Prognoza jakości powietrza na obszarze pogranicza polsko-czeskiego dla rejonu Śląska i Moraw Ewa Krajny, Leszek Ośródka, Marek Wojtylak Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowy Instytut Badawczy (IMGW-PIB) Zakład Monitoringu i Modelowania Zanieczyszczeń Powietrza Cieszyn, 14 czerwca 2013 r.
CEL ZADANIA Jednym z celów projektu obok pomiarów i diagnozy sytuacji w zakresie zanieczyszczeni powietrza było przygotowanie modelu krótkoterminowej prognozy jakości powietrza na obszarze badań. Dyrektywa 2008/50/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy zakłada, że w strefach gdzie niedotrzymywane są normy zanieczyszczeń powietrza obok innych działań należy podjąć działania krótkoterminowe. Jednym z nich jest ostrzeganie ludności przed możliwymi przekroczeniami wartości kryterialnych stężeń zanieczyszczeń powietrza. Funkcję taką może pełnić krótkoterminowa prognoza jakości powietrza.
METODA PROGNOZY Aby prognoza mogła spełniać swoją funkcję czyli szybkiego informowania społeczeństwa o możliwości wystąpienia niekorzystnych warunków sanitarnych powietrza, musi poza skutecznością odznaczać się szybkością przygotowania. Takie warunki spełnia między innymi prognoza eksploracyjna. Do obliczenia prognozy stężeń zanieczyszczeń dla obszaru badań wykorzystano następując dane wejściowe z okresu 2006-2010: historyczne prognozy pogody z modelu COSMO (meteogramy), warunki meteorologiczne ze stacji synoptycznych (Racibórz, Ostrawa, Katowice, Bielsko Biała), stężenia zanieczyszczeń powietrza z automatycznych stacji monitoringu jakości powietrza.
PROGNOZA EKSPLORACJNA Podstawą prognozy są dwie podstawowe zasady: podobne prognozy pogody prowadzą do podobnej pogody, podobna pogoda powoduje podobne sytuacje sanitarną powietrza (imisję), ponieważ pogoda steruje emisją oraz określa warunki dyspersji zanieczyszczeń powietrza. Zatem mając aktualną prognozę pogody oraz dane historyczne powinniśmy otrzymać dobre przybliżenie przebiegu stężeń zanieczyszczeń. Cały problem stanowi słowo podobne. W tym celu należy posłużyć się dość wyrafinowanym aparatem matematycznym. W tym celu wykorzystuje się metod eksploracji danych (data mining), takie jak grupowanie i klasyfikację. Ponadto szeroko stosowane są liczby rozmyte.
SCHEMAT PROGNOZY (algorytm) Prognoza pogody Warunki meteorologiczne Liczby Grupowanie Zbiór rozmyty Liczby rozmyta Grupowanie rozmyte Grupowanie Liczby (serie czasowe) Standaryzacja Zbiór rozmyty (zbiór serii czasowych) Prognoza jakości powietrza Stężenie zanieczyszczeń
SCHEMAT PROGNOZY (dane) Numeryczna prognoza pogody COSMO Historyczne prognozy pogody Historyczne elementy meteorologi -czne Model prognostyczny Parametry: p 1,..,p n Historyczne stężenia zanieczyszczeń powietrza Prognoza stężenia średniego i maksymalnego danego zanieczyszczenia, oraz wskaźnika jakości powietrza Parametry modelu ustalane są osobno dla każdej stacji, każdego zanieczyszczenia i różnych typów pogody
KALENDARIUM PROGNOZY JAKOŚCI POWIETRZA 16.04.2012 r. pierwsza przekazana dobowa prognoza stężeń PM10 z krokiem godzinnym, 22.08.2012 r. uzgodnienie formy prognozy dla horyzontu czasowego 48 godzin, do 31.08.2012 r. testowanie prognozy, 1.10.2012 r. poprawa algorytmu prognozy stężeń zanieczyszczeń powietrza, 1.06.2013 r. pierwsza prognoza stężeń: PM10, PM2.5, SO 2, O 3, NO 2 dla obszaru projektu Air Silesia 10.06.2013 r. uruchomienie prognozy jakości powietrza na stronie internetowej projektu
