Autor Organizace Název textu Blok Datum Poznámka
Mgr. Jan Macoun, PhD. Český hydrometeorologický ústav, Praha Porovnání vybraných modelů z hlediska konstrukce a provozních podmínek BK7 - Specializované modelové systémy Červenec 2001 Text neprošel redakční ani jazykovou úpravou
POROVNÁNÍ VYBRANÝCH MODELŮ Z HLEDISKA KONSTRUKCE A PROVOZNÍCH PODMÍNEK 1. POROVNÁNÍ VYBRANÝCH MODELŮ Z HLEDISKA KONSTRUKCE V přehledu literatury byl uveden seznam modelů zaměřených na výpočet městského znečištění. Řada uvedených modelů je v praxi hůře použitelná (velké pořizovací náklady, obtížně dostupná data…). V Praze patří mezi nejpoužívanější modely model ATEM a model SYMOS’97. Tyto modely jsou primárně určené pro výpočty průměrných ročních koncentrací. Dále je v současné době v rámci projektu HEAVEN zaváděn modelový systém AIRVIRO, který je schopen počítat aktuální imisní zátěž a ve spolupráci s meteorologickým prognózním modelem imisní zátěž i predikovat. V následujícím textu proto budou porovnány tyto tři modely. Srovnání bude zaměřeno na konstrukci modelů, požadované vstupní údaje, výstupní pole a konečně na provozní podmínky modelu. Na tomto místě je vhodné připomenout i návrhy zákona o ovzduší a souvisejících vyhlášek. V návrhu vyhlášky se uvažuje o vytvoření systému „referenčních modelů“ vhodných pro jednotlivé úlohy a procesu schvalování „ekvivalentních modelů“ (pracovní názvy), tak aby byla zajištěna srovnatelnost jejich výsledků. Takovýto seznam by pak sloužil i jako vodítko pro odpovědné činitele při rozhodování o kvalitě předložených výpočtů tak, aby se zabránilo používání nevhodných a zastaralých modelů pro rozptylové studie.
1.1.
POROVNÁNÍ MODELŮ PODLE KONSTRUKCE
V této kapitole se budeme zabývat porovnáním jednotlivých modelů z hlediska jejich konstrukce. Protože Eulerovský model a Gaussovský model zahrnuté v systému AIRVIRO mají zcela odlišnou konstrukci, budeme je dále uvádět samostatně pod označením: AIRVIRO-E a AIRVIRO-G. (Modely pro výpočet těžkých plynů a hodnocení uličních kaňonů jsou zcela odlišné od ostatních, proto se jimi v tomto porovnání nebudeme zabývat.)
1.1.1.
Typ modelů
Již samo základní rozdělení modelů je podle jejich typu do značné míry napovídá o schopnostech daného modelu.
2
Mezi hlavní kategorie modelů patří Eulerovské modely založené na numerickém řešení rovnice difúze, které jsou především vhodné pro výpočty aktuálního znečištění a dále pak pro výpočty zahrnující chemické reakční rovnice. Tyto modely jsou, vzhledem k uvažovaným parametrizacím, poměrně náročné na vstupní data a často vyžadují spolupráci s meteorologickým modelem. Na druhou stranu při správné konstrukci poskytují nejucelenější informaci o stavu ovzduší. Další kategorií jsou Lagrangeovské modely. Konstruovány jsou tak, že v průběhu výpočtu je sledován pohyb vzduchové částice v poli proudění. Často jsou využívány pro hodnocení úniku z jednotlivých zdrojů (např. v případě havárií). Jejich náročnost na vstupní data se odvozuje od komplexnosti parametrizací v modelu zahrnutých. I tyto modely jsou určeny zejména pro hodnocení aktuálního stavu ovzduší. Poslední hlavní kategorií jsou Gaussovské modely založené na stacionárním řešení rovnice difúze. Aby bylo možno nalézt její analytické řešení je nutno zahrnout celou řadu zjednodušujících předpokladů, které omezují přesnost modelu. Na druhou stranu mají tyto modely výrazně nižší nároky na použitá vstupní data. Proto jsou často využívány při rutinním hodnocení imisní zátěže z dlouhodobějšího pohledu (průměrné roční koncentrace…). Častou aplikací jsou různé rozptylové studie apod. AIRVIRO-E
AIRVIRO-G
ATEM
SYMOS‘97
typ modelu
Eulerovský
Gaussovský
Gaussovský
Gaussovský
velikost výpočetní oblasti
určeno pro hodnocení imisní zátěže v městských celcích
určeno pro hodnocení imisní zátěže v městských celcích
cca do 100 km od zdroje
cca. do 100 km od zdroje
určení modelu
výpočet aktuálního znečištění
dlouhodobé / aktuální hodnocení imisní zátěže
dlouhodobé hodnocení imisní zátěže
dlouhodobé hodnocení imisní zátěže
1.1.2.
