Μελέτη της επίδρασης των παραγόντων που ευνοούν τη δημιουργία και συσσώρευση όζοντος στην περιοχή της Αττικής με τη μέθοδο της αριθμητικής προσομοίωσης

Abstract

The temporal and spatial dynamics of the ozone production in the Greater Athens Area (GAA) is examined by using the photochemical UAM-V model coupled with the meteorological MM5 model. Several numerical experiments have been performed in order to investigate and to quantify the effect of critical factors that conduce to the ozone formation and accumulation during a severe ozone episode. The initial (Base Case) scenario is able to reproduce the observed ozone patterns, but it underestimates the observed peaks in most of the downwind suburban stations. Based on the Base Case scenario, all the other scenarios gradually focus on: i) the better spatial representation of the anthropogenic emissions based on a satellite urban index; ii) the incorporation of the biogenic non methane hydrocarbon emissions and their spatial distribution based on a satellite vegetation index; iii) the development and adoption of two speciation profiles for the anthropogenic NMVOC emissions according to specific characteristics measured in street and aged city plumes of the GAA; iv) the effect of various meteorological parameters; v) the effect of the urban sector introduced via a simplified urbanized meteorological data set and vi) the effect of the ozone boundary inflows. The ozone background turned out to be a key factor for the model performance. The inclusion of the biogenic emissions as well as the adjustment of the speciation of the anthropogenic NMVOC emissions, lead to a more realistic description of the urban mixture and thus of the ozone production especially in the downwind suburban stations. The effect of the urban sector, provoke a differentiation of the spatial pattern attributed to the accumulation of the primary NOX pollutants inside the city center and to the consequent limited horizontal advection toward the peripheral zone. The statistical evaluation of the results revealed the importance and the necessity of implementing all the above modifications; the persistence of some discrepancies is associated with meteorological or modeling coupling limitations. In order to account for the role of chemistry in modeling peak ozone concentrations in the GAA, a box model has been applied with two chemical mechanisms; the widely used CB-IV and the more sophisticated SAPRC-99 adjusted to reflect the NMVOC composition of different environmental mixtures of the GAA. The comparison between the two mechanisms revealed that the SAPRC-99 mechanism shows a more dynamic behavior, tending to predict higher up to 45% peak ozone concentrations. The differences between the two mechanisms are smoothening for NMVOC/NOX ratios > 5 and for more reactive organic mixtures with an average excess of the SAPRC-99 mechanism equal to 11%. Finally, the efficiency of the box model in predicting maximum hourly concentrations is evaluated against the three-dimensional MM5/UAM-V modeling system and measurements. The box model turned out to be an effective tool in case the role of chemistry and local emissions is emphasized when compared to physical processes.