Study of background air pollution using experimental data and mathematical models

Abstract

The knowledge of the background pollution levels allows for the assessment of local contributions and helps the design of air quality improvement policies. The main topic of the present thesis is the characterization of the background air pollution in selected areas of the Eastern Mediterranean basin, a region that is systematically exposed to multiple air pollution stresses. The first step for the accurate quantification of the background pollution is the use of air quality data from two monitoring stations with minor exposure to local emission sources. The first sampling station located at Finokalia (35° 24'N, 25° 60'E) in the northeastern coast of Crete, Greece, is considered representative of maritime background conditions of the eastern Mediterranean. Due to its unique location, Finokalia is slightly affected by local contributions but by transported pollution from afar. Additionally, when southerlies prevail, Saharan dust transport events increase substantially the particulate pollution levels of the area. On the other hand, the second sampling station located in the village of Kato Komi, northwestern Greece, is an agricultural monitoring station mostly affected by intense mining and industrial activities carried out in the Western Macedonia basin. In the first part of the thesis, long-range transport patterns that may act as potential pollution pathways in the Eastern Mediterranean region during the summer period were examined by analyzing O3 measurements from Finokalia station and for the summer period (JJA) of 2011-2018. The second part of the thesis identified the most dominant seasonal long-range transport pathways in the Eastern Mediterranean region and connected them to air quality issues with respect to particulate matter (PM10). The third part of the thesis deals with the accurate quantification of the background pollution in the Eastern Mediterranean basin by analyzing O3 and PM10 measurements from Finokalia station and for the period 2011-2018. For the background estimation, a novel methodology based on Hidden Markov Models (HMMs) statistical clustering algorithm was introduced aiming to define the pollution states of the analyzed air pollutants. From the derived pollution states the main focus has been given to the background pollution state characterized by the lowest and less variable air pollution levels to which a population is chronically exposed. The effectiveness of the proposed methodology for the accurate determination of the background pollution was also tested in the Western Macedonia industrial area, a complex terrain area with combined urban and industrial emission sources. The background PM10 concentration was computed by analyzing measurements from the monitoring station in Kato Komi from 2010 to 2021, a period with significant changes in the air quality of the region due to the considerable decrease in lignite production following the reduced demand for lignite power. The proposed methodology has great potential for estimating the background levels of air pollutants at various monitoring stations.

