From the SelectedWorks of Robert Oleniacz January 1, 2017 Ocena kierunków napływu zanieczyszczeń powietrza z wykorzystaniem modelu HYSPLIT Adriana Szulecka Robert Oleniacz Available at: https://works.bepress.com/robert_oleniacz/146/
20. Ocena kierunków napływu zanieczyszczeń powietrza z wykorzystaniem modelu HYSPLIT Assessment of the air pollution inflow dir ections using the HYSPLIT model Szulecka Adriana, Oleniacz Robert AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska Szulecka Adriana: szulecka@agh.edu.pl Słowa Kluczowe: jakość powietrza, trajektorie wsteczne, modelowanie, WRF, Openair Streszczenie W pracy przedstawiono przykłady wykorzystania modelu trajektorii wstecznych HYSPLIT do oceny kierunków napływu wybranych zanieczyszczeń powietrza dla miasta Krakowa. W analizie wykorzystano dane meteorologiczne pochodzące z modelu meteorologicznego WRF dla terenu Europy oraz globalnej reanalizy NCEP/NCAR. W ramach badań skoncentrowano się na epizodach charakteryzujących się podwyższonymi stężeniami zanieczyszczeń rejestrowanymi na stacji tła miejskiego na os. Kurdwanów w Krakowie, której lokalizacja stanowiła punkt startowy do wyznaczenia trajektorii wstecznych. Przedstawiono zarówno efekt przewietrzania wywołany gwałtowną zmianą kierunku oraz prędkości wiatru (orkan Ksawery), jak i zatężenie wynikające ze stagnacji powietrza w okresie zimowym. W celu określenia trendów długoterminowych podjęto się również klasteryzacji (clustering) wyznaczonych trajektorii wstecznych dla roku 2015. Wyniki analizy wskazują na występowanie związku podwyższonych stężeń pyłu zawieszonego PM10 z kierunkami napływu mas powietrza z południa oraz południowego zachodu (m. in z rejonu SSP Ostrawa-Mošnov), co jednak może częściowo wynikać z wpływu lokalnych źródeł zanieczyszczeń powietrza. Napływ mas powietrza pochodzących z terenów północnych oraz znad Morza Północnego charakteryzuje większa prędkość wiatru, a ich konsekwencją jest rozcieńczenie zanieczyszczeń i chwilowe oczyszczenie powietrza. 1. Wstęp Warunki atmosferyczne, charakterystyczne i unikalne dla danej lokalizacji mogą w głębokim stopniu wpływać na kształtowanie się poziomów zanieczyszczeń powietrza na danym obszarze. To oddziaływanie jest szczególnie widoczne na terenach o ograniczonych możliwościach przewietrzania i zwiększonej emisji zanieczyszczeń ze źródeł lokalnych, jakimi są miasta (Isyumov i in. 1995). W tych lokalizacjach bardzo często dochodzi do sytuacji zatężenia zanieczyszczeń w centrum, na co bezpośredni wpływ ma duży odsetek dni z wystąpieniami ciszy wiatrowej. Nawet chwilowy powiew wiatru o odmiennym kierunku przynoszący czystsze masy powietrza z terenów bardziej odległych może spowodować znaczne obniżenie rejestrowanych poziomów stężeń zanieczyszczeń (McGowan i Clark 2008). Jednocześnie charakterystyka tych napływów w przyziemnej warstwie atmosfery jest uzależniona dodatkowo od innych czynników, w tym ukształtowania terenu (Wang i in. 2010). Zależności występujące w ostatnich latach w Krakowie pomiędzy stężeniami zanieczyszczeń w powietrzu oraz podstawowymi parametrami meteorologicznymi zostały scharakteryzowane w kilku pracach (Oleniacz i in. 2014; Ćwiek i Majewski 2015; Oleniacz i in. 2016a), W analizach tych nie wykorzystywano jednak dokładnych informacji o trasie i zasięgach napływu mas powietrza na stację pomiarową. Wyznaczenie trajektorii wstecznych dla danej lokalizacji i połączenie wyników z informacjami dotyczącymi stężeń zanieczyszczeń powietrza pozwala wnioskować o ścieżkach napływu mas powietrza oraz potencjalnych źródłach zanieczyszczeń (Hernández-Ceballos i in. 2013). Przeprowadzenie dodatkowych analiz (np. clustering, CWT) na dużym zbiorze wyznaczonych trajektorii pozwala na zrozumienie procesów cyrkulacji powietrza w przyziemnej warstwie atmosfery nad danym obszarem i trendów długoterminowych (Kong i in. 2013). Obecnie jest to jedna z najpopularniejszych metod oceny 132 S t r o n a
