45 Modeliranje ozona in delcev za območ je Slovenije z modelskim sistemom ALADIN-CAMx Marko Rus * , Rahela Žabkar * , Jože Rakovec * Povzetek Za potrebe modeliranja ozona in delcev na območ ju Slovenije je bil sestavljen modelski sistem, v katerem smo disperzijsko-fotokemič ni model CAMx povezali z meteorološkim modelom ALADIN. V modelski sistem so bili vključ eni tudi podroben opis antropogenih emisij na območ ju Slovenije in Evrope ter podatki o koncentracijah onesnaževal na stranskih robovih območ ja modeliranja iz globalnega fotokemijskega modela. V prispevku sta predstavljena opis modelskega sistema ter validacija modelskih rezultatov na dveh izbranih epizodah: v zimski epizodi so bile izmerjene povišane koncentracije delcev v zraku, v poletni epizodi pa povišane koncentracije ozona. Uvod Pri modeliranju onesnaženosti zraka moramo najprej dobro poznati vremensko stanje, v katerem rač unamo koncentracije onesnaževal. Z vetrovnim poljem določ imo advekcijo oz. transport primesi v zraku, razredč evanje teh primesi v zraku pa rač unamo s pomoč jo enač b, ki opisujejo turbulentno difuzivnost. Nekatere lastnosti ozrač ja (npr. temperatura, vlažnost, optič na debelina) dodatno vplivajo tudi na kemijske in fotokemijske pretvorbe snovi ali pa na bolj ali manj uč inkovito izloč anje snovi iz ozrač ja (npr. ob padavinah). Poleg dobrega opisa meteoroloških spremenljivk je potrebno dobro poznati emisije (toč kovne in ploskovne) posameznih onesnaževal ter kemijske zač etne in robne pogoje (koncentracije onesnaževal na zač etku zagona oziroma na robu rač unskega območ ja). Modeliranje onesnaženosti zraka je torej izrač unavanje č asovnih sprememb količ ine posameznih primesi v zraku v prostoru, ki nas zanima. V eulerskem nač inu je v vsakem volumskem elementu ozrač ja sprememba količ ine snovi rezultat vseh prej omenjenih dogajanj: od emisije, preko transporta in disperzije, do izloč anja snovi iz ozrač ja. Osnovna enač ba za vsako snov “l” v zraku je torej kontinuitetna enač ba in ob predpostavki o brezdivergentnem gibanju zraka izrač un koncentracije te snovi temelji na enač bi o ohranitvi te snovi c. Ker ni mogoč e obravnavati dogajanj, ki so manjša od prostorske loč ljivosti modela, se v enač bi za povpreč ne koncentracije snovi c l pojavi dodaten č len ∇ ∇ : = −∇∙ +∇ ∇ + + − (1) V gornji enač bi in K predstavljata hitrost vetra in turbulentno difuzivnost; oba se iz kraja v kraj in v č asu lahko tudi moč no spreminjata glede na vremenske pogoje. Torej je za to, da lahko povemo, kako se bo v nekem delu ozrač ja spreminjala koncentracija primesi v zraku ⁄ , potrebno poznati emisije (vire) in izpad (suho in mokro depozicijo) te snovi ter kemijske procese v zvezi z njo (nastajanje ali pretvorba v druge snovi). Kam bo veter zanašal snovi in kako se bodo razredč evale, pa je odvisno od vremenskih spremenljivk in K. Ker na kemijske pretvorbe vplivajo lahko tudi temperatura zraka, količ ina kemijsko * vsi trije: Univerza v ljubljani, Fakulteta za matematiko in fiziko, Jadranska ulica 19, 1000 Ljubljana 46 aktivnega sevanja (predvsem sonč nega, delno tudi IR), vlažnost zraka itd., se nabor vremensko odvisnih spremenljivk, ki jih je treba upoštevati, lahko tudi precej poveč a. Modelski sistem ALADIN-CAMx Za modeliranje ozona in delcev v atmosferi potrebujemo kompleksen model, ki vsebuje matematič en opis vseh procesov, ki pomembno vplivajo na koncentracije onesnaževal v ozrač ju. Eden takšnih modelov v