Слайд 1 - Методический кабинет Гидрометцентра России

Метод расчета
метеорологического показателя
рассеивания примеси и
загрязнения приземного воздуха
ФГБУ «Гидрометцентр России»,
И.Н.Кузнецова, И.Ю. Шалыгина, М.И. Нахаев
Метеорологический показатель рассеивания
примеси
и загрязнения приземного воздуха (МПРЗ)
МПРЗ - основа для прогнозирования НМУ
Мотивировка представления метода на ЦМКП:
Выполняется в рамках НИР 1.4.1.4 (2014-2016гг.)
Разработка Методических рекомендаций по прогнозированию НМУ и опасных уровней
загрязнения атмосферного воздуха с использованием мезомасштабных численных моделей
атмосферы и химических транспортных моделей
Окончание НИР 2016 г. (метод прогноза НМУ)
Диагностика ↔ Прогноз (ошибки модельных параметров, в
2016 г.)
Необходима независимая проверка метода прогноза
Предпосылки для разработки показателя МПРЗ
использование новых средств
мониторинга АПС
с учетом результатов научных
исследований
Данных непрерывных
измерений концентраций ЗВ
Мосэкомониторинг
связей
МУЗ
(НМУ)
концентрациями ЗВ в Москве
МТП-5 в центре и на окраинах
Москвы
Телебашни Останкино
ВММ Обнинск
с
динамики
и
взаимодействия
метеопараметров и загрязнений в
эпизодах повышенного и высокого
загрязнения,
 влияния инверсий Т (МТП-5) и
стратификации V в АПС пр.
Многолетняя практика взаимодействия с МосЦГМС, Мосэкомониторинг
0,07
0,80
0,06
0,70
0,60
0,05
0,50
0,04
0,40
0,03
0,30
0,02
0,20
0,07
2
NO
4
6
O3
8
10
12
14
16
CO
18
20
22
0,06
концентрация NO, MO2, O3, мг
м-3
0
имеющих различные источники
и свойства
трансформации и химических
взаимодействий
0,10
Холодный сезон
0,00
NO2
Изучены : сезонные и
внутрисуточные циклы ЗВ,
0,80
0,00
0,70
ч
0,60
0,05
0,40
0,03
0,30
0,02
0,20
0,01
NO2
0,10
NO
O3
CO
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
Теплый сезон. Москва. 2011 г.
2
0,00
0
Голубыми стрелками показаны
сроки измерений на сети
Росгидромета
0,50
0,04
0,00
ч
концентрация CO, мг м-3
0,01
концентрация CO, мг м-3
концентрация NO, MO2, O3, мг м-3
Типовой суточный ход средней по городу
концентрации CO, NO, NO2 и О3 мг м-3.
12
12
10
10
8
8
М есяцы
М есяцы
М есяцы
Сезонно-суточный цикл первичных и
короткоживующих загрязнений воздуха
6
6
4
4
2
2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
СО
Часы суток
0
2
4
6
8
10
12
14
16
NO2
18
20
Часы суток
12
Установлено:
10
«Синхронизация» сезонных
экстремумов этих ЗВ
4 характерных внутрисуточных
интервала
(max, min).
8
6
4
2
0
2
4
6
8
10
12
Часы суток
14
16
18
20
PM10
22
22
Скорость роста концентраций до критических
величин при НМУ: 3-5 ч
0.6
Марьино
Бирюлево
Вешняки
Длгпрудн
Полярная
туристская
косино
1-2 МАРТА 2011
NO2 мг м-з
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
22:00
20:00
18:00
16:00
14:00
12:00
10:00
8:00
6:00
4:00
2:00
0:00
22:00
20:00
18:00
16:00
14:00
12:00
10:00
8:00
6:00
4:00
0
Отказ от терминологии «продолжительность»
Значительный «разброс» уровней на территории города
Эмпирико-статистический метод расчета МПРЗ
Этапы разработки метода и
верификации

сформулирован рабочий алгоритм для
предсказания резкого повышения уровня
загрязнения (при НМУ 2-3 кратное превышение
фоновых концентраций) …………..

затем рабочая модель формализована
(количественные параметры)

экспериментальная проверка на
зависимых и независимых выборках

уточнение метода
Расчет МПРЗ
основан на
учете
 скорости
переноса в
пограничном
слое
атмосферы
 типа
термической
устойчивости
 осадков
Алгоритм расчета МПРЗ
с применением 11 индексов
Тип
МПРЗ
I
II
III
Уточняющие характеристики и признаки
(температурная стратификация, осадки)
индекс
МПРЗ
Инверсия температуры с нижней границей не выше 200 м.
