Marmara Bölgesi'nin kırsal ve kentsel alanlarında PM10, PM2.5 konsantrasyonlarının yersel ve zamansal değişimi
Spatial and temporal variation of PM10 and PM2.5 concentrations at urban and rural sites of Marmara Region
Yazar: ECE ÖZER
Danışman: PROF. DR. SALAHATTİN İNCECİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Meteoroloji = Meteorology

Özet:
Atmosferdeki partikül madde (PM), kükürt dioksit (SO2), azot dioksit (NO2), karbon dioksit (CO) ve ozon (O3) dış ortam hava kalitesini etkilemektedir. Bu kirleticilere  hem kısa vadede hem de uzun vadede maruz kalındığında sağlık üzerindeki olumsuz etkileri ortaya çıkmaktadır. Bugüne değin kişilerin hava kirliliğine maruz kalmaları halinde kardiyovasküler ve solunum bozuklukları arasında görülen ilişki birçok çalışmanın konusu olmuştur. Bu kirleticiler içerisinde sağlık etkileri bakımından en önemlileri partikül maddelerdir. Partikülün çapı ne kadar küçülürse, solunum sistemine yaptığı etki de artmaktadır. Dünya Sağlık Örgütü (WHO), her yıl yaklaşık 7 milyon insanın, akciğerlere ve kardiyovasküler sisteme derinlemesine nüfuz eden bu son derece ince partiküllere maruz kalmaktan öldüğünü, bunun da inme, kalp hastalığı, akciğer kanseri, kronik akciğer hastalıkları ve pnömoni dahil solunum yolu enfeksiyonları gibi hastalıklara neden olduğunu öne sürmektedir.

Özellikle PM2.5 ve PM10'a maruz kalmak kronik solunum ve kardiyovasküler hastalıkları ağırlaştırabilir, vücut savunmasını olumsuz bir şekilde değiştirebilir ve akciğer dokusuna zarar verebilmektedir. Bu sonuçlar erken ölüm ve kansere dahi yol açabilmektedir. PM10 ve PM2.5 konsantrasyonlarının yersel ve zamansal değişimleri pek çok bölge için araştırılmıştır ( Yao, 2015; Chaloulakou , 2003; Hoek , 2002 ; Li  2003). 

PM10 ve PM2.5 gibi partiküler maddeler, doğal veya insan faaliyetleri sonucu ortaya çıkmaktadır. Ancak bunların en önemli olanları da insan faaliyetleri sonucunda meydana gelmeleridir. Örneğin çimento fabrikaları, termik santraller, metal ve madencilik endüstrileri ve inşaat faaliyetlerinden kaynaklanan tozlar, araç emisyonları, kömür ve petrol türevlerinin yanması sonucu oluşan uçucu küller, tarımsal faaliyetlerle atmosfere karışan partiküllerdir insan faaliyetli kaynaklar içerisinde değerlendirilir. Bu nedenle partikül konsantrasyonları kırsal alanlarda düşük değerlerde bulunurken, kentlerde ve özellikle endüstriyel alanlarda bu değerler yüksek seviyelere çıkabilmektedir. 

Bu nedenle PM2.5 ve PM10 konsantrasyonlarının seviyeleri, yersel ve zamansal değişimlerini anlamak bunlar üzerinde etkili olabilen faktörleri belirlemek hava kalitesi yönetimi bakımından son derece önemlidir.

Marmara Bölgesi 11 şehri içine alan, ülke nüfusunun % 30'unun yaşadığı ve Türkiye ekonomisine en büyük katkıyı sağlayan bir bölgedir. 
Marmara bölgesi 950 km'yi aşan oto yol uzunluğu ve 7 milyona yakın motorlu araç sayısı ile önemli bir emisyon kaynağını barındırmaktadır. Ayrıca gemi emisyonları bakımından da Marmara bölgesi Avrupa kıtasının en önde gelen emisyon kaynağını oluşturmaktadır. Bölgede Türkiye' nin endüstri yapısına katkı sağlayan son derece önemli endüstri tesisleri yer almaktadır. Hemen her alanda ürün yelpazesi bulunan bu tesislerin bölgede yer alan 88 Organize Sanayi Bölgesi (OS)'nde yoğunlaştığı görülür. Türkiye' nin en büyük petrol rafinerisi Kocaeli'nde yer almaktadır. Marmara bölgesinde partikül madde kirliliği bakımından en önemli emisyon kaynakları arasında yer alan termik santrallerin Türkiye enerji piyasası içerisinde özel bir yeri bulunmaktadır. Örneğin bölgede kurulu gücü 100 MW ve üzeri 11 termik santral bulunur. Bunların 7 adedi ise kömürlü santrallerdir.
Bu tezin amacı, endüstri, tarım, ticaret ve turizm açısından Türkiye'nin sanayi, tarım, ticaret ve turizm bakımından en önemli ve en yüksek nüfusa sahip bölgesi olan 67.000 km2 alanda yer alan Marmara Bölgesi' nin kırsal ve kent merkezlerinde PM10 ve PM2.5 konsantrasyonlarının yersel ve zamansal değişimlerinin incelenmesi ve bu değişimleri üzerindeki etkenlerin araştırılmasıdır.

