emisje i imisje wybranych gazów śladowych na terenie krakowa · model wrf-chem, modele p.1 w...
TRANSCRIPT
Czym oddychamy na co dzień – emisje i imisje wybranych gazów śladowych na terenie Krakowa
Mirosław Zimnoch
Seminarium Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej, 23.05.2014
Plan prezentacji
•Dlaczego badania w mieście?
•Czynniki decydujące o składzie atmosfery
•Dynamika atmosfery
•Źródła gazów śladowych i zanieczyszczeń
Oszacowania bilansu bottom-up top-down
•Zastosowanie znaczników
•Podziękowania
•Finansowanie
•Publikacje
Beijing
Dlaczego obszar miejski?
•Powierzchnia obszarów zurbanizowanych stanowi ok. 2% powierzchni globu •W 2011 roku procent populacji zamieszkujący te obszary przekroczył 50% •Obszary miejskie odpowiedzialne są za ok. 70% emisji antropogenicznych •Szacuje się że do roku 2050 procent populacji zamieszkującej miasta zwiększy się do 75%
Obszar miejski - charakterystyka
Free atmosphere
PBL – Planetary Boundary Layer
Pomiary atmosferyczne
meteo.ftj.agh.edu.pl
Prace magisterskie:Izabela Karasińska, Łukasz Jankowski, Krzysztof Grządziel
Pomiary atmosferyczne
Promieniowanie krótkofalowe 285-3000nm (W/m2) Promieniowanie długofalowe 4,5-40m (W/m2) Promieniowanie fotosyntetycznie aktywne
(PAR) 410-655nm (mol/m2s)
SWR LH SH LWR
Pomiary atmosferyczne
Strumień ciepła jawnego
Praca inżynierska: Bogusław Włoch
Modelowanie
1. Badanie kierunków napływu mas powietrza, Model Hysplit, flexpart, stilt
2. Modelowanie pól meteorologicznych Model RegCM, WRF
3. Modelowanie rozkładu stężeń wybranych gazów Model WRF-Chem, modele p.1 w trybie
dyspersyjnym, EMEP Praca magisterska: Szymon Pysz
Praca inżynierska: Krzysztof Majchrowicz
Dynamika atmosfery
Dynamika atmosfery
Obszar miejski - charakterystyka
źródło:www.birmingham.ac.uk
Obszar miejski - charakterystyka
źródło: www.dawnotemuwkrakowie.pl
1938r. obecnie
Obszar miejski – źródła antropogeniczne
źródła: , www.nationalgeographic.pl, www.skyscrapercity.com,krakowski alarm smogowy, zdjęcia własne
CO2 – stężenie (ppm), skład izotopowy 13C, 14C, 18O - główny antropogeniczny gaz cieplarniany
222Rn – aktywność właściwa (Bq/m3) - gaz szlachetny, stosowany jako znacznik procesów atmosferycznych
WWA – stężenie (ng/m3) - silnie toksyczne i rakotwórcze - wskaźnik emisji antropogenicznej
CO – stężenie (ppb) - polutant (szkodliwy w wyższych stężeniach) - wskaźnik emisji antropogenicznej
Rodzaje gazów śladowych
CH4 – stężenie (ppm, ppb), skład izotopowy 13C - silny gaz cieplarniany (GWP100=23) - surowiec uznawany za bardziej ekologiczny (mniejsze emisje zanieczyszczeń)
Kilka słów o składzie izotopowym
Stosunek izotopowy – iloraz abundancji izotopu rzadszego do bardziej powszechnego. Wyniki pomiarów wyrażamy jako względną różnice stosunków izotopowych w próbce i standardzie i wyrażamy w promilach. Wyniki radiowęgla, jako izotopu promieniotwórczego normalizowane są do określonej daty oraz korygowane ze względu na frakcjonowanie zachodzące podczas pomiaru i wyrażane jako duża delta.
