Letová měření kvality ovzduší v rámci projektu Informační systém kvality ovzduší v oblasti Polsko-Českého pohraničí ve Slezském a Moravskoslezském regionu Závěrečná zpráva Zpracoval: Český hydrometeorologický ústav, červen září 2013 Ing. Marek Hladík, ČHMÚ pobočka Plzeň Ing. Tomáš Fory, ČHMÚ pobočka Plzeň Ing. Jan Hadinger, ČHMÚ pobočka Plzeň Mgr. Libor Černikovský, ČHMÚ pobočka Ostrava
Obsah Úvod... 3 1. Technické řešení... 3 2. Letové trasy... 3 3. Výsledky měření... 4 Závěr... 5 Příloha 1 Technické parametry použitých strojů a měřidel... 6 Letadlo... 6 Analyzátory škodlivin... 6 Ostatní... 7 Příloha 2 Obrázky, tabulky... 8 Příloha 3 Mapy koncentrací škodlivin a meteorologických veličin... 13 Let č. 1-1: 15. 5. 2013, 12:53:25-14:29:55 UTC, 580 m n. m.... 14 Let č. 1-2: 15. 5. 2013, 14:30:45-15:25:55 UTC, 730 m n. m.... 18 Let č. 1-3: 16. 5. 2013, 7:18:45-9:21:20 UTC, 560 m n. m.... 22 Let č. 1-4: 16. 5. 2013, 11:09:25-13:08:10 UTC, 725 m n. m.... 26 Let č. 1-5: 17. 5. 2013, 6:25:40-8:02:55 UTC, 640 m n. m.... 30 Let č. 2-1: 12. 6. 2013, 12:11:45-13:32:55 UTC, 560 m n. m.... 32 Let č. 2-2: 12. 6. 2013, 14:08:15-15:35:55 UTC, 710 m n. m.... 36 Let č. 2-3: 13. 6. 2013, :03:55-09:00:35 UTC, 560 m n. m.... 40 Let č. 2-4: 13. 6. 2013, 10:12:45-12:07:15 UTC, 720 m n. m.... 44 Let č. 2-5: 14. 6. 2013, 6:44:15-8:03:45 UTC, 900 m n. m.... 48
Úvod V rámci projektu Informační systém kvality ovzduší v oblasti Polsko-Českého pohraničí ve Slezském a Moravskoslezském regionu byla provedena letová měření kvality ovzduší. Měření byla uskutečněna ve dvou měřících kampaních, a sice ve dnech 15. 17. 5. 2013 a 12. 14. 6. 2013 za různých meteorologických podmínek. V zájmové oblasti během první kampaně převažovalo JZ proudění, tedy vzduch v oblasti hranice proudil přibližně z Česka do Polska. Během druhé kampaně mělo proudění opačný směr, vzduch proudil z Polska do Česka ze severovýchodu. Při každé kampani bylo provedeno pět letů, při kterých se monitorovaly škodliviny v atmosféře v několika letových hladinách (výškách) nad průmyslovou aglomerací Moravskoslezského kraje, nad česko-polskou hranicí a nad aglomerací Slezského vojvodství. Sledovány byly oxid siřičitý SO 2, oxidy dusíku NO 2 a NO X, suspendované částice PM 10, PM 2,5 a PM 1 a doplňkově byl měřen rovněž troposférický ozón O 3. 1. Technické řešení Jako nosná platforma pro letová měření kvality ovzduší byl zvolen malý jednomotorový letoun Cessna T 207 A, pro který byla schválena Evropskou agenturou pro bezpečnost letectví (EASA) zástavba měřící aparatury, včetně schválení odběru vzorku (obr. 1.1) 1. Tento typ letounu je kompromisem mezi provozními náklady a ideální technickou specifikací nosné platformy. Jedná se především o užitečnou nosnost letounu, obtékání vzduchu bez turbulencí (vliv vrtule), oddělení spalin z motoru, možnost umístění odběrového zařízení, apod. Letová měření byla provedena letounem firmy Jas Air CZ, s.r.o., která byla pro realizaci vybrána ve výběrovém řízení (Příloha 1, obr. 1.2). Měření znečištění ovzduší byla provedena při ustálené rychlosti letounu vůči větru cca 200 km h -1. Všechny lety byly uskutečněny za podmínek VFR a meteorologických podmínek, při kterých lze provozovat lety se zvoleným letounem. Plynné polutanty byly měřeny analyzátory, které jsou používány pro měření ve Stání imisní síti provozované ČHMÚ, koncentrace suspendovaných částic PM 10, PM 2,5 a PM 1 byly měřeny portable analyzátorem GRIMM Příloha 1). 