Neste trabalho, investiga-se o impacto de diferentes cenários de inventários de emissões veiculares na qualidade do ar nas regiões metropolitanas de São Paulo, Baixada Santista, Vale do Paraíba, Sorocaba e Campinas. A construção de inventários de emissões veiculares bottom-up é complexa, tendo que agregar informações diversas, como a composição da frota veicular (com a distribuição de idade, tipos de veículos, tipos de combustível) e os processos emissores (fatores de emissão para partidas a frio, emissões de escapamento e evaporativas). Além disso, para modelos de qualidade do ar, estas emissões ainda devem ser distribuídas no tempo e no espaço. Os cenários foram construidos utilizando diferentes fontes de dados, destacando-se as simulações de tráfego e contagem de veículos da CET e SPTRANS, e registros de deslocamentos de veículos através de GPS para a distribuição espaço-temporal do fluxo veicular. Para o cálculo de emissões foi desenvolvido um software open source chamado VEIN (Vehicular Emissions Inventories, disponível em https://github.com/ibarraespinosa/vein). As emissões simuladas para as regiões metropolitanas de São Paulo são maiores do que as emissões estimadas pela CETESB para todos os poluentes. A partir destes cenários, foram realizadas simulações de qualidade do ar com o modelo WRF-Chem. Os resultados variam para os diferentes poluentes. De uma forma geral, a variação diurna dos poluentes é bem simulada, mostrando que as emissões estão consistentes. Apesar dos maiores valores de emissão encontrados neste trabalho, as concentrações simuladas dos poluentes primários foi, em média, menor do que as concentrações observadas. Isto provavelmente é decorrente do fato dos ventos simulados serem mais fortes do que os ventos observados. Este trabalho mostra novos métodos para desenvolver inventários de emissões com diferentes dados fornecendo um novo enfoque para compreender os problemas de qualidade do ar. / In this work, the impact of different vehicle emission inventory scenarios on air quality in the metropolitan areas of São Paulo, Baixada Santista, Vale do Paraíba, Sorocaba and Campinas is investigated. The construction of bottom-up vehicular emissions inventories is complex, being necessary to aggregate diverse information, such as the composition of the vehicle fleet (with the distribution of age, types of vehicles, types of fuel) and the emitting processes (emission factors for cold starts, exhaust and evaporative emissions). In addition, for air quality models, these emissions must still be distributed in time and space. The scenarios were constructed using different data sources, highlighting traffic simulations and vehicle counting of CET and SPTRANS, and records of vehicular displacements through GPS for the spatial-temporal distribution of vehicular flow. For the calculation of emissions, an open source software called VEIN (Vehicular Emissions Inventories, available at https://github.com/ibarraespinosa/vein) was developed. The simulated emissions for the metropolitan regions of São Paulo are larger than the emissions estimated by CETESB for all pollutants. From these scenarios, air quality simulations were performed with the WRF-Chem model. The results vary for different pollutants. In general, the daily variation of the pollutants is well simulated, showing that emissions are consistent. Despite the higher emission values found in this work, the simulated concentrations of the primary pollutants were, on average, lower than the observed concentrations. This is probably due to the fact that the simulated winds are stronger than the observed winds. This work shows new methods to develop emission inventories with different data providing a new approach to understanding air quality problems.

