Development of the components of an atmospheric dispersion  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
116506
Type K
Principal investigator Lagzi, István László
Title in Hungarian Légköri diszperziós modell-rendszer fejlesztése
Title in English Development of the components of an atmospheric dispersion
Keywords in Hungarian légszennyezés, numerikus modellezés, gépi tanulás, levegőminőség előrejelzés
Keywords in English air pollution, numerical modelling, machine learning, air quality prediction
Discipline
Meteorology, atmospheric physics and dynamics (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Ortelius classification: Meteorology
Panel Agriculture, Environment, Ecology, Earth Sciences committee chairs
Department or equivalent Department of Physics (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Holló, Gábor
Kovács, Attila
Kovács, Tibor
Leelőssy, Ádám
Leelőssyné Tóth, Eszter
Mészáros, Róbert
Soósné Dezső, Zsuzsanna
Tóth-Bodrogi, Edit
Varga-Medveczky, Zsófia
Starting date 2015-09-01
Closing date 2020-08-31
Funding (in million HUF) 31.976
FTE (full time equivalent) 18.64
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A légköri diszperziós modellek fejlesztése komplex gondolkodást és különböző területeken dolgozó kutatók együttműködését igényli. A légszennyező anyagok diszperziójának szimulálására különböző típusú modelleket fejlesztenek. A hatékony döntéstámogatás érdekében e modellek alapvető követelménye, hogy a szimulációk gyorsan és pontosan elvégezhetők legyenek. A szennyezőanyagok légköri terjedésének modellezése ezért a légkörtudományok egyik legnagyobb kihívást jelentő feladata. E projekt alapvető célkitűzése egy skálafüggő diszperziós modellrendszer, valamint egy levegőminőség-előrejelző modellrendszer kifejlesztése, melyekkel meghatározható az eseti és folyamatos kibocsátás révén a légkörbe jutó szennyezőanyagok által okozott környezeti terhelés mértéke. A kutatások során a rendelkezésre álló mérési adatok alapján modellverifikációkat és az egyes modellek összehasonlítását is tervezzük. A tapasztalatok alapján új, hatékony modellparametrizációs eljárásokat fejlesztenénk ki. Olyan modellrendszert fejlesztenénk és alkalmaznánk, ami lokális skálától kontinentális skáláig képes a légköri szennyezőanyag-terjedés becslésére. Kutatásaink másik tervezett fő iránya a városi levegőminőség becslése gépi tanulási technika segítségével, amit korábban Magyarországon még nem alkalmaztak légszennyezés-meteorológiai kutatások során.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A légszennyező anyagok diszperziójának modellezése a légkörtudományok egyik legfontosabb és legnagyobb kihívást jelentő tudományos feladata. A természetes és antropogén források révén különböző passzív és kémiailag aktív vegyület kerül a légkörbe. E kémiai anyagok számos káros hatást jelenthetnek a környezetre és az emberi egészségre. A légszennyező anyagok diszperziójának modellezése során ezeket a hatásokat igyekszünk számszerűsíteni. A modellek fejlesztése kulcsfontosságú a döntéshozók és a tudományos közélet számára is. Kutatásaink során három alapvető, különböző feladatokra alkalmazható modellcsalád tagjainak fejlesztését végezzük. Ezek a Gauss, Lagrange és Euler-típusú diszperziós modellek, melyek segítségével lokálistól globális skáláig végezhetünk szimulációkat. A modellek pontosságának növelése érdekében különböző pareméterezési eljárásokat tesztelünk mérési adatok felhasználásával.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatás keretében diszperziós modellek fejlesztését, validálását és optimalizálását végeznénk. Egy olyan modellrendszer kialakítását tervezzük, ami hatékony eszközt jelentene légszennyezési problémák kezelésére. Egy olyan új módszert dolgozunk ki, amivel statisztikai értékelések alapján becsülhető egy baleseti kibocsátás során a légkörbe jutó szennyezők terjedése, és azok hatásai lokálistól kontinentális skáláig. A mesterséges intelligencia és a gépi tanulási módszerek meteorológiai alkalmazását kívánjuk hasznosítani elsősorban városi levegőminőség becslésére, ahol a fizikai és kémiai folyamatok rendkívül összetettek, vagy ismeretlenek, ugyanakkor nagy mennyiségű mérési adat áll rendelkezésre. A kutatás során megvalósuló fejlesztések nagy előrelépést jelentenének a városi levegőminőség becslésében.