Meteorologiczne determinanty jakości powietrza w Krakowie

From the SelectedWorks of Robert Oleniacz October 1, 2014 Meteorologiczne determinanty jakości powietrza w Krakowie Robert Oleniacz Marek Bogacki Mateusz Rzeszutek Agata Kot Available at: http://works.bepress.com/robert_oleniacz/112/

METEOROLOGICAL FACTORS AFFECTING AIR QUALITY IN KRAKOW METEOROLOGICZNE DETERMINANTY JAKOŚCI POWIETRZA W KRAKOWIE Robert Oleniacz, Marek Bogacki, Mateusz Rzeszutek, Agata Kot AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków oleniacz@agh.edu.pl Summary Air quality in the Agglomeration of Krakow is determined by many factors, which include, among others, unfavorable location and the resulting meteorological conditions unfavorable for self-cleaning of ambient air. The paper presents a few examples illustrating the impact of selected meteorological factors on some pollutant concentrations in the air in Krakow. Among these, special attention was paid to the ambient air temperature (indirectly influencing the level of air emissions from the municipal sector in the winter season) as well as the wind speed and the mixing layer height. On the basis performed analyzes were to draw conclusions on meteorological restrictions on the possibilities of improving air quality in Krakow. Streszczenie Jakość powietrza w aglomeracji krakowskiej jest zdeterminowana wieloma czynnikami, do których zalicza się m.in. niekorzystne położenie i wynikające stąd warunki meteorologiczne niesprzyjające samooczyszczaniu się powietrza atmosferycznego. W pracy przedstawiono kilka przykładów obrazujących wpływ wybranych elementów meteorologicznych na stężenia niektórych zanieczyszczeń w powietrzu w Krakowie. Wśród tych czynników szczególną uwagę zwrócono na temperaturę powietrza (pośrednio przekładającą się na wielkość emisji z sektora komunalno-bytowego w sezonie zimowym), a także prędkość wiatru i wysokość warstwy mieszania. Na podstawie przeprowadzonych analiz wyciągnięto wnioski dotyczące meteorologicznych ograniczeń w zakresie możliwości poprawy jakości powietrza w Krakowie. 1. Wprowadzenie Aglomeracja krakowska od wielu lat jest klasyfikowana do klasy C z punktu widzenia ochrony zdrowia w związku z występowaniem obszarów przekroczeń poziomów dopuszczalnych lub docelowych niektórych substancji w powietrzu. Przykładowo w latach 2009-2013 w Krakowie w przynajmniej jednym punkcie pomiarowym nie były dotrzymywane standardy jakości powietrza w zakresie dopuszczalnych stężeń średniorocznych dwutlenku azotu (NO 2 ) i pyłu zawieszonego

PM10, uśrednionego dla okresu roku kalendarzowego poziomu dopuszczalnego pyłu zawieszonego PM2,5 powiększonego o margines tolerancji; dopuszczalnego stężenia 24-godzinnego pyłu zawieszonego PM10 oraz poziomu docelowego benzo(a)pirenu w pyle zawieszonym PM10 [1-3]. Z problem ponadnormatywnych stężeń ww. substancji w powietrzu Kraków boryka się już od wielu lat, co zostało także uwidocznione m.in. w programach ochrony powietrza realizowanych od roku 2005 [4]. Na jakość powietrza w Krakowie wpływa wiele czynników, wśród których należy przede wszystkim wymienić duże nagromadzenie lokalnych źródeł emisji powierzchniowej, liniowej i punktowej oraz oddziaływanie tła napływowego z sąsiednich powiatów, województw i państw [4]. Dodatkowo istotną rolę odgrywają tutaj bardzo niekorzystne lokalne warunki meteorologiczne, wynikające z położenia miasta w dolinie Wisły (wyznaczającej główną oś jego przewietrzania) i ze specyficznego ukształtowania terenu (niecka). Kraków prawie z każdej strony otoczony jest wzgórzami o wysokości rzędu 240-400 m n.p.m., a w dalszej odległości od południa pasmami Beskidu Makowskiego o wysokości rzędu 500-900 m n.p.m. (przy średniej wysokości centrum miasta na poziomie ok. 200-220 m n.p.m.). Położenie to w połączeniu z nadmierną zabudową Krakowa gęstymi skupiskami budynków kilku lub kilkunastopiętrowych nie sprzyja przewietrzaniu miasta i stanowi jedną z głównych przyczyn częstego występowania w Krakowie cisz wiatrowych. Cisza (prędkości wiatru 0-0,5 m/s) ma miejsce przez ok. 20-30 % czasu w roku, wiatr bardzo słaby (0,5-2 m/s) przez ok. 40 % czasu w roku [5]. Dla podkrakowskiej stacji IMGW w Balicach średnia roczna prędkość wiatru w ostatnich latach utrzymywała się na poziomie ok. 2,6-3,2 m/s [6]. W warunkach miejskich (w tym w centrum Krakowa) obserwuje się znaczne obniżenie tej prędkości o ok. 40-50 % w stosunku do obszarów pozamiejskich [5]. Celem niniejszej pracy jest charakterystyka elementów meteorologicznych w największym stopniu wpływających na stan zanieczyszczenia powietrza w Krakowie, przedstawienie ich wpływu na poziom stężeń substancji zanieczyszczających w powietrzu (na wybranych przykładach) oraz zwrócenie uwagi na wynikające stąd ograniczenia w zakresie możliwości poprawy jakości powietrza. Analizie poddano dostępne za okres ostatnich kilku lat wyniki rutynowych pomiarów poziomów substancji w powietrzu realizowanych przez Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska (WIOŚ) w Krakowie w ramach automatycznego systemu monitoringu powietrza. Z uwagi na ograniczony zakres parametrów meteorologicznych rejestrowanych na stacjach monitoringowych i ich niekompletność, w analizach wykorzystano także dane meteorologiczne pochodzące z innych stacji pomiarowych oraz wyniki obliczeń wysokości warstwy mieszania przeprowadzonych dla rejonu lokalizacji stacji należących do WIOŚ w Krakowie. 2. System monitoringu jakości powietrza w Krakowie Aktualnie system monitoringu jakości powietrza w Krakowie oparty jest na wynikach pomiarów realizowanych na trzech stacjach automatycznego monitoringu powietrza należących do WIOŚ (tabela 1): stacji komunikacyjnej przy al. Krasińskiego stacja funkcjonująca od roku 1991, zlokalizowana na pasie zieleni 6-pasmowej arterii komunikacyjnej o wysokim natężeniu ruchu (w najbliższym otoczeniu znajdują się budynki mieszkalne i handlowo-usługowe zabudowy niskiej i wysokiej, tworząc kanion uliczny); stacji przy ul. Bulwarowej w Nowej Hucie (pozostającej w zasięgu oddziaływania przemysłu) stacja funkcjonująca w tym miejscu od roku 1997, zlokalizowana w

