ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ЧИСЛЕННЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПРОГНОЗА ПРОЦЕССОВ В АТМОСФЕРНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ И ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИЗЕМНОГО ВОЗДУХА • Кузнецова И.Н.1, Шалыгина И.Ю.1, Нахаев М.И.1, Зарипов Р.Б.1, Суркова Г.В.1,2, Ривин Г.С.1,2, Ревокатова А.П.1, Кирсанов А.А.1, Захарова П.В.3, Лезина Е.А.3, Коновалов И.Б.4 • 1 «Гидрометцентр России, Москва, muza@mecom.ru, • • • 2 Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова galina_surkova@mail.ru 3 «Мосэкомониторинг», Москва, 4 «Институт прикладной физики РАН», Нижний Новгород konov@appl.scinnov.ru Прогнозирование процессов в атмосферном пограничном слое сегодня обеспечено достаточно большим числом численных моделей атмосферы с высоким пространственно-временным разрешением, что позволяет применять новые подходы для прогноза загрязнения воздуха Современный мировой уровень прогнозирования качества воздуха определяют химические транспортные модели (ХТМ), описывающие сотни химических реакций. Международная кооперация по моделированию и внедрению ХТМ. EURAD http://www.eurad.uni-koeln.de/ Портал химической погоды в Европе В Гидрометцентре России созданы, в режиме регулярного счета функционируют модельные комплексы WRF/CHIMERE и COSMO-Ru7-ART для расчетов (центральные области ЕТР) полей CO, NOх, О3 и PM10 с дискретностью 1 ч на 2-3 сутки вперед WRF/CHIMERE: О3 мах Разрешение около 10 км Эмиссии EMEP 0.5х0.5 Граничные условия для внешней области «климат» COSMO-Ru7-ART NO Разрешение 7 км . Эмиссии TNO 27/08/2012, 18-hours forecast of NO, ppm Важнейшим этапом на пути внедрения численных прогнозов загрязнения воздуха в оперативную практику является тестирование ХТМ Используются: данные автоматизированных наблюдений на > 30 станциях ГПБУ «Мосэкомониторинг» Москва АСКЗА 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 (0.10) (0.20) Сравнение: средняя за сутки, максимальная (утро, вечер) концентрация CO, NOх, О3 и PM10 (рис. в долях ПДК –усредненные по станциям отклонения) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 Набл 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 РМ10 O3 1 BIAS_Сhim NО 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 BIAS_Сosm NO2 RMS_Chim RMS_Cosm Установлены характерные погрешности модельных прогнозов (WRF/ARW-CHIMERE и COSMO-Ru7-ART) для отдельных веществ и пространственное распределение модельных ошибок на территории Московского мегаполиса NO2max мкг м-3 Лето COmax мкг м-3 200 150 100 50 0 -50 Медиана 25%-75% Размах без выбр. Шаболовка ул. Казакова ул. Марьинский парк Зеленоград мр 6 Зеленоград мр 11 Зеленоград мр 16 МАДИ Бирюлево Кутузовский Кутузовский 2 МГУ Бутлерова Косино Вернадского пр. Чаянова Толбухина Вешняки Долгопрудная Полярная ул. Черемушки Туристская Спиридоновка ул. Останкино Звенигород Кожухово Пл. Гагарина Хамовники р.Чура Н. Масловка Гурьевский пр. Кожуховский пр. -100 РМ10с.с. мкг м-3 Делается вывод о целесообразности коррекции модельных прогнозов концентраций загрязняющих веществ в зависимости от типа атмосферных процессов. Усредненные модельные ошибки прогноза O3 DaysО3 (мах, Char Obs Calc BIAS ABS ср.сут.). Весна. Лето.RMS COSMO 04-05 592 Max 74 45 -29 43 592 Mean 42 19 -22 30 592 8H 63 35 -28 41 06-07 598 Max 69 , 2008-2012 57 27 Повторяемость (Мосэкомониторинг гг.)