Çanakkale'nin Biga ve Lapseki bölgesi özelinde kırsal alanlardaki troposferik ozon seviyelerinin değerlendirilmesi ve meteorolojik-fotokimyasal modellerin uygulanmasıyla dağılımının belirlenmesi
Assessment of tropospheric ozone levels in rural sites of the Biga peninsula and determination of the distribution by using with meteorological-photochemical transport models
Yazar: DENİZ SARI
Danışman: PROF. DR. SALAHATTİN İNCECİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Meteoroloji = Meteorology ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Fotokimyasal reaksiyonlar = Photochemical reactions

Özet:
Dünya genelinde büyük kentlerin yanı sıra kırsal alanlarda da partikül madde, karbon monoksit, azot dioksit, kükürt dioksit ve ozon gibi kirleticilere karşı kalınan maruziyet gün geçtikçe artmaktadır. Emisyon kaynaklarının bulundukları bölge dışında uzun mesafeli atmosferik taşınımları sonucunda yüzlerce kilometre uzaklıktaki alanları da etkileyebilmesi bu durumun sebeplerinden biri olarak tanımlanabilir. Kaynaklardan çıkan kirleticiler bu taşınım sırasında değişmeden atmosfere dağıldığı gibi fiziksel ve kimyasal mekanizmaların etkisiyle farklı kirleticilere de dönüşebilmektedir. Bu tarz dönüşümler sonucu meydana gelen ve ikincil bir kirletici olarak tanımlanan ozon, insan sağlığı, tarım ve ekosistemler üzerindeki zararlı etkileri nedeniyle karar vericilerin üzerinde durmasını ve gerekli önlemleri almasını gerektirecek bir gazdır.
Tez çalışması kapsamında Türkiye'de Marmara Bölgesi'nin Biga Yarımadası'nın kuzey batısında yer alan Çanakkale'nin Biga ve Lapseki ilçelerindeki yüksek ozon konsantrasyonlarının oluşmasına neden olan atmosferik koşulların rolünü anlamak ve detaylı bir şekilde karakterize etmek için geri yörünge modeli, meteorolojik-fotokimyasal modelleri ve hava kalitesi ölçümlerini içeren bir hava kalitesi yönetim modeli kurgulanması hedeflenmiştir. Bu model ile kırsal bir alandaki ozon seviyelerinin tespiti ve kaynakların katkısının belirlenmesine yönelik bölgeye özgü bir yaklaşım geliştirilmesi amaçlanmıştır. 
Yarımadanın dağlık, kırsal ve yarı-kentsel bölgelerinde üç yıl boyunca (2013-2015) izleme istasyonlarında ozon konsantrasyonları ölçülmüş ve elde edilen sonuçların geçmişte Akdeniz Havzası için yapılan benzer çalışmalar sonucunda üretilen değerlere yakın düzeylerde olduğu tespit edilmiştir. Bölgedeki en yüksek ozon değerleri emisyon kaynaklarından uzaktaki dağlık alanlarda ölçülmüştür. Dağlık alandaki yüzey ozonunun Temmuz'da büyük bir zirveyi ve Nisan'da ikincil bir zirveyi temsil ettiği gözlemlenmiştir. Kırsal alanda ölçülen saatlik yüzey ozon konsantrasyonların ise genellikle yarı kentsel bölgesinden daha yüksek olduğu belirlenmiştir. İzleme noktalarında ölçülen yıllık ortalama ozon seviyeleri noktaların deniz seviyelerinden yükseklikleri ile karşılaştırıldığında r=0,67'lik bir uyum gözlenmektedir. 
Bölgedeki yüzey ozonu konsantrasyonları genellikle Temmuz-Ağustos aylarında maksimum seviyelere ulaşırken, Ekim-Aralık dönemlerinde ise minimum değerleri görmektedir. Biga Yarımadası'nda yıllık ortalama yüzey ozon konsantrasyonları 48-117 μg/m3, yaz dönemlerindeki aylık ortalamalar ise 78-187 μg/m3 arasında ölçülmüştür. Bölgede gerçekleştirilen ölçümler incelendiğinde ulusal sınır değerlerin aşıldığı tespit edilmiştir. Ayrıca yapılan AOT40 hesaplamaları sonucu, ozonun bölgedeki bitki ve ormanlar üzerinde zarar verici boyutta bir etkisinin olabileceğini göstermektedir. 
