ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ «ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑ ΒΙΟΥ ΜΑΘΗΣΗ» ΕΘΝΙΚΟ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΕΣΠΑ 2007-2013 ΔΡΑΣΗ «ΑΡΙΣΤΕΙΑ» ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ 4.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΓΙΑ ΤΙΣ ΠΕΡΙΟΔΟΥΣ ΚΑΙ ΘΕΣΕΙΣ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΕΚΣΤΡΑΤΕΙΩΝ ΚΑΙ ΓΙΑ ΤΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΤΙΤΛΟΣ / ΚΩΔΙΚΟΣ ΕΡΓΟΥ: Βελτιστοποίηση και επέκταση επίγειας υποδομής για την πιστοποίηση μετρήσεων ατμοσφαιρικών συστατικών από δορυφορικά όργανα AVANTI/608 ΚΥΡΙΟΣ ΕΡΕΥΝΗΤΗΣ ΜΕΛΗ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΟΜΑΔΑΣ ΠΟΥ ΣΥΜMΕΤΕΙΧΑΝ Αλκιβιάδης Μπάης Δημήτριος Μελάς, Αναστασία Πούπκου, Χρήστος Γιάνναρος, Ναταλία Λιώρα
ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. Εισαγωγή... 3 2. Εφαρμογή μετεωρολογικού μοντέλου και μοντέλου χημικής μεταφοράς σε υψηλή χωρική και χρονική ανάλυση... 5 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 7 2
1. Εισαγωγή Στα πλαίσια της Ε.Ε.5 του έργου πραγματοποιούνται συγκρίσεις μεταξύ επίγειων και δορυφορικών δεδομένων της συγκέντρωσης αερίων ρύπων στην τροπόσφαιρα. Τα επίγεια δεδομένα προέρχονται τόσο από τη συστηματική παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα της Θεσσαλονίκης με το σύστημα Φαέθων, όσο και από τις πειραματικές εκστρατείες (Ε.Ε.3). Για τη διευκόλυνση και βελτίωση των συγκρίσεων εφαρμόζεται, στα πλαίσια της Ε.Ε.4, ένα σύστημα μοντελοποίησης που αποτελείται από το μετεωρολογικό μοντέλο μέσης κλίμακας WRF και το φωτοχημικό μοντέλο ποιότητας αέρα CAMx. Οι προσομοιώσεις επικεντρώνονται στις ευρύτερες περιοχές της Θεσσαλονίκης και της Κοζάνης-Πτολεμαΐδας. Η καταγραφή των εκπομπών που προέρχονται από ανθρωπογενείς δραστηριότητες, οι οποίες χρησιμοποιούνται στις προσομοιώσεις, έγινε κατά το πρώτο έτος υλοποίησης του έργου και παρουσιάστηκε λεπτομερώς στο παραδοτέο 4.1. Στο ίδιο παραδοτέο παρουσιάστηκαν και οι εκπομπές από φυσικές πηγές για προγενέστερη χρονική περίοδο, ενώ η περιγραφή της μεθοδολογίας υπολογισμού των φυσικών εκπομπών για την περίοδο διεξαγωγής των μετρήσεων παρουσιάζεται στο παράρτημα 5. Το συγκεκριμένο παραδοτέο αφορά δεδομένα από τις προσομοιώσεις. Τα δεδομένα αυτά βρίσκονται αποθηκευμένα και είναι προσβάσιμα για πιστοποιημένους χρήστες μέσω του συνδέσμου: ftp://155.207.123.252. Η μορφή των μετεωρολογικών δεδομένων είναι σε μορφή netcdf (.nc). Κάθε αρχείο περιλαμβάνει ωριαία μετεωρολογικά δεδομένα 84 h (3 ημέρες + 12 h) για κάθε πλέγμα προσομοίωσης ξεχωριστά και το όνομα κάθε αρχείου αναφέρει την αρχική ημερομηνία και ώρα προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα του CAMx βρίσκονται σε αρχεία που έχουν μορφή binary. Κάθε αρχείο περιλαμβάνει τα