svetu je model CAMx (Comprehensive Air quality Model with extensions; ENVIRON, 2011), ki je bil s strani US EPA (US Environmental Protection Agency) odobren za modeliranje ozona in delcev v različ nih č asovnih in krajevnih skalah. Model CAMx je disperzijsko-fotokemič ni model, ki rač una prenoss z vetrom, turbulentno difuzivnost, kemijske in fotokemijske pretvorbe snovi v ozrač ju ter izloč anje snovi iz ozrač ja. Za te izrač une potrebuje meteorološka polja, ki jih je potrebno simulirati loč eno z meteorološkim modelom, ter različ na druga vhodna polja (podatke o emisijah, geografske spremenljivke, podatke o skupni količ ini ozona v ozrač ju). V prispevku opisujemo modelski sistem ALADIN-CAMx, v katerem smo model CAMx povezali z operativnim meteorološkim modelom ALADIN in obenem vključ ili tudi podroben opis antropogenih emisij na območ ju Slovenije in sosednjih držav, ter opis koncentracij onesnaževal na robovih območ ij modeliranja iz globalnega fotokemijskega modela. Na ta nač in smo pripravili orodje, s katerim je mogoč e modelirati ozon in delce na območ ju Slovenije in sosednjih držav. Poenostavljeno shemo modelskega sistema prikazuje Slika 1. Slika 1 – Poenostavljena shema modelskega sistema ALADIN-CAMx Vhodna meteorološka polja Model CAMx za simuliranje zgoraj opisanih procesov potrebuje različ na polja meteoroloških spremenljivk: zrač ni tlak, temperaturo, veter, specifič no vlago, oblač no vodo, padavinsko vodo, snežno vodo, padajoč e ledene kristale, optič no debelino oblakov, koeficient vertikalne turbulentne difuzivnosti, temperaturo tal. Več ina od teh meteoroloških polj so neposredni izhodi meteorološkega modela ALADIN in jih je 47 preprosto vključ iti v model CAMx, nekatera polja (oblač na voda, optič na debelina oblaka, koeficient turbulentne difuzivnosti) pa je potrebno parametrizirati iz polj meteoroloških spremenljivk, ki so na voljo v modelu ALADIN. Pri parametrizaciji spremenljivk »oblač na voda« in »optič na debelina oblaka« so bila dodatno diagnosticirana oblač na polja na podlagi konvektivnih padavin in višine planetarne mejne plasti. Koeficient vertikalne turbulentne difuzivnosti pa je bil izrač unan po metodi (O'Brien, 1970), pri č emer je bilo kot vhodni podatek potrebno uporabiti tudi oceno višine planetarne mejne plasti. Maso padajoč ih ledenih kristalov smo na vseh modelskih nivojih nastavili na vrednost 0. Ta predpostavka je glede na to, da imamo zelo malo primerov, v katerih bi bilo dlje č asa v zraku veliko padajoč ih ledenih delcev oziroma bi njihova količ ina znatno vplivala na izrač un kemije, več inoma upravič ena. Dodatna vhodna polja potrebna za izrač un (foto)kemijskih reakcij Za izrač un fotokemijskih pretvorb in razmerij so bila v model CAMx vključ ena nekatera dodatna polja, prikazana v Tabeli 1. V našem primeru smo kot izvorne podatke o rabi tal uporabili podatke USGS s 24 razredi rabe tal, kar je bilo potrebno prekodirati v klasifikacijo z 11 razredi, ki jih uporablja model CAMx. Za oceno celotne količ ine ozona v stolpcu ozrač ja v model sproti vključ ujemo satelitske meritve, delež listne površine je privzet kot v modelu ALADIN, medtem ko je za motnost ozrač ja zaenkrat izbrana konstantna vrednost. Tabela 1: Vir dodatnih vhodnih polj, potrebnih za izrač un fotokemič nih procesov v modelu CAMx. Dodatna vhodna polja za model CAMx Vir raba tal podatki o »landuse« USGS UV-albedo iz vrednosti rabe tal motnost privzeta konstantna vrednost količ ina