Wieloletni monitoring jakości powietrza w Krakowie wskazuje na wysoki poziom stężeń śledzonych zanieczyszczeń i częste, długotrwałe przekraczanie wybitnie niekorzystnych dla zdrowia mieszkańców stanów alarmowych.

Przyczyny są dwie: emisja i spowodowana lokalizacją miasta zła wentylacja.

Niniejszym proponuje się prognozę wskaźnika wentylacji, jako obiektywnej miary skuteczności wymiany powietrza w przypowierzchniowej warstwie miasta.

Wskaźnik ten jest iloczynem prędkości wiatru i pionowego zasięgu warstwy mieszania.

Jego niskie wartości utrzymujące się przez kilka dni są ostrzeżeniem o możliwości wystąpienia problemów z jakością powietrza, nie tylko w zakresie pojedynczych substancji, ale całego składu powietrza. W takich sytuacjach wzmagają się negatywne skutki zdrowotne spowodowane złą jakością powietrza.

Co to jest wskaźnik wentylacji?

Wskaźnik wentylacji (Ventilation Index – VI) jest obliczany w systemie FAPPS, jako iloczyn przypowierzchniowej prędkości wiatru (v) i wysokości warstwy mieszania (Mixing Height - MH).

VI = v*MH

Wskaźnik wentylacji jest obliczany dla Krakowa, informując o warunkach przewietrzania w obrębie miasta.

Informuje o tym, czy wyemitowane zanieczyszczenia będą z miasta szybko usuwane, czy też będą kumulowane na obszarze miasta, powodując wystąpienie problemów z jakością powietrza. Niskie wartości VI utrzymujące się przez kilka dni ostrzegają o wzroście stężeń wszystkich emitowanych substancji, nie tylko tych, których poziom jest monitorowany.

Co to jest wysokość warstwy mieszania?

Wysokość warstwy mieszania (MH) to pionowy zasięg skutecznego rozprowadzania w powietrzu zanieczyszczeń. Wysokość ta zmienia się w ciągu doby. Waha się od kilkudziesięciu metrów nocą do kilkuset, a w sprzyjających warunkach, kilku tysięcy metrów w porze dziennej. W nocy jest niższa, ponieważ mamy do czynienia z tzw. przygruntową inwersją temperatury, tłumiącą pionowe ruchy powietrza. Duże wartości wysokości warstwy mieszania w dzień są związane z konwekcją, wybitnie sprzyjającą tym ruchom.

Przy takiej samej emisji zanieczyszczeń dla dużych wartości MH stężenia zanieczyszczeń będą niższe, niż w sytuacji, kiedy wartości MH są niskie.

Skąd się biorą ruchy pionowe powierza?

Ruchy pionowe mogą być pochodzenia mechanicznego lub termodynamicznego.

Te pierwsze są opisywane pionową składową prędkości wiatru, która jest tym większa, z im silniejszym wiatrem mamy do czynienia. Ważne jest, czy powierzchnia, nad którą zachodzi ruch powietrza jest gładka, jak w przypadku lustra wody, czy też „szorstka”, jak to ma miejsce np. w obecności budynków i innych przeszkód terenowych. O takiej właściwości powierzchni mówi parametr aerodynamicznej szorstkości terenu z₀. Pionowa składowa prędkości wiatru powstaje w tym wypadku w wyniku oddziaływania wiatru z przeszkodą (np. budynkiem).

Ruchy pionowe powietrza pochodzenia termodynamicznego nazywamy konwekcją. Najczęściej występują w ciągu dnia. Możliwe są także wtedy, gdy nad ogrzaną powierzchnię napłynie chłodniejsza masa powietrza. W takim wypadku ruchy pionowe pochodzenia termodynamicznego mogą wystąpić także w nocy. Konwekcja jest unoszeniem się do góry cieplejszego, lżejszego powietrza i osiadaniem zimniejszego. W ciągu słonecznego dnia powierzchnia ziemi ogrzewa się znacznie szybciej niż powietrze. Powietrze bezpośrednio przylegające do powierzchni ziemi ogrzewa się a następnie, w postaci „bąbli” unosi do góry. Zjawisko to jest podobne do tego, które obserwujemy w czasie podgrzewania wody.

Jak korzystać ze wskaźnika wentylacji?

