Investigation of the change of NO2 pollution during the pandemic period using satellite retrievals in Marmara region

Abstract

Air pollution has been a great problem during the history of mankind with its effects on human health and the environment. Among the major air pollutants, nitrogen oxides (NOx=NO+NO2) are still an issue with significant emissions, and their contribution especially on urban areas to ozone (O3) and secondary particulate matter formation. Satellite-based measurements have been used for monitoring of the air pollutants for obtaining information on the global distribution of these pollutants in the last decade, and their performance was increased in terms of both resolution and data reliability. In addition to being a leading country in Europe and Asia with its increasing industry and population, Turkey is struggling with air pollution with high ambient levels. Past studies showed that air pollution reaches dangerous concentrations, especially in city centers. This thesis aims to analyze the NO2 pollution in the Marmara Region, which is the most populated and developed Region of Turkey, with the help of satellite retrievals and ground-based measurements. The effect of human activities and restrictions on NO2 during the pandemic period, which is the study time interval, was also examined, and the study showed the effects of urbanization, industrialization, increasing human population, and the NO2 pollution of these parameters. A deductive approach was used in the study and Turkey, Marmara Region, and Istanbul province were examined in terms of NO2 pollution with detailed analyses, respectively. With this aspect of the study, both the high-resolution data technology of the TROPOMI instrument and the technology of measuring large areas were used. These measurements were supported by the ground-based measurements, the relationship between them was examined and the differences were interpreted. TROPOMI is an instrument onboard ESA's Sentinel-5. TROPOMI NO2 retrievals obtained from ESA were processed, and gridded monthly NO2 tropospheric columns were calculated to a uniform spatial distribution. In this thesis, both satellite and ground-based measurements were investigated for two years: 2019 and 2020. Differences between the examined periods were analyzed and the effect of restrictions during the pandemic period and different urban indicators (such as traffic density or natural gas usage for domestic heating) on NO2 pollution was examined. Ground-based measurements were also used for Marmara Region, which are located in provinces of Istanbul, Kocaeli, Bursa, Canakkale, Balikesir, Sakarya, Tekirdag, Yalova, Edirne, Bilecik and Kırklareli. Ground-based measurements were selected according to the overpass time (around local time 13:00) of TROPOMI. Also, the Marmara Region, which is the study area, was divided into 1×1 km2 grids and satellite retrievals were selected only for the grids which have urban residences and 1 km around them for further comparison with ground-based measurements. All the data used in the study were eliminated according to the measurement criteria determined by the ESA, the days deemed invalid for comparison (with less than 75% data) were eliminated, and the data obtained as a result of the process were processed and/or visualized with programming and mapping programs, and possible errors were analyzed and interpreted. Firstly, national NO2 pollution levels over Turkey were examined. As a result of the examinations performed using satellite retrievals, Marmara was found to be the most polluted Region of Turkey in terms of NO2 pollution. The most polluted provinces are Istanbul, Kocaeli, Ankara, and Izmir, and for Marmara Region, those are Istanbul, Kocaeli, Bursa, and Yalova, respectively. It was found that the winter months have noticeably higher values than the summer months of 2019 and 2020 possibly because of domestic heating in period and meteorological factors, and the most polluted month is November 2019 for all of Turkey. In addition, it has been observed that NO2 pollution in various cities in Turkey, especially in Mugla, during the summer months is equivalent to and sometimes higher than, the crowded provinces due to point sources such as thermal power plants. When an analysis was made based on districts with the clustering method using monthly averaged measurements, it was seen that the districts of the provinces with dense vehicles and populations such as Istanbul were included in the same cluster. In addition, it has been observed that the central districts of cities with less population have close pollution and show the same seasonal variation. When the same clustering method was performed using ground-based measurements and satellite retrievals separately, it was seen that the ground-based measurements did not show seasonality, and many Regions were found to have high NO2 pollution levels whereas satellite retrievals were clustered as less polluted. As a result of the correlation analysis performed using satellite