1
Близкая к изотермии стратификация температуры в нижнем 300 метром слое. Без осадков.
Слой перемешивания толщиной не более 300 м. Без осадков.
2
3
Теплый сектор антициклона/ циклона. Без осадков.
4-5
Теплый сектор антициклона/ циклона. Слабые моросящие осадки
(0.1- 3 мм/12 ч).
Толщина слоя перемешивания более 300 м.
Резкая смена воздушной массы (∆Т12ч (925гПа) ≥|3|°С, в теплый
период ≥|4|°С).
Умеренные или сильные осадки (больше 3 мм/12ч). Зона
атмосферного фронта.
Средняя скорость в ПСА > 8 с-1.
6-7
НМУ 1-2 (или +3 адаптация для одиночных источников )
8
9
10
11
Определение типа МПРЗ (три типа) для автоматизированного
расчета по прогностическим метеоданным мезомасштабной
модели атмосферы
Интенсивность
рассеивания
(МПРЗ)
Скорость
ветра в АПС
(м с-1)
Барическое поле, перенос,
стратификация, осадки
I
слабое
(НМУ)
Слабая
в нижнем 1-км слое
V(0 – 850)= 2-5 м/с
II
умеренное
Умеренная
в приземном слое
V0 =1-3,
в слое ≥ 0.5 км
V925- 850 = 6-7 м/с
Малоградиентное барическое
поле.
Устойчивая стратификация. Без
осадков.
Малоградиентная
периферия
барического
образования
с
выраженным
направлением
переноса.
Возможны слабые осадки.
III
интенсивное
Сильная
в слое ≥ 0.5 км
V925- 850 ≥8 м/с
Градиентная
периферия
барического
образования
с
выраженным
направлением
переноса, сменой воздушной
массы. Сильные осадки.
ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЗАКОН
«Об охране атмосферного воздуха»
Статья 1. Основные понятия
неблагоприятные метеорологические условия метеорологические условия, способствующие накоплению вредных
(загрязняющих) веществ в приземном слое атмосферного воздуха;
НМУ – фокус, цель идентификации/прогноза
метеорологических условий рассеивания и
загрязнения приземного воздуха
Для тестирования метода расчета МПРЗ (НМУ)
использованы данные о концентрациях
загрязняющих веществ ведомственных (МосЦГМСР) и региональных наблюдений
(Мосэкомониторинг»)
Неоднозначность критериев: ПДК, СИ, Р, фон и пр.
Верификация МПРЗ по данным
Мосэкомониторинг (год)
СОмах (0-7ч) усредненное. 2014
NO2max (0 - 7ч) уср. 17 станций. 2014
3
0.16
y = -0.1151x + 1.5783
R2 = 0.5003
2.5
y = -0.0046x + 0.0912
R2 = 0.2985
0.14
0.12
2
0.1
1.5
0.08
1
0.06
0.04
0.5
0.02
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
МПРЗ_ночь
СО
2
1.5
1
0.5
0
3
4
5
6
7
МПРЗ_утро
8
9
10
11
3
4
5
6
7
МПРЗ_ночь
8
9
10
11
рядов
концентраций вследствие
факторов:
2.5
2
2
NOTE: «неоднородность»
3
1
1
NO2
СОмах (0-7ч) усредненное. 2014
0
0
12
•Недельный цикл городских
эмиссий
•Праздничные дни
•Каникулы
•Дачный сезон
12
12
МПРЗ
10
МПРЗ
8
Верификация МПРЗ
по данным
Мосэкомониторинг
6
4
2
Ноябрь 2014 г.
6
02
.1
1
03
.1
1
05
.1
1
06
.1
1
08
.1
1
09
.1
1
11
.1
1
12
.1
1
14
.1
1
15
.1
1
17
.1
1
18
.1
1
20
.1
1
21
.1
1
23
.1
1
24
.1
1
26
.1
1
27
.1
1
29
.1
1
30
.1
1
0
CO
концентрации СО, мг м-3
5
20-21 ноября
МПРЗ = 1–2 (НМУ)
4
3
2
СО ср.гор. (в 5-6 раз),
CO (n) ≈ 1.1ПДК м.р
1
0,35
0,25
Казаков а
МГУ
Вешняки
Кожухов ский пр.
Лётная
среднее
N02
Марьино
Бутлеров а
Долгопрудная
Останкино
Пролетарский пр.
