Ilman epäpuhtauksien leviämisen mallinnus Jaakko Kukkonen Ilmatieteen laitos Yhteistyötahot: YTV, KTL, TKK, VTT MOBILE -yhteistyökumppaneita 1993-2003 IL Jaakko Kukkonen Ari Karppinen Tuomas Laurila Mervi Haakana Jari Härkönen Mia Pohjola Leena Partanen Mari Kauhaniemi Harri Pietarila Juha Nikmo Heidi Hellen Hannele Hakola Virpi Tarvainen etc. KTL Matti Jantunen Kimmo Koistinen Otto Hänninen Marko Vallius Päivi Aarnio etc. YTV Tarja Koskentalo Anu Kousa Timo Elolähde VTT Juhani Laurikko Maija Lappi Kari Mäkelä TTY Jorma Mäntynen Hanna Kalenoja TKK Jarkko Niittymäki (nyk. LT Consult) Mette Granberg Ville Könönen
Back row: Otto Hänninen (KTL), Marko Vallius (KTL), Anu Kousa (YTV), Sari Alm (KTL) Juha Pekkanen (KTL), Jaakko Kukkonen (FMI), Ari Karppinen (FMI), Jouni Tuomisto (KTL) and Kimmo Koistinen (KTL) Front row: Päivi Aarnio (KTL), Tuulia Rotko (UH) and Leena Partanen (FMI) Yleiskatsaus tutkimuksen kehittymisestä MOBILE:ssa
Mallitusta päästöistä terveyteen MOBILE (IL, YTV, VTT) 1993-1998 MOBILE2 CAROS ja NOVOC (IL, YTV, VTT), 2002-2003 MOBILE2 DIANA ja RELEX (IL, KTL, YTV, VTT), 1999 2001 EXPAND (IL, YTV, KTL), 1998 2001 (*) Päästö Kaupunki-ilman saastuminen Mikroympäristönilman saastuminen, kadut, sisätilat Altistuminen Koko elimistön annos Kohde-elimen annos Vaikutus terveyteen HEAT (IL, YTV, KTL) 2002 2004 (*) KOPRA (IL, KTL, SYKE, YTV ym.) 2002 2005 (**) YMPÄRISTÖ IHMINEN (*) Rahoitus pääosin Suomen Akatemia, ohjelmat SYTTY ja TERVE (**) Rahoitus pääosin TEKES, FINE-ohjelma 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Traffic flows -> Emissions - > Concentrations of gases; Field measurement campaigns; evaluation of models against campaign and YTV data Traffic flows... -> Exposure User requirements for models, user-friendliness; First models for particulate matter (PM) Hydrocarbons, benzene Evolution of focus areas in the research programmes MOBILE, SYTTY, TERVE, FINE Traffic flows... -> Exposure -> Health effects; including PM Traffic flows -> Health effects; Also regional scale; including PM Evaluation of models for PM against data, combine with weather prediction models
Mallijärjestelmien kehitystä MOBILE:ssa Air quality modelling system - FMI Weather prediction models ECMWF HIRLAM North-Europe HIRLAM Atlantic HIRLAM LINUX Dispersion models - long-range, regional MATCH MATCH (SMHI) LRT, meso SILAM LRT, meso, radioactivity HILATAR LRT, meso BUOYANT meso, micro, fires Dispersion and effects models urban, local MATCH CAR-FMI, roadside UDM-FMI, urban MATCH OSPM (NERI), street canyon ESCAPE, chemical accidents EXPAND (FMI, YTV) population exposure Process models MONO32 (U Helsinki, Stadia) aerosol processes
The integrated modelling system Modelling system in an urban scale Geographical information Emission characteristics Measurements Meteorology, traffic, pollution Traffic simulation Macro- EMME/2 (YTV) Micro- HUTSIM (TKK) Emission inventories VTT, LIISA Corinair Weather prediction, met. pre-processing HIRLAM, MPP- FMI Dispersion of pollutants stationary sources: UDM-FMI roadside: CAR-FMI street canyon: OSPM (NERI) forecasting air quality: API-FMI Activity Model Exposure model Statistical Analysis GIS MapInfo Visualisation The deterministic population exposure model EXPAND Location of population: at home workplaces other places Time - microenvironment - activity data Predicted traffic flow and ambient air concentrations Activity of population Numerical interpolation of concentrations and computation of exposure GIS MapInfo: Spatial distributions of the activity of population, concentrations and exposure on a map
