Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/13083
Title: Türkiye İçin Nox Emisyon Envanterlerinin No2 Yer Ölçümleri Ve No2 Uydu Verileri Kullanılarak Değerlendirilmesi
Other Titles: Evaluation Of Nox Emission Inventories Using No2 Ground Observations And No2 Satellite Retrievals For Turkey
Authors: Tezel, Burçak Kaynak
Öner, Ecem
10041866
Çevre Bilimleri ve Mühendisliği
Environmental Science and Engineering
Keywords: Omı
No2
Emep
Nox Emisyonları
Omi
No2
Emep
Nox Emissions
Issue Date: 30-Jun-2014
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Abstract: Hava kirliliği gerek insan sağlığına gerekse çevreye olan etkileri yüzünden insanlık tarihi boyunca büyük sorun teşkil etmiştir. Birincil kirleticilerden olan NOx (NO+NO2), artan emisyonları, O3 ve ikincil partiküler madde gibi diğer kirleticiler için öncül olması sebebiyle hala problem yaratmaktadır. Uydu bazlı gözlemler hava kirleticilerinin takip edilerek bu kirleticilerin küresel dağılımı hakkında bilgi vermesi sebebiyle kullanılmaktadır. Bu tezin amacı Türkiye için NOx emisyon envanterlerinin NO2 yer bazlı ölçümleri ve NO2 uydu verileri kullanılarak değerlendirilmesi ve geliştirilmesidir. Bu tip bir çalışma daha önce ülkemiz için yapılmamıştır. Bu kapsamda Türkiye için mevcut iki emisyon envanteri birbiriyle kıyaslanarak aralarındaki benzerlikler ve farklılılar belirlenmiştir. Ayrıca NOx emisyon envanterleri NO2 uydu verileri ve ulaşım, nüfus ve büyük ölçekli termik santraller gibi emisyon parametreleriyle kıyaslanarak aralarındaki benzerlikler ve farklılıklar incelenmiştir. NASA'dan elde edilen OMI NO2 uydu verileri proses edilip ve emisyon envanterleri ile karşılaştırma yapabilmek için sabit mekansal çözünürlüğe çevrilmiş ve NO2 dikey yoğunlukları ağırlıklı ortalama metodu kullanılarak hesaplanmıştır. Bu tez kapsamında kullanılan ilk emisyon envanteri EMEP CEIP, ikinci emisyon envanteri TNO tarafından sağlanmıştır. Türkiye'de bölgesel ve seçili sektörler için envanter çalışmaları yapılmış olmasına rağmen detaylı yayınlanmış ulusal bir envanter olmadığı için EMEP (mekansal çözünürlük: 50×50 km2) ve TNO (mekansal çözünürlük: 7×7 km2) emisyon envanterleri incelenmiştir. EMEP için en güncel yıl olan 2010 yılı emisyonları ve TNO için en güncel yıl olan 2009 yılı emisyonları karşılaştırılmıştır. Çözünürlüğü daha yüksek olan TNO NOx emisyonları EMEP grid sistemine çevrilmiştir. Kıyaslama yapabilmek için OMI'den elde edilen 2010 yılına ait uydu verileri kullanılmıştır. Çalışma yılı olan 2010 için İstanbul (6), Ankara (8), Kocaeli (2), Adana (2), Kayseri and Samsun olmak üzere altı şehirde yirmi yer bazlı NO2 ölçüm istasyonu bulunmaktadır. Bu istasyonlardaki saatlik veriler Ulusal Hava Kalite İzleme Ağı'ndan temin edilerek günlük ve OMI yerel geçiş zamanı için (13:00-14:00) ortalama konsantrasyon değerleri hesaplanmıştır. Ayrıca NO2 ölçüm istasyonları üzerinden geçen NO2 uydu verileri de seçilmiştir. Uydu ve yer bazlı ölçümler için haftalık profiller ve haftasonu/haftaiçi konsantrasyon oranları hesaplanmıştır. EMEP haftasonu/haftaiçi oranları ölçümler için hesaplanan değerlerle kıyaslanmıştır. Uydu verileri nüfusun yoğun olduğu alanlarda yüksek NO2 konsantrasyonları göstermiştir. En yüksek konsantrasyonlar Kasım ayında gözlenmiştir. Belirsizlikler %9-%48 aralığında olup 2010 yılı için ortalama belirsizlik %18 seviyesindedir. En