scholarly journals Study of the contribution of anthropogenic and natural emissions to atmospheric pollution levels

2015 ◽  
Author(s):  
Ναταλία Λιώρα

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της συνεισφοράς των φυσικών και ανθρωπογενών πηγών εκπομπής στα επιπεδα σωματιδιακής ρύπανσης στην Ευρώπη. Οι φυσικές εκπομπές διαδραματίζουν ένα σημαντικό ρόλο στις διεργασίες της ατμόσφαιρας επιδρώντας στο κλίμα, την ποιότητα της ατμόσφαιρας και την ανθρώπινη υγεία. Γι’ αυτό το λόγο, οι φυσικές εκπομπές θα πρέπει να συμπεριλαμβάνονται στα χημικά μοντέλα ετσι ώστε να συμβάλλουν στη βελτίωση των προσομοιώσεων της ποιότητας της ατμόσφαιρας. Οι φυσικές εκπομπές υπολογίζονται με τη χρήση του μοντέλου Natural Emissions Model (ΝΕΜΟ). Το ΝΕΜΟ χρησιμοποιείται για την ποσοτικοποίηση των σωματιδιακών εκπομπών που προέρχονται από τη σκόνη από το έδαφος, το αλάτι της θάλασσας και τα βιολογικά αιωρούμενα σωματίδια (PBAPs) καθώς και των βιογενών εκπομπών από τη βλάστηση. Για την εφαρμογή του ΝΕΜΟ χρησιμοποιούνται μετεωρολογικά δεδομένα από το μοντέλο Weather Research and Forecasting (WRF). Τα δύο μοντέλα εφαρμόστηκαν σε δύο πλέγματα διαφορετικής χωρικής ανάλυσης που καλύπτουν την Ευρώπη και τα Βαλκάνια, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα των φυσικών εκπομπών αναλύονται χρονικά και χωρικά σε συνδυασμό με την εξάρτηση αυτών από τη μετεωρολογία. Οι φυσικές εκπομπές χαρακτηρίζονται γενικά από μεγάλες γεωγραφικές και εποχιακές μεταβολές. Οι εκπομπές από τη σκόνη του εδάφους είναι μέγιστες τους θερινούς μήνες στη Νότια Ευρώπη ενώ οι εκπομπές από το αλάτι της θάλασσες εμφανίζουν μέγιστο στον Ατλαντικό Ωκεανό κατά τη διάρκεια της ψυχρής περιόδου. Στη Μεσόγειο θάλασσα, οι μέγιστες εκπομπές από το θαλάσσιο αλάτι παρουσιάζονται κυρίως στο Αιγαίο Πέλαγος κατά τη θερινή περίοδο. Τα βιολογικά αιωρούμενα σωματίδια παρουσιάζουν μέγιστο το καλοκαίρι ενώ σε χωρικό επίπεδο, οι ελάχιστες εκπομπές παρατηρούνται στη Σκανδιναβία ενώ στην υπόλοιπη Ευρώπη δεν παρουσιάζεται ιδιαίτερη χωρική διακύμανση. Οι ανθρωπογενείς σωματιδιακές εκπομπές βασίζονται σε μία Ευρωπαϊκή βάση δεδομένων και υπολογίζονται με τη χρήση του μοντέλου ανθρωπογενών εκπομπών Model for the Spatial and Temporal Distribution of Emissions (MOSESS). Στη διατριβή παρουσιάζεται η συνεισφορά των φυσικών και ανθρωπογενών εκπομπών στις συνολικές σωματιδιακές εκπομπές στην Ευρώπη. Τα αποτελέσματα των φυσικών (σκόνη, αλάτι, βλάστηση (βιογενείς εκπομπές)) και ανθρωπογενών εκπομπών ενσωματώνονται σε σύστημα μοντέλων που απαρτίζεται από το μετεωρολογικό μοντέλο WRF και το φωτοχημικό μοντέλο Air Quality Model with Extensions (CAMx) για να μελετηθεί η συνεισφορά των φυσικών εκπομπών στην ποιότητα της ατμόσφαιρας. Το σύστημα μοντέλων εφαρμόζεται για διαφορετικά σενάρια εκπομπών έτσι ώστε να μελετηθεί ξεχωριστά η συνεισφορά της εκάστοτε φυσικής πηγής εκπομπών αλλά και η συνολική συνεισφορά από όλες τις φυσικές πηγές. Τα αποτελέσματα του μοντέλου δείχνουν ότι η σκόνη από το έδαφος αυξάνει τα μέσα μηνιαία επίπεδα συγκεντρώσεων των ΡΜ10 κατά 7μg/m3 στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου το καλοκαίρι ενώ το αλάτι της θάλασσας έχει μια πολύ σημαντική επίδραση στα επίπεδα σωματιδιακής ρύπανσης αυξάνοντας τις συγκεντρώσεις των ΡΜ10 κατά περίπου 10μg/m3 στο Αιγαίο Πέλαγος το καλοκαίρι και στον Ατλαντικό Ωκεανό το φθινόπωρο. Οι βιογενείς εκπομπές συμβάλλουν στην αύξηση των δευτερογενών οργανικών σωματιδίων με αποτέλεσμα την αύξηση των επιπέδων σωματιδιακής ρύπανσης κυρίως το καλοκαίρι σε περιοχές με μεγάλη συνεισφορά των βιογενών εκπομπών (π.χ. Βόρεια Ευρώπη) ενώ συμβάλλουν στη μείωση των θειϊκών και νιτρικών σωματιδίων σε περιοχές της Κεντρικής Ευρώπης ή της Ανατολικής Μεσογείου λόγω της συμβολής τους στη μείωση των επιπέδων υδροξυλίου στην ατμόσφαιρα.Για την αξιολόγηση του συστήματος μοντέλων χρησιμοποιούνται μετρήσεις αιωρούμενων σωματιδίων που συλλέχθηκαν από διάφορους σταθμούς μέτρησης της Ευρώπης. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ικανοποιητική επίδοση του μοντέλου και καλή προσομοίωση των φυσικών εκπομπών.

