Investigation of agricultural damages caused by air pollution over Europe by using WRF/CMAQ modelling system

Avrupa nüfusu Avrupa Birliği üyesi olmayana ama kıtasal Avrupa'da yer alan ülkelerle birlikte 740 milyon civarındadır. Bu dünya nüfusunun %10'una denk gelmektedir (United Nations-UN, 2015). Ayrıca, Avrupa'nın 1996 2014 yılları arası toplam buğday üretim miktarı ortalaması 133. 9 milyon metrik ton olduğu görülmektedir. Dünya buğday üretiminin %21'ne karşılık gelmektedir (FAO,2015). Buna ek olarak, Endüstri Devrimi'nin Avrupa'da gerçekleşmesinin bir sonucu olarak, bölgenin hava kirliliğinde ve kirletici emisyonlarında günümüze kadar bir artış gözlemlenmiştir. Bu artış beraberinde ciddi çevresel etkileri getirmektedir. Avrupa'da insan sağlığı üzerine yapılan çeşitli çalışmalar ile ozon etkisi tespit edilse de, tarım üzerine odaklanmış çok fazla çalışma bulunmamaktadır. Yüksek Ozon konsantrasyonuna maruziyet, insan sağlığına olan zararlı etkilerinin yanı sıra gıda güvenliğine ve tarımsal aktivitelere ciddi etkileri gözlemlenmiştir. Yüksek ozon konsantrasyonu ve ozon konsantrasyonundaki değişimler, fotosentez, terleme ve gaz alışverişi gibi bitki yaşam fonksiyonlarını ciddi şekilde etkilemektedir. Literatürde birçok çalışma, yüksek ozon konsantrasyonundan dolayı bitkilerin alt stoama çeperinin, hücre zarı ve duvarlarının zarar gördüğünü göstermiştir. Bu zarar fotosentez hızını düşürmektedir. Bu durum bitki büyümesi hacim ve kütle olarak azalmasına neden olmaktadır. Avrupa'da ve Amerika Birleşik Devletleri'nde birçok farklı deneysel ve gözlemsel çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar sayesinde dünyanın farklı bölgelerinde daha iyi çalıştığı düşünülen ampirik ozon maruziyet denklemleri üretilmiştir. Tarımsal üretim kayıpları bu ve bunun gibi denklemler sayesinde hesaplanabilmektedir. Avrupa'da yapılan deneysel çalışmalar neticesinde AOT40 40 ppb'den yüksek ozon konsantrasyonlarınının farkının kümülatif toplamları yöntemi yaygın olarak kullanılmaktadır. USA'da ise W126 yöntemi USEPA tarafından önerilmektedir. W126 yöntemi sigmoidal dağılım fonksiyonunu kullanarak ozon konsantrasyonlarına ağırlık ataması yapıp gün ışığı süresince olan toplamı almaktadır. Bu iki yöntem dışında belirli eşik değerlerinin farkının günlük toplam şeklinde hesaplanması veya günlük ortalama şeklinde hesaplanması gibi birçok yöntemde ozondan kaynaklı tarımsal üretim kaybının hesaplanmasında dünya çapında kullanılmaktadır. Dünyanın çeşitli yerlerinde yapılan çalışmalar ozonun buğday, soya fasulyesi, pirinç patates gibi tarım ürünlerinin üretiminde ve veriminde kayıplar olduğu söylemiştir. USEPA tarafından 1996 yılında USA için yapılan bir çalışmada yüksek ozon konsantrasyonuna maruz kalması sebebiyle tarımsal üretimde %10 için kayıp olduğu tespit edilmiştir. Benzer bir çalışma bu kaybın Avrupa %5 civarında olduğu göstermektedir. Küresel ve bölgesel bir problem olarak ozon, bitkiler üzerindeki bu etkisi sebebiyle günümüzdeki ve gelecekteki gıda güvenliğini tehdit etmektedir. Literatürde