Analysis of air pollution over Izmir via atmospheric modeling

Abstract

Türkiye'nin üçüncü en büyük kenti olmasının yanı sıra 4 milyonu aşan nüfusuyla İzmir, ekonomisinde büyük gelişmeler kaydeden metropoller arasındadır. Büyükşehirlerin ekonomilerindeki büyüme, kaçınılmaz olarak bazı sosyal ve çevresel sorunları da beraberinde getirmektedir. Bunların arasında en önemlisi olan hava kirliliği gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde sıkça rastlanan problemlerdendir. Hava kalitesi problemi özellikle de büyükşehirlerde birçok parametreden etkilenmektedir. Bunlar arasında meteoroloji, topografya, nüfus, rakım, endüstrileşme ve sosyo-ekonomik gelişim bulunmaktadır. Dünyadaki gelişen kentsel alanlarda yaşayan insan nüfusunun artmasıyla birlikte kirliliğe maruziyet de artmaktadır. Birleşmiş Milletler 2000 yılında dünya nüfusunun (% 48) yaklaşık yarısı kentlerde yaşadığını ve kentlerin nüfuslarının önümüzdeki her üç yılda yılda% 2 oranında büyümesini beklediğini açıklamıştır. 2013 yılında yapılan bir çalışmaya göre dünyadaki 23 şehrin 10 milyonun üzerinde nüfusa sahip olduğu görülmüştür.Hava kirliliği, farklı fazlarda bulunan yabancı maddelerin insan sağlığına, canlı hayatına ve ekolojik dengeye zarar verecek miktar, yoğunluk ve sürede atmosferde asılı kalmasıdır. Bu sebeple hava kirliliği maruziyeti yoğun antropojenik aktivitelerden dolayı kentsel yaşamın kaçınılmaz sonuçlarından biri haline gelmiştir. Gelişmekte olan ve gelişmiş ülkelerin en büyük problemi olan hava kirliliği üzerine farklı çalışmalar yapılmaktadır. Öncelikle hava kirleticileri insan sağlığını çok çeşitli şekillerde etkileyebilmektedir. Hava kirleticilerinin miktarlarının özellikle kentsel alanlarda yüksek olmasıyla beraber ölümlerin ve hastalık oranlarının arttığı tespit edilmiştir. Özellikle akciğer hastalıkları, nörodavranışsal hastalıklar ve kalp-damar hastalıkları başlıca görülen etkileridir.Büyüyen kent populasyonu ve endüstrileşme seviyesi enerji talebini de arttırmaktadır. Yoğun nüfuslu bölgelerde hızlı kentleşme ile ulaşım, enerji üretimi ve sanayi aktiviteleri hava kirliliği emisyonlarının artmasına neden olmaktadır. Hava kalitesi yönetiminin stratejik planlaması zayıf olan ya da varolmayan şehirlerde acilen uygulanması gereken hususlardandır. Bu sebeple hava kalitesi seviyelerinin belirlenerek iyileştirilmesi için emisyon envanterlerinin oluşturulması önemli adımlardan biridir. Bu envanterler antropojenik kirletici kaynaklardan olan insan ve çevresel riskleri değerlendirmek için gerekli araçlardır. Hava kalitesi kontrol stratejileri yerel, ulusal ve global ölçekteki otoritelerin belirlediği hava kalitesi ve emisyon standartları ile belirlenir. Emisyon kontrol stratejileri geliştirmek, control programlarının uygulanabilirliğini belirlemek güvenilir emisyon envanterinin oluşturulması için gereklidir. Sağlıklı bir hava kalitesi control stratejisi oluştumak ve hava kirliliği kontrolü azaltma stratejileri planlamak amacıyla mümkün olan en iyi çözünürlükte emisyon kaynaklarının mekansal ve zamansal yoğunluk miktarını tahmin etmek gerekir. Güvenilir emisyon envanterinin varlığı nitelikli hava kalite yönetim sistemi için temel bir gerekliliktir. Bir emisyon envanter sistemi, veri toplama ve tarama, depolama, veri düzenleyerek kirlilik değerlendirme faaliyetlerini desteklemektedir. Ayrıca gelecekte hazırlanacak emisyon semaryoları için veritabanı oluşturmaktadır.Bu çalışmada, mevcut emisyon envanteri iyileştirilerek daha güncel ve belirsizliği indirgenmiş olan aktivite verileri derlenmiş böylece kullanılan hava kalitesi modeli için daha güvenilir girdiler hazırlanmıştır. Oluşturulan yeni envanter ile çalıştırılmış olan model yardımıyla kaynaklarına göre kirleticilerin zamansal ve mekansal dağılımları incelenmiştir. Kaynaklarına göre dağılımları yapılan kirleticilerin model içerisindeki derlenmesi modelin sektörel dağılımlarına göre oluşturulmuştur. Geliştirilen envanterin son haline gelmesinden önce hesaplanan ve düzenlenen veriler sektörel bazlı olarak modelin içerisinde dağıtılmıştır. Çalışmada üç tipte kaynağın verileri