2013 ◽  
Vol 6 (4) ◽  
pp. 883-899 ◽  
Author(s):  
K. W. Appel ◽  
G. A. Pouliot ◽  
H. Simon ◽  
G. Sarwar ◽  
H. O. T. Pye ◽  
...  

Abstract. The Community Multiscale Air Quality (CMAQ) model is a state-of-the-science air quality model that simulates the emission, transformation, transport, and fate of the many different air pollutant species that comprise particulate matter (PM), including dust (or soil). The CMAQ model version 5.0 (CMAQv5.0) has several enhancements over the previous version of the model for estimating the emission and transport of dust, including the ability to track the specific elemental constituents of dust and have the model-derived concentrations of those elements participate in chemistry. The latest version of the model also includes a parameterization to estimate emissions of dust due to wind action. The CMAQv5.0 modeling system was used to simulate the entire year 2006 for the continental United States, and the model estimates were evaluated against daily surface-based measurements from several air quality networks. The CMAQ modeling system overall did well replicating the observed soil concentrations in the western United States (mean bias generally around ±0.5 μg m−3); however, the model consistently overestimated the observed soil concentrations in the eastern United States (mean bias generally between 0.5–1.5 μg m−3), regardless of season. The performance of the individual trace metals was highly dependent on the network, species, and season, with relatively small biases for Fe, Al, Si, and Ti throughout the year at the Interagency Monitoring of Protected Visual Environments (IMPROVE) sites, while Ca, K, and Mn were overestimated and Mg underestimated. For the urban Chemical Speciation Network (CSN) sites, Fe, Mg, and Mn, while overestimated, had comparatively better performance throughout the year than the other trace metals, which were consistently overestimated, including very large overestimations of Al (380%), Ti (370%) and Si (470%) in the fall. An underestimation of nighttime mixing in the urban areas appears to contribute to the overestimation of trace metals. Removing the anthropogenic fugitive dust (AFD) emissions and the effects of wind-blown dust (WBD) lowered the model soil concentrations. However, even with both AFD emissions and WBD effects removed, soil concentrations were still often overestimated, suggesting that there are other sources of errors in the modeling system that contribute to the overestimation of soil components. Efforts are underway to improve both the nighttime mixing in urban areas and the spatial and temporal distribution of dust-related emission sources in the emissions inventory.


2013 ◽  
Vol 6 (1) ◽  
pp. 1859-1899 ◽  
Author(s):  
K. W. Appel ◽  
G. A. Pouliot ◽  
H. Simon ◽  
G. Sarwar ◽  
H. O. T. Pye ◽  
...  