dünyanın çeşitli bölgelerinde ozonun çeşitli tarım ürünleri üzerindeki etkisini ölçümler ile inceleyen çalışmalar mevcuttur. Bu çalışmalar lokal kaybı gösterse de bölgesel etkiyi göstermekte zayıftır. Bu yüzden bölgesel veya küresel olarak modelleme yöntemi ile üretim kaybı hesaplayan bilimsel çalışmalar literatürde bulunmaktadır. Küresel model yaklaşımı yapılan çalışmaların yersel çözünürlüklerinin düşük olması, elde edilen sonuçların temsiliyetini etkilemektedir. Bölgesel çalışmalarda ise çözünürlük iyi olmasına rağmen, tarım üretim kaybı hesabı hemen hemen hiçbir çalışma da hesaplanmamıştır. WRF/Chem bölgesel kimyasal taşınım modeli ile Hindistan için yapılan bir çalışmada 2005 yılında ozondan kaynaklı buğday üretim kaybı 5 milyon metrik ton olarak hesaplanmıştır. Yine benzer bir çalışmada Eta-CMAQ modeli ile USA'daki soya fasulyesi üretim kaybı 1.7 14.2 % olarak hesaplanmıştır. Ozonun bölgesel değişimi sebebiyle bölgesel kimyasal model ile çalışmak hesaplanan tarımsal üretim kaybındaki belirsizliği azalmaktadır. Küresel modellerde yüzeyin tanımlanması, yersel çözünürlüğün düşük olması gibi birden çok belirsizlik söz konusudur. Bu çalışmada WRF/CMAQ model sistemi ile Avrupa'daki Buğday üretim kaybının üç farklı ozon maruziyet denklemi (AOT40, W126 ve M7) kullanılarak belirlenmiştir. Bunu için öncelikle buğday bitkisini büyüme mevsimi literatüre göre tespit edilmiştir. Avrupa Çevre Ajansı AirBase veri tabanı ozon gözlemleri 2008- 2012 yılları büyüme mevsimleri ortalamaları hesaplanmış ve incelenmiştir. En yüksek buğday büyüme mevsimi ortalaması (45. 6 ppb) 2009 yılında bulunmuştur. Bu değer 2008 yılında 33.28 ppb, 2010 yılında 29.29 ppb, 2011 yılında 39.12 ve 2012 yılında 30.42 ppb olarak hesaplanmıştır. Bu yüzden çalışma dönemi olarak 2009 büyüme mevsimi seçilmiştir. Çalışmada Food and Agriculture Organizations'dan seçilen yıl 2009 için ülke bazlı toplam buğday üretim verisi temin edilmiştir. Ülke bazlı toplam buğday üretim verilerinin yersel dağılımı ise Monfreda vd. (2008) ve Ramankutty vd. (2008) çalışmalarında yayınlanan küresel ve gridlenmiş 2000 yılı için buğday üretim haritası kullanılarak yapılmıştır. Bunun için ülkelere düşen her grid hücresinin ülke bazlı toplamı alınmıştır. Hesaplanan toplamlar, grid hücrelerindeki değerlere bölünerek her bir hücrenin oranı belirlenmiştir. Bu oranlar FAO 2009'dan temin edilen toplam buğday üretim verisi ile çarpılarak 2009 yılı FAO buğday üretim verileri yersel olarak dağıtılmıştır. Hazırlanan harita, model alanı ve çözünürlüğüne göre yeniden haritalandırılmıştır. Çalışmada modelleme yöntemi olarak WRF / CMAQ model sistemi 30 km yersel çözünürlükle kurgulanmıştır. Mezo-ölçek Atmosfer Sirkülasyon Modeli olarak WRF-ARW 3.6 modeli, düşeyde 35 seviye, doğu-batı yönünde 191 ve kuzey-güney yönünde 159 hücre ile çalıştırılmıştır. Ayrıca 0.75 derece ECWMF Era-Interim Reanalysis verisi modelin başlangıç ve sınır koşullarının hazırlanması için kullanılmıştır. Yüzey kullanımı için MODIS-30s 20 -Sınıf verisi hazırlanmıştır. Emisyon modellemesi, İTÜ Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü tarafından geliştirilen DUMANv2. 