2. Letové trasy Letové trasy byly zvoleny v oblasti řešení projektu. Záměrem bylo uskutečnit souvislé lety v oblasti česko-polského pohraničí na zvolených trasách v různých výškách nad terénem a lety na stejných trasách opakovat za různých meteorologických podmínek, které mají vliv na způsob a intenzitu rozptylu znečišťujících látek v ovzduší, tj. zejména při různých směrech a rychlostech větru v oblasti měření a při různých vertikálních profilech teploty (stabilitě atmosféry). Úkolem bylo změřit znečištění ovzduší v ose zájmového území mezi Hranicemi přes Ostravu až po Katowice, nad českopolskou hranicí od Opavy po Třinec a nad průmyslovou aglomerací Moravskoslezského kraje, tj. na trase přes Ostravu a kolem ní přibližně přes Frýdek-Místek, Třinec, Český Těšín, Orlovou, Bohumín, Dolní Benešov a Fulnek. 1 Všechny obrázky a tabulky jsou v Příloze na konci tohoto dokumentu.
Celkem bylo uskutečněno 10 letů, a to 5 letů v každé ze dvou měřicích kampaních ve dnech 15. 17. 5. 2013 a 12. 14. 6. 2013 (obr. 2.1 2.2, tab. 2.1). Jednotlivý let trval cca 1 2 hodiny. Měření byla provedena během ustáleného proudění. V zájmové oblasti během první kampaně převažovalo JZ proudění, tedy vzduch v oblasti hranice proudil přibližně z Česka do Polska. Během druhé kampaně mělo proudění opačný směr, vzduch proudil z Polska do Česka ze severovýchodu. 3. Výsledky měření Podrobné výsledky měření, tj. okamžité koncentrace škodlivin v 5 sekundových intervalech doplněné o geografické souřadnice, nadmořskou výšku, výšku nad terénem a rychlost letu jsou uvedeny v samostatných datových souborech. Soubory jsou k dispozici na internetových stránkách projektu www.air-silesia.eu. Data z každého letu jsou v samostatném souboru, pojmenovaném Letová_měření_kampaňX-Y.txt, kde X je číslo kampaně 1 nebo 2 a Y číslo letu v kampani 1 5 (výpis úvodu jednoho souboru - viz tab. 3.1). Při měření znečištění ovzduší v různých výškách nad zemí je rozhodující vzájemná poloha letové hladiny a kouřové vlečky zdrojů. Kouřová vlečka zdroje je vlivem tepelného vznosu a výstupné rychlosti unášena vertikálně od místa zdroje způsobem, závisejícím na aktuální stabilitě atmosféry a rychlosti větru. Vlečka je rovněž unášena v horizontálním směru v závislosti na směru a rychlosti větru. Může se stát, že vlečka, jakkoliv emisně vydatného zdroje a jakkoliv zahuštěná, je při měření podlétnuta či nadlétnuta, v důsledku čehož jsou naměřené koncentrace buď nízké nebo vlečka daného zdroje není při takovém měření vůbec zachycena. Nejvyšší koncentrace jsou pochopitelně naměřeny při průletu středem vlečky v těsné blízkosti zdroje (obr. 3.1). Pole koncentrací v dané výšce nad zemí se tak může lišit, resp. liší se, od rozložení přízemních koncentrací. To se týká nejen hodnot koncentrací, ale rovněž jejich plošného rozložení. Z naměřených hodnot lze vykreslit obrázek s přibližným plošným rozložením koncentrací škodlivin v dané letové hladině během jednoho letu, předpokládáme-li, že během trvání letu cca 1 2 