retrievals and ground-based measurements, it was observed that Ground-based measurements of the Marmara Region were not correlated with satellite retrievals. They were measuring lower signals than satellite retrievals in the time intervals when the data was not missing. Especially the low correlation values of the stations in the densely populated areas have revealed that the difference in the NO2 pollution measurements of the Region is high and that improvements should be made. With the statistical analyses performed, it was observed that the highest rate of change was observed in the Istanbul Region and the NO2 pollution decreased by 60% for March, April, November, and December months compared to the previous year. When comparing the same months of 2019 and 2020 throughout Turkey decrease rates were found to be decreased in direct proportion as the population and industrialization rates of cities, while increases were seen in some eastern provinces of Turkey such as Mugla and Aydin. It is thought that the most important reason for these increases, which are intense in the winter period, is the decrease of seasonal temperatures. Both satellite retrievals and ground-based measurements showed elevated concentrations of NO2 in and around highly populated areas. When the pollution changes of the Marmara Region were examined during the COVID-19 pandemic, the effects of human behavior on pollution were observed, especially in the days of full restriction and in the associated months. Districts grouped by clustering method, from districts with dense industry to districts with high population, were interpreted with the help of these groups and examined in terms of both provincial and urban status during the pandemic period. The study has shown that situations such as domestic heating, a change in the number of vehicles, and the closure of some businesses have caused a visible effect on NO2 pollution. During the study period, a comparison was made between the pre-pandemic period and the pandemic period for the densely populated cities of Marmara provinces. As a result of the comparison, a decrease in NO2 pollution was observed in the districts, especially in November and December 2020 (weekend curfew period) compared to November and December 2019. As a result of the calculations, the decrease between 10-20% is proportional to the population. Lastly, urban indicators and NO2 pollution in Istanbul were also examined in detail for 2019. As a result of the correlations made with indicators such as population, natural gas use, socio-economic status of the districts, a high correlation was found between NO2 pollution and population and natural gas use (R = 0.81 and 0.83 respectively), and a moderate correlation between socio-economic score (R = 0.35). The fact that the strong relationship between urban indicators and NO2 pollution is high in mega cities such as Istanbul results in taking precautions, and making more detailed analyses. As shown in the thesis, Istanbul is the largest province in the whole of Europe in terms of population, urbanization, and traffic, and the study showed the NO2 pollution that the people of Istanbul are exposed to in daily life under these conditions, district by district. In addition, in this section, the correlation between ground-based measurement and satellite retrievals in Istanbul were examined, and it was understood that the Ground-based measurements had lower levels than satellite retrievals in many districts. These low levels, especially in regions with high population and vehicle traffic, were attributed to the non-representativeness of the ground-based measurements. As a result of the study, the highest NO2 values in Istanbul were found as 6.44×1015 molecules/cm2 (Gungoren) and 94.12 μg/m3 (Aksaray) annual average on a monthly basis satellite retrievals and ground stations, respectively. The results showed the extent of NO2 pollution in Istanbul, proved to be directly related to urban factors, and created an initial analysis for future studies to be repeated in more detail for the future years. In conclusion, this thesis showed TROPOMI can detect temporal variation of NO2 pollution over different districts, and the impact of COVID-19 pandemic restrictions over Turkey, specifically in Marmara Region. The results also gave important information about the evaluation and status of ground-based measurements, the relationship between urban indicators and NO2 pollution, and the changing NO2 pollution during the pandemic period. The thesis also showed that NO2 pollution in dense urban areas decreased during the pandemic period with the help of satellite retrievals. The study examined important points in this respect and prepared a basis for future studies and it explained, interpreted, and discussed the seasonal distribution of pollution and the effects of the districts with statistical analyses and spatial distribution of NO2. This thesis is the first study in terms of applied Region, high-resolution satellite retrievals, and time interval.