yüksek belirsizlikler kış aylarında gözlenmiştir. TNO ve EMEP emisyon envanterleri kıyaslandığında toplam yıllık emisyonların birbirine benzer olduğu, fakat fosil yakıtların çıkarılması, solvent kullanımı, ulaşım, atık ve tarım sektörlerinden gelen emisyonlarda önemli farklılıklar bulunmuştur. Her iki envanterde de ulaşım, mobil kaynaklar ve enerji sektörleri ana emisyon kaynakları olmakla birlikte emisyon miktarları farklıdır. Tüm çalışma alanı için EMEP ve TNO emisyonları arasındaki korelasyon orta seviyededir (R2=0.39). Envanterler arasindaki en önemli farklardan biri Türkiye’deki termik santrallerden (Kırklareli’nde Hamitabat ve Muğla’da Yatağan-Yeniköy-Kemerköy termik santralleri) TNO'nun aksine EMEP'ten gelen çok yüksek emisyonlardır. Bu iki aykırı grid veri setinden çıkarıldığında korelasyon artmıştır (R2=0.47). Emisyon envanterleri OMI NO2 uydu verileriyle kıyaslandığında, TNO (R2=0.34) EMEP'ten (R2=0.24) daha yüksek korelasyon göstermiştir. EMEP ve TNO emisyon envanterlerindeki her ülke için ulusal toplam emisyonlar hesaplanmış ve ülke seviyesinde kıyaslandığında emisyon envanterleri arasında daha iyi bir korelasyon olduğu saptanmıştır (R2=0.96). Türkiye ve Polonya için EMEP emisyon envanterinde yüksek değerler rapor edilmişken, Bulgaristan ve Ukrayna için TNO emisyon envanterinde yüksek değerler rapor edilmiştir. Ülke seviyesinde uydu verileri ve emisyon envanterleri arasında iyi bir korelasyon gözlenmiştir (R2=0.85). Polonya, İspanya ve Almanya için uydu verileri TNO emisyon envanterine yakındır. Bazı ülkeler ise iki emisyon envanterinde de benzer ulusal toplam emisyonlar rapor edilmesine rağmen NO2/NOx oranları diğer ülkelerden önemli ölçüde farklıdır. TNO ve EMEP emisyon envanterleri özel olarak Türkiye için de incelenmiştir. Tüm çalışma alanı için toplam emisyonların miktarı benzer olmasına rağmen, ulusal seviyede (Türkiye için) EMEP NOx emisyonları TNO emisyonlarına göre %29 daha fazla rapor edilmiştir. En önemli farklılıklar enerji, endüstriyel proseslerde yakma ve ulaşım sektörlerinde gözlenmiştir. NO2 uydu verilerindeki aylık ortalamalar maksimum kışta ve minimum yazda olmak üzere mevsimsel değişim göstermiştir. En yüksek NO2 dikey yoğunlukları Marmara Bölgesi’nde gözlenirken, en düşük değerler Doğu Karadeniz ve Doğu Anadolu'da görülmüştür. EMEP emisyon envanterinde Muğla ve Kırklareli için belirtilen enerji sektörü emisyonlarındaki yüksek değerler ve EMEP'te o kadar yüksek belirtilmemesine rağmen TNO'da İstanbul ve Kahramanmaraş için verilen yüksek emisyonlardan dolayı iki emisyon arasındaki korelasyon düşük bulunmuştur (R2=0.12). Bu aykırı değerler veri setinden çıkarıldığında korelasyon artmıştır (R2=0.37). Türkiye için EMEP NOx emisyonları ayrıca seçilmiş nüfus, trafik yoğunluğu ve büyük ölçekli termik santraller (>50 MW) gibi emisyonlarla ilişkili parametreler ile kıyaslanmıştır. İstanbul, Ankara, İzmir ve Adana gibi yüksek nüfuslu şehirlerin en yüksek emisyonlara sahip olduğu görülmüştür. Trafik yoğunluğunun mekansal dağılımı EMEP ulaşım emisyonlarıyla kıyaslandığında özellikle daha fazla trafiğin gözlendiği bazı il merkezlerinde (örneğin Kırklareli, Denizli, Isparta) farklılıklar gözlemlenmiştir. Buna ek olarak trafik yoğunluğuyla kıyaslandığında emisyonlar geniş alanlara (Türkiye'nin kuzeydoğu kısımları ve güney kısımları) yayılmıştır. Seçilen büyük ölçekli termik