The investigation of sensitivity of copert estimated road transport emissions on air quality via WRF/CMAQ modeling system over İstanbul

İstanbul Türkiye'nin ekonomik başkenti ve 14 milyonu aşan nüfusuyla Avrupanın en kalabalık kentidir. Dünyanın önemli mega şehirlerinden biri olan İstanbul sosyo- ekonomik gelişmelerin beraberinde getirdiği çevre kirliliği problerini son yıllarda fazlasıyla yaşamaktadır. Bu çevresel problemlerin en önemlilerinden birisi hava kirliliği, özellikle de ulaşımdan kaynaklanan emisyonların oluşturduğu hava kirliliğidir. Hava kirliliği atmosferdeki kirleticilerin insan ve diğer canlılara zarar verecek düzeye erişmesidir. Yapılan epidemiyolojik çalışmalarda, hava kirliliğinin sağlığa olan etkileri kanıtlanmıştır. Bu çalışmalarda ölümler, hastaneye başvurular gibi sağlık göstergeleriyle havadaki kirleticilerin konsantrasyonları arasındaki ilişkiler araştırılmış ve artış veya azalışa göre doğrudan bir ilişki olduğu kanıtlanmıştır. Kirleticilere maruz kalmanın, bir yandan kalp ve akciğer hastalıklarına bağlı ölüm oranını artırırken, diğer yandan bu hastalıklara bağlı hastane başvurularını arttırdığı görülmüştür. Bunun yanında, hava kirliliğinin özellikle çocukların akciğer gelişimini olumsuz etkilediği ve kirliliğin yoğun olduğu bölgelerde astım ve kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH) gibi kronik hava yolu hastalıklarına yakalama riskini arttırdığı saptanmıştır. Hava kirliliği, kaynaklarından bağımsız olarak son derece önemli bir konu olmasıyla beraber,araçlardan kaynaklanan emisyonlar, emisyonların miktarı ve salındığı mekanın toplumun yoğun yaşadığı şehirleşmiş bölgelerde ve insan seviyesinde olması açısından diğer kaynaklara göre daha fazla önem taşımaktadır. Yapılan çalışmalarda, ulaşımdan kaynaklanan hava kirliliğinin yol açtığı sağlık etkilerinin özellikle çocuklar ve yaşlılar gibi toplumun hassas kesimlerinde son derece negatif etkilerinin olduğu tespit edilmiştir. Bu tez çalışmasında, trafik kaynaklı emisyonların hesaplanmasında kullanılan COPERT 4 modelinin girdi parametrelerindeki değişikliklerin, İstanbulun hava kalitesine etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu duyarlılığın belirlenmesi için 3 değişik senaryo oluşturulmuştur. Oluşturulan bu senaryolar için hesaplanan emisyon değerleriyle WRF meteoroloji modeli ve CMAQ kimyasal tasinimi modeli kullanılmış ve hava kalitesindeki değişiklikler belirlenmiştir. COPERT 4 trafik kaynaklı emisyon hesaplama modeli, Avrupada pek çok ülke tarafından araç emisyonların hesaplanması için kullanılan bir modeldir. Modelin geliştirilmesi Avrupa Çevre Ajansı tarafından desteklenmektedir. COPERT 4 modeliyle farklı araç kategorileri için (binek araçlar, hafif ticari araç, ağır kamyon, otobüs, motosiklet ve moped) önemli hava kirleticileri (CO, NOx, VOC, PM, NH3, SO2, ağır metaller) ve sera gazi emisyonları (CO2, N2O, CH4) hesaplanabilmektedir. Bu hesaplamaların yapılabilmesi için yüksek çözünürlükte veri setine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez çalışmasının ilk bölümü olarak, İstanbuldaki araçların modele girdi oluşturulabilecek detaya getirilmesi amacıyla gerekli olan veriler Çevre ve Şehircilik Bakanlığı ve TÜVTÜRK araç muayene istasyonlarından alınmıştır. Elde edilen bu verilerle İstanbuldaki araçların karektesitik özelliklerine göre (araç tipi, motor hacmi, yakıt tipi, EURO seviyeleri, vb.) dağılımlarını gösteren yüksek çözünürlüklü veri seti oluşturulmuş ve araçlardan kaynaklanan emisyonlar ilk defa bu çözünürlükte hesaplanmıştır. Hesaplanan emisyonlar envanterin ulaşım sektöründe kullanılarak parametrelerdeki değişikliklerin ne kadar bir etki yaptığı hava kalitesi modeli ile ortaya konulmuştur. Hesaplanan araç emisyonlarının envanterdeki etkisine bakıldığında, trafikten kaynaklanan kirleticilerden, metan olmayan uçucu organik bileşikler (NMVOC) %43'lük ve nitrik oksit (NOx) %40'lik etkiyle emisyon envaterinde ana kaynaklar olduğu görülmüştür. Ayrıca, %32'lik bir katkıyla karbon monoksit (CO) kirleticisinin ana kirletici olmamasına rağmen envanter üzerinde etkisinin oldukça fazla olduğu görülmüştür. Hesaplanan araç emisyonlarına kendi içinde bakıldığında ise CO, NOx ve PM2.5 kirleticilerinin etkisinin sırasıyla %51, %42 ve %11 olduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak ulaşımın diğer kaynaklardan çok daha fazla bir etkisi olduğu görülmektedir. Araçlardan kaynaklanan emisyonların envanterde bu denli öneme sahip olması, hesaplamalardaki duyarlılık ve belirsizliğin belirlenmesinin önemini arttırmaktadır. COPERT 4 modelinin hassaslığının belirlenebilmesi için hesaplamaları en çok etkilediği belirlenen parametreler olan hız ve sıcaklık değerleri değiştirilerek 3 senaryo belirlenmiş, bu senaryolar için araç emisyonları hesaplanmıştır. Daha sonra bu senaryolar için elde edilen emisyonlarla temel durumdaki emisyon değerleri karşılaştırılmıştır. İlk senaryo için modelde girdi olarak kullanılan, her araç tipi için ayrı olmak üzere belirlenen ortalama hız değerleri, İstanbuldaki trafik durumları göz önünde bulundurulak, %20 arttırılmıştır. İkinci senaryo için birinci senaryoya benzer olarak hız değerleri %20 azaltılmıştır. Üçüncü ve son senaryo için ise, diğer bir önemli parametre olan sıcaklık değeri değiştirilmiştir. Modelde sıcaklık değeri için her ayın ortalama sıcaklık değeri kullanılmaktadır. Bu çalışmada, her ayın sıcaklıklarının maksimum değerini kullanmak yerine hava kalitesine olan etkiyi belirlemek için hava kalitesi modelinin çalıştırılacağı periyot olan kasım ayı sıcaklığı değiştirilmiş ve emisyonlar bu duruma göre hesaplanmıştır. Her üç senaryo için de hesaplandıktan sonra emisyon envanterinin ulaşım sektörü bölümüne eklenerek hava kalitesine girdi oluşturacak hale getirilmiştir. Emisyon değerleri senaryolar arasında karşılaştırıldığında görülmüştür ki; kırsaldaki yollarda belirlenen değerler, şehir merkezindeki yollarda ve otobanlarda hesaplanan değerlerden daha yüksek olup, ana kirletici NOx ve en az etkiye sahip olan kirletici PM2.5'dir. Kirleticiler için senaryolar arasında genel bir değerlendirme yapıldığında, hız arttırıldığında CO dışında bütün kirletici emisyonlarında azalma, hız azaltıldığında ise CO dışında bütün kirletici emisyonlarında artma gözlemlenmiştir. Diğer yandan, sıcaklığın arttırıldığı durumda NMVOC dışında bütün kirletici emisyonlarında azalma olduğu görülmüştür. Model parametrelerindeki değişimin emisyonlar arasındaki etkisinin değerlendirilmesinin ardından bu etkinin hava kalitesine nasıl yansıyacağını belirlemek için hava kalitesi modeli çalıştırılmıştır. Model öncelikle temel durum için çalıştırılmış ve daha sonra her durum için ayrı ayrı tekrar çalıştırılarak hava kalitesindeki etki belirlenmeye çalışılmıştır. Etkinin belirlenmesinde, araç emisyonlarından kaynaklanan temel kirleticilerden biri olmamasına rağmen, önemli sağlık etkileri olması sebebiyle PM2.5 analiz edilmiştir. Temel durumda hesaplanan konsantrasyonlardan, bütün senaryolar için her bir model hücresinde hesaplanan konsantrasyon değerleri çıkarılarak maksimum farkın olduğu gün ve saat incelenmiştir. CMAQ sonuçlarına bakıldığında, senaryo İ'de, yani %20 arttırıldığı durumda, PM2.5 konsantrasyonlarında İstanbul genelinde ortalama 1.5 μg/m3 (~%5) bir azalma olduğu belirlnemiştir. Ortalama konsantrasyonlar karşılaştırıldığında 1.5 μg/m3 küçük bir değer gibi görülse de insan sağlığı açısından konsantrasyondaki bu azalma önemli bir etkiye sahiptir. Senaryo II'de ise hızdaki azalmaya bağlı olarak PM2.5 konsantrasyonlarında ortalama 2 μg/m3 artış görülmüştür. Senaryo III için emisyondaki etkinin diğer senaryolara göre daha az olması sabebiyle hava kalitesine olan etkisi değerlendirilmemiştir. Bu çalışma, araç emisyonlarının hesaplanmasında kullanılan verinin özellikle otomobil dışıdaki otobüs, kamyon gibi araç tipleri için daha ayrıntılı olarak elde edilmesi, ve daha ayrıntılı emisyon envanterinin hazırlanması ve hava kalitesi modelinin sınır koşullarını daha iyi temsil eden veri kullanılarak geliştirilebilir.