Modelling aerosol dynamics in the atmosphere the MONO32 model FMI, University of Helsinki and Helsinki Polytechnic Particle surface area Ultrafine particles Nucleation-mode Aitken particles Fine particles Accumulation particles Particle size fractions Coarse particles Particle size distribution 0.01 0.1 1 10 100 Nucleation Coagulation Deposition Condensation / Evaporation Dilution C (urban background) Mallien tarkkuuden ja luotettavuuden arviointia
delta NO x/q (s/m 2 ) MEASURED 2 1.8 u < 2m/s 1.6 u > 2m/s 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-0.2 0-0.4 50 100 150 200 250 300 350-0.6 Leeward Windward Wind direction ( ) delta NO x/q (s/m 2 ) 1.8 2 MODELLED u < 2 m/s 1.6 u > 2 m/s 1.4 1.2 Leeward Windward 0.8 1 0.6 0.4 0.2-0.2 0-0.4 0 50 100 150 200 250 300 350-0.6 Wind direction ( ) MOBILE-hankkeissa suoritettiin kolme kenttäkoe-kampanjaa. Valokuvassa on esitetty Runeberginkadulla Helsingissä 1997 suoritettujen katukuilumittausten mittauspisteiden sijainti. Oikeanpuoleisessa kuvassa on esitetty mitattujen ja mallitettujen pitoisuuksien muuttuminen tuulensuunnan mukana. Esimerkki mitatun ja mallinnetun pitoisuuden vertailusta 1993 140 120 NO2 Pitoisuus (µg/m ) 3 100 80 60 40 Ohjearvo Malli 20 Mittaus 0 a d h Töölö a d h Vallila a d h Leppävaara a d h Tikkurila a = vuosikeskiarvo, d, h = vuorokausi ja tuntiohjearvot
Sovellukset: numeerisia tuloksia The predicted concentration of NO 2 in the greater Helsinki area in the afternoon (3-6 p.m.), in March 1996 (µg/m 3 ).
The predicted population activity in the afternoon (3-6 p.m.), in March 1996 (number of persons). The predicted exposure of population to NO 2 in the afternoon (3-6 p.m.), in March 1996, (µg/m3 *persons).
1997 NO2 concentration (µg m-3) Guide value 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1.5 Km 3 Helsingin kaupunki, Kaupunkimittausosasto 443 /2000, Aineistot: Espoon, Helsingin, Kauniaisten ja Vantaan mittausosastot The NO 2 concentrations compared to the 24h guideline (70µg/m 3, higher values in orange or red) in the Helsinki Metropolitan Area in 1997. Helsinki 2000 PM 10 vuosikeskiarvo Kaksi tumminta sävyä > 20 µg/m 3
2000 2020 An example of scenario computations: Predicted concentration of NO 2, Dark red area > 70 µg/m 3 (national guideline). Mitä MOBILE:n jälkeen: menetelmät jatkokehitykseen ja käyttöön!
Kokonaismalli pienhiukkasten päästöjen, leviämisen ja riskin arviointiin KOPRA (2002 2005) vähennystekniikat ja -kustannukset päästöskenaariot ilmakehän prosessit ja kulkeutuminen primääri- ja sekundäärihiukkasten pitoisuudet energia- ja aktiviteettiskenaariot päästövähennysten arviointi väestön altistus ja riskit Osallistujat: Ilmatieteen laitos, Suomen ympäristökeskus, Kansanterveyslaitos, Pääkaupunkiseudun yhteistyövaltuuskunta, Helsingin Ammattikorkeakoulu, Nordic Envicon, LT Consult Health Effects caused by Urban Air Pollution for the Transport System Plan Scenarios in Helsinki area - HEAT (2002-2004) Health Promotion Research Programme (TERVE) Emission inventories Atmospheric dispersion Exposure and dose Health effects http://www.fmi.fi/research_air/air_18.html
EU-funded project FUMAPEX - Forecasting urban meteorology, air quality and exposure Resolution of models, e.g.: Meteorological observations Global / Regional NWP models Limited area NWP Meso-meteorological models (e.g. non-hydrostatic) Local scale models 15 km ECMWF/HIRLAM Met pre-processors/ Interfaces ~ 1-5 km LM, HIRLAM, > 0.5 km MM5, RAMS, LM ~ 1-10 m CFD, box models Emission data Urban Air Pollution models Population Exposure models Tulevaisuuden katsaus: vielä tehtävää 1. Laajat mallijärjestelmät: päästöistä terveys- ja muihin vaikutuksiin, esim. katukuilu alueellinen skaala mantereen skaala 2. Sääennustusmallien ja ilmanlaatumallien yhteiskäyttö, myös kaupunkiskaalassa 3. Ilmanlaadun terveysvaikutukset, erityisesti hiukkasille, hiukkasten muuntuman arvioiminen yhdessä leviämisen kanssa; hiukkasmallien evaluointi 4. Mallien sovellukset: skenaario- ja vaikutusanalyysi