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az utóbbi évtizedekben – a folyamatos légszennyezés, a szmoghelyzetek, nukleáris és ipari balesetek hatására – fokozott érdeklődés tapasztalható a légköri szennyezőanyag-terjedés és a levegőminőség modellezése iránt mind a tudományos társadalom, mind a közvélemény részéről. Egyre nagyobb az igény, hogy megértsük, és hatékonyan előrejelezzük a baleseti és folyamatos kibocsátások révén a légkörbe jutó káros szennyezőanyagok környezeti, társadalmi és gazdasági hatásait. A különböző skálájú és eltérő szemléletmódú terjedési modellekkel készített gyors és pontos előrejelzések csökkenthetik a káros hatások mértékét. A kifinomult modellszimulációk eredményei alapján a döntéshozók hatékony intézkedéseket hozhatnak, ami emberéleteket menthet. Mindemellett a modellek a légköri terjedési folyamatok, a levegőminőség és a környezeti terhelés utólagos elemzésére is alkalmasak. A légköri diszperziós és levegőminőség-előrejelző modellek folyamatos fejlesztése és széleskörű alkalmazása ezért kiemelt jelentőségű feladat.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The development of atmospheric dispersion models requires complex thinking and interaction of researchers from different fields. For simulating the dispersion of air pollutants, various modelling approaches are developed. Simulations with these models must have a high degree of accuracy and must be achieved faster than real time to be of use in an effective decision support. Therefore, accurate and fast simulation of the dispersion of toxic chemical substances or radionuclides in the atmosphere is one of the most important and challenging tasks in atmospheric sciences. The primary aim of this project is the development of the components of a multi-scale atmospheric dispersion modelling system and an air quality prediction system that allow the investigation of pollution load as a result of accidental and continuous emissions into the atmosphere. We plan to verify different types of dispersion models based on the measurements and also a wide range inter-comparison of each model. Based on the experiences of preliminary model simulations we propose new model parameterizations. We plan to realize the developments and applications of different types of dispersion models operating from local to continental scales. Another main part of our planned research is the application of machine learning for urban air quality prediction that has not been used by this time in Hungarian air pollution research.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Modelling of dispersion of air pollutants in the atmosphere is one of the most important and challenging scientific problems. There are several natural and anthropogenic events, where passive or chemically active compounds are emitted into the atmosphere. The effect of these chemical species can have serious impacts on our environment and human health. Modelling of dispersion of air pollutants can predict this effect. Therefore, development of various model strategies is a key element for the governmental and scientific communities. We are planning to develop further three families of models: Gaussian, Lagrangian and Eulerian dispersion models that are suitable for simulating air pollution from local to global scale. We will validate numerical results of dispersion models using various parameterization schemes against measurements in order to optimize our models.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The main objective of this research is to develop, validate and optimize dispersion models and develop a common platform to use them in efficient air pollution management. We will propose a novel approach to estimate the transport and the effect of an accidental release from local to continental scales based on statistical evaluation. We will utilize artificial intelligence and machine learning techniques in meteorological applications, namely in urban air quality management, where the physical or chemical processes are very complex or unknown, but a rich measurement database is available. Thus we will be able to develop a new approach to predict air pollution levels in urban environment.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
