Φυσικές παράμετροι που διαμορφώνουν την ποιότητα της ατμόσφαιρας και το ακουστικό περιβάλλον σε ένα εκτεταμένο αστικό συγκρότημα

Abstract

The present doctoral dissertation, entitled "Physical Parameters that Shape Air Quality and Acoustic Environment in an Extended Urban Complex," was carried out in the scientific field of Meteorology at the Laboratory of Meteorology, Department of Physics, within the Doctoral Studies Program of the Department of Physics, School of Sciences, University of Ioannina.This doctoral dissertation systematically investigates the role of meteorological processes and physical parameters in shaping air quality and the urban acoustic environment in large metropolitan areas. The research adopts an integrated and interdisciplinary approach, combining long-term climatic and meteorological data, measurements of atmospheric pollutant concentrations, air stagnation analysis, epidemiological risk assessment, and evaluation of urban environmental noise analysis. The principal novelty of this doctoral dissertation is the development of an integrated meteorological framework in which heatwaves, air stagnation, air pollution, and the urban acoustic environment are examined as interacting components of a complex environmental system. Within this framework, the integration of biometeorological indices and risk assessment tools enables the quantification of the influence of meteorological conditions on environmental stress and its impact on human health. Furthermore, the inclusion of the urban acoustic environment and the investigation of micrometeorological processes affecting noise propagation broaden the scope of the analysis and contribute to a holistic assessment of environmental risks in urban areas. The analysis of long-term temperature trends and ozone (Ο3) concentrations in the Attica region for the period 1991–2021 reveals statistically significant increases in both mean and extreme temperatures, accompanied by increases in the frequency, duration, and intensity of heatwave events. A strong association between heatwaves and elevated Ο3 concentrations is also identified, particularly during prolonged heatwave episodes, highlighting the combined role of heatwaves and prevailing meteorological conditions as key drivers of enhanced photochemical pollution. The investigation of air stagnation over the Attica region for the period 1991–2021 demonstrates pronounced spatial and seasonal variability. Air stagnation is identified as a major meteorological mechanism that limits pollutant dispersion and promotes pollutant accumulation. Air stagnation increased occurrence during the summer months is closely associated with high temperatures and heatwave conditions, thereby intensifying the overall environmental burden. These findings emphasize air stagnation as a critical meteorological factor controlling the temporal and spatial variability of air pollution. The impacts on human health are quantified through the application of specialized software and established health risk assessment indicators. The results indicate that, although average pollutant concentrations in urban areas frequently remain within regulatory limits, long-term exposure is associated with a health burden, characterized by considerable spatial variability across the urban environment. This analysis bridges atmospheric physics and environmental health by translating environmental trends into quantified population health risks. The doctoral dissertation also evaluates the urban acoustic environment of Thessaloniki, focusing on traffic noise and the influence of micrometeorological parameters on noise propagation. Systematic noise measurements and the calculation of environmental noise indicators reveal significant spatial, temporal, and seasonal variations in noise exposure, while temperature, relative humidity, and wind speed are shown to contribute substantially to the variability of the urban acoustic environment. Major roads are characterized by persistently high noise levels, whereas suburban areas exhibit lower average traffic noise exposure but greater temporal variability. Overall, this doctoral dissertation demonstrates that meteorological processes constitute the fundamental physical mechanisms governing the variability of air quality and the urban acoustic environment, linking air pollution, heatwave events, and human exposure within a unified framework of environmental risks. This integrated approach highlights the central role of Meteorology in understanding the interactions between the atmosphere, the urban environment, and public health.