Ankara'da Hava Kirliliği Episodları Esnasında Atmosferik Şartların Analizi

Abstract

Hava kalitesine yönelik sınıflandırmalar içerisinde episodlar önemli parametrelerdir. Şehirsel hava kirliliği olaylarının incelenmesinde, episod olayları ve bunların meydana gelmesine zemin hazırlayan atmosferik dispersif şartlarının belirlenmesi gerekir. Bu çalışmada, Ankara'da 1989-1994 yıllan kış aylarında (Ekim-Mart) ölçülen SO2 ve partikül madde (PM)'nin ortalama değerlerinden episod günleri tespit edilerek, bunların yerel meteorolojik parametreler ve sinoptik ölçekli olaylar arasındaki bağıntıları analiz edilmiştir. Aşağı atmosferin düşey yapısı hakkında bilgi edinebilmek için Ankara'nın yerel meteorolojik parametreleri ve radyosondaj gözlemlerinin yam sıra özellikle vortisiti ve termal rüzgar hesaplamasında kullanılmak üzere Türkiye'deki yedi adet radyosonde istasyonundan yapılan sondaj verileri gözönüne alınmıştır. Bu veriler şunlardır. a) Yer, 850 hPa, 700 hPa ve 500 hPa seviyelerindeki günlük sıcaklık, basınç, bağıl nem, jeopotansiyel yükseklik ve rüzgar yön ve hız değerleri, b) 0000 GMT ve 1200 GMT'de meydana gelmiş olan yüzey enverziyonlar ve bunların taban ve tavan yükseklikleri, kalınlıkları ve taban-tavan sıcaklık farkları, c) Sinoptik yer haritaları (0000 GMT), d) Ortalama sıcaklık değerleri (günlük, aylık ve yıllık), Bu çalışmada, hava kalitesi episodlan için şu kriter belirlenmiştir: SO2 veya PMMen birinin 24 saatlik periyotta en az iki ölçme istasyonunda ve en az iki gün süren bir olayda dış hava kalite sınırlarını aşmasıdır. Bu kriter çerçevesinde, 1989-1994 periyodunda S02> 250 ug/m3 için 2-21 gün süren toplam 42 adet (toplam 243 gün), SO2 > 400 ug/m3 için 2-10 gün süren toplam 26 adet (toplam 92 gün), PM> 200 ug/m3 için 2-llgün süren toplam 40 adet (toplam 135 gün) ve PM> 300 ug/m3 için 2-5gün süren toplam 9 adet (toplam 27 gün) hava kirliliği episodunun meydana geldiği tespit edilmiştir. Episodlar süre olarak en fazla Ocak aylarında, en az ise Ekim aylarında meydana gelmiştir. Bir akışkan içerisindeki dönüşün mikroskobik ölçüsü olan vortisiti, hızın rotasyoneli olarak tanımlanan vektör alanıdır. Büyük ölçekli dinamik meteorolojide genel olarak sırasıyla rj ve C, ile gösterilen mutlak ve bağıl vortisitinin sadece düşey bileşenleri ile ilgilenilir. Geniş pozitif (negatif) bölgelerde bağıl vortisiti(Q, kuzey yarımkürede siklonik fırtınalarla işbirliği içerisinde gelişme eğilimi göstermektedir. Bundan dolayı bağıl vortisitinin dağılımı hava analizi için iyi bir diagnostik araçtır. Mutlak ve bağıl vortisiti arasındaki fark, rotasyonu için dünyaya bağımlı olan vortisitinin yerel düşey bileşeni olan planeter vortisitidir: k.VxUe = 2Qsin<|> = /. Böylece mutlak vortisiti r|=Ç+/, bağıl vortisiti C ile ya da kartezyen koordinatlarda; il = dv/dK-du/dy+f, Ç = dv/dx-du/dy (1) şeklinde ifade edilmektedir. Hava parseli kendi etrafında saat yönünde (Ç < 0) dönüyorsa buna antisiklonik (-) vortisiti, kendi etrafında saat yönünün tersine (Ç > 0) dönüyorsa buna siklonik (+) vortisiti denir. Bağıl vortisitiyi (Q hesaplamak için yukarıda belirtilen denklem kullanılmıştır. 7 adet radyosonde istasyonlarım içine alacak şekilde Türkiye 2 derece (1 derece=l 1 1 km.) aralıkla 32 (8x4) grid noktasına ayrılmıştır. Radyosonde istasyonlarına ait rüzgar hız ve yön verileri kullanılarak SO2 konsantrasyonunda 250 ug/m3 ve 400 ug/m3'ü aşan episod günlerine ait 850 hPa (0000 GMT ve 1200 GMT), 700 hPa (0000 GMT) ve 500 hPa (0000 GMT) seviyelerindeki bağıl vortisiti hesaplanmıştır. Ayrıca, episod günlerindeki (SO2 > 400 ug/m3) değerler kullanılarak bağıl vortisitinin düşey dağılım profili çizilmiştir. S02 > 250 ug/m3 episod günlerinde 850 hPa (0000 GMT ve 1200 GMT), 700 hPa (0000 GMT) ve 500 hPa (0000 GMT) seviyelerindeki toplam vortisiti değerlerinin %69.08'i negatifdir. En fazla negatif değerlerin %75.44 ile 850 hPa (1200 GMT) seviyesinde bulunmuştur. SO2 > 400 ug/m3 episod günlerinde ise 850 hPa (0000 GMT ve 1200 GMT), 700 hPa (0000 GMT) ve 500 hPa (0000 GMT) seviyelerindeki toplam vortisiti değerlerinin %74.02'si negatifdir. En fazla negatif değerlerin %82.76 ile 850 hPa (1200 