αποτελέσματα του CAMx για κάθε πλέγμα προσομοίωσης ξεχωριστά και για κάθε ημέρα προσομοίωσης ως ωριαίες τιμές συγκέντρωσης των ρύπων στην ατμόσφαιρα. Στο όνομα του κάθε αρχείου αναγράφεται η Ιουλιανή ημέρα της ημέρας προσομοίωσης. Ακολουθούν παραδείγματα χαρτών με τις συγκεντρώσεις του NO 2 στο έδαφος όπως υπολογίστηκαν από το μοντέλο για την Ελλάδα και την περιοχή της Θεσσαλονίκης για την 26 η Νοεμβρίου 2014. Στην επόμενη παράγραφο περιγράφεται η διαδικασία παραγωγής των προσομοιώσεων και τα μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν. 3
Σχήμα 1: Χάρτης της συγκέντρωσης του ΝΟ 2 στην περιοχή της Ελλάδας για τις 26 Νοεμβρίου 2014 από τις προσομοιώσεις του συστήματος μοντέλων WRF-CAMx. Σχήμα 2: Χάρτης της συγκέντρωσης του ΝΟ 2 στην περιοχή της Θεσσαλονίκης για τις 26 Νοεμβρίου 2014 από τις προσομοιώσεις του συστήματος μοντέλων WRF-CAMx. 4
2. Εφαρμογή μετεωρολογικού μοντέλου και μοντέλου χημικής μεταφοράς σε υψηλή χωρική και χρονική ανάλυση Στα πλαίσια του έργου εφαρμόστηκε το σύστημα μοντέλων που αποτελείται από το μετεωρολογικό μοντέλο μέσης κλίμακας Weather Research and Forecast - Advanced Research Weather (WRF ARW, έκδοση 3.5.1) (Skamarock et al., 2008) και το Οϋλεριανό φωτοχημικό μοντέλο ποιότητας αέρα Comprehensive Air quality Model with extensions (CAMx, έκδοση 5.3) (ENVIRON, 2010). Το σύστημα μοντέλων εφαρμόστηκε για τις περιοχές μελέτης (Ελλάδα, Θεσσαλονίκη και Πτολεμαΐδα). Η εφαρμογή τους αφορά την περίοδο Νοέμβριος 2014 - Μάρτιος 2015. Τα αποτελέσματα του CAMx για τους αέριους και σωματιδιακούς ρύπους είναι διαθέσιμα σε ωριαία βάση και αποθηκεύονται σε ξεχωριστά για κάθε ημέρα εφαρμογής του μοντέλου αρχεία που έχουν binary μορφοποίηση. Στο Σχήμα 3 παρατίθεται το διάγραμμα ροής της μοντελοποίησης και στη συνέχεια παρατίθενται λεπτομέρειες σχετικά με την εφαρμογή των μοντέλων. Το WRF ARW είναι ένα τελευταίας γενιάς μετεωρολογικό μοντέλο, σχεδιασμένο έτσι, ώστε να εξυπηρετεί τόσο τις ανάγκες ατμοσφαιρικής έρευνας όσο και ανάγκες επιχειρησιακής πρόγνωσης του καιρού. Στα πλαίσια του έργου έλαβαν χώρα προσομοιώσεις σε τρία πλέγματα σε μια σύμμορφη προβολή Lambert (Σχήμα 4). Το πρώτο πλέγμα (domain 01) κάλυπτε την ευρύτερη περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου (οριζόντια χωρική ανάλυση 6 km, έκταση 343 x 273 κελιά). Τα δύο άλλα πλέγματα ήταν ένθετα στο πρώτο (two way nesting) και εστίαζαν στην περιοχή της Θεσσαλονίκης (domain 02) (οριζόντια χωρική ανάλυση 2 km, έκταση 60 x 60 κελιά) και στην περιοχή της Κοζάνης-Πτολεμαΐδας (domain 03) (οριζόντια χωρική ανάλυση 1 km, έκταση 48 x 66 κελιά). Η κατακόρυφη δομή των πλεγμάτων χαρακτηρίζονταν από 28 στρώματα ανόμοιου πάχους, με υψηλότερη ανάλυση κοντά στο έδαφος. Τα 28 στρώματα εκτείνονται από το έδαφος μέχρι το ύψος των 16 km. Σχήμα 3: Διάγραμμα ροής της εφαρμογής του συστήματος μοντέλων WRF-CAMx. 5
