Προτυποποίηση της διασποράς των αέριων ρυπαντών στην κατώτερη τροπόσφαιρα με βάση τα φυσικογεωγραφικά και μετεωρολογικά χαρακτηριστικά και την αέρια ρύπανση του λεκανοπεδίου των Αθηνών
Authors: Πασχαλίδου Αναστασία 
Published: August 2021

Τα μοντέλα διασποράς είναι ένα απαραίτητο εργαλείο στη διαχείριση της ποιότητας του αέρα, επειδή προτυποποιούν την επίδραση των μετεωρολογικών παραμέτρων και των εκπομπών των αερίων ρυπαντών στην ποιότητα του αέρα. Στην παρούσα διατριβή τροποποιήθηκε και εφαρμόστηκε το μοντέλο κυτίου BOXURB για τον υπολογισμό των συγκεντρώσεων των οξειδίων του αζώτου (NOx). Οι λόγοι που συνετέλεσαν στην επιλογή του συγκεκριμένου μοντέλου είναι αφενός μεν ο σχετικά μικρός υπολογιστικός χρόνος που απαιτεί το μοντέλο και αφετέρου το γεγονός ότι μπορεί να «τρέχει» σε περιβάλλον WINDOWS σε έναν απλό προσωπικό υπολογιστή PC, χωρίς ιδιαίτερες απαιτήσεις πέραν από τη γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN. Έτσι, μπορεί, αφού επαληθευτεί, να χρησιμοποιηθεί από τις τοπικές περιβαλλοντικές αρχές για τον υπολογισμό της ποιότητας του αέρα και την εφαρμογή περιβαλλοντικής πολιτικής. Και όλα αυτά σε συμφωνία με τις τελευταίες οδηγίες της Ευρωπαϊκής Ένωσης για περιορισμό των επιπέδων αέριας ρύπανσης σε μεγάλου και μεσαίου μεγέθους ευρωπαϊκά αστικά κέντρα. Μερικά από τα κυριότερα χαρακτηριστικά του μοντέλου, όπως τροποποιήθηκε για τις ανάγκες της διατριβής αυτής, είναι τα παρακάτω: i) Η παράμετρος κατακόρυφης διασποράς υπολογίζεται μέσω συνεχών εξισώσεων. Έτσι, το βάθος του κυτίου, που είναι ευθέως ανάλογο της παραμέτρου κατακόρυφης διασποράς, υπολογίζεται μέσω της ροής αισθητής θερμότητας, του ανέμου και της νέφωσης. ii) Υπάρχει δυνατότητα να μεταβάλλεται το επιφανειακό μήκος τραχύτητας, ανάλογα με το αν το μοντέλο εφαρμόζεται για υπαίθριες, προαστιακές ή αστικές περιοχές. iii) Υπάρχει δυνατότητα το μοντέλο να χρησιμοποιεί είτε μετεωρολογικά δεδομένα από το αρχείο είτε μετεωρολογικά δεδομένα πρόβλεψης (και προβλεπόμενες συγκεντρώσεις O₃ από άλλα φωτοχημικά μοντέλα). Έτσι, το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιείται είτε επιχειρησιακά για την πρόβλεψη της ποιότητας του αέρα είτε για την ανάλυση παλαιότερων επεισοδίων ρύπανσης. iv) Στον κώδικα του μοντέλου υπάρχει αλγόριθμος για τον υπολογισμό της αθροιστικής συσσώρευσης των ρυπαντών στην περίπτωση επικράτησης πολύ ασθενών ανέμων ή άπνοιας. v) Υπάρχει, επίσης, παραμετροποίηση για τον υπολογισμό των αποτελεσμάτων της αστικοποίησης στη ροή αισθητής θερμότητας. Με τον τρόπο αυτό τοποθετείται χρονικά αργότερα η εμφάνιση συνθηκών ισχυρής νυχτερινής ευστάθειας μετά από ηλιόλουστες και νήνεμες ημέρες. vi) Ο διαχωρισμός των υπολογισθεισών συγκεντρώσεων NOx σε NO και NO₂ μπορεί να γίνεται, στην περίπτωση έλλειψης φωτοχημείας, μέσω εμπειρικών εξισώσεων. Στην περίπτωση εμφάνισης έντονης ακτινοβολίας (και άρα φωτοχημείας) για τον παραπάνω διαχωρισμό χρησιμοποιούνται οι συγκεντρώσεις του όζοντος και η φωτοχημεία αυτού. vii) Χρησιμοποιείται κατάλογος επιφανειακών και γραμμικών εκπομπών σε ένα πλέγμα (1x1)Km². viii) Γίνεται εποχική τροποποίηση των επιφανειακών εκπομπών μέσω των βαθμοωρών, προκειμένου να ληφθεί υπόψη η εποχική διακύμανση