Hava kirliliği, insan sağlığı ve çevre üzerindeki etkileri ile insanlık tarihi boyunca büyük bir sorun olmuştur. Başlıca hava kirleticileri arasında olan NOx (NO+NO2), artan emisyon değerleri ve özellikle kentsel alanlarda O3 ve ikincil partikül madde oluşumuna etkisi yüzünden büyük bir sorun olmaya devam etmektedir. Son on yılda bu kirleticilerin küresel dağılımı hakkında bilgi veren hava kirleticilerinin izlenmesi için uydu verileri kullanılmaya başlanmış ve hem çözünürlük hem de veri güvenilirliği acısından performansları artmıştır. Uydu verilerinin kullanımı oldukça etkili olsa da geliştirilmesi ve tam performans alınması için yer ölçüm istasyonları ile birlikte kullanılmasının daha etkili olduğu görülmüştür. Türkiye artan sanayisi ve nüfusu ile Avrupa ve Asya kıtalarında ileri gelen bir ülke olmasının yanı sıra yüksek değerlere sahip hava kirliliği ile mücadele etmektedir. Yapılan geçmiş çalışmalar hava kirliliğinin özellikle şehir merkezlerinde tehlikeli konsantrasyonlara ulaştığını göstermekte ve bu hususta yapılan geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Bu tezin amacı, Türkiye'nin en kalabalık ve gelişmiş bölgesi olan Marmara bölgesindeki NO2 kirliliğini uydu verileri ve yer ölçüm istasyonları yardımıyla analiz etmektir. Çalışma zaman aralığı olan pandemi döneminde insan faaliyetleri ve kısıtlamaların NO2 üzerindeki etkisi de incelenmiş ayrıca çalışma kentleşme, sanayileşme, artan insan nüfusu ve bu parametrelerin NO2 kirliliğine etkisini göstermiştir. Çalışmada tümdengelim yaklaşımı kullanılmış ve sırası ile Türkiye, Marmara Bölgesi ve İstanbul şehri detaylı analizler ile NO2 kirliliği acısından incelenmiştir. Çalışmada bu yönü ile hem TROPOMI enstrümanının yüksek çözünürlüklü veri teknolojisi hem de geniş alanları ölçebilme teknolojisi kullanılmıştır. Yapılan bu ölçümler, yer ölçüm istasyonu verileri ile desteklenmiş aralarındaki ilişki irdelenmiş ve farklar yorumlanmıştır. ESA'nın Sentinel-5 uydusunda yer alan ve NO2 ölçümleri için kullanılabilen bir enstrüman olan TROPOMI verileri ve T.C. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı'nın yer ölçüm istasyonlarının mevcut verileri bu çalışmada karşılaştırılmıştır. Tezde 2019 ve 2020 yılları için hem uydu hem de yer ölçüm verileri seçilmiştir. İncelenen zaman periyotları arasındaki farklar analiz edilmiş ve farklı kentsel faktörlerin (pandemi döneminde uygulanan kısıtlamalar gibi) NO2 kirliliği üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bir bölge ve 11 il için yer ölçüm istasyonu verisi kullanılmıştır. Çalışmada incelenen şehirler İstanbul, Kocaeli, Bursa, Çanakkale, Balıkesir, Sakarya, Tekirdağ, Yalova, Edirne, Bilecik ve Kırklareli'dir. Yer ölçüm verileri bölge için Sentinel-5 uydusunun geçiş saatine (13 :00) göre seçilmiştir. Ayrıca çalışma alanı olan Marmara bölgesi 1×1 km2'lik gridlere ayrılmış ve uydu verileri kentsel alanlarda NO2'nin en önemli kaynağının evsel ısınma ve kara araçları olması sebebi ile sadece kentsel konutların bulunduğu ve 1 km civarındaki gridler seçilmiştir. Çalışmada kullanılan tüm veriler ESA'nın belirlediği ölçüm kriterlerine göre elendikten sonra kıyaslama için geçersiz sayılan günler (%75'ten az veriye sahip) elenmiş ve eleme işlemi sonucu elde kalan veriler programlama ve haritalandırma programları ile işlenmiş ve/veya görselleştirilmiş ayrıca olası hatalar analiz edilmiş ve yorumlanmıştır. Uydu verileri kullanılarak yapılan incelemeler sonucunda, Marmara'nın NO2 acısından Türkiye'nin en kirli bölgesi olduğu ve en kirli illerinin sırasıyla İstanbul, Kocaeli, Bursa ve Yalova olduğu, Tüm Türkiye için ise bu illerin İstanbul, Kocaeli, Ankara ve İzmir olarak sıralandığı tespit edilmiştir. 