Προτυποποίηση της διασποράς των αέριων ρυπαντών στην κατώτερη τροπόσφαιρα με βάση τα φυσικογεωγραφικά και μετεωρολογικά χαρακτηριστικά και την αέρια ρύπανση του λεκανοπεδίου των Αθηνών

Abstract

The dispersion models are an important tool to the air quality management, since they represent the influences of the meteorological and the emission characteristics on the air quality. In the present PhD thesis the dispersion box model BOXURB has been modified and applied for the estimation of the nitrogen oxides (NOx) concentrations. The contributing factors for selecting this particular model were, not only the relatively short computer processing time, but also its portability, as it can be executed over a personal computer on a WINDOWS platform without any special system requirements apart from a FORTRAN compiler. Provided that the model is validated, due to its portability, it could easily be utilised by local environmental authorities for air quality management, as well as environmental policy enforcement, in full compliance with the latest EU directives on the reduction of air pollution in large and medium-size European metropolitan areas. Some of the main features of the modified model are the following: i. Continuous functions, from which to calculate the vertical dispersion parameter, to which the box depth is directly proportional. ii. The surface roughness length can be adjusted to fit rural, suburb or urban conditions. iii. Options to retrieve forecasted model products or archived synoptic observations, so that the role of weather forecast skill may be distinguished from skill in the emissions and dispersion estimates in the box model. Therefore, the model can be used both as a forecasting tool and for analyzing past episodes. iv. An algorithm to describe the accumulation of pollution during episodes with prolonged periods with light winds. V. A parameterization for the effects of urbanization upon the sensible heat flux, due to the combined effects of stored solar energy and energy use including space heating. The most important effect is to delay the onset of early morning stable conditions after clear sunny days. This suppresses spurious pollution peaks on summer evenings. vi. An empirical function to allow the forecast of total NOx to be subdivided into estimates of NO₂ and NO in case of lack of photochemistry. On the other hand, in case of photochemistry existence, the above subdivision is obtained through the use of the ozone concentrations and the photostationary equilibrium. vii. Emission inventory for the traffic and stationary sources in a (1x1)Km² grid. viii. Seasonal modification of the stationary emissions through the method of degree- hours. ix. Diurnal modification of the mobile emissions through the use of traffic flow inventories. X. Street canyon algorithm. xi. The pollution levels can be estimated on an hourly basis in any of the 10.500 grid cells (receptors). Therefore, hourly pollution maps can be constructed. The modified model was applied in the data of 17 stations in the Greater Area of the Athens Basin for the 10-year period 1995-2004. In the near vicinity of the above stations lie heavy traffic roads, urban areas, suburbs and rural sites. Hence, the performance of the model was checked in areas with varying emission characteristics and varying micrometeorology of the atmospheric bounder