In the last few decades – caused by continuous air pollution, smog episodes, nuclear and industrial accidents – an increased interest in atmospheric dispersion and air quality modelling has been observed from both the scientific community and the public. There is a growing demand for the understanding and effective prediction of the environmental, social or economical effects of possible occasional releases and continuous emissions from different sources. Fast and accurate estimations of air pollutant dispersion by different types of models on various scales may reduce the harmful effects of continuous and accidental releases. The results of sophisticated model calculations help decision makers to protect property and human lives. At the same time, these models are also appropriate for further analysis of atmospheric transport processes, air quality and environmental load. Therefore, continuous developments of dispersion and air quality models and widespread investigations with them are essential.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A légköri diszperziós modellek fejlesztése komplex gondolkodást és különböző területeken dolgozó kutatók együttműködését igényli. A légszennyező anyagok diszperziójának szimulálására különböző típusú modelleket fejlesztenek. A hatékony döntéstámogatás érdekében e modellek alapvető követelménye, hogy a szimulációk gyorsan és pontosan elvégezhetők legyenek. A szennyezőanyagok légköri terjedésének modellezése ezért a légkörtudományok egyik legnagyobb kihívást jelentő feladata. A projekt során kidolgoztunk egy skálafüggő diszperziós- valamint egy levegőminőség-előrejelző modellrendszert, melyekkel meghatározható az eseti és folyamatos kibocsátás révén a légkörbe jutó szennyezőanyagok által okozott környezeti terhelés mértéke. A rendelkezésre álló mérési adatok alapján modellverifikációkat és az egyes modellek összehasonlítását is elvégeztük. A tapasztalatok alapján új és hatékony modellparametrizációs eljárásokat fejlesztettünk ki. Olyan modellrendszert dolgoztunk ki és alkalmaztunk, ami lokális skálától kontinentális skáláig képes a légköri szennyezőanyag-terjedés becslésére. Kutatásunk másik fő iránya a városi levegőminőség becslése volt lineáris multi-modell alkalmazásával a városi légszennyezés előrejelzésére Budapesten.
Results in English
The development of atmospheric dispersion models requires complex thinking and interaction of researchers from different fields. For simulating the dispersion of air pollutants, various modeling approaches have been developed. Simulations with these models must have a high degree of accuracy and must be achieved faster than real-time to be of use in an effective decision support. Therefore, accurate and fast simulation of the dispersion of toxic chemical substances or radionuclides in the atmosphere is one of the most important and challenging tasks in atmospheric sciences. We developed the components of a multi-scale atmospheric dispersion modeling system and an air quality prediction system that allow investigating the pollution load as a result of accidental and continuous emissions into the atmosphere. We verified different types of dispersion models based on the measurements and also a wide range of inter-comparison of each model. Based on the experiences of preliminary model simulations we proposed new model parameterizations. We realized the developments and applications of different types of dispersion models operating from local to continental scales. Another main part of our research was the application of a linear multi-model fusion method for urban air quality prediction in Hungarian air pollution research.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=116506
Decision
Yes





