Uzaktan algılama sistemleri ile İstanbul'da atmosferik sınır tabaka ve hava kalitesi etkilerinin araştırılması
Investigation of atmospheric boundary layer and itseffect of air quality based on remote sensing in Istanbul
Yazar: HANDE TEMUR
Danışman: PROF. DR. ALİ DENİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Meteoroloji = Meteorology

Özet:
Uzaktan algılama ölçüm sistemlerinden olan Doppler SODAR ve Lidar-silyometre cihazlarından elde edilen veriler ile atmosferik sınır tabakanın (AST) fiziksel özelliklerinin tespit edilmesi ve atmosfer dağılım modellemesi çalışması ile İstanbul üzerinde hava kalitesinin atmosferik şartlarla olan ilişkisini ortaya koymak bu tez çalışmasının ana amacıdır. Bu amaca yönelik olarak, farklı coğrafik bölgelere konuşlandırılmış uzaktan algılama cihazları ile belirlenen AST özelliklerinin hava kalitesi üzerine etkilerinin araştırılması hedeflenmiştir.
Atmosferik karışma tabakası, hava kalitesini doğrudan etkilemekte, güneşten gelen radyasyon miktarı, topografya, pürüzlülük çeşidi ve diğer fiziksel etkenler nedeniyle gün boyunca çeşitli değerler göstermektedir. Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nün (MGM) yer gözlem istasyonları ile ölçülen rüzgar ve diğer meteorolojik paremetreler 2 metre ya da 10 metre gibi yüksekliklerde ölçülmeleri ve radyozonde gözlemlerinin seyrek yapılması nedeniyle meteorolojik değişkenlerin ve AST'nin zamansal ve mekansal değişimlerinin gerçek anlamda belirlenmesi mümkün olmamaktadır. Elde edilen bu meteorolojik verilerin hava kalitesi modellerinde bir girdi olarak kullanılması halinde ölçümlerin yeterli sıklıkta olmamasından ve düşey olarak atmosferin dikey yapısını tam anlamıyla temsil edilememesinden dolayı AST'nin termodinamik ve kinematik yapısı hakkında tam olarak bilgi sahibi olunamamaktadır ve hava kalitesi modellerinin ürettiği sonuçlar güvenilir olmamaktadır. Uzaktan algılama cihazlarıyla daha yukarı seviyelerde ve sürekli ölçümlerle bu belirsizlik azaltılmaktadır.
Atmosferik şartlara bağlı olarak hava kalitesindeki değişimin belirlenebilmesi için ve hava kirleticilerinin zamanla taşınım, dağılım ve konsantrasyonlarının tahminlerinin doğru bir şekilde analiz edilebilmesi için AST'nin yüksekliği, rüzgar karakteristiği, termodinamiği ve kararlılığı hakkında doğru analizler ile belirlenmesi mümkündür. Sel, dolu, fırtına, hortum gibi yıkıcı ve  şiddetli  meteorolojik olayların ve kirletici taşınımlarının doğru bir şekilde analiz edilmesi ve öngörülerinin yapılması yukarıda bahsedilen AST değişkenleriyle, özellikle AST yüksekliği ve rüzgar karakteristikleriyle son derece yakın ilişkilidir.
Bu çalışma kapsamında SODAR cihazıyla yapılan rüzgar ölçümleri ve Lidar-Silyometre cihazı ile ölçülen bulut yapısı ve bulut taban yükseklikleri değerleriyle AST yüksekliği belirleme çalışmaları yapılmıştır ve bu AST yüksekliğinin hava kalitesine etkileri incelenmiştir.
Şehirleşme etkisindeki bölgelerde hava kirletici konsantrasyonlarının özellikle kış aylarındaki artışları yalnızca kirletici emisyon miktarındaki artış ile açıklanamazlar. AST yüksekliği, AST rüzgar hızı ve yönleri de kirletici konsanstrasyonları üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu etkinin araştırılması amacıyla hafif ve kolaylıkla taşınabilir bir SODAR cihazı ile her çeşit atmosferik koşullarda çalışabilen tam otomatik CL51 Lidar silyometre cihazı kullanılarak ve HYSPLIT atmosferik dağılım modellemesi yapılarak sonuçlar analiz edilmiştir.
