Πρόγνωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης ημήτρης Μελάς Καθηγητής ΑΠΘ ημ. Μελάς, «Επιστημονικά εργαλεία για την μελέτη της ποιότητας του αέρα», Πάτρα, 21 Ιανουαρίου 2014
Η οδηγία της Ευρωπαϊκής Ένωσης για την ποιότητα του αέρα 2008/50/EC δίνει έμφαση στην χρήση των μοντέλων σε συνδυασμό με τα δεδομένα του δικτύου παρακολούθησης της ποιότητας του αέρα
Ατμοσφαιρικές διεργασίες που επηρεάζουν τη διασπορά των ρύπων Ύψος Αναμείξεως Μεταφορά από τον οριζόντιο άνεμο Εκπομπή Διάχυση Χημικοί μετασχηματισμοί Υδρόσφαιρα Διαφυγή ρύπων στην ελεύθερη ατμόσφαιρα Ξηρή απόθεση Απόπλυση Απομάκρυνση μέσω των νεφών Υγρή απόθεση
Τύποι Μοντέλων Τα Γκαουσιανά μοντέλα (ή μοντέλα θυσάνου του Gauss) Τα φυσικά μοντέλα (physical models) Τα αριθμητικά μοντέλα (numerical models) Τα στατιστικά μοντέλα (statistical models)
Στατιστική πρόγνωση μεγίστων συγκεντρώσεων Βασίζονται συνήθως σε ημι-εμπειρικές στατιστικές σχέσεις ανάμεσα στα επίπεδα ρύπανσης και σε άλλες μεταβλητές (π.χ. θερμοκρασία, άνεμος κτλ) Χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει πλήρης κατανόηση των φυσικών και χημικών διεργασιών ή υπάρχει έλλειψη των απαραίτητων βάσεων δεδομένων για την χρήση αριθμητικών μοντέλων διασποράς. Για την ανάπτυξή τους απαιτούνται ιστορικές βάσεις δεδομένων ρύπανσης
Τα στατιστικά μοντέλα βασίζονται στη σχέση ανάμεσα στα επίπεδα ρύπανσης και τις μετεωρολογικές μεταβλητές ΑΝΑΤΟΜΙΑ ΕΠΕΙΣΟ ΙΟΥ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΣΤΗΝ ΑΘΗΝΑ
Άλλες παράμετροι Η πιθανότητα εμφάνισης ενός επεισοδίου ρύπανσης είναι αυξημένη αν τα επίπεδα ρύπανσης της προηγούμενης ημέρας ήταν υψηλότερα από το κανονικό (εμμονή επιπέδων ρύπανσης). Εβδομαδιαία μεταβολή.
ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ Πολλαπλή παλινδρόμηση. Σύγχρονες μεθόδους τεχνητής νοημοσύνης και τεχνικές εξόρυξης δεδομένων (νευρωνικά δίκτυα, έμπειρα συστήματα κ.ά.)
Επαλήθευση στατιστικού μοντέλου για τις μέγιστες ημερήσιες τιμές του NO2 στην Αθήνα
ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ Βασικές Έννοιες Ατμοσφαιρικών Μοντέλων 11
Το όνειρο του Richardson -1 Ο Lewis Fry Richardson ήταν ο πρώτος που πρότεινε το 1922 τη χρήση αριθμητικών μοντέλων για την πρόγνωση καιρού. Ο Richardson δοκίμασε να πραγματοποιήσει μια αριθμητική πρόγνωση του καιρού κατά τη διάρκεια μιας μέρας, 20 Μαΐου 1910. Ο Richardson δοκίμασε να χρησιμοποιήσει ένα μαθηματικό μοντέλο βασισμένο στις βασικές αρχές της Φυσικής. Χρησιμοποίησε μετρήσεις από μια συγκεκριμένη ώρα (7 πμ) για να υπολογίσει τον καιρό 6 ώρες αργότερα. Χρειάστηκαν 6 εβδομάδες για να ολοκληρωθούν οι υπολογισμοί. Υπολόγισε ότι θα χρειαζόταν 60,000 άνθρωποι (computers) ώστε να ολοκληρωθεί έγκαιρα η πρόγνωση του καιρού της επόμενης ημέρας. Το πείραμα δεν ήταν επιτυχημένο.