Bu çalışmada, Marmara Temiz Hava Merkezi'ne ait ölçüm ağı içerisinde yer alan 4'ü kırsal ve 34'ü şehir-endüstri ve trafik bölgelerinde çalıştırılan toplam 38 hava kalitesi istasyonlarında PM10; ile 4'ü kırsal ve 9'u şehir-endüstri ve trafik bölgelerinde bulunan 13 hava kalitesi istasyonunda PM2.5 konsantrasyonlarının saatlik değerleri Nisan 2013-Aralık 2018 dönemi için analiz edilmiştir.

Bu Tez ile amaçlananlar:
1.	PM10 ve PM2,5 konsantrasyonlarının Dünya Sağlık Örgütü'nün (WHO) belirlediği limit değerlerine göre günlük ve yıllık olarak analiz edilmesi;
2.	WHO limitlerinin aşım değerlerinin tespit edilmesi;
3.	Hafta sonu ve hafta içi PM10 ve PM2.5 seviyelerinin karşılaştırılması;
4.	Aşım değerleri üzerinde meteorolojik faktörlerin etkisinin araştırılması ve
5.	Oluşan episodik değerlerin NOAA HYSPLIT Modeli ile analiz edilerek uzun menzil taşınımların araştırılmasıdır.
Kırsal bölgelerde PM2.5 konsantrasyonlarının ortalama değerleri hafta sonu (Cumartesi ve Pazar) ve hafta içi için değerlendirilmiştir. Şehir alanlarında hafta içi seviyeler hafta sonuna göre yüksek iken kırsal bölgelerinde ise tam tersi olarak hafta sonu değerlerinin hafta içi değerlerine göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Kırsal bölgelerde hafta içine oranla araçların daha fazla kullanımı buna sebep olabilmektedir.
Yüksek basınçla birlikte, düşük rüzgar hızı beraberinde yüksek PM10 ve PM2.5 konsantrasyon değerlerine sebebiyet verirken, düşük basınç ve yüksek rüzgar hızlarında düşük PM10 ve PM2.5 konsantrasyon değerlerinin ortaya çıkmasına neden olmuştur.
Yüksek PM konsantrasyonlarının sebeplerini, kaynağını tespit etmek üzere HYSPLIT modeli 72 saatlik geri yörünge hareketi ve 500 m seviyesine göre çalıştırılmıştır. Bu suretle geri yörünge hareketleri ile partikül taşınımlarının tespit edilmesine çalışılmıştır. HYSPLIT modelinde meteorolojik veri olarak 0,5 derecelik çözünürlüğe sahip GDAS (Global Data Assimilation System) verisi kullanılmıştır. Sonuçlar yüksek PM seviyelerinin gözlendiği tarihlerde episod değerlerinin gözlendiği Armutlu, Çanakkale, Dilovası, Kocaeli, Lüleburgaz, Sakarya, Tekirdağ, Ümraniye için taşınımların Şile ve Bilecik dışında güney yönünden geldiği görülmüştür.

