Treść artykułu

WODA-ŚRODOWISKO-OBSZARY WIEJSKIE
WATER-ENVIRONMENT-RURAL AREAS
www.imuz.edu.pl
2005: t. 5 z. specj. (14)
s. 93–106
© Instytut Melioracji i Użytków Zielonych w Falentach, 2005
ZMIENNOŚĆ STĘŻENIA DITLENKU SIARKI
I DITLENKU AZOTU NA POMORZU
W ZALEŻNOŚCI
OD WARUNKÓW METEOROLOGICZNYCH
Małgorzata CZARNECKA, Robert KALBARCZYK
Akademia Rolnicza w Szczecinie, Katedra Meteorologii i Klimatologii
Słowa kluczowe: elementy meteorologiczne, Pomorze, zanieczyszczenia gazowe
Streszczenie
Celem pracy była ocena zmienności stężenia ditlenku siarki i ditlenku azotu na Pomorzu w zależności od głównych elementów meteorologicznych. Zależność tę opisano za pomocą analizy korelacji oraz regresji pojedynczej i wielokrotnej, stosując program STATISTICA 6. W pracy uwzględniono dobowe wyniki stężenia SO2 i NO2 z dziesięciu stacji pomiarowych oraz wartości elementów
meteorologicznych z lat 1993–2002 ze stacji meteorologicznych IMGW, położonych najbliżej stacji
imisyjnych. Stwierdzono, że na stężenie ditlenku siarki oddziałuje głównie temperatura powietrza
oraz liczba dni z opadem dobowym ≥0,5 mm, natomiast na stężenie ditlenku azotu – prędkość wiatru,
liczba dni z opadem ≥0,5 mm oraz usłonecznienie rzeczywiste. Wpływ warunków meteorologicznych
na stężenie SO2 ujawnia się przede wszystkim zimą, podczas gdy na stężenie NO2 – głównie jesienią.
WSTĘP
Ditlenek siarki oraz ditlenek azotu to główne zanieczyszczenia, decydujące
o jakości powietrza na Pomorzu, chociaż ich stężenie jest mniejsze niż w środkowej, a jeszcze bardziej niż w południowej części kraju [KICIŃSKA, 2001a, b] Emisja obu zanieczyszczeń, szczególnie SO2, wykazuje tendencję spadkową [Roczniki..., 1993–2002; SKOTAK i in., 2002], ale zmniejszenie zanieczyszczeń gazowych,
Adres do korespondencji: dr hab. M. Czarnecka, prof. nadzw., Akademia Rolnicza, Katedra Meteorologii i Klimatologii, ul. Papieża Pawła VI nr 3, 71–469 Szczecin; tel. +48 (91) 42-50-277, e-mail:
[email protected]
94
Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 5 z. specj. (14)
w porównaniu z pyłowymi, jest jeszcze nieduże, gdyż wynosi ok. 20% zanieczyszczeń wytworzonych, a na Pomorzu jeszcze znacznie mniej niż w średnio kraju
[CZARNECKA, KALBARCZYK, 2004].
Stężenie zanieczyszczeń zależy od wielkości emisji napływowej i lokalnej, warunków meteorologicznych oraz warunków topograficznych. Według KICIŃSKIEJ
[2001a], w północnej części Polski zwiększenie stężenia ditlenku siarki następuje
głównie w warunkach adwekcji mas powietrza z sektora południowo-wschodniego,
natomiast jego zmniejszenie, gdy napływa powietrze z północnego zachodu. Rola
warunków meteorologicznych jest złożona, gdyż mogą one stanowić zarówno
główny czynnik naturalnej wentylacji atmosfery, jak i czynnik transportu zanieczyszczeń nawet z odległych źródeł emisji [BIL, 2001; NIEDŹWIEDŹ, USTRUL,
1989; SKRZYPSKI, 1998]. Z tych względów określenie zależności stężenia zanieczyszczeń od elementów meteorologicznych, zdaniem autorów Wykorzystania ...
[2000] niezbędnym uzupełnieniem oceny sytuacji imisyjnej, stanowi przedmiot
wielu analiz, na ogół o charakterze lokalnym [DRZENIECKA i in., 1999; KLENIEWSKA, 2001; NOWICKA i in., 2004; ROZBICKA, 2004].
Celem niniejszej pracy jest próba oceny stężenia ditlenku siarki i ditlenku azotu
od głównych elementów meteorologicznych standardowo mierzonych w ramach
sieci stacji IMGW na terenie Pomorza z uwzględnieniem ich zmienności czasowej
w czterech kalendarzowych porach roku.
MATERIAŁ I METODY BADAŃ
Podstawę opracowania stanowiły średnie dobowe wartości stężenia ditlenku
siarki oraz ditlenku azotu, uzyskane w wyniku pomiarów wykonywanych przez
Inspekcję Ochrony Środowiska w ramach Państwowego Monitoringu Środowiska.
Uwzględniono wyniki z lat 1993–2002 z dziesięciu stacji pomiarowych, z których
dziewięć znajduje się w miastach, a tylko jedna (w Łebie) – poza miastem. Spośród
elementów meteorologicznych uwzględniono temperaturę powietrza, usłonecznienie rzeczywiste, sumę opadów, liczbę dni z opadem ≥0,5 mm oraz prędkość wiatru,
zebrane ze stacji IMGW, położonych najbliżej stacji imisyjnych. Dane dotyczące
emisji obu zanieczyszczeń, obejmujące wyłącznie wyniki z zakładów szczególnie
uciążliwych dla środowiska, pochodziły z Roczników ... [1993–2002].
