FAPPS FORECASTING OF AIR POLLUTION PROPAGATION SYSTEM ASSUMPTIONS, CAPABILITIES, DEVELOPMENT

Transkrypt

1 FAPPS FORECASTING OF AIR POLLUTION PROPAGATION SYSTEM ASSUMPTIONS, CAPABILITIES, DEVELOPMENT SYSTEM PROGNOZOWANIA ROZPRZESTRZENIANIA ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA FAPPS ZAŁOŻENIA, MOŻLIWOŚCI, ROZWÓJ Monika J. Hajto, Jolanta Godłowska, Wiesław Kaszowski, A. Monika Tomaszewska Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowy Instytut Badawczy (IMGW-PIB), Oddział w Krakowie, Zakład Monitoringu i Modelowania Zanieczyszczeń Powietrza, Kraków, ul. Borowego 14 monika.hajto@imgw.pl Summary Forecasting of Air Pollution Propagation System FAPPS, which is being developed, is assumed to work operationally on the basis of a set of models: ALADIN numerical weather prediction, MM5 non-hydrostatic mesoscale model, CALMET meteorological preprocessor and CALPUFF dispersion puff model. Basic products of FAPPS system, available on the website, will be diagnostic and prognostic maps of air pollution concentrations, maps of ventilation index, information about the expected health risks, and the module supporting severe accident management. The system will enable authorized users to download spatial meteorological data in CALPUFF format and to make model calculations of spatial distribution of air pollution concentrations, in operating mode. Additionally, FAPPS system will be able to make environmental impact assessments of designed air pollution sources, impact assessments of eliminating the existing emitters, as well as periodic assessments of air quality and ventilation conditions of the site (thanks to collecting everyday products of the system). Streszczenie Rozwijany system prognozowania rozprzestrzeniania zanieczyszczeń powietrza FAPPS (Forecasting of Air Pollution Propagation System) ma w założeniu funkcjonować operacyjnie bazując na zespole następujących modeli: numeryczna prognoza pogody ALADIN, niehydrostatyczny model mezoskalowy MM5, preprocesor meteorologiczny CALMET oraz dyspersyjny model obłoku CALPUFF. Produktami podstawowymi systemu FAPPS, dostępnymi w serwisie internetowym, będą mapy diagnostyczne i prognostyczne stężeń zanieczyszczeń powietrza, mapy wskaźnika przewietrzania, informacje o spodziewanych zagrożeniach zdrowotnych oraz moduł wspomagający zarządzanie poważnymi awariami. System FAPPS umożliwi uprawnionym użytkownikom pobieranie przestrzennych danych meteorologicznych w formacie modelu CALPUFF, a także wykonywanie w trybie operacyjnym obliczeń modelowych rozkładu przestrzennego stężeń zanieczyszczeń powietrza. Dodatkowo w systemie będzie możliwość wykonania ocen wpływu na środowisko projektowanych źródeł 89

