Wojewódzki Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Katowicach
System Prognoz Jakości Powietrza
w strefach i aglomeracjach województwa śląskiego
A A A

Metoda prognozowania jakości powietrza dla województwa śląskiego

Krótkoterminowa prognoza jakości powietrza tworzona w ramach Systemu Prognoz Jakości Powietrza w województwie śląskim oparta jest na eksploracyjnej analizie danych (daty mining). Model krótkoterminowej prognozy jakości powietrza został opracowany w Zakładzie Monitoringu i Modelowania Zanieczyszczeń Powietrza IMGW-PIB Oddział w Krakowie.

Założenia prognozy są następujące:

  • sytuacja jakości powietrza charakteryzowana poziomem stężeń zanieczyszczeń zależy przede wszystkim od warunków meteorologicznych i emisji;
  • istnieje podobieństwo warunków meteorologicznych określających emisję zanieczyszczeń, zróżnicowaną przestrzennie warunkami lokalnymi;
  • warunki lokalne takie jak rodzaj zagospodarowania przestrzennego, wskaźniki emisji i warunki meteorologiczne określają wielkości emisji, natomiast charakter warstwy czynnej i warunki meteorologiczne determinują warunki rozprzestrzeniania zanieczyszczeń;
  • przyszłość jest podobna do przeszłości, czyli podobnej sytuacji meteorologicznej odpowiada podobna sytuacja jakości powietrza w podobnym terenie.

Prognozę eksploracyjną można wykonać w wersji skróconej i wersji pełnej. Minimalne dane potrzebne do wykonania prognozy eksploracyjnej to:

  • ciąg pomiarów stężeń zanieczyszczeń oraz w tych samych dobach numeryczne prognozy pogody dla lokalizacji stacji pomiarowej – historyczne prognozy pogody i historyczne dane o jakości powietrza,
  • aktualna numeryczna prognoza pogody dla miejsca prognozy sytuacji sanitarnej powietrza.
Dla wersji pełnej prognozy potrzebne są jeszcze dane z bliskiej miejscu prognozy stacji meteorologicznej (parametry meteorologicznych z okresu dłuższego niż ciąg prognoz historycznych). Prognoza może być:
  • punktowa, dla punktu pomiaru stężeń zanieczyszczeń powietrza. Jest ona bardzo łatwa do porównania z rzeczywistymi stężeniami. Jednak ze względu na dużą zmienność pola stężeń zanieczyszczeń trudna do uogólnienia.
  • obszarowa (strefowa). Aby było możliwe takie prognozowanie, trzeba skojarzyć warunki demograficzne, emisyjne i topograficzne obszaru prognozowania oraz stacji monitoringowych jakości powietrza. Podobne warunki lokalizacji stacji monitoringowej oznaczają podobną imisję na obszarze prognozowania.

Prognozowanie należy podzielić na dwa przypadki w zależności od tego, czy w terenie, dla którego obliczana jest prognoza:

  • są lub były prowadzone pomiary stężeń zanieczyszczeń,
  • nie było żadnych pomiarów.

W przypadku A, jeżeli pomiary są prowadzone operacyjnie, to prognozowanie stężeń zanieczyszczeń może być weryfikowane na bieżąco. W przypadku B należy wytypować stacje pomiarowe umieszczone w podobnym terenie oraz o podobnej strukturze emisji i wykorzystać dane z tych stacji. Podstawowe cechy terenu konieczne do identyfikacji podobieństwa obszaru to: charakterystyka fizycznogeograficzna, zagospodarowanie i użytkowanie terenu, gęstość zaludnienia, charakter warstwy czynnej atmosfery, struktura emisji. Metodyka prognozowania jest niezależna od rodzaju zanieczyszczenia.

Działaniem poprzedzającym eksplorację danych jest ETL (Extracting, Transform, Loading) – przygotowanie danych. W związku z tym, należy stworzyć hurtownię danych (warehouse) zawierającą następujące informacje:

  • historyczne prognozy pogody (meteogramy) np. z modelu COSMO z wielolecia co najmniej 5-letniego,
  • rzeczywiste przebiegi pogody ze stacji meteorologicznych np. PSHM IMGW-PIB z wielolecia obejmującego większy horyzont czasowy niż prognozy meteorologiczne (pełna wersja prognozy),
  • stężenia zanieczyszczeń ze stacji automatycznych państwowego monitoringu środowiska dla okresów dla których istnieją historyczne prognozy pogody,
  • dane demograficzne, w tym gęstość zaludnienia, i geograficzno-topograficzne, między innymi ukształtowanie (szczególnie dla prognozowania w przypadku B), zagospodarowanie i użytkowanie terenu, poziom antropopresji oraz charakterystyki determinujące rozprzestrzenianie zanieczyszczeń (szorstkość terenu, warunki wentylacyjne warstwy czynnej) itp.,
  • warunki emisyjne: emisja punktowa, liniowa, powierzchniowa (szczególnie informacja o niskiej emisji dla prognozowania w warunkach B).

Podstawą prognozy jakości powietrza wykonywanej operacyjnie dla województwa śląskiego jest numeryczna prognoza pogody na najbliższą dobę - model COSMO eksploatowany w IMGW-PIB oraz historyczna baza danych meteorologicznych (IMGW-PIB) i stężeń zanieczyszczeń (WIOŚ w Katowicach). Korzystając równolegle z bazy wiedzy o historycznych numerycznych prognozach pogody i historycznych rzeczywistych przebiegach warunków meteorologicznych wyróżnia się grupę prognoz podobnych do aktualnej wraz z odpowiadającymi im rzeczywistymi warunkami meteorologicznymi w przeszłości. Na tej podstawie tworzy się tzw. rozmytą prognozę sytuacji meteorologicznej na najbliższą dobę. Wykorzystując te dane przeszukuje się przeszłość pod kątem znalezienia warunków meteorologicznych najbardziej odpowiadających rozmytej prognozie sytuacji meteorologicznej. W efekcie uzyskuje się zbiór sytuacji meteorologicznych, które mogą wystąpić w prognozowanym horyzoncie czasowym. Są to sytuacje najbardziej pasujące do aktualnej prognozy pogody. Każdej tak wybranej sytuacji meteorologicznej odpowiada odpowiedni przebieg stężeń zanieczyszczeń z przeszłości. Ostatni etap prognozowania polega na stworzeniu z wielu podobnych sytuacji jakości powietrza jednego przebiegu stężeń zanieczyszczeń. Wynikiem końcowym jest prognoza przebiegu dobowego poszczególnych stężeń zanieczyszczeń (wartość średnia i wartość maksymalna) oraz prognoza dobowego wskaźnika jakości powietrza.

Prognoza jakości powietrza tworzona jest dla określonych obszarów województwa śląskiego (Strefy do oceny i prognozy jakości powietrza), jako średnie obszarowe stężenie poszczególnych zanieczyszczeń. Wybór średniej obszarowej jako wskaźnika zanieczyszczenia wynika z przeprowadzonej analizy podobieństwa pomiędzy tą wartością, a wartościami mierzonymi na poszczególnych stacjach. Prognoza może być weryfikowana w oparciu o wyniki pomiarów z sieci stacji monitoringu jakości powietrza WIOŚ, a także o aktualny przebieg warunków meteorologicznych na stacjach sieci PSHM IMGW-PIB. Model prognozy eksploracyjnej jakości powietrza w oparciu o zbiory rozmyte można zastosować dla innych obszarów, stosując analizę podobieństwa.

Licznik: 299310