Giáo trình bảo vệ môi trường - Phần 1 Bảo vệ khí quyển - Chương 7 ppsx

177 178


Chơng 7
Dự báo sự ô nhiễm nền của không khí
thnh phố
7.1. Mở đầu
Các điều kiện khí tợng ứng với sự ô nhiễm nền cao của
không khí nên đợc nghiên cứu ở từng thnh phố bằng cách
phân tích kết quả quan trắc. Thông thờng trong thnh phố, tại
mạng lới trạm của ủy ban Nh nớc về Khí tợng Thủy văn
Liên Xô mỗi ngy thu lợm 50100 mẫu không khí về các hợp
phần tạp chất khác nhau.
Để đánh giá mức độ ô nhiễm khí quyển thnh phố nói
chung, ngời ta sử dụng những chỉ tiêu tổng quát khác nhau.
Một trong những chỉ tiêu ô nhiễm đơn giản nhất l nồng độ
quy chuẩn (không thứ nguyên) các tạp chất (
*q ) lấy trung bình
theo ton thnh phố v theo tất cả các hạm quan trắc:

=
=
N
i
i
i
q
q
N
q
1

1
* , (7.1)
trong đó

i
q
nồng độ trung bình ngy ở điểm i ,

i
q
nồng độ
trung bình mùa ở cùng điểm đó,
N số điểm cố định trong
thnh phố.
Sự chuẩn hóa theo nồng độ trung bình mùa cho phép loại
trừ ảnh hởng biến đổi nồng độ chung từ năm ny tới năm
khác, do đó chúng ta có thể sử dụng chuỗi quan trắc trong một
số năm để phân tích.
Một chỉ tiêu ô nhiễm khác đợc dùng l hệ số của số hạng
thứ nhất trong biểu thức khai triển nồng độ tạp chất theo các
hm trực giao tự nhiên:

=

=
N
i
ii
q

1
11

, (7.2)
trong đó

i 1

các hợp phần của hm trực giao tự nhiên,
=

iii
qqq độ lệch nồng độ so với giá trị trung bình của nó tại
điểm
i .
Hệ số
1

đặc trng cho sự tăng hoặc giảm đồng thời nồng
độ tạp chất theo ton thnh phố (chỉ tiêu ny có thể sử dụng chỉ
cho những điểm quan trắc no m ở đó tính toán thực hiện bằng
máy tính điện tử).
Đợc dùng phổ biến nhất l chỉ tiêu thứ ba về ô nhiễm nền
của thnh phố tham số
P
n
m
=
, (7.3)
trong đó

n tổng số quan trắc về nồng độ tạp chất trong thnh
phố trong một ngy, tại tất cả các điểm cố định,
m số quan
trắc nồng độ vợt trên giá trị trung bình mùa hơn 1,5 lần
(
ii
qq 5,1>
).
Tham số P liên hệ mật thiết với hệ số
1

, các hệ số tơng
quan
r
giữa chúng bằng 0,850,94, v giá trị trung bình quy
chuẩn
*q (
90,065,0 =r
). Các giá trị trung bình mùa
i
q tại
điểm
i đợc xác định cho từng năm theo các giá trị trung bình
tháng, thí dụ, đối với mùa hè
179 180
3
VIII VII VI iii
i
qqq
q

++
=
.
Tróng tính toán nghiệp vụ, P phải căn cứ vo các giá trị trung
bình
i
q trong mùa tơng ứng của năm trớc v tháng trớc của
năm đang xét.
Đối với nhiều thnh phố, tham số P có thể tính theo tập
hợp chuỗi các tạp chất. Chỉ cần loại trừ những tạp chất đặc thù,
tức các tạp chất đi vo khí quyển từ những nguồn thể hiện rõ.
Tồn tại một mối liên hệ tơng quan khá chặt chẽ giữa tham
số P tính đối với tất cả v các nồng độ trung bình ngy
q
của
các tạp chất riêng lẻ (CO, SO
2
, NO
2
): các hệ số tơng quan giữa
P v
q
ở Lêningrat v Chita tuần tự bằng 0,76 v 0,82 đối với
SO
2
, 0,70 v 0,84 đối với NO
2
, 0,58 v 0,69 đối với CO.
Ngời ta phân biệt ba mức ô nhiễm không khí ở thnh phố:
mức cao nhất (nhóm I) P > 0,35; mức nâng cao (nhóm II)

