Jolanta Godłowska, Wiesław Kaszowski, Monika Hajto, Wojciech Rozwoda

Transkrypt

1 WIADOMOŚCI METEOROLOGII HYDROLOGII GOSPODARKI WODNEJ Tom V (LV) 211 zeszyt 4 ISSN s Jolanta Godłowska, Wiesław Kaszowski, Monika Hajto, Wojciech Rozwoda WPŁYW PARAMETRYZACJI WARSTWY GRANICZNEJ ATMOSFERY I ASYMILACJI DANYCH OBSERWACYJNYCH NA WYNIKI ZESPOŁU MODELI ALADIN/MM5/CALMET/CALPUFF Streszczenie. W pracy zaprezentowano wyniki testowania systemu modeli ALADIN/MM5/ CALMET/CALPUFF. Zbadano wpływ asymilacji danych meteorologicznych ze stacji synoptycznych na prognozę parametrów meteorologicznych oraz prognozę wielkości imisji zanieczyszczeń powietrza. Przetestowano wpływ parametryzacji warstwy granicznej atmosfery (PBL), zastosowanych w modelu MM5 (Blackadar PBL i MRF PBL) oraz w preprocesorze CALMET (Maul- Carson PBL i Batchvarova-Gryning PBL), na wyniki zespołu modeli. Zbadano reakcję zespołu modeli na zmiany wprowadzone w pliku danych o użytkowaniu terenu w modelu CALMET. Przetestowano także wpływ asymilacji meteorologicznych danych obserwacyjnych w modelach MM5 i CALMET na wyniki meteorologicznej i dyspersyjnej części zespołu modeli. Przedstawiono wyniki obliczeń modelowych z okresu dla aglomeracji śląskiej oraz z okresu dla Krakowa. Porównano obliczoną wielkość imisji z danymi pomiarowymi ze stacji monitoringu jakości powietrza. Wstęp Właściwe odtworzenie pól meteorologicznych ich zmienności przestrzennej i czasowej jest niezmiernie istotne w trafnym prognozowaniu jakości powietrza. Rozwój systemów prognoz jakości powietrza, a w szczególności wykorzystanie w tym celu prognoz meteorologicznych z operacyjnie obliczanych NWP (Numerical Weather Prediction), był głównym celem Akcji COST-728: Enhancing mesoscale meteorological modelling capabilities for air pollution and dispersion applications [Joint, 28]. Podążając za ideą Akcji, w Zakładzie Monitoringu i Modelowania Zanieczyszczeń Powietrza IMGW w ramach projektu Rozwój systemów prognozowania jakości powietrza w oparciu o numeryczną prognozę pogody z modelu ALADIN, przy wykorzystaniu modelu mezoskalowego MM5 uruchomiono zestaw modeli ALADIN/MM5/CALMET/CALPUFF [Godłowska, Kaszowski, 211]. W jego skład wchodzą 3 modele meteorologiczne: obliczany operacyjnie w IMGW model ALADIN, dostarczający dane początkowe i brzegowe do niehydrostatycznego meteorologicznego modelu mezoskalowego 19

2 MM5 oraz preprocesor meteorologiczny CALMET. Model MM5 ma możliwość obliczania prognozy w dużej rozdzielczości, nawet poniżej 1 km. Pozwala także na zastosowanie różnych parametryzacji głębokości mieszania czy procesów chmurowych. Preprocesor meteorologiczny CALMET służy do przygotowania podkładu meteorologicznego dla modelu dyspersji zanieczyszczeń powietrza CALPUFF. System modeli docelowo jest przeznaczony do operacyjnego prognozowania stężeń zanieczyszczeń, oceny wpływu na środowisko projektowanych lub istniejących emitorów, wspomagania planowania przestrzennego i wsparcia w sytuacjach wystąpienia nadzwyczajnych awarii. Usprawniając proces zarządzania środowiskiem, system ułatwi wypełnienie zobowiązań prawnych z zakresu ochrony powietrza [Dyrektywa, 28]. W niniejszej pracy zaprezentowano odpowiedź zestawu modeli na wprowadzenie modyfikacji ustawień w jego częściach składowych. Wieloelementowość systemu praktycznie uniemożliwia wyczerpujące przetestowanie wszystkich dostępnych modyfikacji, zarówno na etapie modelowania meteorologicznego (MM5, CALMET), jak też modelowania dyspersji zanieczyszczeń (CALPUFF). Z konieczności ograniczono się do zbadania wpływu potencjalnie najistotniejszych modyfikacji, wprowadzanych głównie w modelach meteorologicznych. Skoncentrowano się na przetestowaniu wpływu: asymilacji meteorologicznych danych obserwacyjnych ze stacji synoptycznych zlokalizowanych w obrębie domen obliczeniowych modeli MM5 i CALMET; parametryzacji warstwy granicznej atmosfery (PBL) zastosowanych w modelach MM5 i CALMET. W przypadku modelu MM5 porównywano wyniki modelu dla parametryzacji MRF PBL [Hong, Pan, 1996] i Blackadar PBL [Blackadar, 1979; Zhang, Anthes, 1982], a w przypadku preprocesora CALMET parametryzacje Maul-Carson PBL [Scire i in., 2a] i Batchvarova-Gryning PBL [Batchvarova, Gryning, 1991]; modyfikacji parametru szorstkości, stosunku Bowena i strumienia ciepła antropogenicznego dla miast w pliku danych o użytkowaniu terenu modelu CALMET. Cel i metodyka testowania zespołu modeli Celem pracy było określenie reakcji modeli na zmiany parametrów poszczególnych modułów systemu i porównanie wyników obliczeń z danymi pomiarowymi otrzymanymi na stacjach monitoringu powietrza WIOŚ na Śląsku i w Krakowie. Do porównań wybrano okres sierpnia 29 dla Śląska i stycznia 21 dla Krakowa. Wybór takich przedziałów czasowych był podyktowany tym, że w tych terminach na stacjach monitoringu WIOŚ zaobserwowano wystąpienie przekroczeń norm określających dopuszczalny poziom stężeń zanieczyszczeń (głównie pyłu zawieszonego PM 1 ). Testy przeprowadzono dla ciągów 27-godzinnych, kolejno w poszczególnych dniach, obejmując 2