ozona v celotnem stolpcu ozrač ja http://toms.gsfc.nasa.gov/ozone/ozone.html delež listne površine (LAI) model ALADIN Območ je modeliranja V sedanji konfiguraciji modelskega sistema ALADIN-CAMx je območ je modeliranja prilagojeno obstoječ i konfiguraciji modela ALADIN/SI na Agenciji RS za okolje (v nadaljevanju ARSO). Zaradi č asovne zahtevnosti modela CAMx je bil uporabljen postopek gnezdenja, v katerem imamo dve rač unski območ ji (Slika 2). Horizontalna loč ljivost notranjega (gnezdenega) rač unskega območ ja s 185 x 167 rač unskimi toč kami je enaka loč ljivosti operativne konfiguracije modela ALADIN/SI (4,4 km), horizontalna loč ljivost zunanjega rač unskega območ ja s 145 x 135 rač unskimi toč kami pa je trikrat manjša (13,2 km). Modelske toč ke v notranjem rač unskem območ ju modela CAMx sovpadajo z modelskimi toč kami sedanje operativne konfiguracije modela ALADIN, medtem ko v zunanjem rač unskem območ ju modela CAMx toč ke sovpadajo z vsako tretjo toč ko modela ALADIN. Notranje rač unsko območ je med drugim vključ uje tudi industrializirano Padsko nižino, ki s svojimi emisijami ob določ enih vremenskih razmerah lahko vpliva na poveč ano koncentracijo nekaterih pomembnih onesnaževal tudi v Sloveniji. 48 Vertikalni modelski nivoji v sedanji konfiguraciji se ujemajo z vertikalnimi nivoji v modelu ALADIN, le da imamo v modelu CAMx vključ enih le spodnjih 34 nivojev (od skupno 43 nivijev v modelu ALADIN). Rač unanje disperzije onesnaževal in fotokemijskih pretvorb na zgornjih 9 nivojih namreč zaradi velike nadmorske višine teh nivojev za potrebe napovedovanja kvalitete zraka v plasti zraka blizu tal ni potrebno. Slika 2 – Območ je modeliranja v sedanji konfiguraciji modelskega sistema ALADIN-CAMx. Prikazano je tudi gnezdeno rač unsko območ je. Antropogene emisije Polja antropogenih emisij so bila pripravljena loč eno za območ je Slovenije in za druge evropske države. Za območ je Slovenije so bili pri teh prerač unih uporabljeni podatki, ki so jih pripravili na Agenciji RS za okolje (ARSO), za območ je izven Slovenije pa podatki pridobljeni v projektu MACC (Monitoring Atmospheric Composition and Climate, MACC a). V obeh primerih so bile urne vrednosti toč kovnih in ploskovnih virov emisij NOx, CO, NMVOC, NH3, SO2, CH4, PM10 in PM2.5 prerač unane iz letnih emisijskih vrednosti. Za območ je Slovenije je bila uporabljena emisijska baza za leto 2009, za druge evropske države pa za leto 2007. Pri izrač unu urnih vrednosti iz letnih emisij smo uporabili ocenjene letne, tedenske in dnevne č asovne poteke emisij. Poleg tega je bilo za potrebe modeliranja potrebno iz skupnih emisij NMVOC in delcev s pomoč jo pretvorbenih tabel loč eno po različ nih emisijskih virih pripraviti razdelitev emisij v posamezne podskupine med seboj podobnih organskih spojin oziroma delcev v skladu z zahtevami modela CAMx. Skupno količ ino emisij NMVOC smo tako za 24 različ nih tipov emisijskih virov razdelili med 49 osnovnih skupin spojin, skupne emisije delcev pa za 96 različ nih tipov emisijskih virov med 15 različ nih vrst delcev. Vsa emisijska polja so bila pripravljena v prostorski loč ljivosti 4,4 km, kar je izbrana loč ljivost izgrajenega modelskega sistema ALADIN- CAMx, medtem ko je prostorska loč ljivost originalnih letnih emisij za območ je Slovenije 100 m x100 m, za območ ja izven Slovenije pa 1/8° x 1/16°. Primer vhodnega polja antropogenih emisij za območ ja izven Slovenije v 4,4 km loč ljivosti je prikazan na Sliki 3. V modelski sistem zaenkrat še niso vključ ena polja biogenih emisij, zaradi č esar prič akujemo predvsem podcenjene vrednosti ozona v modelskih rezultatih. 