 1
.3
5i
n c onvecti
v e and 1 2 in
sta
b l
e cond it
i
o ns,w h il
eI SC 2
sh
ow
ed
a te nd
ency
to ov e rp
r ed i
ctb y
af
a ctor of
2i
nc on v e ct
iv e
a nd
af
a ctor of 1
.4 i
n stab le c
o nd i
tions.H
ow
ever,f
o r r u r al
ele
vated
r el
ea s es,b
o th m
od
el
s tend
ed
tow
ard
u nd
erp
red ic
tio
n atlo c
ations nea r e st to th
e s ou r c e,w i
th
A E R
M
O D
und
e rp
r edi
ctin
g b y
ap
proxim
atel
y1
.1
and I S C 2
und
e rp
r ed ic
tin
g b
y ne a rl y
af
actor of
th
re e.T h
eA P I
ev alu
ated
th
e " re aso n ab le
n es s" of
th
e vari
o u sdi
sp
er sion al g
ori
thm
s of
six sho rt-te r
m
r efi
n ed
di
spe rsionm
od
els
,in
clu
d i
ng I SC 2
, u si
ng m
ath
em
atic al
si
m
ula
tio n s
(
n ot trac e rstu
d ie s
)
a nd
c o n cl
ud
ed
th
at theI S C
2 a r eam
od
elsw
er eil l
-suit
ed f
orp
r ed i
ctin
g
conce ntrat
io n
s on or cl
o se to a s o u r c e'sb
o u nda r
ie s
or at oth
e r n e a r-fi
el d
r e c ep
tors(
l
es st
h
a n 5 0 0m
ete r s)
*. T
h
eA P
I th
e n e v alu
ated
th
e s am
em
od
elsu si
ng SF
e tr a c e rd
ata s ets(
c r e ated b
y
vari
o u s ch
em i
c al
a nd p
etr ole
um
c om p
ani
e sf
orp
u rp
o s e s oth
er tha nm
od
el
e v a
lu
atio
n)
^.
T h
eI SC
2 volu
m
e so u r c em
od
el
sw
eref
ou nd
top
erf
o rm
r ea s on ab l y w
el l
o na
q
u al i
tativ eb
a si
s, e x cep
t at th
e cl
o se st r e c ep
tor s^
.
H
ow
e v e r, t
h
eA
PI i d
e ntifi
ed
d
efi cie n cie s in the data s ets a v ailab le form
od
el e v alu atio n, in cludi
ng a la ck
of
c on c e ntr at
i
o nd
atai
n th
e v e ry
n e a rfi
el d
o rb
eyo nd
af
ew hu
nd
r ed m
ete rs,la c
k
of d
atac o v e r
i
ng
v a ri
ou sm
ete o rolo
g i
c al
cond it
i
ons, a nd l
a ck
of
s am p l
er coverag
e top
rovi d
e afu
l l
cr o s s
w i
nd p l
um
em
a ssd i
stri b
uti
on''
.