Bu projede endüstrileşme faaliyetlerinin ve şehir yapılaşmasının etkin olduğu Kağıthane bölgesindeki bir hava kalitesi ölçüm istasyonundan temin edilen kirletici ölçüm verilerinden faydalanılmıştır. Terkos gölü çevresindeki bir bölgeye yerleştirilen SODAR cihazı ile 30m, 60m, 90m, 120m ve 240 metre seviyelerindeki rüzgar profili ve İstanbul Teknik Üniversitesi Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi'nin çatısına  yerleştirilen silyometre cihazıyla bulut taban ölçümleri ile AST yüksekliği ve bu atmosferik sınır tabakanın hava kalitesi üzerine etkileri araştırılmıştır. Kağıthane bölgesinde bulunan ölçüm cihazından 01.06.2017 - 31.08.2019 tarihleri arasında PM2.5'un kritik sınırı aştığı tarihler için üç farklı episod periyotları belirlenerek incelenmiştir.
İlk episod tarihi 18.02.2019 – 22.02.2019 aralığındadır. PM10 değeri 112,7 µg/m3 ve PM2.5 değeri ise 98,5 µg/m3'tür. Bu tarihler arasındaki meteorolojik verilere göre rüzgar 0 - 3.19 m/s aralığında oldukça sakindir, sıcaklık değerinde ciddi bir değişim söz konusu değildir. Basınç değerlerinden ise yüksek basınç hakimiyeti olduğu görülmektedir. SODAR ile yapılan her beş seviyedeki (30m, 60m, 90m, 120m, 240m) rüzgar ölçümleri değerlendirildiğinde, rüzgarın aşağı seviyelerde artış oranının daha yüksek, yükseklikle artış oranının daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Bu durumda AST yüksekliğinin yer seviyesine doğru yaklaşması nedeniyle lokal sıkışmalar yüzünden bu orantısallığın oluştuğu ve AST yüksekliğinin yer yüzeyine yakın bir seviyede olabileceği öngörülmüştür. Silyometre ile bulut tabanı yükseklikleri ölçümlerinden AST bulut taban yüksekliğinin 275 metreden yukarda, 2400 metreden aşağıda ve ortalama 1040 m civarında olduğu görülmüştür. HSPLIT dağılım modellemesine göre ilk episod için belirlenen tarih aralığında Doğu Avrupa üzerinden bir toz taşınımı olduğu analiz edilmiştir. İlk episod için belirlenen tarihlerde AST yüksekliğinin yere yakın, rüzgarın oldukça sakin olması ve bu tarihlerde toz taşınımı olması nedeniyle kirlilik artışına sebep olan koşulların oluştuğu gözlemlenmiştir.
İkinci episod 04.03.2019 – 09.03.2019 tarihleri arasında belirlenmiştir. PM10 75,8 µg/m3 , PM2.5  67,5 µg/m3 değerlerine ulaşmıştır. Meteorolojik ölçümlere göre sıcaklık değerinde ciddi bir değişimin olmadığı ve rüzgarın 0,5 - 3 m/s aralığında çok sakin olduğu görülmüştür. SODAR ölçümlerinde 30 metreden 60 metreye geçişte ve 60 metreden 90 metreye geçişteki artış oranları, genel ölçüm değerlerine göre daha fazla artış gösterdiği tespit edilmiştir. Her bir seviyedeki artış oranından sıkışma ya da hızlanma saptanamadığı için AST yüksekliğinin 240 metrenin oldukça üzerinde olabileceği öngörülmüştür. Silyometre ölçümleri analizine göre AST bulut taban yüksekliklerinin 1066 metreden yukarda, 2400 metreden aşağıda ve ortalama 1700 metre civarında olabileceği öngörülmüştür. HYSPLIT model analizine göre bu episod sürecinde Batı Avrupa üzerinden bir toz taşınımının olduğu görülmüştür. Belirlenen ikinci episod için AST'nin ortalama bir yükseklikte olduğu, rüzgarın sakin olmamasına rağmen Avrupa üzerinden gelen toz taşınımı nedeni ile artış gösterdiği öngörülmüştür.
