Wpływ prędkości i kierunku wiatru na jakość powietrza w Krakowie

From the SelectedWorks of Robert Oleniacz
June 9, 2016
Wpływ prędkości i kierunku wiatru na jakość
powietrza w Krakowie
Robert Oleniacz
Marek Bogacki
Adriana Szulecka
Mateusz Rzeszutek
Marian Mazur
Available at: http://works.bepress.com/robert_oleniacz/139/
WPŁYW PRĘDKOŚCI I KIERUNKU
WIATRU NA JAKOŚĆ POWIETRZA
W KRAKOWIE
dr inż. Robert Oleniacz, dr inż. Marek Bogacki,
mgr inż. Adriana Szulecka, mgr inż. Mateusz Rzeszutek,
prof. dr hab. inż. Marian Mazur 1
Streszczenie: W pracy omówiono rolę, jaką pełni prędkość i kierunek wiatru w kształtowaniu
poziomów stężeń zanieczyszczeń w powietrzu w Krakowie. W tym celu wykorzystano
1-godzinne wyniki pomiarów parametrów meteorologicznych i stężeń wybranych zanieczyszczeń
powietrza (PM10, PM2,5, NOx, NO2, SO2, CO, O3 i C6H6) z okresu 2014-2015, realizowanych
w obszarze miasta Krakowa, z uwzględnieniem typu i lokalizacji stacji pomiarowych. Ocenę
wpływu analizowanych czynników meteorologicznych na poziom substancji zanieczyszczających
w powietrzu określono z wykorzystaniem nieparametrycznego współczynnika korelacji porządku
rang Spearmana oraz na podstawie analizy kierunku napływu zanieczyszczeń. Dodatkowo
zwrócono uwagę na epizody ponadnormatywnych poziomów stężeń w powietrzu (głównie pyłu
zawieszonego PM10) oraz wpływ prędkości i kierunku wiatru na występowanie tych epizodów
i poprawę warunków aerosanitarnych w mieście.
Słowa kluczowe: zanieczyszczenie powietrza; napływ zanieczyszczeń; przewietrzanie miasta;
parametry meteorologiczne
1. Wprowadzenie
Parametry meteorologiczne, w tym prędkość i kierunek wiatru, wysokość
warstwy mieszania, temperatura, nasłonecznienie, wilgotność powietrza i opady
atmosferyczne, zaliczane są, obok czasoprzestrzennej zmienności emisji
zanieczyszczeń do powietrza i warunków orograficznych, do głównych
czynników determinujących stan zanieczyszczenia powietrza na danym terenie
[1-3]. Szczególnie istotne znaczenie mają tutaj prędkość i kierunek wiatru
występujące w przyziemnej warstwie atmosfery, gdyż decydują one o szybkości
i kierunku przemieszczania się mas powietrza oraz zawartych w nich
zanieczyszczeń, a tym samym o ewentualnym napływie bardziej lub mniej
1
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska,
Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,
tel. + 48 (12) 6174503, + 48 (12) 6175213, e-mail: [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected], [email protected]
263
zanieczyszczonego powietrza z terenów sąsiednich, skutkującym zwiększeniem
lub zmniejszeniem stężeń poszczególnych zanieczyszczeń w danym punkcie [47]. Wiatr jest też podstawowym czynnikiem dyspersyjnym, decydującym
o przemieszczaniu się smug zanieczyszczeń emitowanych z poszczególnych
źródeł emisji, przez co może decydować o znacznym zróżnicowaniu poziomów
stężeń powodowanych przez poszczególne lokalnie źródła emisji.
Dla większości substancji przy większej prędkości wiatru rejestrowane
w powietrzu stężenie maleje [4, 8-10], co jest spowodowane
zintensyfikowanym rozcieńczaniem zanieczyszczeń. Efekt przewietrzania jest
szczególnie istotny w sezonie grzewczym, w którym zwiększona emisja ze
spalania paliw w paleniskach domowych i pojazdach spalinowych powoduje
kumulację zanieczyszczeń w centrum miasta. Z kolei w przypadku takiego
wtórnego zanieczyszczenia powietrza, jak np. ozon, większa prędkość wiatru
może się wiązać z jego zwiększonym stężeniem wynikającym z napływu
z dalszych odległości prekursorów (głównie węglowodorów) sprzyjających
tworzeniu się tego związku w powietrzu przy jednoczesnej obecności tlenków
azotu [11-14]. Większe prędkości wiatru mogą także prowadzić do napływu
zanieczyszczeń z dalszych odległości i przyczyniać się do ewentualnego
wzrostu ich stężeń w powietrzu na terenie, w którym były one pierwotnie
mniejsze [15]. Z kolei określenie dominującego kierunku wiatru powodującego
wzrost stężeń poszczególnych substancji pomaga wskazać potencjalne źródła
wysokiej emisji kształtujące jakość powietrza w danym punkcie [16].