Hava kirleticilerinin oluşumu, taşınması ve dağılmasında meteorolojik koşullar önemli bir rol oynamaktadır. Bölgedeki ozon seviyelerinin meteorolojik koşullar ile ilişkisi incelediğinde özellikle sıcaklıkla arasında yüksek bir korelasyon (r=0,6) olduğu görülmektedir. Ozon konsantrasyonları ile bağıl nem değerleri arasında ise negatif bir korelasyon (r=-0,5) olduğu belirlenmiştir. Ayrıca yüzey ozonun oluşumuna yerel kaynakların yanı sıra bölgesel taşınımın da etkisinin olabileceği düşünülerek bölge için ozon gülleri hazırlanmıştır. Bölgedeki en yüksek ozon konsantrasyonlarının rüzgar akışının KD yönünden olduğunda meydana geldiği tespit edilmiştir.
HYSPLIT modelinin kümeleme algoritması kullanılarak bölgeye gelen hava hareketleri belirlenmiş ve ana rotanın %44 ile Doğu Avrupa ve İstanbul üzerinden olduğu tespit edilmiştir. Toplamda hava hareketlerinin yaklaşık %72'sinin bölgeye kuzey yönlerden gelmekte olduğu ve bu hareketlerin gerçekleştiği dönemlerde yüksek ozon değerlerinin görüldüğü belirlenmiştir. Hava kütlelerinin kalan kısmı ise bölgeye güney yönünden, Akdeniz bölgesinden gelmekte olup; bu hareketlerin olduğu dönemlerdeki ozon seviyeleri genellikle daha düşüktür. Bölgede gerçekleştirilen hava kalitesi ölçümleri sonucunda 2013-2015 yılları arası için 5 episodik ozon dönemi tespit edilmiştir. Bu episodlar için WRF/HYSPLIT modeli kullanılarak yüksek ozon seviyelerinin gözlendiği bu dönemlerdeki hava hareketleri incelenmiş olup; tümünde hava kütlelerinin kuzeyden başka bir deyişle İstanbul, Batı Avrupa ve Doğu Rusya üzerinden geldiği belirlenmiştir. 
Episod dönemlerindeki meteorolojik koşulların tahmini için WRF ARW 3.8 modeli kullanılmıştır. Model belirlenen episodlar için sırasıyla 9 km, 3 km ve 1 km yatay çözünürlüğe sahip üç tek yönlü iç içe alan olarak yapılandırılmış ve çalıştırılmıştır. Üretilen sonuçlara göre 1. Episod döneminde yüksek basınç sistemi ve düşük rüzgar hızları hakimdir. 2. Episod ve 3. Episod da bölge üzerinde yüksek basınç sistemi hakim olurken; rüzgar hızları ise düşük-orta seviyelerdedir. Ayrıca 2. episod döneminde Etezyen rüzgarları bölgede hakim olup; öğleden sonraki saatlerde maksimuma ulaşır ve ozonun dağılmasında önemli bir rol oynamaktadır. Model çıktılarına göre 4. ve 5. Episod da yüksek basınç sistemleri ve hafif rüzgarlar bölgede gözlenmektedir. Gerçekleştirilen model çalışmasının güvenilebilirliğini test etmek amacıyla 4 meteoroloji istasyonunun verileri kullanılarak karşılaştırmalar gerçekleştirilmiştir. Model doğrulama çalışmaları sonucunda hava sıcaklığının model tarafından başarılı bir şekilde tahmin edildiği belirlenmiştir (r=0,85). 
