V březnu 2012 jsem se zúčastnil dvoudenního pracovního semináře EC4MACS zaměřeného na modelování kvality ovzduší.
Můj první zážitek z cesty se více nežli atmosférického rozptylu týkal depozice. V polovině cesty mezi Prahou a Paříží mi má spolucestující k mému velkému překvapení názorně předvedla, jak se může pomerančový džus z kelímku rozptýlit ve vzduchu a pak se v důsledku kombinace emisní rychlosti a působení gravitačních sil krásně usadit v mém klíně, aby pak úspěšně odolával všem pokusům o resuspenzi. Vystupujíc z letadla s polosuchými kalhotami jsem doufal, že se zbytek cesty bude ubírat lepším směrem a to se také naštěstí stalo.
Jedním z cílů EC4MACS je vytvoření propracované metodiky modelování kvality ovzduší pro posouzení efektivnosti navrhovaných změn, které mají v celoevropském měřítku vést ke splnění evropských imisních limitů. Díky nové metodice bude možné získat vědecké podklady pro revizi „Thematic Strategy on Air Pollution“ (Tematická strategie kvality ovzduší), která by měla být dokončena Evropskou komisí na přelomu let 2012 a 2013. Práce na revizi této strategie zahrnuje odhad nákladů a přínosů různých opatření ke zlepšení kvality ovzduší.
Mohlo by se zdát, že se jedná čistě o záležitost Evropské komise, avšak metodika, řešená témata a problémy, které mají být překonány a vyřešeny, se týkají všech členských států, které na svém území musí zajistit splnění požadovaných limitů. Např. Česká republika již podala k Evropské komisi žádost na prodloužení termínu, dokdy má splnit limity koncentrací PM10 a NO2. Tato žádost však musí být podložena vytvořením plánů řízení kvality ovzduší. Od začátku semináře bylo zřejmé, že zúčastnění odborníci na kvalitu ovzduší považují modelování za nezbytný nástroj pro tvorbu takovýchto plánů, a to i přestože modelování není pro tyto účely zmiňováno v evropské směrnici 2008/50/EC. Souhrnné modelování kvality ovzduší je nezbytné pro posouzení, zda městem či krajem plánované snížení emisí povede k požadovanému zlepšení kvality ovzduší. Tím se zpravidla myslí dosažení evropských limitů v roce 2015.
EC4MACS vychází z výsledků a poznatků získaných v projektech City-Delta 1 a 2, které měly za cíl poskytnout návod, jak zahrnout údaje o kvalitě městského ovzduší do celoevropského posuzování nákladů a efektivity strategií kontroly emisí. EC4MACS využívá pokroku dosaženého ve vývoji modelů, výpočetním výkonu a vstupních informacích. Klíčová otázka, na níž je hledána odpověď, zní: „Jaká je ideální rovnováha mezi opatřeními, které se mohou uplatnit v celoevropském měřítku a opatřeními, které je nutno provést v městském měřítku, vezmou-li se v potaz rozdíly mezi jednotlivými městy, klimatické, populační a kulturní rozdíly?“.
Modelování kvality ovzduší v Evropě Program EMEP využívá model GAINS pro nalezení strategií kontroly znečištění, které by maximalizovaly přínos napříč všemi měřítky. Model zkoumá vzájemné vazby mezi opatřeními na kontrolu lokální a regionální kvality ovzduší a snížení emisí skleníkových plynů. Právě pro tyto účely je používán v projektu EC4MACS.
Proměnlivost znečištění mezi venkovskými a městskými oblastmi není modely s hrubým rozlišením správně zachycena (např. model EMEP má rozlišení 50 × 50 km). Hodnoty znečištění v městských oblastech musí být proto získány smysluplnou analýzou modelových výsledků. S touto proměnlivostí v subgridovém měřítku se pak musí počítat při vyhodnocování dopadů.
Projekt City-Delta přinesl poznatky o odchylkách (přírůstku nebo schodku) městských koncentrací oproti výsledkům velkoprostorového modelu. Cílem EC4MACS je popsání těchto odchylek na území Evropy. Tato informace pak doplní výsledky modelu EMEP a poskytne tak detailnější vstup modelu GAINS, který umožní určit postupy, jak dosáhnout s co nejmenšími náklady cílové kvality ovzduší a redukce skleníkových plynů.