Typy zohledněných zdrojů
V praxi není možno zahrnout do výpočtu všechny zdroje, jednak kvůli náročnosti takového výpočtu a jednak i kvůli skutečnosti, že řadu z nich není možno do detailů popsat. Proto je nutno některé typy zdrojů v modelu parametrizovat. Modelově pak uvažujeme následující kategorie zdrojů (tyto kategorie mají často i své reálné vyjádření): !
!
bodový zdroj – zdroj jehož horizontální rozměr je malý ve srovnání s výpočetní vzdáleností (např. komíny) plošný zdroj – zdroj jehož horizontální rozměr nelze vzhledem ke vzdálenosti referenčního bodu od zdroje zanedbat (parkoviště…)
3
!
!
!
liniový zdroj – zdroj, jehož jeden rozměr je mnohem větší než druhý (komunikace) objemový zdroj – zdroj u něhož dochází k úniku emise ve větším prostorovém objemu zdroj ve formě gridu – jedná se fakticky o speciální případ plošných zdrojů, které jsou do výpočtu zadávány specifickým (jednodušším) způsobem; v praxi je ho možno nahradit soustavou na sebe navazujících plošných zdrojů
Typ zdroje
AIRVIRO-E
AIRVIRO-G
ATEM
SYMOS‘97
bodový
ano
ano
ano
Ano
plošný
ano
ano
ano
Ano
liniový
ano
ano
ano
Ano
objemový
ne
ne
ne
Ne
ve formě gridu
ano
ano
ne
Ne
1.1.3.
Parametrizace zohledněné v modelu
Jednotlivé modely se od sebe vzájemně odlišují jednak atmosférickými jevy, na které je při výpočtu brán zřetel a jednak i způsobem parametrizace těchto jevů (stejná kategorie modelů může vzhledem k různým parametrizacím poskytovat odlišné výsledky v různé kvalitě). Následující přehled porovnává uvažované modely z tohoto pohledu. Předmětem této práce není detailní vysvětlení jednotlivých uvedených položek, které by vystačilo na samostatnou publikaci. V následujícím odstavci proto uvedeme jen stručné vysvětlení některých pojmů. !
!
!
!
vliv terénu a budov – vlivem terénních i umělých překážek dochází k významné deformaci pole proudění, které se projevují celou řadou obtížně modelovatelných efektů (např. obtékání objektů, tvorba závětrných vírů…) změna proudění s výškou – obecně není pole proudění v atmosféře homogenní, ale závisí na konkrétní poloze v prostoru; tyto změny jsou zvláště významné v blízkosti zemského povrchu, kde dochází k útlumu proudění vlivem tření vznos vlečky (efektivní výška/převýšení zdroje) – spaliny resp. vzdušnina, vystupují, vlivem akumulovaného tepla resp. mechanické energie, ze zdroje vzhůru; tento pohyb je v modelech parametrizován celou řadou empirických či poloempirických vzorců, z nichž některé zohledňují i skutečnost, že vlečka nestoupá kolmo vzhůru, ale je unášena prouděním, maximální výšky proto dosáhne až v určité vzdálenosti od zdroje ovlivňování vleček blízkých zdrojů – v případě, kdy se např. dva komíny nacházejí dostatečně blízko sebe (ve vertikálním i horizontálním směru), dochází k vzájemnému promíchávání jejich vleček; výsledná efektivní výška zdroje je potom jiná než v případě samostatných zdrojů.
4
!
!
!
!
!
!
! !
!
!
!