Üçüncü episod periyodu ise 28.04.2019 – 30.04.2019 tarihleri arasında belirlenmiştir. Günlük bazda PM10 değeri 103,1 µg/m3, PM2.5  53,8 µg/m3 değerlerine ulaşmıştır. Meteorolojik ölçümlere göre gece ve gündüz arasında sıcaklık değerlerinde 12 derecelik ciddi farklılıklar görülmektedir. Basınç değeri çok yüksek değildir ve rüzgar hızı 0-2 m/s aralığında çok düşük değerlerde seyretmektedir. SODAR ölçümleri değerlendirilmesinde 30 metreden 60 metreye geçişte hem ortalama rüzgar hızlarında hem de maksimum ortalama rüzgar hızlarında negatif rüzgar kayması değeri saptanmıştır. Diğer seviyelerde yükseklikle beraber orantısal olarak bir artış gözlemlenmiştir. Yer seviyesine yakın bu rüzgar kayması değerinden AST yüksekliğinin 240 metre yakınlarında olduğu öngörülmüştür.  Silyometre verileri ile bulut tabanı verilerine dayanılarak yapılan analize göre AST bulut taban yüksekliğinin 1600 metreden yukarda, 2500 metreden aşağıda ve ortalama 2100 metre civarında olabileceği öngörülmüştür. Radyozonde verileri incelendiğinde gece ve gündüz arası ciddi bir sıcaklık farkı görülmektedir. Geceleri yere çok yakın seviyelerde enverziyon ve dolayısıyla AST yüksekliği alçak seviyelerde, gündüzleri ise konvektif hareketler nedeniyle AST yüksekliği geceye göre nispeten çok yukardadır. HYSPLIT analizine göre episod periyodunda Sahra Çölü üzerinden bir toz taşınımı görülmektedir.
SODAR ve silyometre ile yapılmış ölçümler ile AST yüksekliği belirleme ve bu AST yüksekliğinin hava kalitesi etkileri üzerine yapılmış bu çalışmalar gelecek yıllarda LIDAR verileri ile genişletilerek yapılması öngörülmektedir.

Abstract:
The main purpose of this thesis is to determine the physical properties of the atmospheric boundary layer (ABL) with the data obtained from ground based remote sensing measurement instruments such as Doppler SODAR and LIDAR-ceilometer devices and to analyze the impact of the atmospheric boundary layer on air quality by atmospheric dispersion modeling effort (HYSPLIT). For this purpose, the study aimed to investigate the effects of the properties of the ABL on air quality determined by ground based remote sensing instruments located in different geographical regions and to understand the relationship between the observed air quality and meteorological conditions obtained through remote sensing measurements.
The atmospheric mixing layer (for the ABL) has a direct impact on air quality and experiences significant diurnal variations as the amount of incoming radiation, topography, roughness and other type of physical processes change in time and place. Since the surface meteorological stations make measurements of wind and other meteorological parameters at 2 m and 10 m heights, and as radiosonde observations are rather rare, it is not possible to correctly identify temporal and spatial variations of the meteorological parameters without additional observation methods. Due to the lack of frequent observation (in the case of radiosonde observations) and not being able to provide the vertical structure of the atmosphere (because measurements are made at 2 and 10 metres), the thermodynamic and kinematic structure of the ABL cannot be well understood, also air quality models can as a result be less reliable. This uncertainity is reduced by remote sensing devices thanks to continuous measurements  at higher levels.
In order to determine the change in air quality depending on atmospheric conditions and to accurately analyze the forecast for  transport, dispersion and concentrations of air pollutant over time, it is possible to determine the ABL with accurate analysis about the height, wind characteristics, thermodynamics and stability. Correct assessment and the accurate prediction of hazardous phenomena (e.g., flash floods, hail, violent winds, tornadoes) and the transport or dispersion of pollutants strongly depend on the above mentioned ABL parameters especially ABL height and wind characteristics.
Within the scope of this study, the effects of the ABL on air quality were investigated with ABL height,  SODAR (Sonic Detection And Ranging) wind measurements and cloud structure measurements by Lidar(Light Detection And Ranging)-ceilometer.
Increased air pollution concentrations over  urban areas, especially under winter conditions, cannot be explained by just the amount of pollutants released. The ABL height (the height of the mixing layer), wind speed and wind direction have an important effect on the observed air pollutant concentrations. In order to investigate and analyze this effect, a light and easily portable SODAR instrument and fully automatic CL51 LIDAR-ceilometer instrument which can operate in all kinds of atmospheric conditions were used and HYSPLIT atmospheric dispersion modeling was applied.
