Development and evaluation of a street-scale air quality modelling system for the city of Barcelona

Abstract

Air pollution is known to cause detrimental health effects in cities and specially on the most vulnerable population. Having access to reliable air pollutant concentration data at street-level in urban areas can be crucial to mitigate the problem. In this thesis a street-scale air quality modelling system for the city of Barcelona (Spain) has been developed, evaluated and applied to an impact study. Aiming to produce more accurate air pollutant concentrations at street-level, we coupled a mesoscale air quality modelling system (CALIOPE) with an urban dispersion model (R-LINE). The developed modelling system, CALIOPE-Urban, incorporates novel methodologies to combine regional- to street-scale models. We faced two main methodological challenges in this thesis. First, the Gaussian dispersion model R-LINE was initially developed for open roads while Barcelona is a very built-up city, where diverse geometrical patterns cohabit. In order to apply R-LINE over Barcelona its meteorology has been adapted to street canyons. Second, the mesoscale meteorology and chemistry outputs of CALIOPE had to be adapted to drive pollutant dispersion and provide background concentrations to R-LINE, respectively. As a consequence, we developed a new methodology to calculate background concentrations at roof-top level and a vertical mixing parametrization to combine them with street-level freshly emitted pollutants. The vertical mixing parametrization considers urban geometry and atmospheric stability to calculate surface level background concentrations. In order to estimate turbulent parameters within a street canyon we built a new method to estimate local surface roughness specific for each street. In the first evaluation, we aimed to give a more accurate representation of NO2 spatio-temporal variability across Barcelona city with CALIOPE-Urban than with the mesoscale system alone. The temporal variability has been evaluated using measurements from five traffic sites and one urban background site for April-May 2013 and we have found that CALIOPE-Urban gives a better agreement in traffic sites. The evaluation of the spatial variability has been carried out using 182 passive dosimeters that were distributed across Barcelona during two weeks for February-March 2017. CALIOPE-Urban has also shown a more realistic distribution than the mesoscale system. In the second evaluation, we have evaluated CALIOPE-Urban results using measurements of horizontal and vertical BC concentration profiles from an experimental campaign from 2016 and 2017. At the horizontal profiles, we have found that the model reproduces the profile shape well and a pronounced fall-off within the initial 5-10 m, which is steeper in the observations. The model has generally reproduced the homogeneity of the vertical observed profile well. We have identified that our methodology to estimate vertical mixing gives a better performance in street canyons than in open roads. In the application, CALIOPE-Urban at 20 m horizontal resolution has been used to study the impact of excess diesel light duty vehicles (LDV) NOx emisson air quality in Barcelona city in comparison with CALIOPE at 4 km and 1 km resolutions. Results have shown that NOx traffic emissions in Barcelona city would decrease about a 30% if diesel LDV would comply with the EU legal limits. As a consequence, NO2 concentrations at street-level would be reduced about about 14% using CALIOPE 4 km, 17% using CALIOPE 1km, and 20% using CALIOPE-Urban. In summary, the works carried out in this thesis produced very valuable results for a better understanding of street-level air pollution dynamics in Barcelona city. The application of a street-scale model like CALIOPE-Urban provides better estimates of the impact of specific emission scenarios on the air quality of the city. The methodology of CALIOPE-Urban may be replicated for other cities in the future if the required input data is available.

La contaminación del aire causa efectos perjudiciales para la salud en las ciudades y especialmente en los sectores de la población más vulnerables. Para mitigar este problema, es importante tener acceso a datos fiables de concentración de contaminantes en el aire a nivel de calle en zonas urbanas. En esta tesis hemos desarrollado, evaluado y aplicado un sistema de modelización de calidad del aire a escala de calle para la ciudad de Barcelona (España). Para ello, hemos acoplado un sistema de modelización regional de calidad del aire (CALIOPE) con un modelo de dispersión de contaminantes del tráfico rodado (R-LINE). Esta tesis nos ha presentado dos desafíos metodológicos principales. Primero, el modelo de dispersión gaussiano R-LINE se desarrolló inicialmente para zonas abiertas, mientras que Barcelona es una ciudad muy urbanizada, donde conviven calles con diversos patrones geométricos. Para aplicar R-LINE sobre Barcelona, su meteorología se ha adaptado a calles con edificios a ambos lados (tipo cañón urbano). En segundo lugar, hemos adaptado las salidas meteorológicas y químicas del sistema CALIOPE para facilitar la dispersión de contaminantes y proporcionar concentraciones de fondo a nivel de calle en R-LINE. Con ese objetivo, hemos desarrollado una nueva metodología para calcular las concentraciones de fondo por encima de los edificios y una parametrización de la mezcla atmosférica vertical para combinarlas con contaminantes recién emitidos a nivel de calle. En la primera evaluación, nuestro objetivo ha sido proporcionar una representación más precisa de la variabilidad espacio-temporal de NO2 en toda la ciudad de Barcelona con CALIOPE-Urban que con el sistema regional CALIOPE. La variabilidad temporal se ha evaluado utilizando mediciones realizadas en cinco zonas urbanas expuestas a tráfico y en una zona de fondo urbano en Abril-Mayo de 2013. Hemos hallado que CALIOPE-Urban ofrece una mayor precisión cerca del tráfico. Para la evaluación de la variabilidad espacial hemos utilizado las medidas de 182 dosímetros pasivos distribuidos por Barcelona en Febrero-Marzo de 2017. CALIOPE-Urban ha mostrado una distribución más realista que el sistema regional también comparando sus resultados con estas observaciones. En la segunda evaluación, hemos evaluado CALIOPE-Urban utilizando mediciones de perfiles horizontales y verticales de concentración de Carbono Negro (CN) obtenidos durante una campaña experimental en Barcelona. El nuevo conjunto de medidas contiene 29 perfiles de dispersión horizontales de CN y 4 perfiles verticales de CN medidos en entornos urbanos heterogéneos en 2016 y 2017. En los perfiles horizontales, hemos averiguado que el modelo reproduce bien la forma del perfil y la caída pronunciada en los 5-10 m iniciales, aunque esta caída es más pronunciada en las observaciones. El modelo generalmente ha reproducido bien la homogeneidad del perfil vertical observado. Hemos identificado que nuestra metodología para estimar la mezcla atmosférica vertical ofrece un mejor rendimiento en los cañones urbanos que en las zonas abiertas. En la aplicación, hemos utilizado CALIOPE-Urban a 20 m de resolución horizontal para estudiar el impacto del exceso de emisiones de NOx de turismos y furgonetas diésel en el aire de la ciudad de Barcelona en comparación con CALIOPE a 4 km y 1 km de resolución horizontal. Los resultados han demostrado que las emisiones de tráfico de NOx en la ciudad de Barcelona disminuirían aproximadamente un 30 % si los turismos y furgonetas diésel cumplieran con los límites legales de la UE. Como consecuencia, hemos descubierto que las concentraciones de NO2 a nivel de calle se reducirían en aproximadamente un 14 % usando CALIOPE 4 km, un 17 % usando CALIOPE 1km y un 20 % usando CALIOPE-Urban.