Validation of an air quality numerical model and development of a post-processor filter

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η αξιολόγηση της επίδοσης αριθμητικού μοντέλου ποιότητας του αέρα και η ανάπτυξη μετεπεξεργαστικού φίλτρου για τη βελτίωση της απόδοσης του. Η περιοχή μελέτης είναι η Νοτιοανατολική Ευρώπη και ιδιαίτερη έμφαση θα δοθεί στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου. Στο πρώτο μέρος της διατριβής αξιολογείται η ικανότητα δύο συστημάτων μοντέλων να αναπαραγάγουν την επίδραση των Ετησιών ανέμων στα επίπεδα του επιφανειακού όζοντος στην Ανατολική Μεσόγειο. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται το παγκόσμιο μοντέλο MACC (Monitoring Atmospheric Composition and Climate) Reanalysis IFS - MOZART (Integrated Forecast System - Model for Ozone and Related chemical Tracer) και το σύνολο περιφερειακών μοντέλων MACC-II (MACC-Interim Implementation). Η αξιολόγηση πραγματοποιείται για τρεις σταθμούς υποβάθρου που βρίσκονται στη Μάλτα, στην Κύπρο και την Κρήτη για μια χρονική περίοδο πέντε μηνών (Μάιος - Σεπτέμβριος) για τα έτη 2011-2012. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι παρόλο που τα δύο συστήματα μοντέλων υποεκτιμούν συστηματικά τις συγκεντρώσεις του επιφανειακού όζοντος, μπορούν να συλλάβουν ως ένα βαθμό την επίδραση των Ετησιών με το σύνολο των περιφερειακών μοντέλων να αναπαράγει καλύτερα τις τιμές του όζοντος σε σύγκριση με το παγκόσμιο μοντέλο. Στο δεύτερο μέρος της μελέτης αξιολογείται η επίδοση του φωτοχημικού μοντέλου CAMx (Comprehensive Air Quality Model with Extensions) που συνδυάζεται με το μετεωρολογικό μοντέλο WRF (Weather Research και Forecasting). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται προσομοιώσεις για τα επίπεδα των O3, ΝΟ2, ΝΟ, SO2, CO και των αιωρούμενων σωματιδίων. Οι προσομοιώσεις αυτές συγκρίνονται με επίγειες μετρήσεις από 28 σταθμούς παρακολούθησης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης για την Ελλάδα. Η αποτίμηση της επίδοσης του μοντέλου WRF-CAMx αφορά σε ένα μήνα για κάθε εποχή του έτους 2012 και πιο συγκεκριμένα στους μήνες Ιανουάριο, Απρίλιο, Ιούλιο και Οκτώβριο. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης δείχνουν ότι η επίδοση του WRF-CAMx είναι ικανοποιητική για τα αιωρούμενα σωματίδια και τους αέριους ρύπους σχεδόν για όλους τους σταθμούς. Λιγότερο καλή είναι η επίδοση του μοντέλου για το SO2. Το μοντέλο φαίνεται να υπερεκτιμά τις συγκεντρώσεις του όζοντος σε αρκετούς σταθμούς με αποτέλεσμα μια μικρή συνολική υπερεκτίμηση με εξαίρεση τον Ιούλιο. Για τους υπόλοιπους αέριους ρύπους, το μοντέλο εμφανίζει μικρή υποεκτίμηση των επιπέδων συγκέντρωσης. Τα επίπεδα συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων PM10, εμφανίζουν μικρή υπερεκτίμηση κατά τη διάρκεια του Ιανουαρίου και Απριλίου και υποεκτίμηση τους άλλους δύο μήνες. Παρόμοια αποτελέσματα υπολογίζονται και για τα ΡΜ2.5. Ο στόχος της τελευταίας μελέτης είναι η βελτίωση της επίδοσης του μοντέλου WRF-CAMx στην προσομοίωση των επιπέδων ρύπανσης στην Ελλάδα. Για το σκοπό αυτό αναπτύχτηκε στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστήμιου Πατρών μετεπεξεργαστικό φίλτρο που βασίζεται στη μεθοδολογία Analog Ensemble (AnEn). Το φίλτρο εφαρμόζεται στις προσομοιώσεις του όζοντος και των αιωρούμενων σωματιδίων. Η AnEn αναζητά analogs σε προβλέψεις του παρελθόντος για να διορθώσει την παρούσα πρόβλεψη. Όπως αποδεικνύεται από την αποτίμηση της εφαρμογής του φίλτρου οι διορθωμένες προβλέψεις εμφανίζονται σημαντικά βελτιωμένες σε σχέση με τις αρχικές προβλέψεις του μοντέλου. Πιο συγκεκριμένα, παρατηρείται μια σαφής βελτίωση της συσχέτισης μεταξύ των διορθωμένων προβλέψεων και των παρατηρήσεων.