We wszystkich przeprowadzonych w pracy analizach uwzględniono wartości
dekadowe. Dlatego też zbiory danych wyjściowych z dziesięciu lat, dla każdej
stacji, liczyły 30, 90 i 360 elementów, odpowiednio dla: miesięcy, pór kalendarzowych i roku. Do oceny średniego rocznego stężenia ditlenku siarki i ditlenku azotu
wykorzystano obowiązującą normę z 2002 r. [Rozporządzenie ..., 2002].
Wpływ warunków meteorologicznych na stężenie analizowanych zanieczyszczeń określono za pomocą analizy regresji oraz korelacji pojedynczej i wielokrotnej, na poziomach istotności: α = 0,1, α = 0,05 i α = 0,01. Wieloletnią zmienność
M. Czarnecka, R. Kalbarczyk: Zmienność stężenia ditlenku siarki ...
95
stężenia zanieczyszczeń określono także za pomocą współczynnika zmienności
losowej (w %), będącego ilorazem wartości średniej i odchylenia standardowego.
WYNIKI BADAŃ
Największe zanieczyszczenie powietrza ditlenkiem siarki i ditlenkiem azotu
występuje w rejonach dużych aglomeracji miejsko-przemysłowych, szczególnie
Gdyni i Gdańska (rys. 1). Stężenie NO2 jest wyraźnie większe niż SO2, średnie
roczne na ogół dwukrotnie, a sezonowe często nawet pięciokrotnie. Najmniejsze
i najmniej zróżnicowane sezonowo stężenie obu zanieczyszczeń stwierdzono
w rejonie pozamiejskiej stacji w Łebie. Średnie roczne stężenie ditlenku siarki na
Pomorzu wynosi od 4 do 12 μg·m–3, a ditlenku azotu – od 5 do 25 μg·m–3, czyli
stanowi odpowiednio od ok. 13 do 40% oraz od 13 do 63% aktualnie obowiązującej dopuszczalnej wartości rocznej [Rozporządzenie ..., 2002]. Wyraźniejszą strukturę sezonową przejawia stężenie SO2. W czasie kalendarzowej zimy (XII–II) imisja tego gazu jest bowiem co najmniej dwukrotnie, a w dużych miastach – nawet
trzy- i czterokrotnie większa niż latem (VI–VIII). Przeciętnie większe stężenie NO2
również zdarza się zimą, a mniejsze latem, jednak różnice w sezonach są dużo
mniejsze. W okresie zimowym przeciętnie największe stężenie ditlenku azotu,
wynoszące nawet ponad 25 μg·m–3, występuje w Pile.
Dobowe stężenie ditlenku siarki w przeważającej liczbie przypadków wynosi
poniżej 5 μg·m–3 (rys. 2). Udział stężeń w zakresie 5–10 μg·m–3 wykazuje skokowe
zmniejszenie częstości do około 18%, a w zakresie od 10 do 15 μg·m–3 – do ok.
10%. Stężenie występowania drugiego z omawianych gazów najczęściej zmienia
się od 10 do 15 μg·m–3, ale prawie równie często także od 15 do 20 μg·m–3. Ta odmienna struktura dobowych wartości stężenia analizowanych zanieczyszczeń na
Pomorzu jest charakterystyczna dla całego kraju [SKOTAK i in., 2002].
Wieloletnia zmienność stężeń ditlenku siarki jest wyraźnie większa niż ditlenku azotu (tab. 1). Współczynniki zmienności losowej rocznych oraz sezonowych
stężeń NO2 wynoszą na ogół poniżej 50%, podczas gdy SO2 przeważnie co najmniej dwukrotnie więcej. Zdecydowanie największą zmienność stężenia ditlenku
siarki w latach 1993–2002 zanotowano w Gorzowie Wlkp. oraz Elblągu, gdzie
współczynniki zmienności losowej w niektórych porach roku przekraczają nawet
200%.
Na podstawie analizy regresji liniowej (tab. 1) można stwierdzić zmniejszenie
stężenia analizowanych zanieczyszczeń gazowych w wielu miastach Pomorza.
Nieco więcej statystycznie istotnych wyników uzyskano w odniesieniu do ditlenku
azotu, ale współczynniki determinacji odnoszące się do ditlenku siarki są z reguły
znacznie większe. Spadkowa tendencja stężenia obu zanieczyszczeń, nie tylko
w skali całego roku, ale także we wszystkich sezonach, występuje w Gorzowie
Wlkp. oraz Koszalinie. W Gorzowie Wlkp. imisja SO2 najbardziej zmniejszyła się
96
Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 5 z. specj. (14)
BYDGOSZCZ
25
20
15
10
5
0
Stężenie, μg m–3 Concentration, μg m–3
XII-II
III-V
VI-VIII
IX-XI
XII-II
III-V
VI-VIII
IX-XI
XII-II
III-V
VI-VIII
IX-XI
I-XII
XII-II
III-V
VI-VIII
IX-XI
I-XII
XII-II
SO2
III-V
VI-VIII
IX-XI
III-V
III-V
27
I-XII
VI-VIII
IX-XI
I-XII
XII-II
VI-VIII
IX-XI
I-XII
IX-XI
I-XII
PIŁA
III-V
VI-VIII
SZCZECIN
25
20
15
10
5
0
I-XII
IX-XI
KOSZALIN
XII-II
25
20
15
10
5
0
SŁUPSK
25
20
15
10
5
0
XII-II
I-XII
VI-VIII
GDYNIA
25
20
15
10
5
0
ŁEBA
25
20
15
10
5
0
III-V
25
20
15
10
5
0
GORZÓW WLKP.