49 Slika 3 – Polje ploskovnih emisij NOx v tonah/h v prostorski loč ljivosti 4,4 km na območ ju modeliranja (izvzeta je Slovenija) na nedeljo v mesecu avgustu ob 6 h zjutraj. Stranski kemijski robni pogoji Zač etna polja koncentracij onesnaževal v zraku modelski sistem prebere iz prejšnje simulacije, oziroma jih nastavi na nič elne vrednosti, č e je simulacija zač etna; tedaj mora od zač etnega zagona modela preteč i dovolj č asa, da lahko vpliv zač etnega stanja na rezultate simulacij zanemarimo. Koncentracije onesnaževal na stranskih robovih modelskega območ ja pa pridobivamo iz operativega globalega fotokemijskega modela MOZART (Model for OZone And Related chemical Tracers) v okviru MACC (MACC b). Horizontalna loč ljivost teh modelskih polj je 1,875° geografske dolžine in približno 1,93° geografske širine. Potreben pa je tudi prerač un koncentracij spojin modela MOZART v skupine spojin, ki jih obravnava model CAMx. Izbor kemijskega mehanizma Med kemijskimi mehanizmi, ki so na voljo v modelu CAMx (CB04, CB05, SAPRC99), smo izbrali mehanizem SAPRAC99 (Carter, 2000), ki vključ uje 114 različ nih kemijskih spojin oziroma skupin spojin, od tega 16 radikalov, 22 skupin delcev in 217 kemijskih reakcij. Rezultati simulacij Za osnovno validacijo modelskega sistema smo izbrali dve epizodi, eno zimsko in eno poletno. Med poletno epizodo so bile izmerjene povišane koncentracije ozona v plasti zraka pri tleh na nekaterih merilnih postajah po Sloveniji, med zimsko pa povišane koncentracije delcev. 50 Simulacija v primeru povišanih koncentracij ozona (12. 8. 2011 – 24. 8. 2011) V drugi polovici avgusta 2011 so bile temperature zraka visoke, dovolj je bilo sonč nega sevanja, dinamika v ozrač ju pa je bila šibka, zato so bili vremenski pogoji ugodni za tvorbo troposferskega ozona. Meritve ozona po Sloveniji so pokazale (Slika 4), da so dnevni maksimumi predvsem na primorskih merilnih postajah (Nova Gorica, Koper, Otlica) dosegali vrednosti tudi do okrog 180 µ g/m 3 (dne 22. 8.), medtem ko so bile drugod po Sloveniji maksimalne izmerjene gostote ozona praviloma (z nekaterimi izjemami, npr. v Ljubljani dne 27. 8.) nekoliko nižje. Slika 4 – Izmerjene urne gostote ozona (v µ /m 3 ) na merilnih postajah po Sloveniji v obdobju od 12. 8. do 27. 8. 2011 Primeri rezultatov simulacij na notranjem rač unskem območ ju loč ljivosti 4,4 km so za ozon prikazani na Sliki 5 Pri rezultatih za ozon je potrebno opozoriti, da so zaradi manjkajoč ih podatkov o biogenih emisijah simulirane vrednosti ozona podcenjene. Rezultati simulacij (Slika 5) kažejo, da je v obravnavanem obdobju nad območ jem severnega Jadrana, nad nekaterimi območ ji severne Italije, pa tudi nad Ligurskim morjem zahodno od Italije prišlo do akumulacije onesnažil v zrač nih masah. Obenem so bile meteorološke razmere ugodne za pospešeno fotokemijsko aktivnost onesnažil (visoke temperature, šibka dinamika v več jih skalah, dovolj sonč nega sevanja pri tleh), kar je nad temi območ ji vodilo v visoke koncentracije ozona. Vpliv na Slovenijo je imel v tem obdobju severnojadranski bazen onesnaženih zrač nih mas, kjer so bile najvišje simulirane vrednosti ozona v dneh 22. 8. in 23. 8. 