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-MAPPINGAIR/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.
Model EMEP
Model EMEP, a właściwie EMEP MSC-W od wielu lat jest stosowany do oceny jakości powietrza atmosferycznego w skali Europy w ramach Konwencji w sprawie transgranicznego zanieczyszczania powietrza na dalekie odległości (organizacja EMEP, https://www.emep.int/). Jest to chemiczny model transportu zanieczyszczeń dostarczający informacji o stężeniach zanieczyszczeń (np. pyłu zawieszonego, ozonu, tlenków azotu) w powietrzu atmosferycznym. Model doczekał się aplikacji krajowych, m.in. dla Wlk. Brytanii (EMEP4UK), Polski (EMEP4PL) oraz Holandii (EMEP4NL). Modele te są uruchamiane w wyższej rozdzielczości przestrzennej oraz zasilane krajowymi danymi o emisjach zanieczyszczeń.
W przeciwieństwie do modelu WRF-Chem, model EMEP jest zintegrowany w sposób „offline” z modelem meteorologicznym. W związku z tym najpierw uruchamiane są obliczenia z modelem meteorologicznym, które w kolejnym kroku są dostarczane jako informacja wejściowa do modelu chemicznego. Obecnie model jest intensywnie rozwijany w kierunku zastosowania w skali lokalnej (uEMEP).
Prognozy kombinowane
Modele wiązkowe („ensemble”) inaczej nazywane prognozami kombinowanymi, to metoda, w której wyniki modelowania, uzyskane za pomocą wybranej grupy modeli są przetworzone statystycznie (np. uśrednione) w celu bardziej efektywnego odwzorowania zmienności modelowanego parametru (np. stężenia zanieczyszczeń) obserwowanej w danych pomiarowych. Podejście to jest stosowane od lat w meteorologii i klimatologii, a w ostatnich latach również w badaniach jakości powietrza.
Podejście kombinowane pozwala zwykle na uzyskanie lepszej jakości prognoz i zmniejszenie niepewności wynikającej z danych wejściowych czy opisu procesów chemicznych i fizycznych w modelach.
Dane wejściowe
Aby uruchomić model WRF-Chem oraz model EMEP, 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, aktualizacja M. Werner
