177 178 Chơng 7 Dự báo sự ô nhiễm nền của không khí thnh phố 7.1. Mở đầu Các điều kiện khí tợng ứng với sự ô nhiễm nền cao của không khí nên đợc nghiên cứu ở từng thnh phố bằng cách phân tích kết quả quan trắc. Thông thờng trong thnh phố, tại mạng lới trạm của ủy ban Nh nớc về Khí tợng Thủy văn Liên Xô mỗi ngy thu lợm 50100 mẫu không khí về các hợp phần tạp chất khác nhau. Để đánh giá mức độ ô nhiễm khí quyển thnh phố nói chung, ngời ta sử dụng những chỉ tiêu tổng quát khác nhau. Một trong những chỉ tiêu ô nhiễm đơn giản nhất l nồng độ quy chuẩn (không thứ nguyên) các tạp chất ( *q ) lấy trung bình theo ton thnh phố v theo tất cả các hạm quan trắc: = = N i i i q q N q 1 1 * , (7.1) trong đó i q nồng độ trung bình ngy ở điểm i , i q nồng độ trung bình mùa ở cùng điểm đó, N số điểm cố định trong thnh phố. Sự chuẩn hóa theo nồng độ trung bình mùa cho phép loại trừ ảnh hởng biến đổi nồng độ chung từ năm ny tới năm khác, do đó chúng ta có thể sử dụng chuỗi quan trắc trong một số năm để phân tích. Một chỉ tiêu ô nhiễm khác đợc dùng l hệ số của số hạng thứ nhất trong biểu thức khai triển nồng độ tạp chất theo các hm trực giao tự nhiên: = = N i ii q 1 11 , (7.2) trong đó i 1 các hợp phần của hm trực giao tự nhiên, = iii qqq độ lệch nồng độ so với giá trị trung bình của nó tại điểm i . Hệ số 1 đặc trng cho sự tăng hoặc giảm đồng thời nồng độ tạp chất theo ton thnh phố (chỉ tiêu ny có thể sử dụng chỉ cho những điểm quan trắc no m ở đó tính toán thực hiện bằng máy tính điện tử). Đợc dùng phổ biến nhất l chỉ tiêu thứ ba về ô nhiễm nền của thnh phố tham số P n m = , (7.3) trong đó n tổng số quan trắc về nồng độ tạp chất trong thnh phố trong một ngy, tại tất cả các điểm cố định, m số quan trắc nồng độ vợt trên giá trị trung bình mùa hơn 1,5 lần ( ii qq 5,1> ). Tham số P liên hệ mật thiết với hệ số 1 , các hệ số tơng quan r giữa chúng bằng 0,850,94, v giá trị trung bình quy chuẩn *q ( 90,065,0 =r ). Các giá trị trung bình mùa i q tại điểm i đợc xác định cho từng năm theo các giá trị trung bình tháng, thí dụ, đối với mùa hè 179 180 3 VIII VII VI iii i qqq q ++ = . Tróng tính toán nghiệp vụ, P phải căn cứ vo các giá trị trung bình i q trong mùa tơng ứng của năm trớc v tháng trớc của năm đang xét. Đối với nhiều thnh phố, tham số P có thể tính theo tập hợp chuỗi các tạp chất. Chỉ cần loại trừ những tạp chất đặc thù, tức các tạp chất đi vo khí quyển từ những nguồn thể hiện rõ. Tồn tại một mối liên hệ tơng quan khá chặt chẽ giữa tham số P tính đối với tất cả v các nồng độ trung bình ngy q của các tạp chất riêng lẻ (CO, SO 2 , NO 2 ): các hệ số tơng quan giữa P v q ở Lêningrat v Chita tuần tự bằng 0,76 v 0,82 đối với SO 2 , 0,70 v 0,84 đối với NO 2 , 0,58 v 0,69 đối với CO. Ngời ta phân biệt ba mức ô nhiễm không khí ở thnh phố: mức cao nhất (nhóm I) P > 0,35; mức nâng cao (nhóm II) 0,20 < P 0,35 v mức hạ thấp (nhóm