Napoved kakovosti zraka Katedre za meteorologijo in CO VESOLJE-SI

Rahela Žabkar, Luka Honzak, Gregor Skok, Nedjeljka Žagar, Jože Rakovec

Center odličnosti VESOLJE-SI si aktivno prizadeva za napredek na področju spremljanja in napovedovanja stanja okolja v Sloveniji. Najnovejši prispevek članov CO je modeliranje številnih škodljivih spojin v realnem času v Sloveniji in okolici. Prognostični sistem meteorološke raziskovalne skupine v okviru CO predstavlja najbolj kompleksen in realističen sklopljen meteorološko-kemijski sistem v uporabi ne le v Sloveniji temveč na širšem območju centralne, južne in vzhodne Evrope.

Sklopljeno meteorološko-kemijsko modeliranje pomeni, da se atmosferski procesi in disperzija onesnaževal ter kemijske pretvorbe med onesnaževali računajo hkrati, kar predstavlja najbolj napreden pristop k opisovanju kompleksnega meddelovanja fizikalnih in kemijskih procesov v ozračju. Pri tem so poleg vplivov fizikalnih parametrov ozračja na disperzijo in kemijske pretvorbe onesnaževal upoštevani tudi vplivi, ki jih ima prisotnost onesnaževal v ozračju na različne fizikalne procese v ozračju, kot so sevalna bilanca, tvorba oblakov in nastanek padavin. Sklopljen način računanja tako po eni strani omogoča, da se ohrani maksimalna količina meteorološke informacije, istočasno pa izračun meteorološke napovedi upošteva tudi vpliv onesnaževal v ozračju.

Model za izračune potrebuje podrobna emisijska polja primarnih onesnaževal v ozračje (SO2, CO, NOx, CH4, NH3, NMVOC, PM25, PM10), vendar pa poleg primarnih onesnaževal računa tudi koncentracije sekundarnih onesnaževal, ki nastajajo v ozračju. Med sekundarnimi onesnaževali je najbolj poznan troposferski ozon, ki se tvori v kompleksnih (foto)kemijskih pretvorbah predvsem iz dušikovih oksidov in hlapnih organskih spojin, pri čemer pa je učinkovitost tvorbe ozona močno odvisna od vremenskih pogojev. Do epizod najvišjih koncentracij troposferskega ozona tako prihaja ob mirnih poletnih anticiklonalnih situacijah, ko je veliko sončnega sevanja, malo padavin, temperature zraka pa zelo visoke. Ker je za tvorbo ozona iz primarnih onesnaževal potreben čas, se najvišje koncentracije ozona tipično pojavljajo v smeri vetra nekoliko stran od mestnih središč oziroma večjih emisijskih virov.

Slika1: Primer modelske napovedi ozona (O3), delcev (PM25 in PM10) ter dušikovih oksidov (NOx). Prikazana je napoved koncentracij v μg/m3 v plasti zraka pri tleh za 16h vnaprej za zagon modela dne 9.1.2013 ob 00 UTC.

Modeliranje in napovedovanje onesnaženosti zraka s primarnimi in sekundarnimi onesnaževali se izvaja z uporabo kompleksnega sklopljenega meteorološko-fotokemijskega modela WRF-Chem, katerega posebnost je, da so meteorološki in (foto)kemijski procesi v njem sklopljeni. Kakovost zraka na območju Slovenije in sosednjih držav je predstavljena v ločljivosti 3,7 km, pri čemer uporabljamo strategijo gnezdenja. Slednje pomeni, da imamo poleg računskega območja z ločljivostjo 3,7 km še večje (zunanje) računsko območje ločljivosti 11,1 km, ki nam služi za zagotavljanje meteoroloških in kemijskih robnih pogojev v notranjem računskem območju (Slika 2). Za izračun kemijskih robnih pogojev uporabljamo operativne napovedi globalnega MOZART modela. Antropogene emisije vseh 7 primarnih onesnaževal, 5 podskupin delcev ter 48 podskupin hlapnih organskih spojin, računamo za območje Slovenije iz podrobnih letnih podatkov (za leto 2010) o emisijskih virih, medtem ko za območja izven Slovenije uporabljamo MACC emisije (vir: ARSO, 2012). Iz letnih podatkov urne vrednosti emisij po posameznih virih računamo s pomočjo ocen letnih, tedenskih in dnevnih nihanj emisij. Poleg antropogenih emisij upoštevamo v izračunih tudi biogene emisije, ki jih ocenjujemo s pomočjo modela MEGAN glede na rabo tal ter trenutne lokalne meteorološke pogoje. Za ocenjevanje morskega aerosola ter dvigovanja prahu uporabljamo module, sklopljene z modelom WRF-Chem, ki prav tako omogočajo ocenjevanje teh emisij v odvisnosti od rabe tal in trenutnih lokalnih meteoroloških pogojev. Za izračun kemijskih pretvorb med plinastimi onesnaževali uporabljamo RADM2, za aerosol pa MADE/SORGAM kemijski mehanizem. Parametrizacijske sheme v modelu za mikrofizikalne procese, za oceno pretokov med tlemi in atmosfero, za turburenco v planetarni mejni plasti, za fotolizo in parametrizacijo konvektivne oblačnosti smo izbrali tako, da so v meteorološkem modelu upoštevani tudi vplivi prisotnosti onesnaževal v ozračju.

Slika 2: Območja modeliranja v postopku napovedovanja onesnaženosti zraka v ločljivosti 3.7 km nad širšim območjem Slovenije.

Potrebno je poudariti, da je modeliranje sekundarnih onesnaževal (ozona, delcev, ter vrste drugih onesnaževal, ki nastopajo v kemijskih pretvorbah) izredno zahtevno. Koncentracije sekundarnih onesnaževal v zraku so namreč odvisne od vrste med seboj povezanih kompleksnih ne-linearnih meteoroloških in kemijskih procesov, mnogi od teh so še vedno slabo razumljeni. Poleg tega je potek teh procesov odvisen od vrste pogojev, ki jih v modelih lahko le približno opišemo, zato so mnogi od njih še vedno pomanjkljivo predstavljeni. Produkti predstavljeni na spletnih straneh so tako informativnega značaja. Naš namen namreč ni opravljati operativno napovedovanje z namenom opozarjanja in zagotavljanja varnosti in zaščite ljudi in okolja, temveč prispevati k razvoju dejavnosti na tem področju v aktivnem sodelovanju z Agencijo za okolje Republike Slovenije. Naše raziskovalno delo na podrocju modeliranja kvalitete zraka tako predstavlja podlago za nadaljnje razvojno delo in se ne izvaja z ciljem takojsnje operativne uporabe. Kljub temu, da smo modelski sistem testirali, je namreč zaradi množice in kompleksnosti različnih virov negotovosti, še mnogo možnosti za nadaljnje izboljšave. S tem želimo poudariti, da se lahko tekom časa pokažejo različne pomanjkljivosti, ki jih bomo v skladu z razvojem znanosti na tem področju in z našimi možnostmi skušali odpravljati.