Prognoza jakości powietrza

Zanieczyszczenia atmosferyczne i ich modelowanie

Stężenia zanieczyszczeń w atmosferze są kontrolowane przez cztery procesy. Pierwszym z nich jest emisja, czyli wprowadzanie zanieczyszczeń do powietrza ze źródeł antropogenicznych i naturalnych. Związki te w atmosferze ulegają przemianom chemicznym, m. in. pod wpływem promieniowania słonecznego, wody oraz innych składników powietrza. Zanieczyszczenia są także transportowane przez wiatr na różne odległości od źródła, a następnie deponowane na powierzchni Ziemi na skutek opadu grawitacyjnego i absorpcję na powierzchni lub wymywania przez opady atmosferyczne. Aby móc prawidłowo prognozować stężenia zanieczyszczeń w powietrzu, każdy z tych procesów powinien zostać uwzględniony w modelu chemicznym. Aby to osiągnąć, konieczna jest informacja o emisji do atmosfery zarówno zanieczyszczeń antropogenicznych, jak i ze źródeł naturalnych, a także o warunkach meteorologicznych w danym czasie. Te informacje stanowią informację wejściową dla modeli chemii atmosfery.

Wyróżniamy dwa typy modeli chemicznych: Eulera oraz Lagrange’a. W modelu typu Langrange’a obserwujemy porcję powietrza o stałej masie, która porusza się w modelowanym obszarze, zwanym domeną, po pewnej trajektorii. Wynik modelowania stanowi sumę trajektorii wszystkich porcji. W podejściu eulerowskim skupiamy się na pewnej niewielkiej części przestrzeni, przez którą swobodnie przepływa powietrze, a wszystkie fragmenty tej przestrzeni są modelowane jednocześnie. Obecnie w modelowaniu w skali regionalnej i prognozowaniu stężeń zanieczyszczeń najczęściej stosowane są modele eulerowskie. W prognozowaniu jakości powietrza w skali regionalnej najczęściej stosowane są modele eulerowskie, m. in. model WRF-Chem stosowany w projekcie LIFE-APIS/PL. Wykorzystuje on informacje o stanie atmosfery (warunki meteorologiczne oraz emisja zanieczyszczeń) w chwili początkowej i na tej podstawie oblicza, jak przemieszczają się zanieczyszczenia oraz jakim reakcjom chemicznym ulegają w atmosferze.

Model WRF-Chem

Nasze prognozy są przygotowywane za pomocą modelu Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem). Jest to eulerowski (patrz poprzednia sekcja) model meteorologiczny zintegrowany z modelem dyspersji zanieczyszczeń, opracowywany przez NOAA/ESRL (National Oceanic and Atmospheric Administration – Earth System Research Laboratory) przy współpracy z wieloma instytucjami naukowymi z całego świata.

Jedną z zalet modelu WRF-Chem są duże możliwości konfiguracyjne, które pozwalają na dostosowanie go do potrzeb użytkownika. Na całym świecie symulacje przy pomocy modelu WRF i WRF-Chem są wykonywane dla różnych skal czasowych i przestrzennych, a także do wielu zastosowań – zarówno do analizy przeszłych epizodów, jak i do krótkoterminowych prognoz pogody i jakości powietrza oraz badań długookresowych.

Model WRF-Chem jest zintegrowany on-line, czyli parametry meteorologiczne są modelowane jednocześnie z dyspersją zanieczyszczeń. Oznacza to, że w naszych symulacjach możemy uwzględnić wpływ, jaki zanieczyszczenia wywierają na pogodę, np. pyły mogą wpływać na tworzenie się chmur i rozpraszanie promieniowania słonecznego. Takie podejście często poprawia wyniki prognoz pogody oraz stężeń zanieczyszczeń.

Dane wejściowe

Aby uruchomić model WRF-Chem, potrzebna jest informacja o stanie atmosfery w początkowym momencie działania modelu – wewnątrz domeny, czyli tzw. warunków inicjalnych, oraz na jej granicach, czyli warunków brzegowych. Na tej podstawie model przewiduje dalszą ewolucję systemu. Informację meteorologiczną uzyskujemy z globalnej prognozy meteorologicznej GFS (Global Forecasting Model).

Poza warunkami meteorologicznymi wymagana jest także informacja o emisji i stężeniach zanieczyszczeń. Dane dotyczące emisji antropogenicznej zostały opisane w poprzednich sekcjach – na potrzeby modelowania są one przygotowywane w odpowiednim formacie, z uwzględnieniem zmienności czasowej oraz różnej wysokości emiterów. Chemiczne warunki brzegowe dla zewnętrznej domeny są przygotowywane za pomocą globalnego modelu transportu zanieczyszczeń MOZART, a dla domeny wewnętrznej są dziedziczone z domeny zewnętrznej.

Oprac. K.Wałaszek