25
20
15
10
5
0
XII-II
I-XII
GDAŃSK
25
20
15
10
5
0
ELBLĄG
25
20
15
10
5
0
XII-II
III-V
VI-VIII
IX-XI
I-XII
NO2
Rys. 1. Średnie sezonowe oraz roczne stężenie SO2 i NO2 (lata 1993–2002)
Fig. 1. Average seasonal and annual concentrations of sulfur dioxide and nitrogen dioxide (years
1993–2002)
M. Czarnecka, R. Kalbarczyk: Zmienność stężenia ditlenku siarki ...
97
70
60
%
50
40
30
20
10
0
0-5
5-10
10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-45 45-50
μg⋅m–3
SO2
NO2
Rys. 2. Częstość przyjętych zakresów dobowych stężenia SO2 i NO2 na Pomorzu (lata 1993–2002)
Fig. 2. The frequency of adopted 24 hour ranges of sulfur dioxide and nitrogen dioxide concentrations
in Pomerania (years 1993–2002)
zimą, natomiast w Koszalinie – latem. Z kolei bardzo duże zmniejszenie stężenia
NO2 we wszystkich sezonach obserwuje się w Gdyni. Poprawa jakości powietrza
w Szczecinie wynika z malejącej tendencji stężenia tego gazu, a zimą i latem –
także ditlenku siarki.
Przeprowadzono statystyczną analizę zmienności stężenia obu zanieczyszczeń
w zależności od głównych elementów meteorologicznych (tab. 2–4). Więcej statystycznie istotnych wyników stwierdzono w odniesieniu do ditlenku siarki, ale stężenie obu zanieczyszczeń determinowała najczęściej temperatura powietrza,
a w następnej kolejności suma opadów oraz prędkość wiatru; ich oddziaływanie
ujawniło się głównie w półroczu chłodnym. Wzrost temperatury powietrza w czasie zimy, wiosny oraz jesieni jednoznacznie przyczyniał się do zmniejszenia stężenia obu gazów, natomiast powodował zwiększenie ich imisji w czasie lata (tab. 2).
Niekorzystne oddziaływanie wysokiej temperatury powietrza na stężenie charakteryzowanych zanieczyszczeń w okresie kalendarzowego lata potwierdzają także
wyniki odnoszące się do usłonecznienia rzeczywistego. Większe współczynniki
determinacji uzyskane dla ditlenku azotu mogą odzwierciedlać zagrożenie epizodami smogu typu fotochemicznego w warunkach słonecznej pogody wyżowej, gdy
natężenie ruchu komunikacyjnego jest duże.
Dla wszystkich statystycznie istotnych wyników korelacji stężenia analizowanych zanieczyszczeń z warunkami opadowymi uzyskano ujemne znaki, co świadczy o korzystnej roli opadów atmosferycznych w procesach samooczyszczania
atmosfery. Zmienność stężenia ditlenku siarki w ciągu roku oraz w czasie wiosny
częściej wyjaśniały sumy opadów, natomiast w okresie zimy – częściej i lepiej –
SO2
NO2
SO2
NO2
SO2
NO2
SO2
NO2
SO2
NO2
SO2
NO2
SO2
NO2
SO2
NO2
SO2
NO2
SO2
NO2
Rodzaj
zanieczyszczeń
Kind of pollution
Vs
84
27
78
25
57
27
69
46
112
45
74
30
81
44
74
38
79
32
71
44
R2
(–) 25,3***
n.i.
(–) 25,9***
(+) 7,6***
(–) 24,6***
(+) 3,1*
(–) 8,5***
(–) 28,1***
(–) 58,5***
(–) 14,4***
(–) 38,5***
(–) 14,9***
(–) 9,9***
(–) 8,4***
n.i.
(–) 13,6***
(–) 38,2***
n.i.
(–) 19,7***
(–) 19,4***
XII–II
Vs
79
25
136
25
66
30
67
46
166
39
99
35
72
69
78
41
81
24
81
55
III–V
R2
n.i.
n.i.
(–) 31,1***
n.i.
(–) 19,0***
(–) 3,3*
n.i.
(–) 42,6***
(–) 34,6***
(–) 9,0***
(–) 28,2***
(–) 13,0***
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 12,9***
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 12,0***
Vs
69
26
217
26
52
27
83
48
161
34
83
40
54
35
65
34
38
26
131
31
Okres Period
VI–VIII
R2
(–) 21,8***
n.i.
n.i.
(–) 15,1***
n.i.
(–) 7,9***
n.i.
(–) 46,6***
(–) 29,9***
(–) 32,1***
(–) 49,1***
(–) 24,0***
n.i.
(–) 7,2**
(+) 22,3***
(–) 14,7***
n.i.
n.i.
(+) 29,3***
(–) 8,1**
Vs
109
24
191
23
60
30
84
48
191
43
79
34
85
52
67
29
87
43
139
38
R2
(–) 28,5***
n.i.