Este trabalho teve como objetivo avaliar o impacto da mudança dos fatores de emissão veicular na formação de ozônio troposférico na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), Brasil, comparando os anos de 2004 e 2011. Essa avaliação foi realizada por meio de modelagem numérica com o modelo de qualidade do ar Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem), configurado sobre um domínio com 4 grades aninhadas: 27, 9, 3 e 1 km; e com o mecanismo químico considerado, o RADM2, acionado apenas nas grades de 3 e 1 km. Os inventários de emissão foram baseados em informações estimadas de número de veículos, fatores de emissão de compostos químicos e número médio de quilômetros percorridos por dia pelos distintos tipos de veículos considerados. Os períodos de estudo 06 a 09 de setembro de 2004 e 12 a 15 de novembro de 2011 foram selecionados, principalmente, por apresentarem episódios de altas concentrações de ozônio e pela existência de dados experimentais de determinação de fatores de emissão. Para avaliar a performance das simulações foram utilizados dados observados de temperatura, umidade relativa, vento, concentração de ozônio, óxidos de nitrogênio e monóxido de carbono das estações de qualidade do ar da rede de monitoramento da Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (CETESB). Os resultados mostraram que as configurações físicas e químicas estabelecidas no modelo conseguiram representar adequadamente os ciclos de formação do ozônio, no entanto, com defasagens e intensidades máximas menores, características relacionadas com o cálculo das distribuições espaço/temporal das emissões como também pelo transporte não só do ozônio, mas também de seus precursores desde regiões externas à RMSP. Por outro lado, dadas as características de emissão em 2004 e 2011, encontrou-se que a atmosfera da RMSP estava caracterizada por um regime COV-limitante naqueles anos, principalmente no ano 2004. Finalmente, o cenário de emissão para 2011 considerando os mesmos fatores de emissão de 2004 mostrou um grande impacto na formação do ozônio troposférico, considerando a grade de 1 km de espaçamento. Esse resultado foi 8 produto do estabelecimento de uma razão média COV/NOx mais eficiente em termos de formação de ozônio, apesar das emissões dos seus precursores ter diminuído em relação a 2004. / The objective of this work was to evaluate the impact of vehicular emission factors change on tropospheric ozone formation in the Metropolitan Area of São Paulo (MASP), Brazil for 2004 and 2011. Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem) model was used as the photochemical modeling tool. WRF-Chem was set up to run with four nested grid cells: 27, 9, 3 and 1 km. The Regional Acid Deposition Model (RADM) version 2 was the chemical mechanism considered, turned it on barely in 3 and 1 km grid cells. The emission inventories were based on the estimated information of number of vehicles, emission factors and average driving kilometers for vehicle per day. The study periods September 06-09, 2004 and November 12-15, 2011 were chosen due to the high ozone concentrations observed, and the experimental data available for these periods. Observation of temperature, relative humidity, winds, and O3, CO and NOx concentrations from the air quality monitoring network of Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB) were used to evaluate WRF-Chem simulations performance. The results showed that the chemical and physics configurations in WRF-Chem represented adequately the ozone formation cycles; however, with mismatches and maximum concentrations lower than observations, characteristics related with the estimative of the spatial and temporal distributions of the emissions as well as by the transportation of ozone and its precursors from external regions to MASP. On the other hand, given the characteristics of emission in 2004 and 2011, we found that MASP was under a strong COV-limited regime, principally in 2004. Finally, the scenario considering the emission factor of 2004 valid for 2011 in MASP showed a great impact in tropospheric ozone formation with high concentrations calculated for 2011 considering 1 km grid cell (with the most realistic vehicular activity), as result of a more efficient COV/NOx ratio calculation in terms of ozone formation.

As altas concentrações de ozônio troposférico e outros poluentes constituem riscos à saúde da população da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), sendo regidas por complexos fatores de origem antrópica (como a emissão de poluentes precursores) e natural (como a disponibilidade de radiação solar). Na primeira etapa do estudo, as estações de monitoramento da CETESB foram classificadas de acordo com o uso e ocupação do solo, através de critérios sugeridos pelo OMS, em veicular, comercial, residencial e background urbano. Foi realizada a avaliação de séries temporais, de 1996-2011, medidas em estações da CETESB, principalmente pela comparação do ciclo sazonal de ozônio nas estações com diferentes classificações de uso do solo. A segunda etapa se caracterizou pela realização, no modelo atmosférico WRF/Chem 3.2.1, de testes de sensibilidade, onde alterações nas características de emissão e uso do solo foram realizadas por meio de programas em SIG, configurando diferentes cenários que foram comparados à um cenário de controle, durante um período de intensa insolação na região de estudo (verão de 2014). Os resultados da primeira etapa indicaram concentrações médias de ozônio mais elevadas em estações de uso do solo residencial ou de background urbano (com