2 emisji zanieczyszczeń powietrza, ocen skutków likwidacji istniejących emitorów, a także okresowych ocen jakości powietrza i warunków przewietrzania terenu (dzięki gromadzeniu codziennych produktów systemu). 1. Wstęp Prawo polskie [1] dotyczące ochrony środowiska obliguje do takich działań jak ocena jakości powietrza przez modelowanie, zarządzanie jakością powietrza, czy informacje publiczne o poziomach zanieczyszczeń powietrza. Według europejskiej Dyrektywy w sprawie czystego powietrza dla Europy, zwanej CAFE [2], techniki modelowania powinny być stosowane w celu interpretacji danych punktowych z uwzględnieniem geograficznego rozkładu stężeń zanieczyszczeń. Na podstawie modelowanego pola imisji może być obliczany wspólny stopień narażenia ludności mieszkającej na danym obszarze. Tworzony w IMGW-PIB system prognozowania rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń powietrza FAPPS (Forecasting of Air Pollution Propagation System) wychodzi naprzeciw wymaganiom obowiązujących przepisów prawa ochrony środowiska, dotyczącym konieczności m.in. modelowania jakości powietrza w strefach bez pomiarów stężeń zanieczyszczeń, a także opracowywania planów redukcji emisji oraz ochrony ludności przed skutkami poważnych awarii. Wdrożenie takiego systemu w obszarach zurbanizowanych i uprzemysłowionych, a w szczególności posiadających skomplikowane warunki topograficzne, pozwoli zminimalizować skutki występowania tzw. sytuacji smogowych. System FAPPS powstaje w ramach projektu rozwojowego pt. Utworzenie systemu prognozowania rozprzestrzeniania zanieczyszczeń powietrza, opartego o meteorologiczne modele mezoskalowe oraz dyspersyjny model obłoku, realizowanego w latach Podstawą rozwijanego systemu są wyniki badań przeprowadzonych w projekcie pt. Rozwój systemów prognozowania jakości powietrza w oparciu o numeryczną prognozę pogody z modelu ALADIN, przy wykorzystaniu modelu mezoskalowego MM5, który został zrealizowany w ramach międzynarodowej współpracy badawczej COST-728 [3, 4]. Prowadzone obecnie prace rozwojowe mają na celu powstanie działającego operacyjnie kompleksowego systemu modelowych ocen jakości powietrza i warunków dyspersji zanieczyszczeń. Planowane jest pilotażowe uruchomienie systemu FAPPS dla Małopolski. 2. Charakterystyka systemu System FAPPS będzie działać na bazie zespołu następujących modeli: numeryczna prognoza pogody ALADIN, niehydrostatyczny mezoskalowy model meteorologiczny MM5 [5], preprocesor meteorologiczny CALMET [6] oraz dyspersyjny model obłoku CALPUFF [7] (ALADIN/MM5/CALMET/CALPUFF). W założeniu FAPPS ma być systemem wielozadaniowym, funkcjonującym na dwóch poziomach dostępności. W części swobodnie dostępnej będzie pełnił funkcję informowania o aktualnej i przewidywanej jakości powietrza, a także o związanych z nią spodziewanych zagrożeniach dla zdrowia. W przypadku prognozy przekroczenia dopuszczalnych stężeń zanieczyszczeń wydawane będą ostrzeżenia i zalecenia dla zagrożonych grup ludności. Funkcją systemu FAPPS będzie więc również profilaktyka prozdrowotna. W części dostępnej dla uprawnionych użytkowników rozwijany system będzie wspomagał zarządzanie ochroną powietrza w przypadku m.in. wystąpienia 90