(–) 5,3**
(–) 8,9***
(–) 7,7***
(–) 12,6***
n.i.
(–) 52,2***
(–) 23,8***
(–) 19,6***
(–) 42,9***
(–) 18,7***
n.i.
n.i.
(+) 6,7**
(–) 5,2**
(–) 10,9***
(–) 7,6**
n.i.
(–) 14,9***
IX–XI
Rok Year
I–XII
Vs
R2
79 (–) 23,9***
25 n.i.
136 (–) 31,1***
25 n.i.
66 (–) 19,0***
30 (–) 3,3*
67 n.i.
46 (–) 42,6***
166 (–) 34,6***
39 (–) 9,0***
99 (–) 28,2***
35 (–) 13,0***
72 n.i.
69 n.i.
78 n.i.
41 (–) 12,9***
81 n.i.
24 n.i.
81 n.i.
55 (–) 12,0***
Explanations: (–) negative trend, (+) positive trend, * significant at α = 0.10, ** significant at α = 0.05, *** significant at α = 0.01, n.i. – non–significant.
Objaśnienia: (–) trend ujemny, (+) trend dodatni, * istotny dla α = 0,10, ** istotny dla α = 0,05, *** istotny dla α = 0,01, n.i. – nieistotny.
Szczecin
Słupsk
Piła
Łeba
Koszalin
Gorzów Wlkp.
Gdynia
Gdańsk
Elbląg
Bydgoszcz
Stacja
Station
Table 1. Variability coefficients Vs (%) and coefficients of determination R2 (%) of the linear regression of sulfur dioxide and nitrogen dioxide concentrations (years 1993–2002)
Tabela. 1. Współczynniki zmienności Vs (%) i współczynniki determinacji R2 (%) trendu liniowego stężenia SO2 i NO2 (lata 1993–002)
(–) 35,4***
(–) 14,8***
(–) 34,2***
(–) 32,6***
(–) 10,2***
(–) 12,7***
(–) 30,0***
(–) 48,7***
(–) 10,9***
n.i.
Bydgoszcz
Elbląg
Gdańsk
Gdynia
Gorzów Wlkp.
Koszalin
Łeba
Piła
Słupsk
Szczecin
(–) 12,0***
(–) 18,9***
(–) 11,9***
(–) 4,7*
n.i.
(–) 5,5**
n.i.
n.i.
(–) 21,9***
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(+) 4,6*
(–) 4,1*
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
NO2
Współczynnik w okresie Coefficients in the period
III–V
VI–VIII
IX–XI
SO2
NO2
SO2
NO2
SO2
NO2
Suma usłonecznienia rzeczywistego, h Duration of solar radiation, h
(–) 7,7*** n.i.
(+) 10,3*** (+) 5,2**
(–) 3,6*
(–) 3,4*
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(+) 4,9**
(–) 12,6*** n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 3,2*
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 5,9**
n.i.
n.i.
(+) 5,3**
(–) 3,4*
(–) 16,9***
n.i.
(–) 3,4*
n.i.
n.i.
(–) 4,4*
(–) 3,9*
(–) 4,2*
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 11,2*** (–) 7,1**
n.i.
(–) 6,6** n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 7,6**
n.i.
n.i.
(+) 18,7***
n.i.
n.i.
Temperatura powietrza, °C Air temperature, °C
(–) 23,2*** n.i.
n.i.
(+) 8,1***
(–) 24,2*** n.i.
(–) 11,0*** (–) 9,7*** n.i.
n.i.
n.i.
(–) 12,5**
(–) 4,7**
(–) 3,5*
(+) 6,7**
(+) 8,8***
(–) 44,2*** n.i.
(–) 10,1*** n.i.
n.i.
n.i.
(–) 21,8*** n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 9,9*** (–) 21,2***
(–) 13,0*** n.i.
n.i.
n.i.
(–) 15,4*** (–) 5,7**
(–) 12,8*** n.i.
n.i.
(+) 16,1***
(–) 28,7*** (–) 40,8***
(–) 17,1*** (–) 6,0** (+) 4,3*
n.i.
(–) 32,2*** (–) 14,5***
(–) 10,2*** (–) 8,8*** n.i.
n.i.
(–) 19,3*** (–) 24,0***
(–) 10,5*** (–) 9,4*** n.i.
(+) 10,9**** (–) 7,2**
n.i.
(–) 23,2***
(–) 11,0***
(–) 4,7**
(–) 10,1***
n.i.
(–) 13,6***
(–) 12,8***
(–) 17,1***
(–) 10,2***
(–) 10,5***
(–) 7,7***
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 5,9**
n.i.
(–) 4,2*
n.i.
(–) 7,6**
n.i.
(–) 9,7***
(–) 3,5*
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 6,0**
(–) 8,9***
(–) 9,4***
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 3,4*
n.i.
(–) 6,6**
n.i.
n.i.
Rok Year
I–XII
SO2
NO2
Objaśnienia: (–) zależność ujemna, (+) zależność dodatnia, inne jak pod tabelą 1. Explanations: (–) negative relationship, (+) positive relationship, other – as in Tab. 1.
(+) 8,8***
n.i.
(+) 4,3**
(+) 6,2**
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
SO2
XII–II
Bydgoszcz
Elbląg
Gdańsk
Gdynia
Gorzów Wlkp.