III) P 0,20. Mức ô nhiễm cao nhất (P > 0,35) đợc hình thnh trong những điều kiện khí tợng sau đây: 1) Ban đêm hoặc buổi sáng của ngy đang xét gió rất yếu (dới 1 m/s) hoặc lặng gió, còn ngy hôm trớc thì quan sát thấy giá trị nâng cao của P: P > 0,3; 2) Ban ngy (theo số liệu quan trắc lúc 15 giờ) lặng gió hoặc gió rất yếu, còn ngy hôm trớc thì P > 0,15; 3) Nhiệt độ không khí tơng đối cao với gió yếu (dới 5 m/s) vo các giờ sáng sớm của ngy đang xét, còn ngy hôm trớc thì P > 0,30; 4) Gió vừa (36 m/s) v phân tầng bất ổn định ban ngy đợc thay thế thnh buổi chiều lặng gió, còn ngy hôm trớc thì P >0,15; 5) Ngy hôm trớc P >0,4, còn ngy tiếp sa u thì không hy vọng tăng gió hoặc giáng thủy đáng kể; 6) Trong khi gió rất yếu (dới 1 m/s), quan sát thấy sơng mù hoặc nghịch nhiệt nâng cao. Độ xác thực của từng dấu hiệu ny (các tiên lợng) bằng 6070 %. Mức ô nhiễm hạ thấp đợc nhận thấy trong những điều kiện khí tợng sau đây: 1) Tốc độ gió (theo cột đo gió) vợt quá 56 m/s; 2) Ma vừa hoặc ma lớn; 3) Nửa sau của ngy hôm trớc P < 0,15. Độ xác thực trong trờng hợp ny bằng 7090 %. Mức ô nhiễm cao nhất quan sát thấy ở những phần trung tâm của các xoáy nghịch dừng, trong các trờng khí áp có gradient nhỏ với bình lu nhiệt trong lớp đối lu, ở các phần phía tây v tây bắc của các xoáy nghịch ít di chuyển, ở các cung ấm của các xoáy thuận với những trị số gradient áp suất nhỏ. Ô nhiễm hạ thấp đợc quan sát thấy khi hoạt động xoáy thuận tích cực, với những trị số gradient áp suất lớn. 7.2. Phơng pháp nhận dạng Phơng pháp nhận dạng quy về xác định mức độ gần giống của một tình huống cụ thể với các mức ô nhiễm nêu ở trên. Với mục đích đó, đối với mỗi mức ô nhiễm, ngời ta xác định trị số trung bình x v độ lệch bình phơng trung bình x của các tiên lợng sau: tốc độ gió tại độ cao 10 m ( 10 u ) v 500 m ( 500 u ), hiệu nhiệt độ của không khí ở mặt đất 0 T v ở độ cao 500 m 500 T : 181 182 ( 5000 TTT = ), bản thân nhiệt độ 0 T tại độ cao 2 m v tham số P trong ngy hôm trớc. Sau đó tính các đại lợng = = 5 1 2 2 k x jkk j jk xx . (7.4) đặc trng cho sự gần giống của tình huống khí tợng cụ thể đang xét với trạng thái trung bình của mức ô nhiễm j , III II, I,=j . ở đây 101 ux = , 5002 ux = , Tx = 3 , 04 Tx = , = 5 x P, jk x các trị số trung bình của đại lợng k x với mức ô nhiễm j , jkx độ lệch bình phơng trung bình của đại lợng k x với cùng mức ô nhiễm j . Những trị số trung bình v độ lệch bình phơng trung bình của các tiên lợng nhận đợc theo số liệu quan trắc vo mùa đông ở Krasnoyarsk đợc biểu diễn trong bảng 7.1. Bảng 7.1. Những trị số trung bình v độ lệch bình phơng trung bình của các đại lợng khí tợng đối với các mức ô nhiễm Các trị số trung bình Độ lệch bình phơng trung bình Mức ô nhiễm 10 u m/s 500 u m/s T o C 0 T o C P 10 u m/s 500 u m/s T o C 0 T o C P I 1,44 6,1 1,6 25 0,31 2,4 3,4 4,0 8,2 0,10 II 1,85 8,7 1,3 20 0,17 2,3 4,6 4,3 