scholarly journals Επαλήθευση αριθμητικού μοντέλου ποιότητας του αέρα και ανάπτυξη μετεπεξεργαστικού φίλτρου

2021 ◽  
Author(s):  
Ερμιόνη Σολωμού

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η αξιολόγηση της επίδοσης αριθμητικού μοντέλου ποιότητας του αέρα και η ανάπτυξη μετεπεξεργαστικού φίλτρου για τη βελτίωση της απόδοσης του. Η περιοχή μελέτης είναι η Νοτιοανατολική Ευρώπη και ιδιαίτερη έμφαση θα δοθεί στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου. Στο πρώτο μέρος της διατριβής αξιολογείται η ικανότητα δύο συστημάτων μοντέλων να αναπαραγάγουν την επίδραση των Ετησιών ανέμων στα επίπεδα του επιφανειακού όζοντος στην Ανατολική Μεσόγειο. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται το παγκόσμιο μοντέλο MACC (Monitoring Atmospheric Composition and Climate) Reanalysis IFS - MOZART (Integrated Forecast System - Model for Ozone and Related chemical Tracer) και το σύνολο περιφερειακών μοντέλων MACC-II (MACC-Interim Implementation). Η αξιολόγηση πραγματοποιείται για τρεις σταθμούς υποβάθρου που βρίσκονται στη Μάλτα, στην Κύπρο και την Κρήτη για μια χρονική περίοδο πέντε μηνών (Μάιος - Σεπτέμβριος) για τα έτη 2011-2012. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι παρόλο που τα δύο συστήματα μοντέλων υποεκτιμούν συστηματικά τις συγκεντρώσεις του επιφανειακού όζοντος, μπορούν να συλλάβουν ως ένα βαθμό την επίδραση των Ετησιών με το σύνολο των περιφερειακών μοντέλων να αναπαράγει καλύτερα τις τιμές του όζοντος σε σύγκριση με το παγκόσμιο μοντέλο. Στο δεύτερο μέρος της μελέτης αξιολογείται η επίδοση του φωτοχημικού μοντέλου CAMx (Comprehensive Air Quality Model with Extensions) που συνδυάζεται με το μετεωρολογικό μοντέλο WRF (Weather Research και Forecasting). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται προσομοιώσεις για τα επίπεδα των O3, ΝΟ2, ΝΟ, SO2, CO και των αιωρούμενων σωματιδίων. Οι προσομοιώσεις αυτές συγκρίνονται με επίγειες μετρήσεις από 28 σταθμούς παρακολούθησης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης για την Ελλάδα. Η αποτίμηση της επίδοσης του μοντέλου WRF-CAMx αφορά σε ένα μήνα για κάθε εποχή του έτους 2012 και πιο συγκεκριμένα στους μήνες Ιανουάριο, Απρίλιο, Ιούλιο και Οκτώβριο. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης δείχνουν ότι η επίδοση του WRF-CAMx είναι ικανοποιητική για τα αιωρούμενα σωματίδια και τους αέριους ρύπους σχεδόν για όλους τους σταθμούς. Λιγότερο καλή είναι η επίδοση του μοντέλου για το SO2. Το μοντέλο φαίνεται να υπερεκτιμά τις συγκεντρώσεις του όζοντος σε αρκετούς σταθμούς με αποτέλεσμα μια μικρή συνολική υπερεκτίμηση με εξαίρεση τον Ιούλιο. Για τους υπόλοιπους αέριους ρύπους, το μοντέλο εμφανίζει μικρή υποεκτίμηση των επιπέδων συγκέντρωσης. Τα επίπεδα συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων PM10, εμφανίζουν μικρή υπερεκτίμηση κατά τη διάρκεια του Ιανουαρίου και Απριλίου και υποεκτίμηση τους άλλους δύο μήνες. Παρόμοια αποτελέσματα υπολογίζονται και για τα ΡΜ2.5. Ο στόχος της τελευταίας μελέτης είναι η βελτίωση της επίδοσης του μοντέλου WRF-CAMx στην προσομοίωση των επιπέδων ρύπανσης στην Ελλάδα. Για το σκοπό αυτό αναπτύχτηκε στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστήμιου Πατρών μετεπεξεργαστικό φίλτρο που βασίζεται στη μεθοδολογία Analog Ensemble (AnEn). Το φίλτρο εφαρμόζεται στις προσομοιώσεις του όζοντος και των αιωρούμενων σωματιδίων. Η AnEn αναζητά analogs σε προβλέψεις του παρελθόντος για να διορθώσει την παρούσα πρόβλεψη. Όπως αποδεικνύεται από την αποτίμηση της εφαρμογής του φίλτρου οι διορθωμένες προβλέψεις εμφανίζονται σημαντικά βελτιωμένες σε σχέση με τις αρχικές προβλέψεις του μοντέλου. Πιο συγκεκριμένα, παρατηρείται μια σαφής βελτίωση της συσχέτισης μεταξύ των διορθωμένων προβλέψεων και των παρατηρήσεων.

