Matematikai módszerekkel kiszámolható a szennyezőanyagok folytonos térbeli koncentráció-eloszlása és ennek időbeli alakulása, ha ismerjük a légköri áramlások és az egyes szennyezőanyagok tulajdonságait, a fontosabb szennyezőforrások elhelyezkedését, továbbá ezek hozamát. A szennyezőanyagok terjedését és átalakulásait leíró matematikai modellek emellett lehetőséget adnak meteorológiai előrejelzési modellekkel kombinálva a légszennyezettség várható alakulásának becslésére. 

Csakúgy, mint az időjárás-előrejelzés, a levegőminőség előrejelzés is bonyolult matematikai modellekre támaszkodik, amelyek a légkörben lejátszódó fizikai és kémiai folyamatokat írják le a matematika nyelvén. Az előrejelző modell-rendszer által meghatározott koncentráció értékek alakulását a meteorológiai viszonyok lényegesen befolyásolják. A szél iránya és sebessége mellett a csapadék térbeli eloszlása és mennyisége, valamint a keveredési réteg magasság előrejelzésének minősége jelentősen befolyásolja a koncentráció mezők megfelelő pontosságú prognosztizálását. Az előrejelzés pontosságát ugyancsak jelentősen befolyásoló tényező az emissziós rácsponti adatok időbeli és térbeli változékonyságának pontos ismerete. Ezen okok miatt előfordulhat, hogy az előrejelzés pontatlan, időnként a mért koncentráció értékekhez képest jelentős eltérések is lehetnek.

A modell-rendszer alapját a CHIMERE levegőkémiai transzport modell képezi. A modell futtatásához szükséges input meteorológiai adatokat az AROME finom felbontású numerikus előrejelző modell szolgáltatja. A modell szimuláció szempontjából ugyancsak meghatározó input emissziós rácsponti adatbázis 2015-re vonatkozó adatokat tartalmaz. A légkörben lezajló kémiai átalakulásokat a modell közel 80 vegyi anyagra felírt több mint 300 reakción keresztül veszi figyelembe. A magyarországi területre vonatkozó számítások térbeli felbontása kb. 10 km, amely azt jelenti, hogy a számított értékek egy 10x10 km-es területre vonatkozó átlagértékek, vagyis ez a típusú modell nem képes figyelembe venni a helyi hatásokat (például egy pár száz méteres körzetben található nagy forgalmú utak közvetlen hatását). 

Térképes előrejelzések

Az egyes szennyezőanyagokra vonatkozó előrejelzések térképes megjelenítésénél az Európai Környezetvédelmi Ügynökség (EEA) által definiált európai levegőminőségi index (EAQI) kategóriákat/színeket használtunk. Ellentétben a levegőminőségi index eredeti definíciójával (A megjelenített szín mindig ahhoz a szennyezőanyaghoz tartozik, amelynek az értéke pillanatnyilag a legmagasabb a megengedett határértékhez képest, tehát levegőminőségi szempontból a legkedvezőtlenebb.) az előrejelzési térképeket külön-külön, az EAQI szerint színeztük. 

EPSgram (Valószínűségi előrejelzés)

Minden előrejelzési modell célja, hogy légkörben lezajló legfontosabb fizikai folyamatokat megfelelően tudja leírni. Ezek a fizikai folyamatok nagyon bonyolultak, nehéz őket a matematika segítségével leírni, ezért bizonyos egyszerűsítésre van szükség. Azonban ezekkel az egyszerűsítésekkel elkerülhetetlenül hibákat viszünk az előrejelzésekbe. Annak érdekében, hogy ezekről a hibákról valamilyen képet tudjunk alkotni a multi-modell ensemble módszeréhez folyamodtunk. Több, különböző kémiai transzport modell outputját felhasználva állítható elő az ábrán látható ún. meteogram (EPSgram), amely arra ad választ, hogy az előrejelzett koncentráció értékek milyen határok között mozognak és melyik az az érték (érték intervallum), amelynek bekövetkezését a modellek számításai alpján leginkább valószínűsíteni lehet. 

Az itt bemutatott EPSgrammok a CAMS (Copernicus Atmosphere Monitoring Service) Regionális rendszer 11 kémiai transzport modelljének a számítási eredményei felhasználásával készültek.

PBL (Planetáris határréteg) magasság

A planetáris határréteg (PBL) a troposzférának az a legalsó, a földfelszínnel kapcsolatban álló rétege, mely legfeljebb órás időskálán reagál az őt érő fizikai behatásokra. Ilyen fizikai hatások pl. a súrlódás, az evaporáció és a transzspiráció, a hőtranszfer, a szennyezőanyag kibocsátás, vagy a felszín keltette változások az áramlási mezőben. A PBL vastagsága időben és térben is változékony, évszakonként és a földrajzi szélesség függvényében is eltérő, általában néhány száz méter és pár kilométer között mozog.

A planetáris határréteg magassága határozott napi menetet mutat, mely a beérkező napsugárzással van összefüggésben. Nappal a sugárzás jelentős hányadát a talajfelszín elnyeli, ezáltal felmelegszik és melegíti a legalsó légrétegeket is. Ahogy ezek az alsó légtömegek melegebbé válnak a környezetüknél, emelkedésnek indulnak, és az így kialakuló konvektív mozgások következtében a PBL vastagsága növekszik. A felszín így hatással van a planetáris határréteg alakulására. A légköri anyagok szállítását a PBL-en belül transzport folyamatok végzik. A horizontális transzportot – vagyis az advekciót – a szél vezérli, melynek átlagos sebessége a PBL-ben 2 és 10 m/s között van. A szélsebesség a súrlódás miatt a felszínhez legközelebbi rétegekben a legalacsonyabb, fölfelé jellemzően növekszik. A vertikális irányú szél kisebb erősségű, mint a horizontális, sebessége néhány mm vagy cm másodpercenként. Egyik legfontosabb transzport folyamat a konvekcióval összefüggésben lévő turbulencia, mely a levegő intenzív átkeverésében vesz részt. Időnként a planetáris határréteget a turbulens folyamatokkal definiálják.

A PBL-nek alapvetően fontos szerepe van a levegőminőség szempontjából, mivel a légköri szennyezőanyagok terjedése legnagyobb részt ebben a rétegben megy végbe. Minél pontosabban ismerjük a PBL jellemzőit és az itt zajló folyamatokat, annál pontosabban tudjuk leírni és nyomon követni a légszennyezés alakulását.

SI (Stagnation) index

Egy mérőszám, amely az atmoszféra azon tulajdonságát mutatja, hogy a légkör mennyire képes a levegőbe került szennyezőanyagokat elkeverni. A talaj közelében megrekedő levegő (amelynek kialakulásáért gyakran anticiklon, hőmérsékleti inverzió vagy alacsony szélsebesség a felelős), lehetővé teszi a szennyező anyagok feldúsulását egy adott területen, amely a szennyezőanyag koncentrációjának emelkedéséhez vezet. Az index értéke pozitív korrelációt mutat mind a talajközeli ózon, mind pedig a PM10 koncentráció értékével.

Az oldalon látható térképek az SI index értékének térbeli és időbeli változását mutatják. A térképeken a pirosba hajló színek azokat a területeket jelölik ki, ahol a meteorológiai viszonyok kedveznek a szennyezőanyag koncentráció emelkedésének, vagyis ahol várhatóan a levegőminőség romlani fog.