Citlivostní analýza vybraných vstupů modelu AEOLIUS Řešitel: Jan Nieslanik Vedoucí projektu: Ing. Kateřina Růžičková

Cíl práce Vyhodnocení míry vlivu nastavení vybraných vstupních parametrů modelu AEOLIUS na výsledné hodnoty.

Úkoly Navržení způsobu hodnocení citlivosti vybraných vstupů modelu AEOLIUS a jeho realizace. Mezi vybrané vstupy jsou zařazeny parametry: šířka a výška tzv. silničního kaňonu a orientace silničního kaňonu vůči severu.

AEOLIUS Assesing the Environment Of Locations In the Urban Streets

Model AEOLIUS Program sloužící k výpočtu koncentrací znečišťujících látek v prostředí silničních kaňonů.

Silniční kaňon Relativně úzká ulice s řadovou zástavbou na obou stranách Blízkost budov způsobuje recirkulaci proudu vzduchu. Koncentrace znečištění jsou vyšší na závětrné straně ulice.

Pokus v aerodynamickém tunelu Zdroj: von Karman Institute for Fluid Dynamics, Frank Gerdes

Model AEOLIUS Uveden v příloze č.8 nařízení vlády č.350/2002 Sb. jako model referenční, tzn. orgány státní správy by jej měly používat, aby bylo možné porovnávat výsledky modelování z různých území.

Model AEOLIUS Vytvořen v roce 1997 A.J. Manning a D.R. Middleton pro společnost Met Office v Londýně. Volně přístupný na stránkách této společnosti. Přímo určen pro použití místními samosprávami 3 odstupňované verze pro operační systém MS DOS

Verze AEOLIUS AEOLIUS Full AEOLIUS Screen AEOLIUSQ Emission

AEOLIUS Full Pro vstup i výstup používá datové soubory Vypočítává série hodinových koncentrací znečištění. vyžaduje hodinová meteorologická data měřená postupně za sebou najednou může být modelem zpracován max. jeden měsíc

AEOLIUS Screen AEOLIUSQ Emission - zpracuje pouze jednu situaci - zadávání i zobrazování údajů přímo na obrazovku AEOLIUSQ Emission - zpracuje pouze jednu situaci - zadávání na obrazovku, výpis do souboru nebo na obrazovku

Vyhodnocované znečištění Oxidy dusíku – NOx , NO , NO2 Oxid uhelnatý – CO Benzen – C6H6 Oxid siřičitý – SO2 Ozón – O3 Prachové částice – PM10

Vstupní data Geometrie ulice – orientace, šířka, výška Intenzita dopravy Stav počasí Charakteristiky okolí ulice

Problém: vstupní data Kvalita vstupních dat Cena vstupních dat Přesnost výsledků modelování

Citlivostní analýza Citlivostní analýza kvantifikuje vliv změn hodnot vstupních parametrů modelů na jejich výsledky a katalogizuje tyto parametry podle jejich význačnosti.

Metody citlivostních analýz 1/2 Deterministické metody Statistické metody

Metody citlivostních analýz 2/2 metody analýzy neurčitostí: metoda Monte Carlo metoda regresních modelů regresní a korelační analýza metoda variace parametrů metoda rozptýlených grafů

Problém volby metody řešení Nedostatek informací o samotném modelu není k dispozici matematické vyjádření funkce, kterou program používá pro modelování

Volba metody řešení Deterministické metody Statistické metody Metody analýzy neurčitostí Regresní analýza

Regresní analýza Využití technik pro vyhodnocování a posuzování vhodnosti lineárních regresních modelů. Opravený koeficient determinace R2opr Mallowsovo Cp

Princip zvolené metody 1/2 Ke vstupním i vypočteným datům v AEOLIUS přistupováno jako k datům naměřeným. Tvorba lineárních regresních modelů Výběr nejlepšího regresního modelu

Princip zvolené metody 2/2 Nejlepší regresní model obsahuje nejvhodnější kombinaci vstupních parametrů. Parametry nejlepšího regresního modelu budou nejvíce ovlivňovat vypočítávané hodnoty modelu AEOLIUS

Typy proměnných v regresní analýze Závisle proměnná proměnná v regresním modelu, jejíž chování se snažíme vysvětlit výstupy z AOELIUS Nezávisle proměnná její chování vysvětluje chování závisle proměnné vstupy do AEOLIUS

Opravený koeficient determinace Statistická míra poměru variability v nezávisle proměnné pro vysvětlovaný model. Lepší model – větší R2opr

Mallowsovo Cp Vyjadřuje míru ovlivnění modelu nezávislými proměnnými. Lepší model – Cp = počet použitých parametrů v regresním modelu