Koszalin
Łeba
Piła
Słupsk
Szczecin
Stacja
Station
Table 2. Coefficients of determination (%) for the linear relationship between the concentration of sulfur dioxide and nitrogen dioxide and the real solar
radiation and air temperature (years 1993–2002)
Tabela 2. Współczynniki determinacji (%) zależności liniowej między stężeniem SO2 i NO2 a warunkami solarno-termicznymi (lata 1993–2002)
(–) 9,2***
(–) 6,8**
(–) 5,2**
(–) 10,5***
n.i.
(–) 3,8*
(–) 4,4*
(–) 25,0***
n.i.
n.i.
Bydgoszcz
Elbląg
Gdańsk
Gdynia
Gorzów Wlkp.
Koszalin
Łeba
Piła
Słupsk
Szczecin
n.i.
n.i.
(–) 7,2**
(–) 9,7***
n.i.
n.i.
(–) 4,5*
(–) 3,1*
(–) 7,8**
n.i.
n.i.
(–) 5,3**
(–) 6,8**
(–) 9,9***
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 4,1*
n.i.
n.i.
NO2
Współczynnik w okresie Coefficients in the period
III–V
VI–VIII
IX–XI
SO2
NO2
SO2
NO2
SO2
NO2
Suma opadów atmosferycznych, mm Precipitation, mm
n.i.
n.i.
(–) 4,0*
n.i.
(–) 5,9**
n.i.
(–) 6,6**
(–) 5,3**
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 3,5*
(–) 15,1*** n.i.
(–) 3,4*
n.i.
(–) 9,8*** n.i.
(–) 3,6*
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 5,2**
n.i.
(–) 6,8**
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 3,6*
(–) 4,4**
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 9,7*** n.i.
n.i.
n.i.
(–) 11,1*** (–) 11,8***
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 3,2*
(–) 4,2*
(–) 3,5*
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 4,4*
(–) 4,5*
n.i.
Liczba dni z opadem ≥0,5 mm Number of days with precipitation above 0.5 mm
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 4,4**
(–) 8,1*** (–) 6,6**
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 8,1***
(–) 13,8*** (–) 4,4**
(–) 6,5**
n.i.
(–) 7,8*** (–) 3,5*
(–) 4,2*
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 3,4*
(–) 5,7**
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 6,7**
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 7,7**
n.i.
n.i.
(–) 12,9*** (–) 7,7**
(–) 4,2*
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 17,0*** (–) 6,8**
(–) 9,1***
Objaśnienia jak pod tabelą 2. Explanations as in Tab. 2.
(–) 8,0***
(–) 4,9*
(–) 3,8*
(–) 6,7**
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 16,5***
n.i.
n.i.
SO2
XII–II
Bydgoszcz
Elbląg
Gdańsk
Gdynia
Gorzów Wlkp.
Koszalin
Łeba
Piła
Słupsk
Szczecin
Stacja
Station
n.i.
n.i.
(–) 13,8***
(–) 4,2*
n.i.
n.i.
(–) 7,3**
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 10,1***
(–) 6,6***
(–) 15,1***
(–) 3,6*
(–) 6,8**
(–) 4,4**
(–) 9,7***
n.i.
(–) 3,5*
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 4,4**
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 6,7**
n.i.
n.i.
(–) 6,7**
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
Rok Year
I–XII
SO2
NO2
Table 3. Coefficients of determination (%) for the linear relationship between the concentration of sulfur dioxide and nitrogen dioxide and precipitation
(years 1993–2002)
Tabela 3. Współczynniki determinacji (%) zależności liniowej między stężeniem SO2 i NO2 a warunkami opadowymi (lata 1993–2002)
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 9,7***
n.i.
(–) 7,1**
n.i.
n.i.
n.i.
SO2
NO2
(–) 10,6***
(–) 9,3**
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 8,1**
n.i.
n.i.
(–) 6,5*
n.i.
NO2
n.i.
(–) 3,7*
n.i.
(–) 4,3*
(–) 14,1*** (–) 10,6***
n.i.
(–) 11,4***
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 5,6*
(–) 21,8***
(–) 9,7*** n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 22,2***
SO2
Współczynnik w okresie Coefficients in the period
III–V
VI–VIII
Objaśnienia jak pod tabelą 2. Explanations as in Tab. 2.
NO2
(–) 11,7***
(–) 34,1***
n.i.
(–) 13,5***
n.i.
n.i.
(–) 6,9**
n.i.
(–) 22,9***
n.i.
XII–II
SO2
Bydgoszcz
(–) 21,6***
Elbląg
(–) 14,7***
Gdańsk
(–) 10,5***
Gdynia
(–) 23,5***
Gorzów Wlkp. (–) 4,8*
Koszalin
(–) 20,3***
Łeba
(–) 13,5***
Piła
(–) 5,8**
Słupsk
(–) 8,0**
Szczecin
n.i.
Stacja
Station
n.i.
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 7,8**
n.i.
(–) 12,7***
n.i.
n.i.
n.i.
SO2
NO2
n.i.
(–) 4,6*
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 7,2**
(–) 12,1***
(–) 12,3***
n.i.
(–) 9,0**
IX–XI
n.i.
(–) 8,9**
n.i.
n.i.
(–) 27,1***
n.i.
(–) 7,7**
n.i.
n.i.
n.i.
SO2
n.i.
n.i.
n.i.
(–) 4,5*
n.i.