3 poważnych awarii, planowania redukcji emisji, projektowania nowych źródeł emisji, czy przeprowadzania ryzykownych zmian technologicznych w zakładach przemysłowych. Produkty systemu FAPPS, udostępniane za pośrednictwem serwisu internetowego, będą skierowane do następujących grup odbiorców: - społeczeństwo, - służby ochrony środowiska i sanitarno-epidemiologiczne, - administracja rządowa i samorządowa ds. środowiska, - centra zarządzania kryzysowego, - zakłady przemysłowe emitujące zanieczyszczenia do powietrza. Podstawowymi produktami systemu FAPPS będą: 1) mapy diagnostyczne i prognostyczne stężeń zanieczyszczeń powietrza (m.in. PM 10, NO 2, SO 2, O 3 ), 2) mapy warunków przewietrzania, 3) informacja o zagrożeniach zdrowotnych wskutek pogorszenia się jakości powietrza, 4) moduł wspomagający zarządzanie poważnymi awariami. Mapy stężeń zanieczyszczeń powietrza będą generowane w systemie FAPPS raz na dobę. Na rys. 1 zostały zaprezentowane uzyskane w wyniku modelowania za pomocą ALADIN/MM5/CALMET/CALPUFF przykładowe mapy średniego dobowego stężenia pyłu zawieszonego PM 10 w dniach 2 i 3 sierpnia 2010 roku, obejmujące obszar województwa małopolskiego. Skala barwna (odcieni szarości) została dobrana przy uwzględnieniu 24-godzinnej normy dla PM 10, równej 50 µg/m 3. Wyjściowa rozdzielczość CALMET/CALPUFF wyniosła 2 km. Mapy wskaźnika przewietrzania będą produkowane przez system FAPPS w podwyższonej rozdzielczości przestrzennej (1 km lub mniej). Pilotażowo mapy te pokryją obszar miasta Krakowa i najbliższych okolic. Obliczany wskaźnik przewietrzania docelowo będzie uwzględniać przede wszystkim orografię, użytkowanie terenu, stan równowagi atmosfery i głębokość mieszania. Przykładowe mapy wskaźnika przewietrzania (w aktualnym stadium rozwoju produktu) dla obszaru Krakowa i okolic w dniach 2 i 3 sierpnia 2010 roku przedstawiono na rys. 2. Do wygenerowania map wynikowych użyto pól meteorologicznych (prędkość wiatru, głębokość mieszania) uzyskanych z zespołu modeli ALADIN/MM5/CALMET z rozdzielczością wyjściową CALMET 1 km. Dostarczane przez system FAPPS informacje o spodziewanych zagrożeniach zdrowotnych, wynikających z przekroczenia dopuszczalnych wartości stężeń substancji zanieczyszczających powietrze, będą powiązane ze wskazaniem narażonych grup ludności (w odniesieniu do podziału terytorialnego) oraz zaleceniami co do zachowań ograniczających oddziaływanie zagrożenia na zdrowie. Moduł wspomagający zarządzanie poważnymi awariami będzie wyposażony w interfejs użytkownika on-line, generujący po wprowadzeniu parametrów emisji przestrzenno-czasową zmienność imisji na meteorologicznym podkładzie mapowym (prognostyczne pola meteorologiczne dostosowane formatowo do modelu CALPUFF dostępne dla uprawnionych użytkowników). Do produktów dodatkowych systemu FAPPS będą należeć m.in. oceny wpływu na środowisko projektowanych źródeł emisji zanieczyszczeń, oceny skutków likwidacji istniejących emitorów oraz okresowe oceny jakości powietrza. Oceny te będą możliwe do wykonania dzięki opcji gromadzenia codziennych produktów systemu. 91

4 a) b) Rysunek 1. Mapy średniego dobowego stężenia pyłu zawieszonego PM 10 (w µg/m 3 ) na obszarze województwa małopolskiego w dniach 2 i 3 sierpnia 2010 roku (odpowiednio a i b); rozdzielczość wyjściowa CALMET/CALPUFF 2 km Daily average PM 10 concentration (in µg/m 3 ) maps in the area of Malopolska Region on 2 nd and 3 rd August 2010 (a and b respectively); CALMET/CALPUFF output resolution of 2 km 92

5 a) b) Rysunek 2. Mapy wskaźnika przewietrzania (w m 2 /s) dla obszaru Krakowa i okolic w dniach 2 i 3 sierpnia 2010 roku (odpowiednio a i b); rozdzielczość wyjściowa CALMET 1 km Ventilation Index maps (in m 2 /s) for the city of Krakow and its surroundings on 2 nd and 3 rd August 2010 (a and b respectively); CALMET output resolution of 1 km 93

