Assessing the impact of wind speed and mixing-layer height on air quality in Krakow (Poland) in the years 2014-2015

• Autorzy: Oleniacz R. , Bogacki M. , Szulecka A. , Rzeszutek M. , Mazur M.

Identyfikatory

DOI

10.7862/rb.2016.168

Warianty tytułu

PL

Ocena wpływu prędkości wiatru i wysokości warstwy mieszania na jakość powietrza w Krakowie (Polska) w latach 2014-2015

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper discusses the role of wind speed and mixing-layer height in shaping the levels of pollutant concentrations in the air of Krakow (Southern Poland). The hourly averaged measurements of concentrations of selected air pollutants and wind speed values from the period of 2014-2015, recorded at two of the air quality monitoring stations within Krakow (both industrial and urban background) were used for this purpose. Temporal variability of mixing-layer height in the area of the monitoring stations was determined using numerical modelling with the CALMET model and the measurements derived from, i.a., two upper air stations. It was found that wind speed and mixing-layer height are in at least moderate agreement with the concentration values for some pollutants. For PM10, PM2.5, NO2, NOx, CO and C6H6 correlation coefficient is of negative value, which indicates that the low wind speed and low mixing-layer height may be the dominant reason for elevated concentrations of these substances in the air, especially in the winter months. Moderate but positive correlation was found between O3 concentrations and analysed meteorological parameters, proving that the availability of appropriate precursors and their inflow from the neighbouring areas have an important role in the formation of tropospheric ozone. On the other hand, in case of SO2, a weak both positive and negative correlation coefficient was obtained, depending on the period and location of the station concerned.

PL

W pracy omówiono rolę, jaką pełni prędkość wiatru i wysokość warstwy mieszania w kształtowaniu poziomów stężeń zanieczyszczeń w powietrzu w Krakowie (Południowa Polska). W tym celu wykorzystano 1-godzinne wyniki pomiarów stężeń wybranych zanieczyszczeń powietrza oraz prędkości wiatru z okresu 2014-2015, realizowanych w obszarze miasta Krakowa w dwóch stacjach monitoringu jakości powietrza (stacji przemysłowej i tła miejskiego). Czasową zmienność wysokości warstwy mieszania w rejonie danej stacji monitoringowej wyznaczono metodą modelowania z wykorzystaniem modelu CALMET i wyników pomiarów pochodzących m.in. z dwóch stacji aerologicznych. Stwierdzono co najmniej umiarkowaną zależność pomiędzy prędkością wiatru i wysokością warstwy mieszania oraz stężeniami niektórych zanieczyszczeń powietrza. W przypadku takich substancji, jak PM10, PM2,5, NO2, NOx, CO i C6H6 korelacja ta jest ujemna, co świadczy o tym, że niska prędkość wiatru i mała wysokość warstwy mieszania może być główną przyczyną podwyższonych stężeń tych substancji w powietrzu, zwłaszcza w miesiącach zimowych. Dla O3 otrzymano korelację dodatnią z analizowanymi parametrami meteorologicznymi, świadczącą o tym, że w tworzeniu się ozonu istotną rolę odgrywa dostępność do odpowiednich prekursorów i intensywność ich napływu z sąsiednich terenów. Z kolei w przypadku SO2 uzyskano słabe korelacje dodatnie lub ujemne w zależności od rozpatrywanego okresu roku i lokalizacji stacji.

Słowa kluczowe

EN

air pollution; pollutant concentrations; meteorological parameters; correlation analysis; city ventilation; CALMET

PL

zanieczyszczenie powietrza; stężenia zanieczyszczeń; parametry meteorologiczne; analiza korelacji; przewietrzanie miasta; CALMET

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury / Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture
• Rocznik: 2016
• Tom: z. 63, nr 2/II
• Strony: 315--342
• Opis fizyczny: Bibliogr. 45 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Oleniacz R.

• AGH University of Science and Technology, Department of Environmental Management and Protection, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland, phone: [phone]

autor

Bogacki M.

• AGH University of Science and Technology, Department of Environmental Management and Protection, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Szulecka A.

• AGH University of Science and Technology, Department of Environmental Management and Protection, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Rzeszutek M.

• AGH University of Science and Technology, Department of Environmental Management and Protection, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Mazur M.

