Application of the Statistical Error and Quantitative Performance Measures in the Evaluation Process of Short-Term Air Quality Forecasts for Krakow (Poland).
Adriana Szulecka, Marian Mazur
Vol. 10, no. 3 (2016), s. 87-99
Currently, mathematical modelling air quality forecasts is of great importance due to the need of informing the population about the upcoming concentrations of air pollutants and issuing accurate alerts. At each stage in the application of a model-ling system a proper verification and performance diagnostics is required. This paper presents the results of a statistical evaluation of the short-term air quality forecasting system for the area of Krakow, Poland, over the period of April 2014 – March 2015. The analysed forecasts are prepared by Warsaw University of Technology on the basis of the modelling system created by the EkoForecast foundation. Calculations in this system are performed by the GEM-AQ model, which produces publicly avail-able predictions of the daily average concentrations of PM10, PM2.5, NO2, SO2, CO and O3. In this study these values were compared to the measured observations recorded at the urban background station in Krakow (Bujaka St.) with the use of er-ror statistics and quantitative performance measures suggested by the US EPA. The results of the analysis indicate good reliability of PM10 and PM2.5 forecasted concentrations during the examined period of time, which provides high correlation rates for these observations. Evaluated model tends to overestimate all the predictions in reference to Bujaka St. station measurements. The highest discrepancies are evident in the case of sulphur dioxide (SO2) and ozone (O3) predictions occurring mainly during the non-heating season. Insufficient forecast accuracy affects the reliability of the predicted Common Air Quality Index (CAQI), which depends on the concentration of particular air pollutants.
Obecnie matematyczne modelowanie prognozowania jakości powietrza ma duże znaczenie ze względu na potrzebę informowania ludności o spodziewanych stężeniach zanieczyszczeń i wydawania odpowiednich ostrzeżeń. Na każdym etapie stosowania systemu modelowania wymagana jest dokładna weryfikacja i diagnostyka jego wydajności. W pracy przedstawiono wyniki oceny statystycznej systemu krótkoterminowych prognoz jakości powietrza na obszarze Krakowa (Polska) w okresie kwiecień2014 – marzec 2015. Prognozy opierają się na systemie modelowania opracowanym przez fundację EkoPrognoza i udostępnianym Politechnice Warszawskiej. Obliczenia wykonywa-no za pomocą modelu GEM-AQ, a ich wynikiem są publicznie dostępne prognozy średnich dziennych stężeń PM10, PM2,5, NO2, SO2, CO oraz O3. W trakcie prowadzonych badań wartości te zostały porównane z wynikami obserwacji pomiarowych rejestrowanych na stacji tła miejskiego w Krakowie (ul. Bujaka) przy użyciu statystyk błędów i mierników wydajności modelu zalecanych przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska. Wyniki przeprowadzonych obliczeń wskazują na dobrą sprawdzalność prognoz stężeń PM10 oraz PM2,5 w okresie analizy, co skutkuje ich silną korelacją z wynikami pomiarów. Oceniany model przejawia tendencję do przeszacowywania wszystkich prognoz w odniesieniu do pomiarów stężeń substancji gazowych na stacji przy ul. Bujaka. Największe rozbieżności dotyczą prognoz stężenia dwutlenku siarki (SO2) oraz ozonu (O3) i są charakterystyczne głównie dla sezonu pozagrzewczego. Niedokładność prognoz wpływa na wiarygodność przewidywanej wartości wspólnego indeksu jakości powietrza (CAQI), będącego wypadkową stężeń poszczególnych zanieczyszczeń powietrza.