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η συστηματική διερεύνηση με τη μέθοδο της αριθμητικής προσομοίωσης των παραγόντων που ευνοούν το σχηματισμό και τη συσσώρευση όζοντος στην ευρύτερη περιοχή της Αθήνας καθώς επίσης και η υπόδειξη ελλείψεων και αβεβαιοτήτων που σχετίζονται τόσο με τα υφιστάμενα φωτοχημικά αριθμητικά μοντέλα όσο και με τα δεδομένα εισόδου τους για την περιοχή της Αθήνας. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε ένα πλήθος αριθμητικών πειραμάτων και ελέγχων ευαισθησίας με δύο φωτοχημικά μοντέλα, ένα Eulerian και ένα μονοδιάστατο. Στα πλαίσια της διατριβής πραγματοποιήθηκε: α) βελτίωση των δεδομένων εισόδου εκπομπών (επικαιροποίηση των ανθρωπογενών εκπομπών, εκτίμηση της χωροχρονικής κατανομής των βιογενών εκπομπών) αξιοποιώντας νέες τεχνικές όπως οι δορυφορικές εικόνες; β) ανάπτυξη δύο κατανομών επιμέρους οργανικών ενώσεων για την περιγραφή της σύστασης του οργανικού μίγματος στο αστικό περιβάλλον και στο αστικό πλούμιο της Αθήνας; γ) ακριβέστερος προσδιορισμός των οριακών συνθηκών στα πλευρικά όρια της περιοχής προσομοίωσης βάσει μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε για τη σύζευξη ενός παγκόσμιας κλίμακας μοντέλου και του μοντέλου περιοχικής κλίμακας; δ) έλεγχος ευαισθησίας των πεδίων συγκεντρώσεων όζοντος σε διάφορες μετεωρολογικές παραμέτρους και στον τρόπο εφαρμογής του μετεωρολογικού μοντέλου; ε) ενσωμάτωση της επίδρασης των αστικών περιοχών της πόλης μέσω της διόρθωσης των πεδίων ανέμου του μετεωρολογικού μοντέλου ΜΜ5; στ) εφαρμογή τριών χημικών μηχανισμών: CB-IV, αρχική έκδοση του αναλυτικού μηχανισμού SAPRC-99, τροποποιημένη έκδοση του μηχανισμού SAPRC-99 για την οποία εκτιμήθηκαν εκ νέου όλες οι μηχανικές και κινητικές παράμετροι ούτως ώστε να αντανακλούν τη σύσταση του οργανικού μίγματος των αστικών και περιαστικών περιοχών της Αθήνας (εφαρμογή μονοδιάστατου χημικού μοντέλου). Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της μεθοδολογίας που ακολουθήθηκε στηρίχτηκε στη σύγκριση με διαθέσιμα πειραματικά στοιχεία και στον υπολογισμό στατιστικών παραμέτρων που προτείνονται από την Υπηρεσία περιβάλλοντος της Αμερικής. Τα σημαντικότερα συμπεράσματα που προέκυψαν είναι: Το όζον υποβάθρου και η ακριβής προσομοίωσης της κυκλοφορίας των συστημάτων θαλάσσιας αύρας αποτελούν εξαιρετικά σημαντικούς παράγοντες στη διαμόρφωση των μέσων και μέγιστων ωριαίων συγκεντρώσεων όζοντος ιδιαίτερα στους περιαστικούς σταθμούς του λεκανοπεδίου. Η επικαιροποίηση της χωρικής κατανομής των ανθρωπογενών εκπομπών επέδρασε στη διαμόρφωση των επιπέδων όζοντος άμεσα (μείωση 2-5ppb) και έμμεσα ενισχύοντας κατά 2-3ppb τη δραστικότητα των βιογενών εκπομπών σε περιοχές όπου υπάρχει παράλληλα και ανθρωπογενής δραστηριότητα. Η συνεισφορά των βιογενών εκπομπών στη διαμόρφωση των μέγιστων ωριαίων συγκεντρώσεων όζοντος κυμαίνεται από 10 έως και 40%. Η αναθεώρηση των κατανομών των οργανικών ενώσεων επέφερε αύξηση της συνολικής μάζας των οργανικών εκπομπών κατά 55% στο αστικό και σχεδόν κατά 100% στο περιαστικό περιβάλλον. Η εφαρμογή των αναθεωρημένων κατανομών, οδήγησε σε αύξηση της παραγωγής όζοντος 1-5% στους αστικούς σταθμούς και 5-15% στους περιαστικούς σταθμούς. Η τροποποιημένη έκδοση του μηχανισμού SAPRC-99 παρουσιάζει μεγαλύτερη δραστικότητα σε σχέση με την CB-IV και υπολογίζει έως και 45% υψηλότερες συγκεντρώσεις όζοντος. Η ενσωμάτωση στο φωτοχημικό μοντέλο της επίδρασης των αστικών περιοχών, μέσω της διόρθωσης των πεδίων ταχύτητας του ανέμου, έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των συγκεντρώσεων όζοντος στο κέντρο της πόλης έως και 50% και ενίσχυση της δραστικότητας στην περιφέρεια έως και 40%.