Abstract. The Community Multiscale Air Quality (CMAQ) model is a state-of-the-science air quality model that simulates the emission, transformation, transport and fate of the many different air pollutant species that comprise particulate matter (PM), including dust (or soil). The CMAQ model version 5.0 (CMAQv5.0) has several enhancements over the previous version of the model for estimating the emission and transport of dust, including the ability to track the specific elemental constituents of dust and have the model-derived concentrations of those elements participate in chemistry. The latest version of the model also includes a parameterization to estimate emissions of dust due to wind action. The CMAQv5.0 modeling system was used to simulate the entire year 2006 for the continental United States, and the model estimates were evaluated against daily surface based measurements from several air quality networks. The CMAQ modeling system generally did well replicating the observed soil concentrations in the western United States; however the model consistently overestimated the observed soil concentrations in the eastern United States, regardless of season. The performance of the individual trace metals was generally good at the rural network sites, with relatively small biases for Fe, Al, Si and Ti throughout the year, while Ca, K and Mn were overestimated and Mg underestimated. For the urban sites, Fe, Mg and Mn, while overestimated, had comparatively better performance throughout the year than the other trace metals, which were consistently overestimated, including very large overestimations of Al, Ti and Si in the fall. An underestimation of nighttime mixing in the urban areas appears to contribute to the overestimation of trace metals. Removing the anthropogenic fugitive dust (AFD) emissions and the effects of wind-blown dust (WBD) lowered the model soil concentrations. However, even with both AFD emissions and WBD effects removed, soil concentrations were still often overestimated, suggesting that there are other sources of errors in the modeling system that contribute to the overestimation of soil components. Efforts are underway to improve both the nighttime mixing in urban areas and the spatial and temporal distribution of dust related emissions sources in the emissions inventory.


Atmosphere ◽  
2019 ◽  
Vol 10 (10) ◽  
pp. 618 ◽  
Author(s):  
Choi ◽  
Lee ◽  
Woo ◽  
Kim ◽  
Lee

High levels of atmospheric concentration of PM2.5 (particulate matters less than 2.5 μm in size) are one of the most urgent societal issues over the East Asian countries. Air quality models have been used as an essential tool to predict spatial and temporal distribution of the PM2.5 and to support relevant policy making. This study aims to investigate the performance of high-fidelity air quality models in simulating surface PM2.5 chemical composition over the East Asia region in terms of a prediction consistency, which is a prerequisite for accurate air quality forecasts and reliable policy decision. The WRF-Chem (Weather Research and Forecasting-Chemistry) and WRF/CMAQ (Weather Research and Forecasting/Community Multiscale Air Quality modeling system) models were selected and uniquely configured for a one-month simulation by controlling surface emissions and meteorological processes (model options) to investigate the prediction consistency focusing the analyses on the effects of meteorological and chemical processes. The results showed that the surface PM2.5 chemical components simulated by both the models had significant inconsistencies over East Asia ranging fractional differences of 53% ± 30% despite the differences in emissions and meteorological fields were minimal. The models’ large inconsistencies in the surface PM2.5 concentration were attributed to the significant differences in each model’s chemical responses to the meteorological variables, which were identified from the multiple linear regression analyses. Our findings suggest that the significant models’ prediction inconsistencies should be considered with a great caution in the PM2.5 forecasts and policy support over the East Asian region.