Η γνώση των επιπέδων ρύπανσης υποβάθρου είναι πολύ σημαντική καθώς επιτρέπει την αξιολόγηση των τοπικών συνεισφορών και βοηθά επίσης στο σχεδιασμό πολιτικών βελτίωσης της ποιότητας του αέρα μιας περιοχής. Κύριος στόχος της παρούσας διατριβής είναι ο χαρακτηρισμός της ατμοσφαιρικής ρύπανσης υποβάθρου σε επιλεγμένες περιοχές της λεκάνης της Ανατολικής Μεσογείου, μιας περιοχής που καταπονείται συστηματικά από πολλαπλά επεισόδια ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Το πρώτο βήμα για τον ακριβή ποσοτικό προσδιορισμό της ρύπανσης υποβάθρου ήταν η χρήση δεδομένων ποιότητας του αέρα από δύο σταθμούς παρακολούθησης με μικρή έκθεση σε τοπικές πηγές εκπομπών. Ο πρώτος δειγματοληπτικός σταθμός που βρίσκεται στην περιοχή του Φινοκαλιά (35° 24'N, 25° 60'E) στη βορειοανατολική ακτή της Κρήτης, στην Ελλάδα, θεωρείται αντιπροσωπευτικός σταθμός μελέτης του θαλάσσιου υποβάθρου της ανατολικής Μεσογείου. Λόγω της μοναδικής του τοποθεσίας, ο σταθμός επηρεάζεται ελαφρώς από τοπικές πηγές εκπομπών αλλά κυρίως από μεταφερόμενη ρύπανση από μακριά. Επιπλέον, όταν επικρατούν άνεμοι νοτίων διευθύνσεων, τα επεισόδια μεταφοράς σκόνης από τη Σαχάρα αυξάνουν σημαντικά τα επίπεδα σωματιδιακής ρύπανσης της περιοχής. Από την άλλη πλευρά, ο δεύτερος δειγματοληπτικός σταθμός που βρίσκεται στο χωριό Κάτω Κώμη του Δήμου Κοζάνης, στο βορειοδυτικό τμήμα της χώρας μας, είναι ένας γεωργικός σταθμός που επηρεάζεται κυρίως από τις έντονες μεταλλευτικές και βιομηχανικές δραστηριότητες που πραγματοποιούνται στη λεκάνη της Δυτικής Μακεδονίας. Στο πρώτο μέρος της διατριβής, εξετάστηκαν ατμοσφαιρικά μοτίβα μεταφοράς μεγάλης κλίμακας που μπορεί να λειτουργήσουν ως πιθανοί ατμοσφαιρικοί οδοί ρύπανσης στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου κατά τη θερινή περίοδο αναλύοντας μετρήσεις όζοντος (Ο3) από το σταθμό του Φινοκαλιά και για την περίοδο Ιούνιο-Ιούλιο-Αύγουστο από το 2011 μέχρι το 2018. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής προσδιορίστηκαν οι επικρατέστερες εποχικές οδοί ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου και συσχεττίστηκαν με ζητήματα ποιότητας του αέρα σε σχέση με τα αιωρούμενα σωματίδια (PM10). Το τρίτο μέρος της διατριβής πραγματεύεται τον ακριβή ποσοτικό προσδιορισμό της ρύπανσης υποβάθρου στη λεκάνη της Ανατολικής Μεσογείου αναλύοντας μετρήσεις όζοντος (Ο3) και αιωρούμενων σωματιδίων (PM10) από τον σταθμό Φινοκαλιά και για την περίοδο 2011-2018. Για την εκτίμηση του υποβάθρου, εισήχθη μια νέα μεθοδολογία βασισμένη στον αλγόριθμο στατιστικής ομαδοποίησης Hidden Markov Models (HMMs) με στόχο τον καθορισμό των καταστάσεων ρύπανσης των ατμοσφαιρικών ρύπων υπό εξέταση. Από τις προκύπτουσες καταστάσεις ρύπανσης, το κύριο ενδιαφέρον στράφηκε στην κατάσταση ρύπανσης υποβάθρου που χαρακτηρίζει τα χαμηλότερα και λιγότερο μεταβλητά επίπεδα ατμοσφαιρικής ρύπανσης στα οποία ένας πληθυσμός εκτίθεται σε χρόνια βάση. Η προτεινόμενη μεθοδολογία για τον ακριβή προσδιορισμό της ρύπανσης υποβάθρου εφαρμόστηκε και στη βιομηχανική περιοχή της Δυτικής Μακεδονίας, μια περιοχή σύνθετης μορφολογίας που συνδυάζει αστικές και βιομηχανικές πηγές εκπομπών. Η συγκέντρωση των επιπέδων υποβάθρου των αιωρούμενων σωματιδίων (PM10) υπολογίστηκε με ανάλυση μετρήσεων από τον σταθμό της Κάτω Κώμης για την περίοδο 2010-2021 στην οποία σημειώθηκαν σημαντικές αλλαγές στην ποιότητα του αέρα της περιοχής λόγω της σημαντικής μείωσης της παραγωγής του λιγνίτη ακολουθώντας τις μειωμένες ενεργειακές απαιτήσεις των τελευταίων ετών. Η προτεινόμενη μεθοδολογία παρέχει μία εύκολη και γρήγορη εκτίμηση των επιπέδων υποβάθρου ατμοσφαιρικών ρύπων και όπως αποδείχτηκε μπορεί να εφαρμοστεί ανεξάρτητα του τύπου του υπό μελέτη σταθμού μέτρησης.