Evaluation of NOx emission inventories using NO2 ground observations and NO2 satellite retrievals for Turkey

Hava kirliliği gerek insan sağlığına gerekse çevreye olan etkileri yüzünden insanlık tarihi boyunca büyük sorun teşkil etmiştir. Birincil kirleticilerden olan NOx (NO+NO2), artan emisyonları, O3 ve ikincil partiküler madde gibi diğer kirleticiler için öncül olması sebebiyle hala problem yaratmaktadır. Uydu bazlı gözlemler hava kirleticilerinin takip edilerek bu kirleticilerin küresel dağılımı hakkında bilgi vermesi sebebiyle kullanılmaktadır. Bu tezin amacı Türkiye için NOx emisyon envanterlerinin NO2 yer bazlı ölçümleri ve NO2 uydu verileri kullanılarak değerlendirilmesi ve geliştirilmesidir. Bu tip bir çalışma daha önce ülkemiz için yapılmamıştır. Bu kapsamda Türkiye için mevcut iki emisyon envanteri birbiriyle kıyaslanarak aralarındaki benzerlikler ve farklılılar belirlenmiştir. Ayrıca NOx emisyon envanterleri NO2 uydu verileri ve ulaşım, nüfus ve büyük ölçekli termik santraller gibi emisyon parametreleriyle kıyaslanarak aralarındaki benzerlikler ve farklılıklar incelenmiştir. NASA'dan elde edilen OMI NO2 uydu verileri proses edilip ve emisyon envanterleri ile karşılaştırma yapabilmek için sabit mekansal çözünürlüğe çevrilmiş ve NO2 dikey yoğunlukları ağırlıklı ortalama metodu kullanılarak hesaplanmıştır. Bu tez kapsamında kullanılan ilk emisyon envanteri EMEP CEIP, ikinci emisyon envanteri TNO tarafından sağlanmıştır. Türkiye'de bölgesel ve seçili sektörler için envanter çalışmaları yapılmış olmasına rağmen detaylı yayınlanmış ulusal bir envanter olmadığı için EMEP (mekansal çözünürlük: 50x50 km2) ve TNO (mekansal çözünürlük: 7x7 km2) emisyon envanterleri incelenmiştir. EMEP için en güncel yıl olan 2010 yılı emisyonları ve TNO için en güncel yıl olan 2009 yılı emisyonları karşılaştırılmıştır. Çözünürlüğü daha yüksek olan TNO NOx emisyonları EMEP grid sistemine çevrilmiştir. Kıyaslama yapabilmek için OMI'den elde edilen 2010 yılına ait uydu verileri kullanılmıştır. Çalışma yılı olan 2010 için İstanbul (6), Ankara (8), Kocaeli (2), Adana (2), Kayseri and Samsun olmak üzere altı şehirde yirmi yer bazlı NO2 ölçüm istasyonu bulunmaktadır. Bu istasyonlardaki saatlik veriler Ulusal Hava Kalite İzleme Ağı'ndan temin edilerek günlük ve OMI yerel geçiş zamanı için (13:00-14:00) ortalama konsantrasyon değerleri hesaplanmıştır. Ayrıca NO2 ölçüm istasyonları üzerinden geçen NO2 uydu verileri de seçilmiştir. Uydu ve yer bazlı ölçümler için haftalık profiller ve haftasonu/haftaiçi konsantrasyon oranları hesaplanmıştır. EMEP haftasonu/haftaiçi oranları ölçümler için hesaplanan değerlerle kıyaslanmıştır. Uydu verileri nüfusun yoğun olduğu alanlarda yüksek NO2 konsantrasyonları göstermiştir. En yüksek konsantrasyonlar Kasım ayında gözlenmiştir. Belirsizlikler %9-% 48 aralığında olup 2010 yılı için ortalama belirsizlik %18 seviyesindedir. En yüksek belirsizlikler kış aylarında gözlenmiştir. TNO ve EMEP emisyon envanterleri kıyaslandığında toplam yıllık emisyonların birbirine benzer olduğu, fakat fosil yakıtların çıkarılması, solvent kullanımı, ulaşım, atık ve