-12 О3(мах)≥ПДК 598мкг м-3 Mean 35 городом 24 около-11 О3 (мах8 ч)≥100 6-9 % (за 15 %) 20 598 8H 58 45 -13 26 O3 CHIMERE 04-05 06-07 Days 592 592 592 598 598 598 Char Max Mean 8H Max Mean 8H 37 28 35 213 117 21 Obs 74 42 63 69 35 58 Calc 87 59 79 93 59 85 BIAS 13 17 16 24 24 27 RMS 35 28 35 33 30 35 ABS 29 24 30 28 27 30 Obs 74 42 63 69 35 58 Calc 45 19 35 57 24 45 BIAS -29 -22 -28 -12 -11 -13 RMS 43 30 41 27 20 26 ABS 37 28 35 21 17 21 CHIMERE – завышает COSMO-ART – занижает O3 COSMO 04-05 06-07 Days 592 592 592 598 598 598 Char Max Mean 8H Max Mean 8H %, По результатам верификации модельных расчетов на данных АСКЗА «Мосэкомониторинг» установлено : -Систематические погрешности: занижение РМ10, СО, завышение О3, NO2, -Сравнимая со статистическими методами успешность модельных расчетов в диапазоне преобладающих погодных условий (проблемы НМУ), - Пространственная неоднородность погрешностей модельного прогноза ПРИЧИНЫ И ФАКТОРЫ МОДЕЛЬНЫХ ОШИБОК Пространственная и количественная неточность полей эмиссий загрязнений при высокой неоднородности источников загрязнений и особенностей городского ландшафта Различие масштабов атмосферных процессов в городе и описываемых численными моделями в текущей конфигурации Эмиссии инвентаризация выбросов !! Ошибки модельного прогноза метеорологических характеристик Успешность модельного прогноза загрязнения существенно зависит от качества прогноза метеорологических величин в пограничном слое, используемых при расчетах ХТМ Сравнение V и Т WRF и COSMO-Ru7 с данными измерений вертикальных профилей метеопараметров на ТБ Останкино и ВММ в Обнинске. ?T, °С 0 -2 -4 -6 0 2 31 янв 30 янв 29 янв 28 янв 27 янв 26 янв 25 янв 24 янв 23 янв 22 янв 21 янв WRF: Прогноз – Измерение (Останкино) 22 авг 500 м 22 авг 21 авг 200 м 20 авг 20 авг 19 авг 19 авг 18 авг 18 авг 17 авг 2м 17 авг -8 16 авг 18-20 ч -6 16 авг 500 м 14 авг 200 м 22 авг 20 авг 19 авг 18 авг 17 авг 16 авг 15 авг 10 м 21 авг -8 15 авг -4 15 авг -6 14 авг -2 14 авг 20 янв 0 -4 13 авг -2 500 м 7-9 ч 13 авг ?T, °С 4 13 авг ∆Т 6 2 -10 19 янв 8 200 м 21 авг Лето 18 янв 31 янв 30 янв ∆V -8 17 янв 2м 500 м 29 янв 28 янв 27 янв 200 м 26 янв 25 янв 24 янв 23 янв 22 янв 21 янв 20 янв 19 янв 18 янв 10 м 4 ?V, м/с 4 2 17 янв 6 ∆Т 6 Зима ∆V ?V, м/с 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 8 Статистические характеристики модельных ошибок прогноза температуры на 2,100,200,300 и 500 м (ОТБ) ∆Т WRF ∆Т Зима Лето COSMO-Ru7 Статистические характеристики модельных ошибок (∆V) прогноза скорости ветра на 10,100,200,300 и 500 м (ОТБ) ∆V WRF ∆V COSMO-Ru7 Зима COSMO уровень r (n=360) Лето 10 100 200 300 500 0,50 0,69 0,49 0,47 0,77 Повышенные требования к точности модельного прогноза метеопараметров и концентраций – при НМУ. 20072013: Зима 13% Весна 24% НМУ Лето 49% Осень 14% концентрации (мкг/м3) НМУ – редкое явление с характерными сезонными особенностями - внутрисуточной динамикой и определяющими эпизод воздушными загрязнителями Типовой суточный ход 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 Холодный период 1 3 5 7 Локально – за счет городских эмиссий: CO NO2 Региональный перенос РМ10 Локально NO2 Фотохимия: NO2, PM10, O3 концентрации (мкг/м3)) О3 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 1 РМ10, NO2 3 5 7 О3 9 11 13 15 17 19 21 23 NO NO2 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 час СО 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 Теплый период 0.00 9 11 13 15 17 19 21 23 час NO NO2 СО Зеленоград мр 6 Шаболовка ул. 200,0 Бирюлево 400,0 Гурьевский проезд Бирюлево Гурьевский пр, Бутлерова 600,0 Бутлерова Марьинский парк Вернадского пр. Черемушки р.Чура МГУ ожуховский проезд CHIMERE Кожухово Марьинский парк Вернадского пр. Черемушки р.