Διαχωρισμός πηγών των αιωρούμενων σωματιδίων για την πόλη της Θεσσαλονίκης με τη χρήση του συστήματος μοντέλων WRF-CAMx

Εισαγωγικά

Η αυξημένη συγκέντρωση αιωρούμενων σωματιδίων ιδιαίτερα στα μεγάλα αστικά κέντρα, είναι ένα σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα των σύγχρονων πόλεων, όπως η Θεσσαλονίκη. Το όριο της μέσης συγκέντρωσης σωματιδίων διαμέτρου μικρότερης των 10 μm(ΑΣ10) που έχει θεσπιστεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση υπερβαίνεται πολύ συχνά στην πόλη της Θεσσαλονίκης. Το γεγονός αυτό την κατατάσσει ανάμεσα στις πιο μολυσμένες πόλεις της Ευρώπης, όσον αφορά τα αιωρούμενα σωματίδια.

Στην παρούσα εργασία μελετάται η συνεισφορά των διαφόρων πηγών εκπομπής ρύπων στις συγκεντρώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων για το σύνολο του αστικού ιστού της Θεσσαλονίκης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται σύστημα αριθμητικών μοντέλων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην συνεισφορά των δραστηριοτήτων του λιμανιού, αλλά και των θαλάσσιων δραστηριοτήτων γενικότερα, για τις οποίες οι υπάρχουσες πληροφορίες είναι σχετικά περιορισμένες.

 

Το σύστημα των χρησιμοποιούμενων μοντέλων

Το χρησιμοποιούμενο σύστημα μοντέλων αποτελείται από το φωτοχημικό μοντέλο ποιότητας αέρα CAMx(ComprehensiveAirQualityModelwithExtensions) και το μετεωρολογικό μοντέλο μέσης κλίμακας WRF(WeatherResearchandForecastingModel). Το CAMxεφαρμόστηκε με χρήση του υπολογιστικού εργαλείου PSAT(ParticulateSourceApportioningTechnology), το οποίο είναι απαραίτητο για τον διαχωρισμό των πηγών αιωρούμενων σωματιδίων.

Όσον αφορά την χωρική ανάλυση, το εν λόγο σύστημα εφαρμόστηκε για δύο διαφορετικά πλέγματα. Το πρώτο είχε χωρική ανάλυση 10Kmκαι κάλυπτε τη Βαλκανική χερσόνησο, ενώ το δεύτερο κάλυπτε την ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης με χωρική ανάλυση 2Km. Καθ’ ύψος η ατμόσφαιρα διαιρέθηκε σε 17 επίπεδα που έφταναν έως τα 10Kmεπάνω από το έδαφος.

Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι οι απαραίτητες οριακές συνθήκες των αερίων ρύπων και αιωρούμενων σωματιδίων κατά την εφαρμογή του CAMxστα Βαλκάνια προήλθαν από το παγκόσμιο μοντέλο IFS-MOZART.

 

Δεδομένα εκπομπών ατμοσφαιρικών ρύπων

Δημιουργήθηκε βάση δεδομένων ανθρωπογενών αερίων και σωματιδιακών εκπομπών για την πόλη της Θεσσαλονίκης με έτος αναφοράς το 2008 (Lioraetal2011). Τα δεδομένα έχουν χωρική ανάλυση 2Kmκαι για την εκτίμησή τους χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο ανθρωπογενών εκπομπών MOSESSτο οποίο αναπτύχθηκε από το Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας του Α.Π.Θ. (Markakisetal2009).

Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην εκτίμηση των εκπομπών των διαφόρων δραστηριοτήτων που λαμβάνουν χώρα εντός των ορίων του λιμανιού (φορτοεκφόρτωση εμπορευμάτων και αποθήκευση τους, λειτουργία μηχανημάτων του λιμανιού κλπ), όπως επίσης και των εκπομπών των θαλάσσιων δραστηριοτήτων γενικότερα (κίνηση εμπορικών και επιβατηγών πλοίων, ρυμουλκών κλπ). Για τα παραπάνω έτος αναφοράς είναι το 2010.

Το μοντέλο φυσικών εκπομπών ΝΕΜΟ (NaturalEmissionsMOdel) (Poupkouetal2010), συνδυαζόμενο με το μετεωρολογικό μοντέλο WRF, χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των εκπομπών βιογενών πτητικών οργανικών ενώσεων εκτός μεθανίου, θαλασσίου άλατος και σκόνης.

