referat - MANHAZ

Modelowanie atmosferycznego transportu zanieczyszczeń nad Polską: połączenie do
1. Wprowadzenie.
modelu meteorologicznego
Andrzej Mazur
Ośrodek Rozwoju Numerycznych Prognoz Meteorologicznych
Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej
01-673 Warszawa, ul. Podleśna 61
Polska – en mass – jest jednym z większych źródeł rozmaitych zanieczyszczeń.
Prowadzi to oczywiście do istotnego skażenia środowiska. Co więcej, chociaż w Polsce nie ma
elektrowni jądrowych, to ponad dziesięć reaktorów atomowych zlokalizowanych w najbliższym
sąsiedztwie (zob. rys. 3). Sytuacja ta wymaga narzędzi wspomagających w procesach
decyzyjnych w wypadku katastrofy jądrowej. W wyniku prac, które miały na celu stworzenie
takiego narzędzia, ustalone zostało operacyjne łącze pomiędzy modelem meteorologicznym
(COSMO-LM) i modelem dyspersji (REMOTA – REgionalny MOdel Transportu
Atmosferycznego zanieczyszczeń).
Rysunek 1. Elektrownie atomowe w sąsiedztwie Polski (www.atomowe.kei.pl)

2. Modele
a) W IMGW uruchomiono model meteorologiczny DWD-COSMO/LM (Lokal-
Modell). W obecnym układzie możliwa jest praca modelu dyspersji zanieczyszczeń w czasie
rzeczywistym (tryb prognostyczny), w dowiązaniu do wyników modelu meteorologicznego.
Obecnie model meteorologiczny pracuje w trybie operacyjnym w IMGW, dwukrotnie w
ciągu doby dając 78-godzinne prognozy dwu- i trójwymiarowych pól meteorologicznych
potrzebnych do modelu dyspersji (wiatr, opady, zachmurzenie itp.). Pola wysokości warstwy
mieszania oraz współczynnika dyfuzji pionowej, dodatkowo potrzebne do pracy modelu
dyspersji, są obliczane przy użyciu modelu PBL (PBL Model, Washington University).
b) Jako model dyspersji (DM) zastosowano trójwymiarowy, eulerowski model
atmosferycznego zanieczyszczeń dla obszaru Polski, o zmienionej (w porównaniu do
pierwotnej, diagnostycznej wersji) domenie. Obecna siatka modelu dyspersji to 193x161
oczek o rozmiarach 14x14 km i dziesięciu poziomach pionowych. Pozioma siatka modelu
obejmuje obszar Polski wraz z częścią krajów sąsiadujących. REMOTA jest modelem
pozwalającym na opis dyspersji różnych zanieczyszczeń (substancji). W modelu zawarte są
parametryzacje poziomej adwekcji dyfuzji pionowej oraz procesy suchej i mokrej depozycji.
Równania są rozwiązywane w układzie współrzędnych tzw. terrain-following (ang.
podążające za terenem). Rozwiązanie numeryczne bazuje na schemacie Area Flux Preserving
(Bott, 1989), jeśli chodzi o adwekcję, oraz niejawnym algorytmie Cranka-Nicholsona w
odniesieniu do pionowej dyfuzji turbulentnej. Wartość prędkości suchej depozycji, zgodnie z
modelem Sehmela (Sehmel., 1980), zależy od szorstkości terenu, prędkości tarciowej oraz
średnicy cząstek zanieczyszczeń, podczas gdy współczynnik wymywania przyjęto jako stały
(zależny jednie od rodzaju zanieczyszczenia). Model składa się z trzech modułów: pierwszy
ustala parametry (współczynnik depozycji lokalnej, wymywanie, prędkość suchej depozycji
itp.), drugi rozwiązuje równanie adwekcji-dyfuzji, trzeci – przygotowuje zbiory wyjściowe do
dalszego przetwarzania, analiz statystycznych i prezentacji. W czasie symulacji program
pobiera parametry, zdefiniowane przez użytkownika, wszystkie niezbędne dane wejściowe
(meteorologiczne, emisyjne), wykonuje obliczenia (adwekcja, dyfuzja, depozycja) i
zachowuje rezultaty.
2

