Impact of boundary layer meteorology on air quality in urban areas
Kentsel alanlarda sınır tabaka meteorolojisinin hava kalitesi üzerine etkisi
- Tez No: 872844
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ DENİZ, PROF. DR. ALPER ÜNAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Meteoroloji, Meteorology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 153
Özet
Bu tez, sınır tabakası meteorolojisinin kentsel hava kalitesi üzerindeki etkilerini, özellikle Türkiye'nin çeşitli iklimsel ve topografik yapısı üzerine odaklanarak incelemektedir. Çalışma, 2010-2021 yılları arasında Türkiye genelindeki hava kalitesi izleme istasyonlarından alınan verileri kullanarak saatlik PM10 konsantrasyon seviyelerini analiz etmektedir. PM10 zaman serilerini kısa vadeli, mevsimsel ve uzun vadeli bileşenlere ayırmak için Kolmogorov-Zurbenko filtresi, anomali tekniği ve Wavelet dönüşümü yöntemi gibi ileri düzey analitik teknikler kullanılmaktadır. Bu yaklaşım, meteorolojik koşullar ve emisyonların hava kalitesi üzerindeki etkilerini izole etmeyi ve bu faktörler arasındaki etkileşimi detaylı bir şekilde anlamayı amaçlamaktadır. Tez, atmosferik sınır tabakasının yapısını ve dinamiklerini ayrıntılı bir şekilde ele alarak başlamakta, bu tabakanın kirleticilerin, ısının, nemin ve momentumun dikey ve yatay taşınımındaki kritik rolünü vurgulamaktadır. Güneşin günlük ısıtması ve yüzey özelliklerinden etkilenen sınır tabakası, karışma katmanı (ML), kalıntı katmanı (RL) ve kararlı sınır tabakası (SBL) gibi farklı meteorolojik fenomenlerin oluşmasına neden olur. Her bir tabaka, kirleticilerin yayılmasını farklı şekillerde etkiler ve bu dinamikler detaylı olarak incelenir. Çalışma alanı olarak Türkiye, farklı yükseklikler ve iklimler içeren karmaşık bir hava kalitesi dinamiklerine sahip bir ülke olarak seçilmiştir. Özellikle nüfusun yaklaşık yarısının yaşadığı kentsel merkezler, ülkenin GSYİH'sine önemli katkılarından ve belirgin hava kalitesi sorunlarından dolayı çalışmanın odak noktası olmuştur. Analiz, farklı şehirlerde, mevsimlerde ve günün saatlerinde PM10 konsantrasyonları ile çeşitli atmosferik seviyelerdeki potansiyel sıcaklık farkları arasındaki korelasyonlara odaklanmaktadır. Ana bulgular, sınır tabakası dinamiklerinin PM10 konsantrasyon değişkenliği üzerinde önemli bir etkisi olduğunu göstermektedir. Mevsimsel ve topografik faktörler, kentsel hava kirliliği modellerini şekillendirmede kritik rol oynar ve farklı kentsel merkezlerde belirgin varyasyonlar gözlemlenmiştir. Regresyon analizleri, PM10 seviyeleri ile sıcaklık, basınç ve rüzgar hızı gibi meteorolojik değişkenler arasında karmaşık bir etkileşim olduğunu ortaya koymaktadır. Örneğin, rüzgar hızı genellikle PM10 seviyelerinin azalmasıyla ilişkilendirilmiş ve bu da daha fazla yayılma ve karışmaya yol açmıştır. Ancak, belirli yerel koşullar nedeniyle bu genel eğilimin dışında kalan istisnalar da bulunmaktadır. Tez, dikey atmosferik analizin hava kirliliği dinamiklerini anlamada önemini vurgulamaktadır. Potansiyel sıcaklık profillerinin ve bu profillerin PM10 konsantrasyonları ile ilişkilerinin detaylı bir şekilde incelenmesi, kentsel hava kalitesini etkileyen faktörler hakkında daha derin bir anlayış sağlamaktadır. Mevsimsel kalıplar ve stabilite rejimleri arasındaki belirgin farklar, atmosferik koşulların kirlilik seviyelerini nasıl etkilediğini anlamamıza yardımcı olmaktadır. Sonuç olarak, bu tez, kentsel planlama ve çevre politikası için uygulanabilir bilgiler sunmaktadır. Emisyon kontrol önlemlerinin güçlendirilmesi ve meteorolojik faktörlerin kentsel planlama ve politika yapımında dikkate alınması gerekliliğini vurgulamaktadır. Gelecekteki araştırmalar, bu bulguları doğrulamak ve genişletmek için daha uzun zaman serisi verileri ve gelişmiş istatistiksel