Postup řešení analýzy Vytvoření reprezentativní sady vstupních dat pro AOELIUS Modelování v AOELIUS Vytvoření lineárních regresních modelů Porovnání lineárních regresních regresních modelů

Modelování v AOELIUS AEOLIUS Full NO2 – Oxid dusičitý

Použité programové vybavení MS Excel STATGRAPHICS Plus 5.0

Příprava dat Příprava dat pro AEOLIUS Modelování v AEOLIUS Full Eliminace vlivu nevyhodnocovaných vstupních parametrů AOELIUS Generátor pseudonáhodných čísel Rovnoměrné rozložení generovaných dat Modelování v AEOLIUS Full Zaznamenání vstupních i výstupních dat do tabulky

Pojmenování parametrů ve zpracování Původní parametr Ve zpracování Výška silničního kaňonu Vyska Šířka silničního kaňonu Sirka Orientace silničního kaňonu vůči severu Orientace

Aplikace regresní analýzy STATGRAPHICS Plus 5.0 Regression Model Selection Analysis Vyska, sirka, orientace, NO2 Opravený koeficient determinace R2opr Mallowsovo Cp

Opravený koeficient determinace Závisle proměnná: NO2ppb Nezávisle proměnné: A=vyska B=sirka C=orientace R2opr Nez. prom. 7,38641 AB 7,3188 ABC 7,17765 B 7,11707 BC 0,23004 A 0,144482 AC 0,0 C  

Mallowsovo Cp Závisle proměnná: NO2ppb Nezávisle proměnné: A=vyska B=sirka C=orientace Cp Nez. prom. 2,27271 AB 3,51992 B 4,0 ABC 5,17008 BC 78,3325 A 79,8885   80,1764 AC 81,6701 C

Vyhodnocení regresní analýzy Významný vliv parametrů výška a šířka silničního kaňonu doporučeno blíže prozkoumat Málo významný vliv orientace silničního kaňonu

Analýza vlivu výšky a šířky Vliv poměru vstupních parametrů výška k šířce kaňonu na výstup modelu AOELIUS V literatuře jako H/W (ang. Height/Width)

Příprava dat Příprava dat pro AEOLIUS Modelování v AEOLIUS Full Nastavení konstantních hodnot Změna pouze poměru H/W Modelování v AEOLIUS Full Zaznamenání vstupních i výstupních dat do tabulky

Vstupní datové sady Datová sada Šířka kaňonu Vývoj výšky kaňonu Sada I 20 m 1 – 50 m Sada II 40 m 2 – 100 m Sada III 60 m 3 – 150 m Sada IV = Sada I pouze zvýšena intenzita dopravy

Analýza poměru H/W

Shrnutí citlivostní analýzy 1/2 Významnost vlivu vstupních parametrů výška a šířka silničního kaňonu vyhodnocena jako významná. Významnost vlivu poměru vstupních parametrů výška k šířce silničního kaňonu: do H/W = 1 – významný nad H/W = 1 – významnost podstatně nižší

Shrnutí citlivostní analýzy 2/2 Významnost vlivu vstupního parametru orientace silničního kaňonu byla vyhodnocena jako velmi nízká

Analýza poměru H/W

Literatura BEI, N., SHAO, Y.: Computational Simulation of Turbulent Flows and Pollution Dispersion in Complex Urban Canyons. Dostupné na World Wide Web: <http://www.iemss.org/iemss2002/proceedings/pdf/volume%20due/380_shao.pdf>, 4.2003. GERDES, F., OLIVARI, D.: Analysis of pollutant dispersion in an urban street canyon. Dostupné na World Wide Web: <http://pulson.seos.uvic.ca/people/gerdi/vki/vkipaper.pdf>, 4.2003. MANNING, A.J., et al.: Field study of wind and traffic to test a street canyon pollution model. Environmental Monitoring and Assessment, Kluwer Academic Publishers, 2000, vol.60, no.3, p.283-313.

Literatura OTYEPKA, M.: Vybrané statistické metody. Dostupné na World Wide Web: <http://www.upol.cz/resources/kafch/chemo/chemo.pdf>, 4.2003. RŮŽIČKOVÁ, K.: Modelování rozptylu znečišťujících látek v urbanizovaných oblastech, s podporou nástrojů GIS, pro posuzování kvality ovzduší. Disertační práce. VŠB-TU Ostrava, 2002, 76 stran. ZVÁRA, K.: Regresní analýza. 1. vyd. Praha: Academia, 1989, 248 stran, ISBN 80-200-0125-5. ____: Analýza neurčitostí a citlivostní analýza. Dostupné na World Wide Web: <http://www.vidivici.cz/surao/P Ř I L O H A 5.htm>, 12.2002.

Děkuji za pozornost