Чура МГУ Кожуховский пр, Шаболовка ул. Cosmo Косино Вешняки Толбухина Звенигород Казакова ул. Спиридоновка ул. 0,0 Чаянова 100,0 МАДИ 200,0 Останкино 300,0 Туристская 400,0 Полярная ул. 500,0 Долгопрудная 600,0 Зеленоград мр 16 800,0 1200,0 Зеленоград мр 11 1000,0 Кожухово Косино Вешняки Толбухина Звенигород Казакова ул. Спиридоновка ул. Чаянова МАДИ Останкино 0,0 Зеленоград мр 6 Бирюлево Гурьевский проезд Бутлерова Марьинский парк Вернадского пр. Черемушки р.Чура МГУ Кожуховский проезд Шаболовка ул. Кожухово Косино Туристская Полярная ул. Chim Вешняки Толбухина Звенигород Казакова ул. 700,0 Спиридоновка ул. Долгопрудная Зеленоград мр 16 Зеленоград мр 11 800,0 Чаянова МАДИ Останкино Туристская Полярная ул. 900,0 Долгопрудная 1000,0 Зеленоград мр 6 1100,0 Зеленоград мр 16 1200,0 Зеленоград мр 11 1000,0 NOмах при НМУ (7 эпизодов, апрель-август 2013 г.) ИЗМЕРЕНИЯ 9.4 10.4 16.4 17.4 9.5 10.5 30.5 31.5 4.7 9.8 18.8 19.8 20.8 800,0 COSMO-ART 600,0 9 апр 13 10 апр 13 17 апр 13 400,0 16 апр 13 9 май 13 10 май 13 200,0 30 май 13 31 май 13 4 июл 13 9 авг 13 18 0,0авг 13 COSMO Марьино МГУ Шаболовка Кожухово Косино Спирид-ка Спирид-ка Спирид-ка Останкино Марьино МГУ Шаболовка Кожухово Косино Спирид-ка Останкино МГУ МГУ Марьино Марьино Шаболовка Кожухово МГУ Марьино Шаболовка Кожухово Шаболовка Косино Спирид-ка Спирид-ка Кожухово Косино Останкино ОстанкиноКосино 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Зеленоград 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Спирид-ка Зеленоград 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Зеленоград Марьино МГУ Шаболовка Кожухово 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Зеленоград Марьино МГУ Шаболовка Кожухово Косино Останкино Останкино Косино Зеленоград 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Зеленоград 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Останкино наблюдения 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Зеленоград CHIMERE РМ10с.с. Апрель-май 2013 г. (20 эпизодов) РМ10с.с. Июнь-август 2013 г. (21 эпизод) 4.6 24.6 25.6 26.6 27.6 28.6 29.6 3.7 4.7 5.7 6.7 7.7 12.7 13.7 9.8 17.8 18.8 19.8 20.8 21.8 23.8 Контроль качества ХТМ с использованием метеорологического параметра загрязнения (МПЗ), характеризующего интенсивность рассеивания (очищения), основанного на учете комплекса термического и динамического переноса примеси, вымывания осадками МПЗ (три типа, 11 подтипов) весь диапазон атмосферных процессов МПЗ рассчитывается независимо, используются данные третьей мезомасштабной модели атмосферы. Прогноз ХТМ О3мах сравнивается с результатами син.-стат.метода Сегодня: •Реализованы технологии оперативных расчетов полей концентраций ЗВ на основе мезомасштабных метеорологических и транспортно-химических моделей WRF/CHIMERE и COSMO-Ru7-ART. •Проведено многоплановое тестирование ХТМ, установлены систематические погрешности ХТМ. Выявлена пространственная неоднородность успешности модельного прогноза. •Признана целесообразность коррекции модельных прогнозов концентраций загрязняющих веществ в зависимости от типа атмосферных процессов, идентифицированных с применением метеорологического параметра загрязнения (МПЗ). • Одним из путей снижения модельных погрешностей является комплексирование прогнозов двух ХТМ. Ближайшие задачи • Развитие методов интерпретации модельных расчетов для типовых городских территории • Развитие методов способов постобработки модельных расчетов концентраций для уменьшения погрешностей численного прогноза • Создание методической базы для оценки качества модельного прогноза загрязнения воздуха Перспективы Расширение географии расчетов Освоение «городской» версии химической транспортной модели Спасибо за внимание.