Οι πηγές εκπομπής ρύπων που διαχωρίστηκαν είναι οι:

                i.     Οδικές μεταφορές (Road Transport)

              ii.     Λιμενικές και θαλάσσιες δραστηριότητες (Maritime/Harbor)

             iii.     Κεντρική Θέρμανση (Central Heating)

            iv.     Βιομηχανία (Industries)

              v.     Σκόνη (Windblown Dust)

            vi.     Βιογενείς πτητικές οργανικές ενώσεις εκτός μεθανίου (BiogenicNMVOCs)

           vii.     Λοιπές πηγές (π.χ. βιομηχανικές και κατασκευαστικές μηχανές, διαχείριση αποβλήτων, γεωργικές δραστηριότητες, χρήση διαλυτών, διανομή καυσίμων) (LeftOverSources)

 

Μελετώμενες περίοδοι

Δύο διαφορετικές χρονικές περίοδοι εξετάστηκαν στην παρούσα μελέτη. Η πρώτη, αντιπροσωπευτική της θερμής περιόδου του έτους, είναι το καλοκαίρι του 2011, δηλαδή το διάστημα από 01/06/2011 έως 31/08/2011. Η δεύτερη που αντιπροσωπεύει την ψυχρή περίοδο του έτους, εκτείνεται από 15/11/2011 έως 15/12/2011. Για τις δύο αυτές περιόδους υπολογίστηκαν οι εκπομπές ρύπων και έγιναν προσομοιώσεις από το σύστημα των μοντέλων.

 

Αποτελέσματα

Αποτελέσματα παρουσιάζονται ιδιαίτερα για δύο σημεία ενδιαφέροντος του πλέγματος της Θεσσαλονίκης, τα οποία παρουσιάζουν μια ξεκάθαρη διαφορά, παρά το γεγονός ότι βρίσκονται και τα δύο εντός του αστικού ιστού της πόλης. Το πρώτο βρίσκεται εντός του λιμένα (στο εξής θα καλείται «Λιμάνι») και το δεύτερο στην περιοχή του νέου Δημαρχείου (στο εξής θα καλείται «Δημαρχείο»). Παρακάτω φαίνεται η θέση των δύο αυτών σημείων ενδιαφέροντος. Η επίδραση των θαλάσσιων και λιμενικών δραστηριοτήτων αναμένεται να είναι εξασθενημένη στο δεύτερο σημείο σε σχέση με το πρώτο.

 

Τα δύο σημεία ενδιαφέροντος στα οποία επιχειρείται ο διαχωρισμός των πηγών των αιωρούμενων σωματιδίων στην πόλη της Θεσσαλονίκης

Λιμάνι

Στο σχήμα 1aπαρουσιάζεται η επί τοις εκατό συνεισφορά των διαφόρων πηγών στην μέση τιμή της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων διαμέτρου μικρότερης των 2.5μm(ΑΣ2.5, ΡΜ2.5) και 10μm(ΑΣ10, ΡΜ10) στο λιμάνι.

Σχήμα 1.Διαχωρισμός πηγών για τα ΑΣ10 και ΑΣ2.5 στην περιοχή (a) του λιμανιού και (b) του δημαρχείου κατά το καλοκαίρι και τη χειμερινή περίοδο του 2011

Καλοκαίρι

q  Η μεγαλύτερη συνεισφορά στη συγκέντρωση των ΑΣ10 και ΑΣ2.5 προέρχεται από τις οδικές μεταφορές. Το ποσοστό  είναι ιδιαιτέρως αυξημένο τόσο για τα ΑΣ10 (44%) όσο και για τα ΑΣ2.5 (45%).

q  Οι λιμενικές και θαλάσσιες δραστηριότητες συνεισφέρουν με μέτριο ποσοστό στα ΑΣ10 (14%) και με μικρό ποσοστό στις συγκεντρώσεις των ΑΣ2.5 (6%).

 

Χειμερινή περίοδος

q  Οι οδικές μεταφορές έχουν σημαντική συνεισφορά στις συγκεντρώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων και για την περίοδο του χειμώνα, με ποσοστά της τάξης του 30% για τα ΑΣ10 και 25% για τα ΑΣ2.5.

q  Μεγάλο ποσοστό της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων οφείλεται στην κεντρική θέρμανση (32% για τα ΑΣ10 και 44% για τα ΑΣ2.5).

q  Οι θαλάσσιες και λιμενικές δραστηριότητες έχουν πολύ μικρή συνεισφορά στις συγκεντρώσεις τόσο των ΑΣ10 (8%) όσο και των ΑΑΣ2.5 (3%).