hodiny se pole koncentrací neměnilo, tj. že meteorologické podmínky a emisní poměry byly přibližně stejné. Nejedná se tedy o pole koncentrací naměřených v jednom stejném okamžiku, resp. o průměrnou koncentraci během stejného časového intervalu, jak je tomu při stacionárních přízemních měřeních. Pole imisních koncentrací v zájmové oblasti, uvedených v tomto dokumentu, byla vypočítána extrapolační metodou, sestavenou speciálně pro tento úkol. Metoda vychází ze známých naměřených koncentrací během letu a z proudění větru. V prvním kroku byly výpočtem odhadnuty tzv. rurální body, tj. body umístěné na kraji zájmové (výpočtové) oblasti. Hodnota koncentrace v těchto bodech byla vypočítána IDW interpolací z polohově nejbližší naměřené hodnoty a z minimální hodnoty celé oblasti. V dalším kroku bylo interpolováno metodou modifikované IDW mezi rurálními body a naměřenými body. Modifikace metody spočívá v různých vahách pro vzájemné natočení vektoru vztahu vypočítaný bod - známý bod a vektoru proudění větru. Nejistota vypočtených koncentrací roste se zvětšující se vzdáleností od trasy letu. Takto vypočtená pole koncentrací jsou zjednodušeným odhadem skutečného rozložení koncentrací v dané výšce nad zemí během konkrétního letu. Při hodnocení a interpretaci výsledků letových měření a při jejich porovnávání s výsledky přízemních měření je nutno mít na paměti výše uvedené skutečnosti.
Pole koncentrací škodlivin v letových hladinách jsou pro porovnání, další analýzy a interpretace doplněna poli přízemních 1hodinových průměrných koncentrací škodlivin na Ostravsko-Karvinsku a poli vybraných meteorologických veličin (teplota vzduchu ve výšce 2 m nad zemí, směr a rychlost větru ve výšce 10 m nad zemí 2, teplota vzduchu a směr a rychlost větru v hladině 925 hpa a tloušťka mezní vrstvy atmosféry). Hladina 925 hpa je nejnižší hladinou, pro kterou jsou standardně dostupné plošné analýzy meteorologického předpovědního modelu ALADIN 3. Odpovídá přibližně výšce 750 m nad terénem, tj. nejlépe odpovídá výšce letových hladin, ve kterých byla provedena letová měření znečištění ovzduší (Příloha 3). Závěr Provedená letová měření v rámci projektu Informační systém kvality ovzduší v oblasti Polsko- Českého pohraničí ve Slezském a Moravskoslezském regionu jsou prvními takto komplexně a plošně rozsáhle provedenými letovými měřeními znečištění ovzduší v tomto regionu. Vzhledem k nutnosti certifikace zástavby měřicí aparatury v letounu, administrativním a technickým problémům byla letová měření provedena až v závěru projektu (projekt probíhal do 30. 6. 2013). Tato závěrečná zpráva obsahuje úplné výsledky provedených měření a základní vyhodnocení, která byla provedena v rámci projektu. 2 Teplota vzduchu ve výšce 2 m nad zemí, směr a rychlost větru ve výšce 10 m nad zemí jsou standardními meteorologickými měřeními. 3 Model ALADIN (Aire Limitée, Adaptation Dynamique, Development International) je numerický předpovědní model počasí, který je vyvíjen od roku 1991 v mezinárodní spolupráci vedené francouzskou povětrnostní službou Météo France. Model je v rutinním provozu v řadě členských zemí konsorcia ALADIN a jeho vývoj probíhá v rámci řady národních a evropských projektů. Členem konsorcia je i ČHMÚ.
