The Influence of Selected Meteorological Parameters on the Concentration of Surface Ozone in the Central Region of Poland

Abstract

Abstract This paper presents the results of measurements of the concentration of surface ozone and concurrent standard meteorological parameters: total solar radiation, temperature, relative humidity, pressure, wind speed, and vertical and horizontal components of the wind. The data were collected from 2005 to 2010 at stations located in central Poland (Mazowieckie voivodeship): Warszawa (urban), Legionowo (suburban), Granica and Belsk (rural). Furthermore, Granica is situated in the forested area of Kampinoski National Park. Continuously measured surface ozone concentrations demonstrated the well-known diurnal cycle of surface ozone concentration with a maximum in the afternoon and a minimum in the early morning hours. The averaged diurnal variations over six years reveal that the highest concentrations appear at rural stations (Belsk: 55 µg m⁻³ and Granica: 50 µg m⁻³) and the lowest at the urban station (Warszawa: 41 µg m⁻³). The threshold for high levels of surface ozone (120 µg m⁻³ per 8 h) was exceeded most often at Granica and Belsk. The occurrence of the ozone “weekend effect,” especially at urban stations, has been identified. The difference between weekend and weekday surface ozone concentrations at urban and rural stations was as high as 6.5 µg m⁻³ and approximately 2 µg m⁻³, respectively. Using appropriate statistical tools, it has been shown that meteorological conditions have a significant influence on ozone concentration. High correlation coefficients were found between ozone concentration and solar radiation, temperature, relative humidity, and wind speed. The forward stepwise regression model explains up to 75% of the variations in daily surface ozone concentration in terms of meteorological variability in summer and up to 70% in winter. At the same time, a multilayer perceptron neural network model was used to reconstruct the concentration of surface ozone. High correlation coefficients (up to 0.89) indicate that, on the basis of standard meteorological parameters and NO₂ concentration, we can determine ozone concentration with high accuracy.

Résumé [Traduit par la rédaction] Cet article présente les résultats des mesures de concentration de l'ozone en surface et des paramètres météorologiques concurrents courants : le rayonnement solaire total, la température, l'humidité relative, la pression, la vitesse du vent et les composantes verticale et horizontale du vent. Les données ont été recueillies entre 2005 et 2010 à des stations situées dans le centre de la Pologne (Mazowieckie voivodeship): Warszawa (urbaine), Legionowo (suburbaine), Granica et Belsk (rurale). De plus, Granica est située dans la région forestière du parc national Kampinoski. Les concentrations continuellement mesurées de l'ozone en surface ont confirmé le cycle diurne bien connu de la concentration de l'ozone en surface avec un maximum en après-midi et un minimum tôt le matin. Les variations diurnes moyennées sur six ans révèlent que les plus fortes concentrations apparaissent aux stations rurales (Belsk: 55 µg m⁻³ et Granica: 50 µg m⁻³) et les plus faibles à la station urbaine (Warszawa: 41 µg m⁻³). Le seuil pour les hauts niveaux d'ozone en surface (120 µg m⁻³ pendant 8 h) a été le plus souvent dépassé à Granica et à Belsk. L’ « effet weekend » de l'ozone, surtout aux stations urbaines, a été observé. La différence entre les concentrations d'ozone durant la semaine et durant le weekend aux stations urbaines et rurale a atteint 6,5 µg m⁻³ et approximativement 2 µg m⁻³, respectivement. À l'aide des outils statistiques appropriés, nous avons montré que les conditions météorologiques ont une influence importante sur la concentration de l'ozone. Nous avons trouvé des coefficients de corrélation élevés entre la concentration de l'ozone et le rayonnement solaire, la température, l'humidité relative et la vitesse du vent. Le modèle de régression multiple ascendante explique jusqu’à 75% des variations de concentration d'ozone en surface en fonction de la variabilité météorologique en été et jusqu’à 70% en hiver. En même temps, nous avons utilisé un modèle de réseau neuronal multicouche de type perceptron pour reconstruire la concentration de l'ozone en surface. Les coefficients de corrélation élevés (jusqu’à 0,89) indiquent qu'il est possible de déterminer la concentration d'ozone avec une bonne précision en se basant sur les paramètres météorologiques courants et la concentration de NO₂.

keywords:

• surface ozone
• meteorological parameters
• seasonal variability
• weekend effect

Acknowledgements

This work was partially supported by the Regional Inspectorate of Environmental Protection in Warsaw and partially performed under statutory activity No: 3841/E-41/S/2014 of the Minister of Science and Higher Education in Poland. We appreciate the comments and suggestions of anonymous reviewers, which significantly improved our manuscript.