Po raz pierwszy podejście statystyczne do problemu selekcji danych stężenia CO2 i CH4 mierzonych na Kasprowym Wierchu zaprezentowano w pracy [Nęcki i in., 2003]. Metoda tam przedstawiona została następnie rozwinięta w trakcie trwania projektu CarboEurope-IP, w którym dużo uwagi poświęcono jakości danych przesyłanych do wspólnej bazy przez poszczególne stacje wchodzące w skład europejskiej sieci pomiarowej. Wieloletnie doświadczenie w prowadzeniu pomiarów stężeń gazów cieplarnianych w obserwatorium na Kasprowym Wierchu pozwoliło na zoptymalizowanie procedury selekcji danych i dostosowanie jej do charakteru punktu pomiarowego. Stosowana obecnie procedura filtracji danych składa się z kilku kolejnych kroków, podzielonych na dwa etapy:
Etap I – selekcja wstępna
1. Wstępnaocena jakości prowadzonych pomiarów przez osobę nadzorującą.
Ma ona na celu identyfikację wszystkich okresów w których sprzęt pomiarowy nie działał poprawnie, bądź też okresów w których warunki prowadzonych pomiarów były nieodpowiednie (np. praca ratraków w bezpośredniej okolicy kopuły szczytowej Kasprowego Wierchu, prace remontowo-budowlane na dachu obserwatorium, czy też palenie ognisk w sąsiedztwie budynku). Dane uzyskane dla takich okresów czasu nie były brane pod uwagę w dalszej analizie.
2. Wyodrębnienie i odpowiednie oflagowanie danych których jakość jest dyskusyjna.
Do tej grupy zaliczane są pomiary z okresów w których aparatura nie zachowywała się prawidłowo (np. była słaba powtarzalność pomiarów), ale jednocześnie nie doszukano się konkretnych przyczyn gorszego jej funkcjonowania. Wszystkie pomiary tego typu pozostają w bazie ale oznaczone są flagą „niepewne” i nie wchodzą w zbiór pomiarów reprezentatywnych dla całego regionu.
Etap II – analiza statystyczna
3. Pod uwagę brane są jedynie nocne wartości stężeń mierzonych gazów (okres pomiędzy 22:00 a 6:00). 4. Z tak wyselekcjonowanych danych obliczana jest wartość średnia stężenia danego gazu dla każdej doby.
5. Średnie stężenie gazu z danej nocy porównywane jest ze średnim stężeniem z siedmiu poprzedzających ją, zaakceptowanych nocy. Wartości przebiegu stężeń mierzonych gazów dla rozważanej nocy są przyjmowane za regionalne jeśli średnia z danej nocy mieści się w granicach ±3 odchylenia standardowe wartości średniej poprzednich siedmiu nocy.
Ponadto:
6. Obliczane jest odchylenie standardowe wartości średniej stężenia dla każdej nocy z osobna, dla wszystkich nocy w roku. Brane są pod uwagę tylko noce zgodne z kryteriami podanym w punkcie 5. 7. Obliczana jest średnia z tych odchyleń
standardowych (każdy rok z osobna).
8. Odchylenie standardowe wartości średniej dla każdej nocy porównywane jest z wartością średnią obliczoną w kroku 7.
9. Wartości przebiegu stężenia z danej nocy są uważane za odzwierciedlające sytuację regionalną jeśli różnica miedzy wielkościami obliczonymi w punktach 6 i 7 nie jest większa niż dwukrotna wartość odchylenia standardowego obliczonego w punkcie 7.
Przedstawioną powyżej procedurę selekcji zastosowano do zbioru wyników pomiaru stężenia
metanu i dwutlenku węgla prowadzonych na Kasprowym Wierchu w 2002 roku. Rezultat przeprowadzonej analizy zaprezentowano na rys.5.14.
