К докладу на ЦМКП
Технология
оперативного прогноза уровней загрязнения воздуха по территории
г.Новосибирска на 1-3 суток с использованием данных зондирования
пограничного слоя атмосферы
(СибНИГМИ, Токарев В.М., Здерева М.Я)
Для г. Новосибирска более 30 лет назад И.А. Шевчук
разработала прогноз уровня загрязнения атмосферного воздуха, основанный на расчете коэффициента рассеивания - К и учете ПДК загрязняющих веществ. За это время менялись методики анализа проб воздуха, состав выбросов промышленных предприятий и климатические условия.
Основным недостатком данного
метода является малая заблаговременность (24 часа) и трудоемкость. Оценка степени загрязнения атмосферы в целом по городу также устарела. В связи с этим возникла необходимость разработки методики прогноза на основе оценки уровня загрязнения по методике разработанной ГГО, а также разработки прогноза загрязнения воздуха с заблаговременностью 1-3 суток.
Метод разработан в 2008-2009г.г. в рамках выполнения темы Плана НИОКР Росгидромета 8.81.
(СибНИГМИ научный руководитель В.М.Токарев)
Постановка задачи:
Условия задачи продиктованы
действующим регламентом работы Новосибирского ЦМС, который
предусматривает прогноз степени загрязнения атмосферы в градациях СИ:
низкое загрязнение - ниже 1.5 ПДК для всех контролируемых примесей на всех постах за все сроки наблюдений,
иначе прогнозируется повышенная степень загрязнения воздуха.
Высокая(больше 5 ПДК) и тем более очень высокая степень(больше 10 ПДК)
в Новосибирске наблюдаются крайне редко и не может прогнозироваться
условиями погоды.
Прогностическая модель:
Статистическая модель распознавания в виде бинарного дерева решений,
построенная на связях данных наблюдений Новосибирского ЦМС(предиктанты):
2005-2008гг, 3 срока,
10 постов,
11 контролируемых примесей, переведенных для обучения в бинарную
форму: выше/ниже ПДК.
и синхронных параметров атмосферы(предикторы) на уровнях земля, АТ850,
АТ700 и АТ500 (температура, геопотенциал, влажность, скорость ветра,
градиенты, лапласианы):
| H500 | гпдкм |
| H500(t)-H500(t-24) | гпдкм |
| lapH500 | гпдкм/1000км |
| gradH500 | гпдкм/1000км |
| r700 | % |
| T850(t)-T850(t-24) | град |
| lapT850 | град/1000км |
| gradT850 | град/1000км |
| P0 | гПа |
| P0(t)-P0(t-24) | гПа |
| lapP0 | гПа/1000км |
| gradP0 | гПа/1000км |
| T0-T850 | град |
| VV0 | м/с |
Дополнительно строились деревья для прогноза(оценки) термодинамических
характеристик нижнего слоя атмосферы на 1-3 суток (термодинамические
предиктанты):
| dHinv | толщина(м)_слоя_инверсии |
| dTinv | мощность(град)_слоя_инверсии |
| dTinv/dz | средний_градиент(град/м)_слоя_инверсии |
| RiHinv | число_Ri_в_слое_инверсии |
| dT500/dz | средний_градиент(град/м)_в_нижнем_500-метровом_слое |
| Ri500m | число_Ri_в_нижнем_500-метровом_слое |
Эти предиктанты для обучения
рассчитаны были для того же периода 2005-2008г по данным зондирования с
особыми точками в г.Новосибирске в нижнем 2-км слое. Аппроксимация
кубическим сплайном.
Примеры полученных прогностических деревьев решений:
Логические
деревья
распознавания
случаев
концентрации
примесей
выше
ПДК (2 и больше постов).
| Обучение.
Новосибирск. Выборка 2005-2008гг. Пыль (>0.5)
141/1160=0.12 |
| H500(12) |
<=549(0.43)
27/497=0.05
|
>549(0.57)
114/663=0.17 |
| r(00) |
VV(00)
|
>72(0.18)
5/214=0.02 |
<=72(0.24)
22/283=0.08 |
>5(0.31)
41/354=0.12 |
<=5(0.27)
73/309=0.24 |
|
H500(12) |
r(00) |
Tz-T850
|
|
<=533(0.07)
0/81=0.00 |
533..549(0.17)
22/202=0.11 |
>64(0.13)
8/148=0.05 |
<=64(0.18)
33/206=0.16 |
>2(0.17)
33/198=0.17 |
<=2(0.10)
40/111=0.36 |
| Обучение.
Новосибирск. Выборка 2005-2008гг. NO2 (>0.2) 104/1160=0.09 |
Tz-T850(00)
|
>3(0.43)
27/501=0.05
|
<=3(0.57)
77/659=0.12 |
P0(00)
|
gradT850(00)
|
>1010(0.25)
9/292=0.03 |
<=1010(0.18)
18/209=0.09 |
>20(0.45)
48/525=0.09 |
<=20(0.12)
29/134=0.22 |
lapP0(12)
|
gradP0(00)
|
P0(00)-P0(00-24)
|
H500(12)
|
>-39(0.19)
4/224=0.02 |
<=-39(0.06)
5/68=0.07 |
<=26(0.09)
4/110=0.04 |
>26(0.09)
14/99=0.14 |
>-7(0.22)
15/259=0.06 |
<=-7(0.23)
33/266=0.12 |
>554(0.06)
10/73=0.14 |
<=554(0.05)
19/61=0.31 |
То есть на каждом шаге выборка делится кваоптимальным образом по выбранному признаку и его порогу на две с разнесенными вероятностями. На некотором шаге деление прекращается. Каждую конечную ветку можно отнести по вероятности к одному из двух классов. Пороговая вероятность выбирается, например, равной исходной вероятности 0.12 для пыли, а сами случаи "да/нет" суммируются в матрицу сопряженности для оценки общего качества разделения.