nízká rychlost proudění – většina výpočetních vztahů pro stanovení vznosu vlečky neumožňuje pracovat s nízkými rychlostmi proudění; důvodem je skutečnost, že obvykle ve jmenovateli mají rychlost větru – při její nízké hodnotě by převýšení zdroje rostlo nad reálné meze; provádění výpočtů při těchto podmínkách vyžaduje speciální postupy průnik vlečky zádržnou vrstvou – zádržná vrstva je obvykle představována teplotní inverzí, která omezuje vzestup vlečky vzhůru; pokud je počáteční energie dostatečná, může vlečka zádržnou vrstvu prorazit a šíří se dále nad zádržnou vrstvou, v tomto případě prakticky neovlivňuje imisní zátěž na zemi odrazy – při přenosu znečištění v atmosféře se vlečka nemůže šířit skrz zemský povrch a zádržnou vrstvu (vyjma výše uvedeného případu); tato skutečnost je v modelech simulována „virtuálními zdroji“ umístěnými pod zemských povrchem resp. nad zádržnou vrstvou; jejich příspěvek k celkové koncentraci potom vystupuje jako vlečka odražená od země; v praxi se ukazuje, že stačí zahrnout několik prvních odrazů – příspěvek dalších je zanedbatelný chladicí věže – únik znečišťující látky přes chladicí věže představuje speciální případ vyžadující zvláštní postupy výpočtu stabilitní klasifikace – v jednodušších modelech je pomocí nich klasifikována teplotní stabilita atmosféry (průběh teploty s výškou) rozptyl – v tomto případě modelový popis turbulentního šíření znečišťující látky (rozšiřování vlečky v průběhu transportu) suchá depozice – usazování dané látky na zemském povrchu mokrá depozice – vymývání znečišťující příměsi z oblačné či podoblačné vrstvy vypadávajícími srážkami zohlednění pozadí – obecně je obtížné (a časově náročné) zahrnout do výpočtu všechny zdroje, které mají na studované území vliv (často relativně malý); jejich příspěvek se potom často započítává jako pozaďová koncentrace submodel proudění – procedury vestavěné v základním modelu, které umožňují vyhodnocení reálného proudění např. s ohledem na terén emisní preprocesor – zpracovává emise z jednotlivých zdrojů do podoby potřebné pro výpočet (vyhodnocení aktuální emise…) Parametrizace výpočet pro plyn *)
výpočet pro prach vliv terénu vliv budov
změna proudění s výškou
AIRVIRO-E
AIRVIRO-G
ATEM
SYMOS‘97
ano
ano
ano
Ano
ano
ne
ano
Ano
ano
ano
ano
Ano
ne
ne
stáčení směru proudění, změna rychlosti
stáčení směru proudění, změna rychlosti
ano (uvažuje ano (uvažuje celkový charakter celkový charakter zástavby, ne zástavby, ne individuální objekty) individuální objekty) ano (model proudění)
Ano
5
vznos vlečky
teplý i chladný zdroj teplý i chladný zdroj
teplý i chladný zdroj teplý i chladný zdroj
postupný vznos vlečky
ano
Ano
ano
ano
ovlivňování vleček blízkých zdrojů
ne
Ne
ne
ano
nízká rychlost proudění
ano
ano
ne
zvláštní model pouze pro speciální případy
průnik vlečky zádržnou vrstvou
ano
ano
ne
Ne
odrazy
-
ne
ne
ne
chladicí věže stabilitní klasifikace horizontální rozptyl
první čtyři odrazy od první odraz od země země a od horní a od horní hranice hranice směšovací směšovací vrstvy vrstvy ne
vyhodnocení aktuální stability pomocí Monin-Obuchovovy délky koeficienty turbulentní výměny
vertikální rozptyl
Ano
Bubník – Koldovský Bubník – Koldovský
Draxler (1976) založeno na std. odchylce směru proudění a Lagrangeovském časovém měřítku
logaritmická funkce
exponenciální funkce
exponenciální funkce
exponenciální funkce
jednoduchá parametrizace pomocí doby setrvání látky v atmosféře (analogie k poločasu rozpadu); pro prach zahrnuta sedimentační rychlost částic
suchá depozice
ano
ne
jednoduchá parametrizace pomocí doby setrvání látky v atmosféře, pro prach je zahrnuta pádová rychlost částic
mokrá depozice
ano
ne
ne
chemické transformace
ne
ne
ne
zohlednění pozadí
přímo v modelu ne, možnost doplnění z externího modelu
přímo v modelu ne, možnost doplnění z externího modelu
přímo v modelu pomocí parametrizace vlivu dálkového přenosu (tzv. „transferů“)
přímo v modelu ne, možnost doplnění z externího modelu
submodel proudění
ano
ano
ne
Ne
emisní preprocesor
ano
ano
ne
Ne
*)
pouze primární prašnost; ani jeden uvažovaný model neuvažuje sekundární prašnost (zvířený prach z povrchu země) a sekundární částice (částice vzniklé chemickými reakcemi v atmosféře)
1.2.
POROVNÁNÍ POŽADOVANÝCH VSTUPNÍCH DAT
Častou komplikací spojenou s aplikací modelů (zvláště zahraničních) je příprava vstupních dat. Nároky na ně se odvíjejí od typu použitého modelu a hlavně od použitých parametrizací.
