Inverse modelling of emissions using satellite and in situ observations and chemical transport modelling

Abstract

The aim of this thesis is to detect and quantify changes in air pollutant emissions through the combination of measurements and atmospheric modelling and to subsequently improve model simulations. This thesis is composed of four parts. The first part focuses on the setup and the extensive validation of the LOTOS-EUROS atmospheric model, which constitutes the model operator in this work. Here, the model surface and columnar NO2 simulations are evaluated against different types of observations in order to detect the strengths and weaknesses of the model. The second part of the thesis examines whether the LOTOS-EUROS simulations together with satellite observations can assess strong and abrupt changes in NO2 concentrations that are caused due to changes in NOx emissions. As a case study, we investigate whether model simulations can help to interpret the substantial changes in high spatial resolution satellite columns observed in Athens, Greece, during the COVID-19 lockdown in 2020 taking into account meteorological variability. In the third part of the thesis, the actual estimation of NOx emissions over large air pollutant emitters is investigated. The objective is to study whether the LOTOS-EUROS model, which is equipped with a data assimilation module, constrained by S5P/TROPOMI satellite NO2 observations can successfully estimate updated NOx emissions. The last part of this thesis focuses on the estimation of improved emissions at high spatial resolution over an urban region. Here we assess the ability of two different low-cost sensor networks in tracking the dynamics of particulate matter in the city of Eindhoven, the Netherlands, using the LOTOS-EUROS model and accounting for the model uncertainties.

Ο κύριος στόχος της παρούσας διατριβής είναι ο εντοπισμός των μεταβολών των εκπομπών των αερίων ρύπων μέσω της χρήσης παρατηρήσεων και προσομοιώσεων μοντέλων και την επακόλουθη βελτίωση των προσομοιώσεων. Η παρούσα διατριβή αποτελείται από τέσσερα μέρη. Το πρώτο μέρος αφορά την εκτενή επικαιροποίηση του ατμοσφαιρικού μοντέλου LOTOS-EUROS, το οποίο είναι και το μοντέλο που χρησιμοποιείται για το σκοπό αυτής της διατριβής. Ο κύριος στόχος αυτού του μέρους είναι η επικαιροποίηση των επιφανειακών προσομοιώσεων καθώς και των προσομοιώσεων στήλης ΝΟ2 με τη χρήση διαφορετικών ειδών παρατηρήσεων ώστε να εντοπιστούν οι αδυναμίες αλλά και οι δυνατότητες του μοντέλου. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής μελετάται εάν η συνέργεια προσομοιώσεων του LOTOS-EUROS και δορυφορικών παρατηρήσεων ΝΟ2 μπορούν να εντοπίσουν τις ξαφνικές μεταβολές στις συγκεντρώσεις των NO2 και να εκτιμήσουν τις σχετικές μεταβολές στις εκπομπές των NOx. Μελετάται η περίπτωση των αιφνίδιων μεταβολών των εκπομπών NOx στην Αθήνα, Ελλάδα, κατά τη διάρκεια της απαγόρευσης κυκλοφορίας των πολιτών λόγω της νόσου COVID-19 λαμβάνοντας υπόψη τη μεταβλητότητα της μετεωρολογίας. Στο τρίτο μέρος της παρούσας διατριβής ερευνάται η εκτίμηση εκπομπών NOx από πηγές οι οποίες εκπέμπουν μεγάλες ποσότητες αέριων ρύπων. Σε αυτό το μέρος εξετάζεται αν το μοντέλο LOTOS-EUROS, το οποίο είναι εξοπλισμένο με μία τεχνική αφομοίωσης δεδομένων, σε συνδυασμό με παρατηρήσεις ΝΟ2 από το δορυφορικό όργανο TROPOMI μπορεί να επιτύχει την εκτίμηση επικαιροποιημένων εκπομπών NOx. Το τελευταίο μέρος της παρούσας διατριβής επικεντρώνεται επίσης στην εκτίμηση επικαιροποιημένων εκπομπών. Σε αυτή την περίπτωση στόχος είναι η εκτίμηση νέων εκπομπών πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης πάνω από αστική περιοχή. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιείται η αφομοίωση παρατηρήσεων αιωρούμενων σωματιδίων στο μοντέλο από δύο διαφορετικά δίκτυα αισθητήρων χαμηλού κόστους στην πόλη του Αϊντχόβεν, στην Ολλανδία, και εκτιμάται η δυνατότητα μελέτης των αιωρούμενων σωματιδίων και η αντιμετώπιση των αβεβαιοτήτων του μοντέλου.