Analysis of air pollution over Izmir via atmospheric modeling

Türkiye'nin üçüncü en büyük kenti olmasının yanı sıra 4 milyonu aşan nüfusuyla İzmir, ekonomisinde büyük gelişmeler kaydeden metropoller arasındadır. Büyükşehirlerin ekonomilerindeki büyüme, kaçınılmaz olarak bazı sosyal ve çevresel sorunları da beraberinde getirmektedir. Bunların arasında en önemlisi olan hava kirliliği gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde sıkça rastlanan problemlerdendir. Hava kalitesi problemi özellikle de büyük şehirlerde birçok parametreden etkilenmektedir. Bunlar arasında meteoroloji, topografya, nüfus, rakım, endüstrileşme ve sosyo-ekonomik gelişim bulunmaktadır. Dünyadaki gelişen kentsel alanlarda yaşayan insan nüfusunun artmasıyla birlikte kirliliğe maruziyet de artmaktadır. Birleşmiş Milletler 2000 yılında dünya nüfusunun (%48) yaklaşık yarısı kentlerde yaşadığını ve kentlerin nüfuslarının önümüzdeki her üç yılda yılda% 2 oranında büyümesini beklediğini açıklamıştır. 2013 yılında yapılan bir çalışmaya göre dünyadaki 23 şehrin 10 milyonun üzerinde nüfusa sahip olduğu görülmüştür. Hava kirliliği, farklı fazlarda bulunan yabancı maddelerin insan sağlığına, canlı hayatına ve ekolojik dengeye zarar verecek miktar, yoğunluk ve sürede atmosferde asılı kalmasıdır. Bu sebeple hava kirliliği maruziyeti yoğun antropojenik aktivitelerden dolayı kentsel yaşamın kaçınılmaz sonuçlarından biri haline gelmiştir. Gelişmekte olan ve gelişmiş ülkelerin en büyük problemi olan hava kirliliği üzerine farklı çalışmalar yapılmaktadır. Öncelikle hava kirleticileri insan sağlığını çok çeşitli şekillerde etkileyebilmektedir. Hava kirleticilerinin miktarlarının özellikle kentsel alanlarda yüksek olmasıyla beraber ölümlerin ve hastalık oranlarının arttığı tespit edilmiştir. Özellikle akciğer hastalıkları, nörodavranışsal hastalıklar ve kalp-damar hastalıkları başlıca görülen etkileridir. Büyüyen kent populasyonu ve endüstrileşme seviyesi enerji talebini de arttırmaktadır. Yoğun nüfuslu bölgelerde hızlı kentleşme ile ulaşım, enerji üretimi ve sanayi aktiviteleri hava kirliliği emisyonlarının artmasına neden olmaktadır. Hava kalitesi yönetiminin stratejik planlaması zayıf olan ya da var olmayan şehirlerde acilen uygulanması gereken hususlardandır. Bu sebeple hava kalitesi seviyelerinin belirlenerek iyileştirilmesi için emisyon envanterlerinin oluşturulması önemli adımlardan biridir. Bu envanterler antropojenik kirletici kaynaklardan olan insan ve çevresel riskleri değerlendirmek için gerekli araçlardır. Hava kalitesi kontrol stratejileri yerel, ulusal ve global ölçekteki otoritelerin belirlediği hava kalitesi ve emisyon standartları ile belirlenir. Emisyon kontrol stratejileri geliştirmek, control programlarının uygulanabilirliğini belirlemek güvenilir emisyon envanterinin oluşturulması için gereklidir. Sağlıklı bir hava kalitesi control stratejisi oluştumak ve hava kirliliği kontrolü azaltma stratejileri planlamak amacıyla mümkün olan en iyi çözünürlükte emisyon kaynaklarının mekansal ve zamansal yoğunluk miktarını tahmin etmek gerekir. Güvenilir emisyon envanterinin varlığı nitelikli hava kalite yönetim sistemi için temel bir gerekliliktir. Bir emisyon envanter sistemi, veri toplama ve tarama, depolama, veri düzenleyerek kirlilik değerlendirme faaliyetlerini desteklemektedir. Ayrıca gelecekte hazırlanacak emisyon semaryoları için veri tabanı oluşturmaktadır. Bu çalışmada, mevcut emisyon envanteri iyileştirilerek daha güncel ve belirsizliği indirgenmiş olan aktivite verileri derlenmiş böylece kullanılan hava kalitesi modeli için daha güvenilir girdiler hazırlanmıştır. Oluşturulan yeni envanter ile çalıştırılmış olan model yardımıyla kaynaklarına göre kirleticilerin zamansal ve mekansal dağılımları incelenmiştir. Kaynaklarına göre dağılımları yapılan kirleticilerin model içerisindeki derlenmesi modelin sektörel dağılımlarına göre oluşturulmuştur. Geliştirilen envanterin son haline gelmesinden önce hesaplanan ve düzenlenen veriler sektörel bazlı olarak modelin içerisinde dağıtılmıştır. Çalışmada üç tipte kaynağın verileri veri havuzunda toparlanmış ardından kaynak tiplerinin hesap yöntemlerine bağlı olarak