Kvalita ovzduší. doc. RNDr. Petr Pišoft, Ph.D.

Transkript

1 Kvalita ovzduší doc. RNDr., Ph.D. Katedra agroekologie a biometeorologie, Fakulta agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů Česká zemědělská univerzita Katedra fyziky atmosféry Matematicko-fyzikální fakulta Univerzita Karlova v Praze

2 Kontakt: doc. RNDr., Ph.D. www: www: osobně: Katedra fyziky atmosféry MFF UK V Holešovičkách 2, Praha 8 č. dveří: 1144 tel.:

3 Předpověď počasí od papírových map k počítačovým simulacím, které umožňují předpovídat počasí přímo na základě příslušných fyzikálních a matematických principů časový vývoj stavu atmosféry, stejně jako vývoj kteréhokoliv jiného fyzikálního systému, není náhodný, ale je pevně určen fyzikálními zákony v meteorologii se uplatňují především zákonitosti klasické mechaniky a termodynamiky

4 Předpověď počasí Pro předpověď počasí jsou podstatné zejména tyto fyzikální zákony: zákon zachování hybnosti (Newtonův první a druhý zákon) - působení síly barického gradientu, která vzniká při rozdílu tlaků mezi dvěma místy, vliv Coriolisovy síly či působení zemské tíže zákon zachování energie, v rámci atmosférických procesů jsou nejdůležitější přeměny mezi energií kinetickou, tíhovou potenciální a tepelnou. zákon zachování hmoty - množství látky v uzavřeném systému je stálé, nemůže se zvětšovat ani zmenšovat stavová rovnice plynu - udává jednoznačný vztah mezi teplotou, tlakem a objemem plynu, pokud známe dvě z těchto veličin, můžeme jednoznačně určit hodnotu té třetí

5 Předpověď počasí Z hlediska předpovědi stavu atmosféry jsou důležité zejména: zákon zachování hybnosti (Newtonův první a druhý zákon) - působení síly barického gradientu, která vzniká při rozdílu tlaků mezi dvěma místy, vliv Coriolisovy síly či působení zemské tíže

6 atmosféra a celý klimatický systém jsou deterministické fyzikální systémy, jejichž vývoj lze jednoznačně popsat na základě existujících fyzikálních zákonů Počasí a předpověď počasí na jeden až dva dny dopředu lze běžně publikovaným prognózám vcelku věřit, přesná předpověď na týden a víc dopředu je spíše vzácností důvodem je samotná povaha atmosféry a procesů, které v ní probíhají. Jedná se o takzvané deterministicky chaotické chování.

7 Počasí a předpověď počasí určitá třída fyzikálních systémů, mezi něž patří i atmosféra, totiž vykazuje chování, které je extrémně citlivé na počáteční nastavení. I sebemenší změna v počátečním stavu zapříčiní po určité době zcela odlišný výsledek to se samozřejmě týká i prognostických simulací i malá chyba ve vstupních datech se bude v průběhu výpočtu zvyšovat, až nakonec, nejpozději po několika dnech, celou předpověď znehodnotí

8 Počasí a předpověď počasí i malá chyba ve vstupních datech se bude v průběhu výpočtu zvyšovat, až nakonec, nejpozději po několika dnech, celou předpověď znehodnotí princip citlivosti výsledků na počáteční stav ilustruje pomocí tzv. efektu motýlích křídel, kdy mávnutí křídel drobného motýlka může vést třeba ke vzniku bouře ve vzdáleném městě o několik týdnů později dlouhodobé předpovědi na měsíc i víc dopředu - neudávají konkrétní hodnoty očekávaných teplot či srážkových sum, ale spíše pravděpodobnost šířeji definovaných kategorií typu teplota podprůměrná-průměrná-nadprůměrná

9 Počasí a předpověď počasí určitá třída fyzikálních systémů, mezi něž patří i atmosféra, totiž vykazuje chování, které je extrémně citlivé na počáteční nastavení. I sebemenší změna v počátečním stavu zapříčiní po určité době zcela odlišný výsledek

10 Počasí a předpověď počasí robustnost předpovědi lze testovat proměnou počátečních podmínek - tzv. ensembles grafy

11 Počasí a předpověď počasí nejdůležitějším předpovědním modelem v České republice je model ALADIN (z francouzského Aire Limitée, Adaptation Dynamique, Development International), provozovaný ve spolupráci s francouzskou Meteo-France Českým hydrometeorologickým ústavem