W przypadku niektórych zanieczyszczeń wpływ tego parametru może być
jednak maskowany przez niską emisję z sektora komunalno-bytowego
(w sezonie grzewczym) oraz z transportu drogowego (przez cały rok).
Zaburzenie warunków wentylacji charakterystyczne dla terenów silnie
zurbanizowanych, w których gęsta zabudowa blokuje naturalne korytarze
przewietrzające, powoduje kumulację zanieczyszczeń w centrach miast [4, 15,
17]. W zależności od lokalizacji punktu pomiarowego, obserwuje się duże
różnice na tych terenach w zakresie oddziaływania prędkości wiatru na stężenia
zanieczyszczeń [6]. Dla miejskich kanionów ulicznych, gdzie głównym źródłem
emisji jest transport drogowy, a w których sam opis procesu dyspersji
i zanieczyszczeń znacząco różni się od warunków panujących w otwartej
przestrzeni, wpływ czynników meteorologicznych przybiera inny wymiar
i bywa niekiedy pomijalny [18-22].
Celem niniejszej pracy było określenie wpływu chwilowej prędkości
i kierunku wiatru na wielkość rejestrowanych stężeń zanieczyszczeń na trzech
stacjach monitoringu jakości powietrza eksploatowanych przez Wojewódzki
Inspektorat Ochrony Środowiska (WIOŚ) w Krakowie. Zwrócono uwagę na
odmienny charakter poszczególnych stacji pomiarowych wynikający z ich
lokalizacji (pomiar tła miejskiego, oddziaływania przemysłu i oddziaływania
transportu drogowego). Analizie poddano wyniki pomiarów 1-godzinnych
264
stężeń zanieczyszczeń, zarejestrowanych na analizowanych stacjach w okresie
dwóch ostatnich lat (2014-2015) oraz dostępne wyniki pomiarów wybranych
parametrów meteorologicznych (prędkości i kierunku wiatru), występujących
w analogicznym okresie w rejonie tych stacji.
Znane są również prace oceniające wpływ wybranych parametrów
meteorologicznych na jakość powietrza w innym dużych polskich miastach [9,
17, 24-26]. Podobne analizy były już także prowadzone dla terenu miasta
Krakowa [4, 23], ale dotyczyły one okresu wcześniejszego i nie obejmowały
problematyki kierunku wiatru (w tym tzw. róż napływu zanieczyszczeń).
W pracach tych była zwracana uwaga m.in. na istotną rolę prędkości wiatru
w kształtowaniu stężeń w powietrzu niektórych substancji zanieczyszczających
oraz znaczne zróżnicowanie charakteru związku między stężeniami
zanieczyszczeń a parametrami meteorologicznymi.
2. Charakterystyka stacji pomiarowych
Na terenie Krakowa w latach 2014-2015 automatyczne pomiary jakości
powietrza prowadzone były na trzech stacjach należących do WIOŚ [27, 28].
W zależności od położenia różniły się one częściowo rodzajem mierzonych
zanieczyszczeń i typem stacji. Były to:
 stacja komunikacyjna przy al. Krasińskiego (kanion uliczny),
 stacja przy ul. Bulwarowej w Nowej Hucie (mierząca oddziaływanie
przemysłu),
 stacja tła miejskiego przy ul. Bujaka (os. Kurdwanów).
W tabeli 1 przedstawiono rodzaje zanieczyszczeń mierzonych w sposób
automatyczny na poszczególnych stacjach w okresie objętym analizą.
Tabela 1 Pomiary automatyczne stężeń zanieczyszczeń realizowane na stacjach monitoringu
powietrza WIOŚ w Krakowie w latach 2014-2015 (opracowanie własne na podstawie [27])
Pomiary automatyczne realizowane na stacjach
Rodzaj zanieczyszczenia
Al. Krasińskiego
Nowa Huta
Kurdwanów
Pył zawieszony PM10
x
x
x
Pył zawieszony PM2,5
x
x
x
Tlenki azotu (NOx)
x
x
x
Dwutlenek azotu (NO2)
x
x
x
Dwutlenek siarki (SO2)
x1)
x
x
Tlenek węgla (CO)
x
x
Ozon (O3)
x
Benzen (C6H6)
x
„x” – zanieczyszczenia mierzone, „-” – zanieczyszczenia niemierzone w sposób automatyczny
1)
pomiary realizowane tylko do końca roku 2014
265
Równocześnie z pomiarami substancji zanieczyszczających powietrze, na
dwóch z tych stacji (stacji Nowa Huta i stacji Kurdwanów) prowadzone były
pomiary podstawowych parametrów meteorologicznych, w tym prędkości oraz
kierunku wiatru (rys. 1). Z uwagi na brak tych danych dla stacji przy al.
Krasińskiego na potrzeby analizy wykorzystano dane o 1-godzinnej średniej
prędkości i kierunku wiatru zarejestrowanych na dachu budynku Wydziału
Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH w Krakowie przy ul. Reymonta [29].