veri havuzunda toparlanmış ardından kaynak tiplerinin hesap yöntemlerine bağlı olarak hesaplanmıştır. Model içerisinde sanayi emisyonları SNAP-34 sektöründe bulunurken, trafik kaynaklı emisyonlar SNAP-7 sektöründe bulunmaktadır. SNAP-7 ayrıca kendi içerisinde kaynak emisyonlarına bağlı olarak 5'e ayrılmaktadır. Evsel ısınma olarak adlandırılan alansal kaynaklar ise SNAP-2 sektörü için hesaplanarak oluşturulmuştur. Emisyon envanteri hazırlanırken her sektor için gerekli olan veriler kurumlardan elde edilerek bağlı olduğu sektöre göre hesaplamalar yapılmıştır. COPERT 4 modeli ile trafik kaynaklı emisyonlar hesaplanarak İzmir'e ait envanterin ulaşım sektörü bölümünde kullanılmıştır. COPERT 4 trafik kaynaklı emisyon hesaplama modeli, Avrupa'da pek çok ülke tarafından araç emisyonların hesaplanması için kullanılan bir modeldir. Sanayi emisyonları için tesislerin direct ölçümlerden elde edilen veriler İzmir Çevre ve Şehircilik Müdürlüğü tarafından sağlanarak çalışmanın SNAP-34 sektörü için hesaplanarak kullanılmıştır. Evsel ısınma emisyonları İzmir Çevre Şehircilik Müdürlüğü tarafından sağlanan doğalgaz tüketim ve kömür satış verileri kullanılarak SNAP-2 sektörü için hesaplanmıştır.Bu çalışmada, EPAs' models-3 sisteminin içerdiği WRF/CMAQ modelleri bir arada kullanılmıştır. Meteoroloji ve kimyasal taşınım modelleri 2 domain olarak çalıştırılmıştır. Ana domain tüm Avrupa'yı, Kuzey Afrika'yı ve Doğu Asya'nın bir kısmını, ikinci domain tüm Türkiye'yi kapsamaktadır ve çözünürlükleri sırasıyla 30 km ve 10 km'dir. WRF modeli 3 gün spin-up zamanı ile Ocak 2010 için çalıştırılmıştır. Modelin sonuçları için İzmir ili Meteoroloji Genel Müdürlüğü'den elde edilen sıcaklık ve rüzgar hızı/yönü verileri ile Gaziemir istasyonu için performans analizi yapılmıştır. Modelin sıcaklık verileri ile istasyon verileri beraber değerlendirildiğinde modelin 2mdeki sıcaklıklarda trend ve sıcaklık değerleri için kısmen doğru öngörü yaptığı tespit edilmiştir. Rüzgar hızı ve yönü verileri için yapılan değerlendirmelerde ise modelin rüzgar hızının düşük olduğu zamanlar için rüzgar hızı için doğru tahminlerde bulunduğu fakat bazı zamanlarda sapmalar olduğu gözlenmiştir. Rüzgar yönü için modelin tahmininde belirsizlikler söz konusudur, bu olası bir sonuçtur.Model parametrelerindeki değişimin emisyonlar arasındaki etkisinin değerlendirilmesinin ardından bu etkinin hava kalitesine nasıl yansıyacağını belirlemek için hava kalitesi modeli çalıştırılmıştır. Baz senaryo olarak TNO/MACC-II envanteri kullanılarak 30 km ve 10 km için koşturulmuştur. Ardından CMAQ modeli İzmir ili için SNAP-2, SNAP-34 ve SNAP-7 sektörleri için hesaplanan güncel emisyon verileri ile tekrar çalıştırılmıştır. TNO envanteri ve yeni emisyon hesapları ile oluşturulan yeni envanter için analizler farklı analiz yöntemleri kullanılarak sektörel değişimlerin model sonuçlarındaki etkileri incelenmiştir. Emisyonların TNO-OUR olarak ayrı ayrı toplam emisyon haritaları oluşturulmuş, birbirlerinden farkları da harita olarak çizdirilmiştir. OUR emisyonlarında her kirleticide sektörel bazlı arttırım ve azaltımlara göre değişimler gözlenmiştir. PM10 emisyonları SNAP-2'de azaltılırken, SNAP-34 ve SNAP-7'de arttırılmıştır, sonuç olarak ise PM10 emisyonları arttırılmıştır. CO SNAP-2 sektöründe büyük ölçüde düşürülürken, SNAP-34 ve SNAP-7 sektörlerinde büyük oranda arttırılmıştır. NOx ise çalışılan sektörlerde SNAP-34 hariç arttırılmıştır. Kirleticilerden SO2 ise bütün sektörlerde arttırılmıştır. Tüm bu azaltım ve arttırımların sonucunda konsantrasyonlarda her kirletici için farklı sonuçlar gözlenmiştir. Çalışmada, sektörel dağılımlar TNO envanterinin mekansal dağılımını baz almaktadır. Dolayısıyla farklar TNO mekansal dağılımına bağlı olarak oluşmuştur.İzmir tüm kirletici emisyonlarında ve konsantrasyonlarda maksimum değişimlerin şehir merkezinde olduğu görülmüştür. Daha detaylı inceleme yapılarak konsantrasyonlarda maksimum farkın olduğu gün ve saatler belirlenerek emisyonun etkisi ve sonuçları incelenmiştir. Tüm bu analizlerin sonucunda, geliştirilen yeni emisyon envanterinin input olarak kullanıldığı CMAQ modelinin konsantrasyon sonuçlarında görülen maksimum etki, emisyon kaynaklarının en fazla olduğu İzmir şehir merkezinde görülmüştür.