pobliżu skrzyżowania ul. Bulwarowej z Aleją Jana Pawła II (w najbliższym otoczeniu stacji znajduje się stacja paliwowa, tereny ogródków działkowych, budynki zabudowy wysokiej i niskiej, a w odległości ok. 1 km na wschód rozpoczyna się obszar przemysłowy, w tym teren należący do ArcelorMittal Poland S.A. Oddział w Krakowie); stacji tła miejskiego przy ul. Bujaka (Kurdwanów) stacja funkcjonująca w tym miejscu od marca 2010 r. (zastąpiła stację Kraków-Krowodrza położoną przy ul. Prądnickiej), zlokalizowana w pobliżu skrzyżowania ulic: Franciszka Bujaka i Porucznika Halszki (w jej najbliższym otoczeniu znajdują się nowe bloki mieszkalne, a w odległości ok. 1,2 km na południe przebiega południowa obwodnica autostradowa A4 Krakowa). Tabela 1. Lokalizacja i zakres pomiarowy stacji automatycznego monitoringu powietrza w Krakowie [2, 7, 8] Location and measurement ranges of automatic air quality monitoring stations in Krakow [2, 7, 8] Nazwa stacji (lokalizacja) Kraków, Al. Krasińskiego (Śródmieście) Kraków, ul. Bujaka (Kurdwanów) Kraków, ul. Bulwarowa (Nowa Huta) Typ stacji komunikacyjna tło miejskie oddziaływanie przemysłu Typ pomiaru Mierzone zanieczyszczenia Czas uśredniania automatyczny CO, PM10, PM2,5 SO 2, NO/NO 2 /NO x, 1 godzina manualny C 6 H 6 24 godziny automatyczny O 3, PM10, PM2,5 SO 2, NO/NO 2 /NO x, 1 godzina manualny PM10, PM2,5, As, Cd, Ni, Pb, B(a)P 24 godziny SO automatyczny 6 H 6, PM10, 2, NO/NO 2 /NO x, CO, C PM2,5 1 godzina manualny C 6 H 6, PM10, As, Cd, Ni, Pb, B(a)P 24 godziny Pomiar niektórych parametrów meteorologicznych (ciśnienie, temperatura i wilgotność) jest w chwili obecnej (rok 2014) wykonywany na dwóch stacjach monitoringowych (Nowa Huta i Kurdwanów). Archiwalne dane pomiarowe, obejmujące także prędkość i kierunek wiatru są dostępne jednak tylko dla stacji w Nowej Hucie. Aktualną liczbę stałych stanowisk pomiarowych stężeń zanieczyszczeń w powietrzu w Krakowie można ocenić jako minimalną wymaganą przepisami. W porównaniu do sytuacji sprzed ok. 20 lat sieć monitoringowa została znacznie ograniczona w związku z jej dostosowaniem do wymogów unijnych i koniecznością przeniesienia niektórych stacji do innych miast w województwie. Przykładowo w latach 90. XX wieku (od listopada 1991 r.) WIOŚ w Krakowie eksploatowała maksymalnie siedem stałych stacji pomiarowych pracujących w ramach systemu automatycznego monitoringu jakości powietrza [9-11]. Wcześniej monitoring ten był realizowany w ograniczonym zakresie przez WSSE w Krakowie w sieci pięciu manualnych punktów pomiarowych, z których część utrzymana została po uruchomieniu systemu automatycznego monitoringu, a od roku 2002 przejęta przez WIOŚ i ostatecznie zlikwidowana. Z kolei pomiary parametrów meteorologicznych w początkowym okresie funkcjonowania automatycznego monitoringu powietrza w Krakowie były prowadzone w czterech stałych stacjach monitoringowych WIOŚ (Krowodrza Górka, Prokocim, Nowa Huta i ul. Balicka) [9].