Największe znaczenie wskaźnika wentylacji w profilaktyce zdrowotnej ma miejsce w okresie z dużą emisją zanieczyszczeń. Dla Krakowa jest to okres grzewczy, obejmujący miesiące od października do marca.

Niskie wartości wskaźnika wentylacji informują nas, że mogą wystąpić problemy z jakością powietrza. Należy obserwować poziom średnich dobowych wartości wskaźnika oraz zachowanie wskaźnika w ciągu dnia.

W nocy zazwyczaj mamy do czynienia ze złymi warunkami przewietrzania. Wiatr cichnie, tworzą się warunki, które tłumią mieszanie. Powierzchnia ziemi wychładza się szybciej niż powietrze, co powoduje wystąpienie zjawiska inwersji temperatury. Polega ono na tym, że przylegające do powierzchni powietrze, wskutek kontaktu z nią, jest zimniejsze, niż to zalegające powyżej. W takiej sytuacji mówimy o stałym stanie równowagi atmosfery. Ten termin oznacza, że „cząstka” powietrza będzie samorzutnie wracać do położenia równowagi. Jeśli zostanie uniesiona w górę, będzie zimniejsza od otoczenia i będzie miała tendencję do ruchu w dół, jeśli zaś zostanie wypchnięta w dół, będzie cieplejsza od otoczenia, co wymusi jej ruch w górę.

Konsekwencją są niskie, niekorzystne wartości wskaźnika wentylacji obserwowane w ciągu nocy.

W ciągu dnia sytuacja zazwyczaj jest odmienna. Bardzo często mamy wtedy dobre warunki przewietrzania. Prędkości wiatru są większe. Ponadto obserwuje się chwiejną równowagę atmosfery. Termin ten oznacza, że „cząstka” powietrza wytrącona z położenia równowagi, będzie się poruszać dopóty, dopóki nie osiągnie innego położenia równowagi. W dzień słońce ogrzewa powierzchnię ziemi, a od niej ogrzewa się przypowierzchniowa warstwa powietrza. Takie ogrzane powietrze, jeśli zostanie uniesione w górę, będzie lżejsze od otoczenia, tak, że ruch będzie się wzmagał, powodując mieszanie. Wtedy zanieczyszczenia wyemitowane w nocy będą mogły być rozprowadzone w pionie do dużej wysokości, co wpływa na obniżenie ich stężeń. Na wyższych poziomach występują zazwyczaj wyższe prędkości wiatru, usuwając zanieczyszczenia z obszaru miasta.

Problem pojawia się, jeśli w ciągu dnia nadal wskaźnik wentylacji jest niski. Im dłużej taka sytuacja trwa – tym większe problemy z jakością powietrza mogą się pojawić.

Więcej o sposobie przygotowania wskaźnika wentylacji w systemie FAPPS

Wskaźnik wentylacji w systemie FAPPS obliczany jest na podstawie danych z preprocesora meteorologicznego CALMET, zasilanego danymi prognostycznymi z zespołu ALADIN/MM5. Dzięki takiemu podejściu wykorzystuje się procedury dostosowania prędkości i kierunku wiatru do ukształtowania terenu uwzględniając tzw. kinematyczne efekty terenu, termodynamiczne efekty występujące w terenie nachylonym oraz blokujący efekt występowania przeszkód terenowych. Kinematyczne efekty terenu Liu and Yocke 1980), czyli wznos kierunku wiatru oraz jego przyspieszenie przy napotkaniu przeszkody terenowej oraz termodynamicznie uwarunkowane przepływy w terenie nachylonym (Marht 1982), powodujące występowanie dodatkowych składowych wiatru w równowadze stałej skierowanych w dół stoku, oraz w mniejszym stopniu w równowadze chwiejnej skierowanych w górę stoku są parametryzowane przy wykorzystaniu rozwiązań zastosowanych w COMPLEX - TERRAIN WIND MODEL. Bazujące na liczbie Frouda efekty blokujące, powodujące zmianę kierunku wiatru powodowaną przez występowanie przeszkody terenowej, zostały w modelu CALMET zaadaptowane z MELSAR MODEL (Allwine and Whiteman, 1985). Po wprowadzeniu wspomnianych powyżej terenowych poprawek pola wiatru stosowana jest procedura minimalizująca dywergencję wiatru.