Το όνειρο του Richardson -2 Perhaps some day in the dim future it will be possible to advance the computations faster than the weather advances and at a cost less than the saving to mankind due to the information gained. But that is a dream. Lewis Fry Richardson, 1922 13
Σχετικά με την αριθμητική πρόγνωση Οι προγνώσεις καιρού πραγματοποιούνται επιλύοντας τις εξισώσεις κίνησης στην ατμόσφαιρα: Δυναμική Θερμοδυναμική Μη-γραμμικές, μερικές διαφορικές εξισώσεις Διατήρηση μάζας Διατήρηση υδρατμών Δύο διαφορετικές προσεγγίσεις: α) Αναλυτικές λύσεις ενός συστήματος απλοποιημένων εξισώσεων β) Αριθμητικές λύσεις των εξισώσεων χρησιμοποιώντας αριθμητικές μεθόδους (π.χ. πεπερασμένες διαφορές) σε συγκεκριμένα σημεία στο χώρο (πλέγμα) 14
Ατμοσφαιρικά Μοντέλα Ένα μοντέλο ατμοσφαιρικών προγνώσεων είναι ένα μαθηματικό μοντέλο το οποίο βασίζεται σε ένα πλήρες σύστημα των αρχέγονων εξισώσεων οι οποίες ρυθμίζουν την κίνηση στην ατμόσφαιρα Παρατηρήσεις Παραμετροποιήσεις Αριθμητικό Μοντέλο Αριθμητικές λύσεις σε πλεγματικά σημεία Προγνώσεις 15
Τα Ατμοσφαιρικά Αριθμητικά Μοντέλα Σήμερα Πολύπλοκα μοντέλα Λεπτομερείς παραμετροποιήσεις Απαιτείται υψηλή υπολογιστική απόδοση! Προγνώσεις πολλαπλού δείγματος Προγνώσεις υψηλής ευκρίνειας ( 2-km) Είναι απαραίτητη η χρήση παράλληλων υπολογιστικών τεχνικών τόσο στην ανάπτυξη του λογισμικού όσο και της υπολογιστικής πλατφόρμας (π.χ. συστοιχία υπολογιστών ή GRID) 16
17
WRF-1 Το Weather Research and Forecast model είναι ένα σύγχρονο μοντέλο μέσης κλίμακας το οποίο έχει αναπτυχθεί τόσο για την επιχειρησιακή πρόγνωση του καιρού όσο και για να καλύψει ερευνητικές ανάγκες. Multiple dynamical cores (ARW, NMM, Chem & Fire) 3D variational data assimilation scheme (3DVAR) Full physics options: Fully non-hydrostatic equations (hydrostatic option available) 1- and 2-way nesting Το WRF παρουσιάσθηκε για πρώτη φορά στις 30 Νοεμβρίου του 2000 και σήμερα υπάρχει η έκδοση 3.2. Το μοντέλο τρέχει σήμερα τόσο στο Hellas GRID όσο και στη συστοιχία υπολογιστών του 18 Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας.
WRF-2 Το WRF είναι κατάλληλο για ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών εφαρμογών σε κλίμακες από μερικές εκατοντάδες μέτρα έως μερικές χιλιάδες χιλιόμετρα. Idealized simulations (e.g. convection, baroclinic waves) Parameterization testing Data assimilation research Real-time weather forecasting Weather research Coupled model applications (e.g. chemistry) 19
Μετεωρολογία Θερμοκρασία (Kelvin) Άνεμος (m/s)
Αστική Θερμική Νησίδα 23
Athens Urban area of Megara Urban green areas Industrial zone Army camp/non-irrigated agricultural land
www.urbanheatisland.info 25
www.urbanheatisland.info 26
Athens Difference in temperature between the urban areas and the rural surroundings
Thessaloniki Difference in temperature between the urban areas and the rural surroundings
ΠΡΟΓΝΩΣΗ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΜΕ ΜΟΝΤΕΛΑ ΙΑΣΠΟΡΑΣ
Δεδομένα Εισόδου / Διάγραμμα Ροής Μετεωρολογικό Μοντέλο Άνεμος, Πίεση, Θερμοκρασία Υγρασία, Νέφωση, Βροχόπτωση Συντελεστές Τυρβώδους Διάχυσης Μοντέλο Ποιότητας της Ατμόσφαιρας Συγκεντρώσεις Ρύπων σε όλα τα Πλεγματικά Σημεία Χρήσεις Γης Εκπομπές Ρύπων Χημικός Μηχανισμός Ρυθμοί Φωτόλυσης Μεγάλες απαιτήσεις σε δεδομένα εισόδου και υπολογιστική δύναμη.