0 modeli kullanılarak yapılmıştır. Emisyon modeline insan kaynaklı, biyojenik ve yangın emisyonları girdi olarak verilmiştir. İnsan kaynaklı emisyonlar, TNO- 2009 veri tabanından elde edilmiş ve DUMANv2. 0 tarafından CB05-AERO 5 kimyasal mekanizmasına göre işlenmiştir. Biyojenik emisyonlar için MEGAN v2.10 kullanılmıştır. Yangın emisyonları ise literatürde yer alan ve GFASv1. 0 uydu veri setinden elde edilen bilgilerle hesaplanmıştır. Kimyasal Taşınım modeli olarak CMAQv4.7. 1 modeli CB05-AERO 5 kimyasal mekanizmasına göre çalıştırılmıştır. İlk olarak WRF çıktıları MCIP kullanılarak M3MODELs yapısına çevrilmiştir. ICON ve BCON modülleri kimyasal başlangıç ve sınır koşullarını oluşturmak için çalıştırılmıştır. Bu modüllere girdi bilgisi ECMWF MACC 3 saatlik model (yersel çözünürlüğü 80-100 km) çıktılarından sağlanmıştır. JPROC ile açık gökyüzü şartlarındaki fotoliz bilgisi hazırlanmıştır. CMAQv4.7. 1 modelinden ozon değişkeni temin edilmiş ve belirlenen üç ozon maruziyet denklemlerine uygulanmıştır. Hazırlanan 2009 yılı için gridlenmiş buğday üretim haritası ile çarpılarak her hücredeki buğday kaybı hesaplanmıştır. Bu kayıplar ile FAO'dan 2009 yılı için alınan ülke bazlı buğday üretici fiyat indeksi çarpılarak her bir ülkenin toplam ekonomik kaybı hesaplanmıştır. Ülkeler arası ekonomik kaybı hesaplayabilmek için her ülkenin 2009 yılı için GDP'si ile normalize edilerek yorumlanmıştır. Buna göre, en yüksek buğday kaybı AOT40 ve M7 yöntemleri ile Rusya'da (7.14 Mt - %11. 6 ve 17.3 Mt %28), W126 yöntemi ile İtalya'da (1.54 Mt-%24) hesaplanmıştır. Genel olarak kaybın tüm yöntemlerde yüksek görüldüğü diğer ülkeler, Türkiye (6.8 Mt), Fransa (3.47 Mt), Almanya (2.45 Mt) ve Mısır (5.54 Mt)'dır. Bölgesel olarak kayıplar incelendiğinde ise tüm yöntemler içinde en yüksek Güney (8.3 Mt - %61) ve Doğu (12. 8 Mt %37 ) Avrupa'da, en düşük bölge ise kuzey Avrupa ülkeleri (%2.2- 0 .65Mt) olduğu belirlenmiştir. En yüksek hesaplanan kayıplar M7 yönteminde, en düşük kayıplar ise W126 yöntemi ile yapılan hesaplamada bulunmuştur. Bu sonuç Avrupa'da ozondan kaynaklı buğday kaybı hakkında bir aralık sunmaktadır. En yüksek ekonomik kayıp Rusya'da 2.23 Milyar Amerikan Doları olarak hesaplanmıştır. Türkiye ($2. 24 Milyar), Italya ($1. 64 Milyar), Mısır ($ 1.59 Milyar) Rusya'yı takip etmektedir. Hesaplanan ekonomik kayıplara göre, en yüksek kayıplar Doğu ($1. 6 Milyar) ve Güney ($2. 8 Milyar) Avrupa ülkelerinde, en düşük ekonomik zarar yine Kuzey Avrupa ülkelerinde ($0. 01 Milyar) görülmüştür. Güney ve Doğu Avrupa'da bu derece yüksek kayıpların çıkması, Merkez ve Batı Avrupa ülkelerindeki endüstriden kaynaklı ozon öncül kirleticilerin güney ve doğu yönlü meteorolojik sistemlerle taşınmasıdır. Bu sebeple Avrupa'nın güneyinde ve doğusunda ozon yüksektir ve buğday kaybı bundan dolayı daha yüksek hesaplanmıştır. Emisyon kontrolleri Batı ve Merkez Avrupa ülkelerinde daha yoğun şekilde uygulanmalıdır.