napływu i pochodzenia mas powietrza oraz transportowanych wraz z nimi zanieczyszczeń powietrza (McGowan i Clark 2008; Wang i in. 2010; Czernecki i in. 2016). Często wykorzystuje się ją do także określenia wpływu i zasięgu katastrof naturalnych, takich jak wybuchy wulkanów lub pożary lasów (Duc i in. 2016; Skorokhod i in. 2016). Celem przeprowadzonej w niniejszej pracy analizy było zidentyfikowanie głównych kierunków napływu mas powietrza na stację monitoringu jakości powietrza w Krakowie na os. Kurdwanów w roku 2015 na podstawie 120-godzinnych trajektorii wstecznych oraz zbadanie przydatności wyznaczania 24-godzinnych trajektorii wstecznych dla wybranych epizodów charakteryzujących się odmiennymi warunkami meteorologicznymi. 2. Materiały i metody W ramach badań przeprowadzono analizę wyników wyznaczenia trajektorii wstecznych w modelu HYSPLIT (Stein i in. 2015) dla wybranych epizodów z okresu lat 2013-2015. Jako punkt startowy przyjęto lokalizację stacji Wojewódzkiego Inspektoratu Ochrony Środowiska w Krakowie na os. Kurdwanów wykonującą ciągłe pomiary podstawowych zanieczyszczeń powietrza (tło miejskie). Korzystając z możliwości integracji modelu HYSPLIT w środowisku programistycznym R za pomocą pakietu Openair (Carslaw i Ropkins 2012) wyznaczono trajektorie o różnym czasie trwania (24 120 godzin wstecz). Spośród analizowanych danych wybrano epizod, w którym Polska znalazła się pod wpływem orkanu Ksawery (grudzień 2013) oraz kilkudniowy epizod charakteryzujący się stagnacją powietrza w Krakowie w okresie zimowym w roku 2015. Sytuacje te pozwoliły na omówienie charakterystyki trajektorii wstecznych w przypadku wystąpienia skrajnych warunków przewietrzania. Wyniki dotyczące poszczególnych trajektorii zestawiono również z odpowiednimi pomiarami stężeń zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego, co pozwoliło wnioskować o ich potencjalnych kierunkach napływu najbardziej zanieczyszczonych mas powietrza. W celu wyznaczenia trendów długoterminowych przeprowadzono klasteryzację (ang. clustering) analizowanych trajektorii tak, aby zidentyfikować 6 dominujących klas kierunków napływu zanieczyszczeń na stację monitoringu. W tym celu w modelu obliczana jest matryca odległości (ang. distance matrix), która określa podobieństwo między wyznaczonymi trajektoriami wstecznymi. W pakiecie Openair do obliczeń używana jest najprostsza metoda odległości euklidesowej (Dorling i in. 1992), opisana równaniem: 1 2 i=1 ) n d 1,2 = ( ((X 1i X 2i ) 2 + (Y 1i Y 2i )) 2 gdzie X 1, Y 1 oraz X 2, Y 2 wskazują na współrzędne szerokości i długości geograficznej trajektorii wstecznych 1 i 2, a n oznacza liczbę punktów trajektorii (w zależności od przyjętego czasu). Dla każdej wyznaczonej klasy trajektorii możliwe było przyporządkowanie średnich stężeń pyłu zawieszonego PM10 i prędkości wiatru oraz wizualizacja tych zależności. 3. Wyniki i dyskusja a. Orkan Ksawery Niecodzienne warunki meteorologiczne w Krakowie miały miejsce w grudniu 2013 roku, kiedy przez teren Europy północnej przeszedł orkan Ksawery. Polska znalazła się w zasięgu jego oddziaływania w dniach 5-7 grudnia, wtedy też na Pomorzu odnotowano prędkości wiatru przekraczające 30 m s -1. Ze względu na dużą odległość od oka orkanu na terenie kraju utrzymywał się wiatr wiejący głównie z kierunku zachodniego i zachodnio-północnego. Był to bezpośredni powód znacznego obniżenia wartości zanieczyszczeń powietrza rejestrowanych między innymi na stacji tła miejskiego na os. Kurdwanów w Krakowie (Rys.1). W dniach bezpośrednio poprzedzających nadejście orkanu poziom pyłu zawieszonego PM10 przekraczał znacznie 24-godzinny poziom dopuszczalny równy 50 µg m -3 (RMŚ 2012). (1) 133 S t r o n a