layer. Firstly, the hourly observations of the air pollutants were checked and analyzed. It was concluded that the highest levels of NOx were recorded in the traffic stations of the Patission, the Athenas and the Aristotelous Street. High concentrations were also recorded at the site of Piraeus I. In all the remaining sites the pollution levels were clearly lower. Secondly, the inter-annual variation in the NOx concentrations was examined. It was found that in all stations, except for the stations of Agia Paraskevi, Thrakomakedones and Zografou, the NOx concentrations reveal winter maxima and summer minima, in accordance with the summer traffic reduction and the lack of the central heating systems operation. With the application of the model, the results were checked and validated on a monthly, daily and hourly basis. More specifically, a comparison of the observed versus the model generated NOx concentrations was performed through a series of statistical tests, such as the mean error, the mean absolute error, the mean square error, the root mean square error, the mean logarithmic error, the mean absolute logarithmic error and the Pearson correlation. The analysis proved that the model indicated the best results at the Patission, Athenas and Aristotelous traffic stations. During the next phase, the model results were evaluated based on the wind parameters. The research demonstrated that the prevailing wind direction in the Athens Basin is the NE and secondarily the SSW. These directions are also related to the highest wind speeds. Furthermore, with the exception of Elefsina, Piraeus and Nea Smimi, in all the other cases the lowest NO₂ levels were observed with NE winds. During the evaluation phase, the correlation of the logarithmic error in the NOx calculations to the wind speed was also investigated. The results showed that the greatest errors were associated with the shortcomings of the model in terms of pollution calculation during light wind presence. In such cases the model has the tendency to overestimate the concentrations. This is due to the fact that in cases with light wind, a large number of successive time-steps is required until the air parcel crossing the city reaches the receptor. Therefore, the final concentration on the receptor is an outcome of the sum of a large number of components, resulting to the concentration overestimation. A significant error is also recorded in the case that the prevailing wind speed exceeds 14m/s. Nevertheless, such phenomena are rare in the metropolitan areas, due to the large roughness length and the related strong friction. The logarithmic error in the NOx calculations was also plotted versus the wind direction. In the final step, the model was evaluated as an air quality forecasting tool and an environmental policy planning tool. Various statistical tests were used, in order to compare the observed to the modelled NO₂ concentrations. NO₂ was selected for this kind of validation, as it is the most hazardous between the nitrogen oxides. Moreover, the alarm thresholds and the air pollution abatement measures are usually based on the NO2 concentrations. It is noted that currently there are no official thresholds for the NOx or the NO concentrations. More specifically, the evaluation was performed on the basis of peak-daily NO₂ concentrations, due to the fact that all air quality bulletins