Relations between circulation and winter air pollution in Polish urban areas

• Autorzy: Godłowska J. , Tomaszewska A.M.

Warianty tytułu

PL

Związek pomiędzy cyrkulacją atmosfery i zanieczyszczeniami powietrza w obszarach zurbanizowanych na terenie Polsk

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

We determined the performance of different Circulation Type Classifications (CTCs) to stratify air pollutants concentrations in Polish cities in winter. Our analysis is based on 15 CTCs calculated by COST 733 as well as on 5 manual universally used manual weather type classifications. For this purpose we compared and tested the explained variation (EV) and within-type standard deviation (WSD) methods. Finally, EV method has been chosen for evaluating classifications for daily values of SO2, NO2, PM10 and CO as well as vertical dispersion conditions obtained from SODAR data. We also presented the methodology of choosing smog episode days based on 90-percentile values. For the winter smog episodes data from Krakow different classifications have been compared using Gini coefficient method. The best results for separate air pollution data series as well as for smog episode days were obtained for Hess-Brezowski Großwetterlagen classification (HBGWL). Moreover, good results were obtained for the based on principal component analysis PCACA classification, Polish Niedzwiedz TCN21, modified Polish Litynski LITTc, modified Lamb LWT2, and three modified HBGWL (GWTC26, OGWL, OGWLSLP) classifications. The same classifications except for HBGWL are good for SODAR data. For the best CTCs, the differences between various classes are visible, however a big scattering is still observed. Main urban air pollution problems arise in situations when flow with Southerly component is observed. Correlations between air pollution data and SODAR data (calculated for marginal means obtained for different classes) confirm a negative role of both low height of the ground-based inversion and long duration of the low-level elevated inversion in urban areas.

PL

Określono ocenę przydatności różnych klasyfikacji typów cyrkulacji (CTCs) do różnicowania stężeń SO2, NO2, PM10 i CO w zimie w polskich obszarach zurbanizowanych. Analiza bazuje na 15 nowych klasyfikacjach obliczonych w ramach Akcji COST 733 oraz pięciu powszechnie stosowanych klasyfikacjach historycznych. Porównano i przetestowano trzy metody oceny jakości klasyfikacji: EV - wyjaśnianej wariancji, WSD - wewnątrzklasowego odchylenia standardowego i metodę Giniego. Ostatecznie ocenę jakości CTCs dla zróżnicowania dobowych wartości stężeń zanieczyszczeń a także warunków dyspersji pionowej przeprowadzono opierając się na metodzie EV, zaś ocenę przydatności klasyfikacji do prognozowania wystąpienia epizodów smogowych w Krakowie wykonano stosując metodę Giniego. Zaprezentowano także metodologię wyboru dni z epizodami smogowymi opartą na wartości 90 percentyla stężeń. Najlepsze rezultaty, dla pojedynczych serii danych a także dla epizodów smogowych, otrzymano dla klasyfikacji Hess-Berezowski (HBGWL). Ponadto dobre rezultaty uzyskano dla opartej na analizie składowych głównych klasyfikacji PCACA, klasyfikacji Niedźwiedzia, zmodyfikowanych w ramach Akcji COST 733 klasyfikacjach Lityńskiego LITTc, Lamba LWT2 i HBGWL (GWTC26, OGWL, OGWLSLP). Te same klasyfikacje, z wyjątkiem HBGWL i jej modyfikacji, są dobre dla różnicowania danych sodarowych. Dla najlepszych klasyfikacji różnice średnich stężeń dla różnych klas są widoczne, jakkolwiek duży rozrzut wewnątrz klas jest ciągle obserwowany. Najwyższe stężenia zanieczyszczeń obserwowane są dla adwekcji mas powietrznych z kierunków SE, S i SW. Korelacje pomiędzy wielkością imisji i danymi sodarowymi, obliczone dla średnich brzegowych uzyskanych dla różnych klas, potwierdziły negatywną rolę zarówno niskiej wysokości przygruntowej inwersji, jak i długotrwałego utrzymywania się niskich inwersji wzniesionych.

Słowa kluczowe

EN

urban air pollution; circulation; urban boundary layer; sodar; ground inversion; elevated inversion

PL

obszar zurbanizowany; zanieczyszczenia powietrza; cyrkulacja; ocena jakości klasyfikacji; epizod smogowy; inwersja przygruntowa; inwersja wzniesiona

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 36, no. 4
• Strony: 55--66
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Godłowska J.

autor

Tomaszewska A.M.

• Institute of Meteorology and Water Management, Krakow Branch, Poland Department of Monitoring and Modelling Air Pollutions Piotra Borowego str. 14, 30-215 Kraków,