3 zarówno okres poprzedzający wystąpienie epizodu z wysokimi stężeniami, okres samego epizodu, jak i okres bezpośrednio po nim. Model MM5 zasilano danymi z modelu ALADIN. Wykorzystano także dane obserwacyjne ze stacji synoptycznych. Następnie, uzupełniając dane wyjściowe z meteorologicznej części zespołu modeli danymi emisyjnymi, prowadzono obliczenia za pomocą modelu CALPUFF. Wpływ ustawień zespołu modeli zbadano przez porównanie ciągów czasowych wybranych lokalizacji oraz określenie zmienności obszarowej w obrębie domeny obliczeniowej wybranych parametrów, analizując pola różnic. Do testowania wpływu ustawień modeli wybrano domenę 1 km x 1 km. Ukształtowanie i użytkowanie terenu pochodzące z modelu CALMET dla tej domeny przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Testowa domena modelu CALMET (układ współrzędnych UTM, strefa 34) ukształtowanie (na lewo) i użytkowanie terenu (na prawo); domena obejmuje obszar o współrzędnych geograficznych E, N Testy meteorologicznej części zespołu modeli Wpływ asymilacji danych obserwacyjnych ze stacji synoptycznych Testy meteorologicznej części zespołu modeli przeprowadzono dla danych z okresu sierpnia 29. Obliczenia wykonano dla 3 domen modelu MM5 o rozdzielczościach: 13,5 km (d1), 4,5 km (d2) i 1,5 km (d3). Do modelowania jawnych procesów opadowych we wszystkich domenach zastosowano parametryzację Dudhia simple ice. Do modelowania niejawnych procesów tworzenia chmur Cumulus użyto w domenach d1 i d2 uproszczonego schematu rozwiniętej konwekcji Grella, a w domenie d3 nie modelowano tego zjawiska. Testowanie wpływu asymilacji danych obserwacyjnych w preprocesorze CALMET przeprowadzono porównując 2 zestawy wyników z tego preprocesora. W pierwszej opcji (bo bez obserwacji) CALMET zasilano wyłącznie danymi z zespołu ALADIN/MM5. Następnie wprowadzano je jako first guest field, modyfikując pole wiatru przez uwzględnienie przepływów w nachylonym terenie i kinema- 21

4 tycznych efektów terenu, wpływających na wartość pionowej składowej prędkości wiatru. W drugiej opcji (o z obserwacjami) dodatkowo wprowadzono dane z synoptycznych stacji obserwacyjnych zlokalizowanych w obrębie domeny obliczeniowej (tab. 1). Wyniki porównań zaprezentowano na rys. 2. [ o ] 36 Kierunek wiatru dir_calmet-bo_d1 dir_calmet-o_d1 dir_calmet-bo_d2 dir_calmet-o_d2 dir_calmet-bo_d3 dir_calmet-o_d3 dir_56synop dzień [m/s] 1 Prędkość wiatru v1_calmet-bo_d1 v1_calmet-o_d1 v1_calmet-bo_d2 v1_calmet-o_d2 v1_calmet-bo_d3 v1_calmet-o_d3 v1_56synop dzień Temperatura powietrza [ o C] T2_CALMET-bo_d1 T2_CALMET-o_d1 T2_CALMET-bo_d2 T2_CALMET-o_d2 T2_CALMET-bo_d3 T2_CALMET-o_d3 T2_56synop dzień Rys. 2. Porównanie przebiegów dobowych wartości kierunku wiatru (dir), prędkości wiatru (v1) i temperatury powietrza (T2) obliczonych za pomocą zespołu modeli ALA- DIN/MM5/CALMET i wartości obserwowanych na stacji synoptycznej Katowice (56synop); dane wynikowe z preprocesora CALMET pracującego w dwóch opcjach: zasilania wyłącznie danymi modelowymi (bo) oraz zasilania danymi modelowymi i obserwacjami ze stacji synoptycznych (o); dane wejściowe do CALMET z 3 domen (d1, d2 i d3) modelu MM5 22

5 T a b e l a 1 Wykaz stacji synoptycznych, z których dane obserwacyjne wykorzystano w preprocesorze CALMET Stacja synoptyczna Współrzędna UTM strefa 34 easting [km] Współrzędna UTM strefa 34 northing [km] Katowice 359, ,52 Kraków 414, ,68 Bielsko-Biała 356,7 5518,41 Istnieją niewielkie różnice między przebiegami czasowymi z modelu CALMET, zasilanego danymi MM5 z domeny d1, d2, d3. Obserwuje się natomiast wyraźną różnicę między wersjami bez obserwacji synoptycznych i z wprowadzonymi obserwacjami. Model CALMET przybliża prognozę do rzeczywistych obserwacji. Wpływ punktowych obserwacji na zmienność przypowierzchniowych pól prędkości i kierunku wiatru pokazano na rys. 3, przedstawiając różnice tych pól, uzyskanych z zestawów ALADIN/MM5/CALMET w przypadku zasilania preprocesora CALMET wyłącznie danymi z ALA- DIN/MM5 (bo) oraz zasilania danymi z ALADIN/MM5 uzupełnionymi obserwacjami ze stacji synoptycznych (o). Uwzględnienie punktowych obserwacji wpływa nie tylko na zmianę prędkości i kierunku wiatru wokół punktów z obserwacjami, ale wywołuje zmiany w obrębie całej domeny. Po wprowadzeniu obserwacji zmniejsza się prędkość wiatru wokół punktów obserwacji synoptycznych, a zwiększa głównie w rejonach górskich. Obserwowana jest również zmienność dobowa tego efektu, zwłaszcza w okolicy Krakowa. Wprowadzenie obserwacji do modelu CALMET skutkowało o 12 UTC modyfikacją prędkości wiatru o różnym charakterze na stosunkowo dużym obszarze wokół miasta. Rozkład kierunku wiatru w domenie CALMET w obu opcjach (bez i z obserwacjami) różni się znacząco tylko około południa. W nocy i nad ranem modyfikacje kierunku wiatru mają znacznie mniejszy zasięg terytorialny niż o 12 UTC, kiedy zaobserwowano istotną różnicę kierunku wiatru w Tatrach. W tym miejscu warto zaznaczyć, że w preprocesorze CALMET, w przypadku danych dotyczących wiatru, można sterować procesem asymilacji danych. Sterowanie to polega na zmianie ustawień modelu związanych ze sposobem i metodą ekstrapolacji danych obserwacyjnych. Nie jest to możliwe w przypadku temperatury powietrza. Decyzja o asymilacji danych obserwacyjnych wymaga w tym przypadku rezygnacji z pól uzyskiwanych z modelu MM5. Przypowierzchniowe pole temperatury jest w tym wypadku uzyskiwane wyłącznie przez interpolację obserwacji powierzchniowych, o stosunkowo małej rzeczywistej reprezentatywności przestrzennej, bez uwzględniania orografii. Takie działanie preprocesora meteorologicznego wynika z mniejszej wagi temperatury powietrza w procesach dyspersji zanieczyszczeń. 23

6 Rys. 3. Różnica pól (bo-o) kierunku (na lewo) i prędkości (na prawo) wiatru pochodzących z modelu CALMET zasilanego wyłącznie danymi prognostycznymi z ALADIN/MM5 (bo) oraz zasilanego danymi prognostycznymi z ALADIN/MM5 i obserwacyjnymi ze stacji synoptycznych (o) dla godz. 6 UTC (u góry) i 12 UTC (u dołu) ; domena obliczeniowa CALMET jak na rys. 1 Na rysunku 4 przedstawiono wpływ na głębokość mieszania uwzględnienia w preprocesorze CALMET obserwacyjnych danych ze stacji synoptycznych. W nocy (1 UTC) wprowadzenie obserwacji wpłynęło na obniżenie głębokości mieszania w okolicy Bielska-Białej i na obszarze aglomeracji śląskiej, natomiast podwyższyło ją w górach. Różnice wahają się od -57 do 67 m. W dzień (12 UTC) obserwuje się bardziej ograniczone terytorialnie, choć większe co do wartości, obniżenie głębokości mieszania (różnica do 7 m). Podwyższenie głębokości mieszania ma większy zasięg terytorialny w dzień (różnica do -29 m) niż w nocy. 24