Rys. 1. Lokalizacja stacji monitoringu jakości powietrza WIOŚ w Krakowie oraz stacji
mierzących wykorzystane w pracy parametry meteorologiczne
3. Wpływ prędkości wiatru na jakość powietrza
W przypadku większości analizowanych zanieczyszczeń zależność
względem prędkości wiatru nie przyjmuje postaci liniowej. Jednakże,
szczególnie w sezonie grzewczym, widoczna jest wykładnicza tendencja spadku
stężeń substancji wraz ze wzrostem prędkości wiatru (rys. 2). Z tego względu
siła korelacji dla badanych parametrów została określona przy wykorzystaniu
nieparametrycznego współczynnika korelacji (r) porządku rang Spearmana (na
poziomie istotności p < 0,05), z uwzględnieniem różnic w sezonie grzewczym
i pozagrzewczym. Współczynniki te, otrzymane dla poszczególnych stacji
pomiarowych, zestawiono w tabelach 1-3. Jednocześnie dla niektórych
substancji i stacji, np. dla PM10 i SO2 mierzonych na stacji tła miejskiego (os.
Kurdwanów), zauważalny był ponowny wzrost stężeń zanieczyszczeń przy
prędkości wiatru powyżej 4 ms-1, co niekiedy implikowało dodatni charakter
zależności między tymi parametrami. Potencjalną przyczyną tego zjawiska
może być napływ zanieczyszczeń z dalszych odległości od stacji przy
większych prędkościach wiatru.
266
Rys. 2. Wykresy rozrzutu stężeń 1-godzinnych PM10 w powietrzu zagregowane względem
prędkości wiatru dla sezonu grzewczego (I – III i X – XII) w okresie 2014-2015:
a) stacja przy al. Krasińskiego, b) stacja Nowa Huta, c) stacja Kurdwanów
Analizując przedstawione w tabelach 2-3 wartości współczynników
korelacji można stwierdzić, że stężenie większości substancji maleje wraz ze
wzrostem prędkości wiatru (r < 0). Wyraźnym wyjątkiem jest stężenie ozonu
mierzone na stacji tła miejskiego na os. Kurdwanów, dla którego korelacja
względem prędkości wiatru jest umiarkowanie dodatnia. Powodem tego może
być intensywniejszy napływ prekursorów ozonu przy wysokich prędkościach
267
2015
2014
2015
2014
2015
2014
wiatru,
które
warunkują
tworzenie
się
tego
zanieczyszczenia
w powietrzu. Z kolei w przypadku stężenia SO2 dodatnia wartość
współczynnika korelacji, otrzymana dla stacji Nowa Huta, wydaje się być
spowodowana napływem tego zanieczyszczenia z innych rejonów Krakowa
i gmin ościennych o gęstej zabudowie jednorodzinnej, a także przyspieszonym
jego transportem z bardziej odległych, przemysłowych źródeł emisji.
Tabela 2 Współczynniki korelacji porządku rang Spearmana (r) dla 1-godzinnych stężeń
zanieczyszczeń mierzonych na stacji przy al. Krasińskiego względem prędkości wiatru
Okres/substancja
PM10
PM2,5
NOx
NO2
SO2
CO
Rok
-0,363
-0,389
-0,268
-0,075
0,059
-0,412
Sezon grzewczy
-0,661
-0,662
-0,451
0,095
-0,124
-0,602
Sezon pozagrzewczy
-0,218
-0,302
-0,056
-0,249
0,249
-0,289
Rok
-0,494
-0,530
-0,287
-0,116
-0,452
Sezon grzewczy
-0,649
-0,681
-0,422
-0,216
-0,656
Sezon pozagrzewczy
-0,464
-0,535
-0,134
-0,354
Tabela 3 Współczynniki korelacji porządku rang Spearmana (r) dla 1-godzinnych stężeń
zanieczyszczeń mierzonych na stacji Nowa Huta względem prędkości wiatru
Okres/substancja
PM10 PM2,5
NOx
NO2
SO2
CO
C6H6
Rok
-0,351 -0,338 -0,448 -0,264 0,213 -0,447 -0,295
Sezon grzewczy
-0,647 -0,635 -0,609 -0,362 0,037 -0,654 -0,474
Sezon pozagrzewczy
-0,293 -0,321 -0,346 -0,215 0,361 -0,380 -0,245
Rok
-0,477 -0,475 -0,441 -0,277 0,242 -0,472 -0,465
Sezon grzewczy
-0,607 -0,624 -0,541 -0,309 0,221 -0,632 -0,597
Sezon pozagrzewczy
-0,358 -0,430 -0,298 -0,249 0,262 -0,343 -0,432
Tabela 4 Współczynniki korelacji porządku rang Spearmana (r) dla 1-godzinnych stężeń
zanieczyszczeń mierzonych na stacji Kurdwanów względem prędkości wiatru
Okres/substancja
PM10
PM2,5
NOx
NO2
SO2
O3
Rok
-0,329
-0,311
-0,685
-0,623
-0,185
0,551
Sezon grzewczy
-0,553
-0,521
-0,716
-0,628
-0,404
0,457
Sezon pozagrzewczy
-0,293
-0,308
-0,721
-0,665
-0,155
0,676
Rok
-0,351
-0,397
-0,653
-0,611
-0,120
0,554
Sezon grzewczy
-0,592
-0,593
-0,741
-0,644
-0,464
0,680
Sezon pozagrzewczy
-0,336
-0,444
-0,685
-0,662
-0,043
0,642
Najsilniejszą odwrotną zależnością, szczególnie w sezonie grzewczym,
charakteryzują się substancje, których istotnym źródłem są procesy spalania
w paleniskach domowych i pojazdy samochodowe, tj. PM10, PM2,5 i CO. Dla
tych substancji współczynnik korelacji w okresie grzewczym osiąga wartość
|r| > 0,6 (oprócz stacji tła miejskiego, tutaj |r| > 0,5). Wskazuje to na istotną
wagę epizodów o dużej prędkości wiatru na poprawę warunków
aerosanitarnych w aglomeracji krakowskiej podczas miesięcy zimowych.