2019 ve 2020 döneminde kış aylarının evsel ısınma nedeniyle yaz aylarına göre belirgin şekilde daha yüksek değerlere sahip olduğu ve hemen hemen tüm Türkiye için en kirli ayın Kasım 2019 olduğu tespit edilmiştir. Bunun yanı sıra yaz mevsimi aylarında Türkiye'de Muğla basta olmak üzere çeşitli şehirlerde NO2 kirliliğinin termik santraller gibi noktasal kaynaklar yüzünden kalabalık şehirlere denk hatta zaman zaman daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Kümeleme yöntemi ile ilçe bazında bir analiz yapıldığı zaman görülmüştür ki İstanbul gibi yoğun araç ve nüfusa sahip şehirlerin ilçeleri aynı kümeye dahil olmuştur. Bunun yanı sıra daha az nüfusa sahip şehirlerin merkez ilçelerinde yakın kirliliğe sahip olduğu ve aynı mevsimsel değişimi gösterdiği gözlemlenmiştir. Uydu verileri ve yer ölçüm istasyonları arasında yapılan korelasyonlar sonucunda Marmara Bölgesi'nin yer ölçüm istasyonlarının uydu verileri ile korele olmadığı bunun yanında verinin eksik olmadığı zaman aralıklarında çok düşük değerler ölçtüğü gözlemlenmiştir. Aynı kümeleme yöntemi yer ölçüm istasyonları ve uydu verileri ile ayrı ayrı yapıldığı zaman yer ölçüm istasyonlarının mevsimsellik göstermediği bunun yanı sıra uydu verilerinde yüksek NO2 kirliliğine sahip olduğu görülen pek çok bölgenin az kirli olarak kümelendiği görülmüştür. Özellikle yoğun nüfusun yasadığı bölgelerdeki istasyonların düşük korelasyon değerlerine sahip olması bölgenin NO2 kirliliği ölçümlerinde hata payının yüksek olduğu ve geliştirmelerin yapılması gerektiği sonucunu ortaya çıkarmıştır. Yapılan istatistiksel analizler ile Türkiye genelinde yapılan 2019 ve 2020 yılları aynı aylarının kıyaslanmasında en yüksek değişim oranının İstanbul bölgesinde görüldüğü ve NO2 kirliliğinin bazı aylarda (Mart, Nisan, Kasım ve Aralık) bir önceki seneye göre %60 düştüğü gözlemlenmiştir. Bu düşüş oranları şehirlerin nüfus ve sanayileşme oranları düştükçe doğru orantılı olarak azalmakta Türkiye'nin bazı doğu illerinde ise artışlar görülmektedir. Kış döneminde yoğun olan bu artışların en önemli sebebinin mevsime bağlı sıcaklık derecelerindeki düşüş olduğu düşünülmüştür. Hem uydu hem de yer ölçümleri, yoğun nüfuslu alanlarda ve çevresinde yüksek NO2 konsantrasyonları göstermiştir. Marmara Bölgesi'nin COVID-19 pandemisi sırasında kirlilik değişimleri incelendiği zaman özellikle tam kısıtlama olan günlerde ve takip eden aylarda insan davranışlarınım kirlilik üzerinde etkileri görülmüştür. Yoğun sanayiye sahip ilçelerden yüksek popülasyona sahip ilçelere kadar kümeleme yöntemi ile gruplandırılan ilçeler bu gruplar yardımı ile yorumlanmış ve hem il hem ilce değişimi Pandemi döneminde incelenmiştir. Çalışma göstermiştir ki evsel ısınma, araç kullanım sayılarının artması, bazı işletmelerin kapatılması gibi durumlar NO2 kirliliğine gözle görülebilir etkiye sebep olmuştur. Çalışma suresinde Marmara İllerinin yoğun nüfusa sahip şehirleri için pandemi öncesi donem ve pandemi donemi ayları