29.11
28.11
27.11
26.11
24.11
23.11
22.11
21.11
19.11
18.11
17.11
16.11
14.11
13.11
12.11
11.11
09.11
08.11
07.11
06.11
04.11
03.11
Шаболов ка
Бирюлев о
Люблино
Спиридонов ка ул.
Гурьев ский пр.
Св етлый пр.
МАДИ
Глебов ская
Народного оп.
Кожухов о
Гурьянов а
NO2 ср.гор. (в 3-4 раза),
NO2 (n) 1.1- 1.5 ПДК м.р.
0,2
0,15
0,1
0,05
Шаболов ка
Кут узов ский
Народного оп.
Ост анкино
Лёт ная
Казаков а
МГУ
Турист ская
Кожухов о
Гурьянов а
МАДИ
Чаянов а
Спиридонов ка ул.
Пл. Гагарина
Мелит опольская
Бирюлев о
Вешняки
Кожухов ский пр.
Хамов ники
среднее
30.11
29.11
28.11
26.11
25.11
24.11
22.11
21.11
20.11
19.11
17.11
16.11
15.11
13.11
12.11
11.11
10.11
08.11
07.11
06.11
04.11
03.11
02.11
0
01.11
концентрации NO2 мг м-3
0,3
02.11
01.11
0
12
МПРЗ
10
МПРЗ
8
6
Верификация МПРЗ
по данным
Мосэкомониторинг
4
2
Июль 2014 г.
0
5
внутрисуточная изменчивость
МПРЗ больше, чем зимой
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0,18Шаболов ка
Казаков а
МГУ
Чаянов а
Черемушки
Гурьев ский пр.
Мел-ская
Бирюлев о
Косино
0,16Полярная ул.
р.Чура
0,14Гурьянов а
Марьино
Бутлеров а
Вешняки
Останкино
Лётная
средняя
31.07
29.07
28.07
27.07
25.07
24.07
23.07
21.07
20.07
18.07
17.07
16.07
14.07
13.07
12.07
10.07
09.07
07.07
06.07
05.07
03.07
02.07
01.07
0
МАДИ
Лосиный о.
Долгопрудная
Кожухов о
Пролетарский пр.
N02
МПРЗ = 1 – 2
СО ср.гор. (в 3 - 5 раз),
CO (n) 0.8 - 1 ПДК м.р
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
Шаболов ка
МГУ
Вешняки
Турист ская
Пл. Гагарина
Гурьянов а
Марьино
Бут леров а
Долгопрудная
Спиридонов ка ул.
Хамов ники
Мел-ская
МАДИ
Косино
Полярная ул.
Ост анкино
Гурьев ский пр.
среднее
Бирюлев о
Чаянов а
Черемушки
Кожухов о
Лёт ная
31.07
29.07
28.07
27.07
25.07
24.07
23.07
21.07
20.07
18.07
17.07
16.07
14.07
13.07
12.07
10.07
09.07
07.07
06.07
05.07
03.07
02.07
0
01.07
концентрации NO2, мг м-3
концентрации СО, мг м-3 0
1.
07
02
.0
7
04
.0
7
06
.0
7
08
.0
7
09
.0
7
11
.0
7
13
.0
7
15
.0
7
16
.0
7
18
.0
7
20
.0
7
22
.0
7
23
.0
7
25
.0
7
27
.0
7
29
.0
7
30
.0
7
CO
4,5
NO2 ср.гор. (≈ в 2 раза),
NO2 (n) 0.5 - 0.7 ПДК м.р
Верификация МПРЗ по данным МосЦГМС (год)
0.35
Для расчета Р –
используются
концентрации
всех ЗВ
Р (ночь)
0.3
0.25
(в т.ч. фенол,
формальдегид, пыль),
0.2
измеряемых 4
раза в сутки
0.15
0.1
0.05
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
МПРЗ
параметр Р
уровень загрязнения
до 0.13
пониженный
0.14- 0.20
повышенный
0.21 - 0.30
высокий
0.31 и больше экстремально высокий
Шкала «Р» :
подвижна
(условна),
определяется
повторяемостью
концентраций
В Москве
1.7
11.7
16.7
21.7
26.7
31.7
Экстремально высокий
0
4
0.25
МПРЗ и параметр Р
0.20
(сеть Росгидромета)
0.30
высокий
2
повышенный
Р
МПРЗ
6
0.15
8
0.10
10
0.05
низкий
12
Июль 2014 г.
0.00
МПРЗ
Июль 2014
Параметр Р
5
4,5
СО
4
Р зависит
3,5
3
2,5
от количества измерений
(4 раза в сутки)
2
1,5
1
0,5
Шаболов ка
Косино
ул.