média mensal mais alta de 57 gm-3 ou 28 ppb em outubro na estação Pico do Jaraguá), e mais baixas em estações com uso do solo veicular e comercial (com média mensal mais baixa de 6 gm-3 ou 3 ppb em junho na estação Lapa); o oposto do verificado para outros poluentes, tanto na escala diurna como na sazonal. Os resultados da segunda etapa (modelagem) demonstraram que o tamanho das áreas onde as emissões antropogênicas veiculares foram alteradas influencia diretamente na intensidade e distribuição espacial das alterações de ozônio e poluentes primários avaliados. Os cenários com redução mais intensa da emissão (100%) também indicaram alterações mais intensas do que os com redução moderada (50%). Os cenários com número total de veículos reduzido apresentaram as reduções mais expressivas de ozônio, com redução média de 18 gm-3 ou 9 ppb durante o dia no cenário que simula um pedágio urbano no centro de São Paulo. A circulação local de brisa marítima foi determinante para o transporte do excesso ou déficit de ozônio e poluentes precursores para diferentes regiões da RMSP. A modificação de uso do solo acarretou em diferentes propriedades termodinâmicas de superfície e emissão de compostos biogênicos associados à formação do ozônio, acarretando em concentrações mais altas dentro das áreas modificadas (com aumento médio de 10 gm-3 ou 5 ppb durante todos os horários do dia no cenário em que se simula a construção de um parque urbano em São Paulo) e transporte para regiões mais distantes. Concluiu-se que, nas condições ambientais e de infraestrutura atuais encontradas na RMSP, a implementação de um parque deverá acarretar na elevação das concentrações médias de ozônio na área alterada (com possíveis impactos de aumento ou redução também em áreas adjacentes e distantes, de acordo com a circulação atmosférica predominante). Sugere-se o foco no transporte público e não motorizado, além do ordenamento adequado do uso e ocupação do solo e políticas de desenvolvimento de combustíveis mais limpos para a mitigação destes problemas e implementação de parques urbanos sem aumento das concentrações de ozônio. / High concentrations of pollutants such as tropospheric ozone pose health risks for the population of the São Paulo Metropolitan Area (SPMA). It is influenced by complex factors from anthropogenic (emission of precursor pollutants) and natural (such as the availability of sunlight) origin, typical of the study region. In the first part of the study, state Environmental Agency (CETESB) monitoring stations were classified per their land use, using WHO criteria, into vehicular, commercial, residential and urban background. Also, pollutant time series from 1996-2011 from these stations were analysed, mainly through the comparison of the ozone seasonal cycle in monitoring stations with different land use classes. The second part of the study was focused on the evaluation in the atmospheric model WRF/Chem 3.2.1, of sensitivity tests, where changes on the emission and land use characteristics were performed in GIS softwares, configuring different scenarios which were compared to a control simulation during a period of intense availability of sunlight in the study region. Results from the first part indicated that higher average ozone concentrations were found in stations with residential and urban background land use classes (with the highest monthly average of 57 gm-3 or 28 ppb in October at Pico do Jaraguá station), and lower in vehicular and commercial stations (with the lowest monthly average of 6 gm-3 or 3 ppb in June at Lapa station), the opposite of what was found for other pollutants, both in the diurnal and seasonal scales. Significant correlations were calculated between stations with similar land use classes. Results from the second part (atmospheric modelling) showed that the size of the altered area strongly impacts the intensity and spatial distribution of the changes simulated for ozone and other primary pollutants evaluated. The scenarios with more intense emission decrease (100%) also indicated more intense changes compared to the scenarios with moderated decrease (50%). Scenarios with decreased total vehicle number also presented significant reduction in ozone, with an average decrease of 18 gm-3 or 9 ppb during the day in a scenario simulating an urban toll in downtown São Paulo. The local sea breeze circulation determined the transport of the excess or deficit of ozone and other precursor pollutants to different regions within the SPMA. Changes in land use induced different atmospheric circulation characteristics by changing the surface thermodynamic properties and by the emission of biogenic compounds which act as precursors for ozone, resulting in higher concentrations within the modified areas (with an increase of 10 gm-3 or 5 ppb during all hours of the day in the scenario which simulates the building of an urban park in Sao Paulo) and transport for more distant areas. As a conclusion, the building of a park within the current infrastructure and environmental conditions in the SPMA should increase average ozone concentrations in the modified areas (with possible impacts of increase and reduction in near and far regions, according to the prevailing atmospheric circulation), specially if it is located relatively near avenues with intense vehicle circulation. We suggest focus on public and non-motorized transport systems, proper land use management and policies for the development of cleaner fuels for the mitigation of these problems and implementation of urban parks without increasing ozone concentrations.

