Development and application of advanced algorithms to study air quality using satellite observations and chemical transport models

Abstract

The aim of this thesis is to estimate air pollutant abundances through air quality applications with the synergistic use of space-borne observations, ground-based measurements and chemical transport model (CTM) simulations over urban areas, ports and prominent maritime trade routes. This thesis is separated into two main parts; air quality assessment over European continental areas and assessment of shipping emissions in the greater Mediterranean area. In the first part, the capabilities, benefits and limitations of three different air quality-related information sources, namely Sentinel-5 Precursor TROPOspheric Monitoring Instrument (S5P/TROPOMI) space-borne observations, Multi Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS) measurements and LOng Term Ozone Simulation-EUropean Operational Smog (LOTOS-EUROS) CTM simulations, were presented by examining the tropospheric nitrogen dioxide (NO2) abundances in the cities of Thessaloniki and Ioannina, located in Northern Greece. S5P/TROPOMI-inferred NO2 surface concentrations were then estimated by utilizing LOTOS-EUROS simulations over Central Europe. The model performance and the derived concentrations were extensively evaluated by comparisons with in-situ measurements and the impact of three influencing factors (model vertical resolution, TROPOMI data version and averaging kernels) on the derived concentrations was assessed. After having investigated the robustness of the monitoring systems over continental areas, we proceeded in the second part with the estimation of shipping-related NO2 levels over the Mediterranean region. Initially, a shipping-signal enhancement methodology was implemented on the TROPOMI NO2 columns to quantify the effect of the Red Sea crisis on prominent maritime trade routes, in the aftermath of the Israel-Hamas conflict. To verify the validity of the applied methodology, TROPOMI derived NO2 shipping levels were related to the number of vessels crossing through affected maritime gateways. Next, we applied a separation methodology of NOX shipping emissions based on the vessel density of various vessel types in the Mediterranean and the Black Sea and estimated the corresponding NO2 TROPOMI and LOTOS-EUROS levels stemming from the activity of the different vessels. Finally, we investigated the contribution of the maritime sector to NO2 surface concentrations over Mediterranean ports by implementing source apportionment techniques with the LOTOS-EUROS model and evaluated the performance of the model in coastal areas by comparisons with in-situ measurements and satellite observations.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η εκτίμηση των συγκεντρώσεων ατμοσφαιρικών ρύπων με τη συνέργεια δορυφορικών παρατηρήσεων, επίγειων μετρήσεων και προσομοιώσεων μοντέλων φωτοχημείας πάνω από αστικές περιοχές, λιμάνια και γνωστές ναυσιπλοϊκές διαδρομές. Η διατριβή διαρθρώνεται σε δύο σκέλη: μελέτη της ποιότητας του αέρα πάνω από ηπειρωτικές περιοχές και μελέτη των εκπομπών στην ευρύτερη περιοχή της Μεσογείου προερχόμενων από τον τομέα της ναυσιπλοΐας. Αρχικά, αναλύθηκαν οι δυνατότητες, τα πλεονεκτήματα καθώς και τα μειονεκτήματα τριών συστημάτων παρακολούθησης της ποιότητας του αέρα, του δορυφορικού αισθητήρα S5P/TROPOMI, του επίγειου συστήματος MAX-DOAS και του μοντέλου φωτοχημείας LOTOS-EUROS, μέσω της μελέτης των επιπέδων της τροποσφαιρικής στήλης διοξειδίου του αζώτου (NO2) στις πόλεις της Θεσσαλονίκης και των Ιωαννίνων. Ακολούθως, εφαρμόστηκε μία μέθοδος εκτίμησης επιφανειακών συγκεντρώσεων ΝΟ2 με χρήση δορυφορικών παρατηρήσεων του αισθητήρα TROPOMI και προσομοιώσεων του μοντέλου LOTOS-EUROS στην περιοχή της Κεντρικής Ευρώπης. Η επίδοση του μοντέλου και των εκτιμώμενων συγκεντρώσεων αξιολογήθηκαν μέσω συγκρίσεων με επίγειες μετρήσεις και, επίσης, εξετάστηκε η επίδραση τριών παραγόντων (κατακόρυφη ανάλυση του μοντέλου, έκδοση των δεδομένων TROPOMI, χρησιμοποιούμενα κατακόρυφα προφίλ NO2) στα αποτελέσματα. Έχοντας μελετήσει ενδελεχώς την απόδοση των συστημάτων παρακολούθησης της ποιότητας αέρα, στο δεύτερο σκέλος της διατριβής πραγματοποιήθηκε η εκτίμηση εκπομπών οξειδίων του αζώτου (ΝΟx) από τον τομέα της ναυτιλίας. Αρχικά, εφαρμόστηκε μία μέθοδος ενίσχυσης του δορυφορικού σήματος για την ανίχνευση εκπομπών ΝΟx από τα πλοία με στόχο τη μελέτη της επίδρασης της κρίσης στην Ερυθρά Θάλασσα, λόγω της σύγκρουσης Ισραήλ-Χαμάς, σε γνωστές εμπορικές ναυσιπλοϊκές διαδρομές. Για την πιστοποίηση της μεθόδου, τα εκτιμώμενα επίπεδα ΝΟ2 συνδέθηκαν με τη δραστηριότητα των πλοίων. Έπειτα, εφαρμόστηκε μία μέθοδος διαχωρισμού των εκπομπών ΝΟx ανά τύπο πλοίου στην περιοχή της Μεσογείου και της Μαύρης Θάλασσας και η δραστηριότητα των πλοίων συνδέθηκε με τα παρατηρούμενα και εκτιμώμενα επίπεδα από μετρήσεις του αισθητήρα TROPOMI και του μοντέλου LOTOS-EUROS. Τέλος, μελετήθηκε η συνεισφορά του τομέα της ναυσιπλοΐας στις επιφανειακές συγκεντρώσεις ΝΟ2 σε σημαντικά λιμάνια της Μεσογείου με χρήση τεχνικών επιμερισμού πηγών με το μοντέλο φωτοχημείας LOTOS-EUROS και η επίδοση του μοντέλου σε παράκτιες περιοχές αξιολογήθηκε με συγκρίσεις από επίγειους σταθμούς και παρατηρήσεις του αισθητήρα TROPOMI.