Dự báo ô nhiễm không khí thành phố Dự báo ô nhiễm không khí thành phố Bởi: PGS TS NGƯT Phạm Văn Huấn Mở đầu Các điều kiện khí tượng ứng với ô nhiễm cao không khí nên nghiên cứu thành phố cách phân tích kết quan trắc Thông thường thành phố, mạng lưới trạm Ủy ban Nhà nước Khí tượng Thủy văn Liên Xô ngày thu lượm 50-100 mẫu không khí hợp phần tạp chất khác Để đánh giá mức độ ô nhiễm khí thành phố nói chung, người ta sử dụng tiêu tổng quát khác Một tiêu ô nhiễm đơn giản nồng độ quy chuẩn (không thứ ¯ nguyên) tạp chất ( q) lấy trung bình theo toàn thành phố theo tất hạm quan trắc: ˉ q ∗ N ∑Ni = qi ˉ , qi (7.1) 1/9 Dự báo ô nhiễm không khí thành phố trừ tạp chất đặc thù, tức tạp chất vào khí từ nguồn thể rõ Tồn mối liên hệ tương quan chặt chẽ tham số P tính tất ¯ nồng độ trung bình ngày q tạp chất riêng lẻ (CO, SO2, NO2): hệ số tương 2/9 Dự báo ô nhiễm không khí thành phố ¯ quan P q Lêningrat Chita 0,76 0,82 SO2, 0,70 0,84 NO2, 0,58 0,69 CO Ô nhiễm hạ thấp quan sát thấy hoạt động xoáy thuận tích cực, với trị số gradient áp suất lớn Phương pháp nhận dạng 3/9 Dự báo ô nhiễm không khí thành phố ρ2j = ( ) ˉ xk − x kj ∑5k = σ xkj 4/9 Dự báo ô nhiễm không khí thành phố Phương pháp hồi qui đồ thị liên tiếp Phương pháp hồi quy đồ thị liên tiếp bao gồm xây dựng đồ thị tương quan theo chuỗi quan trắc có để xác định tham số P theo tập hợp đại lượng khác (các tiên lượng) có ảnh hưởng đáng kể tới mức ô nhiễm Trong phương án phổ biến sơ đồ dự báo này, người ta sử dụng cặp tiên lượng sau: u10và ΔT, u500 P’ Trên hình 7.1 dẫn thí dụ xây dựng đồ thị tương quan Trên hình 7.1 a, trục tọa độ đặt tốc độ gió u10 độ cao 10 m, tức mực cột đo gió, hiệu ΔT nhiệt độ không khí mặt đất T0 độ cao 500 m T500, hình 7.1 b - tốc độ gió u500 giá trị (P’) tham số P ngày trước Các đồ thị tương tự dựng cho thành phố, sử dụng tất tài liệu quan trắc số năm Với mục đích đó, theo trị số ΔT u10 quan trắc đồ thị (hình 7.1 a), người ta chấm điểm cạnh chúng ghi giá trị tham số P xác định thời hạn xác định ΔT, u10 Sau số điểm đủ lớn bao quát tất mức ô nhiễm chấm lên đồ thị, người ta vẽ đường đẳng trị tham số P (cách 0,1) cho đường đẳng trị P vẽ có số điểm với ghi tương ứng nhiều Bằng cách tương tự, người ta dựng đồ thị theo trị số u500 P’ Những đồ thị xây dựng riêng rẽ cho thành phố, mà với chuỗi quan trắc lớn mùa năm Hình 7.1 Các đồ thị để dự báo ô nhiễm không khí thành phố 5/9 Dự báo ô nhiễm không khí thành phố a) phụ thuộc tham số P vào hiệu nhiệt độ lớp 0-500 m ( ΔT) vào tốc độ gió mực cột đo gió ( u10); b) phụ thuộc tham số P vào tốc độ gió mực 500 m ( u500 ) giá