Low emission zone study in İstanbul by using MODELS-3/CMAQ framework

Abstract

İstanbul, Türkiye'deki en büyük şehir olmasının yanı sıra 14 milyonu aşan nüfusuyla dünyadaki mega şehirlerden biridir. Bu şehir, artan nüfusu ve gelişen endüstrisi sebebiyle sıklıkla hava kirliliği problemi yaşamaktadır. Hava kirliliğinin, insan sağlığı üzerindeki etkileri literatürdeki bir çok çalışma tarafından kanıtlanmıştır. Kirleticilere maruz kalmanın, akciğer ve solunum yolu rahatsızlıkları, kardiyovasküler hastalıklar, astım şikayetlerinde artış, erken doğum ve ölüme varan sonuçları görülmektedir. Ulaşım kaynaklı emisyonlar, toplumun yoğunyaşadığı şehirleşmiş bölgelerde yoğunlaştığı için insan sağlığı açısından diğer emisyon kaynaklarına göre daha önemli bir yere sahiptir. Ayrıca bu emisyonların yer seviyesinde salınıyor olması da hava kirliliğine maruziyeti arttıran sebeplerden biridir. Bu tez çalışmasında trafik kaynaklı emisyonları sınırlandırmak ve azaltmak için alınacak önlemleri belirlemek ve etkilerini hesaplayabilmek için WRF meteroloji modeli, COPERT trafik kaynaklı emisyon hesaplama modeli ve CMAQ kimyasal taşınım modeli kullanılmıştır. Literatürdeki emisyon azaltım yöntemleri bu çalışmada teknolojik, davranışsal ve yönetimsel olarak gruplandırılmıştır. Bu önlemler arasında dizel partikül filtre kullanımı, EURO standartlarına göre araç girişlerinin sınırlandırılması, elektrikli otobüslerle toplu ulaşımın sağlanması, düşük emisyon bölgesi içindeki park ücretlerinin arttırılması, bölgeye giriş yapacak araçların trafik sıkışıklığı ücreti ödeyerek bölgeye giriş yapması, sinyalizasyonda yapılacak iyileştirmeler ve geliştirilmiş toplu ulaşım sistemleri sayesinde özel otomobil kullanımının azaltılması bulunmaktadır. Düşük Emisyon Bölgesi çalışması bu önlemlerin tek başına ya da topluca uygulanabildiği bir yöntemdir. Dünyada uygulama alanı gittikçe genişleyen bu metod 8 ülke ve 70 şehirde kurulmuş durumdadır. Bu tez çalışmasında İstanbul için aday bölgeler belirlenerek Düşük Emisyon Bölgesi çalışması ilk defa modellenmiştir. Meteoroloji ve kimyasal taşınım modelleri, 3 domain için koşturulmuştur. Ana domain tüm Avrupa'yı, Kuzey Afrika'yı ve Doğu Asya'nın bir kısmını, ikinci domain tüm Türkiye'yi, üçüncü domain İstanbul'u kapsamaktadır ve çözünürlükleri sırasıyla 30 km, 10 km, ve 2 km'dir. 30 km ve 10 km'lik domainlerde TNO'nun hazırlamış olduğuemisyon envanteri kullanılmıştır. Im'in İstanbul için hazırlamış olduğu emisyon envanteri 2 km mekansal çözünürlükte ve saatlik olarak başlıca antropojenik kaynakları içermektedir. Bu kaynakların içerisinde evsel ısınma, endüstri, atık yönetimi, solvent kullanımı, enerji üretimi, yakıt işleme ve ulaşım yer almaktadır. Bu çalışmada, COPERT modeli ile trafik kaynaklı emisyonlar hesaplanarak İstanbul'a ait envanterin ulaşım sektörü kısmında kullanılmıştır. Biyojenik emisyonlar için MEGAN modeli kullanarak doğal emisyonlar da hesaba katılmıştır. Emisyonların dağılımına bakıldığında ulaşım sektörü CO, NMVOC ve NOx kirleticilerinin ana kaynağı olarak görülmektedir. Endüstri ise SO2 emisyonlarının, çözücü kullanımı ve trafik ise NMVOC emisyonlarının ana kaynağıdır. İstanbul envanterindeki trafik sektörü, insan sağlığı açısından en önemli kirleticilerden biri olan PM için ana kaynak iken, COPERT'e ait emisyonların ulaşım sektörü için kullanılması durumunda PM için ana kaynak, üretim endüstrisi olmaktadır.