των εκπομπών από τα συστήματα κεντρικής θέρμανσης. ix) Γίνεται ημερήσια τροποποίηση των γραμμικών εκπομπών με τη βοήθεια καταλόγου κυκλοφοριακής ροής, προκειμένου να ληφθεί υπόψη η ημερήσια διακύμανση των κυκλοφοριακών εκπομπών. x) Υπάρχει αλγόριθμος για τον υπολογισμό των επιπέδων ρύπανσης σε ένα κυκλοφοριακό οδικό «φαράγγι». xi) Υπάρχει η δυνατότητα να υπολογίζεται η ρύπανση σε οποιοδήποτε πλεγματικό σημείο. Υπ’ αυτήν την έννοια, μπορεί να υπολογίζονται σε ωριαία βάση οι συγκεντρώσεις των ρυπαντών σε όλα τα σημεία του πλέγματος εκπομπών, δηλαδή σε 10.500 εικονικούς δέκτες. Με τον τρόπο αυτό, είναι δυνατόν να κατασκευάζονται ωριαίοι χάρτες ρύπανσης. Το συγκεκριμένο, λοιπόν, μοντέλο εφαρμόστηκε σε 17 σταθμούς στην ευρύτερη περιοχή του Λεκανοπεδίου των Αθηνών για τη δεκαετή περίοδο 1995-2004. Στους σταθμούς αυτούς περιλαμβάνονται μεγάλες οδικές αρτηρίες, αστικές περιοχές, προάστια και υπαίθριες περιοχές. Έτσι, υπήρξε η δυνατότητα να συγκριθεί η απόδοση του μοντέλου σε περιοχές με διαφορετικά χαρακτηριστικά εκπομπών και διαφορετική μικρομετεωρολογία του οριακού στρώματος. Σε πρώτη φάση, αναλύθηκαν τα δεδομένα της ρύπανσης, όπως αυτά προέκυψαν από τις μετρήσεις στους σταθμούς κατά τη δεδομένη δεκαετία. Όπως ήταν αναμενόμενο, τα υψηλότερα επίπεδα οξειδίων του αζώτου καταγράφηκαν στους κυκλοφοριακούς σταθμούς των οδών Πατησίων, Αριστοτέλους και Αθηνάς, οι οποίοι βρίσκονται στο κέντρο της Αθήνας. Υψηλές συγκεντρώσεις καταγράφηκαν επίσης στο σταθμό I του Πειραιά. Στους υπόλοιπους σταθμούς τα επίπεδα ρύπανσης ήταν σαφώς μικρότερα. Εξετάστηκε, στη συνέχεια, η ενδοετήσια κύμανση των συγκεντρώσεων των NOx και βρέθηκε ότι σε όλους τους σταθμούς, με εξαίρεση την Αγία Παρασκευή, τους Θρακομακεδόνες και το σταθμό Ζωγράφου, εμφανίζεται χειμερινό μέγιστο και θερινό ελάχιστο. Κάτι τέτοιο βρίσκεται σε συμφωνία με τη γνωστή ελάττωση της κυκλοφορίας των οχημάτων κατά τους καλοκαιρινούς μήνες, λόγω των θερινών διακοπών και με την παύση λειτουργίας των συστημάτων κεντρικής θέρμανσης. Εξετάστηκε, επίσης, η ημερήσια κύμανση των NOx και βρέθηκε ότι στους κυκλοφοριακούς σταθμούς εμφανίζονται δυο μέγιστα, τα οποία ταυτίζονται με τις ώρες κυκλοφοριακής αιχμής. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή του μοντέλου ελέγχτηκαν και επαληθεύτηκαν σε μηνιαία, ημερήσια και ωριαία βάση. Ειδικότερα, έγινε σύγκριση των παρατηρούμενων και των παραγόμενων από το μοντέλο συγκεντρώσεων μέσω μιας σειράς από στατιστικές δοκιμές, όπως το μέσο σφάλμα, το μέσο απόλυτο σφάλμα, το μέσο τετραγωνικό σφάλμα, η ρίζα του μέσου τετραγωνικού σφάλματος, το μέσο λογαριθμικό σφάλμα, το μέσο απόλυτο λογαριθμικό σφάλμα και ο συντελεστής συσχέτισης του Pearson. Η ανάλυση υπέδειξε ότι το μοντέλο εμφανίζει την καλύτερη απόδοση στους κυκλοφοριακούς σταθμούς των οδών Πατησίων, Αθηνάς και Αριστοτέλους. Στην επόμενη φάση, τα αποτελέσματα του μοντέλου αξιολογήθηκαν με βάση τις παραμέτρους του ανέμου. Η έρευνα έδειξε ότι η επικρατούσα διεύθυνση του ανέμου στο λεκανοπέδιο των Αθηνών είναι η ΒΑ και κατά δεύτερο λόγο η ΝΝΔ. Κατά τις διευθύνσεις αυτές σημειώνονται και οι υψηλότερες εντάσεις. Επιπλέον, αποδείχτηκε ότι, με εξαίρεση την Ελευσίνα, τον Πειραιά και τη