268
W okresie tym prędkość wiatru wydaje się mieć zasadnicze znaczenie
w kształtowaniu jakości powietrza i biorąc pod uwagę ograniczone możliwości
pionowych ruchów mas powietrza, może w znacznym stopniu decydować
o ewentualnym występowaniu ponadnormatywnych poziomów stężeń pyłu
PM10 i PM2,5 w Krakowie.
Pozytywny wpływ wysokich prędkości wiatru na jakość powietrza
w Krakowie w okresie zimowym jest widoczny nawet podczas pojedynczych,
kilkudniowych epizodów. Przykładowo w grudniu 2014 r. na stacji Nowa Huta
zarejestrowano kilkukrotny spadek stężeń zanieczyszczeń w wyniku
zauważalnego wzrostu prędkości wiatru przekraczającej w porywach 5 ms-1
(rys. 4). Wpływ przewietrzania jest szczególnie zauważalny w przypadku pyłu
zawieszonego PM10, którego stężenie w tych dniach (19-26.12.2014 r.) nie
przekraczało 24-godzinnego poziomu dopuszczalnego równego 50 µgm-3.
Rys. 3. Zmienność 1-godzinnych stężeń PM10 i NO2 zarejestrowanych na stacji Nowa Huta
podczas wzrostu prędkości wiatru (14.12.2014 – 22.12.2014)
Z kolei w sezonie pozagrzewczym (a w szczególności w okresie letnim),
stężenia pyłu zawieszonego (PM10 i PM2,5) oraz takich substancji gazowych
jak NOx (NO+NO2), CO i C6H6, nie są już tak silnie skorelowane z prędkością
wiatru, jak w sezonie grzewczym (okresie zimowym). Z jednej strony może to
wynikać z mniejszych różnic pomiędzy zanieczyszczeniem powietrza na terenie
miasta Krakowa i poza nim skutkujących mniejszym znaczeniem procesu
przewietrzania (efektu rozcieńczania), a z drugiej strony może wskazywać na
zwiększenie roli innych parametrów meteorologicznych kształtujących jakość
powietrza (w tym zmienności wysokości warstwy mieszania) i zachodzących
w okresie letnim bardziej intensywnych przemian chemicznych zanieczyszczeń
gazowych.
Warto także zauważyć, że zależność stężeń NO2 dla stacji komunikacyjnej
na al. Krasińskiego względem prędkości wiatru jest zauważalnie mniej znacząca
(|r| < 0,250) niż dla stacji tła miejskiego na os. Kurdwanów (|r| > 0,6). Świadczy
269
to o tym, że w przypadku lokalizacji stacji w kanionie ulicznym i silnego
oddziaływania najbliższych źródeł emisji (pojazdy poruszające się po drodze),
wpływ prędkości wiatru na stężenia zanieczyszczeń jest pomijalnie mały.
Porównywalnie słabą zależnością względem prędkości wiatru w roku 2014
odznaczają się stężenia SO2 rejestrowane na tej stacji, co obok niskich wartości
mierzonych stężeń uzasadnia rezygnację z kontynuacji pomiarów tej substancji
od roku 2015. Należy przy tym pamiętać, że analizy dla tej stacji oparto na
wynikach pomiarów prędkości wiatru pochodzących z innej lokalizacji (ze
stacji meteorologicznej położonej w rejonie AGH, w odległości ok. 1,3 km
w linii prostej do stacji WIOŚ), a prędkość ta na dnie kanionu ulicznego może
być nawet o 30% niższa w stosunku do pomiarów na stacjach podmiejskich
[20].