2019 ◽  
Vol 13 (1) ◽  
pp. 191-200
Author(s):  
Bogdan Alexandru Maco ◽  
Nicoleta Ionac ◽  
George Tudorache

Abstract Air pollution is one of the major problems of mankind, transport of pollutants extending far beyond the borders of the countries where they were produced, causing unpredictable, direct and indirect changes of the environment. The main tool for the study of this phenomenon consists of mathematical modeling of complex physical and chemical phenomena involved. In practice, air emissions are estimated on basis of measurements taken from selected sources being representative of the major categories and types. At national level, the Air Quality Evaluation Center (CECA) provides regular reports to the European Environment Agency (EEA) or the European Commission as requirements of Romania’s lawful duties in air quality domain. The registry of emissions TNO/ MACC (Netherlands Organisation for Applied Scientific Research/ Monitoring Atmospheric Composition and Climate) contains emissions inventories which have been homogenized and checked in advance and obtained from emissions officially reported at sectoral level for each country. In this study, for the analysis of the weather numerical dispersion and transport of pollutants, it has been used the numerical air quality model WRF-CHEM version 3.5, centered over Romania, at the spatial resolution of 10 km, using as input data the TNO emission database for 2009. By interpolating values from the regular grid of the TNO database with the WRF-CHEM model 3.5 grid, monthly average values were obtained for each day of the week, for any parameter considered. Preliminary results obtained for different pollutants (for example: PM10, O3) confirm the need to validate these results by implementing and integrating air quality forecasting model by assimilating different types of measurements (data model, gravimetric data observations, etc.).