teknikler kullanmaya odaklanmalıdır. Bu şekilde, daha etkili hava kalitesi yönetimi ve kirlilik azaltma stratejilerine katkıda bulunulabilecektir. Bu çalışmada kullanılan veriler, Türkiye genelinde çeşitli şehirlerdeki hava kalitesi izleme istasyonlarından elde edilmiştir. İstanbul, Ankara, İzmir, Bursa gibi büyük şehirler ile farklı iklimsel ve topografik özelliklere sahip şehirler seçilmiştir. Veriler, PM10 konsantrasyonlarının saatlik ölçümlerini içermekte ve bu ölçümler, sınır tabakası meteorolojisinin kentsel hava kalitesi üzerindeki etkilerini değerlendirmek için kullanılmıştır. Çalışmanın metodolojisi, KZ filtresi ve Wavelet dönüşümü yöntemi gibi zaman serisi analiz tekniklerini kapsamaktadır. Bu yöntemler, PM10 zaman serilerini kısa vadeli, mevsimsel ve uzun vadeli bileşenlere ayırarak, her bir bileşenin hava kalitesi üzerindeki etkilerini izole etmeyi ve analiz etmeyi mümkün kılmaktadır. Ayrıca, farklı meteorolojik değişkenler ile PM10 konsantrasyonları arasındaki ilişkileri belirlemek için regresyon analizleri kullanılmıştır. Bulgular, Türkiye genelinde hava kalitesinin iyileştiğini göstermektedir, ancak belirli şehirlerde ve dönemlerde istisnalar gözlemlenmiştir. Örneğin, Adana ve Kayseri gibi şehirlerde PM10 seviyelerinde hafif artışlar gözlemlenmiştir. Bu durum, bu şehirlerdeki yerel emisyon kaynaklarının ve meteorolojik koşulların hava kalitesini nasıl etkilediğini göstermektedir. Regresyon analizleri, PM10 konsantrasyonları ile meteorolojik değişkenler arasında anlamlı ilişkiler olduğunu ortaya koymaktadır. Örneğin, rüzgar hızı genellikle PM10 seviyelerinin azalmasıyla ilişkilendirilmiştir, bu da daha fazla hava karışımı ve kirleticilerin yayılması ile açıklanabilir. Ancak, bu ilişki her zaman geçerli olmamakta ve belirli yerel koşullar bu genel eğilimden sapmalara neden olabilmektedir. Çalışmanın sonuçları, kentsel hava kalitesinin iyileştirilmesi için emisyon kontrol stratejilerinin önemini vurgulamaktadır. Ayrıca, meteorolojik koşulların kentsel planlama ve çevre politikalarında dikkate alınması gerekliliğini ortaya koymaktadır. Gelecekteki çalışmalar, daha uzun zaman serisi verileri ve gelişmiş istatistiksel teknikler kullanarak bu bulguların doğruluğunu artırabilir ve daha etkili hava kalitesi yönetimi stratejileri geliştirilmesine katkıda bulunabilir. Bu tez çalışması, sınır tabakası meteorolojisinin kentsel hava kalitesi üzerindeki etkilerini detaylı bir şekilde inceleyerek, bu alanda önemli bir bilgi kaynağı oluşturmaktadır. Çalışmanın bulguları, kentsel planlama ve çevre politikaları için değerli bilgiler sunmakta ve hava kalitesinin iyileştirilmesi için stratejik önerilerde bulunmaktadır. Bu çalışmada, Türkiye'nin çeşitli şehirlerinde bulunan hava kalitesi izleme istasyonlarından elde edilen veriler analiz edilmiştir. Bu şehirler arasında İstanbul, Ankara, İzmir, Bursa, Adana, Antalya, Gaziantep, Konya, Kayseri, Mersin, Eskişehir ve Trabzon bulunmaktadır. Bu şehirler, farklı iklimsel ve topografik özelliklere sahip olmaları nedeniyle seçilmiştir. Veriler, PM10 konsantrasyonlarının saatlik ölçümlerini içermektedir ve bu ölçümler, sınır tabakası meteorolojisinin kentsel hava kalitesi üzerindeki etkilerini değerlendirmek için kullanılmıştır. Çalışmanın metodolojisi, PM10 zaman serilerini kısa vadeli, mevsimsel ve uzun vadeli bileşenlere ayırmak için kullanılan KZ filtresi ve Wavelet dönüşümü yöntemi gibi zaman serisi analiz tekniklerini içermektedir. Bu yöntemler, her bir bileşenin hava kalitesi üzerindeki etkilerini izole etmeyi ve analiz etmeyi mümkün kılmaktadır. Ayrıca, farklı meteorolojik değişkenler ile PM10 konsantrasyonları arasındaki ilişkileri belirlemek için regresyon analizleri kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan KZ filtresi, zaman serisi analizlerinde