Mesoscale modeling of aerosol levels in Istanbul using a high resolution MM5/CMAQ air quality modeling system

Abstract

İstanbul, Türkiye' nin en büyük ve en kalabalık nüfusa sahip şehridir ve sıklıkla hava kirliliği episodlarına maruz kalmaktadır. Bu çalışmanın amacı, şehirdeki aerosol seviyelerinin, MM5 meteorolojik modeli ve CMAQ kimyasal taşınım modelini kullanan, zamansal ve mekansal olarak yüksek çözünürlükte bir hava kalitesi modelleme sistemi vasıtası ile incelemektir. Bu amaçla, yüksek çözünürlükte bir emisyon envanteri, modelleme amaçlı olarak ilk defa olarak geliştirilmiştir. Model sonuçları ile ölçümlerin karşılaştırılması göstermiştir ki model, simülasyon döneminin büyük kısmında daha düşük konsantrasyonlar hesaplamıştır. PM10, sülfat, nitrat ve amonyum aerosolları için hesaplanan korelasyonlar, trendin başarılı bir şekilde yakalandığını göstermektedir. Sülfat ve nitrat aerosolları için yüksek, PM10 ve amonyum aerosolu içinse orta korelasyonlar hesaplanmıştır. Diğer taraftan, saatlik profiller için düşük performans elde edilmiştir. Hassasiyet simülasyonları, PM10 seviyelerindeki en önemli değişimlerin, nüfusun büyük bir kısmının yaşadığı boğaza yakın sahil bölgelerindeki emisyonlardaki değişimlerden kaynaklandığını göstermiştir. Ön kirletici emisyonlarında yapılan değişimler ise genel olarak katı partikül seviyelerinin atmosferdeki karmaşık kimyasal mekanizmalardan farklı şekillerde etkilendiğini göstermiştir.

İstanbul is the largest and most populated city of Turkey that frequently experiences air pollution episodes. This study aims to evaluate the aerosol levels by establishing a mesoscale air quality modeling system using the MM5 meteorological model and CMAQ chemistry and transport model on a high temporal and spatial resolution. A high resolution emission inventory is developed for the modeling purposes for the first time for the city of İstanbul. The comparisons between the model and the observations clearly show that the model underestimated the measurements for most cases. The correlations calculated for sulfate, nitrate and ammonium aerosols show that the trends are well captured. High correlation factors are calculated especially for sulfate and nitrate aerosols and moderate for PM10 and ammonium aerosol. On the other hand, particularly the hourly profiles compared poorly with the observations. The sensitivity simulations showed the highest increase in PM10 concentrations occurs in the city centers around the coastal area where most of the population is located. The concentration responses to reductions in combinations of precursor emissions are generally consistent with the chemistry mechanisms discussed, but do not necessarily reflect linear combinations of effects.