2015 ◽  
Author(s):  
Ναταλία Λιώρα

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της συνεισφοράς των φυσικών και ανθρωπογενών πηγών εκπομπής στα επιπεδα σωματιδιακής ρύπανσης στην Ευρώπη. Οι φυσικές εκπομπές διαδραματίζουν ένα σημαντικό ρόλο στις διεργασίες της ατμόσφαιρας επιδρώντας στο κλίμα, την ποιότητα της ατμόσφαιρας και την ανθρώπινη υγεία. Γι’ αυτό το λόγο, οι φυσικές εκπομπές θα πρέπει να συμπεριλαμβάνονται στα χημικά μοντέλα ετσι ώστε να συμβάλλουν στη βελτίωση των προσομοιώσεων της ποιότητας της ατμόσφαιρας. Οι φυσικές εκπομπές υπολογίζονται με τη χρήση του μοντέλου Natural Emissions Model (ΝΕΜΟ). Το ΝΕΜΟ χρησιμοποιείται για την ποσοτικοποίηση των σωματιδιακών εκπομπών που προέρχονται από τη σκόνη από το έδαφος, το αλάτι της θάλασσας και τα βιολογικά αιωρούμενα σωματίδια (PBAPs) καθώς και των βιογενών εκπομπών από τη βλάστηση. Για την εφαρμογή του ΝΕΜΟ χρησιμοποιούνται μετεωρολογικά δεδομένα από το μοντέλο Weather Research and Forecasting (WRF). Τα δύο μοντέλα εφαρμόστηκαν σε δύο πλέγματα διαφορετικής χωρικής ανάλυσης που καλύπτουν την Ευρώπη και τα Βαλκάνια, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα των φυσικών εκπομπών αναλύονται χρονικά και χωρικά σε συνδυασμό με την εξάρτηση αυτών από τη μετεωρολογία. Οι φυσικές εκπομπές χαρακτηρίζονται γενικά από μεγάλες γεωγραφικές και εποχιακές μεταβολές. Οι εκπομπές από τη σκόνη του εδάφους είναι μέγιστες τους θερινούς μήνες στη Νότια Ευρώπη ενώ οι εκπομπές από το αλάτι της θάλασσες εμφανίζουν μέγιστο στον Ατλαντικό Ωκεανό κατά τη διάρκεια της ψυχρής περιόδου. Στη Μεσόγειο θάλασσα, οι μέγιστες εκπομπές από το θαλάσσιο αλάτι παρουσιάζονται κυρίως στο Αιγαίο Πέλαγος κατά τη θερινή περίοδο. Τα βιολογικά αιωρούμενα σωματίδια παρουσιάζουν μέγιστο το καλοκαίρι ενώ σε χωρικό επίπεδο, οι ελάχιστες εκπομπές παρατηρούνται στη Σκανδιναβία ενώ στην υπόλοιπη Ευρώπη δεν παρουσιάζεται ιδιαίτερη χωρική διακύμανση. Οι ανθρωπογενείς σωματιδιακές εκπομπές βασίζονται σε μία Ευρωπαϊκή βάση δεδομένων και υπολογίζονται με τη χρήση του μοντέλου ανθρωπογενών εκπομπών Model for the Spatial and Temporal Distribution of Emissions (MOSESS). Στη διατριβή παρουσιάζεται η συνεισφορά των φυσικών και ανθρωπογενών εκπομπών στις συνολικές σωματιδιακές εκπομπές στην Ευρώπη. Τα αποτελέσματα των φυσικών (σκόνη, αλάτι, βλάστηση (βιογενείς εκπομπές)) και ανθρωπογενών εκπομπών ενσωματώνονται σε σύστημα μοντέλων που απαρτίζεται από το μετεωρολογικό μοντέλο WRF και το φωτοχημικό μοντέλο Air Quality Model with Extensions (CAMx) για να μελετηθεί η συνεισφορά των φυσικών εκπομπών στην ποιότητα της ατμόσφαιρας. Το σύστημα μοντέλων εφαρμόζεται για διαφορετικά σενάρια εκπομπών έτσι ώστε να μελετηθεί ξεχωριστά η συνεισφορά της εκάστοτε φυσικής πηγής εκπομπών αλλά και η συνολική συνεισφορά από όλες τις φυσικές πηγές. Τα αποτελέσματα του μοντέλου δείχνουν ότι η σκόνη από το έδαφος αυξάνει τα μέσα μηνιαία επίπεδα συγκεντρώσεων των ΡΜ10 κατά 7μg/m3 στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου το καλοκαίρι ενώ το αλάτι της θάλασσας έχει μια πολύ σημαντική επίδραση στα επίπεδα σωματιδιακής ρύπανσης αυξάνοντας τις συγκεντρώσεις των ΡΜ10 κατά περίπου 10μg/m3 στο Αιγαίο Πέλαγος το καλοκαίρι και στον Ατλαντικό Ωκεανό το φθινόπωρο. Οι βιογενείς εκπομπές συμβάλλουν στην αύξηση των δευτερογενών οργανικών σωματιδίων με αποτέλεσμα την αύξηση των επιπέδων σωματιδιακής ρύπανσης κυρίως το καλοκαίρι σε περιοχές με μεγάλη συνεισφορά των βιογενών εκπομπών (π.χ. Βόρεια Ευρώπη) ενώ συμβάλλουν στη μείωση των θειϊκών και νιτρικών σωματιδίων σε περιοχές της Κεντρικής Ευρώπης ή της Ανατολικής Μεσογείου λόγω της συμβολής τους στη μείωση των επιπέδων υδροξυλίου στην ατμόσφαιρα.Για την αξιολόγηση του συστήματος μοντέλων χρησιμοποιούνται μετρήσεις αιωρούμενων σωματιδίων που συλλέχθηκαν από διάφορους σταθμούς μέτρησης της Ευρώπης. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ικανοποιητική επίδοση του μοντέλου και καλή προσομοίωση των φυσικών εκπομπών.


2014 ◽  
Vol 14 (15) ◽  
pp. 21749-21784
Author(s):  
R. J. Pope ◽  
M. P. Chipperfield ◽  
N. H. Savage ◽  
C. Ordóñez ◽  
L. S. Neal ◽  
...  