 

List of publications

  
R Mészáros, Á Leelőssy, T Kovács, I Lagzi: Predictability of the dispersion of Fukushima-derived radionuclides and their homogenization in the atmosphere, Sceintific Reports, 6, 19915, 2016
Kovács A, Mészáros R, Leelőssy Á, Lagzi I: Air pollution modeling in urban environment using WRF-Chem model, 17th International Conference on Harmonisation within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes, 2016. pp. 367-370. (ISBN:978-963-9931-10-7), 2016
Leelőssy Á, Kovács A, Lagzi I, Mészáros R, Kovács T: SIMULATION OF DISPERSION OF RADIONUCLIDES IN THE ATMOSPHERE FROM REGIONAL TO GLOBAL SCALE, V. TERRESTRIAL RADIOISOTOPES IN ENVIRONMENT - International Conference on Environmental Protection, p. 63. (ISBN:978-963-12-5537-9), 2016
A. Leelőssy, I. Lagzi , R. Mészáros: Spatial and temporal pattern of pollutants transported in the atmosphere from the Budapest Chemical Works industrial site, Időjárás (QUARTERLY JOURNAL OF THE HUNGARIAN METEOROLOGICAL SERVICE) in press, 2016
A. Leelőssy, I. Lagzi , R. Mészáros: Spatial and temporal pattern of pollutants transported in the atmosphere from the Budapest Chemical Works industrial site, Időjárás (QUARTERLY JOURNAL OF THE HUNGARIAN METEOROLOGICAL SERVICE), 121 (2), 101-115, 2017
Á Leelőssy, R Mészáros, A Kovács, I Lagzi, T Kovács: Numerical simulations of atmospheric dispersion of iodine-131 by different models, PloS one 12 (2), e0172312, 2017
Á Leelőssy, T Mona, R Mészáros, I Lagzi, Á Havasi: Eulerian and Lagrangian Approaches for Modelling of Air Quality, Mathematical Problems in Meteorological Modelling, 73-85, 2016
A Kovács, Á Leelossy, I Lagzi, R Mészáros: Modeling urban air pollution in Budapest using WRF-Chem model, EGU General Assembly Conference Abstracts 19, 1461, 2017
A Leelossy, G Hollo, K Suzuno, D Ueyama, I Lagzi: Numerical Simulation of Maze Solving Using Chemotactic Particles, INTERNATIONAL JOURNAL OF UNCONVENTIONAL COMPUTING 12 (5-6), 439-452, 2016
I. Lagzi, A. Leelossy, R. Mészáros, J. Göndöcs: Autoregressive temperature and air quality prediction in Budapest in the winter of 2016-2017, EMS Annual Meeting Abstracts Vol. 14, EMS2017-530, 2017
Kovács A, Leelőssy Á, Lagzi I, Mészáros R: The dependence of ozone concentration on model schemes of WRF-Chem (v3.6), EMS Annual Meeting Abstracts, Vol. 15., Paper EMS2018-637, 2018
Leelőssy Á, Lagzi I, Kovács A, Mészáros R: A review of numerical models to predict the atmospheric dispersion of radionuclides, JOURNAL OF ENVIRONMENTAL RADIOACTIVITY 182: pp. 20-33., 2018
sapó P, Mészáros R, Leelőssy Á: Measurements of PM2.5 concentration by bike in the downtown of Budapest, Hungary, EMS Annual Meeting Abstracts Vol. 15., Paper EMS2018-643-1, 2018
Mesterházy I, Mészáros R, Pongrácz R, Bodor P, Ladányi M: The analysis of climatic indicators using different growing season calculation methods – an application to grapevine grown in Hungary, IDŐJÁRÁS / QUARTERLY JOURNAL OF THE HUNGARIAN METEOROLOGICAL SERVICE 122:(3) pp. 217-235, 2018
Balogh, Adrienn Judit ; Leelőssy, Ádám ; Kristóf, Erzsébet ; Mészáros, Róbert ; Lagzi, István László: A classification method for air quality prediction in Budapest, Hungary, EGU2019-13841-1, 2019
Kovács, A ; Leelőssy, Á ; Mészáros, R ; Lagzi, I: Online coupled modeling of weather and air quality of Budapest using the WRF-Chem model, IDŐJÁRÁS / QUARTERLY JOURNAL OF THE HUNGARIAN METEOROLOGICAL SERVICE, 2019
Kovács, A ; Leelőssy, Á ; Lagzi, i ; Mészáros, R: Spatial downscaling of modeled air pollutant concentrations in urbanenvironments using open access road map database, EGU2019-14471-1, 2019
A Varga-Balogh, Á Leelőssy, I Lagzi, R Mészáros: Time-Dependent Downscaling of PM2. 5 Predictions from CAMS Air Quality Models to Urban Monitoring Sites in Budapest, Atmosphere 11 (6), 669, 2020
A Varga-Balogh, Á Leelőssy, I Lagzi, R Mészáros: A data fusion method to improve winter PM10 concentration predictions in Budapest based on the CAMS air quality models, EGU General Assembly Conference Abstracts, 16133, 2020
E László, L Palcsu, Á Leelőssy: Estimation of the solar-induced natural variability of the tritium concentration of precipitation in the Northern and Southern Hemisphere, Atmospheric Environment, 117605, 2020
Z Molnár, V Bódai, G Szakacs, B Erdélyi, Z Fogarassy, G Sáfrán, T Varga, Z Kónya, E Tóth-Szeles, R Szűcs I. Lagzi: Green synthesis of gold nanoparticles by thermophilic filamentous fungi, Scientific reports 8 (1), 1-12, 2018




 

Events of the project

  
2017-12-11 18:24:05
Résztvevők változása
2017-09-27 15:52:59
Résztvevők változása
2015-09-04 16:54:24
Résztvevők változása



Back »