trị P ngày trước (P’); c) giá trị dự báo P xác định theo bốn tiêu Có thể lưu ý số đặc điểm đồ thị tương tự đồ thị biểu diễn hình 7.1 Các mức ô nhiễm cao nâng cao (P > 0,3-0,4) thấy trường hợp sau: 1) Gió sát mặt đất gần với lặng gió trạng thái nghịch nhiệt phần phía lớp biên; 2) Tốc độ gió vừa (2-3 m/s) giảm mạnh nhiệt độ không khí theo độ cao ( ΔT > 3oC/ 100 m) Sự diện cực đại hình 7.1 a giải thích ô nhiễm lớp không khí sát đất tạp chất nguồn cao phát thải (độ cao 100-200 m): gió yếu phân tầng nghịch (trao đổi rối suy yếu), tạp chất bảo tồn độ cao; gió mạnh trao đổi rối phân tán tạp chất khắp lớp biên; tốc gió vừa nghịch nhiệt độ phát thải từ nguồn cao lan truyền xuống lên tạo nên mức ô nhiễm không khí nâng cao gần mặt đất; 3) Mức ô nhiễm cao ngày trước, gió suy yếu độ cao 500 m Sau đồ thị tương tự hình 7.1 theo kết quan trắc số năm xây dựng, người ta sử dụng chúng để dự báo mức ô nhiễm Khác với chẩn đoán, dự báo, với tư cách tham số đầu vào ΔT, u10, u500, người ta dùng trị số dự báo chúng (dự báo theo hệ phương pháp số hệ phương pháp chấp nhận: synop, số trị) Tham số P xác định theo số liệu quan trắc ngày sử dụng với tư cách tham số đầu vào hình 7.1 b dự báo mức ô nhiễm cho ngày tiếp sau Nhận định cuối mức ô nhiễm P thiết lập theo hình 7.1 c, theo trục tọa độ ta đặt giá trị tham số P xác định theo hình 7.1 a (P u10,ΔT) theo hình 7.1 b (P P’, u500) Chúng dẫn thí dụ dự báo P Nếu theo số liệu dự báo khí tượng ngày mai dự đoán u10=3m/s, ΔT = 2oC/100 m u500 = m/s, theo số liệu quan trắc hôm P’ = 0,18, theo hình 7.1a, ta tìm được: P u10,ΔT= 0,17, 6/9 Dự báo ô nhiễm không khí thành phố theo hình 7.1 b: P P’, u500= 0,18 Với trị số sau làm đầu vào đồ thị 7.1 c, cuối ta tìm mức ô nhiễm ngày mai dự đoán 0,17 Thường người ta dự báo nhóm, trường hợp xét nhóm III - mức ô nhiễm hạ thấp Người ta lập đồ thị, thí dụ cho Đonetsk, nhờ dự báo xác suất mức ô nhiễm Trên hình 7.2 dẫn đồ thị dùng để dự báo mức ô nhiễm cao (P > 0,30) Ở trục tọa độ đặt: u10 ΔT hình 7.2 a, P’ gradient ngang ΔH850 độ cao mặt 850 hPa hình 7.2 b Những đường cong dẫn hình dựa phân tích tài liệu thực nghiệm đường đẳng trị xác suất dự báo với mức ô nhiễm P > 0,30 Theo hình 7.2 a, gió sát đất yếu nghịch nhiệt độ ( ΔT < 0), xác suất mức ô nhiễm cao 60-100 % Xác suất mức cao ứng với giá trị nhỏ gradient ΔH850 (tốc độ gió tỉ lệ với nó) giá trị P’ lớn cao cỡ (hơn 80 %) (hình 7.2 b) Nhận định cuối dự báo thực nhờ đồ thị hình 7.2 c, theo trục tọa độ đặt xác suất xác định theo hình 7.2 b (P ΔH850P’) hình 7.2 a (P u10,ΔT) Độ xác thực dự báo lập theo phương pháp hồi quy đồ thị thường không thấp 80% Khi dự báo đường cong phân tầng lớp biên, phải tính đến biến đổi bình lưu đối lưu niệt độ không khí, biến trình ngày, biến tính khối không khí Kinh nghiệm cho thấy, thu hút thêm thông tin bổ sung quý giá bên cạnh đồ synop mặt đất đồ địa hình mặt 850 700 hPa, dựng thêm đồ mặt 925 hPa Tốc độ cực đại mặt 925 hPa gần nửa tổng tốc độ gió địa chuyển xác định theo đồ mặt đất đồ mặt 850 hPa 7/9 Dự báo ô nhiễm không khí thành phố Hình 7.2 Các đồ thị để dự báo mức ô nhiễm cao không khí thành phố a) độ lặp lại (số trường hợp) P 0,3 tùy thuộc hiệu nhiệt độ không khí ΔTc tốc độ gió u10; b) độ lặp lại (số trường hợp) P 0,3 tùy thuộc gradient địa vị mặt 850 hPa trị số P’; c) xác suất dự báo (số trường hợp) P 0,3 xác định theo bốn tiên lượng Khi dự báo, nghịch nhiệt có ích sử dụng đồ thị tương tự đồ ¯ thị hình 7.3 Khi lập dự báo cho 09 (hình 7.3 a) sử dụng gradient thẳng đứng γ nhiệt độ lớp 0-500 m theo số liệu thám không lúc 21 ngày trước hiệu nhiệt độ không khí độ cao m lúc 21 nhiệt độ cực tiểu độ cao vòng đêm tới ( ΔT1 = ΔT21 − ΔTmin) Dự báo nghịch nhiệt lúc 15 ¯ (hình 7.3 b) lập theo γ lớp 0-500 m lúc 03 hiệu ΔT nhiệt độ không khí cực đại độ cao m ngày tới nhiệt độ lúc 03 ( ΔT2 = ΔTmax − ΔT03) 8/9 Dự báo ô nhiễm không khí thành phố Các nghịch nhiệt mặt đất nghịc nhiệt nâng cao dự báo theo đồ thị tương tự hình 7.3 với xác suất 80-90 % Hình 7.3 Các đồ thị để dự báo nghịch nhiệt mặt đất nâng cao trạng thái không nghịch nhiệt Kiev cho (a) 15 (b) Phân tích quan trắc Novosibirsk dẫn tới kết luận mức ô nhiễm không khí liên hệ tương quan chặt chẽ với tham số biểu diễn tỉ số gradient áp suất phương ngang xác định theo đồ mặt đất H850 bán kính 500 km hiệu nhiệt độ không khí mặt 925 hPa mặt đất Khi tỉ số tăng, tức tăng tốc độ gió địa chuyển giảm hiệu nhiệt độ phân tầng nghịch, xác suất xuất mức ô nhiễm cao đồng thời số chất ô nhiễm giảm Người ta nhận thấy xác suất mức ô nhiễm cao khí cặn khói tăng độ ẩm tương đối không khí tăng 9/9 ... Những đồ thị xây dựng riêng rẽ cho thành phố, mà với chuỗi quan trắc lớn mùa năm Hình 7.1 Các đồ thị để dự báo ô nhiễm không khí thành phố 5/9 Dự báo ô nhiễm không khí thành phố a) phụ thuộc... gradient áp suất lớn Phương pháp nhận dạng 3/9 Dự báo ô nhiễm không khí thành phố ρ2j = ( ) ˉ xk − x kj ∑5k = σ xkj 4/9 Dự báo ô nhiễm không khí thành phố Phương pháp hồi qui đồ thị liên tiếp Phương... hiệu ΔT nhiệt độ không khí cực đại độ cao m ngày tới nhiệt độ lúc 03 ( ΔT2 = ΔTmax − ΔT03) 8/9 Dự báo ô nhiễm không khí thành phố Các nghịch nhiệt mặt đất nghịc nhiệt nâng cao dự báo theo đồ thị