arasında karşılaştırma yapılmıştır. Karşılaştırma sonucunda ilçelerin özellikle 2020 Kasım ve Aralık aylarında (hafta sonu sokağa çıkma yasağı olan donem) 2019 yılı Kasım ve Aralık aylarına göre NO2 kirliliğinde düşüş gözlemlenmiştir. Aynı düşüş oranları ilk kapanma donemi olan Mart ve Nisan donemi içinde gözlemlenmiş olsa da özellikle evsel ısınmanın önemli bir kaynak olduğu kış aylarında yapılan incelemeler pandemi dönemi ve NO2 kirliliği hakkında daha detaylı sonuçlar vermiştir. Yapılan hesaplamalar sonucunda %10-20 arasında düşüş pek çok ilçede nüfus ile orantılıdır. Özellikle ilce bazında yapılan incelemelerde yoğun nüfusun yanında ulaşım ve sanayi merkezleri olarak bilinen (örneğin İstanbul Kadıköy ve Kocaeli Dilovası) ilçelerde pandemi nedeni ile görülen yüksek düşüş oranları kırsal veya düşük nüfuslu kentsel bölgelerde gözlemlenmemiş hatta bazı aylarda artışlar görülmüştür. Çalışmada ayrıca 2019 yılı için İstanbul kentindeki kentsel faktörler ve NO2 kirliliği de incelenmiştir. İlçelerin nüfus, doğalgaz kullanımı, sosyo-ekonomik durumu gibi göstergelerle yapılan korelasyonlar sonucunda NO2 kirliliği ile nüfus ve doğalgaz kullanımı arasında (sırasıyla R = 0.81 ve 0.83) ve sosyo-ekonomik puan arasında (R = 0.35) yüksek korelasyonlar bulunmuştur. Kentsel indikatörler ve NO2 kirliliği arasındaki güçlü ilişkinin İstanbul gibi mega şehirlerde yüksek olarak görülmesi, önlem alınması ve daha detaylı analizlerin yapılması sonucunu çıkarmaktadır. Tezde gösterildiği gibi İstanbul gerek nüfus gerek kentleşme gerekse trafik acısından Avrupa'da en büyük şehirdir ve çalışma bu koşullar altında İstanbul halkının gündelik hayatta maruz kaldığı NO2 kirliliğini ilce bazında göstermiştir. Ayrıca bu bölümde İstanbul'daki yer ölçümü ile uydu verileri arasındaki korelasyon incelenmiş ve birçok ilçede yer ölçüm verilerinin uydu verilerine göre daha düşük değerlere sahip olduğu anlaşılmıştır. Bu düşük değerler özellikle nüfus ve araç trafiğinin yoğun olduğu bölgelerde yer ölçüm istasyonlarının hatası olarak değerlendirilmiştir. Çalışma sonucunda İstanbul'da en yüksek NO2 değerleri ay bazında yıllık ortalama cinsinden uydu verisi ve yer ölçüm istasyonları için sırasıyla 6.44×1015 molekül/cm2 (Güngören) ve 94.12 μg/m3 (Aksaray) olarak bulunmuştur. Sonuçlar İstanbul'un NO2 kirliliğinin boyutlarını gösterdiği gibi kentsel faktörler ile doğrudan ilişkisi olduğunu kanıtlamış ve gelecek çalışmaların daha detaylı tekrarlanması için altyapı oluşturmuştur. Sonuç olarak, bu tez TROPOMI'nin Türkiye'de NO2 kirliliğini tespit edebildiğini ve zaman ile değişiminin hem uydu hem yer ölçümü istasyonu analizleri ile göstermiştir. Sonuçlar ayrıca yer ölçüm istasyonlarının durumu hakkında bilgi vermiştir. Tez ayrıca yoğun kentsel bölgelerin pandemi döneminde NO2 kirliliğinin azaldığını uydu verileri yardımı ile göstermiştir. Ayrıca kirliliğin mevsimsel dağılımı ve ilçelerin etkilenme durumlarını istatistiksel analizler ve görseller ile açıklanmış, yorumlanmış ve tartışılmıştır. Çalışma bu açıdan önemli noktaları irdelemiş ve gelecek çalışmalar için altyapı hazırlamıştır. Kentsel göstergeler ile NO2 kirliliği arasındaki ilişki ve pandemi döneminde değişen NO2 kirliliği hakkında önemli bilgiler sunan bu tez, uygulanan bölge, yüksek çözünürlüklü veriler ve zaman aralığı acısından yapılmış ilk çalışmadır.