6 3. Rozwój systemu W celu uruchomienia systemu FAPPS do pracy operacyjnej wykonywane są następujące prace rozwojowe: 1) Przetestowanie zespołu modeli ALADIN/MM5/CALMET/CALPUFF i określenie jego optymalnej konfiguracji. Składnik meteorologiczny (ALADIN/MM5/CALMET) i chemiczny (CALPUFF) będą testowane oddzielnie, opierając się na jednorodnym zestawie danych testowych oraz wybranych tygodniowych seriach danych rzeczywistych (z wszystkich pór roku). Do porównań wartości modelowych z pomiarowymi wykorzystane zostaną dane ze stacji meteorologicznych i stacji monitoringu jakości powietrza. Przetestowana zostanie w szczególności opcja asymilacji danych obserwacyjnych do modelu MM5, a także wpływ rozdzielczości przestrzennej obliczeń na wynikowe pola meteorologiczne. Testowane będą również opcje modelu CALPUFF, takie jak chemiczna transformacja, czy sucha i mokra depozycja. 2) Opracowanie wskaźnika warunków przewietrzania. Docelowy wskaźnik przewietrzania powinien uwzględniać orografię, pokrycie i użytkowanie terenu, strukturę urbanistyczną oraz warunki termiczne i wiatrowe na danym obszarze. Do jego opracowania zostaną wykorzystane przede wszystkim parametryzacje kinematycznych i blokujących efektów terenu oraz informacja o stratyfikacji termicznej warstwy granicznej atmosfery i szorstkości terenu. Ponadto, przygotowany zostanie sposób prezentacji w czasie rzeczywistym zmienności przestrzennej opracowanego wskaźnika przewietrzania. 3) Przygotowanie danych z inwentaryzacji emisji zanieczyszczeń powietrza. Dane pochodzące z inwentaryzacji źródeł emisji (punktowych, liniowych i powierzchniowych), przeprowadzonej dla województwa małopolskiego (obszar pilotażowy), zostaną przetworzone do formatu wymaganego przez model CALPUFF, a następnie zaimplementowane, przy uwzględnieniu zmienności czasowej (dobowej, sezonowej) emisji. 4) Przygotowanie systemu do pracy operacyjnej. Do działania operacyjnego systemu FAPPS konieczne jest ustalenie optymalnych konfiguracji sprzętowych, szczególnie pod kątem czasochłonności obliczeń. Przygotowane zostaną programy wykonawcze w języku skryptowym dla pracy modelu MM5 oraz modeli CALMET/CALPUFF. Praca zespołu modeli zostanie przetestowana na lokalnych komputerach oraz na superkomputerze IMGW-PIB. 5) Opracowanie pakietu informacyjnego o zagrożeniach zdrowotnych. Informacja o spodziewanych zagrożeniach dla zdrowia, wynikających z przekroczeń norm jakości powietrza, będzie powiązana z poradnikiem dla zagrożonych grup społeczeństwa. Opisane zostanie negatywne oddziaływanie poszczególnych zanieczyszczeń powietrza na zdrowie wraz ze wskazaniem grup ludzi szczególnie zagrożonych oraz podaniem sposobów ograniczenia negatywnych skutków zdrowotnych w przypadku wystąpienia podwyższonych stężeń zanieczyszczeń. Opracowany zostanie także projekt sposobu prezentacji informacji o zagrożeniach zdrowotnych na stronie www. Ostrzeżenia dla grup ludności będą podawane w odniesieniu do podziału terytorialnego (powiaty, gminy, miasta). Z poziomu informacji o zagrożeniu będzie możliwe automatyczne odwoływanie się do informacji zdrowotnej 94