tarım sektörlerinden gelen emisyonlarda önemli farklılıklar bulunmuştur. Her iki envanterde de ulaşım, mobil kaynaklar ve enerji sektörleri ana emisyon kaynakları olmakla birlikte emisyon miktarları farklıdır. Tüm çalışma alanı için EMEP ve TNO emisyonları arasındaki korelasyon orta seviyededir (R2=0.39). Envanterler arasindaki en önemli farklardan biri Türkiye'deki termik santrallerden TNO'nun aksine EMEP'ten gelen çok yüksek emisyonlardır. Bu iki aykırı grid veri setinden çıkarıldığında korelasyon artmıştır (R2=0.47). Emisyon envanterleri OMI NO2 uydu verileriyle kıyaslandığında, TNO (R2=0.34) EMEP'ten (R2=0.24) daha yüksek korelasyon göstermiştir. EMEP ve TNO emisyon envanterlerindeki her ülke için ulusal toplam emisyonlar hesaplanmış ve ülke seviyesinde kıyaslandığında emisyon envanterleri arasında daha iyi bir korelasyon olduğu saptanmıştır (R2=0.96). Türkiye ve Polonya için EMEP emisyon envanterinde yüksek değerler rapor edilmişken, Bulgaristan ve Ukrayna için TNO emisyon envanterinde yüksek değerler rapor edilmiştir. Ülke seviyesinde uydu verileri ve emisyon envanterleri arasında iyi bir korelasyon gözlenmiştir (R2=0.85). Polonya, İspanya ve Almanya için uydu verileri TNO emisyon envanterine yakındır. Bazı ülkeler ise iki emisyon envanterinde de benzer ulusal toplam emisyonlar rapor edilmesine rağmen NO2/NOx oranları diğer ülkelerden önemli ölçüde farklıdır. TNO ve EMEP emisyon envanterleri özel olarak Türkiye için de incelenmiştir. Tüm çalışma alanı için toplam emisyonların miktarı benzer olmasına rağmen, ulusal seviyede EMEP NOx emisyonları TNO emisyonlarına göre %29 daha fazla rapor edilmiştir. En önemli farklılıklar enerji, endüstriyel proseslerde yakma ve ulaşım sektörlerinde gözlenmiştir. NO2 uydu verilerindeki aylık ortalamalar maksimum kışta ve minimum yazda olmak üzere mevsimsel değişim göstermiştir. En yüksek NO2 dikey yoğunlukları Marmara Bölgesi'nde gözlenirken, en düşük değerler Doğu Karadeniz ve Doğu Anadolu'da görülmüştür. EMEP emisyon envanterinde Muğla ve Kırklareli için belirtilen enerji sektörü emisyonlarındaki yüksek değerler ve EMEP'te o kadar yüksek belirtilmemesine rağmen TNO'da İstanbul ve Kahramanmaraş için verilen yüksek emisyonlardan dolayı iki emisyon arasındaki korelasyon düşük bulunmuştur (R2=0.12). Bu aykırı değerler veri setinden çıkarıldığında korelasyon artmıştır (R2=0.37). Türkiye için EMEP NOx emisyonları ayrıca seçilmiş nüfus, trafik yoğunluğu ve büyük ölçekli termik santraller (>50 MW) gibi emisyonlarla ilişkili parametreler ile kıyaslanmıştır. İstanbul, Ankara, İzmir ve Adana gibi yüksek nüfuslu şehirlerin en yüksek emisyonlara sahip olduğu görülmüştür. Trafik yoğunluğunun mekansal dağılımı EMEP ulaşım emisyonlarıyla kıyaslandığında özellikle daha fazla trafiğin gözlendiği bazı il merkezlerinde farklılıklar gözlemlenmiştir. Buna ek olarak trafik yoğunluğuyla kıyaslandığında emisyonlar geniş alanlara yayılmıştır. Seçilen büyük ölçekli termik santraller (>50 MW) ve bunlara karşılık gelen EMEP NOx enerji sektörü emisyonları karşılaştırıldığında EMEP emisyon envanterinin seçilmiş altı termik santrali kapsamadığı