2011. Zaradi znač ilnih obalnih zrač nih gibanj, ko vetrovi ponoč i nosijo zrak s kopnega proti morju, se lahko emisije iz obalnih virov akumulirajo v zrač nih masah, ki sicer bolj ali manj stagnirajo nad morjem. Po drugi strani pa podnevi vetrovi nosijo onesnažene zrač ne mase z morja proti kopnemu. V obravnavanem obdobju je do takšnega vpliva fotokemijskega onesnaženja iznad morja nad kopno prišlo dne 22. 8., ko so bile na vseh treh primorskih merilnih postajah (Koper, Nova Gorica, Iskrba, Slika 4) izmerjene gostote ozona okrog 180 µ g/m 3 . Obč asno so bile v 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0 200,0 12.8.2011 0:00 12.8.2011 14:00 13.8.2011 4:00 13.8.2011 18:00 14.8.2011 8:00 14.8.2011 22:00 15.8.2011 12:00 16.8.2011 2:00 16.8.2011 16:00 17.8.2011 6:00 17.8.2011 20:00 18.8.2011 10:00 19.8.2011 0:00 19.8.2011 14:00 20.8.2011 4:00 20.8.2011 18:00 21.8.2011 8:00 21.8.2011 22:00 22.8.2011 12:00 23.8.2011 2:00 23.8.2011 16:00 24.8.2011 6:00 24.8.2011 20:00 25.8.2011 10:00 26.8.2011 0:00 26.8.2011 14:00 Celje Hrastnik Iskrba Koper Krvavec Ljubljana Maribor Mobilna Murska Sobota Nova Gorica Otlica Trbovlje 51 obravnavanem obdobju nekoliko višje gostote ozona simulirane tudi lokalno na nekaterih območ jih po Sloveniji, vendar so bile vedno bistveno nižje od dovoljenih vrednosti (maksimumi obič ajno nekje do 150 µ g/m 3 ). V splošnem so bile simulirane vrednosti ozona po Sloveniji podcenjene, kar je med drugim vsaj deloma posledica že omenjenega problema z manjkajoč imi biogenimi emisijami. Slika 5 – Z modelskim sistemom ALADIN-CAMx simulirana onesnaženost zraka pri tleh z ozonom (v µ g/m 3 ) na notranjem modelskem območ ju z loč ljivostjo 4,4 km. Prikazano je polje za 22. 8. 2011 ob 15 UTC. Simulacija v primeru povišanih koncentracij delcev (18. 12. 2010 – 4. 1. 2011) V tem obravnavanem obdobju so bile izmerjene povišane koncentracije delcev v zraku. Najvišje urne koncentracije delcev so v Sloveniji več inoma izmerjene v zimskih mesecih v zgodnjih jutranjih urah, ko je temperaturna inverzija najizrazitejša. Obič ajno so preseganja izmerjena v več jih mestih. Zaradi nepoznavanja zač etnih koncentracij onesnaževal v ozrač ju (zač etni nič elni kemijski pogoji) smo modelirali dalj č asa, podrobneje pa analizirali modelske rezultate za zadnje dni obravnavanega obdobja. Na Sliki 6 so vidna obsežna območ ja poveč anih koncentracij delcev, ki se v obliki širokega pasu razprostirajo po Padski nižini od severozahoda proti jugovzhodu. V Sloveniji so koncentracije delcev poveč ane v okolici več jih mest, kot so Ljubljana, Celje, Maribor pa tudi Murska Sobota. Z višino se onesnaženost hitro zmanjšuje, nad višino temperaturne inverzije je mešanje zraka v vertikalni smeri dosti bolj uč inkovito, zato so tudi razlike koncentracij po višini bistveno manjše. Zanimivo sliko dobimo tudi, ko pogledamo vertikalni č asovni presek koncentracij v določ eni modelski toč ki, v našem primeru na območ ju Ljubljane (Slika 7). Lepo se namreč vidi, da so koncentracije delcev največ je v zgodnjih jutranjih urah, najmanjše pa 52 popoldne (ob dveh in treh), ko je ozrač je zaradi poveč anega sonč nega sevanja bolj labilno, posledič no vertikalno mešanje izrazitejše, ter višina planetarne mejne plasti zraka višja (Sliki 7 in 8). Primerjava modelskih rezultatov z meritvami pokaže, da model CAMx v povpreč ju sicer sledi urnim izmerjenim koncentracijam delcev, so pa modelske koncentracije v primerjavi z izmerjenimi podcenjene (Slika 9). Vzroki razhajanj so lahko v napaki primerjave med meritvijo v toč ki in modelsko