3. Wpływ wybranych elementów meteorologicznych na jakość powietrza w Krakowie 3.1. Temperatura Wpływ temperatury na jakość powietrza w Krakowie sprowadza się głównie do typowej dla naszego kraju zależności pomiędzy temperaturą zewnętrzną, a intensywnością ogrzewania budynków, a tym samym ilością paliw zużywanych na cele grzewcze i emisją zanieczyszczeń do powietrza z procesu ich spalania. Wpływ ten jest zatem widoczny w okresie grzewczym i dotyczy obszarów, na które oddziałuje emisja z sektora komunalno-bytowego, w tym emisja z budynków mieszkalnych indywidualnie ogrzewanych. W sezonie grzewczym (okresie chłodnym) na terenach zurbanizowanych obserwuje się podwyższone stężenia w powietrzu dwutlenku siarki (SO 2 ) [12-13], pyłu zawieszonego PM10, PM2,5 i PM1 [13-16], zawartych w pyle substancji toksycznych takich jak np. WWA [17-20], dioksyny i furany [21-23] oraz niektóre metale ciężkie [19, 20, 24], a także rtęci gazowej [25, 26]. Sytuacja ta ma również miejsce w rejonie stacji tła regionalnego w Polsce, położonych teoretycznie z dala źródeł emisji zanieczyszczeń [27-30]. Brak wyraźnej struktury sezonowej dla rozkładu czasowego stężeń NO 2 i SO 2 występuje czasami na obszarze pozamiejskim, choć w pracy [31], dotyczącej Lipnika koło Stargardu Szczecińskiego (Nizina Szczecińska), spośród wszystkich analizowanych elementów meteorologicznych ze stężeniami ww. substancji najsilniej ujemnie skorelowana była minimalna temperatura powietrza. W Krakowie obserwowana jest wyraźna sezonowa zmienność m.in. SO 2 i pyłu zawieszonego PM10 w powietrzu, z wyraźnym wzrostem tych stężeń w sezonie grzewczym w porównaniu z sezonem pozagrzewczym (rys. 1-2). W ostatnich czterech latach (2010-2013) wzrost ten, w zależności od stacji i roku, utrzymywał się na poziomie od ok. 2 do 7 razy w przypadku SO 2 i od ok. 1,8 do 3 razy w przypadku pyłu PM10. Z punktu widzenia stężeń SO 2 nie ma to większego znaczenia, gdyż w okresie zimowym (przy niskich temperaturach) nie przekraczają one dopuszczalnych poziomów: jednogodzinnego (350 g/m 3 ) i 24-godzinnego (125 g/m 3 ), określonych z punktu widzenia ochrony zdrowia; nie jest też przekraczany średnioroczny poziom dopuszczalny (20 g/m 3 ), określony z punktu widzenia ochrony roślin [32]. Wysokie stężenia pyłu zawieszonego PM10 w powietrzu w Krakowie obserwowane są już w sezonie pozagrzewczym (w okresie ciepłym). W sezonie tym średnie stężenia PM10 na stacjach w Kurdwanowie i Nowej Hucie w latach 2010-2013 osiągały wartość ok. 70-85 % średniorocznego poziomu dopuszczalnego (wynoszącego 40 g/m 3 [32]) i ok. 50-70 % stężenia średniorocznego w danym roku (zmieniającego się na tych stacjach w tym okresie w przedziale 46-62 g/m 3 [7]). Ograniczenie sezonowych źródeł emisji pyłu drobnego na terenie miasta Krakowa, związanych z okresem grzewczym (likwidacja pieców i kotłów małej mocy na paliwa stałe), może być zatem działaniem niewystarczającym do obniżenia stężeń średniorocznych pyłu PM10 poniżej poziomu dopuszczalnego. Dotyczy to zwłaszcza stacji komunikacyjnej na Al. Krasińskiego, w której przykładowo w roku 2013 średnie stężenie PM10 w samym sezonie pozagrzewczym (miesiącach IV-IX) przewyższało wartość 40 g/m 3. Podobna sytuacja była obserwowana przed rokiem 2009 [7]. Istotnej sezonowej zmienności nie obserwuje się natomiast w przypadku stężeń dwutlenku azotu (NO 2 ). Stężenia tej substancji w niewielkim stopniu zależą od średniej temperatury powietrza, a na stacji komunikacyjnej (Al. Krasińskiego) występuje nawet pewien wzrost tych stężeń w sezonie pozagrzewczym (rys. 1), wynikający ze zwiększonego natężenia ruchu samochodowego i bardziej sprzyjających warunków

utleniania NO do NO 2. Brak wpływu temperatury powietrza na poziom obserwowanych stężeń NO 2 jest sytuacją typową dla większości stacji pomiarowych w Polsce. Rysunek 1. Sezonowa zmienność stężeń SO 2, NO 2 i PM10 w powietrzu w Krakowie w latach 2005-2013 Seasonal variability of SO 2, NO 2 and PM10 in the air in Krakow in the years 2005-2013 Podobnie jak w przypadku SO 2 i PM10, wyraźną sezonową zmienność w Krakowie wykazują także stężenia tlenku węgla (CO) i benzenu (C 6 H 6 ). Przykładowo na stacji w Nowej Hucie, co roku w sezonie grzewczym, rejestrowany jest prawie dwukrotny wzrost stężeń CO i prawie trzykrotny wzrost stężeń C 6 H 6 w porównaniu z

sezonem pozagrzewczym [7]. W miesiącach ciepłych na stacji tła miejskiego (do roku 2009 Kraków Krowodrza, od roku 2010 Kraków Kurdwanów) obserwuje się z kolei średnio ok. 60 % wzrost stężeń ozonu w powietrzu (O 3 ) w stosunku do miesięcy zimnych, wynikający z wyższej temperatury i większej intensywności promieniowania słonecznego, niezbędnych w reakcjach tworzenia się ozonu w przyziemnej warstwie atmosfery [33, 34]. Rysunek 2. Zależność pomiędzy stężeniami SO 2 i PM10 w powietrzu a temperaturą (dane średnie dobowe za lata 2010-2012, stacja Kraków Nowa Huta) The relationship between SO 2 and PM10 concentrations in the air and the temperature (daily averages for the period 2010-2012, the station Krakow Nowa Huta) 3.2. Prędkość wiatru Prędkość wiatru jest bardzo istotnym parametrem wpływającym na stan zanieczyszczenia powietrza w Krakowie, podobnie jak to ma miejsce w wielu innych miastach w Polsce [12, 13, 26, 35]. Cisza wiatrowa lub występowanie wiatru o bardzo niskiej prędkości uniemożliwia efektywne przewietrzanie miasta. W przypadku występowania źródeł emisji na danym obszarze skutkuje to kumulowaniem się zanieczyszczeń w powietrzu. Z drugiej strony wzrost prędkości wiatru przyczynia się do wywiewania substancji zanieczyszczających z terenu miasta i napływu powietrza z terenów sąsiednich, które jest zwykle mniej zanieczyszczone. Efekt pozytywnego oddziaływania wiatru na jakość powietrza w Krakowie jest szczególnie widoczny w okresie zimowym, w szczycie sezonu grzewczego. Na rysunku 3 został on przedstawiony na przykładzie kilkudniowego epizodu obejmującego dni z niską prędkością wiatru oraz okres, w czasie którego przez Kraków przechodził orkan Ksawery (6-7.12.2013 r.). Dni poprzedzające przejście tego orkanu cechowały się bardzo wysokimi stężeniami zanieczyszczeń w powietrzu i średnią prędkością wiatru poniżej 0,5 m/s (przy temperaturze powietrza zmieniającej się w zakresie od -4 do +4 o C). W wyniku wzrostu prędkości wiatru do poziomu kilku, a w porywach kilkunastu m/s stężenia wszystkich mierzonych substancji uległy istotnemu zmniejszeniu w rejonie każdej z trzech stacji monitoringowych, podlegając okresowym wahaniom, w zależności od zmian prędkości wiatru. Zmniejszenie się w dniu 10.12.2013 r. prędkości wiatru do poziomu poniżej 0,5 m/s, spowodowało ponownie dosyć szybki wzrost stężeń zanieczyszczeń w powietrzu.

Rysunek 3. Przebieg zmienności stężeń 1-godz. SO 2 i PM10 na stacjach monitoringu powietrza w Krakowie oraz prędkości wiatru w centrum miasta w okresie 3-10.12.2013 The variation of SO 2 and PM10 hourly concentrations at the air quality monitoring stations in Krakow and wind speed in the city center for the period 3-10.12.2013 Zależności pomiędzy prędkością wiatru i stężeniami wybranych zanieczyszczeń (SO 2, NO 2 oraz pyłu PM10 i PM2,5) zarejestrowanymi na stacji tła miejskiego w Kurdwanowie w analizowanym okresie przedstawiono na rysunku 4. Z uwagi na brak pomiarów prędkości wiatru na ww. stacji, stężenia te odniesiono do średnich godzinnych prędkości wiatru zmierzonych na dachu budynku Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej (WFiIS) AGH przy ul. Reymonta (centrum Krakowa) [36]. Niestety nawet przez ok. 60-70 % czasu w roku w Krakowie występuje cisza wiatrowa lub bardzo niskie prędkości wiatru (poniżej 2 m/s), a tak silny wiatr, jak miało

to miejsce m.in. w dniach 6-7.12.2013 r. jest dużą rzadkością. Na rysunku 5 przedstawiono porównanie średnich prędkości wiatru za rok 2012 zmierzonych na Lotniskowej Stacji Meteorologicznej IMGW Kraków Balice (teren podmiejski) oraz w wybranych punktach pomiarowych położonych na terenie miasta Krakowa, w tym na stacji monitoringu powietrza WIOŚ przy ul. Bulwarowej (Nowa Huta), na stacji meteorologicznej WFiIS AGH przy ul. Reymonta (centrum miasta) i w 20 punktach pomiarowych eksploatowanych przez Zarząd Infrastruktury Komunalnej i Transportu (ZIKiT) w Krakowie, położonych przy skrzyżowaniach ulic w różnych częściach miasta. Z przedstawionych danych wynika, że średnia prędkość wiatru w analizowanym roku na terenie miasta Krakowa w zależności od położenia punktu pomiarowego wynosiła od ok. 0,9 do 2,4 m/s (średnio 1,6 m/s) i była mniejsza od średniej prędkości wiatru w rejonie podkrakowskich Balic o ok. 23-71 % (średnio o ok. 50 %). Rysunek 4. Wpływ prędkości wiatru na poziom stężeń SO 2 i NO 2 na stacji Kraków Kurdwanów w okresie 3-10.12.2013 The effect of wind speed on the level of SO 2 and NO 2 concentrations at the station Krakow - Kurdwanów in the period 3-10.12.2013

Rysunek 5. Średnie roczne prędkości wiatru w roku 2012 w rejonie lotniska w Balicach i w wybranych punktach pomiarowych w Krakowie Average annual wind speed in 2012 at the airport in Balice and selected measuring points in Krakow Z ciszą atmosferyczną lub ze zbyt niskimi prędkościami wiatru wiąże się problem kumulacji zanieczyszczeń w okresie intensywnego ich wprowadzania do w powietrza (np. w sezonie grzewczym). W przypadku tych substancji, których stężenia poza terenem miasta Krakowa lub na jego obrzeżach są porównywalne z ich stężeniami w centrum Krakowa (np. SO 2 ), pojawienie się nieco silniejszego wiatru nie zawsze przynosi obniżenie ich stężeń w powietrzu w rejonie stacji monitoringowych. W dłuższym okresie czasu w Krakowie nie obserwuje się zatem linowych korelacji pomiędzy prędkością wiatru a stężeniami SO 2 w powietrzu, tak jak to ma miejsce w przypadku np. NO, CO oraz pyłu PM10 czy PM2,5 (tabela 2). Tabela 2. Zestawienie współczynników korelacji liniowej Pearsona dla prędkości wiatru i stężeń zanieczyszczeń w rejonie stacji Kraków Nowa Huta (wartości średnie jednogodzinne za rok 2012) Summary of Pearson correlation coefficients for wind speed and pollutant concentrations in the vicinity of the station Krakow Nowa Huta (one-hour average values for the year 2012) Współczynniki korelacji liniowej Pearsona: Prędkość wiatru Stężenie substancji w powietrzu SO 2 NO NO 2 CO C 6 H 6 PM10 PM2,5 Rok 0,085-0,330-0,233-0,358-0,275-0,351-0,339 Sezon grzewczy 0,005-0,452-0,269-0,512-0,385-0,517-0,507 Sezon pozagrzewczy 0,191-0,261-0,249-0,312-0,256-0,341-0,381