Neste trabalho, investiga-se o impacto de diferentes cenários de inventários de emissões veiculares na qualidade do ar nas regiões metropolitanas de São Paulo, Baixada Santista, Vale do Paraíba, Sorocaba e Campinas. A construção de inventários de emissões veiculares bottom-up é complexa, tendo que agregar informações diversas, como a composição da frota veicular (com a distribuição de idade, tipos de veículos, tipos de combustível) e os processos emissores (fatores de emissão para partidas a frio, emissões de escapamento e evaporativas). Além disso, para modelos de qualidade do ar, estas emissões ainda devem ser distribuídas no tempo e no espaço. Os cenários foram construidos utilizando diferentes fontes de dados, destacando-se as simulações de tráfego e contagem de veículos da CET e SPTRANS, e registros de deslocamentos de veículos através de GPS para a distribuição espaço-temporal do fluxo veicular. Para o cálculo de emissões foi desenvolvido um software open source chamado VEIN (Vehicular Emissions Inventories, disponível em https://github.com/ibarraespinosa/vein). As emissões simuladas para as regiões metropolitanas de São Paulo são maiores do que as emissões estimadas pela CETESB para todos os poluentes. A partir destes cenários, foram realizadas simulações de qualidade do ar com o modelo WRF-Chem. Os resultados variam para os diferentes poluentes. De uma forma geral, a variação diurna dos poluentes é bem simulada, mostrando que as emissões estão consistentes. Apesar dos maiores valores de emissão encontrados neste trabalho, as concentrações simuladas dos poluentes primários foi, em média, menor do que as concentrações observadas. Isto provavelmente é decorrente do fato dos ventos simulados serem mais fortes do que os ventos observados. Este trabalho mostra novos métodos para desenvolver inventários de emissões com diferentes dados fornecendo um novo enfoque para compreender os problemas de qualidade do ar. / In this work, the impact of different vehicle emission inventory scenarios on air quality in the metropolitan areas of São Paulo, Baixada Santista, Vale do Paraíba, Sorocaba and Campinas is investigated. The construction of bottom-up vehicular emissions inventories is complex, being necessary to aggregate diverse information, such as the composition of the vehicle fleet (with the distribution of age, types of vehicles, types of fuel) and the emitting processes (emission factors for cold starts, exhaust and evaporative emissions). In addition, for air quality models, these emissions must still be distributed in time and space. The scenarios were constructed using different data sources, highlighting traffic simulations and vehicle counting of CET and SPTRANS, and records of vehicular displacements through GPS for the spatial-temporal distribution of vehicular flow. For the calculation of emissions, an open source software called VEIN (Vehicular Emissions Inventories, available at https://github.com/ibarraespinosa/vein) was developed. The simulated emissions for the metropolitan regions of São Paulo are larger than the emissions estimated by CETESB for all pollutants. From these scenarios, air quality simulations were performed with the WRF-Chem model. The results vary for different pollutants. In general, the daily variation of the pollutants is well simulated, showing that emissions are consistent. Despite the higher emission values found in this work, the simulated concentrations of the primary pollutants were, on average, lower than the observed concentrations. This is probably due to the fact that the simulated winds are stronger than the observed winds. This work shows new methods to develop emission inventories with different data providing a new approach to understanding air quality problems.