2021 ◽  
Author(s):  
Ερμιόνη Σολωμού

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η αξιολόγηση της επίδοσης αριθμητικού μοντέλου ποιότητας του αέρα και η ανάπτυξη μετεπεξεργαστικού φίλτρου για τη βελτίωση της απόδοσης του. Η περιοχή μελέτης είναι η Νοτιοανατολική Ευρώπη και ιδιαίτερη έμφαση θα δοθεί στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου. Στο πρώτο μέρος της διατριβής αξιολογείται η ικανότητα δύο συστημάτων μοντέλων να αναπαραγάγουν την επίδραση των Ετησιών ανέμων στα επίπεδα του επιφανειακού όζοντος στην Ανατολική Μεσόγειο. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται το παγκόσμιο μοντέλο MACC (Monitoring Atmospheric Composition and Climate) Reanalysis IFS - MOZART (Integrated Forecast System - Model for Ozone and Related chemical Tracer) και το σύνολο περιφερειακών μοντέλων MACC-II (MACC-Interim Implementation). Η αξιολόγηση πραγματοποιείται για τρεις σταθμούς υποβάθρου που βρίσκονται στη Μάλτα, στην Κύπρο και την Κρήτη για μια χρονική περίοδο πέντε μηνών (Μάιος - Σεπτέμβριος) για τα έτη 2011-2012. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι παρόλο που τα δύο συστήματα μοντέλων υποεκτιμούν συστηματικά τις συγκεντρώσεις του επιφανειακού όζοντος, μπορούν να συλλάβουν ως ένα βαθμό την επίδραση των Ετησιών με το σύνολο των περιφερειακών μοντέλων να αναπαράγει καλύτερα τις τιμές του όζοντος σε σύγκριση με το παγκόσμιο μοντέλο. Στο δεύτερο μέρος της μελέτης αξιολογείται η επίδοση του φωτοχημικού μοντέλου CAMx (Comprehensive Air Quality Model with Extensions) που συνδυάζεται με το μετεωρολογικό μοντέλο WRF (Weather Research και Forecasting). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται προσομοιώσεις για τα επίπεδα των O3, ΝΟ2, ΝΟ, SO2, CO και των αιωρούμενων σωματιδίων. Οι προσομοιώσεις αυτές συγκρίνονται με επίγειες μετρήσεις από 28 σταθμούς παρακολούθησης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης για την Ελλάδα. Η αποτίμηση της επίδοσης του μοντέλου WRF-CAMx αφορά σε ένα μήνα για κάθε εποχή του έτους 2012 και πιο συγκεκριμένα στους μήνες Ιανουάριο, Απρίλιο, Ιούλιο και Οκτώβριο. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης δείχνουν ότι η επίδοση του WRF-CAMx είναι ικανοποιητική για τα αιωρούμενα σωματίδια και τους αέριους ρύπους σχεδόν για όλους τους σταθμούς. Λιγότερο καλή είναι η επίδοση του μοντέλου για το SO2. Το μοντέλο φαίνεται να υπερεκτιμά τις συγκεντρώσεις του όζοντος σε αρκετούς σταθμούς με αποτέλεσμα μια μικρή συνολική υπερεκτίμηση με εξαίρεση τον Ιούλιο. Για τους υπόλοιπους αέριους ρύπους, το μοντέλο εμφανίζει μικρή υποεκτίμηση των επιπέδων συγκέντρωσης. Τα επίπεδα συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων PM10, εμφανίζουν μικρή υπερεκτίμηση κατά τη διάρκεια του Ιανουαρίου και Απριλίου και υποεκτίμηση τους άλλους δύο μήνες. Παρόμοια αποτελέσματα υπολογίζονται και για τα ΡΜ2.5. Ο στόχος της τελευταίας μελέτης είναι η βελτίωση της επίδοσης του μοντέλου WRF-CAMx στην προσομοίωση των επιπέδων ρύπανσης στην Ελλάδα. Για το σκοπό αυτό αναπτύχτηκε στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστήμιου Πατρών μετεπεξεργαστικό φίλτρο που βασίζεται στη μεθοδολογία Analog Ensemble (AnEn). Το φίλτρο εφαρμόζεται στις προσομοιώσεις του όζοντος και των αιωρούμενων σωματιδίων. Η AnEn αναζητά analogs σε προβλέψεις του παρελθόντος για να διορθώσει την παρούσα πρόβλεψη. Όπως αποδεικνύεται από την αποτίμηση της εφαρμογής του φίλτρου οι διορθωμένες προβλέψεις εμφανίζονται σημαντικά βελτιωμένες σε σχέση με τις αρχικές προβλέψεις του μοντέλου. Πιο συγκεκριμένα, παρατηρείται μια σαφής βελτίωση της συσχέτισης μεταξύ των διορθωμένων προβλέψεων και των παρατηρήσεων.


Author(s):  
Hossein Shahbazi ◽  
Vahid Hosseini ◽  
Sara Torbatian ◽  
Masoud Hamedi

In recent years, the city of Tehran has frequently experienced severe air pollution episodes, and the increase in the use of vehicles has exacerbated this critical situation. It is unclear to what extent each vehicle category contributes to the production of pollution during a pollution event. For this purpose, a combination of the weather research and forecasting (WRF) and the Comprehensive Air Quality Model with Extensions (CAMx) modeling systems was used to simulate the distributions of pollutant concentrations over Tehran in a pollution episode from December 3 to 23, 2017. First, the performance of the modeling system was evaluated with respect to the simulation outputs against observations. Results showed satisfactory performance by the models in predicting meteorological parameters and pollutant concentrations. There were some discrepancies between measured and simulated pollutant levels that might have several causes, including, for example, not considering dust emissions in the system. The second step focused on the assessment of different emission scenarios to quantify the impact of each vehicle fleet in producing pollution during such severe episodes. For this reason, eight different scenarios were considered in which the emissions of each vehicle category were entirely eliminated from the corresponding scenario. The results show that the removal of passenger cars and motorcycles could have the most significant impact on PM2.5 reduction, with a maximum drop of 32% and 30%, respectively. In addition, the NO2 concentrations could be reduced by about 20% and 10% as a result of the removal of passenger cars and motorcycles, respectively. Finally, two traffic schemes with a main focus on the role of motorcycles on the degradation of Tehran’s air quality were also examined for the same episode.