Abstract. We compare tropospheric column NO2 between the UK Met Office operational Air Quality in the Unified Model (AQUM) and satellite observations from the Ozone Monitoring Instrument (OMI) for 2006. Column NO2 retrievals from satellite instruments are prone to large uncertainty from random, systematic and smoothing errors. We present an algorithm to reduce the random error of time-averaged observations, once smoothing errors have been removed with application of satellite averaging kernels to the model data. This reduces the total error in seasonal mean columns by 30–90%, which allows critical evaluation of the model. The standard AQUM configuration evaluated here uses chemical lateral boundary conditions (LBCs) from the GEMS (Global and regional Earth-system Monitoring using Satellite and in-situ data) reanalysis. In summer the standard AQUM overestimates column NO2 in northern England and Scotland, but underestimates it over continental Europe. In winter, the model overestimates column NO2 across the domain. We show that missing heterogeneous hydrolysis of N2O5 in AQUM is a significant sink of column NO2 and that the introduction of this process corrects some of the winter biases. The sensitivity of AQUM summer column NO2 to different chemical LBCs and NOx emissions datasets are investigated. Using Monitoring Atmospheric Composition and Climate (MACC) LBCs increases AQUM O3 concentrations compared with the default GEMS LBCs. This enhances the NOx-O3 coupling leading to increased AQUM column NO2 in both summer and winter degrading the comparisons with OMI. Sensitivity experiments suggest that the cause of the remaining northern England and Scotland summer column NO2 overestimation is the representation of point source (power station) emissions in the model.


2015 ◽  
Vol 15 (10) ◽  
pp. 5611-5626 ◽  
Author(s):  
R. J. Pope ◽  
M. P. Chipperfield ◽  
N. H. Savage ◽  
C. Ordóñez ◽  
L. S. Neal ◽  
...  

Abstract. We compare tropospheric column NO2 between the UK Met Office operational Air Quality in the Unified Model (AQUM) and satellite observations from the Ozone Monitoring Instrument (OMI) for 2006. Column NO2 retrievals from satellite instruments are prone to large uncertainty from random, systematic and smoothing errors. We present an algorithm to reduce the random error of time-averaged observations, once smoothing errors have been removed with application of satellite averaging kernels to the model data. This reduces the total error in seasonal mean columns by 10–70%, which allows critical evaluation of the model. The standard AQUM configuration evaluated here uses chemical lateral boundary conditions (LBCs) from the GEMS (Global and regional Earth-system Monitoring using Satellite and in situ data) reanalysis. In summer the standard AQUM overestimates column NO2 in northern England and Scotland, but underestimates it over continental Europe. In winter, the model overestimates column NO2 across the domain. We show that missing heterogeneous hydrolysis of N2O5 in AQUM is a significant sink of column NO2 and that the introduction of this process corrects some of the winter biases. The sensitivity of AQUM summer column NO2 to different chemical LBCs and NOx emissions data sets are investigated. Using Monitoring Atmospheric Composition and Climate (MACC) LBCs increases AQUM O3 concentrations compared with the default GEMS LBCs. This enhances the NOx–O3 coupling leading to increased AQUM column NO2 in both summer and winter degrading the comparisons with OMI. Sensitivity experiments suggest that the cause of the remaining northern England and Scotland summer column NO2 overestimation is the representation of point source (power station) emissions in the model.


2005 ◽  
Vol 2005 (3) ◽  
pp. 1393-1414
Author(s):  
Kuo-Liang Lai ◽  
Janet Kremer ◽  
Susan Sciarratta ◽  
R. Dwight Atkinson ◽  
Tom Myers

2021 ◽  
Vol 13 (10) ◽  
pp. 5685
Author(s):  
Panbo Guan ◽  
Hanyu Zhang ◽  
Zhida Zhang ◽  
Haoyuan Chen ◽  
Weichao Bai ◽  
...  