• AGH University of Science and Technology, Department of Environmental Management and Protection, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] 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, vol. 146, 2008, pp. 211-224.
• [2] Bogacki M.: Wpływ sposobu zagospodarowania terenu na potencjał oksydacyjny powietrza, Inżynieria Środowiska, t. 8, z. 2, 2003, s. 135-147.
• [3] Chief Inspectorate for Environmental Protection (Poland): Air quality portal, http://powietrze.gios.gov.pl/ {accessed in 31.01.2016}.
• [4] Chuang M.T., Chiang P.C., Chan C.C., Wang C.F., Chang E.E., Lee C.T.: The effects of synoptical weather pattern and complex terrain on the formation of aerosol events in the Greater Taipei area. Science of the Total Environment, vol. 399, 2008, pp. 128-146.
• [5] Czarnecka M., Nidzgorska-Lencewicz J.: Impact of weather conditions on winter and summer air quality, International Agrophysics, vol. 25, 2011, pp. 7-12.
• [6] Czarnecka M., Nidzgorska-Lencewicz J.: Warunki meteorologiczne kształtujące jakość powietrza w styczniu i w lipcu 2006 roku w Szczecinie, Acta Agrophysica vol. 12(1), 2008, s. 55-72.
• [7] Ćwiek K., Majewski G.: Wpływ elementów meteorologicznych na kształtowanie się stężeń zanieczyszczeń powietrza na przykładzie Krakowa, Przegląd Naukowy – Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, nr 67, 2015, s. 54-66.
• [8] Drzeniecka A., Pereyma J., Pyka J.L., Szczurek A.: Wpływ warunków meteorologicznych na stężenie zanieczyszczeń powietrza w śródmieściu Wrocławia, Chemia i Inżynieria Ekologiczna, vol. 7, nr 8-9, 2000, s. 865-882.
• [9] Godłowska J., Kaszowski W., Hajto M.J., Tomaszewska A.M.: Wpływ sposobu przygotowania meteorologicznych danych wejściowych w systemie FAPPS na jakość pola wiatru i głębokość mieszania, Konsekwencje dla prognozy PM10, [w:] Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 2 (red. J. Konieczyński), IPIŚ PAN, Zabrze 2012, s. 75-88.
• [10] 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, vol. 8, 2014, pp. 81-96.
• [11] Guttikunda S.K., Gurjar B.R.: Role of meteorology in seasonality of air pollution in megacity Delhi, India, Environmental Monitoring and Assessment, vol. 184, 2012, pp. 3199-3211.
• [12] 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, pp. 319-335.
• [13] Juda-Rezler, K., Reizer, M., Oudinet, J.P.: Determination and analysis of PM10 source apportionment during episodes of air pollution in Central Eastern European urban areas: the case of wintertime 2006, Atmospheric Environment, vol. 45, 2011, pp. 6557-6566.
• [14] 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, vol. 6, 2015, pp. 1024-1034.
• [15] Kompalli S.K., Babu S.S., Moorthy K.K., Manoj, M. R., Kumar, N. K., Shaeb, K. H. B., & Joshi, A. K.: Aerosol black carbon characteristics over Central India: Temporal variation and its dependence on mixed layer height, Atmospheric Research, vol. 147, 2014, pp. 27-37.
• [16] 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, vol. 208, 2016, pp. 185-197.
• [17] Lai L.W.: Fine particulate matter events associated with synoptic weather patterns, long-range transport paths and mixing height in the Taipei Basin, Taiwan, Atmospheric Environment, vol. 113, 2015, pp. 50-62.
• [18] Lin J. T., McElroy M. B.: Impacts of boundary layer mixing on pollutant vertical profiles in the lower troposphere: Implications to satellite remote sensing, Atmospheric Environment, vol. 44, 2010, pp. 1726-1739.
• [19] Lo K.W., Ngan K.: Characterising the pollutant ventilation characteristics of street canyons using the tracer age and age spectrum, Atmospheric Environment, vol. 122, 2015, pp. 611-621.
• [20] Majewski G.: Zanieczyszczenie powietrza pyłem zawieszonym PM10 na Ursynowie i jego związek z warunkami meteorologicznymi, Przegląd Naukowy – Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 1(31), 2005, s. 210-223.
• [21] National Climatic Data Center (NCDC): Integrated Surface Data (ISD), ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/noaa/2012/ {accessed in 31.12.2015}.
• [22] Nkemdirim L.C.: The Role of Wind Velocity and Mixing Depth in the Distribution of Urban Air Pollution Hazard in Calgary, Alberta, Canada, GeoJournal, vol. 8(3), 1984, pp. 197-200.
• [23] NOAA Earth System Research Laboratory (ESRL): Radiosonda Database, http://esrl.noaa.gov/raobs/ {accessed in 31.12.2015}.
