Quantifying air pollution from ship and road traffic emissions in urban areas using computational fluid dynamics dispersion modelling

Abstract

This PhD thesis investigates the local effect of ship-over-road-traffic emissions on ports’ air pollution in high spatiotemporal resolution, utilizing state-of-the-art dispersion modelling. Microscale Computational Fluid Dynamics (CFD) modelling is applied to simulate the dispersion of pollutants. CFD modelling was chosen due to its ability to effectively simulate airflows within urban environments characterized by complex wind patterns. The initial focus of this thesis is to explore the potential of CFD modelling to simulate the dispersion of pollutants within urban environments, as it is a well-established and widely applied method for microscale air pollution studies. For this reason, a CFD approach is applied to Mong Kok — a densely populated area in Hong Kong — experiencing high road traffic activity. The CFD model incorporated real-time meteorological data, high-resolution (10-minute) traffic emission data, and both background and roadside concentration measurements. This comprehensive approach validated the model's reliability in simulating pollutant dispersion within complex urban areas. Deviations from roadside concentration measurements of NOx, CO, and PM10 ranged from 0.7% to 18.8%. Furthermore, the CFD model was utilized to create daily concentration maps for the studied area, providing valuable data for local authorities helping to quantify the distribution of road traffic pollution. Having been applied and validated for road traffic dispersion modelling in the urban area of Mong Kok, the CFD modelling approach is employed to investigate the dispersion of singular ship plumes and their effect on the air pollution in a port area. The port of Marseille, France served as a case study. CFD predictions were compared with on-site observations from two monitoring stations, measuring the concentration signal of individual ship plumes departing from the port for CO2, CO, NOx, SO2, and PM. The model demonstrated strong performance, with an average deviation of just 8.2% from the measured concentrations. Following the validation in the case study of Marseille, the thesis delved deeper, investigating the impact of various factors on pedestrian-level pollution caused by ship-emitted plumes. Wind speed, funnel temperature, and height emerged as key pollution factors, affecting pedestrian-level concentrations up to 78% for our case study. Notably, the CFD model proved applicable to diverse pollution scenarios involving various mitigation strategies and emission sources, including both ships and road traffic. This thesis has demonstrably established microscale CFD modelling as a valuable method for urban air quality management. By simulating pollutant dispersion from both ship and road traffic emissions in complex urban environments, this modelling approach offers significant implications for policymakers and local authorities. Potential applications include the enhancement of air quality information in ports, the improved urban planning and design and the information on traffic management strategies.