3. Opis łącza.
Modele połączone są poprzez wewnętrzną sieć IMGW. Rezultaty (pola) modelu
meteorologicznego dostępne są na osobnym serwerze FTP, dostępnym dla modułu
przygotowywania wejściowych danych meteorologicznych dla modelu dyspersji. Po
wykonaniu obliczeń (dwukrotnie w ciągu dnia) pola są gotowe do wykorzystania. Proces ich
przygotowywania na potrzeby modelu dyspersji docelowo (w momencie uruchomienia
serwera dostępowego) ma być całkowicie automatyczny, i zależeć tylko od aktualnej daty i
godziny. Dalej następuje uruchomienie samego modelu dyspersji (78 godzin "do przodu" -
wersja prognostyczna).
Rysunek 2 Konfiguracja operacyjna systemu LM-DM. 1. Model Globalny (GM). 2. Model lokalny (LM) dla
Polski. 3. Rezultaty LM. 4. Pola wejściowe dla modelu dyspersji (DM). 5. Dane emisyjne dla DM. 6. Prognoza
dyspersji.
Pierwsze testowe przebiegi modelu dały pola stężeń i depozycji hipotetycznego,
niereaktywnego (pasywnego chemicznie) zanieczyszczenia. Założono emisję
zanieczyszczenia z wysokiego źródła w pobliżu centrum domeny modelu (okolice
Warszawy). Może to przybliżać sytuację typu „katastrofy emisyjnej”.
Poniższe rysunki przedstawiają dwa przykłady uruchomienia modelu dyspersji dla
fikcyjnego źródła, zlokalizowanego w pobliżu centrum Polski, dla rzeczywistych danych
meteorologicznych, odpowiednio, z 04 grudnia i 09 grudnia 2002 roku (pierwotna wersja
modelu, siatka 57x51 oczek, 14x14 km).
3

Rysunek 2 Dyspersja zanieczyszczeń z fikcyjnego źródła w rzeczywistej sytuacji meteorologicznej. Początek
prognozy: 4 grudnia, 2002, godz. 0:00. Izolinie w kolorach od zielonego do czerwonego – depozycja
zanieczyszczeń do gruntu; od żółtego do niebieskiego – koncentracja zanieczyszczeń w powietrzu. Jednostki
względne.
Rysunek 3 Dyspersja zanieczyszczeń z fikcyjnego źródła w rzeczywistej sytuacji meteorologicznej. Początek
prognozy: 9 grudnia, 2002, godz. 0:00. Oznaczenia jak dla rys. 1.
4

4. Rezultaty pracy operacyjnej
Rysunek 5. Dyspersja skażeń jądrowych w wypadku hipotetycznej awarii w reaktorze w Barsebaeck,
Oskarshamn, Ignalino lub Czernobylu. Prognoza: od 28 kwietnia 2003 do 1 maja 2003.
Rysunek 6. Dyspersja skażeń jądrowych w wypadku hipotetycznej awarii w reaktorze w Równe, Chmielnicki,
Paks lub Mochovce. Prognoza: od 28 kwietnia 2003 do 1 maja 2003.
5

Rysunek 7. Dyspersja skażeń jądrowych w wypadku hipotetycznej awarii w reaktorze w Bohunice, Dukovany,
Temelin lub Kruemel. Prognoza: od 28 kwietnia 2003 do 1 maja 2003.
Rysunek 7. Dyspersja skażeń jądrowych w wypadku hipotetycznej awarii w reaktorach w bliskich odległościach
od Polski.. Prognoza: od 28 kwietnia 2003 do 1 maja 2003.
6