Bibliografia

• [1] AIRBASE - European Air Pollution database: http://air-climate.eionet.europa.eu/databases/EuroAirnet/
• [2] Blazek Z., L. Ośródka, K. Korbek, M. Wojtylak: Concentration of suspended dust PM10 in Katowice agglomeration and Ostrava-Karvino agglomeration versus the meteorological conditions, Wiadomości IMGW, XXIII(XLIV), 3, 53-69 (2000).
• [3] Brandt S.: Statistical and computational methods in data analysis (Ed 3), Springer Verlag, New York 1997.
• [4] Catalogue of the circulation type classifications of COST733 Action - http://geo21.geo.uni-augsburg.de/cost733wiki.
• [5] Comrie, A.C. and B. Yarnal,: Relationships between synoptic-scale atmospheric circulation and ozone concentrations in metropolitan Pittsburgh, Pennsylvania, Atmos. Environ., B, 26B, 3, 301-312 (1992).
• [6] Fisher B., S. Joffre, J. Kukkonen, M. Pringer, M. Rotach, M. Schatzmann (ed.): Meteorology Applied to Urban Air Pollution Problems - Final Report COST Action 715, Demetra Ltd Publishers, Bulgaria 2005.
• [7] Gini, Corrado: Measurement of Inequality and Incomes, The Economic Journal 31: 124-126 (1921).
• [8] Godłowska J., A.M. Tomaszewska: Imisja wybranych zanieczyszczeń powietrza a procesy w warstwie granicznej - analiza statystyczna, Wiadomości IMGW, XXIII(XLIV), 3, 47-52 (2000).
• [9] Godłowska J.: The particulate matter PM10 air pollution in Cracow. Wiadomości IMGW, XXVII(XLVIII), 1, 79-90 (2004).
• [10] Godłowska J.: Wpływ cyrkulacji atmosfery (wg Lityńskiego) na występowanie podwyższonych stężeń zanieczyszczeń i niekorzystnych warunków wentylacji w Krakowie, [w:] Ekstrema pogodowe w Polsce - obserwacje, pomiary; Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Seria: Monografie, Warszawa2008, 82-98.
• [11] Godłowska J., A. M. Tomaszewska, M. Hajto: Związek wysokości imisji zanieczyszczeń w Krakowie z warunkami w miejskiej warstwie granicznej, określonymi na podstawie danych sodarowych, [in:] Klimat i bioklimat miast; Wyd. Uniw. Łódz., Łódź 2008, 455-465.
• [12] Hess P., H. Brezowsky: Katalog der Grosswetterlagen Europas, Ber. dt. Wetterdienst in der US-Zone, 33, 5, 1-39 (1952).
• [13] Huth R., C. Beck, A. Philipp, M. Demuzere, Z. Ustrnul, M. Cahynová, J. Kyselý, O.E. Tveito: Classifications of atmospheric circulation patterns: recent advances and applications, [in:] L. Gimeno, R. Garcia Herrera, R.M. Trigo (Eds.): Trends and Directions in Climate Research, Ann. NY Acad. Sci., 1146, 105-152, Wiley-Blackwell (2008).
• [14] James P.M.: An objective classification for Hess and Brezowsky Grosswetterlagen over Europe. Theor. Appl. Climatology., 88, 17-42 (2007).
• [15] Kalkstein L.S., G. Tan, J. A. Skindlow: An Evaluation of Three Clustering Procedures for Use in Synoptic Climatological Classification, Journal of Climate and Applied Meteorology, 26, 717-730 (1987)
• [16] Lamb H.: British isles weather types and a register of the daily sequence of circulation paterns, 1861-1971. Geophysical Memoirs, 116, 1-85 (1972).
• [17] Lityński J., Liczbowa klasyfikacja typów cyrkulacji i typów pogody dla Polski. Prace Państwowego Instytutu Hydrologiczno-Meteorologicznego, 97, Warszawa 1969.
• [18] Lorenz M. O.: Methods of measuring the concentration of wealth, Publications of the American Statistical Association, 9, 209-219 (1905).
• [19] Niedźwiedź T.: Kalendarz sytuacji synoptycznych dla dorzecza górnej Wisły (1951-1985), Zesz. Nauk. UJ, Prace Geogr., 71, 37-86 (1988).
• [20] Niedźwiedź T.: Calendar of Circulation Types for Southern Poland 1873-2009. Computer File Available at Department of Climatology, University of Silesia. http://klimat.wnoz.us.edu.pl (2010).
• [21] Niedźwiedź T., Z. Ustrnul: Influence of synoptic situations on the occurrence of weather types favorable to concentration or dispersion o fair pollution above the Upper Silesia Industrial Region, Wiadomości IMGW, 12 (1-2), 31-39 (1989). (in Polish, summary in English).
• [22] Niedźwiedź T., Z. Olecki: Influence of synoptic situations on the air pollution in Krakow. Zeszyty Naukowe UJ, Prace Geograficzne, 96, 55-67 (1994). (in Polish, summary in English).
• [23] Philipp A., J. Bártholy, C. Beck, M. Erpicum, P. Esteban, X. Fettweis, R. Huth, P.M. James, S. Jourdain, F. Kreienkamp, T. Krennert, S. Lykoudis, S. Michalides, K. Pianko, P. Post, D. Rassilla Álvarez, A. Spekat, F.S. Tymvios, in press. COST733CAT - a database of weather and circulation type classifications. Physics and Chemistry of the Earth (2010).
• [24] Piringer M., Joffre S. (ed.): The Urban Surface Energy Budget and Mixing Height in European Cities: Data, Models and Challenges for Urban Meteorology and Air Quality. Final Raport of Working Group 2 of COST-715 Action. Demetra Ltd Publishers, Bulgaria (2005).
• [25] Walczewski J.: Application of Sodar in Urban Air-Quality Monitoring Systems. Acoustic Remote Sensing Applications. S.P.Singal, Springer Verb. - Narosa Publ. H., New York-New Delhi, 385-394 (1997).
• [26] Walczewski J.: Application of Acoustic Remote Sensing in Air Quality Monitoring. Proc. Fourth International Symposium and Exhibition on Environmental Contamination in Central and Eastern Europe Warsaw' 98, September 1998, Warsaw, Poland. CD-ROM, Florida State University, Institute for International Cooperative Environmental Research (1999).
• [27] Yarnal, B.: Synoptic Climatology in Environmental Analysis. Belhaven Press. London, UK. (1993).