Este trabalho teve como objetivo avaliar o impacto da mudança dos fatores de emissão veicular na formação de ozônio troposférico na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), Brasil, comparando os anos de 2004 e 2011. Essa avaliação foi realizada por meio de modelagem numérica com o modelo de qualidade do ar Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem), configurado sobre um domínio com 4 grades aninhadas: 27, 9, 3 e 1 km; e com o mecanismo químico considerado, o RADM2, acionado apenas nas grades de 3 e 1 km. Os inventários de emissão foram baseados em informações estimadas de número de veículos, fatores de emissão de compostos químicos e número médio de quilômetros percorridos por dia pelos distintos tipos de veículos considerados. Os períodos de estudo 06 a 09 de setembro de 2004 e 12 a 15 de novembro de 2011 foram selecionados, principalmente, por apresentarem episódios de altas concentrações de ozônio e pela existência de dados experimentais de determinação de fatores de emissão. Para avaliar a performance das simulações foram utilizados dados observados de temperatura, umidade relativa, vento, concentração de ozônio, óxidos de nitrogênio e monóxido de carbono das estações de qualidade do ar da rede de monitoramento da Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (CETESB). Os resultados mostraram que as configurações físicas e químicas estabelecidas no modelo conseguiram representar adequadamente os ciclos de formação do ozônio, no entanto, com defasagens e intensidades máximas menores, características relacionadas com o cálculo das distribuições espaço/temporal das emissões como também pelo transporte não só do ozônio, mas também de seus precursores desde regiões externas à RMSP. Por outro lado, dadas as características de emissão em 2004 e 2011, encontrou-se que a atmosfera da RMSP estava caracterizada por um regime COV-limitante naqueles anos, principalmente no ano 2004. Finalmente, o cenário de emissão para 2011 considerando os mesmos fatores de emissão de 2004 mostrou um grande impacto na formação do ozônio troposférico, considerando a grade de 1 km de espaçamento. Esse resultado foi 8 produto do estabelecimento de uma razão média COV/NOx mais eficiente em termos de formação de ozônio, apesar das emissões dos seus precursores ter diminuído em relação a 2004. / The objective of this work was to evaluate the impact of vehicular emission factors change on tropospheric ozone formation in the Metropolitan Area of São Paulo (MASP), Brazil for 2004 and 2011. Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem) model was used as the photochemical modeling tool. WRF-Chem was set up to run with four nested grid cells: 27, 9, 3 and 1 km. The Regional Acid Deposition Model (RADM) version 2 was the chemical mechanism considered, turned it on barely in 3 and 1 km grid cells. The emission inventories were based on the estimated information of number of vehicles, emission factors and average driving kilometers for vehicle per day. The study periods September 06-09, 2004 and November 12-15, 2011 were chosen due to the high ozone concentrations observed, and the experimental data available for these periods. Observation of temperature, relative humidity, winds, and O3, CO and NOx concentrations from the air quality monitoring network of Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB) were used to evaluate WRF-Chem simulations performance. The results showed that the chemical and physics configurations in WRF-Chem represented adequately the ozone formation cycles; however, with mismatches and maximum concentrations lower than observations, characteristics related with the estimative of the spatial and temporal distributions of the emissions as well as by the transportation of ozone and its precursors from external regions to MASP. On the other hand, given the characteristics of emission in 2004 and 2011, we found that MASP was under a strong COV-limited regime, principally in 2004. Finally, the scenario considering the emission factor of 2004 valid for 2011 in MASP showed a great impact in tropospheric ozone formation with high concentrations calculated for 2011 considering 1 km grid cell (with the most realistic vehicular activity), as result of a more efficient COV/NOx ratio calculation in terms of ozone formation.

