Air quality forecasting in an urban area at high spatial resolution
Authors: Σιούτη Ευαγγελία 
Published: July 2023

Τα συστήματα πρόβλεψης της ποιότητας του αέρα μπορούν να συμβάλουν στη βελτίωση της ποιότητας της ατμόσφαιρας σε περιφερειακή ή αστική κλίμακα και να μειώσουν τον κίνδυνο έκθεσης των ανθρώπων σε υψηλά επίπεδα ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Το PM2.5 είναι ένας από τους σημαντικότερους ατμοσφαιρικούς ρύπους που μπορεί να διεισδύσει βαθιά στους πνεύμονές μας προκαλώντας πρόωρους θανάτους, καρδιαγγειακά και αναπνευστικά προβλήματα, αλλά μπορεί να βλάψει και τα οικοσυστήματα. Οι αέριοι ρύποι, όπως το O3 και το NOx, έχουν επίσης αρνητική επίδραση στην ανθρώπινη υγεία προκαλώντας πνευμονικές ασθένειες. Τα συστήματα πρόβλεψης της ποιότητας του αέρα γίνονται ολοένα και πιο χρήσιμα εργαλεία, καθώς μπορούν να προβλέψουν τη μελλοντική κατάσταση της ατμόσφαιρας και ενδεχομένως να αποτρέψουν τους κινδύνους για την ανθρώπινη υγεία.Το σύστημα πρόβλεψης της ποιότητας αέρα που αναπτύχθηκε και ονομάζεται SmartAQ (Smart Air Quality), συνδυάζει τελευταίας τεχνολογίας μετεωρολογικά και χημικά μοντέλα μεταφοράς για να παράγει προβλέψεις υψηλής ανάλυσης 1x1 km2 για μια αστική περιοχή για το επόμενο 3ήμερο. Το σύστημα προσομοιώνει την ατμοσφαιρική ρύπανση στην Ευρώπη χρησιμοποιώντας χωρική ανάλυση 36x36 km2 και μέσω τριών ένθετων πλεγμάτων με αυξανόμενη ανάλυση εστιάζει στην αστική περιοχή ενδιαφέροντος με ανάλυση 1x1 km2. Το μοντέλο WRF (Weather Research and Forecasting) προετοιμάζει προβλέψεις μετεωρολογίας υψηλής ανάλυσης, το μοντέλο MEGAN (Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature) παρέχει εκπομπές σωματιδίων και αερίων, ενώ το μοντέλο χημικής μεταφοράς PMCAMx (Particulate Matter Comprehensive Air Quality Model with extensions) χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της ποιότητας του αέρα. Ο αλγόριθμος PSAT (Particulate matter Source Apportionment Technology) χρησιμοποιείται μαζί με το PMCAMx για τον προσδιορισμό της συνεισφοράς των πηγών για κάθε ρύπο για την αστική περιοχή. Το SmartAQ λειτουργεί αυτόματα, σε πραγματικό χρόνο και προβλέπει τη συγκέντρωση δεκάδων αερίων (NOx, SO2, CO, O3, πτητικές οργανικές ενώσεις κ.λπ.), το πλήρες μέγεθος των σωματιδίων και τη χημική σύνθεση μαζί με τα επίπεδα των PM1, PM2.5 και PM10, καθώς και τις πηγές των ρύπων. Η αστική περιοχή της Πάτρας χρησιμοποιήθηκε για την πρώτη εφαρμογή του συστήματός μας λόγω του υψηλής πυκνότητας δικτύου αισθητήρων χαμηλού κόστους που μετρά τις συγκεντρώσεις του PM2.5 στην πόλη.Οι μετρήσεις πεδίου έδειξαν ότι το μαγείρεμα και η καύση της βιομάζας στα τζάκια είναι πρωταρχικής σημασίας στις αστικές περιοχές, αλλά οι αντίστοιχες εκπομπές συχνά αμελούνται ή υποεκτιμώνται στις βάσεις δεδομένων των εκπομπών και τα μοντέλα χημικής μεταφοράς οδηγώντας σε αβέβαιες προβλέψεις για την ποιότητα του αέρα. Στην Πάτρα, η καύση ξύλων στα τζάκια είναι η κυρίαρχη πηγή ρύπανσης κατά τη διάρκεια του χειμώνα, ενώ το μαγείρεμα είναι η σημαντικότερη τοπική πηγή ρύπανσης κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού και ιδιαίτερα τη νύχτα με βάση τις μετρήσεις πεδίου. Για τους λόγους αυτούς, αναπτύχθηκαν από την αρχή εκπομπές για το μαγείρεμα και την καύση βιομάζας στα τζάκια σε ανάλυση 1x1 km2 για την πόλη της Πάτρας που χρησιμοποιήθηκαν στο PMCAMx. Η χωρική κατανομή των εκπομπών από μαγείρεμα βασίστηκε στην ακριβή τοποθεσία των εστιατορίων στην πόλη και η χρονική κατανομή στο μετρούμενο ημερήσιο προφίλ των οργανικών σωματιδίων από μαγείρεμα. Η χωρική κατανομή των εκπομπών από την καύση της βιομάζας στα τζάκια βασίστηκε στην πυκνότητα των σπιτιών στην αστική περιοχή και το χρονικό προφίλ στις μετρήσεις πεδίου. Τα οργανικά σωματίδια από την καύση της βιομάζας θεωρήθηκαν πτητικά και χημικώς αντιδραστικά και οι εκπομπές τους είχαν θερμοκρασιακή εξάρτηση.Το PMCAMx αναπαρήγαγε αρκετά καλά τις συγκεντρώσεις των PM2.5 για την περιοχή με τις υψηλές εκπομπές οργανικών σωματιδίων από μαγείρεμα, ενώ έτεινε να υπερεκτιμά τις συγκεντρώσεις PM2.5 για τα προάστια της πόλης. Κατά τη διάρκεια του χειμώνα, το μοντέλο αναπαρήγαγε το μετρούμενο προφίλ των PM2.5 στην περιοχή με τις υψηλές εκπομπές από αστική καύση βιομάζας, αλλά έτεινε να υπερ-προβλέπει τα PM2.5 στα προάστια. Οι βασικοί παράγοντες για τις αποκλίσεις μεταξύ μοντέλου και μετρήσεων ήταν οι αβεβαιότητες στις εκπομπές από μαγείρεμα και καύση βιομάζας, τα σφάλματα στη μετεωρολογία και οι αβεβαιότητες στις μετρήσεις αισθητήρων χαμηλού κόστους που χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση. Η υπερ-πρόβλεψη στα προάστια οφειλόταν πιθανώς σε υπερεκτίμηση της μεταφερόμενης ρύπανσης. Το SmartAQ προέβλεψε για τα PM2.5 ότι το μαγείρεμα ήταν η κυρίαρχη τοπική πηγή ρύπανσης κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού και η καύση βιομάζας για θέρμανση κατοικιών ήταν η κυρίαρχη κατά τη διάρκεια του χειμώνα, κάτι που συνάδει με τις μετρήσεις. Το σύστημα πρόβλεψης της ποιότητας του αέρα που αναπτύχθηκε μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε ευρωπαϊκή αστική περιοχή για την παραγωγή ατμοσφαιρικών και καιρικών προβλέψεων υψηλής ανάλυσης.