3.3. Wysokość warstwy mieszania Jakość powietrza w Krakowie zależy także od typu sytuacji synoptycznej. Najbardziej niekorzystne wydają się być sytuacje wyżowe, cechujące się niewielkim poziomym gradientem ciśnienia i występowaniem inwersyjnego rozkładu temperatury, które skutkują znacznym pogorszeniem warunków dyspersji zanieczyszczeń [37-39]. Za znaczną dobową zmienność stężeń zanieczyszczeń w powietrzu w głównej mierze odpowiedzialne są obserwowane w Krakowie cykliczne zmiany wysokości (głębokości) warstwy mieszania, charakteryzującej zasięg pionowych ruchów mas powietrza. Wysokość ta może zmieniać się od kilkudziesięciu metrów w przypadku pojawienia się przygruntowej inwersji temperatury (występującej w nocy) do ponad 1000 m w przypadku pojawienia się silnych ruchów pionowych pochodzenia termodynamicznego, czyli konwekcji (występującej głównie w ciągu dnia). Z uwagi na brak pomiarów wysokości warstwy mieszania w rejonie stacji automatycznego monitoringu powietrza w Krakowie, została ona na potrzeby niniejszej pracy określona metodą obliczeniową z wykorzystaniem modelu CALMET i danych pomiarowych pochodzących z najbliższych stacji aerologicznych (Poprad Ganowce, Wrocław i Legionowo) pozyskanych z bazy danych National Climatic Data Center [40], uzupełnionych danymi z pięciu naziemnych stacji meteorologicznych (Kraków Balice, Bielsko-Biała, Katowice, Nowy Sącz, Tarnów), pozyskanych z zasobów NOAA Earth System Research Laboratory [41]. W porze nocnej, gdy dolna warstwa atmosfery znajduje się w stałej równowadze termiczno-dynamicznej, obliczenia wysokości warstwy mieszania w modelu CALMET realizowane są za pomocą dwóch różnych zależności w funkcji prędkości dynamicznej lub prędkości dynamicznej i długości Monina-Obukhova (wyznaczonych z zastosowaniem równania bilansu energii), przy czym jako ostateczny przyjmowany jest niższy z uzyskanych wyników obliczeniowych [42]. Natomiast w porze dziennej do wyznaczenia wysokości warstwy mieszania wykorzystuje się zmodyfikowaną metodę Carson a (bazującą na informacji o pionowych profilach temperatury) lub metodę Venkatram a (opartą na znajomości prędkości dynamicznej), a jako ostateczny przyjmowany jest wynik wyższy. Uzyskane w ten sposób dane o wysokości warstwy mieszania mogą wprawdzie cechować się nieco większą skokowością niż w rzeczywistości ma to miejsce [43], ale pozwalają one przy braku danych pomiarowych na określenie pewnych trendów. W obliczeniach trójwymiarowych danych meteorologicznych wykorzystano siatkę danych geofizycznych (numeryczny model ukształtowania i pokrycia terenu) wyznaczoną z wysoką rozdzielczością 100 100 m, co powinno zwiększyć stopień dokładności wykonanych obliczeń. Przykładowy wpływ obliczonych w ten sposób zmian wysokości warstwy mieszania w rejonie stacji monitoringu powietrza Kraków Kurdwanów na poziom stężeń wybranych substancji rejestrowanych na tej stacji w okresie 14-19.02.2012 r. przedstawiono na rys. 6. Za wysokie wartości stężeń zanieczyszczeń (zwłaszcza pyłu PM10 i PM2,5) w nocy z 14. na 15.02.2012 r. oraz z 18. na 19.02.2012 r. w znacznej mierze odpowiedzialne było drastyczne zmniejszenie wysokości warstwy mieszania, pojawienie się przygruntowej inwersji temperatury oraz praktycznie brak wiatru. Z kolei w porze dziennej i w nocy z 15. na 16.02.2012 r. oraz z 17. na 18.02.2012 r. utrzymująca się na poziomie kilkuset metrów wysokość warstwy mieszania oraz wiatr wiejący z prędkością ok. 1-3 m/s spowodowały kilkukrotne zmniejszenie stężeń zanieczyszczeń w powietrzu występujących w rejonie ww. stacji monitoringowej.

Rysunek 6. Wpływ wysokości warstwy mieszania i innych czynników meteorologicznych na poziom stężeń zanieczyszczeń w powietrzu w rejonie stacji Kraków Kurdwanów w dniach 14-19.02.2012 r. Influence of mixing layer height and other meteorological factors on the level of pollutant concentrations in the air in the vicinity of the station Krakow Kurdwanów in the period 14-19.02.2012 Jak wynika z przeprowadzonych obliczeń, wysokość warstwy mieszania w rejonie lokalizacji wszystkich trzech stacji monitoringu powietrza w Krakowie przez ok. 31-33 % czasu w roku 2012 utrzymywała się na poziomie niższym niż 100 m. Podobną częstość występowania małej głębokości warstwy mieszania uzyskano także dla samego półrocza chodnego (okresu grzewczego). W tego typu sytuacjach, przy ograniczonym przewietrzaniu i stałej emisji substancji zanieczyszczających do przypowierzchniowej warstwy atmosfery, następuje kumulacja zanieczyszczeń w tej warstwie.