7 Rys. 4. Różnice głębokości mieszania (bo-o) dla preprocesora CALMET zasilanego wyłącznie danymi z ALADIN/MM5 (bo) oraz zasilanego danymi z ALADIN/MM5 uzupełnionymi obserwacjami (o) z dnia , godz. 1 UTC (na lewo) i 12 UTC (na prawo); domena obliczeniowa CALMET jak na rys. 1. Wpływ parametryzacji warstwy granicznej atmosfery W ramach testów wpływu parametryzacji warstwy granicznej atmosfery (PBL) zastosowanej w modelu MM5 na wyniki obliczeń porównano ciągi czasowe prędkości (v1) i kierunku wiatru (dir) oraz temperatury (T2) i wilgotności względnej (H) powietrza. Testy wykonano dla 2 parametryzacji: MRF PBL i Blackadar PBL. Porównano wyniki uzyskane dla modelu MM5 zasilanego wyłącznie danymi z modelu ALADIN (bo) i zasilanego danymi z modelu ALA- DIN oraz obserwacjami ze stacji synoptycznych (o). Wyniki porównań prędkości wiatru, temperatury i wilgotności względnej powietrza zaprezentowano na rys. 5. Wydaje się, że w przypadku prędkości wiatru najlepsze wyniki otrzymuje się używając parametryzacji MRF PBL (opcja z asymilacją danych obserwacyjnych). W pozostałych parametrach meteorologicznych obserwowane różnice są niewielkie. Problemem jest narastanie w czasie błędu prognozy temperatury powietrza (zwłaszcza w nocy), niezależnie od stosowanych parametryzacji PBL i zasilania MM5 obserwacjami. Znacznie gorzej został odtworzony (też niezależnie od stosowanych opcji) przebieg dobowy wilgotności względnej powietrza w Krakowie Balicach, w porównaniu z Katowicami. Być może ten efekt jest spowodowany zbyt dużym krokiem siatki obliczeniowej, przez co są niewidoczne rzeki Wisła i Rudawa (krok siatki nie powinien przekraczać 2 m, aby Wisła w okolicach Krakowa była widoczna). Użycie schematu płytkiej konwekcji ma znikomy wpływ na uzyskane rezultaty. 25

8 1 [m/s] v1 Katowice [m/s] v1 Kraków synop synop UTC UTC 25 [ o C] T2 Katowice [ o C] T2 Kraków synop synop UTC UTC [%] H Katowice [%] H Kraków synop synop UTC UTC Rys. 5. Porównanie przebiegów czasowych wartości prędkości wiatru (v1), temperatury (T2) i wilgotności względnej (H) powietrza w różnych parametryzacjach PBL zastosowanych w modelu MM5; wyniki w punkcie siatki obliczeniowej najbliższym stacji synoptycznej Katowice (na lewo) oraz Kraków-Balice (na prawo). Objaśnienia: MRF parametryzacja głębokości mieszania MRF PBL; B parametryzacja głębokości mieszania Blackadar PBL; bo model MM5 zasilany wyłącznie danymi z modelu ALADIN; o model MM5 zasilany danymi z modelu ALADIN uzupełnionymi obserwacjami ze stacji synoptycznych; is użycie schematu płytkiej konwekcji 26

9 Na rysunku 6 porównano stosunek zmieszania (q), strumień ciepła jawnego (hfx), strumień ciepła utajonego (qfx), promieniowanie długofalowe padające (glw) oraz promieniowanie krótkofalowe padające (gsw) dla różnych parametryzacji PBL zastosowanych w modelu MM5. Dla tych parametrów brak było możliwości wykonania porównań z obserwacjami. Największe różnice zaobserwowano w przypadku strumieni ciepła jawnego i utajonego oraz promieniowania krótkofalowego w dniach w Katowicach. Parametryzacja MRF PBL bez uwzględnienia obserwacji w modelu MM5 dawała wtedy znacząco mniejsze wartości strumienia ciepła utajonego niż pozostałe parametryzacje. Dnia zaniżała wartości promieniowania krótkofalowego w stosunku do innych, a zawyżała je. [kg/kg] q Katowice [kg/kg] q Kraków UTC UTC [W/m 2 ] hfx Katowice [W/m 2 ] hfx Kraków UTC UTC [W/m 2 ] qfx Katowice [W/m 2 ] qfx Kraków UTC UTC [W/m 2 ] glw Katowice [W/m 2 ] glw Kraków UTC UTC [W/m 2 ] gsw Katowice [W/m 2 ] gsw Kraków UTC Rys Porównanie przebiegów czasowych wartości stosunku zmieszania (q), strumienia ciepła jawnego (hfx), strumienia ciepła utajonego (qfx), promieniowania długofalowego padającego (glw) oraz promieniowania krótkofalowego padającego (gsw) dla różnych parametryzacji PBL zastosowanych w modelu MM5. Objaśnienia jak na rys UTC

10 W modelu CALMET obecnie są dostępne 2 parametryzacje głębokości mieszania: Maul-Carson PBL (MC) i Bathvarova-Gryning PBL (BG). Porównanie zmienności głębokości warstwy mieszania wewnątrz domeny CALMET w obu tych parametryzacjach wykazało wyraźne podobieństwo jakościowe uzyskanych rezultatów dla tej samej godziny. W godzinach nocnych wyższe głębokości mieszania występują w obszarach górskich oraz miejskich. Największe różnice między wartościami głębokości mieszania w obszarach miejskich i pozamiejskich stwierdza się w godzinach wieczornych. Około południa decydujące wydają się cechy morfologiczne terenu. Szczegółową analizę różnic można ocenić na podstawie obszarowej zmienności tych różnic. Na rysunku 7 zaprezentowano rozkłady różnic głębokości mieszania BG-MC w przypadku dostarczania do modelu CALMET wyłącznie danych prognostycznych. Dla godziny 1 UTC uzyskuje się zerowe pole różnic, gdyż obie wymienione parametryzacje są stosowane tylko dla dnia. W nocy CALMET oblicza głębokość mieszania, wynikającą z mechanicznej turbulencji, jako minimum z dwóch oszacowań: Venkatrama i Zilitinkevicha [Scire i in., 2]. W tym przypadku nie ma możliwości wyboru parametryzacji PBL, a głębokość warstwy mieszania można modyfikować tylko pośrednio przez sterowanie obliczeniami prędkości tarciowej u* i długości Monina-Obuchowa L. Najrozleglejsze różnice między parametryzacjami Maul-Carson PBL i Bathvarova-Gryning PBL zaobserwowano o 12 UTC (różnice BG-MC wewnątrz domeny CALMET od -37,7 m do 42,5 m). Dużo mniejsze wartości różnic uzyskano o godzinie 6 UTC (-3,9 m do 125,8 m), a największe, choć ograniczone terytorialnie, o godz. 18 UTC ( m do 649,4 m). Różnice te stwierdzono głównie w obszarach miejskich. Niemal we wszystkich punktach siatki obliczeniowej rozpatrywanej domeny parametryzacja Bathvarova-Gryning PBL dała większe wartości głębokości mieszania niż parametryzacja Maul-Carson PBL. Rys. 7. Rozkład różnic głębokości mieszania (BG-MC) w obrębie domeny CALMET; domena obliczeniowa CALMET jak na rys. 1. Obliczenia z parametryzacji Batchvarova-Gryning PBL (BG) i Maul-Carson PBL (MC) dla preprocesora CALMET, zasilanego wyłącznie danymi z zespołu modeli ALADIN/MM5 z , kolejno od lewej 6 UTC, 12 UTC i 18 UTC 28