4. Wpływ kierunku wiatru na jakość powietrza
Charakter zależności kierunku wiatru i rejestrowanego stężenia
zanieczyszczeń nie przybiera zazwyczaj postaci pozwalającej się opisać za
pomocą podstawowej funkcji matematycznej. Z tego powodu w niniejszej pracy
podjęto próbę zidentyfikowania na podstawie analizy tzw. róż napływu
zanieczyszczeń (średnich stężeń zanieczyszczeń występujących dla
poszczególnych kierunków wiatru) dominujących kierunków i potencjalnych
źródeł pochodzenia substancji mierzonych na wybranych stacjach monitoringu
jakości powietrza w Krakowie. Ze względu na brak reprezentatywnych w tym
zakresie danych meteorologicznych dla stacji komunikacyjnej na al.
Krasińskiego, podczas analizy ograniczono się do stacji „przemysłowej” Nowa
Huta oraz stacji tła miejskiego na os. Kurdwanów. Róże wiatrów dla tych stacji
sporządzone w oparciu o dane z okresu dwóch lat (2014-2015) z podziałem na
sezon grzewczy sezon grzewczy (X – III) oraz pozagrzewczy (IV – IX)
przedstawiono na rys. 4, natomiast róże napływu zanieczyszczeń – na rys. 5. Do
ich sporządzenia wykorzystano funkcje pakietu openair [30] dedykowanego dla
środowiska programistycznego R [31].
Róże wiatrów sporządzone dla stacji Nowa Huta (rys. 4a) wskazują na
dominującą dla tej stacji rolę wiatru z kierunku zachodniego i to niezależnie od
sezonu. Należy dodać, że minimalny udział wiatrów z kierunku południowego
na tej stacji po części wynika z jej specyficznej lokalizacji – w odległości ok.
10 m od dosyć dużego jednopiętrowego, nieogrzewanego budynku położonego
po jej stronie południowej. Z kolei w przypadku stacji Kurdwanów (rys. 4b)
można zidentyfikować dwa główne kierunki wiatru: południowo-zachodni oraz
– lepiej widoczny w sezonie grzewczym – północno-wschodni.
270
Rys. 4. Sezonowe róże wiatrów występujące w latach 2014-2015 na stacjach monitoringu jakości
powietrza WIOŚ w Krakowie: a) stacja Nowa Huta, b) stacja Kurdwanów
Analizując charakter róż napływu zanieczyszczeń dla stacji Nowa Huta (rys.
5a), można wskazać w sezonie grzewczym istotny wpływ źródeł emisji PM10
i CO położonych na północny-zachód i południowy wschód od tej stacji (a więc
prawdopodobnie palenisk domowych). W przypadku SO2 na ten wpływ nakłada
się jeszcze oddziaływanie emisji tej substancji ze źródeł przemysłowych
znajdujących się po stronie wschodniej i północno-wschodniej (m.in.
ArcelorMittal Poland S.A. Oddział w Krakowie [32]) oraz południowozachodniej (elektrociepłownia EDF Polska Oddział I w Krakowie [33])
w stosunku do tej stacji. Oddziaływanie to jest całoroczne, o czym świadczy
róża napływu SO2 w sezonie pozagrzewczym. W sezonie tym obserwuje się
pewien wzrost stężeń PM10 i CO rejestrowanych na tej stacji przy wietrze
wiejącym z kierunku wschodniego i północno-wschodniego (z rejonu
ArcelorMittal Poland S.A. Oddział w Krakowie i innych zakładów
zlokalizowanych w tamtym sektorze [34]). Na stężenia PM10 i CO oraz
dodatkowo NO2 istotny wpływ w sezonie pozagrzewczym wydaje się mieć
także transport drogowy związany z pobliskimi ruchliwymi ulicami, w tym ul.
Bulwarowa (oddziaływująca przy wiatrach zachodnich i północno-zachodnich)
oraz odcinki al. Jana Pawła II, ul. Ptaszyckiego i ul. Klasztornej położone
271
w pobliżu skrzyżowania z ul. Bulwarową (oddziałujące przy wiatrach
południowych,
południowo-zachodnich
i
południowo-wschodnich).
W przypadku stężeń NO2 mierzonych na tej stacji przy wietrze wiejącym
z kierunku południowo-wschodniego docelowo może być także bardziej
zauważalny wpływ nowo wybudowanego Zakładu Termicznego Przekształcania
Odpadów Komunalnych w Krakowie, zlokalizowanego przy ul. Giedroycia [35,
36]. Zakład ten pod koniec roku 2015 rozpoczął fazę prób i testów
poprzedzających jego uruchomienie.