Na jakość powietrza w danym punkcie oprócz wysokości warstwy mieszania wpływa także szereg innych czynników, w tym m.in. prędkość i kierunek wiatru, decydujące o szybkości i kierunku przemieszczania się mas powietrza oraz zawartych w nim zanieczyszczeń emitowanych z poszczególnych źródeł emisji. Nie mniej jednak w przypadku większości substancji zanieczyszczających dla analizowanego roku 2012 uzyskano umiarkowaną ujemną korelację liniową pomiędzy samą już tylko wysokością warstwy mieszania i poziomem stężeń rejestrowanych na stacjach automatycznego monitoringu powietrza w Krakowie, co na przykładzie stacji monitoringowej w Nowej Hucie zobrazowano w tabeli 3. Tabela 3. Zestawienie współczynników korelacji liniowej Pearsona dla wysokości warstwy mieszania i stężeń zanieczyszczeń w rejonie stacji Kraków Nowa Huta (wartości średnie jednogodzinne za rok 2012) Summary of Pearson correlation coefficients for mixing layer height and pollutant concentrations in the vicinity of the station Krakow Nowa Huta (one-hour average values for the year 2012) Współczynniki korelacji Stężenie substancji w powietrzu liniowej Pearsona: SO 2 NO NO 2 CO C 6 H 6 PM10 PM2,5 Rok -0,048-0,291-0,294-0,381-0,332-0,415-0,425 Sezon grzewczy -0,062-0,338-0,284-0,443-0,356-0,479-0,476 Sezon pozagrzewczy 0,314-0,202-0,252-0,319-0,244-0,369-0,446 Wysokość warstwy mieszania Przeprowadzona analiza wskazuje, że zarówno w sezonie grzewczym, jak i pozagrzewczym znaczne zmniejszenie wysokości warstwy mieszania przy braku wiatru lub niskich jego prędkościach zwykle powoduje w Krakowie istotny wzrost stężeń zanieczyszczeń w powietrzu. Pewien wyjątek stanowią stężenia SO 2 rejestrowane w rejonie stacji w Nowej Hucie, o wysokości których w znacznym stopniu decyduje tło napływowe i pobliskie wysokie emitory przemysłowe, których oddziaływanie na jakość powietrza przy powierzchni terenu jest mocno ograniczone w przypadku występowania stałej równowagi atmosfery i przygruntowej warstwy inwersyjnej, a ponadto silnie uzależnione od kierunku wiatru. Nieco odmienny przebieg zmienności stężeń SO 2 wynika ponadto z jego krótszego czasu przebywania w powietrzu, wiążącego się z większą zdolnością do utleniania i przechodzenia do fazy ciekłej lub stałej oraz łatwiejszego wymywania z atmosfery w wyniku opadów atmosferycznych. 4. Podsumowanie Wśród czynników wpływających na jakość powietrza w Krakowie istotne znaczenie ma nie tylko lokalna i napływowa emisja ze źródeł komunalno-bytowych (zachodząca w sezonie grzewczym) czy całoroczna emisja z tras komunikacyjnych (lokalnego i tranzytowego transportu samochodowego) i źródeł przemysłowych, ale także występujące w Krakowie niekorzystne warunki meteorologiczne, wynikające pośrednio z położenia miasta w niecce terenu i jego gęstej zabudowy. Przedstawiona w niniejszej pracy analiza wpływu elementów meteorologicznych na poziom stężeń zanieczyszczeń w powietrzu rejestrowanych na stacjach monitoringu powietrza w Krakowie wskazuje, że jakość powietrza w tym mieście w znacznej mierze determinują takie czynniki, jak temperatura, prędkość wiatru oraz wysokość warstwy mieszania, związane z porą roku i dnia oraz występującą sytuacją synoptyczną.

O ponadnormatywnych stężeniach w powietrzu w Krakowie pyłu zawieszonego PM10 i PM2,5 oraz benzo(a)pirenu zawartego w pyle PM10 decyduje głównie sezon grzewczy, a tym samym temperatura powietrza atmosferycznego, od której zależy intensywność emisji z sektora komunalno-bytowego. Wraz ze spadkiem temperatury obserwuje się także wzrost w powietrzu stężeń nie tylko pyłu drobnego, ale także innych substancji emitowanych w istotnych ilościach z tego sektora (np. SO 2 i CO). Stosunkowo wysoki poziom stężeń pyłu PM10 i PM2,5 w powietrzu występuje także w sezonie pozagrzewczym, tak więc niezbędne jest podjęcie działań ograniczających emisję tych substancji nie tylko z palenisk domowych, ale także źródeł całorocznych (transportu samochodowego i przemysłu). Stężenia NO 2 w powietrzu w Krakowie w małym stopniu zależą od temperatury otoczenia, a w rejonie tras komunikacyjnych mogą być one nawet większe w sezonie pozagrzewczym niż grzewczym. Dotrzymywanie dopuszczalnych stężeń średniorocznych NO 2 na stacji komunikacyjnej na Al. Krasińskiego przy jej aktualnym położeniu (środek kanionu ulicznego z ograniczonym przewietrzaniem, bliskie sąsiedztwo dwóch trzypasmowych jezdni) praktycznie nie będzie możliwe bez wprowadzenia drastycznego ograniczenia natężenia ruchu na tej arterii pojazdów z silnikami spalinowymi lub zwiększenia płynności ruchu. Obserwowane w Krakowie okresowe epizody podwyższonych stężeń w powietrzu praktycznie wszystkich substancji zanieczyszczających wynikają przede wszystkim z występowania takich niekorzystnych sytuacji meteorologicznych, jak cisza wiatrowa oraz przygruntowa inwersja temperatury. Niestety tego typu sytuacje zdarzają się w Krakowie bardzo często, a średnia prędkość wiatru jest o ok. 50 % mniejsza niż poza miastem, co skutkuje kumulacją zanieczyszczeń w powietrzu, szczególnie istotną w sezonie grzewczym. Z drugiej strony pojawienie się wiatru, zwłaszcza o prędkościach przekraczających 2 m/s oraz wzrost wysokości warstwy mieszania ułatwiają przewietrzanie miasta i rozrzedzenie stężeń większości zanieczyszczeń w powietrzu (zwłaszcza pyłu PM10 i PM2,5). Stosunkowo najmniejszy wpływ tego typu czynników na poziom stężeń w powietrzu ma miejsce w przypadku SO 2. Może to wynikać ze znacznego nagromadzenia lokalnych źródeł emisji SO 2 na obrzeżach Krakowa czy w jego bezpośrednim sąsiedztwie (paleniska domowe i lokalny przemysł), a tym samym z istotnej roli tła napływowego tej substancji oraz kierunku wiatru na poziom stężeń w powietrzu rejestrowanych w rejonie stacji monitoringowych. Jakość powietrza w Krakowie często jest zdeterminowana wieloma parametrami meteorologicznymi jednocześnie, a pozytywne działanie niektórych z nich (np. wzrost prędkości wiatru czy występowanie opadów atmosferycznych) może być ograniczone poprzez zmianę kierunku wiatru (kierunku przemieszczania się mas powietrza i smug zanieczyszczeń) lub pojawienie się przygruntowej inwersji temperatury. Szczegółowa analiza wpływu tego typu czynników na jakość powietrza w Krakowie wymaga znajomości podstawowych parametrów meteorologicznych występujących w rejonie stacji monitoringu powietrza. Wskazane jest zatem prowadzenie pomiarów tego typu parametrów na wszystkich stacjach monitoringowych należących do WIOŚ oraz stworzenie stacji pomiarów aerologicznych w Krakowie. Podziękowania Praca została wykonana w ramach badań statutowych AGH nr 11.11.150.008. Autorzy składają podziękowania Pani Annie Świder za pomoc w realizacji niniejszej pracy, a także Wojewódzkiemu Inspektoratowi Ochrony Środowiska w Krakowie, Zespołowi Fizyki Środowiska WFiIS AGH w Krakowie oraz Zarządowi Infrastruktury Komunalnej i Transportu w Krakowie za udostępnienie danych meteorologicznych.