W modelu CALMET wysokość warstwy mieszana obliczana jest na podstawie wartości strumienia ciepła jawnego i przypowierzchniowego strumienia pędu. Strumień ciepła jawnego oraz powierzchniowy strumień pędu wyznaczane są z bilansu energii (Holtslag and Van Ulden 1983). Przy wykorzystaniu informacji o wysokości słońca nad horyzontem, albedo, temperaturze oraz zachmurzeniu obliczana jest wartość promieniowania netto dostępnego do rozprowadzania przez strumienie ciepła jawnego i utajonego (ich proporcje określa stosunek Bowena) oraz strumień ciepła do gruntu. Na podstawie wartości promieniowania netto, oraz strumienia ciepła zmagazynowanego (storage) oraz antropogenicznego określana jest wielkość strumienia ciepła jawnego i następnie wartości tarciowej prędkości wiatru i długości Monina-Obuchowa, wykorzystywane we wzorach parametryzujących głębokość warstwy mieszania. Powyższy sposób postępowania sprawia, że decydującą rolę odgrywa tu właściwe odtworzenie termodynamicznych charakterystyk powierzchni takich jak stosunek Bowena, albedo, parametr szorstkości z₀, strumień ciepła zmagazynowanego i strumień ciepła antropogenicznego.

Stosowana standardowo w modelowaniu pojedyncza kategoria użytkowania terenu dotycząca obszarów miejskich nie pozwala na właściwe odtworzenie zmienności przestrzennej strumienia ciepła jawnego dla tych terenów a co za tym idzie właściwe odtworzenie głębokości mieszania oraz prędkości wiatru. W systemie FAPPS w celu należytego określenia zmienności wskaźnika wentylacji na terenie miasta Krakowa zdecydowano się na zwiększenie liczby kategorii przypisanych obszarom miejskim. W tym celu wykorzystano dane z Urban Atlas Kraków. Ostatecznie uzyskano dla obszaru miasta mapę użytkowania terenu o rozdzielczości 1 km z dziewięcioma różnymi kategoriami dla terenów miejskich (rys. 1).

Rys.1 GMES Urban Atlas (na lewo) i zgeneralizowana informacja tego zasobu danych przetworzona do siatki o rozdzielczości 1 km (na prawo).

Nowym kategoriom przyporządkowano charakteryzujące je wartości parametrów fizycznych. Parametr aerodynamicznej szorstkości z0 wyznaczono na podstawie morfometrycznych cech terenu. W tym celu, korzystając z hipsograficznej mapy miasta Krakowa, powstałej ze skanowania laserowego, oszacowano dla każdej kategorii średnią wysokość elementów szorstkości z_H oraz gęstość zabudowy λ_P a następnie oceniono wielkość empirycznego wskaźnika f₀ i obliczono z₀ = f₀* z_H (Grimmond and Oke 1999). Wartości stosunku Bowena dla nowych kategorii miejskich oszacowano na podstawie AERSURFACE User’s Guide, wielkość albedo na podstawie pomiarów przeprowadzonych dla Łodzi (Piringer and all. 2005), zaś wielkość ciepła antropogenicznego na podstawie badań przeprowadzonych dla Poznania (Bagieński 2006).

W CALMET głębokość mieszania w przypadku równowagi chwiejnej wyznaczana jest, jako maksimum z dwóch oszacowań: konwekcyjnego (zmodyfikowana metoda Carsona (1973) bazująca na Maul (1980) lub Bathvarova i Gryning (1990 i 1994)) i mechanicznego (Vencatram 1980b), zaś w przypadku równowagi stałej jako minimum z oszacowań Venkatrama (1980a) i Zilitinkewicha (1972). Ważne dla właściwego określenia wskaźnika wentylacji jest takie dobranie parametrów modelu, aby parametryzowana głębokość mieszania była zbieżna z rzeczywistą. Dzięki prowadzonym w Krakowie sondowaniom atmosfery porównano prognozowane przy pomocy preprocesora CALMET i mierzone przy pomocy SODARU głębokości mieszania. Poprzez sterowanie parametrami modelu CALMET dostosowano parametryzowaną wartość do pomiaru (Godłowska i in. 2012). Ze względu na odmienny sposób parametryzacji stosowany dla równowagi chwiejnej i stałej proces porównań i dostosowania wykonywano osobno dla obu stanów równowagi atmosfery.