V.3. A CMAQ légköri terjedési modell

Az utóbbi évtizedekben a levegőkörnyezeti szabályozásban egyre fontosabbá vált az egészségre káros légköri összetevők, mint például az ózon, vagy szálló por koncentrációjának egyre pontosabb mérése, előrejelzése. Az Amerikai Egyesült Államokban – ahol a bemutatásra kerülő CMAQ terjedési modellt is kifejlesztették – az USA Környezetvédelmi Ügynöksége (EPA – Environmental Protection Agency, http://www.epa.gov/) felügyeli azoknak a magas kockázatú légköri összetevőknek a koncentrációját, amelyeknek a mennyiségét a Tiszta Levegő Törvény (Clean Air Act) szabályozza. Ez igen nehéz feladat, mivel térben és időben folyamatosan változó koncentrációkat kell meghatározni, illetve amennyiben lehetőség van rá, előrejelezni. A veszélyesnek minősített komponensek mérlegének elkészítéséhez és folyamatos felügyeletéhez az EPA regionális légköri terjedési modelleket használ.

Az első generációs terjedési modellek a Gauss „csóva”, illetve a vizsgált anyag lokális koncentrációja alapján számítottak terjedést. A második generációs modelleket már jóval szélesebb körben lehetett használni, mivel alkalmasak voltak helyi, városi, vagy akár regionális becslésre is. Ezek a modellek sok esetben almodellek segítségével dolgoztak, amelyek egy-egy összetevő időbeli és térbeli változására fókuszáltak. Ez a megoldás a légkörben lejátszódó összetett reakció mechanizmusok részletes leírását még nem tette lehetővé. Mivel bizonyos emissziós források több, különböző gáz esetében is hozzájárulnak a légköri koncentráció tér- és időbeli alakulásához, ezért alkalmasnak kell kenni a modelleknek mind a rövid, mind a hosszú élettartamú légköri összetevők leírására. Az ilyen típusú modellek, az integrált almodellek segítségével, az összetett légköri reakciómechanizmusokat is nagy pontossággal képesek leírni, így mind időben, mind térben megbízható és költséghatékony becslést készítenek a vizsgált gázok légköri koncentrációjáról. E modellek közül ki kell emelni az EPA CMAQ (Community Multiscale Air Quality – közösségi, multiskálájú levegőminőség számító) harmadik generációs modellt, amely az egyik legdinamikusabban fejlődő és legsokoldalúbb (http://www.cmaq-model.org) szabadon hozzáférhető rendszer. A CMAQ egy 3D Euler-típusú légkörkémiai terjedési modell, amely a különböző szemcseméretű por, ózon és toxikus levegő összetevők szimulálása mellett becslést készít a látótávolságról, a savas és a kimosódással a talajba kerülő összetevőkről is. A CMAQ modell komplexitásából adódóan képes a különböző levegőminőségi szempontokat egyidejűleg kiszolgálni és a kis területekre végzett modellezéstől akár földrésznyi területekre is becslést adni. A modell nyílt forráskódú és szabadon fejleszthető. A könnyű kezelhetőség és átláthatóság érdekében a modellt alegységekből, modulokból építették fel. Ez biztosítja, hogy az egyes elemek gyorsan és hatékonyan módosíthatók, parametrizálhatók.

A levegőminőségi modellek integrálják azokat az összetett folyamatokat, amelyek leírják a légkör összetevőinek koncentráció változását térben és időben. Kapcsolatot teremtenek a meteorológia, a kémiai átalakulások, az emissziós források és az átalakulási folyamatok között. E feltételeket a CMAQ modell is teljesíti. A 3D Euler-típusú rács modell az egyes rácscellákban anyagmérleget számol, majd az információt „továbbadja” (advektálja) a szomszédos rácscelláknak. A CMAQ modellnek két fő bemeneti adatforrásra van. Az egyik a meteorológiai információ, a másik az emissziós források, amelyek befolyásolják a levegő minőséget (különböző emisszió-katasztereket használhat).

