WPŁYW PRĘDKOŚCI I KIERUNKU WIATRU NA JAKOŚĆ POWIETRZA W KRAKOWIE

WPŁYW PRĘDKOŚCI I KIERUNKU WIATRU NA JAKOŚĆ POWIETRZA W KRAKOWIE dr inż. Robert Oleniacz, dr inż. Marek Bogacki, mgr inż. Adriana Szulecka, mgr inż. Mateusz Rzeszutek, prof. dr hab. inż. Marian Mazur 1 Streszczenie: W pracy omówiono rolę, jaką pełni prędkość i kierunek wiatru w kształtowaniu poziomów stężeń zanieczyszczeń w powietrzu w Krakowie. W tym celu wykorzystano 1-godzinne wyniki pomiarów parametrów meteorologicznych i stężeń wybranych zanieczyszczeń powietrza (PM10, PM2,5, NO x, NO 2, SO 2, CO, O 3 i C 6 H 6 ) z okresu 2014-2015, realizowanych w obszarze miasta Krakowa, z uwzględnieniem typu i lokalizacji stacji pomiarowych. Ocenę wpływu analizowanych czynników meteorologicznych na poziom substancji zanieczyszczających w powietrzu określono z wykorzystaniem nieparametrycznego współczynnika korelacji porządku rang Spearmana oraz na podstawie analizy kierunku napływu zanieczyszczeń. Dodatkowo zwrócono uwagę na epizody ponadnormatywnych poziomów stężeń w powietrzu (głównie pyłu zawieszonego PM10) oraz wpływ prędkości i kierunku wiatru na występowanie tych epizodów i poprawę warunków aerosanitarnych w mieście. Słowa kluczowe: zanieczyszczenie powietrza; napływ zanieczyszczeń; przewietrzanie miasta; parametry meteorologiczne 1. Wprowadzenie Parametry meteorologiczne, w tym prędkość i kierunek wiatru, wysokość warstwy mieszania, temperatura, nasłonecznienie, wilgotność powietrza i opady atmosferyczne, zaliczane są, obok czasoprzestrzennej zmienności emisji zanieczyszczeń do powietrza i warunków orograficznych, do głównych czynników determinujących stan zanieczyszczenia powietrza na danym terenie [1-3]. Szczególnie istotne znaczenie mają tutaj prędkość i kierunek wiatru występujące w przyziemnej warstwie atmosfery, gdyż decydują one o szybkości i kierunku przemieszczania się mas powietrza oraz zawartych w nich zanieczyszczeń, a tym samym o ewentualnym napływie bardziej lub mniej 1 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, tel. + 48 (12) 6174503, + 48 (12) 6175213, e-mail: oleniacz@agh.edu.pl, bogacki@agh.edu.pl, szulecka@agh.edu.pl, rzeszut@agh.edu.pl, mmazur@agh.edu.pl 263

zanieczyszczonego powietrza z terenów sąsiednich, skutkującym zwiększeniem lub zmniejszeniem stężeń poszczególnych zanieczyszczeń w danym punkcie [4-7]. Wiatr jest też podstawowym czynnikiem dyspersyjnym, decydującym o przemieszczaniu się smug zanieczyszczeń emitowanych z poszczególnych źródeł emisji, przez co może decydować o znacznym zróżnicowaniu poziomów stężeń powodowanych przez poszczególne lokalnie źródła emisji. Dla większości substancji przy większej prędkości wiatru rejestrowane w powietrzu stężenie maleje [4, 8-10], co jest spowodowane zintensyfikowanym rozcieńczaniem zanieczyszczeń. Efekt przewietrzania jest szczególnie istotny w sezonie grzewczym, w którym zwiększona emisja ze spalania paliw w paleniskach domowych i pojazdach spalinowych powoduje kumulację zanieczyszczeń w centrum miasta. Z kolei w przypadku takiego wtórnego zanieczyszczenia powietrza, jak np. ozon, większa prędkość wiatru może się wiązać z jego zwiększonym stężeniem wynikającym z napływu z dalszych odległości prekursorów (głównie węglowodorów) sprzyjających tworzeniu się tego związku w powietrzu przy jednoczesnej obecności tlenków azotu [11-14]. Większe prędkości wiatru mogą także prowadzić do napływu zanieczyszczeń z dalszych odległości i przyczyniać się do ewentualnego wzrostu ich stężeń w powietrzu na terenie, w którym były one pierwotnie mniejsze [15]. Z kolei określenie dominującego kierunku wiatru powodującego wzrost stężeń poszczególnych substancji pomaga wskazać potencjalne źródła wysokiej emisji kształtujące jakość powietrza w danym punkcie [16]. W przypadku niektórych zanieczyszczeń wpływ tego parametru może być jednak maskowany przez niską emisję z sektora komunalno-bytowego (w sezonie grzewczym) oraz z transportu drogowego (przez cały