vrednostjo, ki predstavlja povpreč no koncentracijo cele modelske celice (4,4 km x 4,4 km x debelina spodnje modelske plasti), ali v drugih virih modelskih napak (npr. negotovosti v emisijah). Poleg tega pa je tudi merilna negotovost urnih meritev koncentracij delcev velika, z zakonodajo predpisane največ je še dopustne merilne negotovosti koncentracij delcev so za povpreč ne dnevne vrednosti namreč kar 50 % (mi pa primerjamo urne koncentracije). Slika 6 – Z modelskim sistemom ALADIN-CAMx simulirana onesnaženost zraka pri tleh z delci (v µ g/m 3 ) na notranjem modelskem območ ju z loč ljivostjo 4,4 km. Prikazano je polje za 2. 1. 2011 ob 8. uri po lokalnem č asu. 53 Slika 7 – Vertikalni krajevni presek onesnaženosti zraka z delci iz smeri Postojna proti Murski Soboti preko Ljubljane, Celja in Maribora. Potek je prikazan za 2. 1. 2011 ob 8. uri po lokalnem č asu. Slika 8 – Č asovni potek onesnaženosti zraka z delci nad modelsko toč ko, ki je najbliže Ljubljani. Potek je prikazan za č as od 2. 1. 2011 ob 00 do 3. 1. 2011 ob 00. 54 Slika 9 – Primerjava izmerjenih vrednosti (rdeč a) in modelskih vrednosti (modra) količ ine delcev v zraku pri tleh (v µ g/m 3 ) za Ljubljano, pri č emer modelske vrednosti veljajo v modelski toč ki, ki je najbliže Ljubljani. Č asovni potek je prikazan za obdobje od 2. 1. 2011 ob 00 do 3. 1. 2011 ob 00. Zaključ ki Napovedovanje onesnaženosti zraka z ozonom in z delci z modelskim sistemom ALADIN/CAMx lahko ocenimo za dokaj uspešno. Pri tem je treba upoštevati prostorsko in č asovno kvalitativno in kvantitativno ujemanje z resnič nimi razmerami v ozrač ju. Pri tem je del težave ta, da modelska vrednost predstavlja povpreč je za celotni modelski volumen okrog vsake modelske toč ke, medtem ko je meritev reprezentativna za neko toč ko v prostoru in zgolj njeno bližnjo okolico. Pri delcih je del težave tudi č asovno zelo spremenljiva onesnaženost zraka z delci, zato so meritve onesnaženosti z delci za krajša obdobja tudi manj reprezentativne. Napoved za poletni primer, ko je bila marsikje po Sloveniji zabeležena poveč ana onesnaženost zraka z ozonom, je bila kvalitativno uspešna, kvantitativno pa so modelske vrednosti nekoliko prenizke glede na izmerjene. To delno lahko razložimo s tem, da zaenkrat še niso vključ ene biogene emisije predhodnikov ozona, katerih delež je lahko znaten. Za zimski primer poveč ane onesnaženosti zraka z delci se napoved kvantitativno in kvalitativno dokaj dobro ujema z izmerjeno onesnaženostjo. Literatura Agencija RS za okolje (ARSO): model ALADIN in podatki o emisijah za Slovenijo Carter, W. P. L., 2000: Documentation of the SAPRC-99 Chemical Mechanism for VOC Reactivity Assessment. Final Report to California Air Resources Board Contract No. 92-329, and 95-308. http://www.cert.ucr.edu/~carter/absts.htm#saprc99 55 ENVIRON, 2011: CAMx User's Guide, Comprehensive Air Quality Model With Extensions Version 5.40, ENVIRON International Corporation, Novato, California. MACC a: emisije za področ je Evrope, fp://macclient@neptunus.tno.nl/projects/TNO/beno/macc/ MACC b: kemijski robni pogoji, http://macc.icg.kfa-juelich.de:50080/access MOZART: kemijski robni pogoji: http://www.gmes-atmosphere.eu/d/services/gac/nrt/nrt_fields O’Brien, J. J, 1970: A Note on the vertical structure of the eddy exchange coefficient in the planetary boundary layer, J. Atmos. Sci., 27, 1213–1215. TOMS: http://toms.gsfc.nasa.gov/ozone/ozone.html USGS: raba tal iz podatkov modela WRF