Abstract:
The atmospheric particulate matter (PM), sulfur dioxide (SO2), nitrogen dioxide (NO2), carbon dioxide (CO) and ozone (O3) affect ambient air quality. These pollutants have negative effects on human health both in the short-term and in the long-term. The relationship between cardiovascular and respiratory disorders has been the subject of many studies. Among these pollutants, particulate matter is the most important in terms of health effects. The smaller the diameter of the particle, the more its effect on the respiratory system increases. They penetrate deeply into the lungs and the cardiovascular system, such as respiratory infections including stroke, heart disease, lung cancer, chronic lung diseases, and pneumonia.  According to the World Health Organization (WHO)  every year approximately 7 million people die from exposure to these extremely fine particles. 
Particulate materials such as PM10 and PM2.5 are the result of natural or human activities. However, the most important of them is that they occur as a result of human activities. For example, cement plants, coal-fired thermal power plants, metal and mining industries and construction activities, vehicle emissions, and fly ash from coal and petroleum derivatives and agricultural activities are considered significant human activity sources leading to particulate matters in the ambient air. Therefore, while the concentration of particles is low in rural areas, these values may rise to high levels in cities and especially industrial areas.
Marmara Region encompasses 11 cities, where 30 % of the country's population and economy, Turkey is a region that has the largest contribution having with The highly industrialized region.
The main goal of this thesis is to assess the spatial and temporal variations of PM10 and PM2.5 and to increase the knowledge of the PM10 and PM2.5 in The Marmara region.
The other objectives are:
a)	The assessment of the PM10 and PM2.5 levels in monitoring stations of urban and rural sites forthe 6-year periods based on the exceedances the WHO limits in both PM10 and PM2.5 concentrations.
b)	The comparison of the weekdays and weekend (Saturday, Sunday) PM10 and PM2.5 levels for both urban and rural sites.
c)	The assessment of the impact of meteorological conditions on the PM10 and PM2.5 levels in the region.
d)	Exploring the origins of several episodes affecting the rural areas in The Marmara region using The HYSPLIT model.
In this study, based on the air quality data provided from The Marmara Clean Air Center's 13 rural and 38 urban-industrialin a total of 51 air quality stations, PM10 and PM2.5 hourly concentrations were analyzed for April 2013-December 2018 period in The Marmara region.
PM10 and PM2.5 concentration values in rural areas are usually lower than PM10 and PM2.5 concentrations in urban-industrial areas in all seasons. However, in thesis, it is found that the 24-hour average limit value of  PM10 concentration levels measured in 38 stations in The Marmara Region is exceeded more than 35 times a year (Air quality standard condition) in 33 stations, particularly in Bursa. Furthermore, the PM2.5 concentration levels measured at 13 stations were exceeded by more than 3 times a year (ranging from 23 to 348 days), with a 24-hour average limit value at all stations, particularly in Keşan, Ozanlar, Kağıthane.
Meteorological factors affect the PM10 and PM2.5 levels in Marmara region. For example, with high pressure and low wind speeds resulted in high PM10 and PM2.5 concentration values, while low pressure and high wind speeds resulted in low PM10 and PM2.5 concentration values. For example, the effect of high pressure (>1018mb) on PM concentration levels led to a doubling of the concentration values in the urban and industrial areas, while it did not lead to a similar increase in rural areas. Due to the influence of the southern winds, the effect of dust transports on the specific values has been significantly increased by increasing the concentration values in certain days.
All analysis indicate that the variations of PM10 and PM2.5 concentration between urban, industrial and rural areas in Marmara regiona are influenced by human activities and meteorological factors such as wind speed and atmospheric pressure.
In this paper, the ratios of PM2.5/PM10 during the most recent 5 years (2014–2018) are analyzed in the Marmara region of Turkey using 6 monitoring sites ( Keşan, Silivri, Ümraniye, Kandıra, Çerkezköy, Kandıra). Fine particles (PM2.5) and coarse particles (PM2.5-10) are generally produced by different sources. It is important to analyze PM2.5/PM10 ratios as an indicator of the fine particles and determine how the ratios vary both in space and time.  The ratios in the Marmara region of Turkey vary between 0.22 and 0.97 for 6 given ebove stations. It was found that the highest ratios were in winter and lowest in summer.  In winter, the ratio of PM2.5/PM10 for 6 stations is above 0.50. It shows that the size of the particulate matter, predominantly measured in winter, is less than 2.5 µm similar to findings of  The Yu et al. (2017). In winter higher PM2.5/PM10 ratios can be explained by the increasing of fuel consumption for domestic and industrial heating. In winter this leads to an increase of fine particle emissions in Marmara region.
The all analysis indicate that the variations of PM10 and PM2.5 concentration between urban, industrial and rural areas in Marmara regiona are influenced by human activities and meteorological factors such as  atmospheric pressure and wind speed. 
To better understand the role of transport of particular matter on the highest PM levels at several receptor sites HYSPLIT model developed by NOAA were used.  In the HYSPLIT model, meteorological data of GDAS (Global Data Assimilation System) with a resolution of 0.5 degrees was used.
The influence of the atmospheric transport on the PM10 levels was examined by means of back-trajectories. The HYSPLIT model was used to qualitatively identify the dominant PM10 pollutant transport pathways that led to significant PM10 pollution events in The Marmara region. The model was applied to calculate the 72 h back trajectories each day in the periods of February-May 2015; February-May 2016 at an altitude of 1000 m above the sea level. This may lead to understand the role of transport of particular matter taking into account backward trajectories of European, African, and Atlantic origins as well as local conditions on The highest PM levels at several receptor sites. In particular, high concentration events due to Saharan dust intrusions were presented. The two concentration peaks were found during the day, one in the morning and the other in the evening, which evidenced the influence of traffic and other anthropogenic activities on PM10 concentrations. In this study, air mass trajectory clustering was used toreveal the relationship between the atmospheric transport pathways and the PM10 pollution levels in the Marmara region. It was found that 5 clusters can be best represent the meteorological characteristics of the transport pathways in the Marmara region.  The main cluster indicates the transport from the southwestern areas having with a frequency of 31 and 28 % for 2015 and 2016 selected periods, respectively.