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή, με τίτλο «Φυσικές παράμετροι που διαμορφώνουν την ποιότητα της ατμόσφαιρας και το ακουστικό περιβάλλον σε ένα εκτεταμένο αστικό συγκρότημα», εντάσσεται στο γνωστικό πεδίο του Εργαστηρίου Μετεωρολογίας του Τμήματος Φυσικής και εκπονήθηκε στο πλαίσιο του Προγράμματος Διδακτορικών Σπουδών του Τμήματος Φυσικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων. Η διδακτορική διατριβή διερευνά συστηματικά τον ρόλο των μετεωρολογικών διεργασιών και των φυσικών παραμέτρων στη διαμόρφωση της ποιότητας της ατμόσφαιρας και του ακουστικού περιβάλλοντος σε εκτεταμένα αστικά συγκροτήματα. Η έρευνα υιοθετεί μια ολοκληρωμένη και διεπιστημονική προσέγγιση, συνδυάζοντας κλιματικά και μετεωρολογικά δεδομένα, μετρήσεις συγκεντρώσεων ατμοσφαιρικών ρύπων, ανάλυση της ατμοσφαιρικής στασιμότητας, επιδημιολογική εκτίμηση κινδύνου και αξιολόγηση του αστικού θορύβου. Η καινοτομία της διδακτορικής διατριβής έγκειται στην ανάπτυξη ενός ενοποιημένου μετεωρολογικού πλαισίου ανάλυσης, στο οποίο τα κύματα καύσωνα, η ατμοσφαιρική στασιμότητα, η ατμοσφαιρική ρύπανση και το αστικό ακουστικό περιβάλλον εξετάζονται ως αλληλεπιδρώντα φαινόμενα ενός σύνθετου περιβαλλοντικού συστήματος. Στο πλαίσιο αυτό, η ενσωμάτωση βιομετεωρολογικών δεικτών και εργαλείων εκτίμησης κινδύνου επιτρέπει την ποσοτικοποίηση της επίδρασης των μετεωρολογικών συνθηκών στη διαμόρφωση της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης και των επιπτώσεων στην ανθρώπινη υγεία. Παράλληλα, η ένταξη του αστικού ακουστικού περιβάλλοντος και των μικρομετεωρολογικών διεργασιών που επηρεάζουν τη διάδοση του θορύβου επεκτείνει την ανάλυση και συμβάλλει σε μια ολιστική προσέγγιση των περιβαλλοντικών κινδύνων στο αστικό περιβάλλον. Τα αποτελέσματα των μακροχρόνιων τάσεων θερμοκρασίας και συγκεντρώσεων Ο3 στην περιοχή της Αττικής για την περίοδο 1991–2021 καταδεικνύουν στατιστικά σημαντική αύξηση της μέσης και ακραίας θερμοκρασίας, καθώς και ενίσχυση της συχνότητας, διάρκειας και έντασης των καυσώνων. Παράλληλα, τεκμηριώνεται ισχυρή συσχέτιση μεταξύ καυσώνων και αυξημένων συγκεντρώσεων Ο3, ιδίως κατά τη διάρκεια παρατεταμένων επεισοδίων καύσωνα, αναδεικνύοντας τον ρόλο των καυσώνων, σε συνδυασμό με τις επικρατούσες μετεωρολογικές συνθήκες, ως καταλυτικών μηχανισμών ενίσχυσης της φωτοχημικής ρύπανσης. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης της ατμοσφαιρικής στασιμότητας στην περιοχή της Αττικής για την περίοδο 1991–2021 καταδεικνύουν ότι οι στάσιμες ατμοσφαιρικές συνθήκες παρουσιάζουν χωρική και εποχική μεταβλητότητα. Η ατμοσφαιρική στασιμότητα λειτουργεί ως βασικός μετεωρολογικός μηχανισμός που περιορίζει τη διασπορά των ατμοσφαιρικών ρύπων και ευνοεί τη συσσώρευσή τους, ενώ η συχνότερη εμφάνισή της κατά τους θερινούς μήνες συνδέεται με συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών και επεισόδια καύσωνα, ενισχύοντας τη συνολική περιβαλλοντική επιβάρυνση. Τα ευρήματα αναδεικνύουν την ατμοσφαιρική στασιμότητα ως κρίσιμο μετεωρολογικό μηχανισμό που ελέγχει τη χρονική και χωρική μεταβλητότητα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Η ποσοτικοποίηση των επιπτώσεων στην ανθρώπινη υγεία πραγματοποιείται μέσω της εφαρμογής εξειδικευμένου λογισμικού και δεικτών εκτίμησης κινδύνου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι, ενώ οι μέσες συγκεντρώσεις των ατμοσφαιρικών ρύπων στις πόλεις συχνά παραμένουν εντός των θεσμοθετημένων ορίων, η μακροχρόνια έκθεση συνεπάγεται μετρήσιμο υγειονομικό φορτίο, με έντονες χωρικές διαφοροποιήσεις στον αστικό ιστό. Η ανάλυση αυτή γεφυρώνει τη φυσική της ατμόσφαιρας με την περιβαλλοντική υγεία, μετατρέποντας τις περιβαλλοντικές τάσεις σε ποσοτικοποιημένο κίνδυνο για τον πληθυσμό. Επίσης, αξιολογείται το αστικό ακουστικό περιβάλλον της Θεσσαλονίκης, με έμφαση στον κυκλοφοριακό θόρυβο και στην επίδραση μικρομετεωρολογικών παραμέτρων στη διάδοσή του. Μέσω συστηματικών μετρήσεων επιπέδων θορύβου και υπολογισμού δεικτών ηχορύπανσης αναδεικνύονται σημαντικές χωρικές, χρονικές και εποχικές διαφοροποιήσεις των επιπέδων θορύβου, καθώς και η συμβολή της θερμοκρασίας, της σχετικής υγρασίας και της ταχύτητας του ανέμου στη διαμόρφωση του αστικού ακουστικού περιβάλλοντος. Οι κεντρικοί οδικοί άξονες χαρακτηρίζονται από σχεδόν μόνιμα υψηλά επίπεδα θορύβου, ενώ στην περιαστική περιοχή καταγράφεται χαμηλότερη μέση έκθεση στον κυκλοφοριακό θόρυβο αλλά μεγαλύτερη μεταβλητότητα των επιπέδων θορύβου. Συνολικά, η διατριβή καταδεικνύει ότι οι μετεωρολογικές διεργασίες αποτελούν τον θεμελιώδη φυσικό μηχανισμό που διέπει τη μεταβλητότητα της ποιότητας της ατμόσφαιρας και του αστικού ακουστικού περιβάλλοντος, συνδέοντας την ατμοσφαιρική ρύπανση, τα επεισόδια καύσωνα και την ανθρώπινη έκθεση σε ένα ενιαίο πλαίσιο περιβαλλοντικών κινδύνων. Η προσέγγιση αυτή αναδεικνύει τον κεντρικό ρόλο της Μετεωρολογίας στην κατανόηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ ατμόσφαιρας, αστικού περιβάλλοντος και δημόσιας υγείας.