Autor Organizace Název textu Mgr. Jan Macoun, PhD. Český hydrometeorologický ústav, Praha Porovnání vybraných modelů z hlediska konstrukce a provozních podmík BK7 - Specializované modelové systémy Blok Datum Červec 2001 Poznámka Text prošel redakční ani jazykovou úpravou
POROVNÁNÍ VYBRANÝCH MODELŮ Z HLEDISKA KONSTRUKCE A PROVOZNÍCH PODMÍNEK 1. POROVNÁNÍ VYBRANÝCH MODELŮ Z HLEDISKA KONSTRUKCE V přehledu literatury byl uveden seznam modelů zaměřených na výpočet městského zčištění. Řada uvedených modelů je v praxi hůře použitelná (velké pořizovací náklady, obtížně dostupná data ). V Praze patří mezi jpoužívanější modely model ATEM a model SYMOS 97. Tyto modely jsou primárně určené pro výpočty průměrných ročních koncentrací. Dále je v současné době v rámci projektu HEAVEN zaváděn modelový systém AIRVIRO, který je schopen počítat aktuální imisní zátěž a ve spolupráci s meteorologickým prognózním modelem imisní zátěž i predikovat. V následujícím textu proto budou porovnány tyto tři modely. Srovnání bude zaměřeno na konstrukci modelů, požadované vstupní údaje, výstupní pole a kočně na provozní podmínky modelu. Na tomto místě je vhodné připomenout i návrhy zákona o ovzduší a souvisejících vyhlášek. V návrhu vyhlášky se uvažuje o vytvoření systému referenčních modelů vhodných pro jednotlivé úlohy a procesu schvalování ekvivalentních modelů (pracovní názvy), tak aby byla zajištěna srovnatelnost jejich výsledků. Takovýto seznam by pak sloužil i jako vodítko pro odpovědné činitele při rozhodování o kvalitě předložených výpočtů tak, aby se zabránilo používání vhodných a zastaralých modelů pro rozptylové studie. 1.1. POROVNÁNÍ MODELŮ PODLE KONSTRUKCE V této kapitole se budeme zabývat porovnáním jednotlivých modelů z hlediska jejich konstrukce. Protože Eulerovský model a Gaussovský model zahrnuté v systému AIRVIRO mají zcela odlišnou konstrukci, budeme je dále uvádět samostatně pod označením: AIRVIRO-E a AIRVIRO-G. (Modely pro výpočet těžkých plynů a hodnocení uličních kaňonů jsou zcela odlišné od ostatních, proto se jimi v tomto porovnání budeme zabývat.) 1.1.1. Typ modelů Již samo základní rozdělení modelů je podle jejich typu do značné míry napovídá o schopnostech daného modelu. 2
Mezi hlavní kategorie modelů patří Eulerovské modely založené na numerickém řešení rovnice difúze, které jsou především vhodné pro výpočty aktuálního zčištění a dále pak pro výpočty zahrnující chemické reakční rovnice. Tyto modely jsou, vzhledem k uvažovaným parametrizacím, poměrně náročné na vstupní data a často vyžadují spolupráci s meteorologickým modelem. Na druhou stranu při správné konstrukci poskytují jucelenější informaci o stavu ovzduší. Další kategorií jsou Lagrangeovské modely. Konstruovány jsou tak, že v průběhu výpočtu je sledován pohyb vzduchové částice v poli proudění. Často jsou využívány pro hodnocení úniku z jednotlivých zdrojů (např. v případě havárií). Jejich náročnost na vstupní data se odvozuje od komplexnosti parametrizací v modelu zahrnutých. I tyto modely jsou určeny zejména pro hodnocení aktuálního stavu ovzduší. Poslední hlavní kategorií jsou Gaussovské modely založené na stacionárním řešení rovnice difúze. Aby bylo možno nalézt její analytické řešení je nutno zahrnout celou řadu zjednodušujících předpokladů, které omezují přesnost modelu. Na druhou stranu mají tyto modely výrazně nižší nároky na použitá vstupní data. Proto jsou často využívány při rutinním hodnocení imisní zátěže z dlouhodobějšího pohledu (průměrné roční koncentrace ). Častou aplikací jsou různé rozptylové studie apod. AIRVIRO-E AIRVIRO-G ATEM SYMOS 97 typ modelu