Rys.9. Wykres zmienności stężeń 1-godz. zanieczyszczeń w powietrzu mierzonych na stacji tła miejskiego Kraków-Kurdwanów oraz prędkości wiatru rejestrowanych na stacji meteorologicznej IMGW Balice w dniach 2-9.12.2013 r. Trajektorie wsteczne wyznaczone w tym okresie dla analizowanej stacji monitoringu jakości powietrza pokazują gwałtowną zmianę kierunku i prędkości wiatru w dniu, w którym oddziaływanie orkanu było najsilniej widoczne, tj. 6.12.2013 r. (Rys.2). Obniżenie stężeń zanieczyszczeń mogło być spowodowane zarówno zwiększoną prędkością wiatru, jak i napływem czystszych mas powietrza z terenów bardziej odległych. Rys.10. Dobowe trajektorie wsteczne wyznaczone co 1 godzinę dla stacji tła miejskiego Kraków- Kurdwanów w odniesieniu do rejestrowanych stężeń pyłu zawieszonego PM10 w okresie 3-6.12.2013 r. b. Epizod podwyższonych stężeń pyłu zawieszonego PM10 w styczniu 2015 roku Podobnie jak w dniach przed oczyszczeniem powietrza w wyniku oddziaływania orkanu Ksawery epizod ten wskazuje, że największe stężenia pyłu zawieszonego PM10 obserwowane są w przypadku napływu powietrza z kierunku południowego oraz południowo-zachodniego (Rys.4). 134 S t r o n a
Należy jednak zwrócić uwagę na długość wyznaczonych trajektorii. Zwiększone stężenia zanieczyszczeń w powietrzu w centrum miasta mogą być bowiem w znacznej mierze spowodowane obniżonymi prędkościami wiatru, jakie są charakterystyczne dla tego kierunku. Wyraźne pogorszenie jakości powietrza w Krakowie jest obserwowane nie tylko z powodu bardzo niskich prędkości wiatru (Rys.3), ale także w związku z występowaniem wówczas przeważnie małej wysokości warstwy mieszania (Oleniacz i in. 2016a). Rys.11. Wykres zmienności stężeń 1-godz. zanieczyszczeń w powietrzu oraz prędkości wiatru rejestrowanych na stacji tła miejskiego Kraków-Kurdwanów w dniach 5-10.01.2015 r. Rys.12. Dobowe trajektorie wsteczne wyznaczone co 1 godzinę dla stacji tła miejskiego Kraków- Kurdwanów w odniesieniu do rejestrowanych stężeń pyłu zawieszonego PM10 w okresie 6-9.01.2015 r. c. Klasteryzacja trajektorii wstecznych Analiza sześciu klastrów trajektorii wstecznych dla roku 2015 roku (Rys.5) pozwala zidentyfikować główne kierunki napływu mas powietrza na stację tła miejskiego Kraków- 135 S t r o n a
Kurdwanów w tym okresie. Istotny jest tutaj wpływ przeszkód terenowych na kształtowanie się kierunków napływu. Klaster C6 wskazuje na występowanie wiatru wiejącego z południa, który, otaczając pas Karpat od strony południowej, posiada relatywnie niską prędkość w porównaniu do pozostałych klastrów (Rys.7) i przynosi masy powietrza pochodzące ze wschodu. Z tym klastrem są także związane relatywnie duże stężenia pyłu zawieszonego PM10 (Rys.6), co jednak może wynikać z oddziaływania w sezonie zimowym źródeł bliżej położonych. Rys.13. Wyznaczone klastry trajektorii wstecznych dla roku 2015 roku z trajektorii sporządzonych co trzy godziny danego dnia analizy dla 120 godzin wstecz względem punktu startowego (stacji Kraków-Kurdwanów) Kierunek napływu, który charakteryzuje klaster C2 grupujący 26,3% wszystkich wyznaczonych trajektorii dla roku 2015, jest determinowany przepływem wiatru przez zachodnią część Podkarpacia i kotlin występujących na terenie Polski i Czech. Klaster ten wraz z klastrem C1 grupuje ponad połowę wszystkich trajektorii wstecznych, a wyznaczony przez nie kierunek napływu jest zgodny z różą wiatrów typową dla tej lokalizacji (Oleniacz i in. 2016b). Zauważalny jest ogólny trend wskazujący, że najdłuższe trajektorie, a jednocześnie te klastry charakteryzujące się największą prędkością wiatru, są związane z napływem mas powietrza z kierunku północnego i znad Morza Północnego. Średnie stężenia pyłu zawieszonego PM10 związane z poszczególnymi klastrami trajektorii (Rys.6) w zależności od pory dnia i roku wskazują, że największe poziomy tego zanieczyszczenia są związane z klastrem C6. Jednakże z tym kierunkiem napływu związane są jedne z najmniejszych prędkości wiatru spośród wszystkich zidentyfikowanych klastrów (Rys.7). Podwyższone stężenia pyłu PM10 w powietrzu mogą zatem wynikać z zatężenia tego zanieczyszczenia w centrum Krakowa w czasie bezwietrznych dni (stagnacji powietrza) i występowania przyziemnych inwersji temperatury, co jest szczególnie widoczne w miesiącach zimowych (Oleniacz i in. 2016a). W okresie tym wpływ lokalnych źródeł emisji na jakość powietrza może być dominujący, a odległe źródła emisji mogą decydować tylko o poziomie tła zanieczyszczeń w powietrzu, wynikającego z wcześniejszego ich napływu w pobliże danego punktu. Największe prędkości wiatru są związane z napływem mas powietrza ze wschodu oraz północnego wschodu (klastry C5 oraz C4). Warto zauważyć, że klaster C5 charakteryzuje się mocnym zakrzywieniem trajektorii co wynika z faktu opływania przez wiatr pasu wyżyn Polski. 136 S t r o n a
Rys.14. Obserwowane na stacji Kraków-Kurdwanów średnie stężenia pyłu zawieszonego PM10 z podziałem na klastry trajektorii wstecznych dla roku 2015 Rys.15. Obserwowane na stacji Kraków-Kurdwanów średnie prędkości wiatru z podziałem na klastry trajektorii wstecznych dla roku 2015 137 S t r o n a
4. Wnioski Metodyka zastosowana w pracy pokazuje, że wyznaczenie kierunków napływu mas powietrza może pomóc w zidentyfikowaniu warunków meteorologicznych skrajnie niekorzystnych z punktu widzenia jakości powietrza na danym obszarze. Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że analiza jedynie prędkości i kierunku wiatru występujących w danym punkcie pomiarowym może być niewystarczająca do pełnego zrozumienia tras napływu zanieczyszczeń powietrza. Wiele innych czynników, w tym ukształtowanie terenu, powoduje zakrzywienie tych tras i obniżenie prędkości wiatru wiejącego z danego kierunku w przyziemnej warstwie atmosfery. Powyższy wniosek potwierdza przeprowadzona analiza klastrów trajektorii wstecznych dla roku 2015. Szczególnie uwidacznia się to w napływie z kierunku południowo-zachodniego (klaster C2), przechodzącego wprost przez kotliny należące do zachodniej części Podkarpacia na terenie Czech. Klaster C6 wskazuje natomiast wyraźnie na konieczność omijania łuku Karpat przez wiatr pochodzący z terenów wschodnich i wschodnio-południowych. Wiatr wiejący z tego kierunku charakteryzuje się niższą prędkością wiatru, co może być pośrednio przyczyną epizodów zatężenia zanieczyszczeń na terenie Krakowa. Przydatność trajektorii wstecznych w wyznaczaniu potencjalnych kierunków napływu najbardziej zanieczyszczonych mas powietrza jest ograniczona. Ze względu na zastosowaną metodykę modelowania oraz nieuniknioną niedokładność danych meteorologicznych, niepewność wyznaczenia trajektorii maleje wraz ze wzrostem ich długości (czasu, dla którego zostały wyznaczone) (Wang i in. 2010). Natomiast połączenie informacji o trajektoriach wraz ze stężeniami zanieczyszczeń powietrza rejestrowanymi w punkcie startowym podaje jedynie orientacyjną informację o wpływie napływu powietrza z danego kierunku na jakość powietrza w miejscu pomiarowym. Brak informacji o momencie i miejscu wyniesienia zanieczyszczeń do śledzonych mas powietrza uniemożliwia jednoznaczne zlokalizowanie ich potencjalnych źródeł (Kumar i Verma 2016). W dalszej analizie pomocne może się okazać badanie zawartości pierwiastków charakterystycznych dla danych źródeł zanieczyszczeń (np. w pyle PM10) i ocena ich pochodzenia (Chandra i in. 2016). Praca została wykonana w ramach grantu dziekańskiego nr 15.11.150.394 i badań statutowych AGH nr 11.11.150.008. 