GMT) seviyesinde bulunmuştur. SO2 > 400 ug/m3 episod günlerindeki toplam vortisiti değerlerin negatif olma yüzdesinin (%74.02), SO2 > 250 ug/m3 episod günlerindeki toplam vortisiti değerlerinin negatif olma yüzdesinden (%69.08) büyük olduğu görülmüştür. Bu ise vortisitinin negatif olma durumu ile yüksek kirletici değerler arasında doğru bir orantının olduğunu göstermektedir. Episodlann birinci günündeki vortisiti değerinin en fazla negatif olma durumu %79.17 ile 850 hPa seviyesinde olduğu tespit edilmiştir. Burada, 850 hPa seviyesinin vortisiti için önemli olduğu görülmektedir. Termal rüzgar, iki basınç seviyesi arasındaki jeostrofik rüzgar kaymasıdır. Termal rüzgar gözlenen rüzgar ve sıcaklık alanlarının analizini kontrol etmek için kullanılan faydalı bir araçtır. Ayrıca, termal rüzgar bir tabakadaki ortalama yatay sıcaklık adveksiyonunu tahmin etmek için de kullanılmaktadır. İki basınç seviyesindeki jeopotansiyel yükseklik farkı gözönünde bulundurularak termal rüzgar denklemi; UT=l/Pd(<|>ı-<|>o)/dy, vı=l/f*ö(<|>ı-(t>o)/5x, Wt=Vut2+vt2' (2) şeklinde ifade edilmektedir. Türkiye'deki 5 adet radyosonde istasyonundan alman 850 hPa (0000 GMT) ve 700 hPa (0000 GMT) basınç seviyelerindeki jeopotansiyel yükseklik verileri kullanılarak SO2 > 400 ug/m3 episod günlerine ait termal rüzgar değerleri hesaplanmıştır. Termal rüzgar değerlerinin l(bir)'den küçük ve ortalama değerinin 0.313 olduğu tespit edilmiştir. Bu değerlerin %47.2'sinin 0.05-0.25 aralığında yer alması episod günlerinde 850 hPa ile 700 hPa seviye arasında yatay sıcaklık gradyanının da küçük xı olduğunu göstermektedir. Bu durum episod günleri için çizilmiş olan düşey sıcaklık profillerinde de görülmektedir. Şehir alanlarındaki hava kirliliği episodlannın oluşumu yüksek basınç sisteminin varlığı veya yukarıdaki sıcak sut özelliğinin sıkça sebep olduğu yüzeydeki zayıf basınç gradyanlannm varlığıyla oluşmaktadır. Sübjektif yöntemle sinoptik yer kartlarından (0000 GMT) episod günlerindeki (S02 > 250 ug/m3 ve 400 ug/m3) yatay basınç gradyanlan tesbit edilmiştir. Bu basınç gradyanlan; çok zayıf (< 5 mb/1 100 km), zayıf ( 5 mb/550-1100 km), kuvvetli (5 mb/100-550 km) ve çok kuvvetli (>5 mb/0-100 km) şeklinde sınıflandırılmıştır. Burada, "zayıf ve "kuvvetli" basınç gradyanlanndaki kirletici konsantrasyon değerlerinin "çok zayıf ve "çok kuvvetli" basınç gradyanlanndaki kirletici konsantrasyon değerlerinden büyük olduğu belirlenmiştir. Bu durum, episod günlerinde atmosferin genelde sakin olduğunu, hareketli ortamın olmadığım göstermektedir. Atmosferin düşey yapısı içinde atmosferin sımr tabaka yüksekliğini tanımlayan 850 hPa seviye sıcaklığı önemli bir parametredir. 850 hPa seviyesindeki daha sıcak hava kütleleri daha dengeli atmosferi beraberinde getirir. Episod günlerinin 850 hPa seviyesindeki (0000 GMT) sıcaklık değerleri analiz edilmiştir. Episodlann birinci gününe kadar sıcaklığın azaldığı ve episodun birinci gününden itibaren sıcaklığın arttığı belirlenmiştir. Burada, episodlann belirlenmesinde bu seviye sıcaklığının önemli olduğu görülmüştür. Atmosferde rüzgann yükseklikle saat ibreleri yönünde (antisiklonik) değişmesi sıcak adveksiyonun olduğunu gösterdiği bilinmektedir. Yer, 850 hPa, 700 hPa, ve 500 hPa (0000 GMT) seviyelerindeki sıcaklık değerleri kullanılarak episod günlerindeki (SO2 ^ 400 ug/m3) düşey sıcaklık dağılım profili çizilmiştir. Bu profillerde, episod günlerindeki adveksiyonlar analiz edilmiştir. Toplam 88 episod gününün 66 gününde (%75) ve 24 adet episodun 18'nin birinci gününde (%75) rüzgann yükseklikle antisiklonik olarak değiştiği ve aynca 24 adet episodun 22'sindeki (%92) en yüksek SO2 konsantrasyonunun rüzgann yükseklikle antisiklonik olarak değiştiği günlerde meydana geldiği görülmüştür. Burada düşey sıcaklık dağılımının analizler için önemli olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak, negatif bağıl vortisiti ile yüksek hava kirliliği seviyeleri arasında bağıntı olduğu belirlenmiştir. Özellikle hava kirliliği analizlerinde bağıl vortisitinin önemli bir faktör olduğu tespit edilmiştir.