özellikle uzun vadeli trendleri ve kısa vadeli dalgalanmaları ayrıştırmada etkili bir yöntem olarak öne çıkmaktadır. Bu yöntem, PM10 konsantrasyonlarındaki değişimlerin kısa vadeli, mevsimsel ve uzun vadeli bileşenlerini belirleyerek, her bir bileşenin hava kalitesi üzerindeki etkilerini daha net bir şekilde ortaya koymaktadır. Ayrıca, Wavelet dönüşümü yöntemi, zaman serisi verilerini farklı frekans bileşenlerine ayırarak, veri setinin çok boyutlu analizini sağlamaktadır. Çalışmada elde edilen bulgular, Türkiye genelinde hava kalitesinin iyileştiğini göstermektedir. Ancak, belirli şehirlerde ve dönemlerde istisnalar gözlemlenmiştir. Örneğin, Adana ve Kayseri gibi şehirlerde PM10 seviyelerinde hafif artışlar gözlemlenmiştir. Bu durum, bu şehirlerdeki yerel emisyon kaynaklarının ve meteorolojik koşulların hava kalitesini nasıl etkilediğini göstermektedir. Regresyon analizleri, PM10 konsantrasyonları ile meteorolojik değişkenler arasında anlamlı ilişkiler olduğunu ortaya koymaktadır. Örneğin, rüzgar hızı genellikle PM10 seviyelerinin azalmasıyla ilişkilendirilmiştir, bu da daha fazla hava karışımı ve kirleticilerin yayılması ile açıklanabilir. Ancak, bu ilişki her zaman geçerli olmamakta ve belirli yerel koşullar bu genel eğilimden sapmalara neden olabilmektedir. Çalışmanın sonuçları, kentsel hava kalitesinin iyileştirilmesi için emisyon kontrol stratejilerinin önemini vurgulamaktadır. Ayrıca, meteorolojik koşulların kentsel planlama ve çevre politikalarında dikkate alınması gerekliliğini ortaya koymaktadır. Gelecekteki çalışmalar, daha uzun zaman serisi verileri ve gelişmiş istatistiksel teknikler kullanarak bu bulguların doğruluğunu artırabilir ve daha etkili hava kalitesi yönetimi stratejileri geliştirilmesine katkıda bulunabilir. Tez, sınır tabakası meteorolojisinin kentsel hava kalitesi üzerindeki etkilerini detaylı bir şekilde inceleyerek, bu alanda önemli bir bilgi kaynağı oluşturmaktadır. Çalışmanın bulguları, kentsel planlama ve çevre politikaları için değerli bilgiler sunmakta ve hava kalitesinin iyileştirilmesi için stratejik önerilerde bulunmaktadır. Emisyonların kontrol altına alınması ve azaltılması stratejileri, kirlilik azaltma ve halk sağlığını koruma amacıyla belirlenen hedeflere ulaşmada kilit rol oynamaktadır. Ayrıca, hava kalitesinin iyileştirilmesi için meteorolojik koşulların ve hava akımlarının dikkate alınması gerektiği vurgulanmaktadır. Bu çalışma, Türkiye'deki hava kalitesini etkileyen faktörler hakkında kapsamlı bir anlayış sunmaktadır. Özellikle kentsel alanlarda sınır tabakası dinamiklerinin hava kalitesi üzerindeki etkileri, hem teorik hem de pratik açıdan detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Çalışmanın sonuçları, emisyon kontrol stratejileri ve çevre politikaları geliştirme sürecinde önemli bir rehberlik sağlamaktadır. Gelecekteki çalışmalar, bu bulguların doğruluğunu artırmak ve genişletmek için daha uzun zaman serisi verileri ve gelişmiş istatistiksel teknikler kullanmayı hedeflemelidir. Bu şekilde, daha etkili hava kalitesi yönetimi ve kirlilik azaltma stratejileri geliştirilebilir. Ayrıca, yerel ve bölgesel düzeyde hava kalitesini iyileştirmeye yönelik politika ve uygulamaların geliştirilmesinde önemli katkılar sağlanabilir. Sonuç olarak, bu tez, sınır tabakası meteorolojisinin kentsel hava kalitesi üzerindeki etkilerini kapsamlı bir şekilde ele alarak, bu alanda önemli bir bilgi kaynağı oluşturmuştur. Çalışmanın bulguları, kentsel planlama ve çevre politikaları için değerli bilgiler sunmakta ve hava kalitesinin iyileştirilmesi için stratejik önerilerde bulunmaktadır. Bu tez çalışması, Türkiye genelinde hava kalitesinin iyileştirilmesi ve halk sağlığının korunması amacıyla emisyon kontrol stratejilerinin önemini vurgulayan önemli bir araştırmadır.