Stacje pomiarowe w rejonie Śląska i Moraw czyli w obszarze oddziaływania projektu Obszar oddziaływania projektu to podregiony: - rybnicki (powiat: raciborski, rybnicki, wodzisławski, miasto: Jastrzębie-Zdrój, Rybnik, Żory); - bielski (powiat: bielski, cieszyński, żywiecki, miasto Bielsko-Biała); - Morawsko-Śląski kraj (bez powiatu Bruntal). Dodatkowa analizowano dane z powiatu: pszczyńskiego, mikołowskiego, bieruńskolędzińskiego, aglomeracji górnośląskiej (zespół 14 miast). Automatyczne stacje monitroingu jakości powietrza WIOŚ w Katowicach (żółte punkty) i ČHMÚ (zielone punkty)
Przykład prognozy dla punktów pomiarowych wykonanej dla 8.12.2012 r. Prognoza stężenia chwilowego PM10 Prognoza stężenia dobowego PM10
Sprawdzalność prognozy dla punktów pomiarowych L.p. Stacja R 2 Równanie L.p. Stacja R 2 Równanie 1. Bielsko-Biała 0,4220 y=1,3173x 5. Bohumín 0,3888 y=1,1766x 2. Tychy 0,5483 y=1,2549x 6. Havířov 0,4708 y=1,1069x 3. Rybnik 0,3033 y=1,5023x 7. Karviná 0,4848 y=1,1141x 4. Wodzisław Śl. 0,3853 y=1,3963x 8. Věřňovice 0,215 y=1,0639x
Sposób indeksowania, czasy uśredniania i przedziały stężeń zanieczyszczeń wskaźnika jakości powietrza dla województwa śląskiego i Legenda ČHMÚ kraju morawsko-śląskiego SO 2 NO 2 O 3 PM10 Index Kvalita ovzduší 1 h µg/m³ 1 velmi dobrá 0-25 0-25 0-33 0-20 2 dobrá > 25-50 > 25-50 > 33-65 > 20-40 3 uspokojivá > 50-120 > 50-100 > 65-120 > 40-70 4 vyhovující > 120-350 > 100-200 > 120-180 > 70-90 5 špatná > 350-500 > 200-400 > 180-240 > 90-180 6 velmi špatná > 500 > 400 > 240 > 180 chybi data Legenda IMGW-PIB Wskaźnik Jakość powietrza SO 2 NO 2 O 3 PM10 PM2,5 PM10 PM2,5 1 godz. 24 godz. 1 bardzo dobra 0-50 0-50 0-60 0-25 0-15 0-15 0-10 2 dobra > 50-100 > 50-100 > 60-120 > 25-50 > 15-30 > 15-30 > 10-20 3 umiarkowana > 100-300 > 100-200 > 120-180 > 50-90 > 30-55 > 30-50 > 20-30 4 zła > 300-500 > 200-400 > 180-240 > 90-270 > 55-180 > 50-150 > 30-100 5 bardzo zła > 500 > 400 > 240 > 270 > 180 > 150-300 > 100 6 ekstremalnie zła - - - - - > 300 - brak danych
PROGNOZA NA STRONIE INTERNETOWEJ PROJEKTU www.air-silesia.eu Wybór dobowego wskaźnika cząstkowego jakości powietrza (dla danego zanieczyszczenia powietrza) lub średniego dobowego wskaźnika jakości powietrza (AQI) Wskaźnik jakości powietrza PL lub CZ Przebieg godzinowy stężeń zanieczyszczeń: NO 2, SO 2, O 3, PM2,5, PM10
PODSUMOWANIE 1. Celem zadania było opracowanie prognozy stężeń zanieczyszczeń powietrza w obszarze wsparcia tj. dla pogranicza polsko-czeskiego w rejonie Śląska i Moraw, przy wykorzystaniu modelu matematycznego opartego o zaawansowane metody eksploracji danych wykorzystywanego dotąd w Polsce. 2. Prognoza ta powinna wspomagać odpowiedzialne służby za działania krótkoterminowe w podejmowaniu decyzji o informowaniu społeczeństwa o stanie zagrożenia smogowego. 3. Uzyskane wyniki sprawdzalności krótkoterminowej prognozy zanieczyszczeń powietrza pozostawiają jednak wątpliwość, co do możliwości zastosowania tego modelu w sytuacjach prognozowania wartości maksymalnych. 4. Jest zatem sprawą otwartą na ile opracowany produkt będzie wykorzystywany jako źródło wiedzy o prognozowanym ryzyku przekroczenia wartości alarmowych w podejmowaniu decyzji o ostrzeganiu przed sytuacjami smogowymi, a na ile pozostanie on platformą informacyjną o prognozowanej klasie jakości powietrza dla społeczeństwa.
PODZIĘKOWANIE Autorzy zadania składają serdeczne podziękowania: WIOŚ w Katowicach za udostępnienie danych o jakości powietrza za dla potrzeb prognozy jakości powietrza. Partnerowi zadania - ČHMÚ Oddział w Ostrawie za wnikliwe i cenne uwagi oraz merytoryczną ocenę sprawdzalności prognozy jakości powietrza zarówno w fazie testowej jak też i w fazie operacyjnej.
Dziękuję za uwagę KONTAKT: dr Leszek Ośródka Zakład Monitoringu i Modelowania Zanieczyszczeń Powietrza IMGW-PIB Oddział w Krakowie 40-045 Katowice, ul. Bratków 10 tel. (32) 3571135 e-mail: leszek.osrodka@imgw.pl http://www.imgw.pl www.pogodynka.pl www.air-silesia.pl