Eulerovský Gaussovský Gaussovský Gaussovský velikost výpočetní oblasti určení modelu určeno pro hodnocení imisní zátěže v městských celcích výpočet aktuálního zčištění určeno pro hodnocení imisní zátěže v městských celcích dlouhodobé / aktuální hodnocení imisní zátěže cca do 100 km od zdroje dlouhodobé hodnocení imisní zátěže cca. do 100 km od zdroje dlouhodobé hodnocení imisní zátěže 1.1.2. Typy zohledněných zdrojů V praxi ní možno zahrnout do výpočtu všechny zdroje, jednak kvůli náročnosti takového výpočtu a jednak i kvůli skutečnosti, že řadu z nich ní možno do detailů popsat. Proto je nutno některé typy zdrojů v modelu parametrizovat. Modelově pak uvažujeme následující kategorie zdrojů (tyto kategorie mají často i své reálné vyjádření):! bodový zdroj zdroj jehož horizontální rozměr je malý ve srovnání s výpočetní vzdáleností (např. komíny)! plošný zdroj zdroj jehož horizontální rozměr lze vzhledem ke vzdálenosti referenčního bodu od zdroje zadbat (parkoviště ) 3
! liniový zdroj zdroj, jehož jeden rozměr je mnohem větší ž druhý (komunikace)! objemový zdroj zdroj u něhož dochází k úniku emise ve větším prostorovém objemu! zdroj ve formě gridu jedná se fakticky o speciální případ plošných zdrojů, které jsou do výpočtu zadávány specifickým (jednodušším) způsobem; v praxi je ho možno nahradit soustavou na sebe navazujících plošných zdrojů Typ zdroje AIRVIRO-E AIRVIRO-G ATEM SYMOS 97 bodový ano ano ano Ano plošný ano ano ano Ano liniový ano ano ano Ano objemový Ne ve formě gridu ano ano Ne 1.1.3. Parametrizace zohledněné v modelu Jednotlivé modely se od sebe vzájemně odlišují jednak atmosférickými jevy, na které je při výpočtu brán zřetel a jednak i způsobem parametrizace těchto jevů (stejná kategorie modelů může vzhledem k různým parametrizacím poskytovat odlišné výsledky v různé kvalitě). Následující přehled porovnává uvažované modely z tohoto pohledu. Předmětem této práce ní detailní vysvětlení jednotlivých uvedených položek, které by vystačilo na samostatnou publikaci. V následujícím odstavci proto uvedeme jen stručné vysvětlení některých pojmů.! vliv terénu a budov vlivem terénních i umělých překážek dochází k významné deformaci pole proudění, které se projevují celou řadou obtížně modelovatelných efektů (např. obtékání objektů, tvorba závětrných vírů )! změna proudění s výškou obecně ní pole proudění v atmosféře homogenní, ale závisí na konkrétní poloze v prostoru; tyto změny jsou zvláště významné v blízkosti zemského povrchu, kde dochází k útlumu proudění vlivem tření! vznos vlečky (efektivní výška/převýšení zdroje) spaliny resp. vzdušnina, vystupují, vlivem akumulovaného tepla resp. mechanické ergie, ze zdroje vzhůru; tento pohyb je v modelech parametrizován celou řadou empirických či poloempirických vzorců, z nichž některé zohledňují i skutečnost, že vlečka stoupá kolmo vzhůru, ale je unášena prouděním, maximální výšky proto dosáh až v určité vzdálenosti od zdroje! ovlivňování vleček blízkých zdrojů v případě, kdy se např. dva komíny nacházejí dostatečně blízko sebe (ve vertikálním i horizontálním směru), dochází k vzájemnému promíchávání jejich vleček; výsledná efektivní výška zdroje je potom jiná ž v případě samostatných zdrojů. 4