belirlenmiştir. EMEP'te eksik olan termik santraller ayrıca OMI NO2 dikey yoğunluklarıyla da gözlenmiş ve bu veriler TEIAS tarafından rapor edilen kurulum kapasiteleriyle de uyumludur. OMI NO2 dikey yoğunluklarıyla yapılan karşılaştırma Hamitabat ve Yeniköy, Kemerköy, Yatağan termik santralleri için verilen emisyonların çok yüksek rapor edildiğini desteklemiştir, çünkü uydu verilerinde o kadar yüksek dikey yoğunluklar gözlenmemiştir. Türkiye için uydu verileri ve emisyon envanterleri arasındaki kıyaslamada TNO (R2=0.56) EMEP'ten (R2=0.24) daha iyi korelasyon göstermiştir. Aykırı değerler çıkarıldığında korelasyon EMEP için artmıştır (R2=0.48). EMEP ve TNO emisyon envanterleri il toplamları seviyesinde de kıyaslanmış (R2=0.36) ve aykırı değerler çıkarıldığında güçlü bir korelasyon gözlenmiştir (R2=0.85). Daha ayrıntılı inceleme için OMI tarafından belirgin biçimde görülen Adana, Ankara, Bursa, Kocaeli, İstanbul ve İzmir olmak üzere altı il seçilmiştir. Adana, Ankara, Bursa ve Kocaeli'nin toplam emisyonları iki envanterde de birbirine yakındır. Bununla beraber Bursa için EMEP'te rapor edilen toplam emisyon TNO'dan yaklaşık iki kat yüksekken, İzmir için TNO'da rapor edilen toplam emisyon EMEP'ten yaklaşık iki kat yüksektir. Yıllık yer bazlı ölçümler ve yer ölçüm istasyonları üzerinden geçen uydu verileri kıyaslandığında Samsun hariç bu iller için iyi bir korelasyon gözlenmiştir (R2=0.55). Yıllık EMEP ve TNO toplam SO2 emisyonları, yıllık ortalama SO2 PBL yoğunlukları ile kıyaslanmıştır. En yüksek SO2 yoğunlukları Afşin Elbistan ve Kangal termik santrallerinde gözlenmiştir. Bu durum bu termik santrallerin EMEP emisyon envanterinde rapor edilmemesine rağmen önemli SO2 emisyonlarına sahip olduğunun göstergesidir. Ortalama SO2 PBL yoğunlukları, EMEP ve TNO enerji sektörü SO2 emisyonları ile kıyaslanmıştır. İlk önemli bulgu TNO'nun EMEP'e göre daha yüksek emisyonlar rapor ettiğidir. Ayrıca EMEP'te Afşin Elbistan başta olmak üzere on termik santral için NOx, on iki termik santral için SO2 emisyonu rapor edilmemiştir. SO2 ve NO2 dikey yoğunlukları için SO2/NO 2 oranları hesaplanmıştır. Bu oranlara göre en düşük oranlar yakıt tipi doğalgaz olan Gebze Intergen, Ambarlı, Aliağa ve en yüksek oranlar ise yakıt tipi linyit olan Kangal, Çankırı ve Afşin Elbistan termik santralleridir. Sonuç olarak bu tez OMI enstrümanının Türkiye'deki hava kirliliği yüksek bölgeleri ortaya çıkarma kabiliyetini göstermiştir. Sonuçlar ayrıca Türkiye'yi içeren NOx emisyon envanterleri için önemli bulgular göstermiştir. Buna ek olarak NOx kirliliği açısından önemli bölgeler belirlenmiştir. Türkiye'deki emisyon envanterleri, Avrupa'daki gelişmiş ülkelerdeki kadar detaylı ve gerçekçi olmadığı için bu analiz değer taşımaktadır. Daha geniş bir bakış açısıyla uydu verilerinin bu tezdeki gibi farklı coğrafi bölgeler için kullanılarak değerlendirilmesi, geliştirilmiş algoritmalardaki problemlerin belirlenmesinde, veri eldesinde kullanılan varsayımların onaylanmasında da geri dönüşler sağlayacak, uydu verilerindeki belirsizliğinin azaltılmasına ve veri kalitesinin geliştirilmesine katkı sağlayacaktır.