9,7 0,10 III 6,25 13,3 1,4 15 0,15 5,2 4,4 3,5 11,9 0,08 Theo lý thuyết, sự ô nhiễm không khí cng mạnh nếu: tốc độ gió ở mặt đất v tại độ cao 500 m cng nhỏ, hiệu T (về mô đun) cng lớn, nhiệt độ không khí sát mặt đất 0 T cng thấp v mức ô nhiễm trong ngy trớc đó P cng cao. Trên cơ sở các số liệu thực về các tiên lợng k x , theo biểu thức (7.4), chúng ta tính các đại lợng 2 I , 2 II v 3 III . Ta sẽ quy tình huống cụ thể đang xét vo nhóm no m đại lợng 2 j tỏ ra nhỏ nhất. Thí dụ, vo một ngy đã quan trắc đợc: 0 10 =u , 5 500 =u m/s, 3=T o C, 22 0 =T o C, P = 0,27. Với những giá trị của jk x v jk x biểu diễn trong bảng 7.1, trong trờng hợp ny ta có: 89,0 2 I = ; 87,2 2 II = ; 84,7 2 III = . Nh vậy, phải xếp trờng hợp đang xét vo mức ô nhiễm cao nhất, vì 2 I nhỏ nhất. Độ xác thực của các dự báo lập theo phơng pháp nhận dạng bằng 7375 %. 7.3. Phơng pháp hồi qui đồ thị liên tiếp Phơng pháp hồi quy đồ thị liên tiếp bao gồm xây dựng các đồ thị tơng quan theo chuỗi quan trắc hiện có để xác định tham số P theo những tập hợp các đại lợng khác nhau (các tiên lợng) có ảnh hởng đáng kể tới mức ô nhiễm. Trong một phơng án phổ biến nhất của sơ đồ dự báo ny, ngời ta sử dụng những cặp tiên lợng sau: 10 u v T , 500 u v P. Trên hình 7.1 dẫn thí dụ xây dựng các đồ thị tơng quan. Trên hình 7.1 a, trên các trục tọa độ đặt tốc độ gió 10 u tại độ cao 10 m, tức tại mực cột đo gió, v hiệu T nhiệt độ không khí ở mặt đất 0 T v tại độ cao 500 m 500 T , trên hình 7.1 b tốc độ gió 500 u v giá trị (P) của tham số P ở ngy trớc. Các đồ thị tơng tự đợc dựng cho từng thnh phố, sử dụng tất cả những ti liệu quan trắc trong một số năm. Với mục đích đó, theo các trị số T v 10 u quan trắc trên đồ thị (hình 7.1 a), ngời ta chấm các điểm v cạnh chúng ghi giá trị của tham số P xác định trong chính 183 184 thời hạn xác định T , 10 u . Sau khi số điểm đủ lớn bao quát tất cả các mức ô nhiễm đợc chấm lên đồ thị, ngời ta vẽ các đờng đẳng trị tham số P (cách 0,1) sao cho giữa các đờng đẳng trị P đã đợc vẽ có số điểm với những ghi chú tơng ứng nhiều nhất. Bằng cách tơng tự, ngời ta dựng đồ thị theo các trị số 500 u v P. Những đồ thị ny xây dựng riêng rẽ không những cho mỗi thnh phố, m cả với một chuỗi quan trắc lớn đối với mỗi mùa của năm. Hình 7.1. Các đồ thị để dự báo ô nhiễm nền không khí ở thnh phố a) phụ thuộc của tham số P vo hiệu nhiệt độ trong lớp 0500 m ( T ) v vo tốc độ gió tại mực cột đo gió ( 10 u ); b) phụ thuộc của tham số P vo tốc độ gió tại mực 500 m ( 500 u ) v giá trị P ở ngy trớc đó (P); c) những giá trị dự báo P đợc xác định theo bốn chỉ tiêu. Có thể lu ý một số đặc điểm của các đồ thị tơng tự nh đồ thị đợc biểu diễn trên hình 7.1. Các mức ô nhiễm cao nhất v nâng cao (P > 0,30,4) đợc thấy trong những trờng hợp sau: 1) Gió sát mặt đất gần với lặng gió v trạng thái nghịch nhiệt của phần phía dới của lớp biên; 2) Tốc độ gió vừa (23 