5. Literatura Carslaw DC, Ropkins K (2012) Openair an R package for air quality data analysis. Environmental Modelling & Software, 27: 52-61. Chandra S, Kulshrestha MJ, Singh R i in. (2016) Chemical characteristics of trace metals in PM10 and their concentrated weighted trajectory analysis at Central Delhi, India. Journal of Environmental Sciences, 1 13, DOI:10.1016/j.jes.2016.06.028. Czernecki B, Półrolniczak M, Kolendowicz L i in. (2016) Influence of the atmospheric conditions on PM10 concentrations in Poznań, Poland. Journal of Atmospheric Chemistry, 1 25. Ćwiek K, Majewski G (2015) Wpływ elementów meteorologicznych na kształtowanie się stężeń zanieczyszczeń powietrza na przykładzie Krakowa. Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 67: 54 66. Dorling SR, Davies TD, Pierce CE (1992) Cluster analysis: A technique for estimating the synoptic meteorological controls on air and precipitation chemistry Method and applications. Atmospheric Environment. Part A. General Topics, 26(14): 2575 2581. Duc HN, Bang HQ, Quang NX (2016) Modelling and prediction of air pollutant transport during the 2014 biomass burning and forest fires in peninsular Southeast Asia. Environmental Monitoring and Assessment, 188(2): 1-23. Isyumov N, Helliwell S, Rosen S i in. (1995) Winds in cities: Effects on pedestrians and the dispersion of ground level pollutants. (In:) Cermak JE, Davenport AG, Plate EJ, Viegas DX (eds.) Wind Climate in Cities. Springer Netherlands, 319 335. 138 S t r o n a
Hernández-Ceballos MA, Adame JA, Bolívar JP i in. (2013) Vertical behaviour and meteorological properties of air masses in the southwest of the Iberian Peninsula (1997-2007). Meteorology and Atmospheric Physics, 119(3-4): 163 175. Kong X, He W, Qin N i in. (2013) Comparison of transport pathways and potential sources of PM10 in two cities around a large Chinese lake using the modified trajectory analysis. Atmospheric Research,122: 284 297. Kumar DB, Verma S (2016) Potential emission flux to aerosol pollutants over Bengal Gangetic plain through combined trajectory clustering and aerosol source fields analysis. Atmospheric Research, 178 179: 415 425. McGowan H, Clark A (2008) Identification of dust transport pathways from Lake Eyre, Australia using Hysplit. Atmospheric Environment, 42: 6915 6925. Oleniacz R, Bogacki M, Rzeszutek M i in. (2014) Meteorologiczne determinanty jakości powietrza w Krakowie. (W:) Konieczyński J (red.) Ochrona powietrza w teorii i praktyce. IPIŚ PAN w Zabrzu, Zabrze, 163 167. Oleniacz R, Bogacki M, Szulecka A i in. (2016a) Assessing the impact of wind speed and mixinglayer height on air quality in Krakow (Poland) in the years 2014-2015. Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture, 33, z. 63(2/II/16): 315 342. Oleniacz R, Bogacki M, Szulecka A i in. (2016b) Wpływ prędkości i kierunku wiatru na jakość powietrza w Krakowie. (W:) Dziopak J, Słyś D, Stec A (red.) Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna INFRAEKO 2016 Nowoczesne miasta. Infrastruktura i środowisko. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Kraków, 263 276. RMŚ (2012) Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 sierpnia 2012 r. w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu. Dz.U. 2012 poz. 1031. Skorokhod AI, Elansky NF, Safronov AN i in. (2016) The impact of the April 2010 Eyjafjallajökull eruption on the atmosphere composition in Moscow. Journal of Volcanology and Seismology, 10: 263 274. Stein AF, Draxler RR, Rolph GD i in. (2015) Noaa s hysplit atmospheric transport and dispersion modeling system. Bulletin of the American Meteorological Society, 96: 2059 2077. Wang F, Chen DS, Cheng SY i in. (2010) Identification of regional atmospheric PM10 transport pathways using HYSPLIT, MM5-CMAQ and synoptic pressure pattern analysis. Environmental Modelling & Software, 25: 927 934. 139 S t r o n a