santraller (>50 MW) ve bunlara karşılık gelen EMEP NOx enerji sektörü emisyonları karşılaştırıldığında EMEP emisyon envanterinin seçilmiş altı termik santrali kapsamadığı belirlenmiştir. EMEP'te eksik olan termik santraller ayrıca OMI NO2 dikey yoğunluklarıyla da gözlenmiş ve bu veriler TEIAS tarafından rapor edilen kurulum kapasiteleriyle de uyumludur. OMI NO2 dikey yoğunluklarıyla yapılan karşılaştırma Hamitabat (Kırklareli) ve Yeniköy, Kemerköy, Yatağan termik santralleri (aynı EMEP gridinde, Muğla) için verilen emisyonların çok yüksek rapor edildiğini desteklemiştir, çünkü uydu verilerinde o kadar yüksek dikey yoğunluklar gözlenmemiştir.  Türkiye için uydu verileri ve emisyon envanterleri arasındaki kıyaslamada TNO (R2=0.56) EMEP'ten (R2=0.24) daha iyi korelasyon göstermiştir. Aykırı değerler çıkarıldığında (Muğla ve Kırklareli) korelasyon EMEP için artmıştır (R2=0.48). EMEP ve TNO emisyon envanterleri il toplamları seviyesinde de kıyaslanmış (R2=0.36) ve aykırı değerler çıkarıldığında güçlü bir korelasyon gözlenmiştir (R2=0.85). Daha ayrıntılı inceleme için OMI tarafından belirgin biçimde görülen Adana, Ankara, Bursa, Kocaeli, İstanbul ve İzmir olmak üzere altı il seçilmiştir. Adana, Ankara, Bursa ve Kocaeli'nin toplam emisyonları iki envanterde de birbirine yakındır. Bununla beraber Bursa için EMEP'te rapor edilen toplam emisyon TNO'dan yaklaşık iki kat yüksekken, İzmir için TNO'da rapor edilen toplam emisyon EMEP'ten yaklaşık iki kat yüksektir. Yıllık yer bazlı ölçümler ve yer ölçüm istasyonları üzerinden geçen uydu verileri kıyaslandığında Samsun hariç bu iller için iyi bir korelasyon gözlenmiştir (R2=0.55).  Yıllık EMEP ve TNO toplam SO2 emisyonları, yıllık ortalama SO2 PBL yoğunlukları ile kıyaslanmıştır. En yüksek SO2 yoğunlukları Afşin Elbistan ve Kangal termik santrallerinde gözlenmiştir. Bu durum bu termik santrallerin EMEP emisyon envanterinde rapor edilmemesine rağmen önemli SO2 emisyonlarına sahip olduğunun göstergesidir. Ortalama SO2 PBL yoğunlukları, EMEP ve TNO enerji sektörü SO2 emisyonları ile kıyaslanmıştır. İlk önemli bulgu TNO'nun EMEP'e göre daha yüksek emisyonlar rapor ettiğidir. Ayrıca EMEP'te Afşin Elbistan başta olmak üzere on termik santral için NOx, on iki termik santral için SO2 emisyonu rapor edilmemiştir. SO2 ve NO2 dikey yoğunlukları için SO2/NO2 oranları hesaplanmıştır. Bu oranlara göre en düşük oranlar yakıt tipi doğalgaz olan Gebze Intergen, Ambarlı, Aliağa ve en yüksek oranlar ise yakıt tipi linyit olan Kangal, Çankırı ve Afşin Elbistan termik santralleridir. Sonuç olarak bu tez OMI enstrümanının Türkiye’deki hava kirliliği yüksek bölgeleri ortaya çıkarma kabiliyetini göstermiştir. Sonuçlar ayrıca Türkiye'yi içeren NOx emisyon envanterleri için önemli bulgular göstermiştir. Buna ek olarak NOx kirliliği açısından önemli bölgeler belirlenmiştir. Türkiye’deki emisyon envanterleri, Avrupa’daki gelişmiş ülkelerdeki kadar detaylı ve gerçekçi olmadığı için bu analiz değer taşımaktadır. Daha geniş bir bakış açısıyla uydu verilerinin bu tezdeki gibi farklı coğrafi bölgeler için kullanılarak değerlendirilmesi, geliştirilmiş algoritmalardaki problemlerin belirlenmesinde, veri eldesinde kullanılan varsayımların onaylanmasında da geri dönüşler sağlayacak, uydu verilerindeki belirsizliğinin azaltılmasına ve veri kalitesinin geliştirilmesine katkı sağlayacaktır.