m/s) v giảm mạnh nhiệt độ không khí theo độ cao ( 3>T o C/100 m). Sự hiện diện của cực đại ny trên hình 7.1 a đợc giải thích do ô nhiễm lớp không khí sát đất bởi các tạp chất do các nguồn cao phát thải ra (độ cao hơn 100200 m): trong gió yếu v phân tầng nghịch (trao đổi rối suy yếu), những tạp chất ny đợc bảo tồn trên độ cao; trong gió mạnh trao đổi rối phân tán tạp chất đi khắp lớp biên; v chỉ trong tốc gió vừa v không có nghịch nhiệt độ thì các phát thải từ những nguồn cao trong khi lan truyền xuống dới v lên trên sẽ tạo nên mức ô nhiễm không khí nâng cao ở gần mặt đất; 3) Mức ô nhiễm cao nhất ở ngy trớc, cũng nh khi gió suy yếu trên độ cao 500 m. Sau khi những đồ thị tơng tự nh trên hình 7.1 theo kết quả quan trắc trong một số năm đợc xây dựng, ngời ta sử dụng chúng để dự báo mức ô nhiễm. Khác với chẩn đoán, khi dự báo, với t cách l những tham số đầu vo T , 10 u , 500 u , ngời ta dùng những trị số dự báo của chúng (dự báo đợc theo một hệ phơng pháp no đó trong số những hệ phơng pháp đợc chấp nhận: synop, số trị). Tham số P đợc xác định theo số liệu quan trắc trong ngy hiện tại v đợc sử dụng với t cách l tham số đầu vo trên hình 7.1 b khi dự báo mức ô nhiễm cho ngy tiếp sau. Nhận định cuối cùng về mức ô nhiễm P đợc thiết lập theo hình 7.1 c, trên đó theo các trục tọa độ ta đặt các giá trị của tham số P xác định đợc theo hình 7.1 a (P 10 u , T ) v theo hình 7.1 b (P P, 500 u ). Chúng tôi dẫn thí dụ dự báo P. Nếu theo số liệu dự báo khí tợng ngy mai dự đoán đợc 3 10 =u m/s, 2= T o C/100 m v 8 500 =u m/s, theo số liệu quan trắc hôm nay P = 0,18, thì theo hình 7.1a, ta tìm đợc: P 10 u , T = 0,17, 185 186 còn theo hình 7.1 b: P P, 500 u = 0,18. Với những trị số sau cùng lm đầu vo của đồ thị 7.1 c, cuối cùng ta tìm đợc rằng mức ô nhiễm ngy mai dự đoán bằng 0,17. Thờng ngời ta dự báo nhóm, trong trờng hợp đang xét l nhóm III mức ô nhiễm hạ thấp. Ngời ta đã lập các đồ thị, thí dụ cho Đonetsk, nhờ đó dự báo xác suất các mức ô nhiễm. Trên hình 7.2 dẫn các đồ thị đợc dùng để dự báo mức ô nhiễm cao nhất (P > 0,30). ở đây trên các trục tọa độ đặt: 10 u v T trên hình 7.2 a, P v gradient ngang 850 H của độ cao mặt 850 hPa trên hình 7.2 b. Những đờng cong dẫn ra trên các hình ny dựa trên phân tích ti liệu thực nghiệm l những đờng đẳng trị xác suất dự báo với mức ô nhiễm P > 0,30. Theo hình 7.2 a, trong gió sát đất yếu v nghịch nhiệt độ ( 0<T ), xác suất mức ô nhiễm cao nhất bằng 60100 %. Xác suất mức cao nhất ứng với những giá trị nhỏ của gradient 850 H (tốc độ gió tỉ lệ với nó) v những giá trị P lớn cũng cao cỡ nh vậy (hơn 80 %) (hình 7.2 b). Nhận định cuối cùng về dự báo đợc thực hiện nhờ đồ thị trên hình 7.2 c, trên đó theo các trục tọa độ đặt các xác suất xác định đợc theo hình 7.2 b (P , 850 H P ) v hình 7.2 a (P 10 u , T ). Độ xác thực của các dự báo lập theo phơng pháp hồi quy đồ thị thờng không thấp