Low emission zone study in İstanbul by using MODELS-3/CMAQ framework

İstanbul, Türkiye'deki en büyükşehir olmasının yanı sıra 14 milyonu aşan nüfusuyla dünyadaki mega şehirlerden biridir. Bu şehir, artan nüfusu ve gelişen endüstrisi sebebiyle sıklıkla hava kirliliği problemi yaşamaktadır. Hava kirliliğinin, insan sağlığı üzerindeki etkileri literatürdeki birçok çalışma tarafından kanıtlanmıştır. Kirleticilere maruz kalmanın, akciğer ve solunum yolu rahatsızlıkları, kardiyovasküler hastalıklar, astım şikayetlerinde artış, erken doğum ve ölüme varan sonuçları görülmektedir. Ulaşım kaynaklı emisyonlar, toplumun yoğun yaşadığı şehirleşmiş bölgelerde yoğunlaştığı için insan sağlığı açısından diğer emisyon kaynaklarına göre daha önemli bir yere sahiptir. Ayrıca bu emisyonların yer seviyesinde salınıyor olması da hava kirliliğine maruziyeti arttıran sebeplerden biridir. Bu tez çalışmasında trafik kaynaklı emisyonları sınırlandırmak ve azaltmak için alınacak önlemleri belirlemek ve etkilerini hesaplayabilmek için WRF meteroloji modeli, COPERT trafik kaynaklı emisyon hesaplama modeli ve CMAQ kimyasal taşınım modeli kullanılmıştır. Literatürdeki emisyon azaltım yöntemleri bu çalışmada teknolojik, davranışsal ve yönetimsel olarak gruplandırılmıştır. Bu önlemler arasında dizel partikül filtre kullanımı, EURO standartlarına göre araç girişlerinin sınırlandırılması, elektrikli otobüslerle toplu ulaşımın sağlanması, düşük emisyon bölgesi içindeki park ücretlerinin arttırılması, bölgeye giriş yapacak araçların trafik sıkışıklığı ücreti ödeyerek bölgeye giriş yapması, sinyalizasyonda yapılacak iyileştirmeler ve geliştirilmiş toplu ulaşım sistemleri sayesinde özel otomobil kullanımının azaltılması bulunmaktadır. Düşük Emisyon Bölgesi çalışması bu önlemlerin tek başına ya da topluca uygulanabildiği bir yöntemdir. Dünyada uygulama alanı gittikçe genişleyen bu metod 8 ülke ve 70 şehirde kurulmuş durumdadır. Bu tez çalışmasında İstanbul için aday bölgeler belirlenerek Düşük Emisyon Bölgesi çalışması ilk defa modellenmiştir. Meteoroloji ve kimyasal taşınım modelleri, 3 domain için koşturulmuştur. Ana domain tüm Avrupa'yı, Kuzey Afrika'yı ve Doğu Asya'nın bir kısmını, ikinci domain tüm Türkiye'yi, üçüncü domain İstanbul'u kapsamaktadır ve çözünürlükleri sırasıyla 30 km, 10 km, ve 2 km'dir. 30 km ve 10 km'lik domainlerde TNO'nun hazırlamış olduğu emisyon envanteri kullanılmıştır. Im'in İstanbul için hazırlamış olduğu emisyon envanteri 2 km mekansal çözünürlükte ve saatlik olarak başlıca antropojenik kaynakları içermektedir. Bu kaynakların içerisinde evsel ısınma, endüstri, atık yönetimi, solvent kullanımı, enerji üretimi, yakıt işleme ve ulaşım yer almaktadır. Bu çalışmada, COPERT modeli ile trafik kaynaklı emisyonlar hesaplanarak İstanbul'a ait envanterin ulaşım sektörü kısmında kullanılmıştır. Biyojenik emisyonlar için MEGAN modeli kullanarak doğal emisyonlar da hesaba katılmıştır. Emisyonların dağılımına bakıldığında ulaşım sektörü CO, NMVOC ve NOx kirleticilerinin ana kaynağı olarak görülmektedir. Endüstri ise SO2 emisyonlarının, çözücü kullanımı ve trafik ise NMVOC emisyonlarının ana kaynağıdır. İstanbul envanterindeki trafik sektörü, insan sağlığı açısından en önemli kirleticilerden biri olan PM için ana kaynak iken, COPERT'e ait emisyonların ulaşım sektörü için kullanılması durumunda PM için ana kaynak, üretim endüstrisi olmaktadır. İstanbul'da 26 adet hava kalitesi ölçüm istasyonu bulunmaktadır. Bu istasyonların hepsinde SO2 ve PM10 ölçümü yapılmakta olup bazılarındaysa bunlara ek olarak