0,20 < P 0,35 v mức hạ thấp (nhóm III) P 0,20.
Mức ô nhiễm cao nhất (P > 0,35) đợc hình thnh trong
những điều kiện khí tợng sau đây:
1) Ban đêm hoặc buổi sáng của ngy đang xét gió rất yếu
(dới 1 m/s) hoặc lặng gió, còn ngy hôm trớc thì quan sát thấy
giá trị nâng cao của P: P > 0,3;
2) Ban ngy (theo số liệu quan trắc lúc 15 giờ) lặng gió hoặc
gió rất yếu, còn ngy hôm trớc thì P > 0,15;
3) Nhiệt độ không khí tơng đối cao với gió yếu (dới 5 m/s)
vo các giờ sáng sớm của ngy đang xét, còn ngy hôm trớc thì
P > 0,30;
4) Gió vừa (36 m/s) v phân tầng bất ổn định ban ngy
đợc thay thế thnh buổi chiều lặng gió, còn ngy hôm trớc thì
P >0,15;
5) Ngy hôm trớc P >0,4, còn ngy tiếp sa
u thì không hy
vọng tăng gió hoặc giáng thủy đáng kể;
6) Trong khi gió rất yếu (dới 1 m/s), quan sát thấy sơng
mù hoặc nghịch nhiệt nâng cao.
Độ xác thực của từng dấu hiệu ny (các tiên lợng) bằng
6070 %.
Mức ô nhiễm hạ thấp đợc nhận thấy trong những điều
kiện khí tợng sau đây:
1) Tốc độ gió (theo cột đo gió) vợt quá 56 m/s;
2) Ma vừa hoặc ma lớn;
3) Nửa sau của ngy hôm trớc P < 0,15.
Độ xác thực trong trờng hợp ny bằng 7090 %.
Mức ô nhiễm cao nhất quan sát thấy ở những phần trung
tâm của các xoáy nghịch dừng, trong các trờng khí áp có
gradient nhỏ với bình lu nhiệt trong lớp đối lu, ở các phần

phía tây v tây bắc của các xoáy nghịch ít di chuyển, ở các cung
ấm của các xoáy thuận với những trị số gradient áp suất nhỏ.
Ô nhiễm hạ thấp đợc quan sát thấy khi hoạt động xoáy
thuận tích cực, với những trị số gradient áp suất lớn.
7.2. Phơng pháp nhận dạng
Phơng pháp nhận dạng quy về xác định mức độ gần giống
của một tình huống cụ thể với các mức ô nhiễm nêu ở trên. Với
mục đích đó, đối với mỗi mức ô nhiễm, ngời ta xác định trị số
trung bình
x
v độ lệch bình phơng trung bình
x

của các
tiên lợng sau: tốc độ gió tại độ cao 10 m (
10
u ) v 500 m (
500
u ),
hiệu nhiệt độ của không khí ở mặt đất
0
T v ở độ cao 500 m
500
T :
181 182
(
5000
TTT = ), bản thân nhiệt độ
0
T tại độ cao 2 m v tham số

P trong ngy hôm trớc. Sau đó tính các đại lợng

=









=
5
1
2


2
k
x
jkk
j
jk
xx


. (7.4)
đặc trng cho sự gần giống của tình huống khí tợng cụ thể
đang xét với trạng thái trung bình của mức ô nhiễm

j
,
III II, I,=j . ở đây
101
ux = ,
5002
ux = , Tx =
3
,
04
Tx = , =
5
x P,

jk
x

các trị số trung bình của đại lợng
k
x
với mức ô nhiễm j ,

jkx

độ lệch bình phơng trung bình của đại lợng
k
x với
cùng mức ô nhiễm
j .
Những trị số trung bình v độ lệch bình phơng trung bình

của các tiên lợng nhận đợc theo số liệu quan trắc vo mùa
đông ở Krasnoyarsk đợc biểu diễn trong bảng 7.1.
Bảng 7.1. Những trị số trung bình v độ lệch bình phơng trung bình
của các đại lợng khí tợng đối với các mức ô nhiễm
Các trị số trung bình Độ lệch bình phơng trung bình
Mức ô
nhiễm
10
u
m/s
500
u
m/s
T
o
C
0
T
o
C
P
10
u
m/s
500
u
m/s
T
o
C