(–) 11,5***
(+) 9,1**
n.i.
n.i.
n.i.
NO2
Rok Year
I–XII
Table 4. Coefficients of determination (%) for the linear relationship between the concentration of sulfur dioxide and nitrogen dioxide and wind
velocity (years 1993–2000)
Tabela 4. Współczynniki determinacji (%) zależności liniowej między stężeniem SO2 i NO2 a prędkością wiatru (lata 1993–2000)
102
Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 5 z. specj. (14)
liczba dni z opadem ≥0,5 mm. Najwięcej statystycznie istotnych współczynników
determinacji zależności stężenia ditlenku azotu od liczby dni z opadem uzyskano
dla okresu jesiennego. O efektywności opadów w usuwaniu zanieczyszczeń gazowych z powietrza decyduje ich częstość, w mniejszym zaś stopniu ich wielkość
(tab. 3).
Korelacja stężenia SO2 i NO2 z prędkością wiatru ujawniła prawie wyłącznie
pozytywną rolę tego elementu, jako podstawowego czynnika naturalnej wentylacji
powietrza (tab. 4). Korzystne oddziaływanie wzrostu prędkości wiatru na kształtowanie wielkości imisji odnosi się do obu zanieczyszczeń. Wpływ prędkości wiatru
na stężenie ditlenku siarki jest jednak największy w okresie zimy, szczególnie
w Koszalinie, Gdyni i Bydgoszczy, natomiast statystycznie istotne zmniejszenie
stężenia ditlenku azotu stwierdzono we wszystkich porach roku.
Analiza regresji wielokrotnej, z wykorzystaniem procedury krokowej, umożliwiła wytypowanie najważniejszych elementów meteorologicznych istotnie kształtujących sezonową i roczną wielkość imisji obu zanieczyszczeń w skali całego
Pomorza (rys. 3). Współczynniki determinacji równań nie są duże. W skali całego
roku wytypowane główne elementy pogody wyjaśniały ok. 25% zmienności stężenia SO2 i jedynie ok. 11% – NO2, a w poszczególnych porach roku od 11 do 25%
w odniesieniu do pierwszego z tych gazów i od 5 do 13% – drugiego. O ile jednak
największy wpływ wytypowanych elementów pogody na stężenie ditlenku siarki
udowodniono w odniesieniu do zimy, to ditlenku azotu w odniesieniu do jesieni.
Tylko w okresie kalendarzowego lata warunki meteorologiczne wywierały większy
wpływ na imisję NO2 niż SO2.
Uzyskane małe wartości współczynnika determinacji nie przesądzają o niewielkiej roli warunków meteorologicznych w dyspersji zanieczyszczeń, ale zapewne wynikają z przyjętego zestawu danych z zakresu warunków pogodowych.
W pracy uwzględniono przede wszystkim wyłącznie wyniki standardowych pomiarów meteorologicznych, wśród których nie było najważniejszych czynników dynamicznych, opisujących dyfuzję zanieczyszczeń w atmosferze, czyli stanów równowagi, a także danych o typach cyrkulacji. Z konieczności analiza oparta była na
dekadowych wartościach korelowanych zmiennych, co w związku z bardzo dużą
zmiennością stanowi znaczne uproszczenie i uniemożliwia ocenę oddziaływania
konkretnych sytuacji pogodowych na koncentrację lub rozpraszanie zanieczyszczeń [BIL, 2001; NIEDŹWIEDŹ, USTRUL, 1989]. Poza tym nie bez znaczenia dla
ścisłości ocenianych związków jest także fakt, że o ile dane dotyczące imisji zebrano w warunkach miejskich, to dane meteorologiczne – w stacjach usytuowanych w terenie otwartym. Z powyższych względów otrzymane wyniki można
uznać za zadowalające, zwłaszcza, że celem opracowania nie było prognozowanie
stężenia zanieczyszczeń.
Procentowy udział wytypowanych elementów meteorologicznych w wyjaśnianiu zmienności charakteryzowanych zanieczyszczeń gazowych na Pomorzu, opisany współczynnikami determinacji cząstkowej (rys. 3), generalnie potwierdza wyni-
