Čisté nebe: Medard v budoucnu pomůže předpovídat smog

Bude možné v blízké budoucnosti předvídat smogové situace stejně jako počasí? Ústav informatiky Akademie věd ČR a jeho systém MEDARD se o to snaží. Přečtěte si rozhovor se zástupcem týmu Medard Kryštofem Ebenem.

1. Můžete prosím stručně popsat projekt Medard především jeho část věnovanou ovzduší?

Jádrem systému Medard je tzv. modelový pár, a to numerický předpovědní model počasí (v našem případě americký model WRF) a chemický transportní model napojený na model počasí (v našem případě model CAMx, rovněž původem americký).

Oba modely jsou konfigurovány pro Evropu a Českou republiku. Na modelový pár je navázána řada softwarových aplikací. Před vlastním během obou modelů je třeba zajistit stahování globální předpovědi počasí, kterou každý regionální model potřebuje jako vstup, dále je třeba připravit emisní vstupy pro chemický model. Výstupy z obou modelů pak procházejí dalším zpracováním. Na konci zpracování je prezentační vrstva, která předkládá výsledky modelů uživatelům ve formě map nebo meteogramů, které jsou k dispozici na internetu nebo jako aplikace pro mobilní telefony (zatím pro mobily se systémem Android) atd.

2. Můžete prosím vysvětlit laické veřejnosti, jakým způsobem předpovídáte znečištění ovzduší?

Numerické modely pracují na trojrozměrné mřížce. Dvojrozměrnou mřížkou pokrývají terén a mají vertikální úrovně (například naše konfigurace modelu počasí má 39 vertikálních úrovní sahajících do výše zhruba 11 km).  

Na začátku je výše zmíněná globální předpověď počasí, kterou bereme na tři dny dopředu. Tato předpověď má hrubé horizontální rozlišení, např. pro přízemní teplotu dostaneme jednu hodnotu na čtverec o straně cca 50 km. Náš model vezme tyto data jako tzv. počáteční a okrajové podmínky a počítá dané časové období v jemnějším horizontálním rozlišení (9km pro Evropu a 3km pro ČR). Výsledkem tohoto běhu není jen zpřesnění díky lepšímu zachycení výšky terénu, pokryvu země atd., ale regionální model dokáže předpovědět i jevy, které v globálním modelu vůbec nejsou. Nejznámějším příkladem takových jevů jsou letní bouřky, které se často objeví jen v modelu s rozlišením 3km.

Model čistoty ovzduší pak využívá teplotní pole, pole proudění, vlhkost a další meteorologické proměnné, které dodává model počasí. Pak počítá chemické reakce v každé buňce třírozměrné mřížky. K tomu ovšem musí znát počáteční koncentrace jednotlivých atmosférických látek. Díky tomu, že vzduchové masy se mohou rychle pohybovat a během dne mohou urazit stovky kilometrů, je čistota ovzduší celoevropským problémem. Například emise oxidů dusíku, které vzniknou večer nad Porýním, mohou během noci nedotčeny dorazit nad lesy v našem pohraničí, tam se smísí s biogenními emisemi a odpolední slunce z nich vyrobí ozón, který pak naměříme ve středních Čechách. Pokud jde o PM10 a PM2.5, tam jsou vzdálenosti přenosů obvykle kratší.

Náš model tedy vychází z emisních inventářů pro Evropu a ČR, z nich spočítá emise pro daný den (ty totiž závisejí na mnoha dalších faktorech), z emisí a meteorologických proměnných pak vypočítá koncentrace jednotlivých atmosférických látek včetně polutantů. Výsledky se zobrazují jako mapy koncentrací.