İstanbul'da 26 adet hava kalitesi ölçüm istasyonu bulunmaktadır. Bu istasyonların hepsinde SO2 ve PM10 ölçümü yapılmakta olup bazılarındaysa bunlara ek olarak sıcaklık, rüzgar, azotoksit (NO, NO2, NOx), CO ve O3 ölçümleri yapılmaktadır. Bu çalışma esnasında bu istasyonlardan elde edilen konsantrasyon değerleriyle model sonuçları karşılaştırılmıştır. WRF modeli, 2-12 Kasım 2010 tarihleri arasında koşturulmuştur. Modelin sonuçları Atatürk Havaalanı ve Göztepe'deki hava kalitesi istasyonlarından elde edilen ölçüm sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Zaman serisi ve istatistiksel analizler, WRF'un yüzey sıcaklığını yakalamada başarılı olduğunu göstermektedir. Modelin performansını arttırmak için modelin fiziksel parametreleri üzerinde değişiklikler yapılarak en uygun seçenek belirlenebilir. CMAQ modelinin çıktılarına göre hesaplanan saatlik PM10 konsantrasyonları, Aksaray hava kalitesi istasyonundan elde edilen PM10 ölçüm sonuçları ile tüm domainler için karşılaştırılmıştır. 30 km ve 10 km'lik domainler, 2 km'lik domaine göre model performansı açısından daha başarılıdır. İstanbul simülasyonu için, modelin ölçüm sonuçlarına göre daha yüksek konsantrasyonlar sergilediği görülmüştür. İstatistiksel analizler yapıldığında ölçüm sonuçları ve simüle edilmiş sonuçlar arasında düşük bir korelasyon görülmüştür. Bu zayıf performansın sebebi saatlik ölçümlerin karşılaştırılması, tek bir noktaya ait ölçüm sonuçlarının baz alınması, meteorolojik modeldeki ve COPERT modelindeki belirsizlikler, çalışma alanına uygun olmayan model sınır koşulları, zamansal profillerin uygun olmaması ve ölçüm hataları olabilir. Trafik kaynaklı hava kirliliğini azaltmak için uygun olan bölge ve yöntemler belirlenmiştir. Bölgeler belirlenirken yüksek gündüz nüfusuna sahip olmaları ve iş yerleri açısından merkez niteliğinde olmaları göz önünde bulundurulmuştur. Aday bölgeler Kadıköy, Maslak ve Tarihi Yarımada olarak seçilmiştir. Bu bölgeler trafik çekme özellikleriyle de düşük emisyon bölgesi uygulaması açısından uygundurlar. Trafik kaynaklı emisyonların 30% azaltılarak DUMAN emisyon işleme modeline verilmesi sonucunda, Tarihi Yarımada'da saatlik PM10 konsantrasyonlarında 10μg/m3 'a varan düşüş görülmüştür. Kadıköy bölgesi için maksimum fark 7μg/m3, Maslak bölgesi için maksimum fark 3μg/m3 olarak simule edilmiştir. Hem gündüz nüfusunun en fazla olduğu hem de emisyonlardaki azaltıma konsantrasyon değişimi olarak en çok yanıt veren bölge Tarihi Yarımadadır. Düşük Emisyon Bölgesi için seçilen Tarihi Yarımada'da uygulanacak yöntemlerin her birisi için PM10 emisyonlarında ne kadar düşüşe neden olduğu literatürdeki çalışmalar ve COPERT modelinin çıktıları kullanılarak hesaplanmıştır. Belirlenen metodların arasında, bölgeye sadece EURO 3 ve üzeri araçların girişine izin verilmesi uygulaması PM10 emisyonlarında 85% azaltım sağlamaktadır. Emisyondaki bu azaltım, referans durum ile Düşük Emisyon Bölgesi ilan edilen durum arasında saatlik bazda 35μg/m3 ' e varan farka sebep olmaktadır. PM için günlük ortalamalarda fark 15μg/m3' e varmaktadır. Bu önemli farkın sebebi EURO 3 standardından düşük olan araçların hem sayıca fazla olması hem de diğer yeni araçlara göre daha fazla kirletici yaymalarıdır. Bölgeye yalnızca yeni teknolojili ve az sayıda araç girişine izin verildiği takdirde hava kalitesinde önemli ölçüde iyileşmeler görülecektir. Bu çalışma, İstanbul'u daha fazla temsil eden sınır koşulları kullanılarak ve daha ayrıntılı emisyon envanteri hazırlanarak geliştirilebilir. Şu anda devam etmekte olan Ulusal Hava Kirliliği Emisyon Yönetim Sisteminin Geliştirilmesi projesi (KAMAG) ve COPERT'in araç dağılımı ve özellikleri kısımlarının güncellenmesi sayesinde model performansı yükseltilebilir.