rok). Zaburzenie warunków wentylacji charakterystyczne dla terenów silnie zurbanizowanych, w których gęsta zabudowa blokuje naturalne korytarze przewietrzające, powoduje kumulację zanieczyszczeń w centrach miast [4, 15, 17]. W zależności od lokalizacji punktu pomiarowego, obserwuje się duże różnice na tych terenach w zakresie oddziaływania prędkości wiatru na stężenia zanieczyszczeń [6]. Dla miejskich kanionów ulicznych, gdzie głównym źródłem emisji jest transport drogowy, a w których sam opis procesu dyspersji i zanieczyszczeń znacząco różni się od warunków panujących w otwartej przestrzeni, wpływ czynników meteorologicznych przybiera inny wymiar i bywa niekiedy pomijalny [18-22]. Celem niniejszej pracy było określenie wpływu chwilowej prędkości i kierunku wiatru na wielkość rejestrowanych stężeń zanieczyszczeń na trzech stacjach monitoringu jakości powietrza eksploatowanych przez Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska (WIOŚ) w Krakowie. Zwrócono uwagę na odmienny charakter poszczególnych stacji pomiarowych wynikający z ich lokalizacji (pomiar tła miejskiego, oddziaływania przemysłu i oddziaływania transportu drogowego). Analizie poddano wyniki pomiarów 1-godzinnych 264

stężeń zanieczyszczeń, zarejestrowanych na analizowanych stacjach w okresie dwóch ostatnich lat (2014-2015) oraz dostępne wyniki pomiarów wybranych parametrów meteorologicznych (prędkości i kierunku wiatru), występujących w analogicznym okresie w rejonie tych stacji. Znane są również prace oceniające wpływ wybranych parametrów meteorologicznych na jakość powietrza w innym dużych polskich miastach [9, 17, 24-26]. Podobne analizy były już także prowadzone dla terenu miasta Krakowa [4, 23], ale dotyczyły one okresu wcześniejszego i nie obejmowały problematyki kierunku wiatru (w tym tzw. róż napływu zanieczyszczeń). W pracach tych była zwracana uwaga m.in. na istotną rolę prędkości wiatru w kształtowaniu stężeń w powietrzu niektórych substancji zanieczyszczających oraz znaczne zróżnicowanie charakteru związku między stężeniami zanieczyszczeń a parametrami meteorologicznymi. 2. Charakterystyka stacji pomiarowych Na terenie Krakowa w latach 2014-2015 automatyczne pomiary jakości powietrza prowadzone były na trzech stacjach należących do WIOŚ [27, 28]. W zależności od położenia różniły się one częściowo rodzajem mierzonych zanieczyszczeń i typem stacji. Były to: stacja komunikacyjna przy al. Krasińskiego (kanion uliczny), stacja przy ul. Bulwarowej w Nowej Hucie (mierząca oddziaływanie przemysłu), stacja tła miejskiego przy ul. Bujaka (os. Kurdwanów). W tabeli 1 przedstawiono rodzaje zanieczyszczeń mierzonych w sposób automatyczny na poszczególnych stacjach w okresie objętym analizą. Tabela 1 Pomiary automatyczne stężeń zanieczyszczeń realizowane na stacjach monitoringu powietrza WIOŚ w Krakowie w latach 2014-2015 (opracowanie własne na podstawie [27]) Rodzaj zanieczyszczenia Pomiary automatyczne realizowane na stacjach Al. Krasińskiego Nowa Huta Kurdwanów Pył zawieszony PM10 x x x Pył zawieszony PM2,5 x x x Tlenki azotu (NO x ) x x x Dwutlenek azotu (NO 2 ) x x x Dwutlenek siarki (SO 2 ) x 1) x x Tlenek węgla (CO) x x - Ozon (O 3 ) - - x Benzen (C 6 H 6 ) - x - x zanieczyszczenia mierzone, - zanieczyszczenia niemierzone w sposób automatyczny 1) pomiary realizowane tylko do końca roku 2014 265

Równocześnie z pomiarami substancji zanieczyszczających powietrze, na dwóch z tych stacji (stacji Nowa Huta i stacji Kurdwanów) prowadzone były pomiary podstawowych parametrów meteorologicznych, w tym prędkości oraz kierunku wiatru (rys. 1). Z uwagi na brak tych danych dla stacji przy al. Krasińskiego na potrzeby analizy wykorzystano dane o 1-godzinnej średniej prędkości i kierunku wiatru zarejestrowanych na dachu budynku Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH w Krakowie przy ul. Reymonta [29]. Rys. 1. Lokalizacja stacji monitoringu jakości powietrza WIOŚ w Krakowie oraz stacji mierzących wykorzystane