3. Jaká je přesnost vašich předpovědí?

Emisní vstupy jsou klíčovou složkou, jejíž přesnost má zásadní vliv na kvalitu předpovědi. Bohužel platí, že emise pro konkrétní den jsou výsledkem mnoha empirických postupů nahrazujících přesné informace o dopravě, chodu průmyslu a zemědělství, o chování obyvatel, o přesném složení vegetace atd., a to v celé Evropě. Dříve bylo použití numerických modelů omezeno na studie scénářů, tj. užívaly se ke zkoumání účinnosti opatření typu snížení emisí v nějakém sektoru průmyslu nebo regionu atp. S růstem výpočetní kapacity, přesnosti modelů počasí a větší dostupností evropských emisních dat se začínají numerické modely rutinně používat i pro předpověď čistoty ovzduší. Přesnost ale není jejich nejsilnější stránkou. Naše předpovědi v tom nejsou výjimkou, nicméně pro kvalitativní informaci o rizikovosti situace jsou užitečné. V letním období modely uspokojivě předpoví zvýšené koncentrace ozónu. Aerosoly jsou obtížnější, protože mechanismus jejich tvorby a případné resuspenze je složitější a více závislý na lokálních podmínkách.

4. Jaké jsou možné praktické aplikace projektu Medard?

V rámci projektu Medard probíhá základní i aplikovaný výzkum a stránky projektu s operativní předpovědí jsou jen jedním z výstupů projektu, který má přinést něco užitečného veřejnosti. Z praktických aplikací je asi nejzajímavější tzv. inverzní modelování, které umožňuje zjistit podíly jednotlivých zdrojů emisí na znečištění v daném místě a čase. Tyto metody by pravděpodobně pomohly rozklíčovat situace, kde se mísí vlivy průmyslu, lokálních topenišť, dopravy a přenosu přes hranice, jak je tomu na Ostravsku.

Za nás můžeme říci, že bychom rádi provedli simulace, které by se zabývaly konkrétními smogovými epizodami na Ostravsku.

Kromě "čistotářských" aplikací ale existuje řada možností uplatnění výstupů z modelu počasí, například předpověď výkonu obnovitelných zdrojů energie (jak solárních tak větrných farem), možné jsou další aplikace v energetice (předpovědi teploty), dopravě, zemědělství a sportu. 

5. Myslíte si, že by Medard mohl být v budoucnu použit pro vyhlašování smogové situace?

Medard by mohl být použit jako podpora rozhodování pro včasné varování v případě hrozící smogové situace. Bylo by ale nutno na predikce systému MEDARD navázat další statistický model, který by na základě historických dat z měřících stanic a ze systému Medard předpovídal riziko překročení limitů.

Výstupy modelu by se nepoužívaly přímo, ale ze statistické analýzy chyb modelu a jeho vychýlení (tj. systematického přecenění či podcenění skutečnosti na jednotlivých stanicích) by se teprve počítalo riziko překročení limitů. I takový systém by ale trpěl tzv. falešnými poplachy a naopak některá překročení by nemusel předpovědět. Samotné vyhlášení by proto nemělo být automatické, vždy by měl konečné rozhodnutí udělat expert.

Vývoj varovného systému by navíc musel být financován. Naší úlohou je především základní výzkum, ale pokud by byla šance na vznik takového projektu včasného varování, určitě bychom se jej rádi zúčastnili.

6. Jaké jsou plány do budoucna?

Letos startujeme projekt v oblasti tzv. asimilace dat, což je zhruba řečeno technika jak zapracovat měření do modelu a tím dosáhnout zlepšení predikce. Tento projekt se týká modelů počasí. Asimilací dat jsme se zabývali už dříve a věříme, že může přinést velký pokrok i v modelování a predikci čistoty ovzduší. Rádi bychom dovedli aspoň některé metody do operativního provozu. Společně s ČHMÚ také chystáme verzi předpovědního systému, který bude v ČHMÚ rutinně provozován. Snad dojde i k pokroku v oblasti inverzního modelování pro oblast Slezska. Doufáme, že budeme moci systém dále rozšiřovat a že bude i v dalších letech sloužit veřejnosti. 

(Zdroj: Cistenebe.cz)