2015 ◽  
Vol 8 (10) ◽  
pp. 9373-9413 ◽  
Author(s):  
M. Zhong ◽  
E. Saikawa ◽  
Y. Liu ◽  
V. Naik ◽  
L. W. Horowitz ◽  
...  

Abstract. We conducted simulations using the Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry (WRF-Chem) version 3.5 to study air quality in East and South Asia at a spatial resolution of 20 km × 20 km. We find large discrepancies between two existing emissions inventories: the Regional Emission Inventory in Asia version 2 (REAS) and the Emissions Database for Global Atmospheric Research version 4.2 (EDGAR) at the provincial level in China, with maximum differences up to 500 % for CO emissions, 190 % for NO, and 160 % for primary PM10. Such differences in the magnitude and the spatial distribution of emissions for various species lead to 40–70 % difference in surface PM10 concentrations, 16–20 % in surface O3 mixing ratios, and over 100 % in SO2 and NO2 mixing ratios in the polluted areas of China. Our sensitivity run shows WRF-Chem is sensitive to emissions, with the REAS-based simulation reproducing observed concentrations and mixing ratios better than the EDGAR-based simulation for July 2007. We conduct further model simulations using REAS emissions for January, April, July, and October in 2007 and evaluate simulations with available ground-level observations. The model results show clear regional variations in the seasonal cycle of surface PM10 and O3 over East and South Asia. The model meets the air quality model performance criteria for both PM10 (mean fractional bias, MFB ≤ ± 60 %) and O3 (MFB ≤ ± 15 %) in most of the observation sites, although the model underestimates PM10 over Northeast China in January. The model predicts the observed SO2 well at sites in Japan, while it tends to overestimate SO2 in China in July and October. The model underestimates most observed NO2 in all four months. These findings suggest that future model development and evaluation of emission inventories and models are needed for particulate matter and gaseous pollutants in East and South Asia.


2005 ◽  
Vol 2005 (3) ◽  
pp. 1393-1414
Author(s):  
Kuo-Liang Lai ◽  
Janet Kremer ◽  
Susan Sciarratta ◽  
R. Dwight Atkinson ◽  
Tom Myers

2021 ◽  
Vol 13 (10) ◽  
pp. 5685
Author(s):  
Panbo Guan ◽  
Hanyu Zhang ◽  
Zhida Zhang ◽  
Haoyuan Chen ◽  
Weichao Bai ◽  
...  

Under the Air Pollution Prevention and Control Action Plan (APPCAP) implemented, China has witnessed an air quality change during the past five years, yet the main influence factors remain relatively unexplored. Taking the Beijing-Tianjin-Hebei (BTH) and Yangtze River Delta (YRD) regions as typical cluster cities, the Weather Research Forecasting (WRF) and Comprehensive Air Quality Model with Extension (CAMx) were introduced to demonstrate the meteorological and emission contribution and PM2.5 flux distribution. The results showed that the PM2.5 concentration in BTH and YRD significantly declined with a descend ratio of −39.6% and −28.1%, respectively. For the meteorological contribution, those regions had a similar tendency with unfavorable conditions in 2013–2015 (contribution concentration 1.6–3.8 μg/m3 and 1.1–3.6 μg/m3) and favorable in 2016 (contribution concentration −1.5 μg/m3 and −0.2 μg/m3). Further, the absolute value of the net flux’s intensity was positively correlated with the degree of the favorable/unfavorable weather conditions. When it came to emission intensity, the total net inflow flux increased, and the outflow flux decreased significantly across the border with the emission increasing. In short: the aforementioned results confirmed the effectiveness of the regional joint emission control and provided scientific support for the proposed effective joint control measures.


1993 ◽  
Vol 134 (1-3) ◽  
pp. 1-7 ◽  
Author(s):  
Ana Isabel A. Miranda ◽  
Miguel S. Conceição ◽  
Carlos S. Borrego

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document