M
od
el A l g
o rit
h m
sT h
em
od
el
s e v al
u ated i
n th i
s stud y
a reb
a s ed
on th
eG
aussianp l
um
ed is
p
er sio nm
od
el
,w hi
ch p
red ic
tsa n o rm
al
co ntam i
n a ntd i
stri bu
ti
o nd
ow
nw i
nd
of
th
e s o u r ce r el
e as e.A
s sum p
ti
o ns of
th
eG
a u ssianm
od
el i
nclu
d
e th
ef
ol l
ow i
ng p
ar am
ete r s : a thr e e-di m
en sional
a xi
s sy
stem
of d
ow
nw i
nd
, c ro s sw in
d
and
v e rti
c al
c oo rd i
nate sw i
th
th
e ori g i
nat t
h
eg
r ound
; th
at the c on c entr ati
o nsa r efi
rom
a conti
nu ou sl y
em it
tin
g p l
um
e and
a r ep
r oporti
o n al
to th
e em i
s si
on r ate; a nd
th
e c o nce ntrati
o n s a r edi l
uted b y
th
ew i
nd
at th
ep
oin t
of
th
e em i
ssio n at a r atei
n v e rs el y p
r op
o rtio n a
l
to th
ew i
nd
sp
e ed
.T h
em
od
el
a s s u
m
e s th
at th
e tim
e- a v e r ag
ed p
ol l
u ta nt c o n c entrati
o n s c r o s sw i
nd
a nd
v e rti
c al l
y n e a r th
esour ce are
w
ell d
e s c ri b
ed by G
a ussi
an or norm
al
(
b
el l
-shap
ed
)
d
i
strib
uti
o n s and
th
at th
esta n
d
a rd d
e vi
ati
on s of
th
ep l
um
e c once ntr ati
onin
th
e s e tw
od i
re cti
ons(
ayin
th
ecr o s s
w i
nd
, Ozin
th
e ve rtic a
l
)
ar e em p i
ri
cal l y
rela
ted
to thel
e vel
s of
tu rb
ul
e n c ei
n th
eat
m
osp h
e r e and in
c r e a s ew i
th d i
sta n cefi
"o
m
th
e s ou r c e.I
nit
s si m p l
estf
orm
, th
eG
au s si
a nm
od
el
a ss um
es th
at th
ep
ol l
uta ntd
o esnot u nd
e rg
oc
h
em i
c al
r e a ctio
n s or oth
er r em
ov al p
r o ces s e si
n tr avel i
ng
aw
ay fi
^o
m
th
e s ou rc e and
th
ati
s r efl
e cted b
ack tow
ard
th
e p lum
e c e nte rl in e^ ^. Th
eb
a sicG
a u s si
a n pl
um
em
od
el
forSta
b l
e co nd i
ti
on si
sg i
v e nb
y th
e eq
u ati
on :C
(
x ,y
^
)
=Q (
l / j
i) {
g
i/
[(
2
n
)
«^a
y
] } {
g
2/
[(
2
n
)
" 'a
j }
E q
u at
i
on1
I
n th i
s eq
u ati
o n,C
(
x,y
,z)
i
s th
e co n ce n tr ati
o n at th
e r ec ep
torl
o c ated
at th
e co o rd i
n atesx,y, a n
d
z;Q
i
s th
e s o u r c e em i
s si
o n r atei
n gr am
sp
e r s e c o nd
; jj,
i
s th
em
e anw i
nd
s pe ed i
nm
ete r sp
e r s econd
; Oy and
Gz a r e th
e sta nd
a rd d
e vi
ati
o n s of
th
eh
o ri
z o ntal
a nd
v e rti
c al
d i
sp
e r si
o n ; a nd g
i a nd g
2 ar e exp
o n e nti
al f u
n cti
o nsw h i
ch
v a ry d
ep
end i
ng
onw h
eth
er th
em
ete orol
og i
cal
c ond i
ti
on s are stab l
e, c on v e cti
v e or ne utr al
.T h
eI SC
2 a nd I SC 3
m
od
el
sd iff
e rfr
om
o n e a n oth
e ri
n th
ei
r a r ea s o u r c e al g
o ri
th m
s, n oti
nt
h
ei
r v ol
um
e so ur c e alg
o ri
thm
s.T h
e r ef
or e, t
h
eI S C
2 a nd
ISC
3 v ol
um
e s o u r c em
od