11 Wpływ modyfikacji wprowadzonych w pliku danych o użytkowaniu terenu modelu CALMET W ramach dostosowywania zespołu modeli do wyników uzyskanych w ramach Akcji COST-715 [Piringer, Joffre, 25] dokonano zmian w plikach sterujących segmentu modelu CALMET, przygotowującego podkład geofizyczny do obliczeń. Kategorii 1 (obszary miejskie) przyporządkowano następujące wartości stosunku Bowena strumienia ciepła antropogenicznego i parametru szorstkości (z ): 4,4; 55 W/m 2 ; 2 m (odpowiednio). Są to wartości uzyskane z kampanii pomiarowych prowadzonych w ramach Akcji COST-715 w miastach europejskich (u). Było to ważne, gdyż oryginalne pliki sterujące (nu) przyporządkowywały tej kategorii zerową wartość ciepła antropogenicznego ( W/m 2 ) oraz 2-krotnie mniejszą wartość z (1 m) i 3-krotnie mniejszą wartość stosunku Bowena (,5). Wyniki przedstawiono na rys. 8. Głębokość mieszania Katowice [m] nu_bo nu_o u_bo u_o UTC Głębokość mieszania Kraków [m] nu_bo nu_o u_bo u_o Rys UTC Porównanie przebiegów dobowych głębokości mieszania dla różnych wartości stosunku Bowena, strumienia ciepła antropogenicznego i parametru szorstkości z w preprocesorze CALMET zasilanym wyłącznie danymi ALADIN/MM5 (bo) i dodatkowo danymi obserwacyjnymi (o). Oznaczenia: nu wartości parametrów: stosunek Bowena =,5; strumień ciepła antropogenicznego = W/m 2 ; z = 1 m; u wartości parametrów odpowiednio: 4,4; 55 W/m 2 ; 2 m. 29

12 Wprowadzone modyfikacje nie wpływają znacząco na zmianę przebiegu dobowego głębokości mieszania w miejscach lokalizacji stacji synoptycznych w Krakowie i Katowicach, jeśli do preprocesora CALMET są dostarczane dodatkowo dane obserwacyjne (o). W przypadku zasilania wyłącznie danymi z ALADIN/MM5 (bo) niewielkie różnice zaobserwowano w okresie okołopołudniowym w Katowicach , podwyższające nieznacznie głębokość mieszania w opcji z zestawem parametrów z Akcji COST-715. Żadnych widocznych zmian po wprowadzeniu innych wartości stosunku Bowena, strumienia ciepła antropogenicznego i z nie stwierdzono w przypadku prędkości i kierunku wiatru, długości Monina-Obuchowa, a także poziomej składowej prędkości tarciowej u*. Obserwuje się jedynie nieznaczne podniesienie okołopołudniowych wartości pionowej składowej prędkości tarciowej w*. Rys. 9. Różnice głębokości mieszania (nu-u) w domenie CALMET wywołane zmianą wartości parametrów (stosunek Bowena, strumień ciepła antropogenicznego, z ) w pliku użytkowania terenu; domena obliczeniowa CALMET jak na rys. 1. Zasilanie preprocesora CALMET: wyłącznie danymi z ALADIN/MM5 (u góry); danymi z ALADIN/MM5 oraz obserwacjami (na dole) z godz. 1 UTC (na lewo) i 12 UTC (na prawo). Oznaczenia jak na rys. 8. 3

13 Oprócz porównań punktowych wykonano także w wybranych terminach porównanie głębokości mieszania w całym obszarze domeny CALMET, dla obliczeń bez modyfikacji i z modyfikacjami stosunku Bowena, ciepła antropogenicznego i z dla miast (rys. 9). Obliczenia wykonano dla domeny d1 zestawu modeli ALADIN/MM5, z użyciem parametryzacji MRF PBL, bez asymilacji danych obserwacyjnych na poziomie modelu MM5. Wprowadzenie wspomnianej modyfikacji w pliku danych o użytkowaniu terenu wywołuje podwyższenie głębokości mieszania wokół miejsc wprowadzonych zmian, zarówno w nocy, jak i w dzień. Zasięg terytorialny obserwowanych różnic jest większy w sytuacjach zasilania preprocesora CALMET wyłącznie danymi z zestawu modeli ALADIN/MM5. W przypadku dołączenia obserwacji na poziomie preprocesora CALMET zasięg terytorialny zmian jest mniejszy, jednakże obserwowane różnice są większe. W dzień, w przypadku zasilania wyłącznie danymi z ALADIN/MM5, obserwuje się nieznaczne obniżenie głębokości mieszania. Wpływ modyfikacji ustawień w meteorologicznej części zespołu modeli na modelowaną imisję pyłu zawieszonego PM 1 Do testowania wpływu asymilacji danych obserwacyjnych oraz parametryzacji PBL zastosowanych w modelach MM5 i CALMET uruchomiono obliczenia emisji pyłu z dwóch źródeł powierzchniowych (obejmujących obszar Krakowa i wschodnią część aglomeracji śląskiej) w kształcie kwadratów o boku 1 km, umieszczonych w domenie CALMET przedstawionej na rys. 1. Ze względu na brak danych z inwentaryzacji powierzchniowych źródeł emisji pyłu w województwie śląskim przyjęto dla obu źródeł powierzchniowych wartość emisji PM 1 podaną dla Krakowa (761 ton/rok). Testowanie odpowiedzi modelu CALPUFF na zmianę ustawień w zespole modeli ALADIN/MM5/CALMET przeprowadzono w następujących konfiguracjach: 1) W modelu MM5 porównano pole imisji pyłu zawieszonego PM 1 dla: parametryzacji głębokości mieszania Blackadar PBL i MRF PBL (w różnych ustawieniach preprocesora CALMET); obliczeń z asymilacją i bez asymilacji danych obserwacyjnych na poziomie modelu MM5 (pozostałe parametry ustalono na Blackadar PBL w MM5, bez obserwacji w MM5, bez obserwacji w CALMET, Maul- Carson PBL w CALMET). 2) W preprocesorze CALMET porównano pole imisji pyłu zawieszonego PM 1 dla: parametryzacji głębokości mieszania Maul-Carson PBL i Batchvarova- Gryning PBL; obliczeń z obserwacjami i bez obserwacji na poziomie CALMET. 31