w pracy parametry meteorologiczne 3. Wpływ prędkości wiatru na jakość powietrza W przypadku większości analizowanych zanieczyszczeń zależność względem prędkości wiatru nie przyjmuje postaci liniowej. Jednakże, szczególnie w sezonie grzewczym, widoczna jest wykładnicza tendencja spadku stężeń substancji wraz ze wzrostem prędkości wiatru (rys. 2). Z tego względu siła korelacji dla badanych parametrów została określona przy wykorzystaniu nieparametrycznego współczynnika korelacji (r) porządku rang Spearmana (na poziomie istotności p < 0,05), z uwzględnieniem różnic w sezonie grzewczym i pozagrzewczym. Współczynniki te, otrzymane dla poszczególnych stacji pomiarowych, zestawiono w tabelach 1-3. Jednocześnie dla niektórych substancji i stacji, np. dla PM10 i SO 2 mierzonych na stacji tła miejskiego (os. Kurdwanów), zauważalny był ponowny wzrost stężeń zanieczyszczeń przy prędkości wiatru powyżej 4 m s -1, co niekiedy implikowało dodatni charakter zależności między tymi parametrami. Potencjalną przyczyną tego zjawiska może być napływ zanieczyszczeń z dalszych odległości od stacji przy większych prędkościach wiatru. 266

Rys. 2. Wykresy rozrzutu stężeń 1-godzinnych PM10 w powietrzu zagregowane względem prędkości wiatru dla sezonu grzewczego (I III i X XII) w okresie 2014-2015: a) stacja przy al. Krasińskiego, b) stacja Nowa Huta, c) stacja Kurdwanów Analizując przedstawione w tabelach 2-3 wartości współczynników korelacji można stwierdzić, że stężenie większości substancji maleje wraz ze wzrostem prędkości wiatru (r < 0). Wyraźnym wyjątkiem jest stężenie ozonu mierzone na stacji tła miejskiego na os. Kurdwanów, dla którego korelacja względem prędkości wiatru jest umiarkowanie dodatnia. Powodem tego może być intensywniejszy napływ prekursorów ozonu przy wysokich prędkościach 267

wiatru, które warunkują tworzenie się tego zanieczyszczenia w powietrzu. Z kolei w przypadku stężenia SO 2 dodatnia wartość współczynnika korelacji, otrzymana dla stacji Nowa Huta, wydaje się być spowodowana napływem tego zanieczyszczenia z innych rejonów Krakowa i gmin ościennych o gęstej zabudowie jednorodzinnej, a także przyspieszonym jego transportem z bardziej odległych, przemysłowych źródeł emisji. 2014 2015 Tabela 2 Współczynniki korelacji porządku rang Spearmana (r) dla 1-godzinnych stężeń zanieczyszczeń mierzonych na stacji przy al. Krasińskiego względem prędkości wiatru Okres/substancja PM10 PM2,5 NO x NO 2 SO 2 CO Rok -0,363-0,389-0,268-0,075 0,059-0,412 Sezon grzewczy -0,661-0,662-0,451 0,095-0,124-0,602 Sezon pozagrzewczy -0,218-0,302-0,056-0,249 0,249-0,289 Rok -0,494-0,530-0,287-0,116 - -0,452 Sezon grzewczy -0,649-0,681-0,422-0,216 - -0,656 Sezon pozagrzewczy -0,464-0,535-0,134 - - -0,354 Tabela 3 Współczynniki korelacji porządku rang Spearmana (r) dla 1-godzinnych stężeń zanieczyszczeń mierzonych na stacji Nowa Huta względem prędkości wiatru 2014 2015 Okres/substancja PM10 PM2,5 NO x NO 2 SO 2 CO C 6 H 6 Rok -0,351-0,338-0,448-0,264 0,213-0,447-0,295 Sezon grzewczy -0,647-0,635-0,609-0,362 0,037-0,654-0,474 Sezon pozagrzewczy -0,293-0,321-0,346-0,215 0,361-0,380-0,245 Rok -0,477-0,475-0,441-0,277 0,242-0,472-0,465 Sezon grzewczy -0,607-0,624-0,541-0,309 0,221-0,632-0,597 Sezon pozagrzewczy -0,358-0,430-0,298-0,249 0,262-0,343-0,432 Tabela 4 Współczynniki korelacji porządku rang Spearmana (r) dla 1-godzinnych stężeń zanieczyszczeń mierzonych na stacji Kurdwanów względem prędkości wiatru 2014 2015 Okres/substancja PM10 PM2,5 NO x NO 2 SO 2 O 3 Rok -0,329-0,311-0,685-0,623-0,185 0,551 Sezon grzewczy -0,553-0,521-0,716-0,628-0,404 0,457 Sezon pozagrzewczy -0,293-0,308-0,721-0,665-0,155 0,676 Rok -0,351-0,397-0,653-0,611-0,120 0,554 Sezon grzewczy -0,592-0,593-0,741-0,644-0,464 0,680 Sezon pozagrzewczy -0,336-0,444-0,685-0,662-0,043 0,642 Najsilniejszą odwrotną zależnością, szczególnie w sezonie grzewczym, charakteryzują się substancje, których istotnym źródłem są procesy spalania w paleniskach domowych i pojazdy samochodowe, tj. PM10, PM2,5 i CO. Dla tych substancji współczynnik korelacji w okresie grzewczym osiąga wartość r > 0,6 (oprócz stacji tła miejskiego, tutaj r > 0,5). Wskazuje to na istotną wagę epizodów o dużej prędkości wiatru na poprawę warunków aerosanitarnych w aglomeracji krakowskiej podczas miesięcy zimowych. 268