A meteorológiai bemeneti adatok az elsődleges fizikai hajtóerőt (hőmérséklet, szél, felhőképződés, csapadék) jelentik a 3D-s légköri terjedési modell számára. A CMAQ modellnek mind a Pennsylvaniai Állami Egyetem és az NCAR (National Center for Atmospheric Research) által fejlesztett MM5 Mesoscale Modell, mind a Weather Research and Forecasting (WRF) model – Advanced Research WRF (WRF-ARW) (Skamarock et al., 2005, 2008) megfelelő meteorológiai bemeneti adatforrást biztosítanak. A meteorológiai bemeneti adatokat a következő formában kezeli a modell:

Az emissziós bementi adatok meghatározásához a CMAQ emissziós modellek eredményeire támaszkodik, amelyek meghatározzák a kibocsátott vegyületek mennyiségét és a forrás pontos helyét. Nyílt forráskódú modellek, mint a Sparse Matrix Operator Kernel Emissions (SMOKE) modell (http://www.smoke-model.org/) vagy a Consolidated Community Emissions Processing Tool (CONCEPT) (http://www.conceptmodel.org/) megfelelő, éves, országos szintű emissziós bemeneti adatokat biztosítanak a CMAQ modell számára.  Ezeknek a bementi adatoknak azonos horizontális és vertikális felbontással kell rendelkezniük, azonos időszakra kell vonatkozniuk és azonos területeket kell lefedniük, mint amiket a modellfuttatás során használnak. Az emissziós bemeneti adatokban szerepelnie kell az illékony szerves vegyületeknek (volatile organic compound , VOC) is, amely a kémiai parametrizációhoz szükséges. A jelenleg is használt fotokémiai mechanizmust 2005-ben frissítették a „Carbon Bond mechanism” (CB05) és a „Version 1999 (SAPRC-99) mechanism” modulban (Yarwood et al., 2005; Carter, 1990, 2000a,b). A „Chemistry and Transport” modulban további beállítási lehetőségek vannak a gáz fázisú kémiai reakciók finomhangolására (Byun és Ching, 1999; Byun és Schere, 2006). Ezek a bemeneti adatforrások, mint elsődleges emissziós források, az aeroszol részecskék mennyiségéről is szolgáltatnak információkat. A CMAQ lehetőséget biztosít a CHEMMECH (chemical mechanism compiler – kémiai reakció fordító) segítségével olyan kémiai mechanizmusok megadására is, amely reakciók a hivatalos programkiadásban nem szerepelnek.

A CMAQ a kezdetektől a tudományos közösségnek szánt, a közösség által fejleszthető, javítható, tökéletesíthető modell volt. A szabványosított szimulációs környezetnek köszönhetően a levegő minőség modellezésével foglalkozó kutatók hatékonyan tudtak részt venni a program fejlesztésében és új modulok kialakításában. A nyílt forráskódnak, az Input/Output Applications Programming Interface (I/O API) library és a network Common Data Form (netCDF) library használatának köszönhetően, a modulokból felépülő modell gyorsan fejlődik és jól szabályozható az input/output fájlok formátuma. A CMAQ ezen fejlesztési megoldásoknak is köszönhetően hordozható, platform független, jól parametrizálható, ami igen nagyszámú, különböző beállítási variációkra ad lehetőséget. Ennek következtében eltérő eredményt kaphatunk, akár azonos területre végzett szimuláció esetén is.

A modellt eredményesen használhatják a felhasználók mind kutatási, mind szabályozási, előrejelzési területen. Bár ezeknek a területeknek az igényei nem feltétlenül egyeznek, és számos egyedi fejlesztést igényel a kiszolgálásuk, a CMAQ modell mégis sikeresen ötvözi az itt felmerülő igényeket. Egy átlátható, hatékony és tudományos szempontból sikeres eszköz a különböző területekről és az eltérő igényekkel rendelkező felhasználók számára.

A következő érvek szólnak a CMAQ modell használata, fejlesztése mellett:

Ezek az indokok és a modell bizonyított teljesítménye alkalmassá teszik akár oktatáshoz, akár kutatásokhoz, akár mindennapos levegőminőség előrejelzéshez.

A modell adaptálása az ELTE Meteorológiai Tanszékén is megkezdődött, s reményeink szerint folytatódni is fog talán éppen az érdeklődő hallgatók közreműködésével.