Bölgedeki ozonun taşınımı, dağılımı ve seviyesinin belirlenmesi amacıyla WRF-Chem fotokimyasal modeli kullanılmıştır. Simülasyonlar sonucunda bölgedeki ozonun ana kirletici kaynağının antropojenik emisyonlar olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca biyojenik emisyonların da ozon seviyeleri üzerindeki etkisinin göz ardı edilemeyecek seviyelerde olduğu belirlenmiştir. Bölgedeki biyojenik emisyonların katkısı günlük ortalamada yarı kentsel alan için %6-27 ve kırsal alan için ise %6-23 arasında değişmektedir. Episodlar kendi aralarında karşılaştırıldığında en düşük ozon seviyelerinin genellikle 4. Episod da görüldüğü belirlenmiştir. Bu durumun nedeni olarak episoddaki sıcaklıkların daha düşük seviyelerde; bağıl nem değerinin yüksek olması olabilir. Bölgedeki en yüksek ozon olayı ise 5. Episod gözlenmiştir. Bu durumun oluşmasında en önemli etkenlerin diğer dönemlere kıyasla yerel sirkülasyonların neden olduğu inversiyon, sıcaklıkların çok yüksek ve rüzgar hızlarının da düşük seyretmesi olduğu düşünülmektedir. WRF-Chem modeli sonuçları güvenirliklerinin test edilmesi amacıyla istatistiksel teknikler kullanılarak dört farklı hava kalitesi izleme istasyonunda gözlemlenen saatlik ozon ölçüm verileri ile karşılaştırılmıştır. Hesaplanan ozon konsantrasyonlarının tüm episodlardaki ve konumlardaki karşılaştırılmaları sonucunda uyum indisinin 0,5-0,8 arasında değiştiği hesaplanmıştır. Korelasyon katsayıları ise 0,2-0,9 aralığında hesaplanmıştır. Çalışma sonucunda meteorolojik ve fotokimyasal modeller kullanılarak elde edilen öngörülerin istenilen düzeyde güvenirliğe sahip olduğu düşünülmektedir.
Tez çalışması kapsamında uygulanan model doğrultusunda kırsal alanlardaki ozonu etkileyen meteorolojik koşullar ile antropojenik ve biyojenik emisyon kaynaklarının katkıları belirlenmiştir. Geliştirilen bu yaklaşımın, farklı kırsal ve yarı kentsel alanlarda yapılacak hava kalitesi yönetimi çalışmalarına da fayda sağlayacağı düşünülmektedir. Ayrıca bu yaklaşım ile bölgede yer alan floranın da maruz kaldığı ozon seviyeleri belirlenmiş; ulusal standartlardaki sınır değerler ile karşılaştırılarak mevcut durumu ortaya konmuştur. Bu yaklaşım, ülkemizde benzer özellikler taşıyan ve özel öneme sahip kırsal alanlar içinde uygulanabilecek ve bu alanların korunmasına yönelik karar vericilere yol gösterecektir.

Abstract:
Exposure to pollutants such as particulate matter, carbon monoxide, nitrogen dioxide, sulfur dioxide, and ozone is increasing day by day in rural as well as urban areas. One of the reasons for this situation can be defined as the fact that emission sources can affect areas hundreds of kilometers away as a result of long-distance atmospheric transports outside the region where they are located. Pollutants are not only dispersed to the atmosphere as inert gases during transport, but they can also react with physical and chemical mechanisms. Ozone, which is formed as a result of such reactions and is defined as a secondary pollutant, is a pollutant that will require decision-makers to focus on and take the necessary precautions due to its harmful effects on human health, agriculture, and ecosystems.
Within the scope of the thesis, a backward trajectory model, meteorological-photochemical models, and air quality measurements were used to develop an air quality management model that accounts for the causes of high ozone concentrations in Turkey's Biga and Lapseki Districts, which are located in the city of Çanakkale. This model aims to establish a region-specific approach for figuring out how much resources contribute to ozone levels in rural areas.
Ozone concentrations were measured at mountainous, rural, and semi-urban monitoring stations in the Biga Peninsula for three years (2013-2015). It was found that the results were comparable to those of other research on the Mediterranean Basin. The highest ozone readings in the area were recorded at sites in mountainous areas far from the sources of emissions. A major peak in surface ozone was seen in the highlands in July, and a secondary peak in April. The hourly surface ozone concentrations in rural areas were frequently higher than in semi-urban areas. When the annual average ozone levels measured at the monitoring points are compared with the altitudes of the points above sea level, a concordance of r=0.67 is calculated.
While surface ozone concentrations in the region are generally highest in July-August and lowest, particularly in October-December. In the Biga Peninsula, annual average surface ozone concentrations are 48–117 μg/m3, and monthly average ozone concentrations in summer are between 78-187 μg/m3. When the measurements carried out in the region were examined, it was determined that the national limit values were exceeded in both rural and semi-urban areas. According to the findings, the ozone levels in the area pose a serious risk to human health. O3 concentrations were generally found to be high when NOx levels in the peninsula were at low levels. Additionally, it was determined that OX values displayed a negative trend and dropped linearly against NOx concentrations. These findings show that the local contribution to the oxidant levels in the region from primary emissions such as traffic and domestic heating is at a negligible level. The results of the AOT40 calculations show that ozone can have a harmful effect on plant life and forests in the region.
