Analysis of traffic related atmospheric aerosol particles in an urban environment

Abstract

Urban air pollution is one of the major concerns throughout the world. In Europe, the urban air quality (AQ) has been constantly improved. However, exceedances of particulate matter (PM), a harmful pollutant to the human health and environment, are still observed in the cities. Road traffic is identified as one of the major anthropogenic sources contributing globally about 25% of urban ambient air pollution from PM2.5. Hence, detailed characterization of PM emission sources is seen as a priority when AQ improvement measures are on the agenda. Furthermore, in order to support short-term measures, the estimation and forecast of urban AQ is highly important, which allows the anticipation of exposure to higher levels of harmful pollutants.The main objective of the current study was the development and implementation of a methodology to estimate and forecast aerosol particles in the urban atmosphere, by considering road traffic as one of the primary urban pollution sources. For this purpose, novel approaches were developed to access both background and local contributions to urban air pollution. Therefore, existing AQ forecasting services at a regional scale were explored and implemented to obtain the background concentrations. The traffic-related local contributions required further advances of a transport-emission-air dispersion modelling system. Thus, a traffic emission model was extended and improved to include cold start and non-exhaust emissions with high spatial and temporal resolution, which was crucial to produce better predictions of PM and black carbon (BC) concentrations. Furthermore, field measurements implemented for the study area were considered for the validation of the modelling system and to improve the knowledge on aerosol particles in the urban atmosphere.Overall, this research work expected to enhance the comprehension of urban aerosol pollution, allowing to depict road traffic contribution. Actually, although the recent vehicle technologies advances, this thesis demonstrates that, for the case study deeply analysed, road traffic remains one of the major sources of urban air pollution. Additionally, the integrated modelling approach improvements offers an innovative opportunity for urban AQ assessment and forecast. Furthermore, the aerosol temporal and spatial variation in addition to the PM characterization obtained from this research, provides relevant data for analysis of health impacts and research in the field of atmospheric pollution and climate change, thus, supporting decision-making towards urban sustainable development.

A poluição do ar em meio urbano representa uma das principais preocupações globais. Na Europa, a qualidade do ar (QA) urbano tem vindo a melhorar, contudo em diversas cidades são registadas excedências de material particulado (PM), um poluente prejudicial para a saúde humana e o meio ambiente. O tráfego rodoviário é identificado como uma das principais fontes de emissões antropogénicas nas cidades, sendo responsável por cerca de 25% do PM2.5 presente na atmosfera urbana. Portanto, a caraterização detalhada das fontes de emissão de PM torna-se prioridade quando se trata de melhorar a QA. Além disso, a fim de apoiar medidas de mitigação a curto prazo, a estimativa e a previsão da QA urbano desempenham um papel importante, permitindo antecipar a exposição a níveis elevados de poluição.Este estudo teve como principal objetivo o desenvolvimento e a implementação de uma metodologia para estimar e prever a concentração de aerossóis na atmosfera urbana, considerando o tráfego rodoviário como uma das principais fontes de poluição. Para tal, foram desenvolvidas novas abordagens para obter as contribuições de fundo e locais para a poluição do ar urbano. Portanto, foram explorados e implementados serviços existentes de previsão da qualidade do ar em escala regional para obter concentrações de fundo. Já as contribuições locais provenientes do tráfego exigiram novos avanços no sistema de modelação de transporte-emissão-qualidade do ar. Neste contexto, aprimorou-se um modelo de emissões de tráfego, incluindo as emissões originadas de processos de arranque a frio e de não exaustão, com uma alta resolução espacial e temporal, permitindo produzir melhores previsões das concentrações de PM e de carbono negro (BC) no ambiente urbano. Adicionalmente, foram realizadas campanhas de medição para validar o sistema de modelação e aprofundar o conhecimento sobre a presença de aerossóis na atmosfera urbana.Em suma, este trabalho de investigação teve como intuito aprimorar a compreensão da poluição urbana por aerossóis, permitindo obter a contribuição do tráfego rodoviário. De facto, embora os recentes avanços da tecnologia automóvel, esta tese demonstra que, para o estudo de caso profundamente analisado, o tráfego rodoviário continua a ser uma das principais fontes de poluição do ar urbano. Além disso, as melhorias no sistema de modelação oferecem uma oportunidade inovadora para avaliar/prever a QA urbano. A análise temporal e espacial de aerossóis, juntamente com a caracterização do PM obtido por meio desta pesquisa, fornecem dados relevantes para a análise dos impactos na saúde e para a investigação sobre poluição do ar e mudanças climáticas, apoiando, assim, a tomada de decisões relacionadas ao desenvolvimento urbano sustentável.