6
Protože všechny modely systému AIRVIRO užívají stejné datové databáze, je dále celý systém hodnocen společně. Modelový systém AIRVIRO udržuje v databázi další informace potřebné k vyhodnocení aktuální emise ze zdroje. Následně porovnávané parametry představují výsledné produkty emisního preprocesoru, které vstupují do výpočetních modelů.
1.2.1.
Zdroje znečištění
A) Bodové zdroje Parametr
AIRVIRO
ATEM
SYMOS‘97
poloha zdroje
ano
ano
ano
nadmořská výška
ano
ano
ano
stavební výška
ano
ano
ano
vnitřní průměr komína
ano
ne
ano
vnější průměr komína
ano
ne
ne
výstupní objemová rychlost spalin
ne
ne
ano
výstupní rychlost spalin
ano
ne
ano
teplota spalin
ano
ne
ano
tepelná vydatnost
ne
ano
ano
provozní doba
ano
ano
ano
množství emitované látky
ano
ano
ano
spektrum prachových částic
ne
ne (spektrum částic zadáno pevně)
ano (při výpočtu prachu)
hustota prachových částic
ne
ne (pádová rychlost pro jednotlivé části spektra částic je přímo určena)
ano (při výpočtu prachu)
Parametr
AIRVIRO
ATEM
SYMOS‘97
poloha zdroje
ano
ano
ano
B) Plošné zdroje
nadmořská výška
ano
ano
ano
výška zdroje nad zemí
ano
ano
ano
průměrná výška zástavby
ne
ano
ne
horizontální rozměr zdroje
ano
ano
ano
výstupní objemová rychlost spalin
ano
ne
ano
tepelná vydatnost
ne
ano
ne
provozní doba
ano
ano
ano
množství emitované látky
ano
ano
ano
spektrum prachových částic
ne
ne (totéž jako u bodových zdrojů)
ano (při výpočtu prachu)
7
hustota prachových částic
ne
ne (totéž jako u bodových zdrojů)
ano (při výpočtu prachu)
Parametr
AIRVIRO
ATEM
SYMOS‘97
poloha zdroje
ano
ano
ano
nadmořská výška
ano
ano
ano
šířka zdroje
ano
ano
ano
C) Liniové zdroje
provozní doba
ano
ano
ano
množství emitované látky
ano
ano
ano
spektrum prachových částic
ne
ne
ano (při výpočtu prachu)
hustota prachových částic
ne
ne
ano (při výpočtu prachu)
Parametr
AIRVIRO
ATEM*
SYMOS‘97*
poloha gridu
ano
-
-
počet gridů
ano
-
-
rozměr gridu
ano
-
-
množství emitované látky v gridu
ano
-
-
D) Zdroje ve formě gridu
*
V modelu ATEM i SYMOS’97 je pro tento typ zdrojů běžně užívána síť plošných zdrojů
1.2.2.
Meteorologické vstupy Parametr
AIRVIRO
ATEM
SYMOS‘97
větrná růžice
ne
ano (možnost využít více růžic)
ano
data z meteorologických stanic
ano
ne
ne
meteorologický stožár
ano
ne
ne
pole z meteorologického prognózního modelu
ano (pro předpověď znečištění)
ne
ne
1.2.3.
Topografické informace Parametr
AIRVIRO
ATEM
SYMOS‘97
Orografie
ano
ano
ano
parametr drsnosti
ano
ne
ne
pokryv terénu
ano
ne
ne
výška zástavby
ano
ano v případě plošných zdrojů (lokální vytápění) se
ne
8
uvažuje průměrná výška zástavby příslušná danému plošnému zdroji tepelný ostrov města
1.3.
ano
ne
ne
POROVNÁNÍ VÝSTUPŮ Z MODELŮ
Výběr vhodného modelu vzhledem k požadovaným výstupním hodnotám je jednou ze základní úloh řešených při modelových výpočtech. Neméně důležitou otázkou je potom správná interpretace těchto výsledků. Výstup
AIRVIRO-E
AIRVIRO-G
ATEM
SYMOS‘97
průměrné roční koncentrace
ne
ano (pojetí je poněkud jiné něž u ostatních hodnocených modelů)
ano
ano
maximální možné krátkodobé koncentrace
ne
ne
ano
ano
okamžitá (aktuální) koncentrace
ano
ano (v prvním přiblížení)
ne
ne
podíly zdrojů / skupin zdrojů
ne
ne
ano
ano
informace o příspěvku ke koncentraci ze sektorů
ne
ne
ano
ne
1.4.