Na powyższych rysunkach przedstawione zostały prognozy dyspersji skażeń jądrowych w
wypadku hipotetycznych awarii w elektrowniach atomowych w pobliżu Polski. Wyniki
pokazały, jak duże są możliwości w zakresie właściwego wykorzystania rezultatów modelu
meteorologicznego w typowych, różnych zastosowaniach. To konkretne zastosowanie (czyli
połączenie LM+DM) może służyć jako pierwsza, rozwojowa wersja systemu, służącego do
oszacowania dyspersji groźnych zanieczyszczeń. W chwili obecnej model dyspersji
uruchamiany jest na bieżąco, codziennie, po uzyskaniu wyników obliczeń modelu
meteorologicznego około godziny 10:30 i 18:30.
Głównymi rezultatami pracy było
- ustanowienie efektywnego, operacyjnego połączenia między modelem meteorologicznym
a modelem dyspersji dla Polski (większości Europy);
- rozwój operacyjnej wersji modelu transportu zanieczyszczeń i całego systemu LM+DM,
przeznaczonej dla modelowania krótkotrwałych „incydentów emisyjnych”.
Rezultaty zaprezentowane powyżej pokazują (na przykładzie dość symbolicznej daty
28 kwietnia), że nawet kraj bez elektrowni atomowych w wypadku awarii w reaktorze u
sąsiadów nie jest bezpieczny w sensie skażenia jądrowego.
Literatura
Atanassov D., Syrakov D., Spassova T., Todorow T., Kolarowa M., Prtodanova M., Videnov P.,
Ivancheva J., 1994: EMEP-MSC-E Annual Report, Sofia-Moskwa.
Bartnicki J. (1986) An efficient positive definite method for the numerical solution of the
advection equation. IIASA Working Paper WP-86-35, Institute for Applied Systems Analysis,
Laxenburg, Austria.
Bartnicki J . (1991) Long-range transport of heavy metals from Poland computed by an Eulerian
model, in: van Dop H., Steyn D.G. (Eds.) Air pollution modelling and its application VIII.
Plenum Press, pp. 339-348.
Bartnicki J., Modzelewski H., Bartnicka-Szewczyk H., Saltbones J., Berge E. and Bott A. (1993)
An Eulerian model for atmospheric transport of heavy metals over Europe: Model development
and testing. Techn. Report 117, Norwegian Meteorological Institute, Oslo, Norwegia.
Barrett K. i Berge E., 1996: Transboundary Air Pollution in Europe. Estimated dispersion of
acidifying agents and of near surface ozone. EMEP/MSC-W Report 1/96, July 1995, Oslo,
Norwegia.
7

Bergström H., 1985: A simplified boundary layer wind model for practical application. J. Clim.
Appl. Met. 25, 813-824.
Bott A., 1989: A positive definite advection scheme obtained by nonlinear renormalization of the
advective fluxes. Mon.Wea.Rev., 117, 1006-1015.
Brashers, B. (1997) web page “readme” file (pbl-lib@atmos.washington.edu)
Chromow S.P., 1969: Meteorologia i klimatologia. PWN Warszawa.
Doms, G. and Schaettler, U. (2000) The Nonhydrostatic Limited-Area Model LM (Lokal-
Modell) of DWD. Scientific Documentation. DWD documents.
Haenel H.-D., 1993: Surface-layer profile evaluation using a generalization of Robinson's
method for the determination of d and z0. Boundary-Layer Met. 65, 55-67.
Hrehoruk J., Bartnicki J., Mazur A., Grzybowska A., Modzelewski H., Frydzinska B. and
Bartnicka H. (1992) Modelling the Transport of Air Pollution. IMWM- Tech. Report P-7.
Hrehoruk J., Grzybowska A., Mazur A., Frydzinska B., Bartnicki J., Modzelewski H. and
Bartnicka H. (1993) Regional Model for Atmospheric Transport of Heavy Metals over Poland.
IMWM News, 3.
Jakobsen H.A., Jonson J. i Berge E., 1996: Transport and deposition calculations of sulphur
and nitrogen compounds in Europe for 1992 in the 50 km grid bu use of the multi-layer
Eulerian model. DNMI Research Report No. 34.
Kasten F., Czeplak G., 1980: Solar and terrestrial radiation dependent on the amount and type
of cloud. Solar Energy 24, 177-189.
Lagouarde J.-P., McAneney K.J., 1992: Daily sensible heat flux estimation from a single
measurement of surface temperature and maximum air temperature. Boundary-Layer Met. 59,
341-362
Malik S., Simpson D., Hjellbrekke A.-G. i Simpson H., 1996: Photochemical model
calculations over Europe for summer 1990. Model results and comparison with obserwations.
EMEP/MSC-W Report 2/96, July 1996, Oslo, Norwegia.
Milford J.B. i Davidson C.I., 1985: The sizes of particulate trace elements in the atmosphere -
a review. J. Air Pollut. Control Assoc., 35(12), 1249 - 1260.
Monin A.S., Yaglom A.M., 1971: Statistical fluid mechanics: mechanics of turbulence. Vol.I, 3 th
printing, MIT Press, Londyn.
Monteith J.L., 1981: Evaporation and surface temperature. Quart. J. Roy. Met. Soc. 107, 1-27.
Nicholson K.W., 1988: The dry deposition of smal particles: a review of experimental
measurements. Atmos. Envir., 22(12), 2653-2666.
8