el
o ut
p
ut s a rei d
enti
c al
a nd
ar e r ef
e r red
to si m p l y
a s "I SC
v ol
um
e",w i
th
outi
nd i
cati
ng I SC
2o r
I S C 3
.T h
eI S C
v ol
um
e s ou r cem
od
el i
s " vi
rtu al p
oi
nt s o u r c e"m
od
el
.T h i
sm
e an s th
at ani m
ag i
nary
or vi
rtu al p
oi
nt so u rcei
sl
o c ated
at a ce rtai
ndi
sta nc e upw i
nd
of
th
e v ol
um
es ou rc e to a c co u nt
f
or th
ei
ni
ti
al
si
ze of
th
e v ol
um
e s ou r c ep l
um
e.T h
e eq
u ati
o n u s ed i
nt
h
eI SC
vol
um
e sou rc em
od
el i
s :C
(
x,y
)
=[
(
Q
K
V D
)
/
(
2
H
u^C
T
yTC^j
l
e xp
[
1
/
2
(
f
/
cj/
)]
E q
u at
i
on2
I
n th i
s eq
uati
o n,C
(
x,y)
rep
r e se nts th
e r e c ep
torl
oc ati
o n coo rd i
n ate s(
th
e re c ep
tori
sl i m i
ted
tog
r o u nd l
ev el
,w i
th
z=
0
)
; z r epr e s e nts t
h
e pl
um
edi
spe r si
o nh
eig h
t ;K i
s a s c al i
ng
c oe
f fi
ci
e nt u s ed
to c o n v e rt th
e c al
c ul
ated
c o n c e ntr ati
o n to th
ed
esi
r ed
uni
ts(
ad
ef
aul
t of
1
x1 0
*f
orQ
i
ng /
s a nd
con e,i
n wg/m
^
)
;V i
s a v e rti
c al
term w h i
ch i
n cl
ud
es th
e efi f
e cts of
s ou rc e e
l
evati
on,p l
um
eri
se,l i m i
ted
v e rti
cal m i
xi
ng
, and g
ravi
tati
onal
set tl i
ng
and d
ry
d
ep
o si
ti
o n of p
a rti
cl
e s; a nd D i
s ad
e c ay term w hi
ch
a c c o u ntsf
o rp
ol l
uta nt rem
oval b
yp hy
si
c al
or ch
em i
c al p
ro c e s ses(
f
u ncti
on of d
ow
nw i
nd
di
stanc e, x)
.T h
e Oyan
d
Oz val
ue sa r e c a
l
c ul
ated
u si
ng th
ef
oll
ow i
ng PG
T stab i
l ity c u r v e equ atio n s : Oy = 4 6 5. 1 1 6 2 8(
x)
ta n(
T H
)
w h
e r e(
TH
)
=0
.0 1
7 4 53 2
9 3[
c*
d h
i
(
x)]
;(
w h
e r e c and d
a r e c on stantsw h i
ch d
ep
end
o n P
G
T stab i l i
ty cl
a s s)
; a nd
©z = ax*"
;
w h
e re a a nd b
a r e c onstan tsw h i
ch d
ep
end
onP G T
sta
b i li
ty
cl
a s s.T h
em
ea nw i
nd
sp
e ed
at r el
e aseh
eig h
t, u, ,
i
sd
eterm i
ned
th
ro ug h
th
eequ at
i
o n : u, = U re f[
I
v'
z re f
]
'' ;(
w h
e r ep i
sd
ep
e nd
e nt o n PG
T stab i l i
ty
and w i
nd
sp
e ed
cl
a ss,Ur ef =
w i
nd
sp
e ed
at th
e r ef
e ren c eh
ei g h
t,h
* = eff
e cti
v e sta ck h
ei g h
t, Zr ef =h
ei g h
t of
th
ew i
nd
sp
e ed m
eas u r em
e nt)
.T h
e ISC
2 sh
o rt te rm
ar e a s our c em
od
el i
sb
a sed
on th
e eq
uati
onf
o r afi
ni
te crossw i
nd l i
n es o u rce,
i
nw hi
ch
th
eg
r o u nd l
e v el
c o n centr ati
o n(
C
)
atd
ow
nw i
nd d i
sta n c e x a nd
c r o s s
w i
nd d i
sta n cey i
sg i
venb
y :C
(
x,y
)
=[
(
Q
aV
K
E
x o)
/
(
4
V2
u ,C
T
z)
]
E q
u at
i
on3
In t
hi
s eq
u ati
o n, th
eQ
of E q
u ati
on1 i
s r ep l
a ced b
yQ
a, th
e ar e a sou rce em i
s si
o n ratei
ng /
s/m
"^.