usually refer to the next-day- peak NO₂ levels. Finally it is worth mentioning that in the Patission Street the modeling proved that a potential road closure could lead to the reduction of the NOx concentrations up to 75ppb. The derived results were extremely satisfactory. These good results gain added value in the Patission Street, since this is the main operational station of the whole metropolitan area and most decisions about air pollution temporal abatement measures in Athens are based on the data of this station. However, it is important to mention that currently the model has only been applied in archive data. In order to use it as an air quality forecasting tool, forecasted meteorological and pollutant products should be used. Inevitably, this would create larger errors. In any case, the derived results were very promising for the continuation of the present research effort in an operational basis.

Τα μοντέλα διασποράς είναι ένα απαραίτητο εργαλείο στη διαχείριση της ποιότητας του αέρα, επειδή προτυποποιούν την επίδραση των μετεωρολογικών παραμέτρων και των εκπομπών των αερίων ρυπαντών στην ποιότητα του αέρα. Στην παρούσα διατριβή τροποποιήθηκε και εφαρμόστηκε το μοντέλο κυτίου BOXURB για τον υπολογισμό των συγκεντρώσεων των οξειδίων του αζώτου (NOx). Οι λόγοι που συνετέλεσαν στην επιλογή του συγκεκριμένου μοντέλου είναι αφενός μεν ο σχετικά μικρός υπολογιστικός χρόνος που απαιτεί το μοντέλο και αφετέρου το γεγονός ότι μπορεί να «τρέχει» σε περιβάλλον WINDOWS σε έναν απλό προσωπικό υπολογιστή PC, χωρίς ιδιαίτερες απαιτήσεις πέραν από τη γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN. Έτσι, μπορεί, αφού επαληθευτεί, να χρησιμοποιηθεί από τις τοπικές περιβαλλοντικές αρχές για τον υπολογισμό της ποιότητας του αέρα και την εφαρμογή περιβαλλοντικής πολιτικής. Και όλα αυτά σε συμφωνία με τις τελευταίες οδηγίες της Ευρωπαϊκής Ένωσης για περιορισμό των επιπέδων αέριας ρύπανσης σε μεγάλου και μεσαίου μεγέθους ευρωπαϊκά αστικά κέντρα. Μερικά από τα κυριότερα χαρακτηριστικά του μοντέλου, όπως τροποποιήθηκε για τις ανάγκες της διατριβής αυτής, είναι τα παρακάτω: i) Η παράμετρος κατακόρυφης διασποράς υπολογίζεται μέσω συνεχών εξισώσεων. Έτσι, το βάθος του κυτίου, που είναι ευθέως ανάλογο της παραμέτρου κατακόρυφης διασποράς, υπολογίζεται μέσω της ροής αισθητής θερμότητας, του ανέμου και της νέφωσης. ii) Υπάρχει δυνατότητα να μεταβάλλεται το επιφανειακό μήκος τραχύτητας, ανάλογα με το αν το μοντέλο εφαρμόζεται για υπαίθριες, προαστιακές ή αστικές περιοχές. iii) Υπάρχει δυνατότητα το μοντέλο να χρησιμοποιεί είτε μετεωρολογικά δεδομένα από το αρχείο είτε μετεωρολογικά δεδομένα πρόβλεψης (και προβλεπόμενες συγκεντρώσεις O₃ από άλλα φωτοχημικά μοντέλα). Έτσι, το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιείται είτε επιχειρησιακά για την πρόβλεψη της ποιότητας του αέρα είτε για την ανάλυση παλαιότερων επεισοδίων ρύπανσης. iv) Στον κώδικα του μοντέλου υπάρχει αλγόριθμος για τον υπολογισμό της αθροιστικής συσσώρευσης των ρυπαντών στην περίπτωση επικράτησης πολύ ασθενών ανέμων ή άπνοιας. v) Υπάρχει, επίσης, παραμετροποίηση για τον υπολογισμό των αποτελεσμάτων της αστικοποίησης στη ροή αισθητής θερμότητας. Με τον τρόπο αυτό τοποθετείται χρονικά αργότερα η εμφάνιση συνθηκών ισχυρής νυχτερινής ευστάθειας μετά από ηλιόλουστες και νήνεμες ημέρες. vi) Ο διαχωρισμός των υπολογισθεισών συγκεντρώσεων NOx σε NO και NO₂ μπορεί να