C
CR
12
1313
(‰)1000
w
ws
R
RR
1000/1252 14131414 CCCC
Podejście bottom-up - metoda komorowa
CO2 and CH4 analyser
Isotope mass balance
1. Keeling approach:
0,0021 0,0022 0,0023 0,0024 0,0025 0,0026-12,5
-12,0
-11,5
-11,0
-10,5
-10,0
-9,5
-9,0y = 9109(±700) x -32,1(±1,6)
R2 = 0,98
1
3C
O2 [
‰]
1/CO2 [1/ppm]
a
isotopic signature of the local source
isotopic signature of the background
srcbgmes COCOCO _2_2_2
+
srcsrcbgbgmesmes CCOCCOCCO 13
_2
13
_2
13
_2
=
srcsrcbgbg
mes
mes CCCCOCO
C 131313
_2
_2
13 1
Punkty pomiarowe
Badanie zmienności przestrzennej
Praca inżynierska: Ewa Smuła
Praca inżynierska: Michał Różycki
Badanie zmienności synoptycznej
Badanie zmienności sezonowej
Badanie zmienności sezonowej
-32
-30
-28
-26
-24
-22
-20
-18
-16
-14
-30
-20
-10
0
10
20
30
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
δ13C
, ‰ V
PD
B
Str
umie
ń C
O2,
mm
ol/m
2 h
Miesiąc
poza miastem w mieście
poza miastem w mieście
Strumień CO2:
Sygnatura δ13C strumienia:
-28
-27
-26
-25
-24
-23
-22
-21
-20
-19
-18
-10
-5
0
5
10
15
δ13C
, ‰
Str
umie
ń C
O2,
mm
ol/m
2 h
Tyniec Huta Niepołomice Tyniec Huta Niepołomice
Kierunek przepływu rzeki
Strumień:
δ13Csrc:
Badanie zmienności sezonowej
Bilans źródeł biogenicznych
Szacowanie bottom-up na podstawie statystyk zużycia paliw, natężenia ruchu, struktury samochodów i współczynników emisji Dane dostępne w bazach, np. EDGAR.
Często duże rozbieżności !!! Potrzeba weryfikacji
Określanie wielkości emisji metodami statystycznymi
dwupw ccF
-współczynnik empiryczny w-odch. std. pionowej składowej wiatru Cup – stężenie gazu w updrafcie Cdw – stężenie gazu w downdrafcie
Praca inżynierska: Katarzyna Pieniążek
Metoda akumulacji wirów
Metoda akumulacji wirów
-100
0
100
200
300
400
500
2013-04-29 2013-05-06 2013-05-13 2013-05-20 2013-05-27 2013-06-03
Str
umie
ń C
O2,
mm
ol/m
2 h
Ś C P S N P W Ś C P S N P W Ś C P S N P W Ś C P S N P W Ś C P S N P W
Długi weekend majowy
-100
-50
0
50
100
150
200
250
dzień noc dzień noc
LATO ZIMA
Str
umie
ń C
O2,
mm
ol/m
2 h
Metoda akumulacji wirów
R
E
A 50
%
99
%
80
%
Teoretyczny obszar, z którego mierzono metodą REA emisję CO2, oszacowany zgodnie z modelem Gash'a. Koncentryczne okręgi symbolizują pochodzenie 50% (czerwony), 80% (niebieski) i 99% (fioletowy) strumienia mierzonego przez system. Punkt w środku okręgów oznacza lokalizację stacji pomiarowej.
Metoda akumulacji wirów
0
500
1000
1500
2000
2500
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00
Gęs
tość
str
umie
nia
foto
nów
, μm
ol/m
2 s
Str
umie
ń C
O2,
mm
ol/m
2 h
Czas lokalny
rea
resp(komory)
netto(komory)
PAR
Mean values of CO2 flux measured during the campaign.
All fluxes are in mmol CO2/m2h.
REA Chambers Chambers within
REA footprint
Daytime –27.4 (3.4) –17.3 (5.0) – 22.7 (6.8)
Nighttime 30.0 (4.1) 46.0 (4.7) – nighttime
39.3 (2.4) – all dark chamber
measurements
29.0 (3.4)
Metoda akumulacji wirów
Podejście top-down
330
380
430
480
530
31-07 5-08 10-08 15-08 20-08 25-08 30-08
Time
CO
2 m
ixin
g r
ati
o [
pp
m]
Kasprowy Wierch
Krakow
Dynamika atmosfery
Metoda radonowa – ocena wielkości strumieni nocnych
Warstwa inwersyjna
CO2 222Rn CH4
Brak wymiany ze swobodną
atmosferą
Równomierny rozkład źródeł
Podobne własności gazów
Rn
CO
RnCOC
Cff
2
2
Brak mieszania
Równomierne rozłożenie źródeł
Podobne właściwości