14 Porównano charakterystyki statystyczne takie jak: maksimum, 99 percentyl oraz średnia obliczone dla całego obszaru domeny CALMET z imisji PM 1 prognozowanej dla wszystkich punktów siatki obliczeniowej tej domeny. Wyniki porównań przedstawiono w tab. 2. Stosując analizę obszarową unika się błędów związanych z niedokładną prognozą kierunku wiatru. T a b e l a 2 Porównanie maksimum, 99 percentyla (%%), i średniej obszarowej imisji pyłu zawieszonego PM 1 (μg/m 3 ) w domenie CALMET, uzyskanych z dwóch źródeł emisji powierzchniowej (kwadraty o boku 1 km, obejmujące miasto Kraków i wschodnią część aglomeracji śląskiej) o łącznej emisji pyłu równej 1522 ton/rok. Zastosowano asymilację danych obserwacyjnych w modelu MM5 dla wszystkich obliczeń. Oznaczenia: parametryzacje głębokości mieszania w MM5: Blackadar PBL (B), MRF PBL (MRF); obliczenia z obserwacjami w preprocesorze CALMET (o); obliczenia bez obserwacji w CALMET (bo), parametryzacje głębokości mieszania w CALMET: Batchvarova-Gryning (BG), Maul-Carson (MC) Parametryzacja głębokości mieszania w MM5 B B B B MRF MRF MRF MRF Obserwacje w CALMET bo bo o o bo bo o o Parametryzacja głębokości mieszania w CALMET BG MC BG MC BG MC BG MC : max : max : max : max : max : max : ,5 72, %% : %% : %% : ,2 77, %% : ,4 9, %% : %% : 1,3 1,3 2,37 2,39 1,67 1,67 1,81 1,82 średnia : 13,9 13,9 17,4 17,4 13,8 13,8 13,92 13,92 średnia : 32,7 32,7 36,4 36,4 21,7 21,7 27,8 27,8 średnia : 2 2 1,95 1,97 1,72 1,76 1,88 1,92 średnia : 1,29 1,3 1,14 1,17 1,72 1,73 1,87 1,88 średnia : 3,94 3,94 3,69 3,69 3,16 3,16 3,61 3,61 średnia 32

15 Analiza wyników z tab. 2 wskazuje, że rodzaj parametryzacji głębokości mieszania zastosowanej w modelu CALMET praktycznie nie wpływa na uzyskiwane wartości imisji pyłu zawieszonego PM 1, będącej efektem emisji ze źródeł powierzchniowych. Natomiast parametryzacja głębokości mieszania wprowadzana na poziomie modelu MM5 w istotnym stopniu wpływa na uzyskiwane wartości imisji PM 1. Różnice widać także przy wprowadzeniu danych obserwacyjnych na poziomie preprocesora meteorologicznego CALMET. W większości analizowanych terminów najmniejsze wartości 99 percentyla i maksimum imisji PM 1 obserwuje się w modelu MM5 uruchamianym z parametryzacją MRF PBL i bez obserwacji na poziomie CALMET, a największe w modelu MM5 uruchamianym z parametryzacją Blackadar PBL i z obserwacjami na poziomie CALMET. Testy zespołu modeli w okresie epizodów smogowych Porównanie prognozowanej imisji zanieczyszczeń powietrza (PM 1, SO 2, NO x ) z pomiarami na Śląsku epizod letni Porównanie prognoz z zespołu modeli ALADIN/MM5/CALMET/CALPUFF z pomiarami przeprowadzono dla obliczeń z krokiem siatki 1 km w domenie 17 km x 17 km. Domena obejmowała cały Śląsk i część Małopolski, aby wszystkie źródła emisji istotne dla jakości powietrza w aglomeracji śląskiej były uwzględnione. Ukształtowanie i użytkowanie terenu w testowej domenie przedstawiono na rys. 1. Porównano prognozę z pomiarem w imisji pyłu zawieszonego PM 1, dwutlenku siarki i tlenków azotu. Rys. 1. Testowa domena modelu CALPUFF na Śląsku (układ współrzędnych UTM, strefa 34) ukształtowanie (na lewo) i użytkowanie terenu (na prawo); domena obejmuje obszar o współrzędnych geograficznych E, N. Na lewo zaznaczone emitory punktowe (czarne krzyżyki) i receptory stacje monitoringu jakości powietrza (czerwone trójkąty). 33

16 Do testowania użyto wyników inwentaryzacji źródeł emisji w województwie śląskim i małopolskim z roku 25 i obejmującej 296 emitorów punktowych. Jakość prognoz testowano na 4 wybranych stacjach monitoringu jakości powietrza, opisanych w tab. 3. Przykładowe wyniki dla epizodu letniego podwyższenia stężeń zanieczyszczeń ( ) przedstawiono na rys Porównano na nich przebiegi czasowe prognozowanej i zmierzonej imisji PM 1, SO 2 i NO x, dla różnych ustawień modelu CALPUFF. Dużą rozbieżność między prognozą a pomiarem SO 2 i NO x tylko częściowo udało się wyeliminować przez wprowadzenie w preprocesorze CALMET obserwacji i uwzględnienie przemian chemicznych (model MEZOPUFF II) [Scire i in., 2b]. W ten sposób wyeliminowano gwałtowne wzrosty imisji SO 2 na stacji Bielsko-Biała 8 PM1 Bielsko-Biała pomiar bm_bo M_bo bm_o M_o 8 PM 1 Bytom pomiar bm_bo M_bo bm_o M_o UTC UTC 8 PM 1 Chorzów pomiar bm_bo M_bo bm_o M_o 8 PM 1 Wodzisław Śląski pomiar bm_bo M_bo bm_o M_o UTC UTC Rys. 11. Porównanie prognozowanej i mierzonej imisji PM 1 (pomiar) na 4 śląskich stacjach monitoringu jakości powietrza w dniach W modelu CALPUFF uwzględniono emisję z punktowych źródeł z województwa śląskiego i małopolskiego. Model MM5 był obliczany z rozdzielczością przestrzenną 13,5 km. Objaśnienia ustawień zespołu modeli CALMET/CALPUFF: bm_bo bez obserwacji w CALMET, bez przemian chemicznych; M_bo bez obserwacji w CALMET, przemiany chemiczne MEZO- PUFF II; bm_o obserwacje w CALMET, bez przemian chemicznych; M_o obserwacje w CALMET, przemiany chemiczne MEZOPUFF II. 34