103
M. Czarnecka, R. Kalbarczyk: Zmienność stężenia ditlenku siarki ...
XII-II
10
2
12,8
R = 24,7%
Współczynnik determinacji cząstkowej, % Partial determination coefficient, %
5
XII-II
10
R2 = 7,9%
5
0
0
U
T
L
V
III-V
10
2
R = 10,9%
5
U
T
L
V
III-V
10
R 2 = 4,7%
5
0
0
U
T
L
V
VI-VIII
10
U
T
L
V
VI-VIII
10
R 2 = 7,8%
2
R = 11,2%
5
5
0
0
U
T
L
V
IX-XI
10
2
R = 13,6%
5
(+)
U
T
L
V
IX-XI
10
R2 = 13,3%
5
0
0
U
T
L
V
I-XII
10
22,5
R2 = 24,6%
U
5
0
0
T
SO2
L
V
L
V
I-XII
10
5
U
T
R 2 = 11,4%
U
T
L
V
NO2
Rys. 3. Współczynniki determinacji cząstkowej zależności stężenia ditlenku siarki i ditlenku azotu
od głównych elementów meteorologicznych (lata 1993–2000); U – usłonecznienie rzeczywiste,
T – temperatura powietrza, L – liczba dni z opadem ≥ 0,5 mm, V – prędkość wiatru, R2 – współczynnik determinacji kompleksu elementów meteorologicznych
Fig. 3. Partial determination coefficients (%) for the relationship between sulfur dioxide and nitrogen
dioxide concentrations and the main meteorological elements (years 1993–2000); U – actual solar
radiation, T – air temperature, L – the number of days with precipitation ≥0.5 mm, V – wind velocity,
R2 – determination coefficient of the complex of meteorological elements
104
Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 5 z. specj. (14)
ki regresji pojedynczej dla poszczególnych stacji. Zdecydowanie największy udział
w wyjaśnianiu zmienności stężenia ditlenku siarki miała temperatura powietrza, co
wykazało już wielu autorów, a w następnej kolejności – liczba dni z opadem ≥0,5
mm. Stężenie ditlenku azotu warunkowały natomiast przeważnie prędkość wiatru,
usłonecznienie rzeczywiste oraz częstość opadów dobowych ≥0,5 mm, przede
wszystkim jesienią. Ujemne współczynniki regresji świadczą, że zwiększenie wartości niemal wszystkich wytypowanych elementów meteorologicznych przyczyniało się do zmniejszenia stężenia obu zanieczyszczeń. Jedynie wyższa temperatura
powietrza w okresie lata, w skali całego Pomorza, niekorzystnie oddziaływała na
wielkość imisji ditlenku azotu, wywołując zwiększenie stężenia tego gazu. Natomiast usłonecznienie rzeczywiste, którego zwiększenie zimą i latem w kilku stacjach przyczyniło się do zwiększenia stężenia obu zanieczyszczeń, w skali Pomorza odegrało generalnie pozytywną rolę w zmniejszaniu imisji ditlenku azotu,
zwłaszcza jesienią.
Mając na uwadze kształtowanie wielkości imisji zanieczyszczeń nie tylko warunkami meteorologicznymi, ale także wielkością emisji tych zanieczyszczeń, podjęto próbę włączenia tego elementu do zbioru zmiennych, opisujących stężenie
badanych gazów. Ponieważ jedynymi dostępnymi wynikami dotyczącymi emisji są
wartości roczne, w tej części analizy zbiory danych obejmowały po 100 elementów
(10 lat x 10 stacji). Równania regresji wielokrotnej dotyczące obu zanieczyszczeń
mają postać:
ySO2 = 17,159*** + 0,445ESO2*** – 1,462T***
(35,2)
***
yNO2 = 16,969
+ 1,0741ENOx
R2 = 40,4%
(11,6)
***
R2 = 14,3%
(14,3)
W nawiasach, pod zmiennymi objaśniającymi podano wartości współczynnika determinacji cząstkowej w %. Oznaczenia istotności współczynników regresji identyczne jak w tabeli 1.
W tym podejściu statystycznie istotny, zasadniczy wpływ na wielkość stężenia
ditlenku siarki na Pomorzu miała wielkość emisji, natomiast temperatura powietrza
około trzykrotnie mniejszy. Obie zmienne poprawiły opis zmienności stężenia tego
gazu w stosunku do uzyskanego tylko za pomocą warunków meteorologicznych
(współczynnik determinacji wynosi ok. 40%). Wielkość emisji wyczerpuje statystycznie istotny opis zmienności ditlenku azotu – w tym zestawie elementy meteorologiczne okazały się nieistotne, a współczynnik determinacji jest podobny, jak
wówczas, gdy uwzględnia się wyłącznie kompleks elementów meteorologicznych.
Z pewnością na uzyskane wyniki rzutował szacunkowy charakter danych dotyczących emisji oraz ograniczenie się do zakładów szczególnie uciążliwych dla środowiska. Dlatego też wykorzystane materiały GUS lepiej charakteryzowały emisję
SO2, natomiast NO2 w ograniczonym zakresie, gdyż nie uwzględniały emisji z tak
M. Czarnecka, R. Kalbarczyk: Zmienność stężenia ditlenku siarki ...
105
ważnych w mieście powierzchniowych źródeł, jak ulice i małe zakłady przemysłowe. Ponadto GUS podaje jedynie dane dotyczące tlenków azotu ogółem.
WNIOSKI
1. Na Pomorzu największe stężenie głównych zanieczyszczeń gazowych występuje przeciętnie w czasie kalendarzowej zimy (XII–II), a najmniejsze latem
(VI–VIII), przy czym wyraźną (dwu- i trzykrotną) przewagę stężeń zimowych nad
letnimi ma ditlenek siarki.
2. Średnie stężenie ditlenku azotu jest co najmniej dwukrotnie większe niż ditlenku siarki, a średnie dobowe kształtują się na ogół w zakresie od 10 do
20 μg·m–3, podczas gdy stężenie SO2, w przeważającej większości przypadków, nie
przekracza 5 μg·m–3.
3. W latach 1993–2002, w wielu miastach Pomorza stwierdzono statystycznie
istotny ujemny trend rocznych i sezonowych wartości stężenia ditlenku siarki
i ditlenku azotu, przy czym największy w odniesieniu do obu zanieczyszczeń –
w Gorzowie Wlkp. i Koszalinie, a NO2 – w Gdyni.
4. Największy wpływ spośród głównych elementów meteorologicznych na stężenie ditlenku siarki ma temperatura powietrza oraz liczba dni z opadem dobowym
≥0,5 mm, natomiast na stężenie ditlenku azotu – prędkość wiatru, liczba dni z opadem ≥0,5 mm oraz usłonecznienie rzeczywiste.