12 Počasí a předpověď počasí nejdůležitějším předpovědním modelem v České republice je model ALADIN (z francouzského Aire Limitée, Adaptation Dynamique, Development International), provozovaný ve spolupráci s francouzskou Meteo-France Českým hydrometeorologickým ústavem. bývalá verze měla horizontální rozlišení 9 km, 43 vertikálních hladin, současná má rozlišení 4.7 km horizontálně a 87 vertikálních hladin (přepnuti operativního modelu ČHMÚ pro hlavní předpovědní oblast proběhlo ) výpočet v cca gridových bodech

13 Počasí a předpověď počasí nejdůležitějším předpovědním modelem v České republice je model ALADIN (z francouzského Aire Limitée, Adaptation Dynamique, Development International), provozovaný ve spolupráci s francouzskou Meteo-France Českým hydrometeorologickým ústavem. bývalá verze měla horizontální rozlišení 9 km, 43 vertikálních hladin, současná má rozlišení 4.7 km horizontálně a 87 vertikálních hladin (přepnuti operativního modelu ČHMÚ pro hlavní předpovědní oblast proběhlo ) výpočet v cca gridových bodech časový krok integrace je 6 minut a boční okrajové podmínky jsou přebírány každé tři hodiny z francouzského globálního modelu ARPEGE. Produkční předpověď se vytváří každých 6 hodin, modelová integrace se provádí 54 hodin vpřed informace o modelu - předpovědi Předpovědi >> Předpovědi počasí >> Modelové >> Aladin mezinárodní modely a předpovědi -

14 Počasí a předpověď počasí Zdroj:

20 Modelování znečištění potřeba znalosti nejen aktuálních koncentrací, ale také znalosti plošného rozložení a možného budoucího vývoje případové studie, složitý terén výsledek nelze brát jako zcela přesnou předpověď fyzikální modelování - aerodynamické tunely a vodní tanky, složitá geometrie prostředí matematické modelování - prostorová a časová měřítka, typizace zdrojů, rozlišení modelů dle matematického popisu

21 Fyzikální modelování pro procesy u nichž lze zanedbat děje v souvislosti s rotací země složitá orografie, městská zástavba transport znečišťujících látek z běžných zdrojů - topeniště, průmysl, doprava transport nebezpečných látek při haváriích anebo případně teroristických útocích validace numerických modelu případové studie - firmy, obce, složky záchranného systému do speciálního aerodynamického tunelu se umístí zmenšený model studované oblasti a ofukuje se proudem vzduchu (výjimečně také vodní tunely) přidá se zdroj znečištění = > studium transportu znečišťujících příměsí

22 Fyzikální modelování potřeba analogie proudění ve skutečnosti a na modelu, aby byly výsledky použitelné v reálu podmínky tzv. dynamické podobnosti geometrická podobnost modelu se skutečností (výroba přesná zmenšená kopie studované oblasti) geometrická podobnost polí proudnic na modelu a ve skutečnosti využití tzv. podobnostních čísel Zdroj:

23 Fyzikální modelování geometrická podobnost polí proudnic na modelu a ve skutečnosti využití tzv. podobnostních čísel - čísla podobnosti vyjadřují vzájemné poměry sil působících na vzduchovou částici - čísel podobnosti je hodně a nelze zajistit rovnost všech čísel podobnosti najednou, ale existují aproximace a některá čísla se zanedbávají, protože mají v daném případě zanedbatelný vliv vzhledem k jiným vlivům - Rossbyho číslo - poměr setrvačné a Coriolisovy síly, při modelování v malých měřítkách (do několika kilometrů) lze zanedbat - Reynoldsovo číslo - poměr setrvačné a vazké síly

24 Fyzikální modelování Reynoldsovo číslo - poměr setrvačné a vazké síly, rozlišení turbulentního a laminárního proudění Re = v L / ν (poměr rychlosti, délky a vazkosti) přechod k turbulentnímu proudění nastává pro Re 2000 až 4000 Zdroj: Zdroj:

25 Fyzikální modelování Reynoldsovo číslo - poměr setrvačné a vazké síly, rozlišení turbulentního a laminárního proudění Re = v L / ν (poměr rychlosti, délky a vazkosti) přechod k turbulentnímu proudění nastává pro Re 2000 až 4000 Zdroj: Zdroj:

26 Modelování znečištění fyzikální modelování - vodní tanky

27 Modelování znečištění fyzikální modelování - vodní tanky

28 Kvalita ovzduší Fyzikální modelování - aerodynamické tunely v ČR Ústav termomechaniky, Akademie věd ČR (Nový Knín - neuzavřený tunel) - Výzkumný a zkušební letecký ústav Praha Letňany - neuzavřený tunel v uzavřené hale

29 Fyzikální modelování - aerodynamické tunely v ČR Ústav termomechaniky, Akademie věd ČR (Nový Knín - neuzavřený tunel) -