Air pollution has been a great problem during the history of mankind with its effects on human health and the environment. Among the major criteria air pollutants, NOx (NO+NO2) are still an issue with increasing emissions and their contribution to ozone and secondary particulate matter. Satellite based observations have been used for monitoring of the air pollutants that allow give information on the global distribution of these pollutants. The aim of this thesis is to evaluate and improve of NOx emission inventories of Turkey using NO2 satellite retrievals and NO2 ground based observations which was not performed previously. In this context, two available NOx emission inventories were compared with each other, differences and similarities were determined. The NOx emission inventories were also compared with NO2 satellite retrievals and emission parameters such as road transportation, population and large scale powerplants to demonstrate differences and similarities.  OMI NO2 satellite retrievals obtained from NASA were processed and gridded NO2 tropospheric columns were calculated using an area weighted method in order to have consistent spatial resolution for comparison with available emission inventories. The first emission inventory was obtained from EMEP CEIP and the second emission inventory were provided from TNO.  Even though, there were inventory studies performed on regional scales and for specific sectors in Turkey, a national detailed emission inventory is not available. Because of this reason, EMEP (spatial resolution: 50×50 km2) and TNO (spatial resolution: 7×7 km2) emission inventories were investigated. The most recent year of 2010 for EMEP emission inventory and the most recent year of 2009 for TNO emission inventory were compared in this thesis. The TNO NOx emissions were also converted to EMEP grid system. Satellite retrievals obtained from Ozone Monitor Instrument (OMI) for the year 2010 was processed for comparison. Twenty ground-based stations in six provinces have available NO2 observations for the study year 2010 were also included in this thesis. The observation stations are located in İstanbul (6), Ankara (8), Kocaeli (2), Adana (2), Kayseri and Samsun. Hourly data for the available stations were obtained from National Air Quality Monitoring Network and daily averages and OMI crossing time averages (13:00-14:00) were calculated. The OMI NO2 satellite scans overpass the NO2 observation stations were also processed. Weekly profiles and weekend/weekday ratios for ground-based and satellite based NO2 observations were calculated and weekly profiles of EMEP were also compared with observed weekly profiles. The satellite retrievals showed elevated concentrations of NO2 in and around highly populated areas. The highest concentrations were observed in November 2010. Uncertainties were in the range of 9%-48%, and the average uncertainity was calculated as 18% for the year of 2010. The highest uncertainties were observed in winter months. TNO and EMEP emission inventories indicated that the total annual emissions were similar to each other, but the contributions had significant differences for extraction of fossil fuels, solvent use, road transport, waste and agriculture sectors. The relative distributions of different sectors were similar (road transport, mobile sources and energy), however magnitudes were different in both inventories. The correlation between gridded EMEP and TNO emissions for the whole inventory was moderate (R2=0.39). One important difference comes from significant power plant emissions in Turkey (Hamitabat in Kırklareli and Yatağan-Yeniköy-Kemerköy powerplants in Muğla) with very high emissions from EMEP unlike TNO. The correlation increases if these two outliers were removed from the dataset (R2=0.47). When both emission inventories were compared with OMI NO2 retrievals, TNO emissions have higher correlation (R2=0.34) than EMEP (R2=0.24). The national total emissions for each country for EMEP and TNO emission inventories were calculated and the correlations on country level indicated a good correlation (R2=0.96). Emissions of Turkey and Poland were reported higher in EMEP emission inventory, but Bulgaria and Ukraine were reported higher in TNO emission inventory. A good correlation was observed between satellite retrievals and both emission inventories (R2=0.85) on country totals. Satellite retrievals observed were more similar to EMEP emission inventory for Turkey. On the other hand, satellite retrievals were close to TNO emission inventory for Poland, Spain and Germany. Although some countries reported similar national total emissions in both inventories, their satellite NO2/NOx ratios were significantly different than other countries. Then, TNO and EMEP emission inventories were compared specifically for Turkey. Even though, domain-wide total emissions were similar in magnitudes, EMEP reported 29% higher nation-wide emissions than TNO. The maximum sectoral differences were observed in the following sectors: energy, industry processes and road transport. Monthly averages of NO2 retrievals showed a seasonal variability with maximum values during winter and minimum values during summer. The maximum NO2 tropospheric columns were observed over the Marmara region. East Black Sea and part of Eastern Anatolia regions had the minimum values. Because of the overestimations in energy sector emissions in Muğla and Kırklareli in EMEP, and İstanbul and Kahramanmaraş which was not defined as high as TNO in EMEP, correlation of two emission inventories were found low (R2=0.12). After these outliers were removed from the dataset, the correlation was increased (R2=0.37).  