Istanbul is the most populated city of Turkey as well as one of the mega cities of the world. Due to growing population and economy, city has been experiencing the problems of air pollution. There are many studies about air pollution effects on human health in the literature. Road transport emissions are released in areas where people live intensively, therefore these emissions are important for public health. This thesis aims to identify and quantify the measures to be taken to prevent traffic-related air pollution by using WRF meteorology model and CMAQ chemistry and transport model. This study presents the first Low Emission Zone study in Istanbul by using modeling and highlights the requirements of Low Emission Zone establishment.Istanbul-specific inventory includes main anthropogenic sources on 2 km horizontal and hourly temporal resolution. Road transport emissions were obtained from COPERT emission model. Emission model results reveal that on-road traffic emissions are the main source for most of the pollutants such as CO, NMVOC and NOx, industrial combustion is responsible for high amount of SO2 emissions and solvent use and traffic are the main participants for NMVOC emissions. The spatial distribution of air pollutants has proved that the highest concentrations occur at the places where emission sources are located. But uncertainties may be occur due to the activity data, emission factors and temporal profiles used in this thesis.WRF model was run for a 11-day period, includes PM concentrations are mostly higher than EU limit value (50μg/m3), from November 2 to November 12, 2010. Model run results from the WRF simulation were compared with observations from Ataturk Airport and Goztepe air quality stations. According to statistical and time plot results WRF has captured surface temperature successfully. But this performance can be further improved by changing physical parameters of WRF.The results from the CMAQ model were compared with Aksaray air quality station based on PM10 concentrations. The statistical performance of model shows low correlation with the observations. Differences between model with measurement results can arise from many causes such as; uncertainty in the meteorological model and COPERT model, improper boundary conditions and temporal profiles and measurement errors.In order to limit traffic related air pollutants, methods and regions which have high density of population and work places were determined. Based on these criteria Historical Peninsula, Kadikoy and Maslak were selected as candidates. When transport sector emissions were reduced by 30% and given to DUMAN model, Historical Peninsula has demonstrated most significant response which is 10μg/m3 reduction in PM10 hourly concentration. Then, effect of each method on PM levels was examined by using literature studies and COPERT model. The most effective method was found as EURO 3 standard causes 85% reduction in PM10 emissions. In the case of only EURO 3, EURO 4, EUR0 5 and EURO 6 vehicles can enter the zone, hourly PM concentration differences between base situation and low emission case has reached up 35μg/m3. Overall, a low emission zone will be announced on the Historical Peninsula, will provide a significant improvement in regional air quality.