W okresie tym prędkość wiatru wydaje się mieć zasadnicze znaczenie w kształtowaniu jakości powietrza i biorąc pod uwagę ograniczone możliwości pionowych ruchów mas powietrza, może w znacznym stopniu decydować o ewentualnym występowaniu ponadnormatywnych poziomów stężeń pyłu PM10 i PM2,5 w Krakowie. Pozytywny wpływ wysokich prędkości wiatru na jakość powietrza w Krakowie w okresie zimowym jest widoczny nawet podczas pojedynczych, kilkudniowych epizodów. Przykładowo w grudniu 2014 r. na stacji Nowa Huta zarejestrowano kilkukrotny spadek stężeń zanieczyszczeń w wyniku zauważalnego wzrostu prędkości wiatru przekraczającej w porywach 5 m s -1 (rys. 4). Wpływ przewietrzania jest szczególnie zauważalny w przypadku pyłu zawieszonego PM10, którego stężenie w tych dniach (19-26.12.2014 r.) nie przekraczało 24-godzinnego poziomu dopuszczalnego równego 50 µg m -3. Rys. 3. Zmienność 1-godzinnych stężeń PM10 i NO 2 zarejestrowanych na stacji Nowa Huta podczas wzrostu prędkości wiatru (14.12.2014 22.12.2014) Z kolei w sezonie pozagrzewczym (a w szczególności w okresie letnim), stężenia pyłu zawieszonego (PM10 i PM2,5) oraz takich substancji gazowych jak NO x (NO+NO 2 ), CO i C 6 H 6, nie są już tak silnie skorelowane z prędkością wiatru, jak w sezonie grzewczym (okresie zimowym). Z jednej strony może to wynikać z mniejszych różnic pomiędzy zanieczyszczeniem powietrza na terenie miasta Krakowa i poza nim skutkujących mniejszym znaczeniem procesu przewietrzania (efektu rozcieńczania), a z drugiej strony może wskazywać na zwiększenie roli innych parametrów meteorologicznych kształtujących jakość powietrza (w tym zmienności wysokości warstwy mieszania) i zachodzących w okresie letnim bardziej intensywnych przemian chemicznych zanieczyszczeń gazowych. Warto także zauważyć, że zależność stężeń NO 2 dla stacji komunikacyjnej na al. Krasińskiego względem prędkości wiatru jest zauważalnie mniej znacząca ( r < 0,250) niż dla stacji tła miejskiego na os. Kurdwanów ( r > 0,6). Świadczy 269

to o tym, że w przypadku lokalizacji stacji w kanionie ulicznym i silnego oddziaływania najbliższych źródeł emisji (pojazdy poruszające się po drodze), wpływ prędkości wiatru na stężenia zanieczyszczeń jest pomijalnie mały. Porównywalnie słabą zależnością względem prędkości wiatru w roku 2014 odznaczają się stężenia SO 2 rejestrowane na tej stacji, co obok niskich wartości mierzonych stężeń uzasadnia rezygnację z kontynuacji pomiarów tej substancji od roku 2015. Należy przy tym pamiętać, że analizy dla tej stacji oparto na wynikach pomiarów prędkości wiatru pochodzących z innej lokalizacji (ze stacji meteorologicznej położonej w rejonie AGH, w odległości ok. 1,3 km w linii prostej do stacji WIOŚ), a prędkość ta na dnie kanionu ulicznego może być nawet o 30% niższa w stosunku do pomiarów na stacjach podmiejskich [20]. 4. Wpływ kierunku wiatru na jakość powietrza Charakter zależności kierunku wiatru i rejestrowanego stężenia zanieczyszczeń nie przybiera zazwyczaj postaci pozwalającej się opisać za pomocą podstawowej funkcji matematycznej. Z tego powodu w niniejszej pracy podjęto próbę zidentyfikowania na podstawie analizy tzw. róż napływu zanieczyszczeń (średnich stężeń zanieczyszczeń występujących dla poszczególnych kierunków wiatru) dominujących kierunków i potencjalnych źródeł pochodzenia substancji mierzonych na wybranych stacjach monitoringu jakości powietrza w Krakowie. Ze względu na brak reprezentatywnych w tym zakresie danych meteorologicznych dla stacji komunikacyjnej na al. Krasińskiego, podczas analizy ograniczono się do stacji przemysłowej Nowa Huta oraz stacji tła miejskiego