Özet (Çeviri)
This thesis investigates the impact of boundary layer meteorology on urban air quality, focusing specifically on Turkey's diverse climatic and topographical landscape. The study leverages extensive data from air quality monitoring stations across Turkey, spanning from 2010 to 2021, to analyze hourly PM10 concentration levels. Advanced analytical techniques, including the Kolmogorov-Zurbenko filter, anomaly technique, and wavelet transform method, are employed to decompose the PM10 time series into short-term, seasonal, and long-term components. This approach aims to isolate the effects of meteorological conditions and emissions on air quality, providing a detailed understanding of the interplay between these factors. The thesis begins by delineating the structure and dynamics of the atmospheric boundary layer (BL), emphasizing its critical role in the vertical and horizontal transport of pollutants, heat, moisture, and momentum. The BL's variability, influenced by daily solar heating and surface characteristics, facilitates distinct meteorological phenomena, including the formation of the Mixed Layer (ML), Residual Layer (RL), and Stable Boundary Layer (SBL). Each of these layers impacts pollutant dispersion differently, and their dynamics are explored in detail. The study area encompasses Turkey, a country with varied elevations and climates, contributing to its complex air quality dynamics. Particularly, the urban centers, where approximately half of the population resides, are focal points for the study due to their significant contributions to the nation's GDP and their distinct air quality challenges. The analysis focuses on the correlations between PM10 concentrations and potential temperature differences across various atmospheric levels, examining how these relationships vary by city, season, and time of day. Key findings highlight the significant influence of boundary layer dynamics on PM10 concentration variability. Seasonal and topographical factors play a critical role in shaping air pollution patterns, with distinct variations observed across different urban centers. The regression analyses reveal a complex interplay between PM10 levels and meteorological variables such as temperature, pressure, and wind speed. For instance, wind speed generally correlates with decreased PM10 levels due to enhanced dispersion, though exceptions exist due to specific local topographical and meteorological conditions. The thesis underscores the importance of vertical atmospheric analysis in understanding air pollution dynamics. The study's detailed examination of potential temperature profiles and their relationship with PM10 concentrations provides deeper insights into the factors influencing urban air quality. It reveals distinct seasonal patterns and stability regimes, allowing for a nuanced understanding of how atmospheric conditions affect pollution levels. In conclusion, this thesis offers actionable insights for urban planning and environmental policy aimed at improving urban air quality. It emphasizes the need for comprehensive air quality management strategies that integrate both anthropogenic emissions and natural meteorological conditions. Recommendations include enhanced emissions control measures and the consideration of meteorological factors in urban planning and policy-making. Future research should focus on extending the time series data and employing advanced statistical techniques to further validate and expand upon these findings, thereby contributing to more effective air quality management and pollution mitigation strategies.
Benzer Tezler
- Uzaktan algılama sistemleri ile İstanbul'da atmosferik sınır tabaka ve hava kalitesi etkilerinin araştırılması
Investigation of atmospheric boundary layer and itseffect of air quality based on remote sensing in Istanbul
HANDE TEMUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DENİZ
- Sanayi kaynaklı hava kirliliğinde modellerin kullanımının karar verme sürecindeki rolü
The role of models in terms of decision making in industry based air pollution
EZGİ ERDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR ALP
- Hava kalitesi üzerindeki meteorolojik ve emisyon etkilerinin belirlenmesinde makine öğrenmesi tabanlı meteorolojik normalleştirme yönteminin uygulanması
Application of machine learning-based meteorological normalization to quantify meteorological and emissions impacts on air quality
MUHAMMED DENİZOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DENİZ
- Understanding the dynamics of air pollution during forest fires in Antalya-Manavgat: A WRF-CHEM analysis
Antalya-Manavgat'ta orman yangınlarında hava kirliliğinin dinamiklerini anlamak: WRF-CHEM analizi
YİĞİTALP KARA
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN TOROS
- Evaluation of EMEP SO2 emissions for Turkey using WRF-CMAQ modeling system
Emep SO2 emisyonlarının WRF-CMAQ model sistemi kullanılarak Türkiye için değerlendirilmesi
AMIRHOSSEIN ABDI
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BURÇAK KAYNAK TEZEL