Αριθμητικές προσομοιώσεις ατμοσφαιρικής χημείας και μεταφοράς με έμφαση στην οξειδωτική ικανότητα της τροπόσφαιρας και τα οργανικά αερολύματα

Abstract

The ability of atmospheric composition models to simulate the chemical processes that take place in the atmosphere and the levels of atmospheric pollutants is limited by the understanding of the processes involved and the necessary approximations to parameterize them in the models. Model input data, such as emissions and meteorology, are associated with some of these processes. Emissions are of great interest for environmental sciences, because of their impact on air quality, health and climate, and for the uncertainty they induce to environmental calculations. Therefore, both the development of emission inventories and their impact on the simulations of the chemical composition of the atmosphere are at the center of environmental studies.This study aims to assess and improve the ability of a global 3D chemistry and transport model to simulate atmospheric composition and to apply it for assessing the effectiveness of measures taken to reduce air pollution on our planet in recent decades.First the different processes related to the simulation of organic aerosols in the atmosphere are analyzed and evaluated using simulation results from 31 different chemistry transport and general circulation models. The importance of different parameters and processes is evaluated by model-to-model comparisons but also by model-to-measurements comparisons.Then, the impact of wild fires emissions on pollutant levels, on the lifetimes of pollutants in the troposphere is studied. The differences in the results caused by using different emission inventories and injection heights in the atmosphere are evaluated. Differences in the levels of pollutants in the atmosphere caused by the choice of emission inventory range from -30% to 30% and can reach up to a factor of 7 regionally, especially for aerosols. Emissions from fires also affect the levels of isoprene, a predominantly biogenic tracer, due to the impact of emitted compounds on the oxidizing capacity of the atmosphere. Interestingly, the presence of fires causes a chemical interaction that results to a significant increase in the levels of secondary aerosols produced from isoprene.Finally, the effectiveness of the measures taken to reduce emissions of air pollutants and their precursors, both in the gas and particulate phase, is examined and evaluated. Three different hindcast simulations of the atmospheric composition of the last 30 years were performed using emission scenarios that include or neglect the applied emission reduction regulations. The environmental benefit from the implementation of these measures is calculated by comparisons to past concentrations but also by comparison to simulated air pollution levels in the hypothetical scenario of uncontrolled emissions, both on global and in regional scales. Finally the changes in the seasonal variations (amplitude and timing of maximum) of gases and aerosols is quantified and evaluated. Shifts in seasonality and amplitude changes from season to season are calculated.

Η ικανότητα των αριθμητικών μοντέλων προσομοίωσης της σύστασης της ατμόσφαιρας να αναπαράγουν τις χημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στην ατμόσφαιρα και τα επίπεδα των ρύπων περιορίζεται από την κατανόηση των εμπλεκόμενων διεργασιών και τις αναγκαίες προσεγγίσεις για την παραμετροποίηση τους στα εν λόγω μοντέλα. Δεδομένα εισόδου του μοντέλου, όπως δεδομένα εκπομπών ρύπων και μετεωρολογία σχετίζονται με κάποιες από αυτές τις διεργασίες. Οι εκπομπές ρύπων αποτελούν σημαντικό σημείο ενδιαφέροντος για τις περιβαλλοντικές επιστήμες, τόσο λόγω της επίδρασης τους στην ποιότητα του αέρα, την υγεία και το κλίμα, όσο λόγω της αβεβαιότητας τους που μεταφέρεται στους περιβαλλοντικούς υπολογισμούς. Κατά συνέπεια, τόσο η ανάπτυξη βάσεων δεδομένων εκπομπών όσο και η επίδραση αυτών στις προσομοιώσεις της χημικής σύστασης της ατμόσφαιρας είναι στο κέντρο των περιβαλλοντικών μελετών.Η παρούσα μελέτη στοχεύει στην βελτίωση και αξιολόγηση της αξιοπιστίας ενός παγκόσμιας κλίμακας 3-διάστατου μοντέλου μεταφοράς και χημείας και την μετέπειτα χρήση του για την εκτίμηση της αποτελεσματικότητας των μέτρων που έχουν ληφθεί για τη μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στον πλανήτη μας κατά τις τελευταίες δεκαετίες. Κατ’ αρχάς εξετάζονται και αξιολογούνται οι διαφορετικές διεργασίες που αφορούν στην προσομοίωση των οργανικών αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα, χρησιμοποιώντας αποτελέσματα προσομοίωσης από 31 διαφορετικά μοντέλα μεταφοράς και χημείας και μοντέλα γενικής κυκλοφορίας. Η σημαντικότητα των διαφορετικών παραμέτρων και διεργασιών αξιολογείται με σύγκριση των αποτελεσμάτων των μοντέλων μεταξύ τους, αλλά και με μετρήσεις. Στην συνέχεια μελετάται η επίδραση των εκπομπών από πυρκαγιές στα επίπεδα ρύπων στην τροπόσφαιρα, καθώς και στους χρόνους ζωής των ρύπων και οι διαφορές που προκύπτουν σε αυτά από τη χρήση διαφορετικών βάσεων δεδομένων εκπομπών καθώς και οι διαφορετικές θεωρήσεις της κατανομής των εκπομπών με το ύψος στην ατμόσφαιρα. Οι διαφορές στα επίπεδα των ρύπων στην ατμόσφαιρα που προκαλούνται από την επιλογή της βάσης δεδομένων εκπομπών κυμαίνονται παγκοσμίως από -30% έως 30% και μπορούν να φτάσουν τοπικά μέχρι και ένα παράγοντα 7 διαφοράς, ιδιαίτερα στα σωματίδια. Επίσης οι φωτιές παρουσιάζουν επίδραση στα επίπεδα του ισοπρενίου, ενός κατ’ εξοχήν βιογενούς ρύπου, λόγω της επίδρασης των εκπεμπόμενων ενώσεων στα οξειδωτικά της ατμόσφαιρας. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι η παρουσία πυρκαγιών προκαλεί μια χημική ανάδραση που επιφέρει σημαντική αύξηση στα επίπεδα των δευτερογενών αερολυμάτων που παράγονται από το ισοπρένιο.Τέλος εξετάζονται και αξιολογούνται τα μέτρα που έχουν ληφθεί για μείωση των εκπομπών ατμοσφαιρικών ρύπων ή και προδρόμων ενώσεών τους, τόσο στην αέρια όσο και τη σωματιδιακή φάση. Πραγματοποιήθηκαν 3 διαφορετικές διαχρονικές προσομοιώσεις της σύστασης της ατμόσφαιρας τη τελευταία 30-ετία, με χρήση σεναρίων εκπομπών που λαμβάνουν ή αγνοούν την επίδραση των εφαρμοσμένων κανονισμών μείωσης των εκπομπών. Από αυτές υπολογίζεται το ύψος του ατμοσφαιρικού οφέλους που έχουν επιφέρει τα μέτρα αυτά σε σύγκριση με παρελθοντικές συγκεντρώσεις αλλά και με υποθετικές εκτιμήσεις των επιπέδων τους χωρίς τα αντιρρυπαντικά μέτρα, τόσο σε παγκόσμια κλίμακα όσο και περιοχικά. Τέλος ποσοτικοποιείται και αξιολογείται η μεταβολή της εποχικής διακύμανσης αερίων και σωματιδιακών ρύπων. Υπολογίζονται μετακινήσεις στην εποχικότητα καθώς και μεταβολές του εύρους των επιπέδων από εποχή σε εποχή.