For Turkey, EMEP NOx emissions were also compared with selected emission parameters; population, traffic intensity and large-scale power plant (>50 MW) information. The highly populated provinces such as İstanbul, Ankara, İzmir and Adana can be seen as the highest emission areas as well. The spatial distribution of the traffic intensity compared with EMEP transportation emissions showed differences especially in some of the city centers (e.g. Kırklareli, Denizli, Isparta) where more traffic was observed. In addition, the emissions were distributed to larger areas compared to traffic intensity as well (north eastern and southern Turkey). The comparison of the selected large-scale (>50 MW) power plants and corresponding EMEP NOx emission sector (energy) indicated that EMEP emission inventory did not include six of the selected power plants. The missing power plants in EMEP were also observed with high OMI NO2 columns and columns were correlated with reported installed capacities. The comparison with OMI NO2 columns also supported the NOx emission overestimations in Hamitabat (Kırklareli) and Yeniköy, Kemerköy, Yatağan power plants (all located in the same EMEP grid) in Muğla because, satellite did not observe very high values. The correlations between satellite retrievals, and emission inventories for Turkey were calculated and indicated better comparison for TNO (R2=0.56) than EMEP (R2=0.24). After the outliers (Muğla and Kırklareli) were removed, the correlation increased for EMEP (R2=0.48). EMEP and TNO emission inventories were compared for the province totals and correlation coefficient was found as R2=0.36. Also, after removal of the outliers (Kırklareli and Muğla), correlation coefficient significantly increased (R2=0.85). Six provinces were chosen were Adana, Ankara, Bursa, Kocaeli, İstanbul and İzmir, because they were the hotspots visible by OMI instrument. Total emissions of Adana, Ankara, İstanbul, and Kocaeli were close to each other in both inventory. However, total emission of Bursa reported in EMEP approximately two times higher than TNO, total emission of İzmir reported in TNO approximately two times higher than EMEP. The annual averages of ground observations and satellite retrievals overpassing the ground stations were compared and a good correlation (R2=0.55) was found, except for Samsun station. Annual total SO2 emissions for EMEP and TNO were compared with annual average SO2 PBL columns. The highest PBL columns were observed over Afşin Elbistan and Kangal powerplants. This is an indication of these power plants having significant SO2 emissions, even though they were not reported in EMEP. Total SO2 energy sector (S1) NOx and SO2 emissions for EMEP and TNO were compared. The first significant finding was that TNO reported significantly higher emissions than EMEP. There were no reported NOx emissions for ten power plants with the most significant one being Afşin Elbistan powerplant and SO2 emissions for twelve powerplants in EMEP. SO2/NO2 ratios were calculated for SO2 and NO2 tropospheric columns. According to these ratios the lowest ratios were for Gebze Intergen, Ambarlı and Aliağa natural gas power plants and the highest ratios were for Kangal, Çankırı and Afşin Elbistan brown coal power plants. In conclusion, this thesis showed that OMI is able to detect polluted regions in Turkey. Results also indicated important findings on the current NOx emission inventories for Turkey. In addition, the important regions with NOx pollution were demonstrated. The emission inventories in Turkey are not as accurate or detailed like developed European countries and need improvements. Thus this analysis is quite valuable. In a more general perspective, the use of satellite retrievals in similar studies focusing on different geographic regions like this thesis will be helpful for decreasing the uncertainties of the satellite retrievals by supplying feedback on the assumptions of the retrieval algorithm and helping to solve the problems and to improve the algorithms.
Description: Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2014
URI: http://hdl.handle.net/11527/13083
Appears in Collections:Çevre Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Files in This Item:
There are no files associated with this item.


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.