sıcaklık, rüzgar, azot oksit (NO, NO2, NOx), CO ve O3 ölçümleri yapılmaktadır. Bu çalışma esnasında bu istasyonlardan elde edilen konsantrasyon değerleriyle model sonuçları karşılaştırılmıştır. WRF modeli, 2-12 Kasım 2010 tarihleri arasında koşturulmuştur. Modelin sonuçları Atatürk Havaalanı ve Göztepe'deki hava kalitesi istasyonlarından elde edilen ölçüm sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Zaman serisi ve istatistiksel analizler, WRF'un yüzey sıcaklığını yakalamada başarılı olduğunu göstermektedir. Modelin performansını arttırmak için modelin fiziksel parametreleri üzerinde değişiklikler yapılarak en uygun seçenek belirlenebilir. CMAQ modelinin çıktılarına göre hesaplanan saatlik PM10 konsantrasyonları, Aksaray hava kalitesi istasyonundan elde edilen PM10 ölçüm sonuçları ile tüm domainler için karşılaştırılmıştır. 30 km ve 10 km'lik domainler, 2 km'lik domaine göre model performansı açısından daha başarılıdır. İstanbul simülasyonu için, modelin ölçüm sonuçlarına göre daha yüksek konsantrasyonlar sergilediği görülmüştür. İstatistiksel analizler yapıldığında ölçüm sonuçları ve simüle edilmiş sonuçlar arasında düşük bir korelasyon görülmüştür. Bu zayıf performansın sebebi saatlik ölçümlerin karşılaştırılması, tek bir noktaya ait ölçüm sonuçlarının baz alınması, meteorolojik modeldeki ve COPERT modelindeki belirsizlikler, çalışma alanına uygun olmayan model sınır koşulları, zamansal profillerin uygun olmaması ve ölçüm hataları olabilir. Trafik kaynaklı hava kirliliğini azaltmak için uygun olan bölge ve yöntemler belirlenmiştir. Bölgeler belirlenirken yüksek gündüz nüfusuna sahip olmaları ve iş yerleri açısından merkez niteliğinde olmaları göz önünde bulundurulmuştur. Aday bölgeler Kadıköy, Maslak ve Tarihi Yarımada olarak seçilmiştir. Bu bölgeler trafik çekme özellikleriyle de düşük emisyon bölgesi uygulaması açısından uygundurlar. Trafik kaynaklı emisyonların 30% azaltılarak DUMAN emisyon işleme modeline verilmesi sonucunda, Tarihi Yarımada'da saatlik PM10 konsantrasyonlarında 10 g/m3'a varan düşüş görülmüştür. Kadıköy bölgesi için maksimum fark 7 g/m3, Maslak bölgesi için maksimum fark 3 g/m 3 olarak simule edilmiştir. Hem gündüz nüfusunun en fazla olduğu hem de emisyonlardaki azaltıma konsantrasyon değişimi olarak en çok yanıt veren bölge Tarihi Yarımadadır. Düşük Emisyon Bölgesi için seçilen Tarihi Yarımada'da uygulanacak yöntemlerin her birisi için PM10 emisyonlarında ne kadar düşüşe neden olduğu literatürdeki çalışmalar ve COPERT modelinin çıktıları kullanılarak hesaplanmıştır. Belirlenen metodların arasında, bölgeye sadece EURO 3 ve üzeri araçların girişine izin verilmesi uygulaması PM10 emisyonlarında 85% azaltım sağlamaktadır. Emisyondaki bu azaltım, referans durum ile Düşük Emisyon Bölgesi ilan edilen durum arasında saatlik bazda 35 g/m 3'e varan farka sebep olmaktadır. PM için günlük ortalamalarda fark 15 g/m3' e varmaktadır. Bu önemli farkın sebebi EURO 3 standardından düşük olan araçların hem sayıca fazla olması hem de diğer yeni araçlara göre daha fazla kirletici yaymalarıdır. Bölgeye yalnızca yeni teknolojili ve az sayıda araç girişine izin verildiği takdirde hava kalitesinde önemli ölçüde iyileşmeler görülecektir. Bu çalışma, İstanbul'u daha fazla temsil eden sınır koşulları kullanılarak ve daha ayrıntılı emisyon envanteri hazırlanarak geliştirilebilir. Şu anda devam etmekte olan Ulusal Hava Kirliliği Emisyon Yönetim Sisteminin Geliştirilmesi projesi ve COPERT'in araç dağılımı ve özellikleri kısımlarının güncellenmesi sayesinde model performansı yükseltilebilir.