0
T
o
C
P
I 1,44 6,1
1,6 25
0,31 2,4 3,4 4,0 8,2 0,10
II 1,85 8,7
1,3 20
0,17 2,3 4,6 4,3 9,7 0,10
III 6,25 13,3
1,4 15
0,15 5,2 4,4 3,5 11,9 0,08
Theo lý thuyết, sự ô nhiễm không khí cng mạnh nếu: tốc
độ gió ở mặt đất v tại độ cao 500 m cng nhỏ, hiệu
T
(về mô
đun) cng lớn, nhiệt độ không khí sát mặt đất
0
T cng thấp v
mức ô nhiễm trong ngy trớc đó P cng cao.
Trên cơ sở các số liệu thực về các tiên lợng
k
x , theo biểu
thức (7.4), chúng ta tính các đại lợng
2
I

,

2
II

v
3
III

. Ta sẽ quy
tình huống cụ thể đang xét vo nhóm no m đại lợng
2
j

tỏ ra
nhỏ nhất. Thí dụ, vo một ngy đã quan trắc đợc:
0
10
=u ,
5
500
=u
m/s, 3=T
o
C,
22
0
=T
o
C, P = 0,27. Với những giá trị
của
jk

x

v
jk x

biểu diễn trong bảng 7.1, trong trờng hợp ny
ta có:
89,0
2
I
=

;
87,2
2
II
=

;
84,7
2
III
=

. Nh vậy, phải xếp trờng
hợp đang xét vo mức ô nhiễm cao nhất, vì

2
I

nhỏ nhất. Độ
xác thực của các dự báo lập theo phơng pháp nhận dạng bằng
7375 %.
7.3. Phơng pháp hồi qui đồ thị liên tiếp
Phơng pháp hồi quy đồ thị liên tiếp bao gồm xây dựng các
đồ thị tơng quan theo chuỗi quan trắc hiện có để xác định
tham số P theo những tập hợp các đại lợng khác nhau (các
tiên lợng) có ảnh hởng đáng kể tới mức ô nhiễm. Trong một
phơng án phổ biến nhất của sơ đồ dự báo ny, ngời ta sử
dụng những cặp tiên lợng sau:
10
u
v
T
,
500
u
v P.
Trên hình 7.1 dẫn thí dụ xây dựng các đồ thị tơng quan.
Trên hình 7.1 a, trên các trục tọa độ đặt tốc độ gió
10
u
tại độ cao
10 m, tức tại mực cột đo gió, v hiệu
T
nhiệt độ không khí ở
mặt đất
0
T
v tại độ cao 500 m

500
T
, trên hình 7.1 b tốc độ gió
500
u v giá trị (P) của tham số P ở ngy trớc. Các đồ thị tơng
tự đợc dựng cho từng thnh phố, sử dụng tất cả những ti liệu
quan trắc trong một số năm. Với mục đích đó, theo các trị số
T

v
10
u quan trắc trên đồ thị (hình 7.1 a), ngời ta chấm các điểm
v cạnh chúng ghi giá trị của tham số P xác định trong chính
183 184
thời hạn xác định
T
,
10
u . Sau khi số điểm đủ lớn bao quát tất
cả các mức ô nhiễm đợc chấm lên đồ thị, ngời ta vẽ các đờng
đẳng trị tham số P (cách 0,1) sao cho giữa các đờng đẳng trị P
đã đợc vẽ có số điểm với những ghi chú tơng ứng nhiều nhất.
Bằng cách tơng tự, ngời ta dựng đồ thị theo các trị số
500
u v
P. Những đồ thị ny xây dựng riêng rẽ không những cho mỗi
thnh phố, m cả với một chuỗi quan trắc lớn đối với mỗi mùa
của năm.