na os. Kurdwanów. Róże wiatrów dla tych stacji sporządzone w oparciu o dane z okresu dwóch lat (2014-2015) z podziałem na sezon grzewczy sezon grzewczy (X III) oraz pozagrzewczy (IV IX) przedstawiono na rys. 4, natomiast róże napływu zanieczyszczeń na rys. 5. Do ich sporządzenia wykorzystano funkcje pakietu openair [30] dedykowanego dla środowiska programistycznego R [31]. Róże wiatrów sporządzone dla stacji Nowa Huta (rys. 4a) wskazują na dominującą dla tej stacji rolę wiatru z kierunku zachodniego i to niezależnie od sezonu. Należy dodać, że minimalny udział wiatrów z kierunku południowego na tej stacji po części wynika z jej specyficznej lokalizacji w odległości ok. 10 m od dosyć dużego jednopiętrowego, nieogrzewanego budynku położonego po jej stronie południowej. Z kolei w przypadku stacji Kurdwanów (rys. 4b) można zidentyfikować dwa główne kierunki wiatru: południowo-zachodni oraz lepiej widoczny w sezonie grzewczym północno-wschodni. 270

Rys. 4. Sezonowe róże wiatrów występujące w latach 2014-2015 na stacjach monitoringu jakości powietrza WIOŚ w Krakowie: a) stacja Nowa Huta, b) stacja Kurdwanów Analizując charakter róż napływu zanieczyszczeń dla stacji Nowa Huta (rys. 5a), można wskazać w sezonie grzewczym istotny wpływ źródeł emisji PM10 i CO położonych na północny-zachód i południowy wschód od tej stacji (a więc prawdopodobnie palenisk domowych). W przypadku SO 2 na ten wpływ nakłada się jeszcze oddziaływanie emisji tej substancji ze źródeł przemysłowych znajdujących się po stronie wschodniej i północno-wschodniej (m.in. ArcelorMittal Poland S.A. Oddział w Krakowie [32]) oraz południowozachodniej (elektrociepłownia EDF Polska Oddział I w Krakowie [33]) w stosunku do tej stacji. Oddziaływanie to jest całoroczne, o czym świadczy róża napływu SO 2 w sezonie pozagrzewczym. W sezonie tym obserwuje się pewien wzrost stężeń PM10 i CO rejestrowanych na tej stacji przy wietrze wiejącym z kierunku wschodniego i północno-wschodniego (z rejonu ArcelorMittal Poland S.A. Oddział w Krakowie i innych zakładów zlokalizowanych w tamtym sektorze [34]). Na stężenia PM10 i CO oraz dodatkowo NO 2 istotny wpływ w sezonie pozagrzewczym wydaje się mieć także transport drogowy związany z pobliskimi ruchliwymi ulicami, w tym ul. Bulwarowa (oddziaływująca przy wiatrach zachodnich i północno-zachodnich) oraz odcinki al. Jana Pawła II, ul. Ptaszyckiego i ul. Klasztornej położone 271

w pobliżu skrzyżowania z ul. Bulwarową (oddziałujące przy wiatrach południowych, południowo-zachodnich i południowo-wschodnich). W przypadku stężeń NO 2 mierzonych na tej stacji przy wietrze wiejącym z kierunku południowo-wschodniego docelowo może być także bardziej zauważalny wpływ nowo wybudowanego Zakładu Termicznego Przekształcania Odpadów Komunalnych w Krakowie, zlokalizowanego przy ul. Giedroycia [35, 36]. Zakład ten pod koniec roku 2015 rozpoczął fazę prób i testów poprzedzających jego uruchomienie. Rys. 5. Sezonowe róże napływu zanieczyszczeń otrzymane dla lat 2014-2015 na stacjach monitoringu jakości powietrza WIOŚ w Krakowie: a) stacja Nowa Huta, b) stacja Kurdwanów (linia czarna średnie stężenie z danego kierunku wiatru, linia szara percentyl 95%) W przypadku stacji Kurdwanów (rys. 5b) w sezonie grzewczym odzwierciedla się wpływ dodatkowych źródeł emisji pyłu PM10 i SO 2 (głównie 272

palenisk domowych) zlokalizowanych na północny zachód i południowy wschód od tej stacji. Róże napływu NO 2 w obydwu rozpatrywanych sezonach są tutaj podobne, co świadczy o tym, że są one kształtowane głównie przez całoroczne źródła emisji, czyli transport drogowy i źródła przemysłowe (w tym przypadku głównie EDF Polska Oddział I w Krakowie i Elektrownia Skawina S.A. w Skawinie [33]). Ww. źródła decydują także o poziomie mierzonych na tej stacji stężeń zanieczyszczeń pierwotnych w sezonie pozagrzewczym. W przypadku ozonu większe stężenia występują oczywiście w okresie letnim (w związku z wyższą temperaturą i nasłonecznieniem), zwłaszcza przy wiatrach wiejących z kierunku wschodniego i w nieco mniejszym stopniu z kierunku południowo-wschodniego, północno-wschodniego, północno-zachodniego i zachodniego. 