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

Abstract

The aim of this dissertation is the study of the contribution of natural and anthropogenic emissions sources to particulate matter (PM) levels in Europe through the application of a photochemical modelling system. Natural emissions play an important role in atmospheric processes that affect climate, air quality and human health and therefore they should be included in the chemistry-transport models in order to improve air quality simulations. Natural emissions are estimated with the Natural Emissions Model (NEMO), which calculates PM emissions from windblown dust, sea-salt aerosol (SSA) and primary biological aerosol particles (PBAPs), as well as Biogenic Volatile Organic Compounds emissions from vegetation. NEMO is driven by the meteorology of the Weather Research and Forecasting (WRF) model. The models are applied on two different horizontal resolution domains that cover Europe (coarse domain) and Balkans (fine domain), respectively. The temporal and spatial distribution of natural PM emissions results is analysed and discussed in comparison with meteorology. Natural PM emissions are characterised by high geographical and seasonal variations; windblown dust emissions are the highest during summer in the southern Europe and SSA production in Atlantic Ocean is the highest during the cold season while in Mediterranean Sea the highest SSA emissions are found over the Aegean Sea during summer. PBAPs, which show a peak in emissions during summer, are the lowest in Scandinavia while they have an equal distribution over the rest Europe. Anthropogenic PM emissions data, taken by a European emission database, are estimated using the Model for the Spatial and Temporal Distribution of Emissions (MOSESS). The contribution of natural and anthropogenic emissions to total particle emissions is examined. PM emissions from WD, SSA and BVOCs emissions estimated with NEMO and anthropogenic emission data are incorporated into a photochemical modelling system. The modelling system consisted of the WRF model and the Comprehensive Air Quality Model with Extensions (CAMx) is applied over the coarse (30km) European domain for the year 2009. Air quality simulations are performed for different emission scenarios in order to study the contribution of each natural emission source individually and together to air quality levels in Europe. The simulations reveal that the inclusion of windblown dust emissions increase the mean monthly PM10 levels by 7μg/m3 in the Eastern Mediterranean during summer. SSA have a significant effect on PM levels; sea-salt increases PM10 monthly concentrations by approximately 10μg/m3 in Aegean Sea during summer and in Atlantic Ocean during autumn. Sea-salt particles also interact with the anthropogenic component increasing significantly the nitrates in aerosols where shipping activities were present. BVOCs emissions resulted in an increase in secondary organic aerosols during summer over Europe while they reduce OH levels in the atmosphere leading to a reduction in sulphates and nitrates particles in Eastern Mediterranean and central Europe. The modelling system is evaluated through a comparison between the modelled concentrations and ground based measurement data. The evaluation showed that the model captured fairly well the contribution of the natural sources to PM levels over Europe.

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.