Application of a mesoscale model to analyse the meteorology of urban air pollution episodes

Abstract

In the present study the MM5 mesoscale meteorological model has been applied to a winter and summer episode period in the urban area of London. The model performance in the urban environment was evaluated in comparison to measurements, and the problems were identified and discussed. A detailed sensitivity study of model configuration and physics parameters was also conducted, resulting in a suggestion for an optimum configuration of MM5 for London for winter and summer periods. The first episode period, 17th - 23rd of February 2003, was selected as national monitoring data revealed unusually high PM10 concentrations. The summer episode period, 4th - 10th of August 2003, was selected because observed temperatures were unusually high, and ozone concentrations were elevated. Overall, a reasonable agreement was achieved between MM5 predictions and measurements, and the pattern and diurnal variation of all the parameters studied was well reproduced. The model was also able to simulate the London urban heat island, as it predicted higher sensible heat fluxes, PBL height and temperatures for the urban London area in all the runs conducted. The verification against observations revealed the following differences in the model performance between the summer and winter periods. The model systematically underestimated the nocturnal urban temperatures and in some cases overcalculated rural wind speeds during the February period compared to the observations. The results were notably closer to the measurements during the summer period. In all cases, the PX and MRF PBL schemes were found to systematically produce more realistic results. A significant modification in initial soil moisture availability in February did not result in substantial changes in the model output. Increasing the horizontal and vertical resolution improved the agreement with observations in most cases, but the returns of reducing the horizontal grid spacing gradually diminished for the finer resolutions. During the February period, the incorporation of anthropogenic heat in the model substantially reduced the discrepancy between model generated and observed nocturnal urban temperatures. At the time of completion the present study was the first research application of MM5 to a large UK city. It was also the first MM5 evaluation based on a detailed sensitivity analysis carried out for London. Another important outcome of this sensitivity study was the recommendations for further work in the light of limitations of the model identified in this work.

Στην παρούσα μελέτη, το μετεωρολογικό μοντέλο μεσοκλίμακας MM5 εφαρμόστηκε για την περίοδο ενός χειμερινού και ενός καλοκαιρινού επεισοδίου ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην αστική περιοχή του Λονδίνου. Η απόδοση του μοντέλου στο αστικό περιβάλλον αξιολογήθηκε σε σύγκριση με τις μετρήσεις των μετεωρολογικών παραμέτρων ώστε να εντοπιστούν οι αδυναμίες του ΜΜ5 στις προβλέψεις σε αστικές περιοχές. Διεξήχθη επίσης μια λεπτομερής μελέτη ευαισθησίας της διαμόρφωσης του μοντέλου και των φυσικών παραμέτρων, η οποία οδήγησε σε μια πρόταση για μια βέλτιστη διαμόρφωση του MM5 για το Λονδίνο για χειμερινές και καλοκαιρινές περιόδους. Η περίοδος του πρώτου επεισοδίου, 17-23 Φεβρουαρίου 2003, επιλέχθηκε καθώς τα εθνικά δεδομένα παρακολούθησης αποκάλυψαν ασυνήθιστα υψηλές συγκεντρώσεις PM10. Η περίοδος του θερινού επεισοδίου, 4-10 Αυγούστου 2003, επιλέχθηκε επειδή οι παρατηρούμενες θερμοκρασίες ήταν ασυνήθιστα υψηλές και οι συγκεντρώσεις όζοντος αυξημένες. Συνολικά, επιτεύχθηκε μια βελτιωμένη συμφωνία μεταξύ των προβλέψεων και των μετρήσεων του MM5, τόσο ως προς το μοτίβο όσο και ως προς την ημερήσια διακύμανση όλων των παραμέτρων που μελετήθηκαν. Το μοντέλο ήταν επίσης σε θέση να προσομοιώσει την αστική θερμική νησίδα του Λονδίνου, καθώς προέβλεψε υψηλότερες αισθητές ροές θερμότητας, ύψος ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος και θερμοκρασίες για την αστική περιοχή του Λονδίνου σε όλες τις δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν. Η επαλήθευση σε σχέση με τις παρατηρήσεις αποκάλυψε τις ακόλουθες διαφορές στην απόδοση του μοντέλου μεταξύ της θερινής και της χειμερινής περιόδου. Το μοντέλο υποτίμησε συστηματικά τις νυχτερινές αστικές θερμοκρασίες και σε ορισμένες περιπτώσεις υπερεκτίμησε τις ταχύτητες αγροτικού ανέμου κατά την περίοδο Φεβρουαρίου σε σύγκριση με τις παρατηρήσεις. Τα αποτελέσματα ήταν αξιοσημείωτα πιο κοντά στις μετρήσεις κατά τη διάρκεια της θερινής περιόδου. Σε όλες τις περιπτώσεις, οι παραμετροποιήσεις PX και MRF για το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα διαπιστώθηκε ότι παράγουν συστηματικά πιο ρεαλιστικά αποτελέσματα. Μια σημαντική τροποποίηση στην αρχική διαθεσιμότητα υγρασίας εδάφους τον Φεβρουάριο δεν οδήγησε σε ουσιαστικές αλλαγές στα αποτελέσματα του μοντέλου. Η αύξηση της οριζόντιας και κάθετης χωρικής ανάλυσης βελτίωσε τη συμφωνία με τις παρατηρήσεις στις περισσότερες περιπτώσεις, αλλά τα οφέλη της βελτιωμένης οριζόντιας ανάλυσης του πλέγματος μειώθηκαν σταδιακά για τις μεγαλύτερες αναλύσεις. Κατά την περίοδο του Φεβρουαρίου, η ενσωμάτωση της ανθρωπογενούς θερμότητας στο μοντέλο μείωσε σημαντικά την απόκλιση μεταξύ των νυχτερινών αστικών θερμοκρασιών που δημιουργήθηκαν από το μοντέλο και των παρατηρούμενων νυχτερινών αστικών θερμοκρασιών. Κατά την ολοκλήρωση της, η παρούσα μελέτη ήταν η πρώτη ερευνητική εφαρμογή του MM5 σε μια μεγάλη πόλη του Ηνωμένου Βασιλείου. Ήταν επίσης η πρώτη αξιολόγηση του MM5 βασισμένη σε μια λεπτομερή ανάλυση ευαισθησίας που πραγματοποιήθηκε για το Λονδίνο. Ένα άλλο σημαντικό αποτέλεσμα αυτής της μελέτης ευαισθησίας ήταν οι συστάσεις για περαιτέρω εργασία υπό το πρίσμα των περιορισμών του μοντέλου που εντοπίστηκαν σε αυτήν την εργασία.