5. Podsumowanie W pracy przedstawiono wyniki analizy korelacji zmienności przestrzennoczasowej wybranych zanieczyszczeń powietrza względem chwilowej prędkości oraz kierunku wiatru rejestrowanych na wybranych stacjach pomiarowych w Krakowie w latach 2014-2015. Bez względu na lokalizację stacji, większość analizowanych substancji (PM10, PM2,5, NO x, NO 2, CO, C 6 H 6 ) charakteryzuje się ujemną wartością współczynnika korelacji względem prędkości wiatru, co potwierdza dyspersyjne właściwości tego parametru. Siła tej zależności jest większa w sezonie grzewczym (osiągając r > 0,6) i świadczy o stosunkowo dobrym stopniu skorelowania obserwacji. W przypadku zanieczyszczeń wtórnych oraz substancji, których potencjalne źródło jest położone w dalszej odległości od stacji, większa prędkość wiatru może przyczyniać się do pogorszenia jakości powietrza. W przypadku rejonu miasta Krakowa, kierunki napływu substancji zanieczyszczających często nie znajdują odzwierciedlenia w dominujących kierunkach wiatru dla stacji pomiarowych. Może być to spowodowane bliskim sąsiedztwem źródeł emisji (palenisk komunalnych, dróg i lokalnego przemysłu), których zintensyfikowane oddziaływanie jest widoczne szczególnie w sezonie grzewczym [4, 23, 37]. Na podstawie przeprowadzonej analizy można stwierdzić, że zmienność stężeń zanieczyszczeń może być tłumaczona, do pewnego stopnia, wahaniem chwilowej prędkości i kierunku wiatru. Jednakże, na terenach miast o gęstej zabudowie, a szczególnie w kanionach ulicznych, wpływ tych warunków meteorologicznych jest ograniczony [20, 22]. W lokalizacjach tych inne czynniki, w tym natężenie ruchu pojazdów i lokalne turbulencje powietrza, kształtują w sposób istotny jakość powietrza, zwłaszcza w odniesieniu do zanieczyszczeń pochodzących ze źródeł mobilnych [38, 39]. Jednocześnie 273

należy pamiętać, że aby w pełni zrozumieć wpływ uwarunkowań meteorologicznych na poziomy stężeń zanieczyszczeń, należy rozważyć także zmienność innych czynników, w tym wysokości warstwy mieszania, temperatury powietrza, wielkości opadu atmosferycznego, wilgotności czy nasłonecznienia [5, 13, 15, 21, 40]. Biorąc pod uwagę wyniki analiz przeprowadzonych w niniejszej pracy, na stan zanieczyszczenia powietrza występujący w danym punkcie i okresie roku, szczególnie istotne znaczenie może mieć także (oprócz prędkości i kierunku wiatru) zmienność wysokości warstwy mieszania, zwłaszcza w sezonie pozagrzewczym. Wymaga to realizacji dalszych badań wykorzystujących metody pomiarowe lub obliczeniowe. Praca została wykonana w ramach badań statutowych AGH nr 11.11.150.008. Literatura [1] Zwoździak J., Zwoździak A., Szczurek A.: Meteorologia w ochronie atmosfery, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1998. [2] Mazur M.: Systemy ochrony powietrza, Wyd. AGH, Kraków, 2004. [3] Juda-Rezler K.: Oddziaływanie zanieczyszczeń powietrza na środowisko, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2006. [4] Oleniacz R., Bogacki M., Rzeszutek M., Kot A.: Meteorologiczne determinanty jakości powietrza w Krakowie, [w:] Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 2 (red. J. Konieczyński), Wyd. IPIŚ PAN w Zabrzu, Zabrze, 2014, ss. 163-178. [5] US EPA Assessment of the Impacts of Global Change on Regional U.S. Air Quality: A synthesis of climate change impacts on ground-level ozone, Washington, DC, 2009. [6] Kim K.H., Lee S.-B., Woo D., Bae G.