Study of the meteorological mechanisms controlling levels and transport processes of airborne pollen in the atmosphere

Abstract

Aerobiology is the science that focuses on the study of the airborne living organisms (bacteria, fungal spores, pollen, small insects, etc.). The influence of meteorology and climate change on plant phenology include shifts in the timing of the pollination seasons or an increase of the pollen production of different plants. The present study explores the role of meteorological variability in the pollen dynamics. The main standardized pollen parameters (Annual Pollen Integral (APIn), Start, End and Length of the main pollen season) of 22 taxa collected by the Xarxa Aerobiològica de Catalunya (XAC) at 6 stations in Catalonia (Barcelona (BCN), Bellaterra (BTU), Girona (GIC), Lleida (LLE), Manresa (MAN) and Tarragona (TAU)) during the 18-year period from 1994 to 2011, have been considered. Correlations between precipitation, insolation and temperature and the main pollen parameters have been investigated. The results obtained report the synchronism registered in the variations of pollen concentration with precipitation (negative), insolation (positive) and temperature (positive). Temperature was the meteorological variable that showed a greater influence in the pollen production and the timing of the pollen season, being insolation the least one. The Start of the main pollen season was the pollen parameter more correlated with the meteorological variables, especially with winter temperatures. The influence of the climate variability associated with Northern Hemisphere teleconnection patterns (North Atlantic Oscillation, Arctic Oscillation and Western Mediterranean Oscillation) over the main pollen parameters has been also investigated. For most of the taxa, positive phases of the 3 climatic indices were related to a decrease in the APIn and an advance and enlargement of the main pollen season. Furthermore, negative phases of the climatic indices were linked to higher pollen production via an increase in rainfall. In order to study the effect of local winds, 12 pollen types with sources are situated near the stations were considered. It was found that a positive correlation, thus an increase of pollen concentration, exists when the wind blows towards the station from the direction of the source location, and negative correlation, meaning dispersion and cleaning processes, results when the wind blows in a direction from the station towards the source of pollen or coming from the sea. This study could also be useful not only to identify and locate airborne pollen sources but to detect changes in land uses near the sampling stations.The cleaning and dispersion effect over the pollen concentrations has been observed over the coastal stations (BCN, BTU and TAU) mainly due to the wind induced by the sea breeze effect, and over the inland stations (LLE and MAN) when westerly frontal synoptic situations are produced. Two forecasting models were used to predict the Start of the main pollen season. The first method consists on the cumulative sum of the daily average temperature. The second method consists on a multiple regression using rainfall and temperatures. These two models were tested by computing the discrepancy between the predicted and the observed values by means of the Root Mean Square Error (RMSE). The RMSE ranged from 0.7 days for Pistacia in Manresa, up to 10 days for other taxa and stations. Platanus was the taxon showing the best results for all the stations. Long-range atmospheric transport of pollen over Catalonia has been also investigated, applying the source-receptor model to estimate the source areas of 6 pollen taxa that, not being very abundant in the territory, episodically present high values and hence are susceptible to come from distant sources. Apart from the great scientific interest that lies in the modelling of the source areas, the use of these models can be useful to biologists and allergists in the study and treatment of problems such as respiratory allergies.