γίνεται, στην περίπτωση έλλειψης φωτοχημείας, μέσω εμπειρικών εξισώσεων. Στην περίπτωση εμφάνισης έντονης ακτινοβολίας (και άρα φωτοχημείας) για τον παραπάνω διαχωρισμό χρησιμοποιούνται οι συγκεντρώσεις του όζοντος και η φωτοχημεία αυτού. vii) Χρησιμοποιείται κατάλογος επιφανειακών και γραμμικών εκπομπών σε ένα πλέγμα (1x1)Km². viii) Γίνεται εποχική τροποποίηση των επιφανειακών εκπομπών μέσω των βαθμοωρών, προκειμένου να ληφθεί υπόψη η εποχική διακύμανση των εκπομπών από τα συστήματα κεντρικής θέρμανσης. ix) Γίνεται ημερήσια τροποποίηση των γραμμικών εκπομπών με τη βοήθεια καταλόγου κυκλοφοριακής ροής, προκειμένου να ληφθεί υπόψη η ημερήσια διακύμανση των κυκλοφοριακών εκπομπών. x) Υπάρχει αλγόριθμος για τον υπολογισμό των επιπέδων ρύπανσης σε ένα κυκλοφοριακό οδικό «φαράγγι». xi) Υπάρχει η δυνατότητα να υπολογίζεται η ρύπανση σε οποιοδήποτε πλεγματικό σημείο. Υπ’ αυτήν την έννοια, μπορεί να υπολογίζονται σε ωριαία βάση οι συγκεντρώσεις των ρυπαντών σε όλα τα σημεία του πλέγματος εκπομπών, δηλαδή σε 10.500 εικονικούς δέκτες. Με τον τρόπο αυτό, είναι δυνατόν να κατασκευάζονται ωριαίοι χάρτες ρύπανσης. Το συγκεκριμένο, λοιπόν, μοντέλο εφαρμόστηκε σε 17 σταθμούς στην ευρύτερη περιοχή του Λεκανοπεδίου των Αθηνών για τη δεκαετή περίοδο 1995-2004. Στους σταθμούς αυτούς περιλαμβάνονται μεγάλες οδικές αρτηρίες, αστικές περιοχές, προάστια και υπαίθριες περιοχές. Έτσι, υπήρξε η δυνατότητα να συγκριθεί η απόδοση του μοντέλου σε περιοχές με διαφορετικά χαρακτηριστικά εκπομπών και διαφορετική μικρομετεωρολογία του οριακού στρώματος. Σε πρώτη φάση, αναλύθηκαν τα δεδομένα της ρύπανσης, όπως αυτά προέκυψαν από τις μετρήσεις στους σταθμούς κατά τη δεδομένη δεκαετία. Όπως ήταν αναμενόμενο, τα υψηλότερα επίπεδα οξειδίων του αζώτου καταγράφηκαν στους κυκλοφοριακούς σταθμούς των οδών Πατησίων, Αριστοτέλους και Αθηνάς, οι οποίοι βρίσκονται στο κέντρο της Αθήνας. Υψηλές συγκεντρώσεις καταγράφηκαν επίσης στο σταθμό I του Πειραιά. Στους υπόλοιπους σταθμούς τα επίπεδα ρύπανσης ήταν σαφώς μικρότερα. Εξετάστηκε, στη συνέχεια, η ενδοετήσια κύμανση των συγκεντρώσεων των NOx και βρέθηκε ότι σε όλους τους σταθμούς, με εξαίρεση την Αγία Παρασκευή, τους Θρακομακεδόνες και το σταθμό Ζωγράφου, εμφανίζεται χειμερινό μέγιστο και θερινό ελάχιστο. Κάτι τέτοιο βρίσκεται σε συμφωνία με τη γνωστή ελάττωση της κυκλοφορίας των οχημάτων κατά τους καλοκαιρινούς μήνες, λόγω των θερινών διακοπών και με την παύση λειτουργίας των συστημάτων κεντρικής θέρμανσης. Εξετάστηκε, επίσης, η ημερήσια κύμανση των NOx και βρέθηκε ότι στους κυκλοφοριακούς σταθμούς εμφανίζονται δυο μέγιστα, τα οποία ταυτίζονται με τις ώρες κυκλοφοριακής αιχμής. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή του μοντέλου ελέγχτηκαν και επαληθεύτηκαν σε μηνιαία, ημερήσια και ωριαία βάση. Ειδικότερα, έγινε σύγκριση των παρατηρούμενων και των παραγόμενων από το μοντέλο συγκεντρώσεων μέσω μιας σειράς από στατιστικές δοκιμές, όπως το μέσο σφάλμα, το μέσο απόλυτο σφάλμα, το μέσο τετραγωνικό σφάλμα, η ρίζα του μέσου τετραγωνικού σφάλματος, το μέσο λογαριθμικό σφάλμα, το μέσο απόλυτο λογαριθμικό σφάλμα και ο συντελεστής συσχέτισης του Pearson. Η ανάλυση υπέδειξε ότι το μοντέλο εμφανίζει την καλύτερη απόδοση στους κυκλοφοριακούς σταθμούς των οδών Πατησίων, Αθηνάς και Αριστοτέλους. Στην επόμενη φάση, τα αποτελέσματα του μοντέλου αξιολογήθηκαν με βάση τις παραμέτρους του ανέμου. Η έρευνα έδειξε ότι η επικρατούσα