In this project, air pollutant data obtained from an air quality measurement station in Kağıthane, where industrialization activities are intense, was used. The wind profiles at 30m, 60m, 90m, 120 m and 240 meters measured from SODAR which is located in an area around Terkos Lake and cloud base measurements from a Ceilometer which is located on the roof at the Faculty of Aeronautics and Astronautics of İstanbul Technical University are investigated. ABL height and its effects on air quality have been investigated. Three different episode periods were determined from the measuring instruments in the Kağıthane region; between the dates of 01.06.2017-31.08.2019 for the dates when PM2.5 concentration exceeded the critical limit.
The first episode date was in the range of 18.02.2019 – 22.02.2019. The concentration of  PM10 was 112,7 µg/m3 and PM2.5  was 98,5 µg/m3 in this episodic period. According to meteorological data for the episodic period, the wind was quite calm in the range of 0-3,19 m/s, there was no strong change in temperature values and it was seen that there was high pressure dominance from the pressure measurements. While evaluating the wind measurements by SODAR at all five measurement levels (30m, 60m, 90m, 120m, 240m), it was found that the rate of increase in the lower levels of the wind was higher and the rate of increase with height was less. In this case it was predicted that this occurs proportionally due to local compression (due to approaching of the ABL height towards the surface ground level). So the height of the ABL may be close to 240 meters. According to cloud structure and coverage data which was measured by ceilometer, it was predicted that the ABL cloud base height is above 275 meters, and below 2400 meters and an average value of the height of the ABL cloud base be around at 1040 meters. According to HYSPLIT pollution dispersion modeling, it was analyzed that, there was a dust transport from Eastern Europe to İstanbul during the episodic period. As a result, it was observed that dust transport and the meteorological conditions caused the increase in pollution due to the low altitude of the height of the ABL and the calm wind conditions for the first episode.
The second episode was determined between 04.03.2019 and 09.03.2019 according to high particulate matter values. PM10 reached a value of  75,8 µg/m3  and  PM2.5 a value of 67,5 µg/m3. According to meteorological data, it was observed that there was no strong change in temperature values and the wind was very calm in the range of 0,5-3 m/s (in Kağıthane). According to SODAR data, it was determined that, for the second episode the increase rates from 30 meters to 60 meters and from 60 meters to 90 meters were higher than the general measurement period values for the same range. Since no compression or acceleration could be detected from the increase rate at each level in SODAR data, it was predicted that the height of the ABL could be considerably higher than 240 meters. According to cloud structure and coverage data which was measured by ceilometer, it was seen that the ABL cloud base height could be above 1066 meters, and below 2400 meters and an average value of the height of the ABL cloud base could be around 1700 meters. According to the HYSPLIT model analysis, it was observed that there was a dust transport from Western Europe to Istanbul during the second episodic period. As a result, it was predicted that the height of the ABL was at an average height and not so calm wind condition and also dust transport from Europe caused the increase of particulate matter pollution.
The third episode period was determined between 28.04.2019 and 30.04.2019. On a daily basis the value of  PM10 reached 103,1 µg/m3 and the value of  PM2.5  reached 53,8 µg/m3. According to meteorological measurements, there was strong changes (12 degree differences) in temperature values between day time and night. The pressure values were not so high and the wind speed was very low around 0 to 2 m/s. In the evaluation of SODAR data, the negative wind shear was observed between 30 meters and 60 meters for average wind speed and maximum average wind speed. At other levels, a proportional increase was observed with an increase in height. From this negative wind shear close to the ground level, the height of the ABL was estimated as lower level. According to ceilometer data , it was seen that the height of the ABL cloud base could be above 1600 meters, and below 2500 meters and an average value of the height of the ABL cloud base could be around 2100 meters. When the radiosonde data was analysed, it was seen that, there was a strong temperature differences between day time and night. Due to inversion very close to ground level at night and because of convective movements during the day; during the days the height of the ABL was relatively higher than the nights. According to the HYSPLIT analysis, a dust transport from the Sahara Desert to Istanbul was observed during the episode period. It was understood that pollution increases in calm wind conditions with the inversion that occurs at night and thus the lowering of the height of the atmospheric boundary layer.
These studies on the determination of the ABL height by measurements with SODAR and ceilometer; the air quality effects of the ABL height are foreseen to be expanded with LIDAR data in the coming years.