Σχήμα 4: Απεικόνιση των πλεγμάτων προσομοίωσης του μοντέλου WRF. Οι αρχικές και οριακές συνθήκες ελήφθησαν από το Ευρωπαϊκό Κέντρο Προγνώσεων Καιρού Μέσης Κλίμακας (European Centre for Medium Range Weather Forecast, ECMWF) σε χωρική ανάλυση 0.125 x0.125 (~ 12.5 km) και χρονική ανάλυση 6 h. Οι διεργασίες μικροφυσικής παραμετροποιήθηκαν χρησιμοποιώντας το σχήμα Thompson et al., (2008). Η ανωμεταφορά (convection) στο πλέγμα της Ανατολικής Μεσογείου παραμετροποιήθηκε με το Grell-Devenyi ensemble σχήμα (Grell and Devenyi, 2002). Για τα ένθετα πλέγματα δεν χρησιμοποιήθηκε παραμετροποίηση της συναγωγής. Σε ό,τι αφορά στη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα χρησιμοποιήθηκαν τα RRTMG shortwave και RRTMG longwave σχήματα (Iacono et al., 2008). Το στρώμα επιφανείας παραμετροποιήθηκε με την χρήση του σχήματος Eta similarity (Janjic, 2002), ενώ για το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα χρησιμοποιήθηκε το σχήμα παραμετροποίησης Mellor-Yamada-Janjic (Janjic, 1994). Τέλος, οι διεργασίες της επιφάνειας του εδάφους παραμετροποιήθηκαν με το μοντέλο Noah Land Surface (Tewari, et al., 2004). Το CAMx είναι ένα τρισδιάστατο φωτοχημικό μοντέλο κυψελίδων τύπου Euler, που υπολογίζει τις συγκεντρώσεις των αερίων και σωματιδιακών ρύπων στην ατμόσφαιρα, προσομοιώνοντας τις ατμοσφαιρικές φυσικές και χημικές διεργασίες που επηρεάζουν τις συγκεντρώσεις των ατμοσφαιρικών ρύπων (π.χ., εκπομπές, διασπορά και διάχυση, χημικές αντιδράσεις, διεργασίες απομάκρυνσης). 6
Τα πλέγματα εφαρμογής του CAMx έχουν την ίδια προβολή με αυτά του WRF είναι όμως λίγο μικρότερης έκτασης (Ανατολική Μεσόγειος 337 x 267 κελιά, Θεσσαλονίκη 56 x 56 κελιά, Πτολεμαΐδα 38 x 56 κελιά). Κατακόρυφα τα πλέγματα αποτελούνται 22 στρώματα που εκτείνονται έως τα 10 km περίπου πάνω από την επιφάνεια του εδάφους. Εκτός από τα μετεωρολογικά πεδία που χρησιμοποιεί το CAMx από την εφαρμογή του μοντέλου WRF, άλλα σημαντικά δεδομένα εισόδου είναι οι ανθρωπογενείς και φυσικές εκπομπές ρύπων στην ατμόσφαιρα. Ο υπολογισμός τους έχει πραγματοποιηθεί και περιγραφεί στα πλαίσια των δραστηριοτήτων 4.1 και 4.2. του πακέτου εργασίας 4. Οι χημικές οριακές συνθήκες για την εφαρμογή του CAMx προήλθαν από το παγκόσμιας κλίμακας σύστημα μοντέλων C-IFS-TM5 (δεδομένα διαθέσιμα στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος Monitoring Atmospheric Composition and Climate III (MACC-III) (Horizon 2020, Grant agreement no: 633080). Για την προσομοίωση της ατμοσφαιρικής χημείας στην αέρια φάση χρησιμοποιήθηκε ο χημικός μηχανισμός Carbon Bond version 2005 (CB05) (Yarwood et al., 2005). Τα αιωρούμενα σωματίδια προσομοιώθηκαν ως λεπτά (σωματίδια με διάμετρο 2.5μm) και χοντρά (σωματίδια με διάμετρο > 2.5μm και 10μm). Η ανόργανη χημεία στην υγρή φάση είναι σύμφωνη με τον αλγόριθμο RADM-AQ (Chang et al., 1987). Ο διαμερισμός των ανόργανων σωματιδίων ανάμεσα στην αέρια και σωματιδιακή φάση έγινε με χρήση του σχήματος θερμοδυναμικής ISORROPIA (Nenes et al., 1998). Τα δευτερογενή οργανικά αεροζόλ προσομοιώθηκαν με χρήση του σχήματος SOAP (Strader et al., 1999). ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. ENVIRON, 2010. User's guide CAMx - Comprehensive Air Quality Model with extensions, Version 5.30, ENVIRON International Corporation, 415.899.0700, December 2010. 2. Chang J.S., Brost R.A., Isaksen I.S.A., Madronich S., Middleton P., Stockwell W.R., Walcek C.J., 1987. A Three-dimensional Eulerian Acid Deposition Model: Physical Concepts and Formulation. Journal of Geophysical Research 92, 14,681-14,700. 3. Grell, G. A., and D. Devenyi, 2002: A generalized approach to parameterizing convection combining ensemble and data assimilation techniques. Geophys. Res. Lett., 29(14). 4. Iacono, M. J., J. S. Delamere, E. J. Mlawer, M. W. Shephard, S. A. Clough, and W. D. Collins, 2008: Radiative forcing by long lived greenhouse gases: Calculations with the AER radiative transfer models. J. Geophys. Res., 113, D13103. 5. Janjic, Z. I., 2002: Nonsingular implementation of the Mellor-Yamada Level 2.5 Scheme in the NCEP Meso model. NCEP Office Note No. 437, 61 pp. 6. Janjic, Zavisa I., 1994: The Step Mountain Eta Coordinate Model: Further developments of the convection, viscous sublayer, and turbulence closure schemes. Mon. Wea. Rev., 122, 927 945. 7. Nenes A., Pilinis C., Pandis S.N., 1998. ISORROPIA: A New Thermodynamic Model for Multiphase Multicomponent Inorganic Aerosols. Aquatic Geochemistry 4, 123-152. 7
8. Skamarock, W.C., Klemp, J.B., Dudhia, J., et al., 2008. A description of the advanced research WRF version 3. NCAR Technical Note (NCAR/TN 475 + STR), Boulder, Colorado, USA. 9. Strader R., Lurmann F., Pandis S.N., 1999. Evaluation of secondary organic aerosol formation in winter. Atmospheric Environment 33, 4849-4863. 10. Tewari, M., F. Chen, W. Wang, J. Dudhia, M. A. LeMone, K. Mitchell, M. Ek, G. Gayno, J. Wegiel, and R. H. Cuenca, 2004: Implementation and verification of the unified NOAH land surface model in the WRF model. 20th conference on weather analysis and forecasting/16th conference on numerical weather prediction, pp. 11 15. 11. Thompson, Gregory, Paul R. Field, Roy M. Rasmussen, William D. Hall, 2008: Explicit Forecasts of Winter Precipitation Using an Improved Bulk Microphysics Scheme. Part II: Implementation of a New Snow Parameterization. Mon. Wea. Rev., 136, 5095 5115. 12. Yarwood G., Rao S., Yocke M., Whitten G.Z., 2005. Updates to the Carbon Bond chemical mechanism: CB05. Final Report prepared for US EPA, RT-04-00675 (http://www.camx.com/publ/pdfs/cb05_final_report_120805.pdf). 8