Συμβολή στη μελέτη της στατιστικής πρόγνωσης της ποιότητας του αέρα στην περιοχή της Θεσσαλονίκης
Creators: name: Γερολυμάτου, Παρασκευή-Ελένη Ευριπίδη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Πολλαπλή γραμμική παλινδρόμηση
Πρόγνωση ποιότητας αέρα-Θεσσαλονίκη
Multiple linear regression
Air quality forecast-Thessaloniki

description: Η παρούσα μελέτη συμβάλλει στη στατιστική πρόγνωση της ποιότητας αέρα στην Θεσσαλονίκη, με τη χρήση της πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης και το υψηλής ανάλυσης αριθμητικό μοντέλο πρόγνωσης WRF που διαχειρίζεται ο τομέας Μετεωρολογίας και Κλιματολογίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου, με στόχο τη δημιουργία στατιστικών μοντέλων πρόγνωσης Ο3 και PM10. Συγκεκριμένα έγινε ανάπτυξη εξισώσεων πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης σε ετήσια και εποχιακή βάση (ετήσια και εποχιακά μοντέλα) για τέσσερις από τους σταθμούς ελέγχου ρύπανσης της περιοχής της Θεσσαλονίκης με στόχο την πρόγνωση μέσης τιμής του Ο3 και PM10, διάρκειας τριών ημερών. Το πρώτο κομμάτι μελέτης των μοντέλων διευκρινίζεται από την επίδραση και συσχέτιση των μετεωρολογικών παραμέτρων προς τους ρύπους με τον υπολογισμό της στατιστικής σημαντικότητας και του συντελεστή συσχέτισης κάθε παραμέτρου. Οι τελευταίες, ως προγνωστικές μεταβλητές, είναι: γεωδυναμικό ύψος στα 500hPa, θερμοκρασία στα 850hPa, θερμοκρασία στα 2 μέτρα, σχετική υγρασία στα 2 μέτρα, ταχύτητα ανέμου στα 10 μέτρα, ηλιακή ακτινοβολία μικρού μήκους, συνολική βροχόπτωση και εξάγονται από το αριθμητικό μοντέλο πρόγνωσης WRF του τομέα Μετεωρολογίας και Κλιματολογίας. Οι συγκεντρώσεις ρύπων της προηγούμενης ημέρας είναι η κυριότερη προγνωστική μεταβλητή συμβάλλοντας στη βελτίωση των στατιστικών μοντέλων πρόγνωσης τόσο για το Ο3 όσο και για τα PM10. Ανάλογα με τον σταθμό (αστικό ή περιαστικό) και την εποχή, οι υπόλοιπες μεταβλητές επιδρούν διαφορετικά στις συγκεντρώσεις ρύπων δίνοντας τα αποτελέσματα αποδοτικότητας του κάθε μοντέλου. Ο υπολογισμός στατιστικών δεικτών και συντελεστών βοήθησε στην αξιολόγηση των μοντέλων, στο δεύτερο κομμάτι της μελέτης. Με τους τρεις βασικότερους δείκτες, ΜΑΕ, ΙΟΑ και r2 έγινε η σύγκριση με προηγούμενες μελέτες σε περιοχές όπως της Αθήνας και συμπεραίνεται πως τα ετήσια μοντέλα έχουν απόδοση σε ίδιο επίπεδο ή καλύτερη από προηγούμενες μελέτες. Από τα εποχιακά μοντέλα, κάποια έχουν αρκετά καλή απόδοση, κυρίως τα μοντέλα πρόγνωσης Ο3, άλλα όμως, με χαμηλό συντελεστή προσδιορισμού δεν προτείνεται να χρησιμοποιηθούν για πρόγνωση. Από την αξιολόγηση των στατιστικών μοντέλων πρόγνωσης για τους δύο ρύπους, τα ετήσια μοντέλα δίνουν αρκετά καλύτερα αποτελέσματα από τα εποχιακά. Συγκεκριμένα για την πρόγνωση Ο3, το ετήσιο μοντέλο για το σταθμό της Πλατείας Αγίας Σοφίας δίνει την καλύτερη απόδοση, έπειτα για το σταθμό του Πανοράματος, του Κορδελιού και τέλος το λιγότερο αποδοτικό μοντέλο είναι για το σταθμό της Νεοχωρούδας. Για την πρόγνωση PM10 τα μοντέλα ακολουθούν την σειρά Πλατεία Αγίας Σοφίας, Κορδελιό και Πανόραμα. Σχετικά με την επιλογή ενός στατιστικού μοντέλου πρόγνωσης με την καλύτερη αξιοπιστία προτείνεται το ετήσιο μοντέλο για το σταθμό της Πλατείας Αγίας Σοφίας τόσο για το Ο3 όσο και το αντίστοιχο ετήσιο μοντέλο για τα PM10
description: This thesis contributes to statistical forecast of air quality of Thessaloniki, using the multiple linear regression and the high-resolution weather research and forecasting model WRF, managed by the laboratory of Meteorology and Climatology of the Aristotle University of Thessaloniki in order to generate statistical forecast models for O3 and PM10. Multiple linear regression equations are generated at annual and seasonal basis (annual and seasonal models) for four different areas of the city (three for PM10), aiming to a 3-day forecast of the mean daily values of pollutants’ concentrations. The first part of the thesis clarifies the effect and correlation of the meteorological parameters with the pollutants calculating the statistical significance and correlation coefficient of every variable. The latter ones, the prognostic variables are: geopotential height 500hPa, temperature 850hPa, temperature 2m, relative humidity 2m, wind speed 10m, incoming solar radiation, total precipitation and extracted from numerical weather prediction model WRF of the laboratory of Meteorology and Climatology. The most important of the prognostic variables is the observed pollutants concentration of the previous day, leading to considerable improvements of the statistical forecast models. The rest of the prognostic variables (predictors) affect the pollutants’ concentrations in different ways, depending on the area (urban or suburban) and the season of the year. The second part of the thesis is focused on the calculation of statistical measures and indices for the models’ evaluation and their overall performance. The comparison of the current and previous similar studies is based on three of the statistical measures, MAE, IOA and r2. It is concluded that the annual models adopted here have similar or better performance in comparison with previous studies carried out at Athens. Some of the seasonal models, mostly the ones for the O3 forecast, even if they demonstrate an adequate performance, they are not suggested for operation forecast. The evaluation of the statistical models separates the annual from the seasonal models giving a better performance for the first ones. For the O3 forecast, the annual model for the station Plateia Agias Sofias has the best performance, then the model for Panorama, Kordelio and finally for Neoxorouda. For the PM10 forecast, the best model is the annual model for Plateia Agias Sofias and then Kordelio and Panorama. With regard to the selection of an air quality statistical forecast model with the best reliability, the annual model for Plateia Agias station is proposed for both O3 and the corresponding annual model for PM10