17 i Bytom. Nie udało się tego osiągnąć na stacji w Chorzowie. W przypadku NO x przyczyną obserwowanych rozbieżności może być nieuwzględnienie emisji komunikacyjnej, której wyraźny ślad w przebiegach mierzonej imisji widać na stacjach w Bielsku-Białej i Chorzowie. T a b e l a 3 Nazwa stacji Bielsko- Biała Stacje monitoringu jakości powietrza użyte do testowania jakości prognoz imisji zanieczyszczeń powietrza uzyskiwanych z modelu CALPUFF Symbol stacji Szerokość geograficzna [ ] Długość geograficzna [ ] Współrzędna UTM strefa 34 easting [km] Współrzędna UTM strefa 34 northing [km] Wysokość n.p.m. [m] PL234A 49,813 19,27 358, , Bytom PL2A 5,333 18,899 35, , Chorzów PL235A 5,254 18, , , Wodzisław Śląski PL241A 5,7 18, , , SO2 Bielsko-Biała pomiar bm_bo M_bo bm_o M_o 16 SO2 Bytom pomiar bm_bo M_bo bm_o M_o UTC UTC 16 SO2 Chorzów pomiar bm_bo M_bo bm_o M_o 16 SO2 Wodzisław Śląski pomiar bm_bo M_bo bm_o M_o UTC UTC Rys. 12. Porównanie prognozowanej i mierzonej imisji SO 2 (pomiar) na 4 śląskich stacjach monitoringu jakości powietrza w dniach Objaśnienia jak na rys

18 24 NO x Bielsko-Biała pomiar bm_bo M_bo bm_o M_o 24 NO x Bytom pomiar bm_bo M_bo bm_o M_o UTC UTC 24 NO x Chorzów pomiar bm_bo M_bo bm_o M_o 24 NO x Wodzisław Śląski pomiar bm_bo M_bo bm_o M_o UTC UTC Rys. 13. Porównanie prognozowanej i mierzonej imisji NO x (pomiar) na 4 śląskich stacjach monitoringu jakości powietrza w dniach Objaśnienia jak na rys. 11. Wyniki modelowania imisji zanieczyszczeń powietrza z emitorów punktowych wskazują na ograniczenie obszaru, na który wpływa emisja z pojedynczego źródła. Tym można tłumaczyć obserwowane nagłe skoki prognozowanej imisji. Wydaje się, że zespół modeli w niewystarczającym stopniu uwzględnia dyspersyjną naturę warstwy granicznej atmosfery. Porównanie prognozowanej imisji zanieczyszczeń powietrza (PM 1, SO 2, NO x ) z pomiarami w Krakowie epizod zimowy Porównanie prognoz z zespołu modeli ALADIN/MM5/CALMET/CALPUFF z pomiarami przeprowadzono dla obliczeń z krokiem siatki 1 km w domenie 1 km x 1 km. Domenę obliczeniową wraz z rozmieszczeniem uwzględnionych emitorów i receptorów (stacji monitoringu jakości powietrza) zaprezentowano na rys. 14. W obliczeniach uwzględniono emisję z emitorów punktowych z obszaru Małopolski ograniczonego rozmiarami domeny oraz emisję z pojedynczego źródła powierzchniowego pokrywającego obszar miasta Krakowa. Porównano prognozę z pomiarem stężeń pyłu zawieszonego PM 1, dwutlenku siarki i tlenków azotu mierzonych na 3 stacjach monitoringu jakości powietrza w Krakowie (al. Krasińskiego, ul. Prądnicka, ul. Bulwarowa), w sytuacji wystąpienia epizodu zimowego podwyższenia stężeń zanieczyszczeń ( ). 36

19 Rys. 14. Emitory punktowe (czarne krzyżyki), źródło emisji powierzchniowej (niebieski kwadrat) i receptory stacje monitoringu jakości powietrza (czerwone trójkąty) rozmieszczone w obrębie domeny obliczeniowej CALMET/CALPUFF. Porównanie przebiegów czasowych prognozowanej i zmierzonej imisji PM 1, SO 2 i NO x przedstawiono na rys. 15. W przypadku SO 2 i PM 1 okres podwyższonych stężeń został uchwycony w modelowaniu, jakkolwiek uzyskane wyniki są niezadowalające. Przyczyny niedokładności prognoz w dużej mierze tkwią w uproszczonym potraktowaniu danych z inwentaryzacji emisji powierzchniowej i nie uwzględnieniu emisji liniowej. Ograniczenie się wyłącznie do emisji powierzchniowej z obszaru miasta Krakowa może tłumaczyć niedoszacowanie imisji zanieczyszczeń w okresach mniejszych stężeń, zwłaszcza na stacji przy ul. Bulwarowej, znajdującej się poza obrębem emitora powierzchniowego. Określenie przyczyny przeszacowania stężeń dwutlenku siarki wymaga dalszych testów, gdyż imisja SO 2 w tym przypadku pochodzi wyłącznie z emitorów punktowych (wartość emisji powierzchniowej SO 2 według danych z inwentaryzacji w strefie miasta Kraków z roku 27 wynosi!). Znaczne niedoszacowanie imisji NO x, zwłaszcza na stacji komunikacyjnej przy al. Krasińskiego jest zrozumiałe, gdyż w modelowaniu nie była uwzględniona emisja liniowa. Zmienność obszarową imisji PM 1 w kolejnych dniach badanego epizodu smogowego ( UTC) zaprezentowano na rys. 16. Wyniki modelowania wskazują wyraźnie, że kluczowe w jakości prognoz jest wprowadzenie danych o emisji powierzchniowej i liniowej w całej domenie obliczeniowej. W przeciwnym razie obserwuje się znaczne zróżnicowanie stężeń PM 1 nawet w obrębie emitora powierzchniowego, na które ma wpływ brak emisji powierzchniowej poza nim. 37

20 12 PM 1 Kraków - al. Krasińskiego prognoza pomiar 12 SO 2 Kraków - al. Krasińskiego prognoza pomiar 1 NO x Kraków - al. Krasińskiego prognoza pomiar UTC UTC UTC 12 PM 1 Kraków - ul. Bulwarowa prognoza pomiar 12 SO 2 Kraków - ul. Bulwarowa prognoza pomiar 1 NO x Kraków - ul. Bulwarowa prognoza pomiar UTC UTC UTC 12 PM 1 Kraków - ul. Prądnicka prognoza pomiar 12 SO 2 Kraków - ul. Prądnicka prognoza pomiar 1 NO x Kraków - ul. Prądnicka prognoza pomiar UTC UTC UTC Rys. 15. Porównanie prognozowanej i zmierzonej imisji PM 1, SO 2 i NO x na 3 stacjach monitoringu jakości powietrza w Krakowie: al. Krasińskiego, ul. Bulwarowa i ul. Prądnicka, w okresie Prognoza wykonana na podstawie emisji ze źródeł punktowych województwa małopolskiego oraz pojedynczego źródła powierzchniowego pokrywającego obszar miasta Krakowa. 38