E i
s an er rorf
i i ncti
on te rm g i
ve nb
y th
e eq
u ati
o n:E
= erf
{ [
r o '+
y
]
/
[
V
2
ay]
}
+ er
f
{ [
ro'
-y
]
/
[
V
2
a y]
}
;(
w h
e r e r=o
'
= e
ff
ecti
ve r ad i
us of
ar ea s o ur c e = x o/
( V
2
n
)
m
; and
X o=
l
e nT h
eI S C
3 short term
a r e a s o urc em
od
el d if f
e r sfr
om
th
e ISC 2
are a sou rcem
od
el i
n th
ea
d d it
i
o n of
th
ed
e c ay te rm
a nd
th
ed
el
eti
o n of
th
e e r r o rf
u nc ti
o n te rm
.D
ow
nw i
nd
concentr at
io
n s ar ed
eterm i
ned
usi
ng
th
efo
ll
ow i
ng
eq
u ati
o nw it
h
v ari
ab l
e sd
efi
ned
a si
nE q
u ation3
^ *:
C
(
x,y
)
=Q
aK
\ 2
n
uJ
[
V D /
c fya
z] {J
e xp
[
1/ 2
(
y
2/
c Ty2)]
d
y
}
d
xE
q
u at
i
on4
A E R
M
O D h
a sd i
ff
er ent al g
ori
th m
sb
a s ed
on thed
om i
n a ntm
ete or olo
g
y ch
aracteri
stic
s of
t
h
e a r ea ov e rw hi
ch
th
ep
r ed ic
ti
o n s a re tob
em
ad
e; th
e r ei
s o n e al g
ori
th m f
o rp
oin
t, ar eaan
d
v ol
um
e em i
s sio
n sou rcesin
stab l
e c o nd it
i
ons, and
anoth
e rf
or u sein
co nv e ctiv
eco n
d it
i
on sT h
ed
ow
nw i
nd
conc entr atio
n of
ap
ol l
utanti
n stab l
e co nd it
i
on si
sg i
v enb
y :C
(
x ,y
,z)
=[(
Q
/ U
)
P
z(
x ,z,H
p
)
«p
y(
x)]
E q
u at
i
on5
In th is e
q
u a ti
o n,Q
i
s the s o
u rce em i
ssion r ate,U
i
s th
em
e anw i
nd
sp
e ed
,p
y, and
p^ a r ep
rob
ab i l it
y d
en sit yf
u n cti
ons of p
arti
cle
p
o sit
i
oni
n th
ejv and
zdi
r ecti
o n s(
l
e ng th
)
'^g i
v e nb y
th
e eq
uati
ons :p
z =[
l /
V
l I I
Oz)]
S
{
exp
[
-(
z -H
p + 2nh
»)
^/
2az ^]
+exp
[
-(
z+H
p
+
2
nh
,)V
2a2 ^]
}
and p
y=[
1/
^
211
ay)]
e xp
[
-y
^
/
2ay%
ay and
a z e , u sed i
n th
ep
r e vi
o use
q
u ati
ons, a reg i
v enb y
: ay=
p l
um
eh
ori
zo ntal
sp
re ad
=(
a e)
x(
c!q= sta nd
a rd
d
evi
ati
o n of
w i
nd
d
i
recti
o nf lu c
tuation s -m
e a su r ed
at th
e sit
e)
a nd
a^=
[(
a* x/
u)
/
(
l
+t/ 2 T
i w)
^ ^]
w h
ereT l w
= th
eL
ag
r ang i
an tim
e scal
ef
or v erti
cal
v el
oci
t yfl
u ctu ati
o n s' .I
n c on v e cti
v e c ondi
ti
o n s, th
ed
ow
nw i
nd
con centratio n
is
d
ete rm i
ned b y
th
e eq
u ati
o n :C
(
x,
y
,z)
=[(
Q
/ U
)
p
y(
y ;
x)
•P
2(
z;
x)]
E q
u at
i
o n6
w
ith the prim
a r y d i fl fere n c eb
eing thed
eri
v ation of
the p^ a nd
p^ pa r am
ete r s : pz =[
iH
lU
az
) ]
e xp
[
-zV
2
CT z^
]
and p
y=[
i
N
l
U
Oy) ]
exp
[
-f
/ 2
ay ^