Paltridge G.W., Platt C.M.R., 1976: Radiative processes in meteorology and climatology.
development in atmospheric science. Vol. 5, Elsevier.
Parfiniewicz, J. (2002, 2003) kontakt osobisty.
Paulson C.A., 1970: The mathematical representation of wind speed and temperature profiles in
the unstable atmospheric surface layer. J. Appl. Met. 9, 865-861
Potter D., 1973: Computational Physics. J.Wiley & Sons (polskie tłumaczenie - Fizyka
komputerowa, PWN, Warszawa 1983).
Schaettler, U. and Doms, G. (2000) The Nonhydrostatic Limited-Area Model LM (Lokal-
Modell) of DWD. Implementation Documentation. DWD documents.
Schaettler, U. and Doms, G. (2000) The Nonhydrostatic Limited-Area Model LM (Lokal-
Modell) of DWD. User Guide. DWD documents.
Sehmel G.A., 1970: Particle deposition from turbulent air flow. J. Geophys. Res., 75(9),
1766-781.
Sehmel G.A., 1980: Particle and gas dry deposition: a review. Atmos. Envir., 14, 983-1011.
Sellers W.D., 1986: Physical climatology. The University of Chicago Press, USA.
Slinn W.G.N., 1981: Predictions for particle deposition to vegetative canopies. Atmos.
Envir., 16(7), 1794-1982.
Sorbjan Z., 1975: Podstawy numerycznych prognoz pogody. Wydawnictwa Politechniki
Warszawskiej, Warszawa.
Sorbjan Z., 1983: Turbulencja i dyfuzja w dolnej atmosferze. PWN Warszawa.
Uliasz M., 1977: Numeryczny model rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń atmosfery w rejonie
aglomeracji miejskich. Przegląd Geofizyczny XXII(XXX), z.3-4, 199-207.
Van Ulden A.P., Holtslag A.A.M., 1985: Estimation of atmospheric boundary layer parameters
for diffusion applications. J. Clim. Appl. Met. 24, 1196-1207.
Voldner E.C., Barrie L.A i Sirois A., 1986: A literature review of dry deposition of oxides and
nitrogen with emphasis on long-range transport modelling in North America. Atmos. Envir.,
20(11), 2101-2123.
Wesely M.L., Lesht B.M., 1989: Comparison of RADM dry deposition algorithms with a site-
specific method for inferring dry deposition. Water, Air and Soil Pollut. 44, 273-293.
Wesely M.L., Cook D.R. i Hart R.L., 1983: Fluxes of gases and particles above a decidous
forest in wintertime. Boundary-Layer Meteor. 27, 237-255.
Wieringa J., 1980: Representativeness of wind observations at airports. Bull. Amer. Met. Soc.
61, 926-971.
9

Wieringa J., 1981: Estimation of mesoscale and local-scale roughness for atmospheric transport
modelling, w: Air pollution modelling and its application. Plenum, New York, str. 279-295.
Williams R.M., 1982: A model for the dry deposition of particles to natural water surfaces.
Atmos. Envir. 16(8), 1933-1938.
Wiman B.L.B., 1985: A non-stationary model for sulphur aerosol depletion and deposition in
a young spruce stand. Tellus 37B, 230-242.
Wiman B.L.B, 1986: Diurnal variations of aerosol concentrations inside and above a young
spruce stand: modelling and measurements. Water, Air and Soil Pollut., 31, 343-348.
Wiman B.L.B. i Lannefors H.O., 1985: Aerosol characteristics in a mature coniferous forest -
methodology, composition, sources and spatial concentration variations. Atmos. Envir.,
19(2), 349-362.
Yamartino R.J., 1985: Atmospheric Pollutant Deposition Modeling. (w): Houghton D.D.
(ed.): Handbook of Applied Meteorology. John Wiley & Sons, 754-766.
10