7 (wskazania grup ludzi szczególnie zagrożonych i sposobów ograniczenia negatywnych skutków). 6) Przygotowanie automatycznej wizualizacji i transmisji produktów systemu FAPPS. Wybrany zostanie rodzaj interpolacji i sposobu przestrzennej wizualizacji danych wyjściowych z modelu CALPUFF. Następnie, utworzony zostanie skrypt wykonawczy przetwarzający automatycznie dane z CALPUFF w diagnostyczne i prognostyczne mapy stężeń zanieczyszczeń powietrza. Automatyzacja obejmie również generowanie informacji o zagrożeniach zdrowotnych. Ostatnim etapem będzie przygotowanie automatycznej transmisji produktów systemu FAPPS do serwisu internetowego. 7) Utworzenie serwisu internetowego udostępniającego produkty systemu FAPPS. Przygotowany zostanie projekt graficzny strony www, pełniącej rolę serwisu z aktualnymi produktami systemu FAPPS. W serwisie internetowym, oprócz produktów dostępnych bezpośrednio po wyświetleniu strony www, będzie istnieć opcja rejestracji i logowania, która umożliwi uprawnionym użytkownikom dostęp do produktów zaawansowanych, takich jak moduł wspomagający zarządzanie poważnymi awariami. W tym celu powstanie interfejs użytkownika on-line. 4. Przewidywane efekty System FAPPS w porównaniu z innymi podobnymi systemami proponuje kilka udoskonaleń. Po pierwsze, zapewnione zostaną różne tryby dostarczania informacji. Część produktów będzie dostępna swobodnie za pośrednictwem strony www. Do produktów bardziej zaawansowanych będą mieć dostęp tylko uprawnieni użytkownicy. Po drugie, produkty systemu będą dostarczane w zwiększonej rozdzielczości przestrzennej (co najmniej 1 km). Możliwy jest również mniejszy krok czasowy (np. 12 godzin). Po trzecie, system może zostać wykorzystany do różnych celów, takich jak zarządzanie ochroną powietrza, profilaktyka prozdrowotna, planowanie przestrzenne, czy ocena warunków wiatrowych. System FAPPS umożliwi wykonywanie szczegółowych analiz, np. wpływu różnych rodzajów emitorów na rejestrowaną imisję zanieczyszczeń powietrza. W systemie zastosowana zostanie większa dokładność map emisji oraz użytkowania terenu. Działający system FAPPS przyczyni się m.in. do ulepszenia metod planowania przestrzennego (np. przy wyznaczaniu lokalizacji obiektów emitujących zanieczyszczenia do powietrza oraz przy ocenie wpływu likwidacji istniejących źródeł emisji), poprawy jakości powietrza (gł. w obszarach miejsko-przemysłowych), podniesienia poziomu bezpieczeństwa publicznego (poprzez ostrzeżenia o zagrożeniach i wsparcie narzędziowe w przypadku wystąpienia poważnych awarii), rozwoju społeczeństwa informacyjnego, a także oceny warunków wiatrowych dla potrzeb inwestycji z zakresu energetyki wiatrowej. Praca została wykonana w ramach projektu rozwojowego własnego (pod kierunkiem Jolanty Godłowskiej) pt. Utworzenie systemu prognozowania rozprzestrzeniania zanieczyszczeń powietrza, opartego o meteorologiczne modele mezoskalowe oraz dyspersyjny model obłoku, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, realizowanego w IMGW-PIB. 95

8 Literatura [1] Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 roku Prawo ochrony środowiska,dz.u nr 62 poz. 627 z późn. zm. [2] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/50/WE z dnia 21 maja 2008 roku w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy (CAFE Clean Air For Europe). Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej nr L 152 z , s [3] Godłowska J., Kaszowski W., 2011: Uruchomienie zespołu modeli ALADIN/MM5/CALMET/CALPUFF. Wiad. MHGW, t. 5 (55), z. 1-2, s [4] Godłowska J., Kaszowski W., Hajto M., Rozwoda W., 2011: Wpływ parametryzacji warstwy granicznej atmosfery i asymilacji danych obserwacyjnych na wyniki zespołu modeli ALADIN/MM5/CALMET/CALPUFF. Wiad. MHGW, t. 5 (55), z. 4, s [5] PSU/NCAR Mesoscale Modeling System Tutorial Class Notes and Users' Guide (MM5 Modeling System Version 3). Mesoscale and Microscale Meteorology Division, National Center for Atmospheric Research (NCAR), 2005 ( [6] Scire J. S., Robe F. R., Fernau M. E., Yamartino R. J., 2000: A user s guide for the CALMET Meteorological Model (Version 5.0). Earth Tech, Inc., Concord, MA ( [7] Scire J. S., Strimaitis D. G., Yamartino R.J., 2000: A user s guide for the CALPUFF Dispersion Model (Version 5.0). Earth Tech, Inc., Concord, MA ( 96