• [24] Ocak S., Turalioglu F.: Effect of Meteorology on the Atmospheric Concentrations of Traffic-Related Pollutants in Erzurum, Turkey, J. Int. Environmental Application & Science, vol. 3(5), 2008, pp. 325-335.
• [25] 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, s. 163-178.
• [26] Oleniacz R., Rzeszutek M.: Determination of optimal spatial databases for the area of Poland to the calculation of air pollutant dispersion using the CALMET/CALPUFF model, Geomatics and Environmental Engineering, vol. 8, no. 2, 2014, pp. 57-69.
• [27] Oleniacz R., Rzeszutek M.: Assessment of the impact of spatial data on the results of air pollution dispersion modeling, Geoinformatica Polonica, vol. 13, 2014, pp. 57-68.
• [28] Olofson K.F.G., Andersson P.U., Hallquist M., Ljungström E., Tang L., Chen D., Pettersso, J.B.: Urban aerosol evolution and particle formation during wintertime temperature inversions, Atmospheric Environment, vol. 43, 2009, pp. 340-346.
• [29] Panda S., Sharma S.K., Mahapatra P.S., Panda U., Rath S., Mahapatra M., Mandal T.K., Das T.: Organic and elemental carbon variation in PM2.5 over megacity Delhi and Bhubaneswar, a semi-urban coastal site in India, Natural Hazards, vol. 80, 2016, pp. 1709-1728.
• [30] Perez-Martinez P.J., Miranda R.M.: Temporal distribution of air quality related to meteorology and road traffic in Madrid, Environmental Monitoring and Assessment, vol. 187, 2015, pp. 1-16.
• [31] Pietras B.: Czynniki meteorologiczne wpływające na koncentrację aerozoli w Krakowie oraz analiza cząstek aerozoli, Prace Studenckiego Koła Naukowego Geografów Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie, vol. 2, 2014, s. 90-100.
• [32] 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, vol. 550, 2016, pp. 706-716.
• [33] Rawicki K.: Variability of particulate matter concentrations in Poland in the winter 2012/2013, Folia Pomeranae Universitatis Technologiae Stetinensis. Agricultura, Alimentaria, Piscaria et Zootechnica, vol. 31, 2014, pp. 143-151.
• [34] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 13 września 2012 r. w sprawie dokonywania oceny poziomów substancji w powietrzu, Dz. U. 2012, poz. 1032.
• [35] Schäfer K., Wagner P., Emeis S., Jahn C., Muenkel C., Suppan P.: Mixing layer height and air pollution levels in urban area, [in:] Proc. of. SPIE, Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XVII; and Lidar Technologies, Techniques, and Measurements for Atmospheric Remote Sensing VIII (ed. E.I. Kassianov et al.), vol. 8534, 853409, 2012, pp. 1-10.
• [36] Scire J.S., Robe F.R., Fernau M.E., Yamartino R J.: A User’s Guide for the CALMET Meteorogical Model (Version 5), Concord 2000.
• [37] Seinfeld J.H., Pandis S.N., Atmospheric chemistry and physics: from air pollution to climate change, 3rd Edition, John Wiley & Sons, 2016.
• [38] Tiwari S., Bisht D.S., Srivastava A.K., Pipal A.S., Taneja A., Srivastava M.K., Attri S.D.: Variability in atmospheric particulates and meteorological effects on their mass concentrations over Delhi, India, Atmospheric Research, vol. 145, 2014, pp. 45-56.
• [39] Wagner P., Schäfer K.: Influence of mixing layer height on air pollutant concentrations in an urban street canyon, Urban Climate, 2015, doi: 10.1016/j.uclim.2015.11.001.
• [40] Walczewski, J.: Niektóre dane o występowaniu całodziennych warstw inwersyjnych w atmosferze Krakowa i uwarunkowania tego zjawiska, Przegląd Geofizyczny, z. 3-4, 2009, s. 183-191.
• [41] 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, vol. 449, 2013, pp. 102-114.
• [42] Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Krakowie: System monitoring jakości powietrza, http://monitoring.krakow.pios.gov.pl/ {accessed in 31.01.2016}.
• [43] Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH w Krakowie: Serwis METEO, http://meteo.ftj.agh.edu.pl/meteo/ {accessed in 31.01.2016}.
• [44] Xu J., Yan F., Xie Y., Wang F., Wu J., Fu Q.: Impact of meteorological conditions on a nine-day particulate matter pollution event observed in December 2013, Shanghai, China, Particuology, vol. 20, 2015, pp. 69-79.
• [45] 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, vol. 22, 2014, pp. 25-32.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.