L'aerobiologia és la ciència que estudia els organismes vius aerovagants (bacteris, espores, pol·len, petits insectes, etc.). L'aerobiologia inclou una sèrie d'especialitats com ara la física d'aerosols, la biometeorologia, la fisiologia respiratòria i molts d’altres. La influència de la meteorologia, el clima i el canvi climàtic en els ecosistemes ha estat àmpliament reconeguda en la literatura en els últims anys. Alguns efectes de la variabilitat climàtica en la fenologia vegetal inclouen canvis en els períodes de pol·linització o un augment de la producció de pol·len de diferents plantes. A més, el pol·len atmosfèric pot considerar-se un indicador molt sensible de la variabilitat climàtica. En aquest sentit, les bases de dades aerobiològiques proporcionen informació útil per comprendre les tendències induïdes pel canvi climàtic. El present estudi explora el paper de la variabilitat climàtica i meteorològica en la dinàmica del pol·len. El principals paràmetres de pol·len (Annual Pollen Integral (APIn), i l’inici, el final i la durada del període de pol·linització) per a 22 tàxons recollits per la Xarxa Aerobiològica de Catalunya (XAC) a 6 estacions de Catalunya (Barcelona (BCN), Bellaterra (BTU), Girona (GIC), Lleida (LLE), Manresa (MAN) i Tarragona (TAU) durant els anys 1994 – 2011, han estat l’objecte de l’estudi. S'ha investigat la correlació entre precipitació, insolació i temperatura i els principals paràmetres de pol·len. Considerant que el període de pol·linització de la majoria dels tàxons a Catalunya comença a la primavera i s’estén fins a l’estiu o la tardor, també es van calcular les correlacions entre els paràmetres de pol·len i els valors hivernals (de desembre a març) de les variables meteorològiques. Els resultats obtinguts mostren el sincronisme registrat entre la concentració de pol·len i la precipitació (negativa), la insolació (positiva) i la temperatura (positiva). La temperatura va ser la variable meteorològica que va mostrar una major influència en la dinàmica del pol·len, sent la més baixa la insolació. L’inici del període de pol·linització va ser el paràmetre més correlacionat amb les variables meteorològiques, especialment amb les temperatures hivernals. També s'ha investigat la influència de la variabilitat climàtica associada als principals modes de circulació de l'Hemisferi Nord (Oscil·lació de l'Atlàntic Nord, oscil·lació Àrtica i oscil·lació de la Mediterrània Occidental) sobre els principals paràmetres de pol·len. Per a la majoria dels tàxons, les fases positives dels 3 índexs climàtics es van relacionar amb una disminució de l'APIn i una anticipació i extensió del període de pol·linització. A més, les fases negatives dels índexs climàtics es van associar a una major producció de pol·len a causa de l'augment de la pluja. No es va observar una clara relació entre els índexs climàtics i el final del període de pol·linització. Per estudiar l'efecte dels vents locals, es van considerar 12 tipus de pol·len amb fonts situades a prop de les estacions. Es va trobar que hi ha una correlació positiva, es a dir un augment de la concentració de pol·len, quan el vent bufa cap a l’estació des de la localització de la font, i una correlació negativa, es a dir processos de dispersió i neteja, resultat del vent que bufa de l’estació cap a la font del pol·len o venint del mar. Aquest estudi també podria ser útil no només per identificar i localitzar fonts de pol·len, sinó per detectar canvis en els usos del sòl a prop de les estacions de mostreig. L'efecte de neteja i dispersió de les concentracions de pol·len s'ha observat a les estacions costaneres (BCN, BTU i TAU), principalment a causa del vent induït per l'efecte de la brisa marina i sobre les estacions interiors (LLE i MAN) quan es produeixen situacions sinòptiques frontals de l’oest. Dos models de pronòstic s’han utilitzat per predir l'inici del període de pol·linització. Tenint en compte que la temperatura és el factor primari que afecta la floració, el primer mètode consisteix en la suma acumulada de la temperatura mitjana diària des de una data inicial calculada estadísticament i per sobre d’un llindar tèrmic. El segon mètode consisteix en una regressió múltiple amb precipitacions i temperatures. Aquests dos models es van provar calculant la discrepància entre els valors previstos i els observats mitjançant diferents mètriques quantitatives que s'utilitzen habitualment per provar el comportament dels models. L'error quadràtic mitjà va oscil·lar entre els 0,7 dies per a Pistacia a Manresa, fins a 10 dies per a altres tàxons i estacions. Platanus va ser el taxó que va mostrar els millors resultats per a totes les estacions. També s'ha investigat el transport atmosfèric de pol·len de gran abast a Catalunya. El model de font-receptor es va aplicar per estimar les àrees d'origen de 6 tàxons que no són molt abundants al territori, però presenten episodis puntuals de concentracions elevades i, per tant, són susceptibles de procedir de fonts llunyanes: Ambrosia, Betula, Corylus, Fagus, Fraxinus i Olea. A part del gran interès científic que resideix en la modelització de les àrees d'origen, l'ús d'aquests models pot ser útil per a biòlegs, al·lergòlegs i responsables de qualitat ambiental en l'estudi i tractament de problemes com les al·lèrgies respiratòries