0,16Полярная
р.Чура
Гурьянов а
N02
Марьино
Бутлеров а
Вешняки
Останкино
Лётная
средняя
31.07
29.07
28.07
27.07
25.07
24.07
23.07
21.07
20.07
18.07
17.07
16.07
14.07
13.07
12.07
10.07
Казаков а
МГУ
Чаянов а
Черемушки
Гурьев ский пр.
Мел-ская
0,18Бирюлев о
0,14
09.07
07.07
06.07
05.07
03.07
02.07
01.07
0
МАДИ
Лосиный о.
Долгопрудная
Кожухов о
Пролетарский пр.
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
31.07
29.07
28.07
27.07
25.07
24.07
23.07
21.07
20.07
18.07
17.07
16.07
14.07
13.07
12.07
10.07
09.07
07.07
06.07
05.07
03.07
02.07
0
01.07
концентрации СО, мг м-3
концентрации NO2, мг м-3
6.7
По параметру Р
(1,5 кратное превышение
ср.сезонных уровней)
уровень загрязнения
О связи МПРЗ и параметра Р (МосЦГМС- Р,год)
6.5
11.5
16.5
21.5
26.5
1.8
31.5
6.8
11.8
16.8
21.8
26.8
31.8
0
0.30
2
0.25
2
0.25
4
0.20
4
0.20
6
0.15
6
0.15
8
0.10
8
0.10
10
0.05
10
0.05
0.00
12
0.00
12
V=10-12 m c-1
6.6
11.6
параметр Р
16.6
21.6
МПРЗ
Параметр Р
Август 2014
26.6
0
0.30
2
0.25
4
0.20
6
0.15
8
0.10
10
0.05
12
0.00
Р (маркеры) – ось Y (правая)
Р
МПРЗ
1.6
МПРЗ
Май 2014
Р
0.30
МПРЗ
0
Параметр Р
код МПРЗ
1.5
МПРЗ
Параметр Р
Июнь 2014
МПРЗ (столбцы) – ось Y (левая)
Связь МПРЗ, параметра Р с CO и NO
(усредненный по АСКЗА максимум в период 0-7 ч, 2014)
NОмах 0 - 7ч.
Связь NO
(первичный загрязнитель)
с МПРЗ R2= 0,5
с параметром Р R2= 0,11
Связь СO
с МПРЗ R2= 0,5
 с параметром Р R2= 0,15
(среднее14 ст.)
0.44
y = -0.0144x + 0.1653
R2 = 0.50
0.22
0
СО, NO (усредн.мах 0 - 7 ч., 14-16 ст.)
2
3
4
5
6
7
8
МПРЗ_ночь
9
10
11
12
3
0.44
y = 3.321x + 0.2927
R2 = 0.1535
y = 0.3629x + 0.0097
R2 = 0.1104
2
NO
1
СО, мг м-3
0
0.22
1
0
0
0
0.15
Рночь
0.3
Проблемы расчета МПРЗ: явления и факторы
+24
140
09:00
0
+24
+26
17:00
16
+16
14
12
100
10
80
8
60
6
40
4
20
2
0
0
26.4
Зеленоград
26 апреля
27.4
28.4
МГУ
29.4
Останкино
28 апреля
30.4.2009 г.
V, м c-1
120
3
РМ10, мкг м-3
15:00
Скорость ветра
30 апреля
НЕсогласованность
МПРЗ и уровня ЗВ
из-за неучета:
Дальний перенос
1
10:00
160
(29-31.03 2015, февраль
2014, дымы от природных
пожаров и пр.)
Мезоструйные
течения
(неучет- страховочные
НМУ, из-за отсутствия
данных о ветре в АПС)
•Модельные ошибки
прогноза метеопараметров
Рис 5
•Неопределенность прогноза
(ВМО): ансамбль моделей
атмосферы
Выводы:
Метод расчета метеорологического показателя
рассеивания и загрязнения приземного воздуха
(МПРЗ)
 является научно обоснованным,
 протестированным на данных о загрязнении воздуха,
 верифицированным по результатам проверки на
независимых рядах наблюдавшихся концентраций
загрязняющих веществ.
Алгоритм подготовлен для прогнозирования МПРЗ в
центральных областях ЕТР, для внедрения технологии
необходима проверка метода в заинтересованных УГМС.
Автоматизированный
прогноз МПРЗ
(ежедневно обновляется на сайте
Гидрометцентра России, страничка ЛМУЗ )
Для прогноза МПРЗ используются
прогностические величины метеорологических
параметров оперативной мезомасштабной
модели атмосферы COSMO-RU7 ( ≈ 7 км).