Forecasting tropospheric ozone levels from meteorological variables: Athens urban area as a case study:
Creators: name: Μαρουγιάννη, Γαρυφαλιά Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2010
Subjects: Οζον
Θερμοκρασία
Ηλιακή ακτινοβολία
Ozone
Air temperature
Solar radiation

description: Το όζον συναντάται σε δύο στώματα της ατμόσφαιρας. Το στρώμα που βρίσκεται εγγύτερα στην επιφάνεια της Γης είναι η τροπόσφαιρα, ενώ πάνω από αυτήν εκτείνεται η στρατόσφαιρα. Το στρατοσφαιρικό ή «καλό» όζον είναι απαραίτητο για τη συνέχιση της έμβιας ζωής στον πλανήτη, αφού απορροφά έντονα την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία, κυρίως εκείνα τα μήκη κύματος που είναι βλαβερά για την ανθρώπινη υγεία. Το όζον επίσης παίζει σημαντικότατο ρόλο στη φωτοχημεία της τροπόσφαιρας («κακό» όζον), καθ’όσον είναι η βασική πηγή των ΟΗ- (μέσω της φωτοδιάσπασης του όζοντος σε Ο(1D) και αντίδραση του Ο(1D) με τους υδρατμούς) τα οποία και καθορίζουν τη διάρκεια ζωής πολλών ρύπων στην ατμόσφαιρα. Στην εργασία αυτή, μελετάται σε τι βαθμό επηρεάζουν τα επίπεδα όζοντος συγκεκριμένες μετεωρολογικές παράμετροι. Συγκεκριμένα αυτές είναι: α) η θερμοκρασία του αέρα κοντά στην επιφάνεια της γης, β) η συνολική ημερήσια υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία, γ) το μέγιστο ημερήσιο ύψος ηλίου (το μεσημέρι) και δ) ο δείκτης της Ιουλιανής μέρας. Η χρονική κάλυψη των μετρήσεων ηλιακής ακτινοβολίας είναι από το 1988 ως το 2004, ενώ για τη θερμοκρασία του αέρα τα δεδομένα καλύπτουν τη χρονική περίοδο 1988 – 2006. Γίνεται ανάλυση της συσχέτισης των χρονοσειρών της μέσης ημερήσιας συγκέντρωσης του όζοντος, καθώς επίσης και της ημερήσιας μέγιστης ωριαίας συγκέντρωσης του όζοντος και της μέγιστης ημερήσιας κυλιόμενης μέσης συγκέντρωσης οκταώρου. Η χρονική κάλυψη των μετρήσεων μέσων ωριαίων συγκεντρώσεων όζοντος εξαρτάται από το σταθμό. Για έξι από τους σταθμούς οι χρονοσειρές εκτείνονται στο χρονικό διάστημα 1988 – 2006, για τέσσερις στο χρονικό διάστημα 1992 – 2006 ενώ για τους υπόλοιπους έξι υπό μελέτη σταθμούς οι χρονοσειρές καλύπτουν τα χρόνια 2001 – 2006. Αναφέρεται ότι τα δεδομένα θερμοκρασίας του αέρα κοντά στην επιφάνεια και ολικής υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας ανακτήθηκαν από το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών.Πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί συστελεστών συσχέτισης ανάμεσα στις ανέξάρτητες και τις εξαρτημένες μεταβλητές, ώστε να διαπιστωθεί ποια από τις ανεξάρτητες μεταβλητές επηρεάζει ισχυρότερα τα επίπεδα όζοντος. Επιπλέον, εφαρμόστηκε η μέθοδος της γραμμικής παλινδρόμησης (ευθεία ελαχίστων τετραγώνων) στη μελέτη των χρονοσειρών. Υψηλός βαθμός συσχέτισης παρατηρήθηκε ανάμεσα στη συγκέντρωση όζοντος και την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία. Ωστόσο, δεν διαπιστώθηκε ιδιαίτερα υψηλός βαθμός συσχέτισης ανάμεσα στη συγκέντρωση όζοντος και τη θερμοκρασία του αέρα, όπως αναμενόταν. Κατασκευάστηκαν λοιπόν πίνακες συντελεστών συσχέτισης ανάμεσα στη συγκέντρωση όζοντος και τη θερμοκρασία του αέρα με χρονική μετατόπιση ως και δύο μηνών ανάμεσα στις δύο μεταβλητές. Βρέθηκε ότι η συσχέτιση ανάμεσα στις δύο μεταβλητές γίνεται μέγιστη για χρονική μετατόπιση περίπου 25 ημερών.
description: Ozone occurs in two layers of the atmosphere. The layer closest to the Earth’s surface is the troposphere. Here, ground-level or “bad” ozone is an air pollutant that is harmful to breathe and it damages crops, trees and other vegetation. It is a main ingredient of urban smog. The stratosphere or “good” ozone layer extends upwards from the troposphere and protects life on Earth from the sun’s harmful ultraviolet (UV) rays. Ground-level or “bad” ozone is not emitted directly into the air, but is created by chemical reactions between oxides of nitrogen (NOX) and volatile organic compounds (VOCs) in the presence of sunlight. In this paper, we study the influence of selected atmospheric variables to ozone concentrations. We also prove that solar radiation is the main atmospheric factor between all the atmospheric variables considered here for the prediction and explanation of the ozone time series.The analysis is based on measurements from Greater Athens Area (GAA). The selected variables cover the most important atmospheric processes favoring ozone episodes. These variables are: a) near-surface air temperature, b) total daily solar radiation, c) daily maximum solar elevation angle (at noon) and d) an index for the Julian day. The temporal coverage of the measurements of total solar radiation extends from 1988 to 2004, whereas for the air temperature the data cover a time period of 1988-2006. For the correlation analysis of this study time series of the mean daily ozone concentration was calculated, as well as the daily 1-hour maximum concentration, which is often used as an air quality standard, and the maximum daily 8-hour mean concentration, where the required proportion of valid data (75% according to directive 2008/50/EC is needed) was available. The temporal coverage of measurements depends on the station. It extends from 1988 to 2006 for six of the stations, from 1992 to 2006 for four of the stations, while for the rest six stations the time-series cover the years from 2001 to 2006. The percentage of data capture is satisfactory, above 74% for all monitoring sites. Total solar radiation data and air temperature data were acquired from the National Observatory of Athens.A correlation coefficient analysis of ozone concentration with measured climatological parameters was carried out to indicate which ones exerted a strong influence on ozone concentrations. Also, a linear regression technique has been developed to study time-series of daily air- quality data for both predictive and explanatory purposes. A high degree of correlation can be observed between ozone concentration and solar radiation. However, ozone concentration seems not to be as well correlated with daily maximum near surface air temperature, especially for urban sites. The construction of delay correlation matrix involves calculating correlations between different variables with a time delay of two months. A particular entity being measured by one of the variables of the time series may have some effect on another at a later time. To understand and quantify the effect of one variable on another at a later time, one method would be to calculate the delay correlations i.e., correlations between one variable in the two-variable time series and another at a time delay. The correlation coefficient between ozone concentration and air temperature becomes maximal for an average time delay of 25 days.