Literatura [1] Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Krakowie: Raport o stanie środowiska w województwie małopolskim w roku 2012. Kraków 2013, http://www.krakow.pios.gov.pl/publikacje/raporty/raport12/index.htm (dostęp: 30 czerwca 2014). [2] Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Krakowie: Ocena jakości powietrza w województwie małopolskim w 2013 roku wykonana wg zasad określonych w art. 89 ustawy Prawo ochrony środowiska na podstawie obowiązującego prawa krajowego i UE. Kraków, 30 kwietnia 2013, http://www.krakow.pios.gov.pl/publikacje/2014/ocena_jakosci_powietrza_2013. pdf (dostęp: 30 czerwca 2014). [3] Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Krakowie: Pięcioletnia ocena jakości powietrza pod kątem jego zanieczyszczenia: SO 2, NO 2, NO x, CO, benzenem, O 3, pyłem PM10, pyłem PM2,5 oraz As, Cd, Ni, Pb i B(a)P w województwie małopolskim uwzględniająca wymogi dyrektyw: 2008/50/WE i 2004/107/WE oraz decyzji 2011/850/UE. Kraków, czerwiec 2014, http://www.krakow.pios.gov.pl/publikacje/2014/5letnia_ocena_jakosci_powietrz a_2013.pdf (dostęp: 30 czerwca 2014). [4] Atmoterm S.A.: Program ochrony powietrza dla województwa małopolskiego. Małopolska 2023 - w zdrowej atmosferze. Praca zbiorowa. Kraków 2013. http://www.malopolskie.pl/pliki/2013/zalacznik_1_glownyxlii-662-13.pdf (dostęp: 30 czerwca 2014). [5] Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej w Warszawie, Oddział w Krakowie: Określenie warunków anemologicznych dla obszaru Krakowa na podstawie danych z sieci obserwacyjno-pomiarowej IMGW. Kraków, luty 2010. [6] Urząd Statystyczny w Krakowie: Roczniki statystyczne Krakowa 2009, 2011 i 2013, http://krakow.stat.gov.pl/ (dostęp: 30 czerwca 2014). [7] Małopolska sieć monitoringu powietrza Wojewódzkiego Inspektoratu Ochrony Środowiska w Krakowie, http://213.17.128.227/iseo/ (dostęp: 30 czerwca 2014). [8] Portal o jakości powietrza Głównego Inspektoratu Ochrony Środowiska w Warszawie, http://powietrze.gios.gov.pl/ (dostęp: 30 czerwca 2014). [9] Państwowa Inspekcja Ochrony Środowiska - Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Krakowie: Informacja o stanie środowiska w województwie krakowskim w 1993 roku. Biblioteka Monitoringu Środowiska, Kraków 1994. [10] Inspekcja Ochrony Środowiska - Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Krakowie, Urząd Miasta Krakowa: Raport o stanie środowiska naturalnego miasta Krakowa w latach 1994-1998. Stan aktualny i tendencje. Biblioteka Monitoringu Środowiska, Kraków 1999. [11] Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Krakowie: Raport o stanie środowiska w województwie małopolskim w 2002 roku. Biblioteka Monitoringu Środowiska, Kraków 2003. [12] Kalbarczyk R., Kalbarczyk E.: Sezonowa zmienność stężenia SO 2 w wybranych miejscowościach północno-zachodniej Polski w zależności od warunków pogodowych. Przegląd Naukowy. Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 2007, t. 16, nr 3 (37), 55-65. [13] Cichoń D., Hławiczka S.: Epizody wysokich stężeń dwutlenku siarki, pyłu i tlenku węgla w powietrzu Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego w latach 1994-2007. Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów, 2010, Vol. 44, nr 4, 133-141.

[14] Klejnowski K., Błaszczyk J.: Zanieczyszczenie powietrza pyłem PM2,5 w aglomeracji górnośląskiej, ocena poziomu narażenia mieszkańców na bazie indeksu AQI. W: Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 2 (red. J. Konieczyński). IPIŚ PAN, Zabrze 2006, 147-156. [15] Dziugieł M., Bogacki M., Oleniacz R., Mazur M.: Zawartość węgla i siarki w pyle PM2,5 i PM10 w powietrzu w centrum Krakowa. W: Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 1 (red. J. Konieczyński). IPIŚ PAN, Zabrze 2012, 29-41. [16] Krajny E., Ośródka L., Wojtylak M.: Meteorologiczne uwarunkowania stężeń powietrza na obszarze pogranicza polsko-czeskiego w rejonie Śląska i Moraw. W: Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 2 (red. J. Konieczyński). IPIŚ PAN, Zabrze 2012, 135-152. [17] Ćwiklak K.: Występowanie WWA w powietrzu wybranych miast Małopolski. W: Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 2 (red. J. Konieczyński). IPIŚ PAN, Zabrze 2006, 43-52. [18] Staniszewska M., Bełdowska M., Murawiec D., Porożyńska J.: Benzo(a)piren w aerozolach w sezonie grzewczym w Gdyni. W: Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 2 (red. J. Konieczyński). IPIŚ PAN, Zabrze 2008, 259-268. [19] Rogula-Kozłowska W., Klejnowski K., Krasa A., Szopa S.: Concentration and elemental composition of atmospheric fine aerosol particles in Silesia Province, Poland. W: Environmental Engineering III (ed. Lucjan Pawłowski, Marzenna R. Dudzińska & Artur Pawłowski). CRC/Press Balkema, Taylor & Francis Group, London 2010, 75-81. [20] Rogula-Kozłowska W., Kozielska B., Klejnowski K., Szopa S.: Hazardous compounds in urban PM in the central part of Upper Silesia (Poland) in winter. Archives of Environmental Protection, 2013, Vol. 39, No. 1, 53-65. [21] Grochowalski A.: PCDDs/Fs in suspended particulate matter in ambient air from Cracow City, Poland. Organohalogen Compounds, 1997, Vol. 32, 76-80. [22] Pomorska K., Duda A., Czerwiński J.: Występowanie polichlorowanych dibenzodioksyn i dibenzofuranów w pyłach zawieszonych miasta Lublina. W: Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 2 (red. J. Konieczyński). IPIŚ PAN, Zabrze 2006, 217-222. [23] Grochowalski A.: Czyste powietrze elementem wyższej jakości życia w metropolii. Konferencja nt. Ocena i programy naprawcze jakości powietrza. Komisja UMP ds. Ochrony Krajobrazu i Środowiska. Kraków, 2-3 kwietnia 2012. [24] Moździerz A., Juszko-Piekut M., Stojko J.: Zanieczyszczenie kadmem powietrza atmosferycznego miast śląskich. Medycyna Środowiskowa, 2014, Vol. 17, No. 1, 25-33. [25] Zielonka U., Hlawiczka S., Fudala J., Wängberg I., Munthe J.: Seasonal mercury concentrations measured in rural air in Southern Poland: Contribution from local and regional coal combustion. Atmospheric Environment, 2005, Vol. 39, 7580-7586. [26] Bełdowska M., Falkowska L., Lewandowska A.: Wpływ warunków meteorologicznych na fluktuacje stężeń i przemiany rtęci gazowej i związanej w drobnych cząstkach w zurbanizowanym obszarze nad Zatoką Gdańską. W: Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 2 (red. J. Konieczyński). IPIŚ PAN, Zabrze 2012, 13-21. [27] Państwowy Monitoring Środowiska - Inspekcja Ochrony Środowiska: Ocena zanieczyszczenia powietrza metalami ciężkimi i WWA oraz ocena składu pyłu PM2,5 na stacjach tła regionalnego w Polsce w latach 2010-2011. Warszawa 2012, http://powietrze.gios.gov.pl/ (dostęp: 30 czerwca 2014).