Rys. 5. Sezonowe róże napływu zanieczyszczeń otrzymane dla lat 2014-2015 na stacjach
monitoringu jakości powietrza WIOŚ w Krakowie: a) stacja Nowa Huta, b) stacja Kurdwanów
(linia czarna – średnie stężenie z danego kierunku wiatru, linia szara – percentyl 95%)
W przypadku stacji Kurdwanów (rys. 5b) w sezonie grzewczym
odzwierciedla się wpływ dodatkowych źródeł emisji pyłu PM10 i SO2 (głównie
272
palenisk domowych) zlokalizowanych na północny zachód i południowy
wschód od tej stacji. Róże napływu NO2 w obydwu rozpatrywanych sezonach
są tutaj podobne, co świadczy o tym, że są one kształtowane głównie przez
całoroczne źródła emisji, czyli transport drogowy i źródła przemysłowe (w tym
przypadku głównie EDF Polska Oddział I w Krakowie i Elektrownia Skawina
S.A. w Skawinie [33]). Ww. źródła decydują także o poziomie mierzonych na
tej stacji stężeń zanieczyszczeń pierwotnych w sezonie pozagrzewczym.
W przypadku ozonu większe stężenia występują oczywiście w okresie letnim
(w związku z wyższą temperaturą i nasłonecznieniem), zwłaszcza przy wiatrach
wiejących z kierunku wschodniego i w nieco mniejszym stopniu – z kierunku
południowo-wschodniego, północno-wschodniego, północno-zachodniego
i zachodniego.
5. Podsumowanie
W pracy przedstawiono wyniki analizy korelacji zmienności przestrzennoczasowej wybranych zanieczyszczeń powietrza względem chwilowej prędkości
oraz kierunku wiatru rejestrowanych na wybranych stacjach pomiarowych
w Krakowie w latach 2014-2015. Bez względu na lokalizację stacji, większość
analizowanych substancji (PM10, PM2,5, NOx, NO2, CO, C6H6) charakteryzuje
się ujemną wartością współczynnika korelacji względem prędkości wiatru, co
potwierdza dyspersyjne właściwości tego parametru. Siła tej zależności jest
większa w sezonie grzewczym (osiągając |r| > 0,6) i świadczy o stosunkowo
dobrym stopniu skorelowania obserwacji. W przypadku zanieczyszczeń
wtórnych oraz substancji, których potencjalne źródło jest położone w dalszej
odległości od stacji, większa prędkość wiatru może przyczyniać się do
pogorszenia jakości powietrza.
W przypadku rejonu miasta Krakowa, kierunki napływu substancji
zanieczyszczających często nie znajdują odzwierciedlenia w dominujących
kierunkach wiatru dla stacji pomiarowych. Może być to spowodowane bliskim
sąsiedztwem źródeł emisji (palenisk komunalnych, dróg i lokalnego przemysłu),
których zintensyfikowane oddziaływanie jest widoczne szczególnie w sezonie
grzewczym [4, 23, 37].
Na podstawie przeprowadzonej analizy można stwierdzić, że zmienność
stężeń zanieczyszczeń może być tłumaczona, do pewnego stopnia, wahaniem
chwilowej prędkości i kierunku wiatru. Jednakże, na terenach miast o gęstej
zabudowie, a szczególnie w kanionach ulicznych, wpływ tych warunków
meteorologicznych jest ograniczony [20, 22]. W lokalizacjach tych inne
czynniki, w tym natężenie ruchu pojazdów i lokalne turbulencje powietrza,
kształtują w sposób istotny jakość powietrza, zwłaszcza w odniesieniu do
zanieczyszczeń pochodzących ze źródeł mobilnych [38, 39]. Jednocześnie
273
należy pamiętać, że aby w pełni zrozumieć wpływ uwarunkowań
meteorologicznych na poziomy stężeń zanieczyszczeń, należy rozważyć także
zmienność innych czynników, w tym wysokości warstwy mieszania,
temperatury powietrza, wielkości opadu atmosferycznego, wilgotności czy
nasłonecznienia [5, 13, 15, 21, 40]. Biorąc pod uwagę wyniki analiz
przeprowadzonych w niniejszej pracy, na stan zanieczyszczenia powietrza
występujący w danym punkcie i okresie roku, szczególnie istotne znaczenie
może mieć także (oprócz prędkości i kierunku wiatru) zmienność wysokości
warstwy mieszania, zwłaszcza w sezonie pozagrzewczym. Wymaga to realizacji
dalszych badań wykorzystujących metody pomiarowe lub obliczeniowe.
Praca została wykonana w ramach badań statutowych AGH nr 11.11.150.008.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
Zwoździak J., Zwoździak A., Szczurek A.: Meteorologia w ochronie atmosfery, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1998.
Mazur M.: Systemy ochrony powietrza, Wyd. AGH, Kraków, 2004.
Juda-Rezler K.: Oddziaływanie zanieczyszczeń powietrza na środowisko, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2006.
Oleniacz R., Bogacki M., Rzeszutek M., Kot A.: Meteorologiczne determinanty jakości
powietrza w Krakowie, [w:] Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 2 (red. J.
Konieczyński), Wyd. IPIŚ PAN w Zabrzu, Zabrze, 2014, ss. 163-178.