5. Wpływ warunków meteorologicznych na stężenie SO2 występuje przede
wszystkim zimą, podczas gdy na stężenie NO2 – głównie jesienią.
LITERATURA
BIL G., 2001. Ocena zmian klimatu Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego pod względem możliwości rozpraszania zanieczyszczeń powietrza. Pr. St. Geogr. UW t. 29 s. 261–270.
CZARNECKA M., KALBARCZYK R., 2004. Zanieczyszczenie powietrza – emisja (I i II) i imisja (I i II).
W: Atlas zasobów i zagrożeń klimatycznych Pomorza. Pr. zbior. Red. Cz. Koźmiński, B. Michalska. Szczecin: AR s. 18–21.
DRZENIECKA A., PEREYMA J., PYKA J. L., SZCZUREK A., 1999. Wpływ warunków meteorologicznych
na stężenie zanieczyszczeń powietrza w Śródmieściu Wrocławia. Chemia Inż. Ekolog. t. 7 z. 8–9
s. 865–881.
KICIŃSKA B., 2001a. Wpływ cyrkulacji atmosferycznej na stężenie dwutlenku siarki w Polsce. Pr. St.
Geogr. UW t. 28 s. 223–233.
KICIŃSKA B., 2001b. Zanieczyszczenia powietrza dwutlenkiem siarki i dwutlenkiem azotu. W: Atlas
klimatycznego ryzyka uprawy roślin w Polsce. Pr. zbior. Red. Cz. Koźmiński, B. Michalska.
Szczecin: AR, USzczec. s. 8.
KLENIEWSKA M., 2001. Wyniki badań zależności dwutlenku siarki od kierunku i prędkości wiatru
w Warszawie–Ursynowie. Prz. Nauk. Inż. Kształt. Środ. z. 21 s. 187–194.
NOWICKA A., RYNKIEWICZ I., DRAGAŃSKA E., PANFIL M., 2004. Wpływ elementów meteorologicznych na stan zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego w Olsztynie. Prz. Nauk. Inż. Kształt.
Środ. 13(28) s. 126–132.
106
Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 5 z. specj. (14)
NIEDŹWIEDŹ T., USTRUL Z., 1989. Wpływ sytuacji synoptycznej na występowanie nad Górnośląskim
Okręgiem Przemysłowym typów pogody sprzyjających koncentracji lub rozpraszaniu zanieczyszczeń powietrza. Wiad. IMGW t. 12 z. 1–2 s. 31–37.
Rocznik statystyczny. Ochrona środowiska, 1993–2002. Warszawa: GUS.
ROZBICKA K., 2004. Wstępne wyniki badań nad stężeniem tlenków azotu NOx (NO, NO2) w powietrzu w Warszawie–Ursynowie. Prz. Nauk. Inż. Kształt. Środ. 13(28) s. 140–151.
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 05.12.2002 r. w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu. Dz.U. 2003 nr 1 poz. 12.
SKOTAK K., IWANEK J., MITOSEK G., PRZĄDKA Z., 2002. Zanieczyszczenie powietrza w Polsce w 2001
roku na podstawie pomiarów krajowej sieci stacji podstawowych. Bibl. Monitoringu Środ. Warszawa: Insp. Ochr. Środ ss. 141.
SKRZYPSKI J., 1998. Zmiany cyrkulacji atmosferycznej i warunków meteorologicznych sezonu zimowego jako czynniki kształtujące imisję zanieczyszczeń powietrza w dużych miastach (na przykładzie Łodzi). Chemia Inż. Ekolog. t. 5 z. 5–6 s. 473–489.
Wykorzystanie danych meteorologicznych w monitoringu jakości powietrza – podstawy fizyczne
i wskazówki metodyczne, 2000. Pr. zbior. Red. J. Walczewski. Bibl. Monitoringu Środ. Warszawa: Insp. Ochr. Środ. ss. 152.
Małgorzata CZARNECKA, Robert KALBARCZYK
VARIABILITY OF SULFUR DIOXIDE
AND NITROGEN DIOXIDE CONCENTRATIONS IN POMERANIA
IN RELATION TO METEOROLOGICAL CONDITIONS
Key words: gaseous pollution, meteorological elements, Pomerania
Summary
The aim of the study was to assess variability of concentrations of sulfur dioxide and nitrogen dioxide in relation to main meteorological factors. This relationship was described by correlation analysis and linear and multiple regressions using the STATISTICA 6 software. 24 hour concentrations of
SO2 and NO2 from ten measurement stations and meteorological factors gathered at IMGW meteorological stations closest to the immission stations in the period 1993 to 2002 were taken for the
analysis. Air temperature and the number of days with 24 hour precipitation of ≥0.5 mm were found
to mainly affect the concentrations of sulfur dioxide, whereas the wind velocity, the number of days
with 24 hour precipitation of ≥0.5 mm and real solar radiation influenced the concentrations of nitrogen dioxide. The effect of meteorological conditions on the concentrations of sulfur dioxide was
particularly visible in winter, while the concentrations of nitrogen dioxide were affected by meteorological conditions mainly in autumn.
Recenzenci:
prof. dr hab. Marian Rojek
prof. dr hab. Jacek Żarski
Praca wpłynęła do Redakcji 21.04.2005 r.