[28] Państwowy Monitoring Środowiska - Inspekcja Ochrony Środowiska: Ocena zanieczyszczenia powietrza na stacjach monitoringu tła regionalnego w Polsce w roku 2012 w zakresie składu pyłu PM10 i PM2,5 oraz depozycji metali ciężkich i WWA. Warszawa 2013, http://powietrze.gios.gov.pl/ (dostęp: 30 czerwca 2014). [29] Inspekcja Ochrony Środowiska: Ocena zanieczyszczenia powietrza rtęcią na stacjach tła regionalnego w Polsce w latach 2010-2012. IPIŚ PAN Zabrze, Zakład Ochrony Powietrza, Zespół Imisji Zanieczyszczeń, Zabrze, październik 2013, http://powietrze.gios.gov.pl/ (dostęp: 30 czerwca 2014). [30] Majewski G., Czechowski P.O., Badyda A., Kleniewska M., Brandyk A.: Ocena stężenia całkowitej rtęci gazowej (TGM) na terenie stacji tła regionalnego Granica-KPN (województwo mazowieckie, Polska) w latach 2010-2011. Rocznik Ochrona Środowiska, 2013, Vol. 15, 1302-1317. [31] Kalbarczyk R., Kalbarczyk E.: Zmienność stężenia gazowych zanieczyszczeń powietrza na obszarze pozamiejskim Niziny Szczecińskiej w zależności od warunków meteorologicznych. Przegląd Naukowy. Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 2007, t. 16, nr 2 (36), 73-85. [32] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 sierpnia 2012 r. w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu. Dz.U. 2012, poz. 1031. [33] Falkowska L., Korzeniewski K.: Chemia atmosfery. Wyd. Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk 1998. [34] Bogacki M., Pabisz M.: Strategie ograniczania stężeń ozonu w przyziemnej warstwie atmosfery. Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów, 2002, Vol. 36, nr 5, 169-176. [35] Nowicka A., Rynkiewicz I., Dragańska E., Panfil M.: Wpływ elementów meteorologicznych na stan zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego w Olsztynie. Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 2004, t. 13, nr 1 (28), 126-132. [36] Serwis METEO Zespołu Fizyki Środowiska WFiIS AGH w Krakowie, http://meteo.ftj.agh.edu.pl/meteo/ (dostęp: 30 czerwca 2014). [37] Walczewski, J.: Niektóre dane o występowaniu całodziennych warstw inwersyjnych w atmosferze Krakowa i uwarunkowania tego zjawiska. Przegląd Geofizyczny, 2009, Z. 3-4, 183-191. [38] Hajto M., Rozwoda W.: Wykorzystanie danych sodarowych do oceny warunków rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w warstwie granicznej atmosfery w Krakowie. Konsekwencje dla prognozy PM 10. W: Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 2 (red. J. Konieczyński). IPIŚ PAN, Zabrze 2010, 81-92. [39] Pietras B.: Czynniki meteorologiczne wpływające na koncentrację aerozoli w Krakowie oraz analiza cząstek aerozoli. Prace Studenckiego Koła Naukowego Geografów Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie, 2014, Vol. 2, 90-100. [40] Scire J.S., Robe F.R., Fernau M.E., Yamartino R J.: A User s Guide for the CALMET Meteorogical Model (Version 5). Concord, 2000. [41] Radiosonda Database, NOAA Earth System Research Laboratory (ESRL), http://esrl.noaa.gov/raobs/ (dostęp: 31 marca 2014 r.). [42] Integrated Surface Data (ISD), National Climatic Data Center (NCDC), ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/noaa/2012/ (dostęp: 31 marca 2014 r.). [43] Godłowska J., Kaszowski W., Hajto M.J., Tomaszewska A.M.: Wpływ sposobu przygotowania meteorologicznych danych wejściowych w systemie FAPPS na jakość pola wiatru i głębokość mieszania, Konsekwencje dla prognozy PM 10. W: Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 2 (red. J. Konieczyński). IPIŚ PAN, Zabrze 2012, 75-88.

Manuskrypt autorski rozdziału w monografii: Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 2 (red. J. Konieczyński), str. 163-178. Wyd. IPIŚ PAN w Zabrzu, Zabrze 2014.