Under the Air Pollution Prevention and Control Action Plan (APPCAP) implemented, China has witnessed an air quality change during the past five years, yet the main influence factors remain relatively unexplored. Taking the Beijing-Tianjin-Hebei (BTH) and Yangtze River Delta (YRD) regions as typical cluster cities, the Weather Research Forecasting (WRF) and Comprehensive Air Quality Model with Extension (CAMx) were introduced to demonstrate the meteorological and emission contribution and PM2.5 flux distribution. The results showed that the PM2.5 concentration in BTH and YRD significantly declined with a descend ratio of −39.6% and −28.1%, respectively. For the meteorological contribution, those regions had a similar tendency with unfavorable conditions in 2013–2015 (contribution concentration 1.6–3.8 μg/m3 and 1.1–3.6 μg/m3) and favorable in 2016 (contribution concentration −1.5 μg/m3 and −0.2 μg/m3). Further, the absolute value of the net flux’s intensity was positively correlated with the degree of the favorable/unfavorable weather conditions. When it came to emission intensity, the total net inflow flux increased, and the outflow flux decreased significantly across the border with the emission increasing. In short: the aforementioned results confirmed the effectiveness of the regional joint emission control and provided scientific support for the proposed effective joint control measures.


1993 ◽  
Vol 134 (1-3) ◽  
pp. 1-7 ◽  
Author(s):  
Ana Isabel A. Miranda ◽  
Miguel S. Conceição ◽  
Carlos S. Borrego

2017 ◽  
Author(s):  
Jianlin Hu ◽  
Xun Li ◽  
Lin Huang ◽  
Qi Ying ◽  
Qiang Zhang ◽  
...  

Abstract. Accurate exposure estimates are required for health effects analyses of severe air pollution in China. Chemical transport models (CTMs) are widely used tools to provide detailed information of spatial distribution, chemical composition, particle size fractions, and source origins of pollutants. The accuracy of CTMs' predictions in China is largely affected by the uncertainties of public available emission inventories. The Community Multi-scale Air Quality model (CMAQ) with meteorological inputs from the Weather Research and Forecasting model (WRF) were used in this study to simulate air quality in China in 2013. Four sets of simulations were conducted with four different anthropogenic emission inventories, including the Multi-resolution Emission Inventory for China (MEIC), the Emission Inventory for China by School of Environment at Tsinghua University (SOE), the Emissions Database for Global Atmospheric Research (EDGAR), and the Regional Emission inventory in Asia version 2 (REAS2). Model performance was evaluated against available observation data from 422 sites in 60 cities across China. Model predictions of O3 and PM2.5 with the four inventories generally meet the criteria of model performance, but difference exists in different pollutants and different regions among the inventories. Ensemble predictions were calculated by linearly combining the results from different inventories under the constraint that sum of the squared errors between the ensemble results and the observations from all the cities was minimized. The ensemble annual concentrations show improved agreement with observations in most cities. The mean fractional bias (MFB) and mean fractional errors (MFE) of the ensemble predicted annual PM2.5 at the 60 cities are −0.11 and 0.24, respectively, which are better than the MFB (−0.25–−0.16) and MFE (0.26–0.31) of individual simulations. The ensemble annual 1-hour peak O3 (O3-1 h) concentrations are also improved, with mean normalized bias (MNB) of 0.03 and mean normalized errors (MNE) of 0.14, compared to MNB of 0.06–0.19 and MNE of 0.16–0.22 of the individual predictions. The ensemble predictions agree better with observations with daily, monthly, and annual averaging times in all regions of China for both PM2.5 and O3-1 h. The study demonstrates that ensemble predictions by combining predictions from individual emission inventories can improve the accuracy of predicted temporal and spatial distributions of air pollutants. This study is the first ensemble model study in China using multiple emission inventories and the results are publicly available for future health effects studies.


2010 ◽  
Vol 3 (4) ◽  
pp. 2291-2314
Author(s):  
G. Sarwar ◽  
K. W. Appel ◽  
A. G. Carlton ◽  
R. Mathur ◽  
K. Schere ◽  
...  

Abstract. A new condensed toluene mechanism is incorporated into the Community Multiscale Air Quality Modeling system. Model simulations are performed using the CB05 chemical mechanism containing the existing (base) and the new toluene mechanism for the western and eastern US for a summer month. With current estimates of tropospheric emission burden, the new toluene mechanism increases monthly mean daily maximum 8-h ozone by 1.0–3.0 ppbv in Los Angeles, Portland, Seattle, Chicago, Cleveland, northeastern US, and Detroit compared to that with the base toluene chemistry. It reduces model mean bias for ozone at elevated observed ozone mixing ratios. While the new mechanism increases predicted ozone, it does not enhance ozone production efficiency. Sensitivity study suggests that it can further enhance ozone if elevated toluene emissions are present. While changes in total fine particulate mass are small, predictions of in-cloud SOA increase substantially.


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document