! nízká rychlost proudění většina výpočetních vztahů pro stanovení vznosu vlečky umožňuje pracovat s nízkými rychlostmi proudění; důvodem je skutečnost, že obvykle ve jmenovateli mají rychlost větru při její nízké hodnotě by převýšení zdroje rostlo nad reálné meze; provádění výpočtů při těchto podmínkách vyžaduje speciální postupy! průnik vlečky zádržnou vrstvou zádržná vrstva je obvykle představována teplotní inverzí, která omezuje vzestup vlečky vzhůru; pokud je počáteční ergie dostatečná, může vlečka zádržnou vrstvu prorazit a šíří se dále nad zádržnou vrstvou, v tomto případě prakticky ovlivňuje imisní zátěž na zemi! odrazy při přenosu zčištění v atmosféře se vlečka může šířit skrz zemský povrch a zádržnou vrstvu (vyjma výše uvedeného případu); tato skutečnost je v modelech simulována virtuálními zdroji umístěnými pod zemských povrchem resp. nad zádržnou vrstvou; jejich příspěvek k celkové koncentraci potom vystupuje jako vlečka odražená od země; v praxi se ukazuje, že stačí zahrnout několik prvních odrazů příspěvek dalších je zadbatelný! chladicí věže únik zčišťující látky přes chladicí věže představuje speciální případ vyžadující zvláštní postupy výpočtu! stabilitní klasifikace v jednodušších modelech je pomocí nich klasifikována teplotní stabilita atmosféry (průběh teploty s výškou)! rozptyl v tomto případě modelový popis turbulentního šíření zčišťující látky (rozšiřování vlečky v průběhu transportu)! suchá depozice usazování dané látky na zemském povrchu! mokrá depozice vymývání zčišťující příměsi z oblačné či podoblačné vrstvy vypadávajícími srážkami! zohlednění pozadí obecně je obtížné (a časově náročné) zahrnout do výpočtu všechny zdroje, které mají na studované území vliv (často relativně malý); jejich příspěvek se potom často započítává jako pozaďová koncentrace! submodel proudění procedury vestavěné v základním modelu, které umožňují vyhodnocení reálného proudění např. s ohledem na terén! emisní preprocesor zpracovává emise z jednotlivých zdrojů do podoby potřebné pro výpočet (vyhodnocení aktuální emise ) Parametrizace AIRVIRO-E AIRVIRO-G ATEM SYMOS 97 výpočet pro plyn ano ano ano Ano výpočet pro prach *) ano ano Ano vliv terénu ano ano ano Ano vliv budov změna proudění s výškou ano (uvažuje celkový charakter zástavby, individuální objekty) ano (model proudění) ano (uvažuje celkový charakter zástavby, individuální objekty) Ano stáčení směru proudění, změna rychlosti stáčení směru proudění, změna rychlosti 5
vznos vlečky postupný vznos vlečky ovlivňování vleček blízkých zdrojů nízká rychlost proudění průnik vlečky zádržnou vrstvou teplý i chladný zdroj teplý i chladný zdroj teplý i chladný zdroj teplý i chladný zdroj ano Ano ano ano Ne ano ano ano zvláštní model pouze pro speciální případy ano ano Ne odrazy - první čtyři odrazy od země a od horní hranice směšovací vrstvy první odraz od země a od horní hranice směšovací vrstvy chladicí věže Ano stabilitní klasifikace horizontální rozptyl vertikální rozptyl vyhodnocení aktuální stability pomocí Monin-Obuchovovy délky koeficienty turbulentní výměny Draxler (1976) založeno na std. odchylce směru proudění a Lagrangeovském časovém měřítku Bubník Koldovský Bubník Koldovský logaritmická funkce exponciální funkce suchá depozice ano jednoduchá parametrizace pomocí doby setrvání látky v atmosféře, pro prach je zahrnuta pádová rychlost částic mokrá depozice ano chemické transformace zohlednění pozadí přímo v modelu, možnost doplnění z externího modelu přímo v modelu, možnost doplnění z externího modelu přímo v modelu pomocí parametrizace vlivu dálkového přenosu (tzv. transferů ) exponciální funkce exponciální funkce jednoduchá parametrizace pomocí doby setrvání látky v atmosféře (analogie k poločasu rozpadu); pro prach zahrnuta sedimentační rychlost částic přímo v modelu, možnost doplnění z externího modelu submodel proudění ano ano Ne emisní preprocesor ano ano Ne *) pouze primární prašnost; ani jeden uvažovaný model uvažuje sekundární prašnost (zvířený prach z povrchu země) a sekundární částice (částice vzniklé chemickými reakcemi v atmosféře) 1.2. POROVNÁNÍ POŽADOVANÝCH VSTUPNÍCH DAT Častou komplikací spojenou s aplikací modelů (zvláště zahraničních) je příprava vstupních dat. Nároky na ně se odvíjejí od typu použitého modelu a hlavně od použitých parametrizací. 6