21 Rys. 16. Zmienność obszarowa imisji PM 1 w okresie o godz. UTC. Prognoza wykonana na podstawie emisji ze źródeł punktowych województwa małopolskiego oraz pojedynczego źródła powierzchniowego pokrywającego obszar miasta Krakowa. Rozmieszczenie źródeł emisji jak na rys

22 Wnioski Czas obliczeń zestawu modeli ALADIN/MM5/CALMET silnie zależy od rozdzielczości przestrzennej domeny MM5. W wyniku pracy określono zestaw parametrów modelu MM5, które dają najkorzystniejszy stosunek czasu obliczeń do jakości osiąganych rezultatów. Przeprowadzone testy wskazują, że rozdzielczość modelu MM5 ma niewielki wpływ na standardowe parametry meteorologiczne uzyskiwane z tego modelu. Wyniki w domenie d1 (o rozdzielczości przestrzennej 13,5 km) są niemal identyczne jak te uzyskane w domenie d3 (o rozdzielczości przestrzennej 1,5 km). Wydaje się, że obliczenia operacyjne należy więc wykonywać z mniejszą rozdzielczością przestrzenną, tym bardziej, że w preprocesorze CALMET można prowadzić obliczenia z mniejszym krokiem siatki (np. 1 km). Ponadto CALMET ma zdolność uwzględniania kinematycznych efektów terenu i przepływów w terenie nachylonym, a wszystkie obliczenia są wykonywane dla danych o ukształtowaniu i użytkowaniu terenu dostosowanych do wielkości siatki obliczeniowej. Proponuje się do parametryzacji głębokości warstwy mieszania w modelu MM5 użycie schematu MRF PBL, a w preprocesorze CALMET schematu Batchvarova-Gryning PBL. W przypadku użycia superkomputera wydaje się zasadne obliczanie modelu MM5 z większą rozdzielczością przestrzenną, a także wprowadzenie obserwacji, zarówno powierzchniowych, jak i aerologicznych, zarówno w modelu MM5, jak i w CALMET. Należy także zastosować w module TERRAIN modelu MM5 opcję pozwalającą na ekspansję domeny matki, aby umożliwić wprowadzenie jak największej liczby obserwacji. Wadą preprocesora CALMET jest nieuwzględnianie procesów spoza domeny obliczeniowej. Dlatego też tak duża jest waga obserwacji wprowadzanych na poziomie modelu MM5. Nie muszą być to obserwacje z wielu punktów pomiarowych, ale powinny pokrywać możliwie duży obszar Europy. Jednakże należy bardzo ostrożnie podejść do sprawy reprezentatywności i jakości asymilowanych danych obserwacyjnych. Uzyskane wyniki prowadzą do następujących konkluzji dotyczących metodyki porównań wyników zespołu modeli: 1) Obliczenia modelowe powinny obejmować jak największy obszar w naszym przypadku nie można się ograniczyć do pojedynczego województwa. 2) Konieczne jest uwzględnienie wszystkich istotnych źródeł emisji punktowej, powierzchniowej i liniowej, a także napływu zanieczyszczeń powietrza spoza domeny obliczeniowej. 3) Powinno się uwzględnić asymilację danych obserwacyjnych na poziomie modelu MM5, a także w preprocesorze CALMET. Wydaje się, że ze względu na specyfikę obszarów miejskich, pomimo dużych zastrzeżeń do jakości i reprezentatywności pomiarów meteorologicznych wykonywanych na stacjach monitoringu jakości powietrza, powinno się te pomiary uwzględniać na poziomie preprocesora CALMET. 4) Właściwym kierunkiem wydaje się zwiększenie liczby kategorii użytkowania terenu dotyczących obszarów miejskich i przez to zróżnicowanie tych te- 4

23 renów przez wprowadzenie różnych wartości stosunku Bowena, strumienia ciepła antropogenicznego i parametru szorstkości. 5) Niezbędne są dalsze precyzyjne testy modelu CALPUFF prowadzące do poprawy jakości prognoz imisji zanieczyszczeń powietrza emitowanych ze źródeł punktowych. Praca została wykonana w ramach projektu specjalnego nr COST/251/26, pt. Rozwój systemów prognozowania jakości powietrza w oparciu o numeryczną prognozę pogody z modelu ALADIN, przy wykorzystaniu modelu mezoskalowego MM5, finansowanego ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. LITERATURA B a t c h v a r o v a, E., G r y n i n g S. E., 1991, Applied model for the growth of the daytime mixed layer. Bound-Layer Meteor., 56, B l a c k a d a r A. K., 1979, High resolution models of the planetary boundary layer. W: Advances in Environmental Science and Engineering. Red. J. Pfafflin, E. Ziegler Gordon and Breach, Newark, N.J., 5-85 Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 28/5/WE z dnia 21 maja 28 roku w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy. Dziennik Urzędowy UE nr L 152 z , 1-44 G o d ł o w s k a J., K a s z o w s k i W., 211, Uruchomienie zespołu modeli ALA- DIN/MM5/CALMET/CALPUFF. Wiad. MHGW, 5 (55), 1-2, H o n g S.-H., P a n H.-L., 1996, Nonlocal boundary layer vertical diffusion in a medium-range forecast model. Month. Weath. Rev.,124, Joint Report of COST Action 728 and GURME Overview of Existing Integrated (off-line and online) Mesoscale Meteorological and Chemical Transport Modelling Systems in Europe. WMO Publications, 28 ( P i r i n g e r M., J o f f r e S. (red.), 25, The urban surface energy budget and mixing height in European cities: Data, models and challenges for urban meteorology and air quality. Final Raport of Working Group 2 of COST-715 Action. Demetra Ltd Publishers, Bulgaria ISBN , 239 p. S c i r e J. S., R o b e F. R., F e r n a u M. E., Y a m a r t i n o R. J., 2a, A user s guide for the CALMET Meteorological Model (Version 5.). Earth Tech, Inc., Concord, MA ( S c i r e J. S., S t r i m a i t i s D. G., Y a m a r t i n o R. J., 2b, A user s guide for the CAL- PUFF Dispersion Model (Version 5.). Earth Tech, Inc., Concord, MA ( Z h a n g D., A n t h e s R. A., 1982, A high-resolution model of the planetary boundary layer Sensitivity tests and comparisons with SESAME-79 data. J. Appl. Meteor., 21(11), IMPACT OF PARAMETERIZATION OF ATMOSPHERE BOUNDARY LAYER AND ASSIMILATION OF OBSERVATION DATA ON THE RESULTS OF THE SYSTEM OF MODELS ALADIN/MM5/CALMET/CALPUFF Summary The paper shows results of testing meteorological and dispersion part of the system of models ALADIN/MM5/CALMET/CALPUFF, dedicated to forecasting of air quality. Tests were car- 41