Flow Chart of the Forecast System Topography Land Use Initial and Boundary Conditions based on NCEP Forecast Land Use Database Emission Potentials and Foliar Biomass Densities Database MM5 Mesoscale Meteorological Model Biogenic NMVOCs Model Biogenic NMVOCs Emissions MM5 to CAMx Meteorological Data + Anthropogenic Emissions Emission Data CAMx Photochemical Air Quality Model Chemical Initial and Boundary Conditions Chemical Parameters Pollutants Photolysis Rates Concentrations Graphs and update of the web server 72-ώρες προγνώσεις για τη ΝΑ Ευρώπη. O 3,NO 2,CO,SO 2,PM 10 Τρία πλέγματα a) SE Med (10-km) b) Athens (2-km) c) Thessaloniki (2-km) 31
Πρόγνωση της Ποιότητας της Ατμόσφαιρας Επιχειρησιακή εφαρμογή ενός μετεωρολογικού μοντέλου μέσης κλίμακας (ΜΜ5, σήμερα το WRF) και ενός φωτοχημικού μοντέλου περιφερειακής κλίμακας (CAMx) στις παρακάτω περιοχές: Ευρώπη (30 x 30 km 2 ) Βαλκάνια (10 x 10 km 2 ) Αθήνα (2 x 2 km 2 ) Θεσσαλονίκη (2 x 2 km 2 ) Τριήμερη πρόγνωση των ημερήσιων μέσων και μέγιστων συγκεντρώσεων των αερίων ρύπων O3, NO2, ΝΟ, CO,SO2και των PM10.
lap.physics.auth.gr/macc 33 Τα αποτελέσματα εμφανίζονται στην ιστοσελίδα του LAP
lap.physics.auth.gr/macc 34
lap.physics.auth.gr/macc 35
lap.physics.auth.gr/macc 36
Πρόγνωση ποιότητας του αέρα
Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας
Η κατάσταση του ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος σήμερα ημήτρης Μελάς Καθηγητής ΑΠΘ ημ. Μελάς, «Επιστημονικά εργαλεία για την μελέτη της ποιότητας του αέρα», Πάτρα, 21 Ιανουαρίου 2014
Ποια είναι η αιτία των περιβαλλοντικών προβλημάτων?
Μερικοί παράγοντες εξαναγκασμού των περιβαλλοντικών αλλαγών της περιόδου 1890-1990 Κινητήρια δύναμη Πληθυσμός Πληθυσμός σε αστικές περιοχές Ποσοστό του πληθυσμού που ζει σε αστικές περιοχές Παγκόσμια οικονομία Βιομηχανικό προϊόν Χρήση ενέργειας Αλλαγή Αύξηση 4 φορές Αύξηση 13 φορές Αύξηση 3 φορές Αύξηση 14 φορές Αύξηση 40 φορές Αύξηση 13 φορές Το 25% των κατοίκων της γης ζει στις ανεπτυγμένες χώρες, το 40% απ αυτούς ζει στις πόλεις και παράγει το 75% των παγκόσμιων αποβλήτων.
ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΝΑ ΠΕΡΙΟΧΗ
Κατανάλωση ενέργειας ανά τύπο καυσίμου
Η ενεργειακή φούσκα στην Ελλάδα www.energia.gr 1980-2008: Μέση αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας με 3.5% ανά έτος
Ενεργειακό ισοζύγιο 2005 Πηγή: ΕΑΑ 2007 Πρόβλεψη εκπομπών αερίων ρύπων θερμοκηπίου, ετήσια έκθεση για Ε.Ε.
PM10 Σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας τα αιωρούμενα σωματίδια αποτελούν μια από τις σημαντικότερες απειλές για την υγεία
Εκτίμηση των ετήσιων επιπέδων PM10 σε πόλεις μεγαλύτερες από 100,000 κατοίκους (GEO-4)
Πρώιμοι θάνατοι λόγω έκθεσης στα PM10 (GEO-4)
Η εξέλιξη των εκπομπών στην Ευρωπαϊκή Ένωση
Μέσα επίπεδα PM10 για το έτος 2005
Η συντόμευση της ζωής σε μήνες λόγω των αερολυμάτων ΡΜ2.5 στην Ευρώπη
ΟΖΟΝ Ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας εκτιμά ότι 21000 πρώιμοι θάνατοι/έτος στην ΕΕ σχετίζονται με αυξημένες τιμές του όζοντος. Επηρεάζει την ημερήσια υγεία μεγάλου αριθμού πολιτών (8-108 εκατομμύρια εργατο-ημέρες/έτος)
Μέσα επίπεδα όζοντος (GEO-4)
Πάτρα: Σταθμός πλατείας Δροσοπούλου Αριθμός ημερών με υπέρβαση του ορίου για τα PM10
Πάτρα: Σταθμός πλατείας Βασιλέως Γεωργίου Αριθμός ημερών με υπέρβαση του ορίου για τα PM10
Πάτρα: Σταθμός πλατείας Δροσοπούλου) Ποσοστό υπερβάσεων του ορίου για το όζον
Η εξελισσόμενη κλιματική αλλαγή Η μεγαλύτερη περιβαλλοντική απειλή για τον πλανήτη
Το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι ένα φυσικό φαινόμενο με ευεργετικά αποτελέσματα στο κλίμα της γης Εισερχόμενη Ηλιακή Ακτινοβολία Απορρόφηση και Επανεκπομπή της Υπέρυθρης Ακτινοβολίας από τα Θερμοκηπικά Αέρια Εξερχόμενη Υπέρυθρη Ακτινοβολία Η απειλή προέρχεται από την υπερβολή του φαινομένου, η οποία οφείλεται στις ανθρωπογενείς εκπομπές ρύπων.