Na semináři byl prezentován postup využívající model CHIMERE. Zjednodušeně řečeno byly použity dvě konfigurace modelu – jedna s rozlišením 50 × 50 km odpovídající modelu CHIMERE a jedna s rozlišením 7 × 7 km, která měla zachytit proměnlivost v subgridovém měřítku a po odečtení výsledků získat odchylky koncentrací v městských oblastech.
Pro tyto účely bylo nezbytné provést úpravy vstupních dat modelu CIMERE: mimo jiné byla o polovinu snížena rychlost větru a vertikální difuze v městských oblastech, aby byl odstraněn problém nadhodnocování rychlosti větru v městské mezní vrstvě. Stejně tak byla snížena frikční rychlost U* vystupující z modelu WRF. Bylo vylepšeno výškové rozložení emisí (nebyly již uvolňovány pouze do první modelové vrstvy). Zahrnutím teplotní závislosti byly vylepšeny časové profily emisí z vytápění (kategorie SNAP 2). Emise z inventáře EMEP byly přeinterpolovány za použití dat o hustotě populace a dat využití zemského povrchu, což vedlo ke zlepšení popisu prostorového rozložení emisí.
Emisní inventáře pro modelování Velký prostor byl věnován diskuzi emisních inventářů, a to díky důležitosti, kterou mají pro modelové výstupy a zároveň rozdílům, které mezi nimi panují. Provede-li se např. pro jednotlivé kategorie SNAP analýza inventářů EMEP a MACC, získáme významné rozdíly. V současnosti jsou emise EMEP downscalované1 společností TNO často využívány k modelování kvality ovzduší v Evropě ve vysokém rozlišení. Emise jsou downscalovány pomocí populační hustoty, a to může, jak bylo na semináři zmíněno, vést k chybám ve výsledcích modelů s vysokým rozlišením. Na příkladu Londýna bylo ukázáno, že tato downscalovací metoda vede k nadhodnocení emisí ze palování uhlí a dřeva v hustě obydlených částech Londýna, ačkoli je v nich tento typ vytápění používán zřídka, a často je dokonce zakázán. Emise z tohoto druhu vytápění naopak pocházejí z venkovských oblastí. Dalším problémem je, že obchodní adresa nemusí být totožná s umístěním zdroje. To pro modely s rozlišením 50 × 50 km nepředstavuje vážný problém, ale může to zásadně ovlivnit výsledky modelů s vysokým rozlišením.
Vyhodnocení výsledků modelu CHIMERE ukázalo jasné zlepšení při přechodu z rozlišení 50 × 50 km na 7 × 7 km. Nicméně v oblastech jako je Ostravsko-Karvinsko docházelo v zimním období stále k výraznému podhodnocení koncentrací PM10 a PM 2,5. Emisní vstupy byly identifikovány jako největší slabina modelů v těchto oblastech.
Zkušenosti z Polska (získané v rámci projektu CECILIA) říkají, že emisní inventáře budované zdola (tedy na základě informací o jednotlivých zdrojích) vedou k lepším modelovým výsledkům. Pro tyto účely byl vyvinut emisní model EMIL. Výsledky pro PM10 byly nicméně stále podhodnocené. Jako jedna z možných příčin se jeví emise z domácího spalování neobchodovaného paliva, které nejsou zohledněny v národních inventářích.
Populačně vážená expozice
Dále byl představen odlišný přístup pro posouzení dopadů znečištění ovzduší využívající kovarianci mezi populační hustotou a koncentracemi. Jedná se o metodu downscalingu vyvinutou pro odhad expozice s využitím výsledků modelu EMEP (nízké rozlišení) za použití prostorové kovariance mezi populační hustotou a polem (skutečných) koncentrací.
Opravný faktor je počítán na základě údajů o emisích, populaci a nadmořské výšce a slouží k uzpůsobení hrubých modelových koncentrací pro výpočet expozice.
Tento postup byl vyvinut v projektech MEGAPOLI a HEIMTSA a centrem ETC-ACM. Bylo ukázáno, že bez této korekce je na celoevropské úrovni expozice oxidem dusičitým podhodnocena o 44 %. Bohužel parametrizace pro ozon je považována za příliš nejistou.