30 Fyzikální modelování - aerodynamické tunely v ČR Ústav termomechaniky, Akademie věd ČR (Nový Knín - neuzavřený tunel) - proudění a šíření znečištění v různých typech městské zástavby Reference vector Wind direction 1 Y/H X/H v Z/H Z/H X/L Reference vector Wind direction X/H v/u H v/u H

31 Matematické (numerické) modelování analytické řešení neexistuje, protože atmosféra je popsána mnoha nelineárními parciálními diferenciálními rovnicemi numerické řešení je nejlevnější a nejrychlejší, ale jsou nutná mnohá zjednodušení => výsledky mohou být neuspokojivé

32 Matematické modelování rozdělení oblasti zájmu na tzv. emisní čtverce (případně v různých vertikálních patrech) parametrizace - typ a množství emitované látky, typ emisního zdroje (bodový, liniový, plošný) Zdroj: Baklanov et al., 2009

33 Matematické modelování - parametrizace zdrojů bodový zdroj zanedbatelný rozměr, komín (kg/s) liniový zdroj množina bodových zdrojů v linii, ulice (kg/s m) plošný zdroj půdní eroze, pole, prům. areály (kg/s m 2 ) objemový zdroj chemické reakce v atm., vznik látky v celém objemu nízké zdroje - (přízemní), zemědělství, skládky, topení, doprava vyvýšené zdroje - komíny (vysoké a nízké - důležité pro rozptyl vlečky) výškové zdroje - letecká doprava stacionární a pohyblivé zdroje kontinuální (spojité) a diskontinuální zdroje

34 Matematické modelování rozdělení modelů dle matematické konstrukce modely stacionární a nestacionární, modely (ne)zahrnující následné chemické reakce v atmosféře zahrnutí proměny okrajových podmínek, komplexní atmosférické modely,...

35 Matematické modelování - základní/historické rozdělení A - jednoduché trajektoriové modely - nejstarší, léta, odhady transportu znečištění mezi státy, hrubé odhady jednotlivých trajektorií A B - vlečkové (plume) modely - uvažují se již vertikální a horizontální rozměry (difuze), děje suché i mokré depozice, chemické reakce B C - puff modely - vlečka rozdělená na dílčí elementy, snadnější modelování rychlých chemických reakcí, možnost míchání více vleček C

36 Matematické modelování - klasifikace modelů empirické vztahy založené na pozorování, statistické modely (i pokročilé, neuronové sítě aj.) gaussovské disperzní modely, řešení rovnice difuze, předpoklad normálního rozdělení, stacionární,... vlečkové (plum) modely - horizontální a vertikální rozměry difuze vlečky, stacionární, vlečka znečištění se šíří podél trajektorie proudění, jež vychází z daného emisního zdroje puff modely (puff - výdech, vydechnutí, blafnutí) - nestacionární, spojitá vlečka nehrazena sérií puffů, takže intenzita emisního toku daného zdroje je zachována. Možnost zahrnutí komplexní chemie dynamické modely s úplnou parametrizací fyzikálních modelů v atmosféře - tento typ modelu navázán na meteorologický preprocesor - meteorologický model poskytující informace o polích meteorologických prvků (proudění, teplota, vlhkost, stabilita).

37 Matematické modelování - statické modely statistické modely - vychází ze zjednodušených předpokladů a okrajových podmínek zdroj znečištění je bod s konstantním stálým únikem znečišťující látky neexistují prostorové omezující podmínky modelovaný případ je statický (konstantní složky vektorů větru) často modifikací Gaussovského modelu (modely, ve kterých je rozptyl ve směru kolmém ke směru proudění kouřové vlečky popsán pomocí Gaussova normálního rozložení)

38 Matematické modelování - gaussovské modely gaussovské modely rozptylu znečišťujících příměsí v atmosféře vychází z analytického řešení difúzní rovnice výchozím principem je zjednodušující idealizace založená na zanedbání nelineárního advekčního přenosu závislého na složitém 3D poli proudění obecně platná Navierova-Stokesova rovnice pro zachování střední koncentrace pasivní příměsi se redukuje na rovnici popisující turbulentní difúzi dále se předpokládá izotropní tvary členů turbulentní difúze (charakter turbulentní difúze je nezávislý na směru) rovnice difúze má pak sféricky symetrické řešení střední koncentrace pasivní příměsi je funkcí času a vzdálenosti od zdroje takovému to řešení odpovídá i tzv. Suttonův model

39 Matematické modelování - dynamické modely dynamické modely - založeny na řešení fyzikálních rovnic pohybové rovnice pro složky turbulentního proudění, rovnice difúze vodní páry, rovnice difúze znečišťující látky, rovnice kontinuity, stavová rovnice...