hơn 80 %. Khi dự báo đờng cong phân tầng của lớp biên, phải tính đến những biến đổi bình lu v đối lu của niệt độ không khí, biến trình ngy, sự biến tính của khối không khí. Kinh nghiệm cho thấy, có thể thu hút thêm thông tin bổ sung quý giá nếu bên cạnh bản đồ synop mặt đất v những bản đồ địa hình các mặt 850 v 700 hPa, chúng ta dựng thêm bản đồ mặt 925 hPa. Tốc độ cực đại trên mặt 925 hPa sẽ gần bằng nửa tổng của các tốc độ gió địa chuyển xác định đợc theo bản đồ mặt đất v bản đồ mặt 850 hPa. Hình 7.2. Các đồ thị để dự báo mức ô nhiễm cao nhất của không khí thnh phố a) độ lặp lại (số trờng hợp) P 30,0 tùy thuộc hiệu các nhiệt độ không khí c T v tốc độ gió 10 u ; b) độ lặp lại (số trờng hợp) P 30,0 tùy thuộc gradient địa thế vị mặt 850 hPa v trị số P; c) xác suất dự báo (số trờng hợp) P 30,0 xác định theo bốn tiên lợng 187 188 Khi dự báo, các nghịch nhiệt sẽ có ích nếu sử dụng các đồ thị tơng tự nh những đồ thị trên hình 7.3. Khi lập dự báo cho 09 giờ (hình 7.3 a) sử dụng gradient thẳng đứng của nhiệt độ trong lớp 0500 m theo số liệu thám không lúc 21 giờ của các ngy trớc v hiệu giữa nhiệt độ không khí tại độ cao 2 m lúc 21 giờ v nhiệt độ cực tiểu tại cùng độ cao ny trong vòng đêm tới ( min211 TTT = ). Dự báo các nghịch nhiệt lúc 15 giờ (hình 7.3 b) đợc lập theo ở lớp 0500 m lúc 03 giờ v hiệu T giữa nhiệt độ không khí cực đại tại độ cao 2 m trong ngy tới v nhiệt độ lúc 03 giờ ( 03max2 TTT = ). Các nghịch nhiệt mặt đất v nghịc nhiệt nâng cao đợc dự báo theo những đồ thị tơng tự nh hình 7.3 với xác suất 8090 %. Hình 7.3. Các đồ thị để dự báo những nghịch nhiệt mặt đất v nâng cao v trạng thái không nghịch nhiệt ở Kiev cho 9 giờ (a) v 15 giờ (b) Phân tích các quan trắc ở Novosibirsk dẫn tới kết luận rằng mức ô nhiễm không khí liên hệ tơng quan chặt chẽ với một tham số biểu diễn tỉ số giữa gradient áp suất phơng ngang xác định theo bản đồ mặt đất v 850 H trong bán kính 500 km trên hiệu nhiệt độ không khí tại mặt 925 hPa v ở mặt đất. Khi tỉ số ny tăng, tức khi tăng tốc độ gió địa chuyển hoặc giảm hiệu nhiệt độ trong phân tầng nghịch, thì xác suất xuất hiện mức ô nhiễm cao nhất của một hoặc của đồng thời một số chất ô nhiễm sẽ giảm. Ngời ta cũng nhận thấy rằng xác suất mức ô nhiễm cao nhất của khí quyển bởi cặn khói sẽ tăng khi độ ẩm tơng đối của không khí tăng. . 10 u m/s 500 u m/s T o C 0 T o C P 10 u m/s 500 u m/s T o C 0 T o C P I 1, 44 6 ,1 1,6 25 0, 31 2,4 3,4 4,0 8,2 0 ,10 II 1, 85 8 ,7 1, 3 20 0 , 17 2,3 4,6 4,3 9 ,7 0 ,10 III 6,25 13 ,3 1, 4. hôm nay P = 0 ,18 , thì theo hình 7. 1a, ta tìm đợc: P 10 u , T = 0 , 17 , 18 5 18 6 còn theo hình 7 .1 b: P P, 500 u = 0 ,18 . Với những trị số sau cùng lm đầu vo của đồ thị 7 .1 c, cuối cùng. 17 7 17 8 Chơng 7 Dự báo sự ô nhiễm nền của không khí thnh phố 7 .1. Mở đầu Các điều kiện khí tợng ứng với sự ô nhiễm nền cao của không khí nên đợc nghiên cứu ở