Informacje o Systemie Prognoz Jakości Powietrza

Metoda prognozowania jakości powietrza dla województwa śląskiego

Krótkoterminowa prognoza jakości powietrza opracowywana dla Systemu Prognoz Jakości Powietrza w województwie śląskim oparta jest na eksploracyjnej analizie danych (datamining). Model krótkoterminowej prognozy jakości powietrza został opracowany w Zakładzie Monitoringu i Modelowania Zanieczyszczeń Powietrza (obecnie Zakład Modelowania Zanieczyszczeń Powietrza) IMGW-PIB Oddział w Krakowie.

Prognoza jest przygotowywana na 72 godziny wprzód, przy czy na stronie SPJP prezentowana jest w horyzoncie czasowym 48 godzin.

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, topograficzne i dane o użytkowaniu terenu z 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.

Działaniem poprzedzającym eksplorację danych jest ETL (Extracting, Transform, Loading) – przygotowanie danych. W związku z tym, tworzy się 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, zagospodarowanie i użytkowanie terenu, poziom antropopresji oraz charakterystyki determinujące rozprzestrzenianie zanieczyszczeń (szorstkość terenu, warunki wentylacyjne warstwy czynnej) itp.,
  • warunki emisyjne: emisja punktowa, liniowa, powierzchniowa.

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 okres 72 godzin (przy czym na stronie SPJP publikowane są 48 godziny) 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 (Obszary do 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.

System prognoz powstał przy udziale finansowym Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach

© 2017 Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Katowicach. Wszystkie prawa zastrzeżone.