Autor Mgr. Jan Macoun, PhD. Organizace Český hydrometeorologický ústav, Praha Název textu Modelový systém AIRVIRO Blok BK7 - Specializované modelové systémy Datum Prosinec 2001 Poznámka Text neprošel redakční ani jazykovou úpravou
1. MODELOVÝ SYSTÉM AIRVIRO Modelový systém AIRVIRO byl do Prahy dodán v rámci projektu EU HEAVEN (Healthier Environment through Abatement of Vehicle Emission and Noise; IST-1999-11244). Dodavatelem systému je Švédský meteorologický a hydrologický ústav (SMHI). Systém je provozován na pracovní stanici Hewlett Packard C240, která byla do Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ) dodána koncem roku 2000. Druhá instalace téhož systému je umístěna v Ústavu rozvoje města (ÚRM). V lednu 2001 pracovníci SMHI provedli základní instalaci hardware a uvedli systém do provozu spolu s demonstračními daty. 1.1. PŘEHLED PROVEDENÝCH PRACÍ Systém bylo následně nutno oživit na aktuálních pražských datech. Na ÚRM byly proto v průběhu roku 2001 shromážděny a zpracovány potřebné údaje o silniční síti, terénu a zemském podkladu, ČHMÚ pak připravoval údaje o stacionárních zdrojích (REZZO 1, 2, 3), údaje o meteorologických podmínkách a imisním monitoringu. 1.2. PŘEHLED SYSTÉMU Modelový systém AIRVIRO v sobě sdružuje nástroje potřebné pro přípravu dat pro rozptylové modely (podkladové mapy, data pro zohlednění vlivu orografie a podkladu, informace o zdrojích, údaje o meteorologii a měřených imisních hodnotách), efektivní správu databází společně s výpočetními moduly (Gaussovský model, Eulerovský model, model uličního kaňonu a model pro rozptyl těžkých plynů) a prezentační vrstvou (tato umožňuje zobrazení vypočtených hodnot na terminálu i jejich prezentaci na internetu). Samostatnou část představují nástroje pro modelování imisní zátěže v reálném čase (správa databází pro získávání údajů v reálném čase: meteorologie, měřené imisní hodnoty, zátěž komunikací a odhad okamžité emise ze stacionárních zdrojů). Celý systém je spravován pomocí administrátorského modulu, který umožňuje obsluhu systému včetně přidělování práv pro manipulaci s uloženými daty (tímto způsobem je zaručena i ochrana dat na úrovni zabezpečení souborů UNIX). Přístupová práva je možno samostatně nastavovat pro čtení i zápis. 2
1.2.1. Databázový systém V interní databázi systému (systém Ctree) jsou ukládány jednak statické informace a jednak dynamické údaje. Statické informace:! orografie zájmové oblasti! charakteristika typ podkladu (v současné době jsou použity tři typy podkladu: zastavěná plocha, les, volná plocha parky apod.)! doplňkové údaje pro výpočet (efekt tepelného ostrova, oblasti reprezentativnosti meteorologických stanic a stanic AIM )! emisní údaje (stacionární i mobilní zdroje); nástroje v databázi umožňují odhad aktuální emise v kterémkoliv časovém okamžiku v průběhu roku Dynamické údaje:! aktuální informace z meteorologických stanic (směr a rychlost proudění, teplota, teplotní gradient )! naměřené hodnoty imisní zátěže na automatických monitorovacích stanicích Příklad zobrazení bodových a liniových zdrojů systémem ukazuje Obrázek 1.1.1. 1.2.2. Výpočetní moduly Systém AIRVIRO v sobě zahrnuje čtyři vestavěné modely: 1. Gaussovský model: tento modelový přístup je vhodný zejména pro stanovení dlouhodobých imisních charakteristik (roční průměrné koncentrace). Zde je nutno podotknout, že přístup SMHI je poněkud odlišný od přístupu používaného v ČR: v České republice je nejčastěji využívaná stabilitní klasifikace Bubník Koldovský s třemi třídami rychlosti proudění, zatímco systém AIRVIRO používá stabilitní klasifikaci Pasquil Gifford bez rozlišení rychlosti proudění pro sjednocení modelových postupů bude pravděpodobně nutné vyvinout modul, který by metodiky sblížil. 2. Eulerovský model: využití tohoto přístupu je vhodné zejména pro stanovení aktuálních krátkodobých koncentrací a ve spojení s meteorologickým prognózním modelem eventuelně i pro jejich předpověď. 3