-N.: Influence of wind direction and speed on the transport of particle-bound PAHs in a roadway environment, Atmospheric Pollution Research, 6(6), 2015, ss. 1024-1034. [7] Akpinar S., Oztop H.F., Akpinar E.K.: Evaluation of relationship between meteorological parameters and air pollutant concentrations during winter season in Elaziǧ, Turkey, Environmental Monitoring and Assessment, 146(1-3), 2008, ss. 211-224. [8] Raman R.S., Kumar S.: First measurements of ambient aerosol over an ecologically sensitive zone in Central India: Relationships between PM2.5 mass, its optical properties, and meteorology, Science of The Total Environment, 550, 2016, ss. 706-716. [9] Żyromski A., Biniak-Pieróg M., Burszta-Adamiak E., Zamiar Z.: Evaluation of relationship between air pollutant concentration and meteorological elements in winter months, Journal of Water and Land Development, 22(1), 2014, ss. 25-32. [10] Nkemdirim L.C.: The Role of Wind Velocity and Mixing Depth in the Distribution of Urban Air Pollution Hazard in Calgary, Alberta, Canada, GeoJournal, 8(3), 1984, ss. 197-200. [11] Falkowska L., Korzeniewski K.: Chemia atmosfery, Wyd. Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk, 1998. [12] Bogacki M.: Wpływ sposobu zagospodarowania terenu na potencjał oksydacyjny powietrza, Inżynieria Środowiska, 8(2), 2003, ss. 135-147. [13] Ocak S., Turalioglu F.: Effect of Meteorology on the Atmospheric Concentrations of Traffic-Related Pollutants in Erzurum, Turkey, J. Int. Environmental Application & Science, 3(5), 2008, ss. 325-335. 274

[14] Gorai A.K., Tuluri F., Tchounwou P.B., Ambinakudige S.: Influence of local meteorology and NO 2 conditions on ground-level ozone concentrations in the eastern part of Texas, USA, Air Quality, Atmosphere & Health, 8(1), 2014, ss. 81-96. [15] Elminir H.K.: Dependence of urban air pollutants on meteorology, Science of the Total Environment, 350(1), 2005, ss. 225-237. [16] Olcese L.E., Toselli B.M.: Effects of meteorology and land use on ambient measurements of primary pollutants in Cordoba city, Argentina, Meteorology and Atmospheric Physics, 62(3-4), 1997, ss. 241-248. [17] Czarnecka M., Nidzgorska-Lencewicz J.: Impact of weather conditions on winter and summer air quality, International Agrophysics, 25(1), 2011, ss. 7-12. [18] Lo K.W., Ngan K.: Characterising the pollutant ventilation characteristics of street canyons using the tracer age and age spectrum, Atmospheric Environment, 122, 2015, ss. 611-621. [19] Kwak K.-H., Lee S.-H., Seo J.M., Park S.-B., Baik J.-J.: Relationship between rooftop and on-road concentrations of traffic-related pollutants in a busy street canyon: Ambient wind effects, Environmental Pollution, 208(A), 2016, ss. 185-197. [20] Weber S., Kordowski K., Kuttler W.: Variability of particle number concentration and particle size dynamics in an urban street canyon under different meteorological conditions, Science of the Total Environment, 449, 2013, ss. 102-114. [21] Wagner P., Schäfer K.: Influence of mixing layer height on air pollutant concentrations in anurban street canyon, Urban Climate, 2015, doi: 10.1016/j.uclim.2015.11.001. [22] Isyumov D., Helliwell N., Rosen S., Lai S.: Winds in Cities: Effects on Pedestrians and the Dispersion of Ground Level Pollutants, [w:] Wind Climate in Cities (ed. J.E. Cermak, A.G. Davenport, E.J. Plate, D.X. Viegas), Springer, 1995, ss. 319-335. [23] Ćwiek K., Majewski G.: Wpływ elementów meteorologicznych na kształtowanie się stężeń zanieczyszczeń powietrza na przykładzie Krakowa, Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 67, 2015, ss. 54-66. [24] Drzeniecka A., Pereyma J., Pyka J.L., Szczurek A.: Wpływ warunków meteorologicznych na stężenie zanieczyszczeń powietrza w śródmieściu Wrocławia, Chemia i Inżynieria Ekologiczna, 7(8-9), 2000, ss. 865-882. [25] Majewski G.: Zanieczyszczenie powietrza pyłem zawieszonym PM10 na Ursynowie i jego związek z warunkami meteorologicznymi, Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 1(31), 2005, ss. 210-223. [26] Czarnecka M., Nidzgorska-Lencewicz J.: Warunki meteorologiczne kształtujące jakość powietrza w styczniu i w lipcu 2006 roku w Szczecinie, Acta Agrophysica 12(1), 2008, ss. 55-72. [27] Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Krakowie: System monitoring jakości powietrza, http://monitoring.krakow.pios.gov.pl/. [28] Główny