 

Δημαρχείο

Στο σχήμα 1bπαρουσιάζεται η επί τοις εκατό συνεισφορά των διαφόρων πηγών στην μέση τιμή της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων διαμέτρου μικρότερης των 2.5μm(ΑΣ2.5, ΡΜ2.5) και 10μm(ΑΣ10, ΡΜ10) στο Δημαρχείο.

Καλοκαίρι

q  Οι οδικές μεταφορές συνεισφέρουν σχεδόν στο ήμισυ στα επίπεδα των αιωρούμενων σωματιδίων στην περιοχή του νέου δημαρχείου (49% για τα ΑΣ10 και 45% για τα ΑΣ2.5).

q  Οι θαλάσσιες και λιμενικές δραστηριότητες έχουν πολύ μικρή συνεισφορά που δεν ξεπερνά το 2%.

 

Χειμερινή περίοδος

q  Σημαντικό μέρος των αιωρούμενων σωματιδίων κατά το χειμώνα προέρχεται από τις οδικές μεταφορές, οι οποίες οφείλονται για το 31% και 25% της μέσης συγκέντρωσης των ΑΣ10 και ΑΣ2.5 αντίστοιχα.

q  Το ποσοστό που αποδίδεται στις θαλάσσιες και λιμενικές δραστηριότητες είναι της τάξης του 1%, ενώ πολύ μεγάλο είναι το ποσοστό συνεισφοράς της κεντρικής θέρμανσης (35% για τα ΑΣ10 και 45% για τα ΑΣ2.5).


Διαχωρισμός πηγών για τα χημικά διαχωρισμένα αιωρούμενα σωματίδια στην περιοχή του λιμανιού

Όπως φαίνεται στο σχήμα 2, οι θαλάσσιες και οι δραστηριότητες του λιμανιού συνεισφέρουν περισσότερο στις συγκεντρώσεις τριών χημικά διαχωρισμένων σωματιδίων, και πιο συγκεκριμένα των:

q  Θειικών (SO4-) : λόγω των χρησιμοποιούμενων καυσίμων (κυρίως από τα πλοία)

q  Νιτρικών (NO3-): πιθανότητα από δευτερογενή παραγωγή

q  Λοιπά PM10: λόγω των δραστηριοτήτων του λιμανιού όπως της φορτοεκφόρτωσης και απόθεσης των υλικών που διακινούνται.

Σχήμα 2.Διαχωρισμός πηγών για τα χημικά διαχωρισμένα ΑΣ2.5 σωματίδια στο λιμάνι (τα “Other” είναι σωματίδια διαμέτρου μικρότερης των 10μm)

 

Χάρτες της γεωγραφικής κατανομής του διαχωρισμού πηγών των ΑΣ2.5

Η συνεισφορά των λιμενικών και θαλάσσιων δραστηριοτήτων στη μέση συγκέντρωση των ΑΣ2.5 στο πλέγμα της Θεσσαλονίκης είναι (σχήμα 3):

q  Υψηλή κατά το καλοκαίρι: Υπερβαίνει το 50% για τα ΑΣ2.5 πάνω από τη θάλασσα

q  Μέτρια κατά τη χειμερινή περίοδο: Φτάνει το 20% για τα ΑΣ2.5 πάνω από τη θάλασσα.

 

 

Σχήμα 3.Χάρτες της γεωγραφικής κατανομής του διαχωρισμού πηγών των ΑΣ2.5 στο πλέγμα της Θεσσαλονίκης

 

Τα προηγούμενα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν ως πόστερ στο Transport and Air Pollution Conference (ΤΑΡ0212) που πραγματοποιήθηκε στη Θεσσαλονίκη στις 26 και 27 Νοεμβρίου 2012. 

 

Αναφορές

Liora, N., Markakis, K., Poupkou, A., Giannaros, T., Ziomas, I. and Melas, D. (2011) Proc. 3rd ACCENT Symposium on Air Quality and Climate Change: Interactions and Feedback.

Markakis, K., Poupkou, A., Katragkou, E., Giannaros, T. and Melas. D. (2009) 2009 GEIA-ACCENT Conference, Emissions of gases and aerosols, Progress and modeling needs.

Poupkou, A., Giannaros, T., Markakis, K. Kioutsioukis, I., Curci, G., Melas, D., and Zerefos, C. (2010) Environ Modell Softw 25, 1845-1856.