US EPA Assessment of the Impacts of Global Change on Regional U.S. Air Quality: A
synthesis of climate change impacts on ground-level ozone, Washington, DC, 2009.
Kim K.H., Lee S.-B., Woo D., Bae G.-N.: Influence of wind direction and speed on the
transport of particle-bound PAHs in a roadway environment, Atmospheric Pollution
Research, 6(6), 2015, ss. 1024-1034.
Akpinar S., Oztop H.F., Akpinar E.K.: Evaluation of relationship between meteorological
parameters and air pollutant concentrations during winter season in Elaziǧ, Turkey,
Environmental Monitoring and Assessment, 146(1-3), 2008, ss. 211-224.
Raman R.S., Kumar S.: First measurements of ambient aerosol over an ecologically
sensitive zone in Central India: Relationships between PM2.5 mass, its optical properties,
and meteorology, Science of The Total Environment, 550, 2016, ss. 706-716.
Żyromski A., Biniak-Pieróg M., Burszta-Adamiak E., Zamiar Z.: Evaluation of relationship
between air pollutant concentration and meteorological elements in winter months, Journal
of Water and Land Development, 22(1), 2014, ss. 25-32.
Nkemdirim L.C.: The Role of Wind Velocity and Mixing Depth in the Distribution of
Urban Air Pollution Hazard in Calgary, Alberta, Canada, GeoJournal, 8(3), 1984, ss. 197200.
Falkowska L., Korzeniewski K.: Chemia atmosfery, Wyd. Uniwersytetu Gdańskiego,
Gdańsk, 1998.
Bogacki M.: Wpływ sposobu zagospodarowania terenu na potencjał oksydacyjny
powietrza, Inżynieria Środowiska, 8(2), 2003, ss. 135-147.
Ocak S., Turalioglu F.: Effect of Meteorology on the Atmospheric Concentrations of
Traffic-Related Pollutants in Erzurum, Turkey, J. Int. Environmental Application &
Science, 3(5), 2008, ss. 325-335.
274
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
[33]
Gorai A.K., Tuluri F., Tchounwou P.B., Ambinakudige S.: Influence of local meteorology
and NO2 conditions on ground-level ozone concentrations in the eastern part of Texas,
USA, Air Quality, Atmosphere & Health, 8(1), 2014, ss. 81-96.
Elminir H.K.: Dependence of urban air pollutants on meteorology, Science of the Total
Environment, 350(1), 2005, ss. 225-237.
Olcese L.E., Toselli B.M.: Effects of meteorology and land use on ambient measurements
of primary pollutants in Cordoba city, Argentina, Meteorology and Atmospheric Physics,
62(3-4), 1997, ss. 241-248.
Czarnecka M., Nidzgorska-Lencewicz J.: Impact of weather conditions on winter and
summer air quality, International Agrophysics, 25(1), 2011, ss. 7-12.
Lo K.W., Ngan K.: Characterising the pollutant ventilation characteristics of street canyons
using the tracer age and age spectrum, Atmospheric Environment, 122, 2015, ss. 611-621.
Kwak K.-H., Lee S.-H., Seo J.M., Park S.-B., Baik J.-J.: Relationship between rooftop and
on-road concentrations of traffic-related pollutants in a busy street canyon: Ambient wind
effects, Environmental Pollution, 208(A), 2016, ss. 185-197.
Weber S., Kordowski K., Kuttler W.: Variability of particle number concentration and
particle size dynamics in an urban street canyon under different meteorological conditions,
Science of the Total Environment, 449, 2013, ss. 102-114.
Wagner P., Schäfer K.: Influence of mixing layer height on air pollutant concentrations in
anurban street canyon, Urban Climate, 2015, doi: 10.1016/j.uclim.2015.11.001.
Isyumov D., Helliwell N., Rosen S., Lai S.: Winds in Cities: Effects on Pedestrians and the
Dispersion of Ground Level Pollutants, [w:] Wind Climate in Cities (ed. J.E. Cermak, A.G.
Davenport, E.J. Plate, D.X. Viegas), Springer, 1995, ss. 319-335.
Ćwiek K., Majewski G.: Wpływ elementów meteorologicznych na kształtowanie się stężeń
zanieczyszczeń powietrza na przykładzie Krakowa, Przegląd Naukowy – Inżynieria i
Kształtowanie Środowiska, 67, 2015, ss. 54-66.
Drzeniecka A., Pereyma J., Pyka J.L., Szczurek A.: Wpływ warunków meteorologicznych
na stężenie zanieczyszczeń powietrza w śródmieściu Wrocławia, Chemia i Inżynieria
Ekologiczna, 7(8-9), 2000, ss. 865-882.
Majewski G.: Zanieczyszczenie powietrza pyłem zawieszonym PM10 na Ursynowie i jego
związek z warunkami meteorologicznymi, Przegląd Naukowy – Inżynieria i Kształtowanie
Środowiska, 1(31), 2005, ss. 210-223.