Metoda radonowa – ocena wielkości strumieni nocnych
Metoda radonowa – ocena wielkości strumieni nocnych
Metoda NBL – ocena wielkości strumieni nocnych
Warstwa inwersyjna
CO2
Brak wymiany ze swobodna
atmosferą
Równomierny rozkład źródeł H
Uśredniony profil
pionowy stężenia
NBL
srf
c
ck
2
1CO
NBLf
Ht
c
t
c
k
Hf
srf
CO
2
Metoda NBL – ocena wielkości strumieni nocnych
Metoda NBL – ocena wielkości strumieni nocnych
Praca doktorska Jadwiga Mazur IFJ Kraków
Porównanie metod bottom-up i top-down
Ocena udziału różnych źródeł w atmosferze Krakowa
Ocena udziału różnych źródeł w atmosferze Krakowa
Ocena udziału różnych źródeł w atmosferze Krakowa
Zastosowanie znaczników izotopowych w bilansowaniu źródeł
Zastosowanie znaczników izotopowych w bilansowaniu źródeł
Isotope mass balance
radiocarbon approach:
assuming bgbio CC 1414
100014
1414
_2_2
bg
mesbg
mesffC
CCCOCO
ffbgmesbio COCOCOCO _2_2_2_2
combining carbon isotopes approach:
2_21_2_2_2_2 ffffbiobgmes COCOCOCOCO
ffffffbiobiobgbg
mesmes
CCOCOCCOCCO
CCO
14
2_21_2
14
_2
14
_2
14
_2
2
13
2_21
13
1_2
13
_2
13
_2
13
_2
ffffffffbiobiobgbg
mesmes
CCOCCOCCOCCO
CCO
Event 1 - 02-03.04.2007
400
440
480
0
800
1600
2400
2007-04-02 16:00 2007-04-03 00:00 2007-04-03 08:000
50
100
150
CO
2
[pp
m] a
CO
[pp
b] b
WW
A
[ng
/m3]
data i godzina
c
0
20
40
-12
-10
2007-04-02 16:00 2007-04-03 00:00 2007-04-03 08:00-2
-1
0
1
4C
O2 [
‰]
d
1
3C
O2 [
‰] e
C
18O
2 [
‰]
data i godzina
f
date and time date and time
PAH
date and time
Event 1 - 02-03.04.2007
0,0021 0,0022 0,0023 0,0024 0,0025 0,0026-12,5
-12,0
-11,5
-11,0
-10,5
-10,0
-9,5
-9,0y = 9109(±700) x -32,1(±1,6)
R2 = 0,98
1
3C
O2 [
‰]
1/CO2 [1/ppm]
a
0,0021 0,0022 0,0023 0,0024 0,0025 0,0026-1,8
-1,6
-1,4
-1,2
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0y = 3812(±333) x -9,8(±0,8)
R2 = 0,97
C
18O
2 [
‰]
1/CO2 [1/ppm]
b
13Csrc= -32.1‰
13Cbg= -8.7‰
18Osrc= -9.8‰
18Obg= +0.03‰
assuming CO2bg= 388.8 ppm, (GlobalView 2011)
Event 1 - 02-03.04.2007
2007-04-02 16:00 2007-04-03 00:00 2007-04-03 08:00380
400
420
440
460
480
CO
2 [
pp
m]
data i godzina
CO2 tlo
CO2 bio
CO2 ff
a
date and time
2007-04-02 16:00 2007-04-03 00:00 2007-04-03 08:00380
400
420
440
460
480
CO
2 f
f [p
pm
]data i godzina
CO2 tlo
CO2 bio
CO2 ff
spalanie wegla
CO2 ff
spalanie metanu
b
methane
traffic
date and time
Event 1 - 02-03.04.2007
CO
COCOCO
ff
hourlyhourlyff
2
_2PAH
COPAHCO
ff
hourlyhourlyff
2
_2
2007-04-02 16:00 2007-04-03 00:00 2007-04-03 08:000
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
CO
2 f
f [p
pm
]
data i godzina
CO2 ff
w oparciu o 14
CO2
CO2 ff
w oparciu o WWA
CO2 ff
w oparciu o CO
date and time
based on
based on
based on
Event 2 - 29-30.11.2007
400
440
480
520
0
1000
2000
3000
4000
2007-11-29 16:00 2007-11-30 01:00 2007-11-30 10:000
80
160
240
CO
2
[pp
m] a
CO
[pp
b]
b
WW
A
[ng
/m3]
data i godzina
c
-90
-60
-30
0
30
-14
-12
-10
2007-11-29 16:00 2007-11-30 00:00 2007-11-30 08:00
-5
-4
-3
-2
1
4C
O2 [
‰]
d
1
3C
O2 [
‰]
e
C
18O
2 [
‰]
data i godzina
f
date and time date and time
PAH
Event 2 - 29-30.11.2007
0,0020 0,0021 0,0022 0,0023 0,0024 0,0025
-14,5
-14,0
-13,5
-13,0
-12,5
-12,0
-11,5
-11,0
-10,5
-10,0
-9,5 y = 10495(±886)x -35,4(±1,9)
R2 = 0,97
1
3C
O2 [
‰]
1/CO2 [1/ppm]
a
0,0020 0,0021 0,0022 0,0023 0,0024 0,0025-5,5
-5,0
-4,5
-4,0
-3,5
-3,0
-2,5