SHRNUTÍ Modelový systém AIRVIRO sdružuje několik funkcí: !
!
!
!
!
je koncipován jako databázový systém, který umožňuje sběr a archivaci dat ze stanic (meteorologických, imisních i dopravních) společně s emisními údaji ze stacionárních zdrojů obsahuje meteorologický submodel, jehož pomocí je možno vyhodnotit pole proudění s ohledem na orografii obsahuje emisní preprocesor, který zpracovává informace o dopravě a chodu emisí ze stacionárních zdrojů součástí jsou modely rozptylu znečištění v atmosféře (Eulerovský, Gaussovský, pro těžké plyny a model uličního kaňonu) výsledky je možno prezentovat v grafické podobě pomocí vestavěných nástrojů
9
Jedná se tedy o komplexní systém, umožňující vyhodnocení imisní zátěže na úrovni městských aglomerací. Jeho primární určení je pro posuzování aktuální imisní zátěže a její předpověď. Nástroje pro výpočty průměrných ročních koncentrací jsou poněkud těžkopádné a neodpovídají plně tuzemským zvyklostem. Model ATEM je založen na osvědčené metodice ISC 3 vyvinuté v US EPA, která byla autory přepracována na podmínky České republiky. Poskytuje poměrně dobré možnosti pro hodnocení imisní zátěže z hlediska průměrných ročních koncentrací včetně možnosti detailnějšího studia příspěvků jednotlivých zdrojů apod. Výhodou v komplexním terénu Prahy je možnost použití více větrných růžic pro postižení změn v poli proudění. Vypočtené maximální koncentrace dávají, stejně jako u ostatních modelů této kategorie, hrubou představu o rizikových lokalitách. Model není vhodný pro výpočty aktuální imisní zátěže. Model SYMOS’97 je především určen pro hodnocení imisní zátěže z dlouhodobého hlediska. O spolehlivosti vypočtených maximálních krátkodobých koncentrací platí opět, že podávají pouze orientační přehled o zatížených územích. Zkušenosti s modelem ukázaly, že lépe pracuje ve volné krajině než v městských aglomeracích. Model není vhodný pro výpočet aktuální imisní zátěže. Model je v současné době doporučenou metodikou MŽP ČR. Závěrem je tedy možno říci, že uvedené modely se vzájemně doplňují.
10
2. POROVNÁNÍ VYBRANÝCH MODELŮ Z HLEDISKA PROVOZNÍCH PODMÍNEK 2.1.
AIRVIRO
Systém AIRVIRO je dodáván na komerční bázi Švédským meteorologickým a hydrologickým ústavem. Je implementován na pracovních stanicích Hewlett Packard. Město Praha získalo dvě instalace tohoto systému v rámci projektu Evropské unie HEAVEN (jedna je na Ústavu rozvoje města a je určená pro přípravu scénářů vývoje imisní zátěže ve městě, druhá je v Českém hydrometeorologickém ústavu a bude využívána v operativním režimu pro předpověď úrovně znečištění). Provoz modelového systému je poměrně náročný i vzhledem na množství požadovaných vstupních údajů (vyžaduje on-line spolupráci s měřícími stanicemi, eventuelně dalšími zdroji dat). Také jeho pořizovací cena je i vzhledem k použité technice vysoká (řádově okolo 1 mil. Kč včetně hardware). Proto se nedá předpokládat jeho větší rozšíření.
2.2.
ATEM
Model ATEM byl vytvořen v rámci projektu „Modelové hodnocení kvality ovzduší na území hl. m. Prahy“. Model je pravidelně využíván pro aktualizace imisní situace v Praze a byl použit i pro vyhodnocení výhledové situace podle územního plánu. V současné době není model ATEM době komerčně dostupný, provozuje jej Ateliér ekologických modelů. V souvislosti s připravovanou vyhláškou MŽP se předpokládá publikace modelu. Výhledově se uvažuje rovněž s jeho prodejem. Model je implementován na PC a na UNIX-ové pracovní stanice a lze jej provozovat bez větších dodatečných nákladů.
2.3.
SYMOS‘97
Popis modelu SYMOS’97 byl vydán ve Věstníku MŽP ČR a je tedy volně dostupný. Byl též vytvořen výpočetní software, který je v prodeji a to jak na platformě PC, tak na platformě UNIX-ových pracovních stanic. Prodejní cena softwarového balíku se pohybuje okolo 50 tis. Kč. Vlastní provoz modelu není finančně nákladný.
11