24 ried out for the point location of synoptic and air-quality monitoring stations and for the entire domain. A set of model ALADIN/MM5/CALMET is used for the preparation of meteorological background for puff dispersion model CALPUFF. Forecasts of meteorological parameters from the model ALADIN are the initial and boundary conditions for non-hydrostatic mesoscale model MM5. The output from this model through the interface CALMM5 provides input data for meteorological pre-processor CALMET. The results of model calculations with periods: for agglomeration and for Krakow, by comparing the computed volume of deposition with measurements at selected stations monitoring air quality are presented in the paper. Periods of modelling include summer and winter with values over the norms of the concentrations of pollutants (mainly of particulate matter PM1) observed in stations monitoring air quality. It also accounts for appearance and disappearance of the high concentrations. In modelling of deposition system uses data from the point- and area emission sources for PM 1, SO 2 i NO x. MM5 model was used alternatively for 3 domains with spatial resolutions of 13.5 km, 4.5 km, 1.5 km, and the model of CALMET/CALPUFF was calculated from grid of 1 km size. Supplying model CALMET data MM5 with different spatial resolutions does not affect significantly on the time course of the meteorological parameters. There has been a clear difference between the results obtained without assimilation of meteorological observation data and with assimilation for MM5 and CALMET. Once include the data of observation made an estimate of the wind speed and direction much more realistic and agreed with observations. It also influenced on the reduction of mixing height in the area of Bielsko-Biała and the Silesia agglomeration, which resulted in a significant increase in the forecast of deposition. Assimilation of meteorological observations called the changes of a different nature throughout the domain. The effects of parameterization of planetary boundary layer (PBL) used in model MM5 (Blackadar PBL and MRF PBL) and in pre-processor CALMET (Maul-Carson PBL-PBL and Batchvarova-Gryning) on the results of the ensemble of models were tested. It seems that the use of parameterization of MRF PBL with assimilation of observation data produces the best results of the modelling of wind speed. For other meteorological parameters it was observed that differences were slight. In almost all points of the computing domain the PBL parameterization of Bathvarova-Gryning gave a higher value than the mixing height from PBL parameterization of Maul- Carson. The largest differences were found in urban areas. Deposition modelled using MRF PBL parameterization was typically less than in the case of Blackadar PBL. There has been no significant differences while modelling deposition with different parameterization of PBL in model CALMET. The response of model ensemble to change the value of Bowen quotient, of the roughness parameter z and of anthropogenic heat flux entered in the data file to use the site in the model CALMET was studied. No visible changes were found in the wind speed and direction, Monin- Obukhov length, as well as the horizontal component of friction velocity u*. There has been only slight and momentary raise of mid-day values of the vertical component of friction velocity w* and mixing height, when CALMET pre-processor was run without assimilation of observation data. Figures 1. Test domain of model CALMET (geographical coordinates UTM, zone 34) terrain (left) i land-use (right); it covers an area of E, N 2. Comparison of daily series of wind direction (dir), wind speed (v1) and air temperature (T2) computed with the ensemble of models ALADIN/MM5/CALMET and values observed at the synoptic station Katowice (T2_56synop); data output from the pre-processor CALMET working in two modes: supplied only with model data (bo) and supplied with data model and with observations from the synoptic stations (o); input data to CALMET from 3 domains (d1, d2 and d3) of model MM5 42

25 3. Difference of fields (bo-o) of wind direction (left) and wind speed (right) from the preprocessor CALMET supplied only with data from ALADIN/MM5 (bo) and supplied with data from ALADIN/MM5 complemented by observations (o) of , 6 UTC (up) and 12 UTC (down) ; computational domain of CALMET as in fig Mixing height differences (bo-o) from the pre-processor CALMET supplied only with data from ALADIN/MM5 (bo) and supplied with data from ALADIN/MM5 complemented by observations (o) of , h. 1 UTC (left) and 12 UTC (right); computational domain of CALMET as in fig Comparison of time series of wind speed (v1), air temperature (T) and relative humidity (H) in different parameterizations of PBL used in MM5 model; results in computing grid nearest to synoptic station Katowice (left) and Kraków-Balice (right) Explanation: MRF-parameterization of mixing height MRF PBL; B mixing height Blackadar PBL parameterization; bo model MM5 supplied exclusively with data from model ALADIN; the model-mm5 fed with data from the model ALADIN complemented by observations from synoptic stations; is scheme of shallow convection 6. Comparing the time seeries for mixing ratio (q), the stream of sensible heat flux (hfx), latent heat flux (qfx), long-wave incoming radiation (glw) and short-wave incoming radiation (gsw) for various PBL parameterizations used in MM5 model. Explanations as to the fig Distribution of differences of mixing height (BG-MC) within the domain of CALMET; the computational domain CALMET as in figure 1. Calculation of parameterization of Batchvarova-Gryning PBL (BG) and Maul-Carson PBL (MC) for pre-processor CALMET supplied only with data from model ensemble ALADIN/MM5 from , from left-6 UTC, 12 UTC and 18 UTC 8. Comparison of daily series of mixing height for different values of Bowen ratio, anthropogenic heat flux and roughness parameter z in pre-processor CALMET using data ALA- DIN/MM5 only (bo) and additional observation data (o). Explanation: nu-parameter values: Bowen ratio =.5; anthropogenic heat flux = W/m 2 ; z = 1 m; u-value parameters respectively: 4.4; 55 W/m 2 ; 2 m 9. Mixing height differences (nu-u) in the domain of CALMET caused by changing of the parameter values (Bowen ratio, the stream of anthropogenic heat, z) in land use file; the computational domain CALMET as the fig. 1. Preprocessor CALMET supplied exclusively with ALADIN/MM5 data (top); data from ALADIN/MM5 and observations (bottom) from UTC (left) and 12 UTC (on right). Descriptions as in fig Test domain of model CALPUFF at Silesia region (geographical coordinates UTM, zone 34) terrain (left) i land-use (right); it covers an area of E, N. Point sources marked with black crosses, receptors (air quality monitoring stations) marked with red triangles 11. Comparison of predicted and measured PM 1 deposition (measurement) at 4 Silesian air quality monitoring stations in The CALPUFF model takes into account emissions from point sources with the State of Silesia and Małopolska region. Model MM5 was calculated with a resolution of the spatial 13.5 km. Explanation of settings of model ensemble CALMET/CALPUFF: bm_bo without observation in CALMET, without chemical transformations; M_bo without observation in CALMET, chemical transformations in MEZOPUFF II; bm_o observations in CALMET, without chemical transformations; M_o observations in CALMET, chemical transformations in MEZOPUFF II 12. Comparison of predicted and measured deposition of SO 2 (measurement) at 4 Silesian air quality monitoring stations Explanations as to the fig Comparison of predicted and measured deposition of NO x (measurement) at 4 Silesian air quality monitoring stations Explanations as to the fig Point emission sources (black crosses), area source (blue square) and receptors air quality monitoring stations (red triangles) located within the computational domain of CALMET/CALPUFF 43