Obrázek 1.1.1. Zobrazení zdrojů zahrnutých v databázi (zdroje REZZO 2 a 3 jsou uvažovány jako plošné a nejsou zobrazeny) 3. Model uličního kaňonu: modely zmíněné v bodech 1 a 2 představují nástroje vhodné pro použití v regionálním lokálním měřítku. S těmito modely tedy není možno vyhodnotit imisní zátěž na úrovni jednotlivých ulic. Tento nedostatek je částečně odstraněn modelem uličního kaňonu. Jedná se o poměrně jednoduchý postup, který je schopen spočítat rozložení koncentrací v uličním kaňonu (komunikace z obou stran uzavřená budovami). Model neumožňuje zpracování náročnějších úloh (obtékání budov, vyhodnocení křižovatek apod.). 4. Model pro výpočet rozptylu těžkých plynů: jedná se o aplikaci užitečnou v případě, kdy nelze zanedbat hmotnost plynu vůči okolní atmosféře. Tento postup je užitečný zejména pro chemické provozy (např. únik chlóru). V Praze zatím pravděpodobně nebude operativně nasazen. 5. Volně doplnitelné modely: systém AIRVIRO je stavěn modulárně a umožňuje tak zabudování v podstatě libovolného dalšího modelu. V souladu s navrhovanou vyhláškou MŽP a zákonem o ovzduší probíhají přípravné práce na zabudování modelu ATEM do systému. 4
Všechny modely (včetně doplněných uživatelem) získávají vstupní data automaticky z databáze a je možno je ovládat pomocí uživatelsky příjemného rozhraní. Výsledky je možno v systému přímo zobrazit na podkladové mapě (viz. příklady Obrázek 1.1.2.). Obrázek 1.1.2. Výstupy z modelu testovací výpočet (koncentrace spočtené Gaussovským modelem vlevo, resp. modelem uličního kaňonu vpravo) Stručná charakteristika jednotlivých modelů byla uvedena v přehledu modelů (BK7 rešeršní část). 1.2.3. Prezentační vrstva Systém AIRVIRO v sobě obsahuje nástroje pro základní zobrazení výsledků, ale též i vstupních dat (viz. Obrázek 1.1.2 a Obrázek 1.1.3). Obrázek 1.1.3 Příklad zobrazení teplot na stanicích Libuš a Ruzyně 5
1.3. PLÁN DALŠÍCH PRACÍ Systém AIRVIRO je v současnosti naplněn základními daty v testovacím režimu. Následující seznam představuje úkoly, které je nutno zpracovat před uvedením systému do operativního provozu. 1. Dokončit finální verzi vstupních údajů se zahrnutím historických údajů. 2. Návrh modulu pro sjednocení výpočetních metodik SMHI a metodik používaných v České republice. 3. Implementace modelu ATEM do systému. 4. Zprovoznění aktuálních vstupů do databáze (nutná spolupráce SMHI). 5. On-line propojení s odpovědnou centrálou pro získání informací o aktuálním provozu na komunikacích. 6. Eventuální výstavba a implementace meteorologického stožáru (na základě dohody s Magistrátem hl. m. Prahy). 7. Zpřístupnění výsledků meteorologického prognózního modelu pro předpověď úrovně imisní zátěže. 1.4. ZÁVĚR Modelový systém AIRVIRO se jeví jako vhodný nástroj pro hodnocení okamžité imisní zátěže ve městě a pro její předpověď. Poněkud problematičtější je vyhodnocování klimatologických charakteristik úrovně znečištění, kde bude patrně nutná úprava stávajících modulů a implementace nového modelu v souladu s připravovanou legislativou. Celý systém by měl být uveden do operativního provozu koncem roku 2002 (pro hodnocení aktuální situace a předpověď koncentrací se počítá pouze s demonstračním územím Holešovic). 2. DALŠÍ ROZVOJ MODELŮ, LEGISLATIVA V současné době je v parlamentním jednání zákon o ovzduší, který by měl promítnout do tuzemské legislativy požadavky Evropské unie. Ministerstvem životního prostředí (MŽP ČR) je k tomuto zákonu připravována vyhláška. Její součástí je i návrh na standardizaci modelových postupů v rámci České republiky. V následujících kapitolách je uveden přehled úkolů, které jsou na modely kladeny a v kapitole 2.3 je uveden navrhovaný seznam modelů pro vyhlášku. 6