Příloha 1 Technické parametry použitých strojů a měřidel Letadlo Typ... Cessna T 207 A Imatrikulační znak... OK-AAJ Dolet... 600 km Dostup... 3 500 m - bez kyslíkového přístroje... 4 050 m - s kyslíkovým přístrojem Max. rychlost... 277 km h -1 Cestovní rychlost... 265 km h -1 Min. rychlost... 109 km h -1 (s použitím klapek, hranice stability) Rychlost stoupání... 4,1 m s -1 Užitečné zatížení... 740 kg Analyzátory škodlivin Oxidy dusíku NO 2, NO X Typ analyzátoru... Thermo Elektron model 42 FR Metoda měření... chemiluminiscenční Výrobní číslo... 42-48991-282 Rozsah... 0 1000 ppb Mez detekce... 0,5 ppb Odezva (95%)... 10 s Oxid siřičitý SO 2 Typ analyzátoru... Thermo Environmental Instruments Inc. model 43A Metoda měření... pulzní fluorescence Výrobní číslo... 43A-41019-264 Rozsah... 0 500 ppb Mez detekce... 1 ppb (rychlá odezva) Odezva (95%)... 2 min (rychlá odezva)
Ozon O 3 Typ analyzátoru... Thermo Elektron model 49 Metoda měření... UV fotometrická Výrobní číslo... 49-39311-260 Rozsah... 0 1000 ppb Mez detekce... 2 ppb Odezva (95%):... 20 s Suspendované částice PM 10, PM 2,5, PM 1 Typ analyzátoru... Grimm 1.109 Metoda měření... optoelektronická (90 rozptyl světla) Výrobní číslo... 9G080064 Rozsah... 1 100.000 µg m -3 Mez detekce... 0,25 µm Odezva:... 6 s Ostatní A/D a D/D převodník... ENVItech Staniční software... ENVItech EmiZdr v. 2.05/0-11.08.2009 (záznam dat z měřidel) GPS navigace... palubní letounu Výškoměr... palubní letounu Měnič napětí 12/230 V... SP 1200 Inteligent (modifikovaná sinusoida) Akumulátor... gelová Pb baterie 12 V / 100 Ah
Příloha 2 Obrázky, tabulky Obr. 1.1 Kontejner měřicí techniky a držák odběrových sond Obr. 1.2 Letoun Cessna T 207 A
Obr. 2.1 Trasy letových měření nad Moravskoslezským krajem včetně česko-polské hranice Obr. 2.2 Trasy letových měření nad přeshraničí oblasti Slezska a Moravy
Tab. 2.1 Parametry letových měření Číslo letu 1) 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 Datum a čas letu [UTC] 15.5., 12:53:25-14:29:55 15.5., 14:30:45-15:25:55 16.5., 7:18:45-9:21:20 16.5., 11:09:25-13:08:10 17.5., 6:25:40-8:02:55 12.6., 12:11:45-13:32:55 12.6., 14:08:15-15:35:55 13.6.,7:03:55-09:00:35 13.6., 10:12:45-12:07:15 14.6., 6:44:15-8:03:45 Letová hladina [m n. m.] Směr větru Mošnov [ ] Směr větru Lysá hora [ ] Teplota vzduchu Mošnov [ C] Teplota vzduchu Lysá hora [ C] Oblast měření 2) Škodliviny 3) 580 94 141 185 167 22 14 MSK vše 730 197 193 167 182 22 14 MSK vše 4) 560 204 187 157 170 20 21 11 14 CZ-PL vše 725 166 184 174 186 24 15 17 CZ-PL vše 640 170 144 169 172 19 22 11 13 MSK PM 5) 560 53 28 22 15 19 20 11 12 MSK vše 710 29 49 11 26 20 11 12 MSK vše 560 208 29 346 62 17 21 13 14 CZ-PL vše 720 307 104 340 357 22 23 15 16 CZ-PL vše 900 228 238 245 315 18 22 14 16 MSK vše Poznámky: 1) X-Y: X = číslo kampaně, X = číslo letu v kampani 2) CZ-PL = přeshraničí oblast Slezska a Moravy, MSK = Moravskoslezský kraj včetně česko-polské hranice 3) Vše = SO 2, NO 2, NO X, PM 10, PM 2,5, PM 1, O 3 4) Za obrátkou mezi Třincem a Českým Těšínem byla vybita baterie a měření bylo nestabilní 5) Měření SO 2, NO 2, NO X a O 3 neprovedeno - porucha záznamu dat Mošnov: údaje z meteorologické stanice na letišti Mošnov, 250 m n. m. Lysá hora: údaje z meteorologické stanice na Lysé hoře, 1322 m n. m.