Η διδακτορική διατριβή διερευνά την τοπικής κλίμακας ρύπανση των πλοίων πλέον της αντίστοιχης ρύπανσης από την οδική κυκλοφορία σε αστικές περιοχές, μοντελοποιώντας τη διασπορά των ρύπων με τεχνικές τεχνολογικής αιχμής. Για το σκοπό αυτό εφαρμόζεται μοντελοποίηση Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (ΥΡ), καθώς αποτελεί μία ευρέως διαδομένη και αξιόπιστη μέθοδο προσομοίωσης της ροής του αέρα μέσα σε αστικά περιβάλλοντα με έντονα τυρβώδη πεδία ανέμου. Η αρχική στόχευση της διατριβής είναι η εξέταση των δυνατοτήτων της ΥΡ σχετικά με την προσομοίωση της διασποράς των ρύπων μέσα σε αστικά περιβάλλοντα. Για το σκοπό αυτό εφαρμόστηκε μοντέλο ΥΡ στην περιοχή Μονγκ Κοκ, η οποία είναι μια πυκνοκατοικημένη περιοχή του Χονγκ Κονγκ με έντονο κυκλοφοριακό φόρτο. Για την αποτελεσματική εφαρμογή του μοντέλου αξιοποιήθηκαν μετεωρολογικά δεδομένα, δεδομένα εκπομπών κυκλοφορίας με υψηλή χρονική διακριτότητα (10 λεπτά) και μετρήσεις συγκεντρώσεων υποβάθρου αλλά και σε επίπεδο δρόμου. Χάρη στην αξιοποίηση όλων αυτών των δεδομένων επιβεβαιώθηκε η αξιοπιστία του μοντέλου ΥΡ στην προσομοίωση της διασποράς των ρύπων. Συγκεκριμένα, η μέση απόκλιση του μοντέλου από τις μετρημένες συγκεντρώσεις για διάφορους ρύπους (NOx, CO και PM10) κυμάνθηκε από 0,7% έως 18,8%. Επιπλέον, το μοντέλο ΥΡ χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία χαρτών ημερήσιας κατανομής συγκέντρωσης για την υπό μελέτη περιοχή, παρέχοντας χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την κατανομή της ρύπανσης από την οδική κυκλοφορία. Έχοντας εφαρμοσθεί και επικυρωθεί σε ό,τι αφορά τη μοντελοποίηση της διασποράς των ρύπων από την οδική κυκλοφορία, το μοντέλο ΥΡ εφαρμόσθηκε για τη μελέτη της διασποράς των πλουμίων από τα πλοία σε λιμενικές περιοχές. Το λιμάνι της Μασσαλίας χρησιμοποιήθηκε ως μελέτη περίπτωσης. Οι προβλέψεις του μοντέλου ΥΡ συγκρίθηκαν με μετρήσεις από δύο σταθμούς παρακολούθησης ποιότητας αέρα, που ήταν τοποθετημένοι εντός του λιμανιού και μετρούσαν συγκεντρώσεις CO2, CO, NOx, SO2 και PM από τα πλούμια μεμονωμένων πλοίων που αναχωρούσαν από το λιμάνι. Το μοντέλο εκτίμησε αποτελεσματικά τις συγκεντρώσεις των ρύπων στην περιοχή των σταθμών, με μία μέση απόκλιση μόλις 8,2% από τις μετρήσεις. Έχοντας επικυρώσει την αξιοπιστία του μοντέλου στη μελέτη περίπτωσης της Μασσαλίας, εξετάσθηκε η επίδραση διαφόρων παραγόντων, που σχετίζονται με τη διασπορά του πλουμίου, στην αέρια ρύπανση σε επίπεδο πεζοδρομίου. Η ταχύτητα του ανέμου, η θερμοκρασία και το ύψος του φουγάρου του πλοίου αναδείχθηκαν ως οι βασικοί παράγοντες ρύπανσης, επηρεάζοντας τις συγκεντρώσεις ρύπων έως και 78% για τη συγκεκριμένη μελέτη περίπτωσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι το μοντέλο ΥΡ αποδείχθηκε εφαρμόσιμο σε διάφορα σενάρια ρύπανσης που περιλαμβάνουν στρατηγικές μείωσης των εκπομπών και διαφορετικές πηγές εκπομπών, όπως η οδική κυκλοφορία. Η παρούσα διατριβή αναδεικνύει τη μοντελοποίηση με ΥΡ ως αποτελεσματικό εργαλείο για τη μελέτη της αέριας ρύπανσης σε αστικά περιβάλλοντα. Με τη δυνατότητα προσομοίωσης της διασποράς των ρύπων από τις εκπομπές των πλοίων και της οδικής κυκλοφορίας σε σύνθετα αστικά περιβάλλοντα, αυτή η προσέγγιση μοντελοποίησης μπορεί προσφέρει σημαντικές δυνατότητες στους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής και τις τοπικές αρχές των πόλεων. Ενδεικτικές εφαρμογές περιλαμβάνουν την καλύτερη ενημέρωση σχετικά με την ποιότητα αέρα στα λιμάνια, τον βελτιωμένο αστικό σχεδιασμό και την ενημέρωση στρατηγικών διαχείρισης κυκλοφορίας.