emisje i imisje wybranych gazów śladowych na terenie krakowa · model wrf-chem, modele p.1 w...

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


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


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


źródło:www.birmingham.ac.uk


źródło: www.dawnotemuwkrakowie.pl

1938r. obecnie

Obszar miejski – źródła antropogeniczne

źródła: , www.nationalgeographic.pl, www.skyscrapercity.com,krakowski alarm smogowy, zdjęcia własne

http://www.nationalgeographic.pl/

http://www.skyscrapercity.com/

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

-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


-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


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.

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)


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 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

Praca doktorska Jadwiga Mazur IFJ Kraków

Porównanie metod bottom-up i top-down

Ocena udziału różnych źródeł w atmosferze Krakowa

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

emisje i imisje wybranych gazów śladowych na terenie krakowa · model wrf-chem, modele p.1 w...

Documents