Inspektorat Ochrony Środowiska w Warszawie: Bank danych pomiarowych, http://powietrze.gios.gov.pl/pjp/archives/. [29] Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH w Krakowie, Zespół Fizyki Środowiska: Serwis METEO, http://meteo.ftj.agh.edu.pl/meteo/. [30] Carslaw D.C., Ropkins K.: Openair an R package for air quality data analysis, Environmental Modelling & Software, 27, 2012, ss. 52-61. [31] R: A language and environment for statistical computing, R Foundation for Statistical Computing, Vienna, 2014, http://www.r-project.org/ (dostęp: 31.01.2016). [32] Mazur M., Oleniacz R., Bogacki M., Szczygłowski P.: Ocena wpływu ArcelorMittal Poland S.A. Oddział w Krakowie na jakość powietrza, [w:] Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 2 (red. J. Konieczyński), Wyd. IPIŚ PAN w Zabrzu, Zabrze, 2008, ss. 87-96. [33] Apostoł M., Bąkowski A., Chronowska-Przywara K., Kot M., Monieta J., Oleniacz R., Radziszewski L., Rzeszutek M., Słoboda M.: Wybrane zagadnienia inżynierii 275

mechanicznej, materiałowej i środowiskowej (red. S. Flaga), Wyd. Katedra Automatyzacji Procesów, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Kraków, 2015. [34] Mazur M., Oleniacz R., Bogacki M.: Analiza możliwości likwidacji stref ochronnych wokół wybranych zakładów przemysłu hutniczego i koksochemicznego, Inżynieria Środowiska, 5(1), 2000, ss. 59-84. [35] Rzeszutek M., Oleniacz R.: Ocena wpływu nowo budowanej spalarni odpadów komunalnych w Krakowie na jakość powietrza z wykorzystaniem modelu CALMET/CALPUFF, [w:] Inżynieria i ochrona powietrza (red. J. Kuropka, A. Musialik- Piotrowska), Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2014, ss. 352-361. [36] Rzeszutek M., Oleniacz R.: Zastosowanie systemu modeli CALMET/CALPUFF o wysokiej rozdzielczości do oceny wpływu na jakość powietrza spalarni odpadów komunalnych w Krakowie, Inżynieria i Ochrona Środowiska, 18(1), 2015, ss. 5-22. [37] Rawicki K.: Variability of particulate matter concentrations in Poland in the winter 2012/2013, Folia Pomeranae Universitatis Technologiae Stetinensis. Agricultura, Alimentaria, Piscaria et Zootechnica, 31, 2014, ss. 143-151. [38] Kim Y., Guldmann J.M.: Impact of traffic flows and wind directions on air pollution concentrations in Seoul, Korea, Atmospheric Environment, 45(16), 2011, ss. 2803-2810. [39] Perez-Martinez P.J., Miranda R.M.: Temporal distribution of air quality related to meteorology and road traffic in Madrid, Environ. Environmental Monitoring and Assessment, 187(4), 2015, ss. 1-16. [40] Olofson K.F.G., Andersson P.U., Hallquist M., Ljungström E., Tang L., Chen D., Pettersson, J.B.C.: Urban aerosol evolution and particle formation during wintertime temperature inversions, Atmospheric Environment, 43(2), 2009, ss. 340-346. INFLUENCE OF WIND SPEED AND DIRECTION ON AIR QUALITY IN KRAKOW Summary: The paper discusses the role of wind speed and direction in shaping the levels of pollutant concentrations in the air in Krakow. For this purpose, the hourly averaged measurements of meteorological parameters and concentrations of selected air pollutants (PM10, PM2,5, NO x, NO 2, SO 2, CO, O 3, and C 6 H 6 ) derived from the period of 2014-2015 and recorded within the area of Krakow city were used, with the differentiation associated with the type and location of measuring stations. Impact assessment of the meteorological parameters on air pollutant concentrations was determined with a nonparametric Spearman s rank correlation coefficient values and on the basis of the analysis of the flow directions of considered pollutants. Additional attention was drawn to the episodes of excessive concentrations in the air (in particular for PM10 levels) and to the impact of wind speed and direction on the occurrence of those episodes and on the improvement of aerosanitary conditions in the city of Krakow. Key words: air pollution, pollutant inflow, city ventilation, meteorological parameters 276