Εθνικές εκπομπές CO2
Κατά κεφαλή εκπομπές CO2 σε περιφερειακό επίπεδο (GEO-4)
Επιταχυνόμενες μεταβολές της θερμοκρασίας, της στάθμης της θάλασσας και της χιονοκάλυψης στο Β. Ημισφαίριο (IPCC) +0.6 ο C στον 20 ο αιώνα +0.74 ο C στο διάστημα 1906-2005 Αύξηση: από τα ο 1963 με 1.8χιλιοστά/έτος από το 1993 με 3.1 χιλιοστά/έτος Μείωση των αρκτικών θαλάσσιων πάγων με 2.9% / δεκαετία
Απόκλιση της θερμοκρασία επιφανείας από τη μέση τιμή της περιόδου 1951-1980 Πηγή: NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio
ΕΛΛΑΔΑ Συνολικός υετός Μέση μείωση του υετού με 1.9 χιλιοστά / έτος. Σε πολλούς σταθμούς η μείωση του υετού συνδυάζεται με αύξηση της ραγδαιότητας Πηγή: Kioutsioukis et. al, 2009
Climate Change is Real and Here! Το ερώτημα δεν είναι αν η κλιματική αλλαγή είναι μια πραγματικότητα αλλά αν λαμβάνει χώρα σε τέτοια κλίμακα ή με τέτοιο ρυθμό ώστε οι ζώντες οργανισμοί στην γη θα δυσκολευτούν στην προσαρμογή
ΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΑΠΟΧΡΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΠΡΑΣΙΝΟΥ Κανένα πρόβλημα Ίσως υπάρχει κάποιο πρόβλημα αλλά δεν μπορούμε να κάνουμε τίποτε γι αυτό Πολύ λίγοι ειδικοί Χρειάζεται περισσότερη έρευνα Λίγοι ειδικοί πριν να αρχίσουμε να ενεργούμε Πρέπει να ξεκινήσουμε τις ενέργειες άμεσα Χρειάζονται τεράστιες αλλαγές γρήγορα Πολύ λίγοι ειδικοί Πλειοψηφία των ειδικών Μειοψηφία των ειδικών
ΑΝΑΜΕΝΟΜΕΝΕΣ ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΤΟ ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΚΛΙΜΑ (IPCC)
Αναμενόμενες μεταβολές για την περίοδο 2071-2100 σε σχέση με την περίοδο 1961-1990 για διάφορες περιοχές της Ελλάδας (Zanis et al., 2007) ΕΤΟΣ ΚΡΗΤΗ ΔΩΔΕΚ ΠΕΛΟΠ ΚΥΚΛ K.-A. ΜΕΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡ. ( o C) ΕΛΛΑΔ Δ.-Κ. ΜΑΚ Α. ΜΑΚ- ΘΡΑΚΗ +3.5 +3.5 +3.8 +3.4 +4.0 +4.2 +4.2 +3.7 ΕΛΛΑΔΑ ΥΕΤΟΣ -19% -16% -21% -16% -16% -14 % -17% -16% ΧΕΙΜΩΝΑΣ ΜΕΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡ. ( o C) +3.1 +3.2 +3.3 +3.2 +3.7 +3.9 +4.0 +3.4 ΥΕΤΟΣ -27% -18% -19% -20% -20% -11% -2% -14% ΚΑΛΟΚΑΙΡΙ ΜΕΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡ. ( o C) +4.2 +4.1 +4.8 +4.0 +5.0 +5.2 +5.2 +4.5 ΥΕΤΟΣ -56% -68% -65% -63% -54% -50% -55% -57%
Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας ημ. Μελάς, «ιαχείριση της ποιότητας του αέρα», Πάτρα, 20 Ιανουαρίου 2014