Protože všechny modely systému AIRVIRO užívají stejné datové databáze, je dále celý systém hodnocen společně. Modelový systém AIRVIRO udržuje v databázi další informace potřebné k vyhodnocení aktuální emise ze zdroje. Následně porovnávané parametry představují výsledné produkty emisního preprocesoru, které vstupují do výpočetních modelů. 1.2.1. Zdroje zčištění A) Bodové zdroje Parametr AIRVIRO ATEM SYMOS 97 poloha zdroje ano ano ano nadmořská výška ano ano ano stavební výška ano ano ano vnitřní průměr komína ano ano vnější průměr komína ano výstupní objemová rychlost spalin ano výstupní rychlost spalin ano ano teplota spalin ano ano tepelná vydatnost ano ano provozní doba ano ano ano množství emitované látky ano ano ano spektrum prachových částic (spektrum částic zadáno pevně) hustota prachových částic (pádová rychlost pro jednotlivé části spektra částic je přímo určena) B) Plošné zdroje ano (při výpočtu prachu) ano (při výpočtu prachu) Parametr AIRVIRO ATEM SYMOS 97 poloha zdroje ano ano ano nadmořská výška ano ano ano výška zdroje nad zemí ano ano ano průměrná výška zástavby ano horizontální rozměr zdroje ano ano ano výstupní objemová rychlost spalin ano ano tepelná vydatnost ano provozní doba ano ano ano množství emitované látky ano ano ano spektrum prachových částic (totéž jako u bodových zdrojů) ano (při výpočtu prachu) 7
hustota prachových částic (totéž jako u bodových zdrojů) ano (při výpočtu prachu) C) Liniové zdroje Parametr AIRVIRO ATEM SYMOS 97 poloha zdroje ano ano ano nadmořská výška ano ano ano šířka zdroje ano ano ano provozní doba ano ano ano množství emitované látky ano ano ano spektrum prachových částic ano (při výpočtu prachu) hustota prachových částic ano (při výpočtu prachu) D) Zdroje ve formě gridu Parametr AIRVIRO ATEM * SYMOS 97 * poloha gridu ano - - počet gridů ano - - rozměr gridu ano - - množství emitované látky v gridu ano - - * V modelu ATEM i SYMOS 97 je pro tento typ zdrojů běžně užívána síť plošných zdrojů 1.2.2. Meteorologické vstupy Parametr AIRVIRO ATEM SYMOS 97 větrná růžice ano (možnost využít více růžic) data z meteorologických stanic ano meteorologický stožár ano pole z meteorologického prognózního modelu ano (pro předpověď zčištění) ano 1.2.3. Topografické informace Parametr AIRVIRO ATEM SYMOS 97 Orografie ano ano ano parametr drsnosti ano pokryv terénu ano výška zástavby ano ano v případě plošných zdrojů (lokální vytápění) se 8
uvažuje průměrná výška zástavby příslušná danému plošnému zdroji tepelný ostrov města ano 1.3. POROVNÁNÍ VÝSTUPŮ Z MODELŮ Výběr vhodného modelu vzhledem k požadovaným výstupním hodnotám je jednou ze základní úloh řešených při modelových výpočtech. Neméně důležitou otázkou je potom správná interpretace těchto výsledků. Výstup AIRVIRO-E AIRVIRO-G ATEM SYMOS 97 průměrné roční koncentrace maximální možné krátkodobé koncentrace okamžitá (aktuální) koncentrace podíly zdrojů / skupin zdrojů informace o příspěvku ke koncentraci ze sektorů ano (pojetí je poněkud jiné něž u ostatních hodnocených modelů) ano ano ano ano (v prvním přiblížení) ano ano ano ano ano 1.4. SHRNUTÍ Modelový systém AIRVIRO sdružuje několik funkcí:! je koncipován jako databázový systém, který umožňuje sběr a archivaci dat ze stanic (meteorologických, imisních i dopravních) společně s emisními údaji ze stacionárních zdrojů! obsahuje meteorologický submodel, jehož pomocí je možno vyhodnotit pole proudění s ohledem na orografii! obsahuje emisní preprocesor, který zpracovává informace o dopravě a chodu emisí ze stacionárních zdrojů! součástí jsou modely rozptylu zčištění v atmosféře (Eulerovský, Gaussovský, pro těžké plyny a model uličního kaňonu)! výsledky je možno prezentovat v grafické podobě pomocí vestavěných nástrojů 9