Технология расчетов и выдачи прогнозов:
Для прогнозов на 1-3 суток используются расчетные данные гидродинамической глобальной модели EXETER в узлах сетки GRIB.
Пример автоматической выдачи прогноза на 2-е сутки:
НОВОСИБИРСК- СибНИГМИ
2012-01-23 04:10:01
ПРОГНОЗ ПРЕВЫШЕНИЯ УРОВНЯ ПДК ПО ОТДЕЛЬНЫМ ПРИМЕСЯМ НА 23.01.12-26.01.12
Ver0- климатическая вероятность
Ver1- расчетная вероятность (999.99-нет расчета)
НА 25.01.12 + 2
| Ver0 | Ver1 | Reshen |
| 1 | Пыль | 0.12 | 0.05 | нет |
| 2 | Окись_углерода | 0.09 | 0.20 | да |
| 3 | Двуокись_азота | 0.09 | 0.09 | нет |
| 4 | Фенол>=2_постов | 0.05 | 0.12 | да |
| 5 | Фенол>=1_постов | 0.22 | 0.40 | да |
| 6 | Сажа | 0.04 | 0.31 | да |
| 7 | Аммиак>=2_постов | 0.04 | 0.00 | нет |
| 8 | Аммиак>=1_постов | 0.18 | 0.13 | нет |
| 9 | Формальдегид | 0.06 | 0.09 | нет |
Общий уровень да : 2, 4, 6
Что означает прогноз превышения уровня ПДК для CO,фенола и сажи,
и прогноз общего уровня загрязнения : повышенный.
Программное обеспечение для расчетов и выдачи результатов в канал связи
для потребителей ЦМС передано актом на РВЦ и принято с 2011г в
оперативную эксплуатацию.
Оперативные испытания:
Оперативные испытания метода и технологии проводились в Западно-Сибирском ЦМС ГУ <Новосибирский ЦГМС-РСМЦ> в период с 14.01.2010 г. по 30.12.2010 г на независимом материале. Всего было рассчитано и проанализировано 286 прогнозов (табл.1). Расчеты прогнозов осуществлялись сотрудниками ГУ СибНИГМИ.
Обобщение результатов испытания и подготовка отчета осуществлялось в Западно-Сибирском ЦМС ГУ <Новосибирский ЦГМС-РСМЦ>.
Оценки оправдываемости прогнозов общего уровня загрязнения на 1-3 суток
|
| сутки | месяц / оправдываемость в % |
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | год |
| 1* | 67 | 53 | 70 | 57 | 29 | 63 | 91 | 75 | 77 | 64 | 89 | 100 | 70 |
| 0 | 83 | 81 | 85 | 85 | 84 | 96 | 86 | 79 | 84 | 87 | 83 | 100 | 87 |
| 1 | 86 | 89 | 94 | 72 | 78 | 100 | 84 | 75 | 82 | 83 | 100 | 100 | 87 |
| 2 | 89 | 86 | 80 | 81 | 85 | 100 | 84 | 77 | 81 | 87 | 100 | 100 | 88 |
| 3 | 90 | 81 | 85 | 75 | 89 | 100 | 86 | 73 | 93 | 69 | 100 | 100 | 87 |
| N | 16 | 26 | 30 | 19 | 31 | 28 | 25 | 28 | 28 | 28 | 13 | 14 | 286 |
| 1* - метод И.А.Шевчук (оперативныйдо2011г) |
| N - число оцененных прогнозов |
Оценки предупрежденности повышенного уровня загрязнения на 1-3 суток
|
| сутки | Месяц / предупрежденность в % |
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | год |
| 1* | 63 | 61 | 73 | 59 | 75 | 71 | 70 | 59 | 61 | 58 | 63 | 72 | 65 |
| 0 | 92 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 96 | 91 | 98 | 97 | 98 |
| 1 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 92 | 86 | 95 | 93 | 97 |
| 2 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 88 | 86 | 92 | 91 | 96 |
| 3 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 97 | 100 | 82 | 94 | 95 | 97 |
| 1* - метод_И.А.Шевчук(оперативный до 2011г) |
Сравнительная оценка предупрежденности методических прогнозов и прогнозов И.А. Шевчук показала явное преимущество методических прогнозов на 30-40%. Параллельно были оценены оперативность и удобство разработанной технологии.
По результатам проведенных испытаний отмечено:
1. впервые разработан автоматизированный метод позволяющий составить прогноз по городу Новосибирску на 1-3 суток;
2. большая заблаговременность прогнозов (до трех суток) создает для потребителей возможность использовать прогнозы в планировании и решении ряда задач по снижению выбросов при неблагоприятных метеоусловиях;
3. для расчетов прогнозов используется современная прогностическая продукция, поступающая в Западно-Сибирское УГМС;
4. технология расчета прогнозов по новому методу объективна и экономична.
Исходя из вышеизложенного данный
метод рекомендован к использованию в оперативной работе Западно-Сибирского ЦМС ГУ <Новосибирский ЦГМС-РСМЦ> и принят актом от 17 марта 2011г в оперативную эксплуатацию как основной.
Зав. ОИнИТ СибНИГМИ
В.М.Токарев
04.02.2012