Tab. 3.1 Příklad souboru s naměřenými daty TIME-UTC [yyyy-mm-dd hh:mm:ss] WGS-X [ ] Východní zeměpisná délka WGS-Y [ ] Severní zeměpisná šířka ELEVATION [m n.m.] Výška letu nad mořem (letová hladina) GROUND [m n.m.] Nadmořská výška terénu VELOCITY [km/hod] Rychlost letu vůči terénu SO2 [µg/m3] Koncentrace oxidu siřičitého NO2 [µg/m3] Koncentrace oxidu dusičitého NOX [µg/m3] Koncentrace oxidů dusíku O3 [µg/m3] Koncentrace troposférického ozónu PM10 [µg/m3] Koncentrace suspendovaných částic frakce 10 µm a menší PM2.5 [µg/m3] Koncentrace suspendovaných částic frakce 2.5 µm a menší PM1 [µg/m3] Koncentrace suspendovaných částic frakce 1 µm a menší
Obr. 3.1 Možné vzájemné polohy letounu a kouřové vlečky zdroje
Příloha 3 Mapy koncentrací škodlivin a meteorologických veličin Pro každý let jsou na čtyřech stranách zobrazeny následující informace 4 : Tloušťka mezní vrstvy atmosféry. Směr a rychlost větru ve výšce 10 m nad zemí. Teplota vzduchu a směr a rychlost větru v hladině 925 hpa. Teplota vzduchu ve výšce 2 m nad zemí. Přízemní 1hodinové koncentrace PM 10. Koncentrace PM 2.5 v letové hladině. Koncentrace PM 10 v letové hladině. Koncentrace PM 1 v letové hladině. Přízemní 1hodinové koncentrace O 3. Přízemní 1hodinové koncentrace SO 2. Koncentrace O 3 v letové hladině. Koncentrace SO 2 v letové hladině. Přízemní 1hodinové koncentrace NO X. Přízemní 1hodinové koncentrace NO 2. Koncentrace NO X v letové hladině. Koncentrace NO 2 v letové hladině. Tabulka Přiřazení polí analýz modelu ALADIN a přízemních koncentrací k jednotlivým letům Číslo letu 1) Datum a čas letu [UTC] Čas analýzy ALADIN [UTC] Čas přízemní průměrné 1hodinové koncentrace škodlivin [UTC] 1-1 15.5., 12:53:25-14:29:55 12 13 14 1-2 15.5., 14:30:45-15:25:55 18 14 15 1-3 16.5., 7:18:45-9:21:20 6 8 9 1-4 16.5., 11:09:25-13:08:10 12 11 12 1-5 17.5., 6:25:40-8:02:55 6 7 8 2-1 12.6., 12:11:45-13:32:55 12 12 13 2-2 12.6., 14:08:15-15:35:55 18 14 15 2-3 13.6.,7:03:55-09:00:35 6 7 8 2-4 13.6., 10:12:45-12:07:15 12 11 12 2-5 14.6., 6:44:15-8:03:45 6 7 8 Poznámka: 1) X-Y: X = číslo kampaně, X = číslo letu v kampani 4 Hladina 925 hpa je nejnižší hladinou, pro kterou jsou standardně dostupné analýzy meteorologického předpovědního modelu ALADIN. Odpovídá přibližně výšce cca 750 m nad terénem, tj. nejlépe odpovídá výšce letových hladin, ve kterých byla provedena letová měření znečištění ovzduší.
Let č. 1-1: 15. 5. 2013, 12:53:25-14:29:55 UTC, 580 m n. m.
Let č. 1-1: 15. 5. 2013, 12:53:25-14:29:55 UTC, 580 m n. m.