Zastosowanie w omawianej procedurze filtracji kroku nr 3 wybiera z całego zbioru danych podzbiór odpowiadający pomiarom wykonywanym w czasie kiedy szczyt Kasprowego Wierchu jest odcięty od terenów położonych poniżej warstwą inwersyjną. W tych okresach emisja lokalna w otoczeniu Kasprowego Wierchu nie ma wpływu na mierzone stężenia CO2 i CH4. Kroki 4 i 5 usuwają ze zbioru danych okresy szybkich zmian stężenia świadczących z reguły o lokalnym pochodzeniu mierzonego powietrza. Natomiast kroki 6 do 9 eliminują przypadki pomiarów o wysokiej niepewności. Z taką sytuacją mamy do czynienia gdy mierzone stężenie charakteryzuje się dużą zmiennością w obrębie jednej nocy. Zazwyczaj powodowane jest to bądź wadliwie działającą aparaturą pomiarową, bądź emisją mierzonego gazu w bezpośrednim sąsiedztwie czerpni powietrza.
Drugi etap omawianej procedury (kroki 3 do 9) wykonywany jest automatycznie, z wykorzystaniem programu GC Tool autorstwa dr inż. Mirosława Zimnocha (rys.5.15.). Program ten znacznie ułatwia obróbkę statystyczną dużej liczby danych otrzymywanych w wyniku prowadzenia pomiarów chromatograficznych w systemie kwazi-ciągłym. Oprócz obliczeń statystycznych związanych z selekcją i flagowaniem danych, program GC Tool umożliwia również inne obliczenia stanowiące podstawę analizy przebiegów czasowych stężenia mierzonych gazów cieplarnianych. Są to:
Rys.5.14. Selekcja danych oparta na analizie
statystycznej, zastosowana do zbioru stężeń CO2 i CH4
otrzymanych dla Kasprowego Wierchu w 2002 roku. Kolor granatowy – wszystkie dostępne dane. Kolor żółty – dane które na podstawie przeprowadzonej analizy zostały uznane za wolne od wpływów lokalnych.
Rozdział 5. Analiza zmienności czasowo-przestrzennej stężenia CO2 i CH4 w atmosferze
Obliczanie średnich wartości dobowych stężeń na podstawie danych selekcjonowanych i nie selekcjonowanych, wraz z określaniem okresu uśredniania danych (która część doby jest brana po uwagę przy liczeniu średniej),
Obliczanie średnich przebiegów dobowych stężenia danego gazu dla poszczególnych miesięcy w roku. Obliczanie średnich wartości miesięcznych stężeń.
Rys.5.15. Widok panelu użytkownika programu GC Tool. Wykres przedstawia przykładowy przebieg pomiarów stężenia
dwutlenku węgla wykonanych na Kasprowym Wierchu w dniach od 6 do 13 grudnia 2002. Różnymi kolorami zaznaczono stężenia należące do różnych podzbiorów danych (niebieski – dane regionalne (R), ciemnozielony – dane lokalne (L1), brązowy – dane lokalne (L2), jasnozielony – dane lokalne (L3), fioletowy – dane niepewne (x), patrz tekst).
Ponadto, program ten umożliwia wizualizację wyników analizy. Na poziomie wizualizacji zachowane jest rozróżnienie ze względu na typ danych: różnymi kolorami oznaczone są dane odrzucone, uznane za niepewne, lokalne bądź regionalne. Dane lokalne są dalej rozdzielane na trzy podgrupy (L1, L2, L3, patrz niżej) ze względu na kryterium, które zadecydowało o przydzieleniu ich do grupy danych lokalnych. Rozróżnienie to jest zachowane w plikach wyjściowych tworzonych przez program dzięki przypisaniu do każdej danej odpowiadającej jej flagi. Stosowanych jest kilka rodzajów flag. Na pierwszym etapie selekcji danych, do osoby nadzorującej prowadzone badania należy podzielenie całego zbioru danych na 3 główne podzbiory i oznaczenie ich następującymi flagami:
* – oznacza dane błędne (krok nr 1 procedury), nie brane pod uwagę w dalszej analizie, x – oznacza dane niepewne (krok nr 2 procedury),
. – pozostałe dane.
L1 – oznacza daną lokalną, zakwalifikowaną do tego zbioru na podstawie kroku nr 3 procedury, L2 – oznacza daną lokalną, zakwalifikowaną do tego zbioru na podstawie kroków nr 4 i 5 procedury, L3 – oznacza daną lokalną, zakwalifikowaną do tego zbioru na podstawie kroków od nr 6 do 9 procedury, R – oznacza daną regionalną wolną od wpływów lokalnych otoczenia stacji pomiarowej.