Určení zdrojů
V modelu LOTOS-EUROS byl vyvinut nový nástroj pro určování zdrojů. Spolu s detailním emisním inventářem posloužil tento nástroj k získání cenných informací o zdrojích PM10 a PM 2,5 v Holandsku. Byly tak získány informace o podílu zahraničních zdrojů a vyhodnoceny příspěvky jednotlivých kategorií domácích zdrojů.
Bylo řečeno, že nástroj vyvinutý pro model LOTOS-EUROS je velmi podobný modulu PSAT, který je dostupný v modelu CAMx. Byly představeny výsledky získané modulem PSAT modelu CAMx v rámci projektu POMI. PSAT sleduje původ primárních a sekundárních aerosolů a jejich prekurzorů. K dispozici je zároveň obdobný nástroj pro ozon. Výsledky ukázaly využitelnost těchto nástrojů pro identifikaci různých zdrojových oblastí aerosolů. V USA byl modul PSAT úspěšně použit k výpočtu příspěvků místních a přeshraničních zdrojů ke znečištění ovzduší. Výsledky vedly k přijetí „mezistátní směrnice o znečištění ovzduší“, která má za cíl snížit přenos znečištění, jenž může významně ovlivnit kvalitu ovzduší po směru proudění. Směrnice vejde v platnost tento rok. Na jejím základě bude vymáhána redukce emisí a očekává se, že povede ke zlepšení kvality ovzduší.
Modelování v různých měřítkách
Je-li nutno modelovat v relativně hrubém měřítku, ale pro určité oblasti (např. město nebo silniční síť) jsou potřeba podrobné výsledky, může být použita metoda sčítání výsledků. Koncentrace NO2 byly modelovány pro oblast Antverp, aby se posoudila účinnost opatření na redukci emisí z dopravy. Pozaďové koncentrace byly počítány pomocí Eulerovského modelu, detailní model emisí z dopravy byl použit pouze pro Antverpy (Jednalo se o Gaussovský silniční model se základní chemií NOX). Aby se autoři před sečtením výsledků vyhnuli dvojímu započítání emisí z dopravy, odečetli nejprve od výstupů Eulerovského modelu výsledky z modelu Gaussovského, které zprůměrovali přes grid Eulerovského modelu.
Výsledky ukázaly, že opatření s bezprostředními dopady měly pouze malý vliv na roční koncentrace NO2. V případě Antverp se ukázalo, že městský příspěvek činil 15–20 μg·m–3 a příspěvek uličního kaňonu pouze 2–3 μg·m–3. Pokud je disperze emisí z dopravy stejná v Eulerovském i dopravním (Gaussovském) modelu, je tato metoda velmi lákavá. Nicméně pokud v tomto existují mezi modely rozdíly, je odečítání nesprávné. Při použití této metody je tedy záhodné ověřit, jak parametrizace difuze ovlivňuje výsledek.
Srovnání modelů
V Evropě je používáno velké množství různých modelů. Anglická DEFRA zorganizovala cvičení, které srovnávalo všechny modely používané ve Velké Británii. Byly shromážděny informace o využití modelů, jejich silných a slabých stránkách a rozdílech v použití. Ačkoliv nebyl přehled ještě dokončen, již teď je zřejmé, že vzájemná komunikace a výměna informací byla velmi přínosná.
Pár podnětů a otázek na závěr
- Dusičnany mohou představovat velký podíl v PM 2,5. Byla při navrhování postupů pro snížení koncentrací zvážena možnost snížení koncentrací amoniaku?
- Je v emisním inventáři či modelu zahrnuta resuspenze prachu?
- Povedou realistické redukce ve vašem scénáři skutečně k dosažení limitů kvality ovzduší?
- Bylo by třeba pro dosažení imisních limitů redukovat i zdroje, které nejsou pod kontrolou?
- (Ne)přesnost modelů je stále problém. Je možno uvést také přesnost modelových výpočtů a ovlivní to nějak odhad schopnosti dosáhnout imisních limitů k danému datu?
- Podhodnocení PMX je problémem obzvláště ve střední a východní Evropě. Je možno zlepšit emisní inventář?
- Jsou nějaké emise, které nejsou zahrnuty v oficiálním inventáři, a přesto by mohly ovlivnit výsledky ve vaší modelové oblasti?
Přeji mnoho úspěchů v modelování kvality ovzduší.
Linton Corbet, překlad: Ondřej Vlček, Hana Škáchová, Meteorologické zprávy, roč. 65, 2012/2