Among the methods for classifications of air quality, episodes are very effective parameters. To examine urban air pollution events, it is necessary to determine atmospheric dispersion conditions during these episodes. In this study, the episode days have been determined by examining average values of SO2 and PM measured during the winter months in Ankara between 1989(October)- 1994(March), and relationship between these episode days and local meteorological parameters and phenomenon at the synoptic scale have been analysed. In order to define the vertical structure of the lower atmosphere, local meteorological parameters and radiosonde observations in Ankara have been used. Relative vorticity and thermal wind, radiosonde data from seven radiosonde stations in Turkey have also been used. These data are: a) Daily average temperature, pressure, relative humidity, geopotential height, wind direction and speed at the surface, 850 hPa, 700 hPa and 500 hPa pressure levels, b) Surface inversions occurring at 0000 GMT and 1200 GMT, and inversion bottom-top heights, inversion thickness and inversion bottom-top temperature differences, c) Synoptic surface maps (0000 GMT), d) Average temperature values (daily, monthly and annually). In this study, the criteria for an air pollution episode are the following; at least two constituents (SO2 and PM) exceed ambient air quality limits in at least two monitoring stations, for a period not less than 24 hours, and the phenomenon lasts for at least 2 days. Following these criteria, 42 air pollution episodes, lasting of 2-21 days each (243 days in total), in which mean daily concentrations are higher than 250 ug/m3 of SO2, 26 air pollution episodes, lasting 2-10 days each (92 days in total) in which mean daily concentrations are higher than 400 ug/m3 of SO2, 40 air pollution episodes, lasting 2-11 days each (137 days in total) in which mean daily concentrations are higher than 200 ug/m3 of PM and 9 air pollution episodes, lasting, 2-5 days each (27 days in total) in which mean daily concentrations higher than 300 ug/m3 of PM were detected in the period 1989(October)-1994(March). Most of the episodes were determined in month of January minimum number of pollution episodes are observed in October. Vorticity, a measure of rotation in a fluid, is a vector field defined as the curl of velocity. In large-scale dynamic meteorology we are in general concerned only with the vertical components of absolute and relative vorticity, which are designated by r| Xlll and Ç, respectively. Regions of large positive (negative) Ç tend to develop in association with cyclonic storms in Northern (Southern) Hemisphere. Thus, the distribution of relative vorticity is an excellent diagnostic tool for weather analysis. The difference between absolute and relative vorticity is the planetary vorticity, which is just the local vertical component of the vorticity of the earth owing to its rotation; k.Vx.Ue = 2Q sin § = f. Thus, T|=C+/ or in Cartesian coordinates; Ç=dv/dx - du/dy i\=dv/dx - 3u/dy + / (1) The air parcel is rotated in a counter clockwise (Ç>0) or clockwise (Ç<0) direction. In order to calculate the relative vorticity Ç, the equation above are used. This area that includes 7 radiosonde stations has been divided into grids of 2° x 2° (1°=111 km.). Thus, 32 grid point (8x4) have been obtained. 850 hPa (0000 and 1200 GMT), 700 hPa (0000 GMT) and 500 hPa (0000 GMT) levels relative vorticity values of episode days in which SO2 concentrations exceeded 250 and 400 ug/m3 were calculated by using wind direction and speed taken from 7 radiosonde stations in Turkey. Vertical relative vorticity variation during episode days has been plotted. It was found that during the days in which SO2 concentrations exceeded 250 u,g/m3 69.08% of total vorticity values at levels of 850 hPa, 700 hPa and 500 hPa are negative. The highest percentage of negative values are found at 850 hPa (1200 GMT) with 75.44%. Also, it was found that during the days in which SO2 concentration exceeds 400 ug/m3 74.02% of total vorticity values at levels of 850 hPa, 700 hPa and 500 hPa were negative. The highest percentage of negative values are determined at 850 hPa (1200 