διεύθυνση του ανέμου στο λεκανοπέδιο των Αθηνών είναι η ΒΑ και κατά δεύτερο λόγο η ΝΝΔ. Κατά τις διευθύνσεις αυτές σημειώνονται και οι υψηλότερες εντάσεις. Επιπλέον, αποδείχτηκε ότι, με εξαίρεση την Ελευσίνα, τον Πειραιά και τη Νέα Σμύρνη, σε όλες τις υπόλοιπες περιπτώσεις τα χαμηλότερα επίπεδα συγκέντρωσης NO₂ παρατηρούνται με ανέμους του βορειοανατολικού τομέα. Στα πλαίσια της αξιολόγησης διερευνήθηκε η σχέση του λογαριθμικού σφάλματος στον υπολογισμό των NOx με την ταχύτητα του ανέμου. Βρέθηκε ότι τα μεγαλύτερα ποσοστά σφάλματος σχετίζονται με τις δυσκολίες που αντιμετωπίζει το μοντέλο κατά τον υπολογισμό της ρύπανσης στην περίπτωση άπνοιας. Σε τέτοιες περιπτώσεις το μοντέλο έχει την τάση να κάνει πάντα υπερεκτίμηση. Αυτό συμβαίνει, διότι, όταν επικρατούν εξαιρετικά ασθενείς άνεμοι, απαιτείται μεγάλος αριθμός διαδοχικών χρονικών βημάτων, προκειμένου ένα αέριο δέμα να διασχίσει την πόλη και να φτάσει στον δέκτη. Έτσι, η τελική συγκέντρωση στο δέκτη προκύπτει από το άθροισμα πολύ μεγάλου αριθμού συνιστωσών, με άμεσο αποτέλεσμα την υπερεκτίμηση των συγκεντρώσεων. Σημαντικό σφάλμα καταγράφεται και στην περίπτωση που επικρατούν άνεμοι εντάσεως μεγαλύτερης από 14m/s. Ωστόσο, τέτοιοι άνεμοι σπάνια εμφανίζονται στις αστικές περιοχές, εξαιτίας του μεγάλου μήκους τραχύτητας και της συνακόλουθης ισχυρής τριβής. Μελετήθηκε, επίσης και καταγράφηκε η σχέση του λογαριθμικού σφάλματος στον υπολογισμό των NOx με την κατεύθυνση του ανέμου. Στην τελική φάση, το μοντέλο αξιολογήθηκε ως εργαλείο πρόγνωσης της ποιότητας του αέρα και ως εργαλείο σχεδιασμού. Τα στατιστικά τεστ εφαρμόστηκαν στα ζεύγη των παρατηρούμενων και παραγόμενων από το μοντέλο συγκεντρώσεων του NO₂ και αυτό, διότι το NO₂ είναι το πιο επικίνδυνο από τα οξείδια του αζώτου και όλα τα όρια συναγερμού και λήψης μέτρων βασίζονται στις συγκεντρώσεις του. Σημειώνεται ότι για την ώρα δεν υπάρχουν θεσπισμένα όρια για το σύνολο των NOx ή για το NO. Ειδικότερα, η αξιολόγηση έγινε σε επίπεδο μέγιστης ημερήσιας συγκέντρωσης NO₂, για το λόγο ότι τα δελτία πρόγνωσης της ποιότητας αναφέρονται συνήθως στην μέγιστη προβλεπόμενη συγκέντρωση της επόμενης ημέρας. Αξίζει, τέλος, να σημειωθεί ότι, από την εφαρμογή του μοντέλου στην οδό Πατησίων με τις κατάλληλες τροποποιήσεις, βρέθηκε ότι μια πιθανή διακοπή της κυκλοφορίας στο συγκεκριμένο δρόμο μπορεί να οδηγήσει σε μείωση των συγκεντρώσεων των NOx μέχρι και 75ppb. Κάτι τέτοιο αποδεικνύει ότι κατά την διάρκεια των επεισοδίων ρύπανσης, η έντασή τους θα μπορούσε να μειωθεί δραστικά με την λήψη μέτρων για τον περιορισμό της κυκλοφορίας των οχημάτων στην οδό Πατησίων. Τα αποτελέσματα της παραπάνω αξιολόγησης είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά και αποκτούν προστιθέμενη αξία, αν σκεφτεί κανείς ότι προέκυψαν μεταξύ άλλων και για τον πλέον επιχειρησιακό σταθμό, αυτόν της οδού Πατησίων. Ωστόσο, θα πρέπει να τονιστεί ιδιαίτερα ότι προς το παρόν το μοντέλο έχει εφαρμοστεί μόνο σε δεδομένα αρχείου. Προκειμένου να χρησιμοποιηθεί το μοντέλο σε επιχειρησιακή βάση για την πρόγνωση της ποιότητας του αέρα, απαιτείται η χρήση προβλεπόμενων μετεωρολογικών δεδομένων, καθώς επίσης και προβλεπόμενων συγκεντρώσεων όζοντος, γεγονός που θα επιφέρει αναπόφευκτα μεγαλύτερα σφάλματα. Σε κάθε περίπτωση, τα εξαιρετικά καλά αποτελέσματα που προέκυψαν μας επιτρέπουν να αισιοδοξούμε για τη συνέχιση της παρούσας διατριβής και την εξέλιξή της σε επίπεδο πρόγνωσης.