2.1. ÚLOHY ŘEŠENÉ DISPERZNÍMI MODELY Rámcová směrnice (96/62/EC) stanovuje oblasti použitelnosti modelů:! v oblastech překračování imisních limitů, příp. oblastech, kde se měřené koncentrace blíží imisním limitům, je použití modelových výpočtů možné pro doplnění měření (např. na zatížených komunikacích) nebo pro plánování protiopatření (akčních plánů)! v oblastech s koncentracemi mezi horní a spodní stanovení je možné přímá měření omezit a částečně je nahradit a kombinovat s modelovými výpočty! v oblastech, kde lze považovat dodržování imisních limitů za zaručené, mohou být přímá měření (s výjimkou aglomerací) zcela nahrazena modelovými výpočty Ve zmíněné směrnici není doporučeno, jaké modely nebo typy modelů, a pro který účel by měly být použity. Stejně tak nejsou specifikována ani rámcově kritéria, která by modely využívané pro výše uvedené účely měly splňovat. K výše uvedenému přehledu využití modelů vycházejícímu ze směrnice je nutno doplnit ty aplikace, které znemožňují nasazení měření, a to i v zónách, kde je jinak měření předepsáno. Jedná se především o hodnocení úzce lokálních problémů, které nejsou přímým měřením pokryty. Jako příklad takovéto aplikace uvádíme problematiku uličních kaňonů. Na základě uvedeného je možno definovat z hlediska využití následující úlohy: 1. hodnocení městského území jakožto celku (regionální měřítko) 2. hodnocení malých územních celků v rámci města (lokální měřítko) 3. specifická problematika uličních kaňonů (lokální mikro měřítko) 4. hodnocení venkovských oblastí (regionální lokální měřítko) V rámci města Prahy připadají v úvahu úlohy uvedené v bodech 1. 3. 2.2. ZNEČIŠŤUJÍCÍ LÁTKY Z rámcové direktivy a dceřiných direktiv vyplývá rovněž i seznam znečišťujících látek, které je při hodnocení úrovně imisní zátěže brát v úvahu. 1. látky málo reaktivní! oxid siřičitý! oxid uhelnatý 7
! benzen a další polyaromatické uhlovodíky 2. reaktivnější látky! oxid dusičitý, oxidy dusíku 3. reaktivní látky! ozón 4. prašný aerosol! jemné částice (jako např. saze) včetně PM 10! prašný aerosol 5. těžké kovy! olovo! kadmium! arsen! nikl! rtuť 2.3. MODELY NAVRHOVANÉ PRO VYUŽITÍ V ČESKÉ REPUBLICE Kombinací kategorií uvedených v kapitolách 2.1 a 2.2 získáváme seznam úloh, které je třeba modelovým hodnocením pokrýt. V současné době nejsme schopni v České republice definovat odpovídající model pro každou kombinaci úloha + polutant. Na obdobný problém ovšem narážejí i další státy. V návrhu seznamu modelů, který by měl být upraven legislativně, proto vycházíme z nejčastěji řešených úloh. Předpokládáme, že s rozvojem znalostí na poli modelování bude docházet k jeho doplnění či úpravě. Tabulka 2.2.1 Navrhované modely Oblast využití Znečišťující látky Model městské území (regionální měřítko) málo reaktivní reaktivnější látky, prašný aerosol ATEM venkovská území málo reaktivní reaktivnější látky, prašný aerosol SYMOS 97 uliční kaňony málo reaktivní reaktivnější látky AEOLIUS *) *) model vyžaduje podrobnější vyhodnocení před operativním nasazením v rámci ČR 8
Zatímco modely ATEM a SYMOS 97 jsou již delší dobu operativně využívány pro řadu úloh, model AEOLIUS je ve stádiu ověřování jeho použitelnosti na území České republiky. Tento model je poněkud sofistikovanější než model zahrnutý v systému AIRVIRO (model AIRVIRO též není volně šiřitelný, a proto ho není možno využít pro přípravu legislativních opatření). 2.4. ZÁVĚR Modely uvedené v kapitole 2.3 pokrývají svou šíří běžné úlohy. Stranou poněkud zůstává problematika modelového výpočtu koncentrací přízemního ozónu a kvalitnější hodnocení rozptylu prašného aerosolu. Proto doporučujeme, aby byla eventuelní podpora vývoje modelových systémů směřována tímto směrem. Současně je třeba, jak již bylo zmíněno výše, dokončit verifikační proces modelu AEOLIUS. Součástí navrhované vyhlášky je i proces verifikace alternativních modelových postupů. Pro tuto úlohu je nutno získat kvalitní databáze měřených výsledků, oproti kterým by bylo možno porovnávat modelové výpočty. I při získávání těchto dat by mohlo město Praha významně přispět při organizaci a financování kampaňových měření. 9