Besides being Turkey's third largest city with a population exceeding 4 million, İzmir is among the metropolitans that have major economic improvements. Economic growths of big cities inevitably bring some social and environmental issues as well. Among these, air pollution is the most serious and common one that both developed and developing countries are encountered. Air quality problem is affected from a lot of parameters especially in big cities. These include meteorology, topography, population, altitude, industrialization and social-economical developments. Exposure to pollution increases with the increasing human population living in developing urban areas. United Nations announced in 2000 that approximately half of the world population (48%) live in cities and every 3 years 2% growth is expected in the city populations. According to a research in 2013, twenty-three cities in the world have populations higher than 10 million. Air pollution is the existence of the foreign substances suspended in different phases of the atmosphere in varying amount, density and duration that damage human health, living organisms, and ecological balance. Therefore being exposed to air pollution became one of the inevitable results of urban life due to intense anthropogenic activities. Different researches are done on air pollution, which is a significant problem for both developed and developing countries. Especially air pollutants can threaten human health in various ways and levels. While there are high amounts of air pollutants, especially in urban areas, increase in mortality and morbidity rates has been discovered. Particularly lung diseases, neurobehavioral disorders and the effects of cardiovascular diseases are the main adverse effects of air pollution. Growing city population and industrialization level result in increasing energy demand. In densely populated areas, air pollution emission increases by rapid urbanization, transportation, energy production and industrial activities. Air quality management is one of the issues that need to be implemented urgently in the cities where strategical planning is limited or does not exist. Thus, developing emission inventories is one of the most important steps for air quality determination and improvement. These inventories are necessary tools for evaluating human and environmental risks, which are based on anthropogenic sources. Air quality control strategies are determined by air quality and emission standards defined by authorities in regional, national and global scales. Developing emission control strategies, determining applicability of control programs are required for creating reliable emission inventory. It is required to estimate the spatial and temporal density of emission sources in the best possible resolution for forming a healthy air quality control strategy and planning air pollution control reduction strategies. Having a reliable emission inventory is a primary requirement for qualified air quality management system. An emission inventory system supports pollution evaluation activities by data collection and scanning, storing, data organization. Also it creates databases for emission scenarios that will be prepared in the future. In this study, by improving existing emission inventory, activity data, which is more up-to-date and with reduced uncertainty, is compiled thus more reliable entries are provided for the air quality model. Via this model, which is run by the new inventory, temporal and spatial distribution of pollutants is investigated according to the sources. In the model, compiling of pollutants that are distributed according to the sources is set up based on sectoral distributions. Three types of source data is collected in the repository then are calculated depending on the calculation methods of source types. In the model, industry emissions are in SNAP-34 sector, traffic