Τρισδιάστατες προσομοιώσεις ατμοσφαιρικής ρύπανσης και εναπόθεσης θρεπτικών στη περιοχή της Aνατολικής Μεσογείου

Abstract

This doctoral thesis is part of a broader context of air quality modeling. The aim is to highlight the composition of the atmosphere and the deposition of nutrients in the terrestrial and marine area, focusing on the wider Mediterranean region. Of particular interest is the atmospheric transport of pollutants such as ozone and carbon monoxide as well as suspended particles, which carry nutrients, like nitrogen, sulfur and phosphorus. Atmospheric deposition on land and sea of these nutrients carried by aerosols affects both the environment and human health. In particular, nitrogen and sulfur deposition has increased significantly in the 80s in the Northern Hemisphere as a result of increased anthropogenic activity. Limited area models applied at higher resolution than global models and using higher resolution data sets are generally expected to more accurately represent the spatial variability of basic meteorological and climatic parameters such as near-surface temperature, pressure, velocity and atmospheric composition. Primary biological aerosol particles (PBAPs) or bio-aerosols were also studied, like bacteria, viruses, fungi and fungal spores that can affect cloud development, atmospheric chemistry, microbial biogeography and public health. The emissions of PBAPs were taken into account in the WRF-Chem (Weather Research and Forecasting) medium-scale transport model using a 36x36km horizontal resolution and focusing on the Mediterranean region. Consequently, seasonal variations in bio-aerosol distributions in the Eastern Mediterranean were simulated, accounting for the dependence of their emissions on meteorology and ecosystems distribution, as well as for atmospheric transport and deposition.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο ευρύτερο πλαίσιο των αριθμητικών προσομοιώσεων για τον έλεγχο της ποιότητας του αέρα. Έχει ως στόχο να μελετήσει την σύσταση της ατμόσφαιρας και την εναπόθεση θρεπτικών συστατικών στην επίγεια και θαλάσσια περιοχή της Μεσογείου. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η μεταφορά μέσω της ατμόσφαιρας αεριών ρύπων όπως το όζον και το μονοξείδιο του άνθρακα, που επηρεάζουν την οξειδωτική ικανότητα της ατμόσφαιρας καθώς επίσης και αιωρούμενων σωματιδίων, τα οποία μεταφέρουν θρεπτικά συστατικά όπως το άζωτο, θείο και φώσφορο. Με την εναπόθεση τους σε χερσαίες και θαλάσσιες περιοχές της Μεσογείου, επηρεάζουν τα οικοσυστήματα αλλά και την ανθρώπινη υγεία. Στη παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο μέσης κλίμακας WRF-CHEM (Weather Research and Forecasting) για να μελετηθεί η ατμοσφαιρική ρύπανση και η ατμοσφαιρική εναπόθεση θρεπτικών στη Μεσόγειο. Κατ’ αρχάς αξιολογήθηκε η ικανότητα του μοντέλου να προσομοιώνει την μετεωρολογία και την ατμοσφαιρική ρύπανση στη περιοχή με σύγκριση με παρατηρήσεις. Κατόπιν αναπτύχθηκαν κατάλληλα υποπρογράμματα για να υπολογιστούν με το WRF-CHEM, η ροή εναπόθεσης αζώτου και φωσφόρου καθώς και οι ατμοσφαιρικές συγκεντρώσεις των πρωτογενών βιολογικών αερολυμάτων (PBAP). Τα PBAP μπορούν να αποτελούν σημαντική συνιστώσα των συνολικών αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα, πηγή θρεπτικών αλλά και πυρήνες σχηματισμού πάγου στην ατμόσφαιρα. Το βελτιωμένο μοντέλο προσομοιώνει τις ατμοσφαιρικές συγκεντρώσεις των κύριων κατηγοριών βιοαερολυμάτων (βακτήρια, σπόρια μυκήτων και γύρη) με βάση τις εκπομπές τους, που είναι συνάρτηση της μετεωρολογίας και των οικοσυστημάτων που υπάρχουν στην εκάστοτε περιοχή, της μεταφοράς και εναπόθεσής τους. Τα υπολογισθέντα επίπεδα PBAP συμφωνούν (τάξη μεγέθους) συγκρίθηκαν με τις λιγοστές παρατηρήσεις στην περιοχή. Υπολογίστηκε ότι τα PBAP συνεισφέρουν περίπου το 24% του συνολικού οργανικού άνθρακα στην λεκάνη της Μεσόγειο για τον καλοκαιρινό μήνα του Ιουλίου του 2016 και ως 28% για τον χειμερινό μήνα του Φεβρουαρίου συμμετέχοντας με 46.5Gg-Ν/month και 0.3Gg-P/month και 24.75Gg-Ν/month 0.2Gg-P/month στην ροή εναπόθεσης αζώτου και φωσφόρου στη περιοχή.