Meteorological conditions play an important role in the formation, transport, and dispersion of air pollutants. When the relationship between ozone levels in the region and meteorological conditions is examined, it is seen that there is good compatibility (r = 0.6), particularly with temperature. However, it is not possible to say that it has very high compatibility with wind speeds (r=0.35) due to their significant effect on the dilution, dispersion and transport of pollutants. In addition, it was found that the relationship between relative humidity levels and ozone concentrations was negative (r=-0.5).  Ozone pollution roses were also created for the area, taking into account the possibility that both local and regional sources could have an impact on how much surface ozone is formed. Because the prevailing winds carry surface ozone and its precursors from urban areas to rural and high-altitude areas downwind. The ozone levels in the area are found to be at their peak when the wind is blowing from the northeast.
The air mass trajectories coming to the region were calculated using the clustering algorithm of the HYSPLIT model. According to the findings, Istanbul and Eastern Europe accounted for 44% of all emigration to the area. Other trajectories were estimated to be 14% from the region's northwest and 14% from the northern Black Sea. It has been determined that approximately 72% of the air mass trajectories in total movements arrive in the region from the north. The high ozone values are seen when these pathways are present. The other trajectories come to the region from the south (the Mediterranean region), and ozone levels during periods of these movements are generally lower.
Five ozone occurrences for the years 2013 - 2015 were selected based on the results of the air quality measurements made in the area. The air mass trajectories during this time were computed using the WRF/HYSPLIT model for these episodes. The air masses in all of the episodes were found to have originated in the north, or more specifically, from Istanbul, Western Europe, and Eastern Russia.
WRF-ARW 3.8 was used to predict the meteorological conditions during the episodes. The model was configured for these episodes and operated as three nested domains with a horizontal resolution of 9 km, 3 km, and 1 km, respectively. The model results show that Episode 1 is characterized by a high-pressure system and low wind speeds. The region experiences a high-pressure system during the second and third episodes, with low to moderate wind speeds. In addition, it was determined that Etesian winds were dominant in the region during the second episode. They reach their strongest levels in the afternoon hours and can play an important role in the dispersal of ozone. High-pressure systems and low winds are seen in the area during the fourth and fifth episodes, according to the model results. Comparisons were made using data from four meteorology stations to test the model's reliability. The model's ability to predict temperature was shown to be successful (r is 0.85) as a result of the model validation. 
The WRF-Chem photochemical model was used to determine the transport, distribution, and level of ozone in the peninsula. In the study, the EDGARV05 emission inventories prepared for the calendar years 2013, 2014, and 2015 were used. They were converted to the format required by the model using the EmissV preprocessor. Different scenarios were designed for all episodes, and modeling studies were carried out. The WRF-Chem simulations revealed that the Peninsula's principal pollutant sources for ozone levels were antropogenic emissions. In addition, the effects of biogenic emissions on ozone cannot be ignored. On a daily average, the contribution of the biogenic emissions in the region varies between 6-27% (maximum hourly: 78 μg/m3) for the semi-urban (Çan) site and 6-23% (maximum hourly: 44 μg/m3) for the rural(Lapseki) site. When the episodes were compared, it was found that the fourth episode often had the lowest ozone levels. The reason for this situation is that the temperatures were at lower levels and the relative humidity was high. The highest ozone in the region was observed in Episode 5. The local circulation-induced inversion, the extremely high temperatures, and the relatively low wind speeds in comparison to other episodes are regarded as the most crucial variables. The WRF-Chem model results were compared with hourly ozone measurement data observed at four different air quality monitoring stations using statistical techniques to test its reliability. As a result of the validation in all episodes, the index of agreement was calculated between 0.5 and 0.8. The correlation coefficients are also in a wide range, from 0.2 to 0.9. It is thought that the predictions produced by using meteorological and photochemical models have the desired degree of confidence.
The contribution of anthropogenic and biogenic emission sources, as well as the effects of the meteorological conditions on ozone in rural and semiurban areas, were determined in accordance with the model used within the scope of the thesis. The air quality management studies that will be conducted in various rural locations will also benefit from the established model. Additionally, using this method, the exposure of ozone levels to the local flora was calculated and compared to the limit values in the national standards. This approach can be applied in rural areas with similar characteristics and special importance in our country, and it will help decision-makers when it comes to protecting these locations.