Estimation of urban air pollution from vehicular emissions with the use of CFD modelling - secondary organic aerosol formation study

Abstract

Traffic activity is one of the most influential factors affecting urban air pollution. The rapid urbanisation of cities poses health concerns to a big number of the population, exposing them to elevated levels of pollution. Pollutants such as nitrogen oxides (NOx), particulate matter (PM), and carbon monoxide (CO), primarily emitted by vehicles, pose serious risks to public health. Traffic also releases Volatile Organic Compounds (VOCs), which can undergo chemical transformations in the atmosphere, forming Secondary Organic Aerosols (SOA) that significantly contribute to fine particulate matter concentrations. To combat these pollutants, regulatory measures are enforced by national authorities and international bodies like the European Commission (EC). Effective control of pollutant levels in urban environments requires advanced monitoring and modelling techniques to better understand pollutant behavior and improve air quality. This PhD thesis focuses on a detailed assessment of the local impact of traffic emissions at the micro-scale using Computational Fluid Dynamics (CFD) modelling. This advanced air quality modelling technique effectively captures the complexities of wind patterns and the influence of surrounding buildings, providing a realistic representation of urban air pollution. The CFD model developed in this study can generate high-resolution 3D pollution maps that derive by simulating the transport and transformation of pollutants in urban environments. It accounts for the chemical transformation of traffic-emitted pollutants, leading to the formation of secondary pollutants, such as Secondary Organic Aerosols (SOA). Also, the pollution maps produced can also support the calibration of low-cost sensor networks deployed in cities. The thesis is organized into three chapters, each contributing to a deeper understanding of urban air pollution. This research focuses on Augsburg, Germany, and develops a system that models air quality at a highly detailed street-level scale. It simulates the release of emissions from traffic and uses a high-resolution spatiotemporal approach to model the dispersion of traffic-related pollutants and the formation of secondary organic aerosols (SOAs) in the urban environment. In conclusion, this thesis provides innovative modelling techniques that capture the complexities of traffic emissions and their effects on air quality. This research demonstrates a comprehensive modelling system that simulates pollutant dispersion and secondary organic aerosol (SOA) formation at a micro-scale in Augsburg, Germany, using traffic emission data, detailed building geometry, achieving high-resolution spatiotemporal air quality representation. The findings reveal the significant contributions of background SOA and the variable behavior of pollutants in urban environments and underscores the necessity of integrating high-resolution data with effective monitoring systems. Overall, this study not only advances our understanding of urban air pollution dynamics but also presents practical solutions for mitigating its impact, emphasizing the critical need for continued research and improved strategies to safeguard public health in densely populated areas.