emissions exist in SNAP-7 sector. SNAP-7 also is divided into five based on source emissions. Regional sources named as domestic heating are calculated for SNAP-2 sector. While preparing emission inventory, for each sector required data is obtained from enterprises, calculations are done according to the related sector. Traffic emissions are calculated using COPERT 4 model, which is used in the transportation sector section of the İzmir's inventory. COPERT 4 traffic emission calculation model is commonly used for the calculation of vehicle emissions in several European countries. For industrial emissions, plants' direct emission measurements, which are provided by Izmir Provincial Directorate of Environment and Urban Planning, are calculated and used in the SNAP-34 sector of the study. For domestic heating emissions, which are provided by Izmır Provincial Directorate of Environment and Urban Planning by using the natural gas consumption and coal sales data, are calculated for SNAP-2 sector. In this study, WRF/CMAQ models included in EPA Models-3 system are used together. Meteorological and chemical transport models are run as two domains. Main domain includes whole Europe, North Africa and Eastern Asia, second domain covers whole Turkey and the resolutions are 30 km and 10 km respectively. WRF model is with 3 days spin-up timing is run for January 2010. For the result of the model, temperature and wind speed/direction data that is provided by İzmir Turkish State Meteorological Service is used and Gaziemir station performance analysis is done. When the temperature and station data are evaluated together, it is found that at temperatures in 2 m, for the trend and temperature values partially in line with the model estimations. For the evaluations of the wind speed and direction, at lower levels of wind speed, model estimates are compatible with station observations, although there are some deviations at certain days. There are some uncertainties in the model estimates regarding the wind direction and which is an expected situation. Following the evaluation of the changing model parameters' effects on emissions, air quality model is run to understand how these effects will be reflected into air quality. TNO/MACC-II inventory is used as a baseline scenario and run for 30 km and 10 km. Then CMAQ model is run once again for İzmir SNAP-2, SNAP-34 and SNAP-7 sectors with up-to-date emission data. For TNO inventory and new inventory that is created by new emission calculations, analyses are done by using different analysis methods and the affects of sectoral changes on the model results are investigated. For the emissions as TNO-OUR, total emission maps are created separately for each, the differences from each others are drawn as maps. In OUR emissions, for all pollutants changes are monitored according to the increases and decreases based on sectors. While PM10 emissions are decreased in SNAP-2, increased in SNAP-34 and SNAP-7, as a result overall PM10 emissions are increased. While CO is declined in SNAP-2 sector dramatically, it is increased sharply in SNAP-34 and SNAP-7 sectors. NOx is increased in the sectors except for SNAP-34. SO2 from pollutants is increased in all sectors. As a result of all these changes in emissions, different results are observed in the concentrations for each pollutant. In this study, distributions based on sectors takes into account for the spatial distribution of TNO inventory. Thus, the differences are considered based on the TNO spatial distribution. It is found that for all pollutant emissions and concentrations over İzmir, maximum changes are observed in city center. Through more detailed examinations, days and hours are determined where the maximum differences occur in concentrations and affects and results of these on emissions are investigated. Our findings indicate that the maximum impact of the CMAQ model's concentration results which are used by the newly developed emission inventory as an input, is observed in the İzmir city center where the most emission sources exist.