GMT) with 82.76%. It was seen that the percentage of negative relative vorticity values at each pressure level for the days of SO2 exceeding 400 u,g/m3 is much greater than that of SO2 exceeding 250 ug/m3. This situation shows that there exists a direct relation between state of becoming negative of vorticity and high pollutant concentration. The percentage of vorticity value at the first day of episode period is greater than that of at 850 hPa level (79.17%). This situation shows that 850 hPa level has an important role for the vorticity. The thermal wind refers to the vector difference between the geostrophic winds at two levels. The thermal wind equation is an extremely useful diagnostic tool, which is often used to check the analyses of the observed wind and temperature fields for consistency. It can also be used to estimate the mean horizontal temperature advection in a layer. Alternatively, we may express the thermal wind for a given layer in terms of the horizontal gradient of the geopotential difference between the top and bottom of the layer; UT=l//*d(fo-4K>)/9y, vT= l//*d(fo-4h>)/ax, WT = >fû7+v? (2) Thermal wind was calculated for episode days of SO2 exceeding 400 ug/m3 by using geopotential height values at the levels of 850 hPa (0000 GMT) and 700 hPa (0000 GMT) taken from the 5 radiosonde stations in Turkey. It was found that the thermal wind values were less than 1. Its average value is 0.313, and 47.2% of the values lie between 0.005-0.25. This result indicates that horizontal temperature gradient is small between 850 hPa and 700 hPa on episode days, and this conclusion can be seen at the vertical temperature profiles drawn for the episode days. xiv It is well known that the occurrence of air pollution episodes in urban areas is favored by the existence of weak pressure gradients at the surface often caused by the presence of a high pressure system, or by a warm ridge aloft. The pressure gradients were determined from synoptic surface cards (0000 GMT) with subjective method on episode days (SO2 ^ 250 ug/m3 and 400 ng/m3) and these pressure gradients were classified as "very weak (less than 5 mb/1100 km.)", "relatively weak (5 mb/550-1100 km.)", relatively strong (5 mb/100-550 km)" and "strong (>5 mb/1-100 km). Pollutant concentration during the relatively weak and relatively strong pressure gradient days were found to be higher than very weak and strong pressure gradient days. This reveals that during days with unstable pressure gradient, atmosphere is generally calm. The temperature at 850 hPa is an important parameter providing information about atmospheric stability. High temperature at 850 hPa relative to the surface temperature indicates weak dispersion conditions. When temperature values of episode days at the level of 850 hPa (0000 GMT) were analysed, it was seen that the temperature at this level was important for the determination of episode days. It was also seen that, the temperature decreased up to the first day of episode, and started to increase after the first day of episode. It is known that, the clockwise change of wind with height shows the existence of warm advection. The vertical temperature distribution has been drawn by using the data for the episode days in which SO2 exceeded 400 ug/m3 and temperature values at the levels of surface, 850 hPa, 700 hPa and 500 hPa (0000 GMT). In this framework, the advection on episode days has been analysed using the vertical temperature profile. It has also been determined that, change in wind direction with height was anticyclonic at 66 days of totally 88 episode days (75%) and the first days of 18 episode days out of 24 (75%), and for the 22 episodes out of 24 (92%)the maximum SO2 concentration has occurred on the days of which wind has changed as anticyclonic with height. This situation shows that, vertical temperature distribution is an important instrument for the analysis. As a result, a direct relation between negative relative vorticity and higher air pollution levels has been observed. Therefore relative vorticity plays an important role on the analysis of air pollution.