42 Matematické modelování - legislativa v rámci legislativy jsou prováděcím předpisem zákona o ovzduší stanoveny referenční (srovnávací) metody pro výpočet rozptylu znečišťujících látek v ovzduší Jméno modelu Oblasti použití Velikost výpočetní oblasti Určen pro znečišťující látky ATEM městské oblasti nad úrovní střech budov; bodové, plošné a mobilní zdroje do 100 km od zdroje SO2, NOx, CO, prašný aerosol a další méně reaktivní látky (benzen ) SYMOS 97 venkovské oblasti; bodové, plošné a mobilní zdroje do 100 km od zdroje SO2, NOx, CO, prašný aerosol, NH3 a další méně reaktivní látky (benzen ) AEOLIUS městské oblasti v uličních kaňonech; mobilní zdroje jednotlivé ulice znečištění z dopravy

43 Matematické modelování - model AEOLIUS vyvinutý Britskou meteorologickou službou (UKMO) dostupný na internetových stránkách určen pro městské oblasti v uličních kaňonech, rozhodování místních úřadů umožňuje počítat hodinové průměry koncentrací NO x, NO 2, CO, SO 2, PM 10, benzenu... pro oblast uličního kaňonu nejsou klasické vlečkové gaussovské modely vhodné Zdroj: Vítr na úrovni střech C pozadí Z ávětrná strana Vír Návětrná strana

44 Matematické modelování - model ATEM metodika dostupná na komplexní nástroj pro hodnocení kvality ovzduší v regionálním měřítku, umožňuje posuzování imisní zátěže daného území určen jako podpora pro rozhodování státní správy, referenční metoda pro výpočty v městských oblastech výpočet znečištění ovzduší plynnými látkami a prachem od libovolně velkého počtu bodových, liniových a plošných zdrojů znečištění ovzduší Zdroj:

45 Matematické modelování - model ATEM výpočet zohledňuje nadmořskou výšku terénu není vhodné pro studie, kdy vzdálenost zdrojů od referenčních bodů je větší než cca 100 km není vhodné pro detailní stanovování hodnot koncentrací např. v uličních kaňonech neumožňuje stanovit hodnoty koncentrací za velmi nízkých rychlostí větru a bezvětří Zdroj:

46 Matematické modelování - model SYMOS 97 od roku 1998 zaveden jako "Metodický pokyn odboru ochrany ovzduší MŽP výpočtu znečištění ovzduší z bodových a mobilních zdrojů 'SYMOS 97' (Systém modelování stacionárních zdrojů) SYMOS 97 je závaznou metodou pro výpočet rozptylu znečišťujících látek v ČR ve smyslu 17 odst.(5) zákona o ochraně ovzduší a je závazná také pro výpočet výšky komína dle 3 odst.(7) modelování dle metodiky SYMOS 97 se významně uplatňuje v procesu EIA (posuzování vlivů na životní prostředí dle přísl. zákona) metoda modelování může být také použita k dopočítávání mezilehlých hodnot v imisních mapách primárně odvozených z údajů naměřených v síti monitorovacích stanic dále je modelování používáno při stanovování podílů konkrétních zdrojů na znečištění ovzduší, resp. přímo na imisních škodách ve vybraných oblastech (např. lesní porosty)

47 Matematické modelování - model SYMOS 97 podstatou metodiky SYMOS 97 je gaussovský model rozptylu kouřové vlečky, který je dále ve snaze o lepší přiblížení se různým variantám reálných rozptylových situací rozšířen o dodatečné parametrizace vzorec pro výpočet imisní koncentrace znečišťující příměsi v okolí bodového zdroje (ve směru unášejícího proudění o střední rychlosti u) má tvar:

48 Matematické modelování - model SYMOS 97 SYMOS 97 vychází ze zjednodušujícího popisu turbulentní difúze, resp. turbulence samotné výchozí zjednodušení - homogenita turbulence je sice s ohledem na fyzikální realitu zásadní, avšak při výpočtu střední (časově zprůměrované) veličiny reprezentuje pro řadu reálných meteorologických situací akceptovatelnou míru přiblížení daný typ modelu má z principiálních důvodů pouze lokální použitelnost - model žádným způsobem neřeší pole proudění v mezní vrstvě atmosféry při použití gaussovského modelu dle metodiky SYMOS 97 pro oblasti hor nebo vrchovin je použití modelu i přes kvalitní parametrizaci značně problematičtější Srovnání výsledků z modelu SYMOS 97 pro různé směry větru

49 Matematické modelování - parametrizace povrchu parametrizace typu povrchu parametrizace reliéfu při použití gaussovského modelu dle metodiky SYMOS 97 pro oblasti hor nebo vrchovin je použití modelu problematické Příklad zjednodušení tvaru povrchu při použití metodiky SYMOS 97