Jedná se tedy o komplexní systém, umožňující vyhodnocení imisní zátěže na úrovni městských aglomerací. Jeho primární určení je pro posuzování aktuální imisní zátěže a její předpověď. Nástroje pro výpočty průměrných ročních koncentrací jsou poněkud těžkopádné a odpovídají plně tuzemským zvyklostem. Model ATEM je založen na osvědčené metodice ISC 3 vyvinuté v US EPA, která byla autory přepracována na podmínky České republiky. Poskytuje poměrně dobré možnosti pro hodnocení imisní zátěže z hlediska průměrných ročních koncentrací včetně možnosti detailnějšího studia příspěvků jednotlivých zdrojů apod. Výhodou v komplexním terénu Prahy je možnost použití více větrných růžic pro postižení změn v poli proudění. Vypočtené maximální koncentrace dávají, stejně jako u ostatních modelů této kategorie, hrubou představu o rizikových lokalitách. Model ní vhodný pro výpočty aktuální imisní zátěže. Model SYMOS 97 je především určen pro hodnocení imisní zátěže z dlouhodobého hlediska. O spolehlivosti vypočtených maximálních krátkodobých koncentrací platí opět, že podávají pouze orientační přehled o zatížených územích. Zkušenosti s modelem ukázaly, že lépe pracuje ve volné krajině ž v městských aglomeracích. Model ní vhodný pro výpočet aktuální imisní zátěže. Model je v současné době doporučenou metodikou MŽP ČR. Závěrem je tedy možno říci, že uvedené modely se vzájemně doplňují. 10
2. POROVNÁNÍ VYBRANÝCH MODELŮ Z HLEDISKA PROVOZNÍCH PODMÍNEK 2.1. AIRVIRO Systém AIRVIRO je dodáván na komerční bázi Švédským meteorologickým a hydrologickým ústavem. Je implementován na pracovních stanicích Hewlett Packard. Město Praha získalo dvě instalace tohoto systému v rámci projektu Evropské unie HEAVEN (jedna je na Ústavu rozvoje města a je určená pro přípravu scénářů vývoje imisní zátěže ve městě, druhá je v Českém hydrometeorologickém ústavu a bude využívána v operativním režimu pro předpověď úrovně zčištění). Provoz modelového systému je poměrně náročný i vzhledem na množství požadovaných vstupních údajů (vyžaduje on-li spolupráci s měřícími stanicemi, eventuelně dalšími zdroji dat). Také jeho pořizovací cena je i vzhledem k použité technice vysoká (řádově okolo 1 mil. Kč včetně hardware). Proto se dá předpokládat jeho větší rozšíření. 2.2. ATEM Model ATEM byl vytvořen v rámci projektu Modelové hodnocení kvality ovzduší na území hl. m. Prahy. Model je pravidelně využíván pro aktualizace imisní situace v Praze a byl použit i pro vyhodnocení výhledové situace podle územního plánu. V současné době ní model ATEM době komerčně dostupný, provozuje jej Ateliér ekologických modelů. V souvislosti s připravovanou vyhláškou MŽP se předpokládá publikace modelu. Výhledově se uvažuje rovněž s jeho prodejem. Model je implementován na PC a na UNIX-ové pracovní stanice a lze jej provozovat bez větších dodatečných nákladů. 2.3. SYMOS 97 Popis modelu SYMOS 97 byl vydán ve Věstníku MŽP ČR a je tedy volně dostupný. Byl též vytvořen výpočetní software, který je v prodeji a to jak na platformě PC, tak na platformě UNIX-ových pracovních stanic. Prodejní cena softwarového balíku se pohybuje okolo 50 tis. Kč. Vlastní provoz modelu ní finančně nákladný. 11