Let č. 1-1: 15. 5. 2013, 12:53:25-14:29:55 UTC, 580 m n. m.
Let č. 1-1: 15. 5. 2013, 12:53:25-14:29:55 UTC, 580 m n. m.
Let č. 1-2: 15. 5. 2013, 14:30:45-15:25:55 UTC, 730 m n. m.
Let č. 1-2: 15. 5. 2013, 14:30:45-15:25:55 UTC, 730 m n. m.
Let č. 1-2: 15. 5. 2013, 14:30:45-15:25:55 UTC, 730 m n. m.
Let č. 1-2: 15. 5. 2013, 14:30:45-15:25:55 UTC, 730 m n. m.
Let č. 1-3: 16. 5. 2013, 7:18:45-9:21:20 UTC, 560 m n. m.
Let č. 1-3: 16. 5. 2013, 7:18:45-9:21:20 UTC, 560 m n. m.
Let č. 1-3: 16. 5. 2013, 7:18:45-9:21:20 UTC, 560 m n. m.
Let č. 1-3: 16. 5. 2013, 7:18:45-9:21:20 UTC, 560 m n. m.
Let č. 1-4: 16. 5. 2013, 11:09:25-13:08:10 UTC, 725 m n. m.
Let č. 1-4: 16. 5. 2013, 11:09:25-13:08:10 UTC, 725 m n. m.
Let č. 1-4: 16. 5. 2013, 11:09:25-13:08:10 UTC, 725 m n. m.
Let č. 1-4: 16. 5. 2013, 11:09:25-13:08:10 UTC, 725 m n. m.
Let č. 1-5: 17. 5. 2013, 6:25:40-8:02:55 UTC, 640 m n. m.
Let č. 1-5: 17. 5. 2013, 6:25:40-8:02:55 UTC, 640 m n. m.
Let č. 2-1: 12. 6. 2013, 12:11:45-13:32:55 UTC, 560 m n. m.
Let č. 2-1: 12. 6. 2013, 12:11:45-13:32:55 UTC, 560 m n. m.
Let č. 2-1: 12. 6. 2013, 12:11:45-13:32:55 UTC, 560 m n. m.
Let č. 2-1: 12. 6. 2013, 12:11:45-13:32:55 UTC, 560 m n. m.
Let č. 2-2: 12. 6. 2013, 14:08:15-15:35:55 UTC, 710 m n. m.
Let č. 2-2: 12. 6. 2013, 14:08:15-15:35:55 UTC, 710 m n. m.
Let č. 2-2: 12. 6. 2013, 14:08:15-15:35:55 UTC, 710 m n. m.
Let č. 2-2: 12. 6. 2013, 14:08:15-15:35:55 UTC, 710 m n. m.
Let č. 2-3: 13. 6. 2013, :03:55-09:00:35 UTC, 560 m n. m.
Let č. 2-3: 13. 6. 2013, :03:55-09:00:35 UTC, 560 m n. m.
Let č. 2-3: 13. 6. 2013, :03:55-09:00:35 UTC, 560 m n. m.
Let č. 2-3: 13. 6. 2013, :03:55-09:00:35 UTC, 560 m n. m.
Let č. 2-4: 13. 6. 2013, 10:12:45-12:07:15 UTC, 720 m n. m.
Let č. 2-4: 13. 6. 2013, 10:12:45-12:07:15 UTC, 720 m n. m.
Let č. 2-4: 13. 6. 2013, 10:12:45-12:07:15 UTC, 720 m n. m.
Let č. 2-4: 13. 6. 2013, 10:12:45-12:07:15 UTC, 720 m n. m.
Let č. 2-5: 14. 6. 2013, 6:44:15-8:03:45 UTC, 900 m n. m.
Let č. 2-5: 14. 6. 2013, 6:44:15-8:03:45 UTC, 900 m n. m.
Let č. 2-5: 14. 6. 2013, 6:44:15-8:03:45 UTC, 900 m n. m.
Let č. 2-5: 14. 6. 2013, 6:44:15-8:03:45 UTC, 900 m n. m.