Νέα Σμύρνη, σε όλες τις υπόλοιπες περιπτώσεις τα χαμηλότερα επίπεδα συγκέντρωσης NO₂ παρατηρούνται με ανέμους του βορειοανατολικού τομέα. Στα πλαίσια της αξιολόγησης διερευνήθηκε η σχέση του λογαριθμικού σφάλματος στον υπολογισμό των NOx με την ταχύτητα του ανέμου. Βρέθηκε ότι τα μεγαλύτερα ποσοστά σφάλματος σχετίζονται με τις δυσκολίες που αντιμετωπίζει το μοντέλο κατά τον υπολογισμό της ρύπανσης στην περίπτωση άπνοιας. Σε τέτοιες περιπτώσεις το μοντέλο έχει την τάση να κάνει πάντα υπερεκτίμηση. Αυτό συμβαίνει, διότι, όταν επικρατούν εξαιρετικά ασθενείς άνεμοι, απαιτείται μεγάλος αριθμός διαδοχικών χρονικών βημάτων, προκειμένου ένα αέριο δέμα να διασχίσει την πόλη και να φτάσει στον δέκτη. Έτσι, η τελική συγκέντρωση στο δέκτη προκύπτει από το άθροισμα πολύ μεγάλου αριθμού συνιστωσών, με άμεσο αποτέλεσμα την υπερεκτίμηση των συγκεντρώσεων. Σημαντικό σφάλμα καταγράφεται και στην περίπτωση που επικρατούν άνεμοι εντάσεως μεγαλύτερης από 14m/s. Ωστόσο, τέτοιοι άνεμοι σπάνια εμφανίζονται στις αστικές περιοχές, εξαιτίας του μεγάλου μήκους τραχύτητας και της συνακόλουθης ισχυρής τριβής. Μελετήθηκε, επίσης και καταγράφηκε η σχέση του λογαριθμικού σφάλματος στον υπολογισμό των NOx με την κατεύθυνση του ανέμου. Στην τελική φάση, το μοντέλο αξιολογήθηκε ως εργαλείο πρόγνωσης της ποιότητας του αέρα και ως εργαλείο σχεδιασμού. Τα στατιστικά τεστ εφαρμόστηκαν στα ζεύγη των παρατηρούμενων και παραγόμενων από το μοντέλο συγκεντρώσεων του NO₂ και αυτό, διότι το NO₂ είναι το πιο επικίνδυνο από τα οξείδια του αζώτου και όλα τα όρια συναγερμού και λήψης μέτρων βασίζονται στις συγκεντρώσεις του. Σημειώνεται ότι για την ώρα δεν υπάρχουν θεσπισμένα όρια για το σύνολο των NOx ή για το NO. Ειδικότερα, η αξιολόγηση έγινε σε επίπεδο μέγιστης ημερήσιας συγκέντρωσης NO₂, για το λόγο ότι τα δελτία πρόγνωσης της ποιότητας αναφέρονται συνήθως στην μέγιστη προβλεπόμενη συγκέντρωση της επόμενης ημέρας. Αξίζει, τέλος, να σημειωθεί ότι, από την εφαρμογή του μοντέλου στην οδό Πατησίων με τις κατάλληλες τροποποιήσεις, βρέθηκε ότι μια πιθανή διακοπή της κυκλοφορίας στο συγκεκριμένο δρόμο μπορεί να οδηγήσει σε μείωση των συγκεντρώσεων των NOx μέχρι και 75ppb. Κάτι τέτοιο αποδεικνύει ότι κατά την διάρκεια των επεισοδίων ρύπανσης, η έντασή τους θα μπορούσε να μειωθεί δραστικά με την λήψη μέτρων για τον περιορισμό της κυκλοφορίας των οχημάτων στην οδό Πατησίων. Τα αποτελέσματα της παραπάνω αξιολόγησης είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά και αποκτούν προστιθέμενη αξία, αν σκεφτεί κανείς ότι προέκυψαν μεταξύ άλλων και για τον πλέον επιχειρησιακό σταθμό, αυτόν της οδού Πατησίων. Ωστόσο, θα πρέπει να τονιστεί ιδιαίτερα ότι προς το παρόν το μοντέλο έχει εφαρμοστεί μόνο σε δεδομένα αρχείου. Προκειμένου να χρησιμοποιηθεί το μοντέλο σε επιχειρησιακή βάση για την πρόγνωση της ποιότητας του αέρα, απαιτείται η χρήση προβλεπόμενων μετεωρολογικών δεδομένων, καθώς επίσης και προβλεπόμενων συγκεντρώσεων όζοντος, γεγονός που θα επιφέρει αναπόφευκτα μεγαλύτερα σφάλματα. Σε κάθε περίπτωση, τα εξαιρετικά καλά αποτελέσματα που προέκυψαν μας επιτρέπουν να αισιοδοξούμε για τη συνέχιση της παρούσας διατριβής και την εξέλιξή της σε επίπεδο πρόγνωσης.