Hình 7.1. Các đồ thị để dự báo ô nhiễm nền không khí ở thnh phố

a) phụ thuộc của tham số P vo hiệu nhiệt độ trong lớp 0500 m ( T ) v vo tốc độ gió
tại mực cột đo gió (
10
u ); b) phụ thuộc của tham số P vo tốc độ gió tại mực 500 m (
500
u )
v giá trị P ở ngy trớc đó (P); c) những giá trị dự báo P đợc xác định theo bốn chỉ tiêu.
Có thể lu ý một số đặc điểm của các đồ thị tơng tự nh đồ
thị đợc biểu diễn trên hình 7.1. Các mức ô nhiễm cao nhất v
nâng cao (P > 0,30,4) đợc thấy trong những trờng hợp sau:
1) Gió sát mặt đất gần với lặng gió v trạng thái nghịch
nhiệt của phần phía dới của lớp biên;
2) Tốc độ gió vừa (23 m/s) v giảm mạnh nhiệt độ không
khí theo độ cao (
3>T
o
C/100 m).
Sự hiện diện của cực đại ny trên hình 7.1 a đợc giải thích
do ô nhiễm lớp không khí sát đất bởi các tạp chất do các nguồn
cao phát thải ra (độ cao hơn 100200 m): trong gió yếu v phân
tầng nghịch (trao đổi rối suy yếu), những tạp chất ny đợc bảo
tồn trên độ cao; trong gió mạnh trao đổi rối phân tán tạp chất đi
khắp lớp biên; v chỉ trong tốc gió vừa v không có nghịch nhiệt
độ thì các phát thải từ những nguồn cao trong khi lan truyền
xuống dới v lên trên sẽ tạo nên mức ô nhiễm không khí nâng
cao ở gần mặt đất;
3) Mức ô nhiễm cao nhất ở ngy trớc, cũng nh khi gió suy
yếu trên độ cao 500 m.
Sau khi những đồ thị tơng tự nh trên hình 7.1 theo kết
quả quan trắc trong một số năm đợc xây dựng, ngời ta sử

dụng chúng để dự báo mức ô nhiễm. Khác với chẩn đoán, khi dự
báo, với t cách l những tham số đầu vo
T
,
10
u ,
500
u , ngời
ta dùng những trị số dự báo của chúng (dự báo đợc theo một hệ
phơng pháp no đó trong số những hệ phơng pháp đợc chấp
nhận: synop, số trị). Tham số P đợc xác định theo số liệu quan
trắc trong ngy hiện tại v đợc sử dụng với t cách l tham số
đầu vo trên hình 7.1 b khi dự báo mức ô nhiễm cho ngy tiếp
sau. Nhận định cuối cùng về mức ô nhiễm P đợc thiết lập theo
hình 7.1 c, trên đó theo các trục tọa độ ta đặt các giá trị của
tham số P xác định đợc theo hình 7.1 a (P
10
u
,
T
) v theo hình
7.1 b (P
P,
500
u
).
Chúng tôi dẫn thí dụ dự báo P. Nếu theo số liệu dự báo khí
tợng ngy mai dự đoán đợc
3
10

=u m/s, 2=
T
o
C/100 m v
8
500
=u m/s, theo số liệu quan trắc hôm nay P = 0,18, thì theo
hình 7.1a, ta tìm đợc:
P
10
u
,
T

= 0,17,
185 186
còn theo hình 7.1 b:
P
P,
500
u
= 0,18.
Với những trị số sau cùng lm đầu vo của đồ thị 7.1 c, cuối
cùng ta tìm đợc rằng mức ô nhiễm ngy mai dự đoán bằng
0,17. Thờng ngời ta dự báo nhóm, trong trờng hợp đang xét
l nhóm III mức ô nhiễm hạ thấp.
Ngời ta đã lập các đồ thị, thí dụ cho Đonetsk, nhờ đó dự
báo xác suất các mức ô nhiễm. Trên hình 7.2 dẫn các đồ thị đợc
dùng để dự báo mức ô nhiễm cao nhất (P > 0,30). ở đây trên các
trục tọa độ đặt:

10
u
v
T
trên hình 7.2 a, P v gradient ngang
850
H của độ cao mặt 850 hPa trên hình 7.2 b. Những đờng
cong dẫn ra trên các hình ny dựa trên phân tích ti liệu thực
nghiệm l những đờng đẳng trị xác suất dự báo với mức ô
nhiễm P > 0,30. Theo hình 7.2 a, trong gió sát đất yếu v
nghịch nhiệt độ (
0<T ), xác suất mức ô nhiễm cao nhất bằng
60100 %. Xác suất mức cao nhất ứng với những giá trị nhỏ của
gradient
850
H
(tốc độ gió tỉ lệ với nó) v những giá trị P lớn
cũng cao cỡ nh vậy (hơn 80 %) (hình 7.2 b).
Nhận định cuối cùng về dự báo đợc thực hiện nhờ đồ thị
trên hình 7.2 c, trên đó theo các trục tọa độ đặt các xác suất xác
định đợc theo hình 7.2 b (P
,
850
H

P
) v hình 7.2 a (P
10
u
,

T
).
Độ xác thực của các dự báo lập theo phơng pháp hồi quy
đồ thị thờng không thấp hơn 80 %.
Khi dự báo đờng cong phân tầng của lớp biên, phải tính
đến những biến đổi bình lu v đối lu của niệt độ không khí,
biến trình ngy, sự biến tính của khối không khí. Kinh nghiệm
cho thấy, có thể thu hút thêm thông tin bổ sung quý giá nếu bên
cạnh bản đồ synop mặt đất v những bản đồ địa hình các mặt
850 v 700 hPa, chúng ta dựng thêm bản đồ mặt 925 hPa. Tốc
độ cực đại trên mặt 925 hPa sẽ gần bằng nửa tổng của các tốc
độ gió địa chuyển xác định đợc theo bản đồ mặt đất v bản đồ
mặt 850 hPa.

Hình 7.2. Các đồ thị để dự báo mức ô nhiễm cao nhất của không khí thnh phố
a) độ lặp lại (số trờng hợp) P
30,0
tùy thuộc hiệu các nhiệt độ không khí
c
T
v tốc độ
gió
10
u ; b) độ lặp lại (số trờng hợp) P 30,0 tùy thuộc gradient địa thế vị mặt 850 hPa
v trị số P; c) xác suất dự báo (số trờng hợp) P
30,0 xác định theo bốn tiên lợng
187 188
Khi dự báo, các nghịch nhiệt sẽ có ích nếu sử dụng các đồ
thị tơng tự nh những đồ thị trên hình 7.3. Khi lập dự báo cho
09 giờ (hình 7.3 a) sử dụng gradient thẳng đứng

của nhiệt độ
trong lớp 0500 m theo số liệu thám không lúc 21 giờ của các
ngy trớc v hiệu giữa nhiệt độ không khí tại độ cao 2 m lúc 21
giờ v nhiệt độ cực tiểu tại cùng độ cao ny trong vòng đêm tới
(
min211
TTT = ). Dự báo các nghịch nhiệt lúc 15 giờ (hình 7.3 b)
đợc lập theo

ở lớp 0500 m lúc 03 giờ v hiệu
T
giữa nhiệt
độ không khí cực đại tại độ cao 2 m trong ngy tới v nhiệt độ
lúc 03 giờ (
03max2
TTT = ). Các nghịch nhiệt mặt đất v nghịc
nhiệt nâng cao đợc dự báo theo những đồ thị tơng tự nh
hình 7.3 với xác suất 8090 %.

Hình 7.3. Các đồ thị để dự báo những nghịch nhiệt mặt đất v nâng cao
v trạng thái không nghịch nhiệt ở Kiev cho 9 giờ (a) v 15 giờ (b)
Phân tích các quan trắc ở Novosibirsk dẫn tới kết luận rằng
mức ô nhiễm không khí liên hệ tơng quan chặt chẽ với một
tham số biểu diễn tỉ số giữa gradient áp suất phơng ngang xác
định theo bản đồ mặt đất v
850
H trong bán kính 500 km trên
hiệu nhiệt độ không khí tại mặt 925 hPa v ở mặt đất. Khi tỉ số
ny tăng, tức khi tăng tốc độ gió địa chuyển hoặc giảm hiệu

nhiệt độ trong phân tầng nghịch, thì xác suất xuất hiện mức ô
nhiễm cao nhất của một hoặc của đồng thời một số chất ô nhiễm
sẽ giảm.
Ngời ta cũng nhận thấy rằng xác suất mức ô nhiễm cao
nhất của khí quyển bởi cặn khói sẽ tăng khi độ ẩm tơng đối
của không khí tăng.