Novel large-eddy simulation modelling for urban air quality

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7276-50-1
Title: Novel large-eddy simulation modelling for urban air quality
Author: Kurppa, Mona
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Ilmakehätieteiden keskus (INAR)
Doctoral Programme in Atmospheric Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-12-17
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7276-50-1
http://hdl.handle.net/10138/321947
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Exposure to outdoor air pollution is a major environmental threat causing around 3 million premature deaths worldwide yearly. Particularly, aerosol particles are detrimental to human health. Urban areas are marked by both high population densities and degraded air quality due to high anthropogenic emissions and limited ventilation of air pollutants from the street level, making the study of urban air quality crucial. Urban air quality results from a complex interplay of meteorology, background concentrations, emissions, and chemical and physical processes of air pollutants. Yet, the lack of building-resolving neighbourhood-scale open-access numerical methods has been the bottleneck for properly solving these interactions. To narrow this gap, the main aim of my thesis is to embed the aerosol module SALSA into a large-eddy simulation (LES) model PALM to correctly simulate urban air quality. We evaluate the new PALM-SALSA model in Cambridge, UK, and Helsinki, Finland, against comprehensive aerosol particle measurements, and assess the role of different aerosol processes and boundary conditions on the pollutant concentrations in the time scale of one hour. Further, the influence of urban planning on local pollutant concentrations along boulevard-type streets is examined in real scenarios in Helsinki. The PALM-SALSA model captures well both the horizontal and vertical distribution of aerosol particle concentrations and number size distributions in an urban environment. Incorporating aerosol processes to PALM is important for correctly simulating air quality, as we show that dry deposition of particles on vegetation and other surfaces decreases number concentrations by up to 20%, whereas condensation and dissolutional growth increase aerosol mass by over 10%. Still, dispersion and emissions govern concentration fields, and thus setting the correct model boundary conditions is a determining factor. Concentration fields at street level are sensitive to the atmospheric stability and wind speed, and vertical dispersion especially to the wind direction. Furthermore, my work demonstrates how choices in urban planning can favour local air quality conditions and how particularly height variation of buildings and trees is preferential for street-level air quality and ventilation. This thesis introduces a novel, open-access model for high-resolution urban aerosol simulations, and the first LES studies on the role of urban planning on air quality and ventilation in entire neighbourhoods. Along with research purposes, the model is suited to supporting urban planning and producing data for exposure studies and monitoring network development.Altistuminen ilmansaasteille, etenkin aerosolihiukkasille, on yksi terveydelle haitallisimmista ympäristöongelmista, johtaen vuosittain noin kolmeen miljoonaan ennenaikaiseen kuolemaan. Kaupunkialueita yhdistää paitsi korkea väestöntiheys myös heikentynyt ilmanlaatu runsaiden tieliikennepäästöjen sekä katukuilujen ja sisäpihojen heikentyneen 'tuulettumisen' vuoksi. Rakennukset ja kasvillisuus muokkaavat ja hidastavat tuulen virtausta ja näin ollen myös ilmansaasteiden leviämistä. Kaupunki-ilmanlaatu määräytyykin useiden eri tekijöiden, mukaan lukien vallitsevien sääolojen, päästöjen, taustapitoisuuksien ja ilmansaasteiden muuntuman, vuorovaikutuksesta. Numeerinen mallinnus soveltuu parhaiten näiden vuorovaikutusten ratkaisemiseen, mutta sopivia menetelmiä ei kuitenkaan ole ollut aiemmin saatavilla. Päätavoitteenani tässä väitöskirjassa on ollut kehittää tarkkaa kaupunki-ilmanlaatumallia lisäämällä ilmakehän aerosolihiukkasia kuvaava SALSA-malli PALM-malliin, joka perustuu LES-mallinnukseen (Large-Eddy Simulation, suomeksi suurten pyörteiden simulaatio). Arvioimme uuden mallin toimintakykyä Helsingissä sekä Cambridgessä, Englannissa, kattavia aerosolihiukkasmittauksia vasten. Lisäksi tarkastelemme aerosolihiukkasten muuntuman ja mallin reunaehtojen merkitystä pitoisuuskenttiin tunnin aikaskaalassa. Sovellamme mallia kahdessa eri kaupunkisuunnittelukysymyksessä tutkimalla suunnitteluratkaisujen vaikutuksia ilmansaasteiden tuulettumiseen ja katutason pitoisuuksiin kaupunkibulevardeilla. SALSA:n tuottama pitoisuusvaihtelu kaupunkiympäristössä vastaa hyvin mitattuja arvoja sekä vaaka- että pystysuunnassa. Hiukkasprosessien huomiominen PALM-mallissa on olennaista ja osoitamme hiukkasten asettumisen erilaisille pinnoille vähentävän aerosolihiukkasten kokonaislukumäärää kaupunkiympäristössä maanpinnan lähellä jopa 20%, kun taas kaasujen tiivistyminen lisää hiukkasmassaa yli 10%. Kuitenkin pienhiukkasten leviäminen ja niiden päästöt hallitsevat pitoisuuksia. Näin ollen mallin reunaehdot tulee asettaa mahdollisimman totuudenmukaisesti. Katutasossa ilmansaasteiden pitoisuuskentät ovat herkkiä etenkin ilmakehän kerrostuneisuudelle, tuulensuunnalle ja -nopeudelle. Sekä rakennusten ja puiden korkeusvaihtelu tehostaa katukuilujen tuulettumista ja parantaa katutason ilmanlaatua. Tämä väitöskirjatyö esittelee uuden, avoimesti saatavilla olevan mallinnustyökalun ja ensimmäiset LES-tutkimukset kaupunkisuunnittelun vaikutuksesta kaupunkibulevardien ilmanlaatuun. Mallia voidaan näin ollen hyödyntää kaupunkisuunnittelun tukena sekä tuottamaan aineistoa ilmansaasteiden altistustutkimukseen ja mittausverkoston kehittämiseen.
Subject: ilmakehätieteet
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
kurppa_mona_dissertation_2020.pdf 10.28Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record