Η κυκλοφοριακή δραστηριότητα αποτελεί έναν από τους πιο σημαντικούς παράγοντες που επηρεάζουν τη ρύπανση της ατμόσφαιρας στις αστικές περιοχές. Η ταχεία αστικοποίηση των πόλεων δημιουργεί ανησυχίες για την υγεία ενός μεγάλου αριθμού του πληθυσμού, εκθέτοντάς τους σε αυξημένα επίπεδα ρύπανσης. Ρυπογόνες ουσίες όπως τα οξείδια του αζώτου (NOx), τα αιωρούμενα σωματίδια (PM) και το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), που εκπέμπονται κυρίως από τα οχήματα, αποτελούν σοβαρούς κινδύνους για τη δημόσια υγεία. Τα οχήματα επίσης απελευθερώνουν Πτητικές Οργανικές Ενώσεις (VOCs), οι οποίες μπορούν να υποστούν χημικούς μετασχηματισμούς στην ατμόσφαιρα, σχηματίζοντας Δευτερογενή Οργανικά Αερολύματα (SOA) που συμβάλλουν σημαντικά στις συγκεντρώσεις λεπτών σωματιδίων. Για την αντιμετώπιση αυτών των ρύπων, εθνικές αρχές και διεθνείς φορείς, όπως η Ευρωπαϊκή Επιτροπή (EC), εφαρμόζουν ρυθμιστικά μέτρα. Ο αποτελεσματικός έλεγχος των επιπέδων ρύπανσης στις αστικές περιοχές απαιτεί προηγμένες τεχνικές παρακολούθησης και μοντελοποίησης για την καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς των ρύπων και τη βελτίωση της ποιότητας του αέρα. Η διδακτορική αυτή διατριβή εστιάζει σε μια λεπτομερή αξιολόγηση της τοπικής επίδρασης των εκπομπών από την κυκλοφορία σε μικροκλίμακα, χρησιμοποιώντας μοντελοποίηση Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD). Αυτή η προηγμένη τεχνική μοντελοποίησης της ποιότητας του αέρα αποτυπώνει αποτελεσματικά τις πολυπλοκότητες των προτύπων ανέμων και την επιρροή των γύρω κτιρίων, προσφέροντας μια ρεαλιστική αναπαράσταση της αστικής ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Το μοντέλο CFD που αναπτύχθηκε σε αυτή τη μελέτη μπορεί να δημιουργήσει χάρτες ρύπανσης υψηλής ανάλυσης 3D μέσω της προσομοίωσης της μεταφοράς και μετατροπής ρύπων σε αστικά περιβάλλοντα. Λαμβάνει υπόψη τον χημικό μετασχηματισμό των ρύπων που εκπέμπονται από την κυκλοφορία, οδηγώντας στον σχηματισμό δευτερογενών ρύπων, όπως τα Δευτερογενή Οργανικά Αερολύματα (SOA). Οι παραγόμενοι χάρτες ρύπανσης μπορούν επίσης να υποστηρίξουν τη βαθμονόμηση δικτύων αισθητήρων χαμηλού κόστους που αναπτύσσονται στις πόλεις. Η διατριβή οργανώνεται σε τρία κεφάλαια, το καθένα εκ των οποίων συμβάλλει σε μια βαθύτερη κατανόηση της αστικής ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Η έρευνα αυτή επικεντρώνεται στο Άουγκσμπουργκ της Γερμανίας και αναπτύσσει ένα σύστημα που μοντελοποιεί την ποιότητα του αέρα σε ένα εξαιρετικά λεπτομερές επίπεδο οδού. Προσομοιώνει την απελευθέρωση εκπομπών από την κυκλοφορία και χρησιμοποιεί μια προσέγγιση υψηλής χωρικής και χρονικής ανάλυσης για τη μοντελοποίηση της διασποράς των ρύπων που σχετίζονται με την κυκλοφορία και του σχηματισμού δευτερογενών οργανικών αερολυμάτων (SOAs) στο αστικό περιβάλλον. Συμπερασματικά, αυτή η διατριβή παρέχει καινοτόμες τεχνικές μοντελοποίησης που αποτυπώνουν την πολυπλοκότητα των εκπομπών από την κυκλοφορία και τις επιπτώσεις τους στην ποιότητα του αέρα. Η έρευνα αυτή παρουσιάζει ένα ολοκληρωμένο σύστημα μοντελοποίησης που προσομοιώνει τη διασπορά των ρύπων και τον σχηματισμό δευτερογενών οργανικών αερολυμάτων (SOA) σε μικροκλίμακα στο Άουγκσμπουργκ της Γερμανίας, χρησιμοποιώντας δεδομένα εκπομπών από την κυκλοφορία και λεπτομερή γεωμετρία κτιρίων, επιτυγχάνοντας αναπαράσταση της ποιότητας του αέρα με υψηλή ανάλυση στον χώρο και τον χρόνο. Συνολικά, η μελέτη αυτή όχι μόνο προάγει την κατανόησή μας για τη δυναμική της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στις αστικές περιοχές, αλλά παρουσιάζει επίσης πρακτικές λύσεις για την αντιμετώπιση των επιπτώσεών της, τονίζοντας την αναγκαιότητα συνέχισης της έρευνας και βελτιωμένων στρατηγικών για την προστασία της δημόσιας υγείας σε περιοχές με υψηλή πληθυσμιακή πυκνότητα.