hesaplanmıştır. Model içerisinde sanayi emisyonları SNAP- 34 sektöründe bulunurken, trafik kaynaklı emisyonlar SNAP- 7 sektöründe bulunmaktadır. SNAP- 7 ayrıca kendi içerisinde kaynak emisyonlarına bağlı olarak 5'e ayrılmaktadır. Evsel ısınma olarak adlandırılan alansal kaynaklar ise SNAP- 2 sektörü için hesaplanarak oluşturulmuştur. Emisyon envanteri hazırlanırken her sektor için gerekli olan veriler kurumlardan elde edilerek bağlı olduğu sektöre göre hesaplamalar yapılmıştır. COPERT 4 modeli ile trafik kaynaklı emisyonlar hesaplanarak İzmir'e ait envanterin ulaşım sektörü bölümünde kullanılmıştır. COPERT 4 trafik kaynaklı emisyon hesaplama modeli, Avrupa'da pek çok ülke tarafından araç emisyonların hesaplanması için kullanılan bir modeldir. Sanayi emisyonları için tesislerin direct ölçümlerden elde edilen veriler İzmir Çevre ve Şehircilik Müdürlüğü tarafından sağlanarak çalışmanın SNAP- 34 sektörü için hesaplanarak kullanılmıştır. Evsel ısınma emisyonları İzmir Çevre Şehircilik Müdürlüğü tarafından sağlanan doğalgaz tüketim ve kömür satış verileri kullanılarak SNAP- 2 sektörü için hesaplanmıştır. Bu çalışmada, EPAs' models- 3 sisteminin içerdiği WRF/CMAQ modelleri bir arada kullanılmıştır. Meteoroloji ve kimyasal taşınım modelleri 2 domain olarak çalıştırılmıştır. Ana domain tüm Avrupa'yı, Kuzey Afrika'yı ve Doğu Asya'nın bir kısmını, ikinci domain tüm Türkiye'yi kapsamaktadır ve çözünürlükleri sırasıyla 30 km ve 10 km'dir. WRF modeli 3 gün spin-up zamanı ile Ocak 2010 için çalıştırılmıştır. Modelin sonuçları için İzmir ili Meteoroloji Genel Müdürlüğü'den elde edilen sıcaklık ve rüzgar hızı/yönü verileri ile Gaziemir istasyonu için performans analizi yapılmıştır. Modelin sıcaklık verileri ile istasyon verileri beraber değerlendirildiğinde modelin 2 mdeki sıcaklıklarda trend ve sıcaklık değerleri için kısmen doğru öngörü yaptığı tespit edilmiştir. Rüzgar hızı ve yönü verileri için yapılan değerlendirmelerde ise modelin rüzgar hızının düşük olduğu zamanlar için rüzgar hızı için doğru tahminlerde bulunduğu fakat bazı zamanlarda sapmalar olduğu gözlenmiştir. Rüzgar yönü için modelin tahmininde belirsizlikler söz konusudur, bu olası bir sonuçtur. Model parametrelerindeki değişimin emisyonlar arasındaki etkisinin değerlendirilmesinin ardından bu etkinin hava kalitesine nasıl yansıyacağını belirlemek için hava kalitesi modeli çalıştırılmıştır. Baz senaryo olarak TNO/MACC-II envanteri kullanılarak 30 km ve 10 km için koşturulmuştur. Ardından CMAQ modeli İzmir ili için SNAP-2, SNAP- 34 ve SNAP- 7 sektörleri için hesaplanan güncel emisyon verileri ile tekrar çalıştırılmıştır. TNO envanteri ve yeni emisyon hesapları ile oluşturulan yeni envanter için analizler farklı analiz yöntemleri kullanılarak sektörel değişimlerin model sonuçlarındaki etkileri incelenmiştir. Emisyonların TNO-OUR olarak ayrı ayrı toplam emisyon haritaları oluşturulmuş, birbirlerinden farkları da harita olarak çizdirilmiştir. OUR emisyonlarında her kirleticide sektörel bazlı arttırım ve azaltımlara göre değişimler gözlenmiştir. PM10 emisyonları SNAP-2'de azaltılırken, SNAP- 34 ve SNAP-7'de arttırılmıştır, sonuç olarak ise PM10 emisyonları arttırılmıştır. CO SNAP- 2 sektöründe büyük ölçüde düşürülürken, SNAP- 34 ve SNAP- 7 sektörlerinde büyük oranda arttırılmıştır. NOx ise çalışılan sektörlerde SNAP- 34 hariç arttırılmıştır. Kirleticilerden SO2 ise bütün sektörlerde arttırılmıştır. Tüm bu azaltım ve arttırımların sonucunda konsantrasyonlarda her kirletici için farklı sonuçlar gözlenmiştir. Çalışmada, sektörel dağılımlar TNO envanterinin mekansal dağılımını baz almaktadır. Dolayısıyla farklar TNO mekansal dağılımına bağlı olarak oluşmuştur. İzmir tüm kirletici emisyonlarında ve konsantrasyonlarda maksimum değişimlerin şehir merkezinde olduğu görülmüştür. Daha detaylı inceleme yapılarak konsantrasyonlarda maksimum farkın olduğu gün ve saatler belirlenerek emisyonun etkisi ve sonuçları incelenmiştir. Tüm bu analizlerin sonucunda, geliştirilen yeni emisyon envanterinin input olarak kullanıldığı CMAQ modelinin konsantrasyon sonuçlarında görülen maksimum etki, emisyon kaynaklarının en fazla olduğu İzmir şehir merkezinde görülmüştür.