Czarnecka M., Nidzgorska-Lencewicz J.: Warunki meteorologiczne kształtujące jakość
powietrza w styczniu i w lipcu 2006 roku w Szczecinie, Acta Agrophysica 12(1), 2008, ss.
55-72.
Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Krakowie: System monitoring jakości
powietrza, http://monitoring.krakow.pios.gov.pl/.
Główny Inspektorat Ochrony Środowiska w Warszawie: Bank danych pomiarowych,
http://powietrze.gios.gov.pl/pjp/archives/.
Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH w Krakowie, Zespół Fizyki Środowiska:
Serwis METEO, http://meteo.ftj.agh.edu.pl/meteo/.
Carslaw D.C., Ropkins K.: Openair – an R package for air quality data analysis,
Environmental Modelling & Software, 27, 2012, ss. 52-61.
R: A language and environment for statistical computing, R Foundation for Statistical
Computing, Vienna, 2014, http://www.R-project.org/ (dostęp: 31.01.2016).
Mazur M., Oleniacz R., Bogacki M., Szczygłowski P.: Ocena wpływu ArcelorMittal
Poland S.A. Oddział w Krakowie na jakość powietrza, [w:] Ochrona powietrza w teorii i
praktyce. Tom 2 (red. J. Konieczyński), Wyd. IPIŚ PAN w Zabrzu, Zabrze, 2008, ss. 8796.
Apostoł M., Bąkowski A., Chronowska-Przywara K., Kot M., Monieta J., Oleniacz R.,
Radziszewski L., Rzeszutek M., Słoboda M.: Wybrane zagadnienia inżynierii
275
[34]
[35]
[36]
[37]
[38]
[39]
[40]
mechanicznej, materiałowej i środowiskowej (red. S. Flaga), Wyd. Katedra Automatyzacji
Procesów, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Kraków, 2015.
Mazur M., Oleniacz R., Bogacki M.: Analiza możliwości likwidacji stref ochronnych
wokół wybranych zakładów przemysłu hutniczego i koksochemicznego, Inżynieria
Środowiska, 5(1), 2000, ss. 59-84.
Rzeszutek M., Oleniacz R.: Ocena wpływu nowo budowanej spalarni odpadów
komunalnych w Krakowie na jakość powietrza z wykorzystaniem modelu
CALMET/CALPUFF, [w:] Inżynieria i ochrona powietrza (red. J. Kuropka, A. MusialikPiotrowska), Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2014, ss. 352-361.
Rzeszutek M., Oleniacz R.: Zastosowanie systemu modeli CALMET/CALPUFF o
wysokiej rozdzielczości do oceny wpływu na jakość powietrza spalarni odpadów
komunalnych w Krakowie, Inżynieria i Ochrona Środowiska, 18(1), 2015, ss. 5-22.
Rawicki K.: Variability of particulate matter concentrations in Poland in the winter
2012/2013, Folia Pomeranae Universitatis Technologiae Stetinensis. Agricultura,
Alimentaria, Piscaria et Zootechnica, 31, 2014, ss. 143-151.
Kim Y., Guldmann J.M.: Impact of traffic flows and wind directions on air pollution
concentrations in Seoul, Korea, Atmospheric Environment, 45(16), 2011, ss. 2803-2810.
Perez-Martinez P.J., Miranda R.M.: Temporal distribution of air quality related to
meteorology and road traffic in Madrid, Environ. Environmental Monitoring and
Assessment, 187(4), 2015, ss. 1-16.
Olofson K.F.G., Andersson P.U., Hallquist M., Ljungström E., Tang L., Chen D.,
Pettersson, J.B.C.: Urban aerosol evolution and particle formation during wintertime
temperature inversions, Atmospheric Environment, 43(2), 2009, ss. 340-346.
INFLUENCE OF WIND SPEED AND DIRECTION ON
AIR QUALITY IN KRAKOW
Summary: The paper discusses the role of wind speed and direction in shaping the levels of
pollutant concentrations in the air in Krakow. For this purpose, the hourly averaged measurements
of meteorological parameters and concentrations of selected air pollutants (PM10, PM2,5, NO x,
NO2, SO2, CO, O3, and C6H6) derived from the period of 2014-2015 and recorded within the area
of Krakow city were used, with the differentiation associated with the type and location of
measuring stations. Impact assessment of the meteorological parameters on air pollutant
concentrations was determined with a nonparametric Spearman’s rank correlation coefficient
values and on the basis of the analysis of the flow directions of considered pollutants. Additional
attention was drawn to the episodes of excessive concentrations in the air (in particular for PM10
levels) and to the impact of wind speed and direction on the occurrence of those episodes and on
the improvement of aerosanitary conditions in the city of Krakow.
Key words: air pollution, pollutant inflow, city ventilation, meteorological parameters
276