-2,0
-1,5
C
18O
2 [
‰]
1/CO2 [1/ppm]
y = 7888(±639)x -21,2(±1,4)
R2 = 0,97
b
13Csrc= -35.4‰
13Cbg= -8.3‰
18Osrc= -21.2‰
18Obg= -0.8‰
assuming CO2bg= 387.1 ppm, (GlobalView 2011)
Event 2 - 29-30.11.2007
2007-11-29 16:00 2007-11-30 01:00 2007-11-30 10:00360
380
400
420
440
460
480
500
520
CO
2 [
pp
m]
data i godzina
CO2 tlo
CO2 bio
CO2 ff
a
date and time
2007-11-29 16:00 2007-11-30 01:00 2007-11-30 10:00360
380
400
420
440
460
480
500
520
CO
2 f
f [p
pm
]data i godzina
CO2 tlo
CO2 bio
CO2 ff
wegiel
CO2 ff
metan
b
traffic
methane
date and time
Event 2 - 29-30.11.2007
2007-11-29 16:00 2007-11-30 01:00 2007-11-30 10:000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
CO
2 f
f [p
pm
]
data i godzina
CO2 ff
w oparciu o 14
CO2
CO2 ff
w oparciu o WWA
CO2 ff
w oparciu o CO
date and time
based on
based on
based on
Pracownicy Zespołu Fizyki Środowiska: -prof. dr hab. inż. Kazimierz Różański -dr inż. Tadeusz Kuc -dr inż. Zbigniew Gorczyca -dr inż. Jarosław Nęcki -dr inż. Przemysław Wachniew -dr inż. Łukasz Chmura
Doktoranci: - dr inż. Dorota Jeleń - mgr inż. Paulina Wach - mgr inż. Alina Jasek
Magistranci: mgr inż. Lesław Figura, mgr inż. Szymon Pysz, mgr inż. Marek Kamiński,
mgr inż. Stanisław Węglarczyk, mgr inż. Krzysztof Grządziel
Inżynieranci i studenci odbywający praktyki pod moją opieką
Współpracownicy
„Ocena wielkości strumieni gazów śladowych na terenie Krakowa z wykorzystaniem pomiarów chromatograficznych oraz sodarowych.” Grant własny Nr N305 2256 33 realizowany w latach 2007-2009 „Inżynieria procesów ograniczania emisji oraz utylizacji gazów szkodliwych i cieplarnianych” Projekt badawczy zamawiany nr G004/T02/2007 realizowany w latach 2007-2010 „Ocena wielkości wymiany dwutlenku węgla między atmosfera, ekosystemami lądowymi i wodnymi na obszarze zurbanizowanym Krakowa”. Projekt międzynarodowy niewspółfinansowany Nr 817/N-COST/1010/0 realizowany w ramach akcji COST SIBAE realizowany w latach 2010-2013 Środki statutowe Zespołu Fizyki Środowiska
Finansowanie
Najważniejsze publikacje
Zimnoch M. 2009, Stable isotope composition of carbon dioxide emitted from anthropogenic sources in the Krakow region, Southern Poland, Nukleonika; 54(4):291−295 Zimnoch, M; Godlowska, J; Necki, JM; Rozanski, K, 2010, Assessing surface fluxes of CO2 and CH4 in urban environment: a reconnaissance study in Krakow, Southern Poland, Tellus, 62B, 573-580 Zimnoch, M; Jelen, D; Galkowski, M; Kuc, T; Necki, J; Chmura, L; Gorczyca, Z; Jasek, A; Rozanski, K, 2012, Partitioning of atmospheric carbon dioxide over Central Europe: insights from combined measurements of CO2 mixing ratios and their carbon isotope composition, Isotopes in Environmental and Health Studies, 48, 421-433. Alina Jasek, Miroslaw Zimnoch, Zbigniew Gorczyca, Ewa Smula and Kazimierz Rozanski, 2014, Seasonal variability of soil CO2 flux and its carbon isotope composition in Krakow urban area, Southern Poland, Isotopes in Environmental and Health Studies,Vol. 50, No. 2, 143–155 M. Zimnoch, P. Wach, L. Chmura, Z. Gorczyca, K. Rozanski, J. Godlowska, J. Mazur, K. Kozak, and A. Jericevic, 2014, Factors controlling temporal variability of near-ground atmospheric 222Rn concentration over Central Europe, Atmospheric Chemistry and Physics Discuss. 01/2014; 14:3667–3706
DZIĘKUJĘ
ZA UWAGĘ