As altas concentrações de ozônio troposférico e outros poluentes constituem riscos à saúde da população da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), sendo regidas por complexos fatores de origem antrópica (como a emissão de poluentes precursores) e natural (como a disponibilidade de radiação solar). Na primeira etapa do estudo, as estações de monitoramento da CETESB foram classificadas de acordo com o uso e ocupação do solo, através de critérios sugeridos pelo OMS, em veicular, comercial, residencial e background urbano. Foi realizada a avaliação de séries temporais, de 1996-2011, medidas em estações da CETESB, principalmente pela comparação do ciclo sazonal de ozônio nas estações com diferentes classificações de uso do solo. A segunda etapa se caracterizou pela realização, no modelo atmosférico WRF/Chem 3.2.1, de testes de sensibilidade, onde alterações nas características de emissão e uso do solo foram realizadas por meio de programas em SIG, configurando diferentes cenários que foram comparados à um cenário de controle, durante um período de intensa insolação na região de estudo (verão de 2014). Os resultados da primeira etapa indicaram concentrações médias de ozônio mais elevadas em estações de uso do solo residencial ou de background urbano (com média mensal mais alta de 57 gm-3 ou 28 ppb em outubro na estação Pico do Jaraguá), e mais baixas em estações com uso do solo veicular e comercial (com média mensal mais baixa de 6 gm-3 ou 3 ppb em junho na estação Lapa); o oposto do verificado para outros poluentes, tanto na escala diurna como na sazonal. Os resultados da segunda etapa (modelagem) demonstraram que o tamanho das áreas onde as emissões antropogênicas veiculares foram alteradas influencia diretamente na intensidade e distribuição espacial das alterações de ozônio e poluentes primários avaliados. Os cenários com redução mais intensa da emissão (100%) também indicaram alterações mais intensas do que os com redução moderada (50%). Os cenários com número total de veículos reduzido apresentaram as reduções mais expressivas de ozônio, com redução média de 18 gm-3 ou 9 ppb durante o dia no cenário que simula um pedágio urbano no centro de São Paulo. A circulação local de brisa marítima foi determinante para o transporte do excesso ou déficit de ozônio e poluentes precursores para diferentes regiões da RMSP. A modificação de uso do solo acarretou em diferentes propriedades termodinâmicas de superfície e emissão de compostos biogênicos associados à formação do ozônio, acarretando em concentrações mais altas dentro das áreas modificadas (com aumento médio de 10 gm-3 ou 5 ppb durante todos os horários do dia no cenário em que se simula a construção de um parque urbano em São Paulo) e transporte para regiões mais distantes. Concluiu-se que, nas condições ambientais e de infraestrutura atuais encontradas na RMSP, a implementação de um parque deverá acarretar na elevação das concentrações médias de ozônio na área alterada (com possíveis impactos de aumento ou redução também em áreas adjacentes e distantes, de acordo com a circulação atmosférica predominante). Sugere-se o foco no transporte público e não motorizado, além do ordenamento adequado do uso e ocupação do solo e políticas de desenvolvimento de combustíveis mais limpos para a mitigação destes problemas e implementação de parques urbanos sem aumento das concentrações de ozônio. / High concentrations of pollutants such as tropospheric ozone pose health risks for the population of the São Paulo Metropolitan Area (SPMA). It is influenced by complex factors from anthropogenic (emission of precursor pollutants) and natural (such as the availability of sunlight) origin, typical of the study region. In the first part of the study, state Environmental Agency (CETESB) monitoring stations were classified per their land use, using WHO criteria, into vehicular, commercial, residential and urban background. Also, pollutant time series from 1996-2011 from these stations were analysed, mainly through the comparison of the ozone seasonal cycle in monitoring stations with different land use classes. The second part of the study was focused on the evaluation in the atmospheric model WRF/Chem 3.2.1, of sensitivity tests, where changes on the emission and land use characteristics were performed in GIS softwares, configuring different scenarios which were compared to a control simulation during a period of intense availability of sunlight in the study region. Results from the first part indicated that higher average ozone concentrations were found in stations with residential and urban background land use classes (with the highest monthly average of 57 gm-3 or 28 ppb in October at Pico do Jaraguá station), and lower in vehicular and commercial stations (with the lowest monthly average of 6 gm-3 or 3 ppb in June at Lapa station), the opposite of what was found for other pollutants, both in the diurnal and seasonal scales. Significant correlations were calculated between stations with similar land use classes. Results from the second part (atmospheric modelling) showed that the size of the altered area strongly impacts the intensity and spatial distribution of the changes simulated for ozone and other primary pollutants evaluated. The scenarios with more intense emission decrease (100%) also indicated more intense changes compared to the scenarios with moderated decrease (50%). Scenarios with decreased total vehicle number also presented significant reduction in ozone, with an average decrease of 18 gm-3 or 9 ppb during the day in a scenario simulating an urban toll in downtown São Paulo. The local sea breeze circulation determined the transport of the excess or deficit of ozone and other precursor pollutants to different regions within the SPMA. Changes in land use induced different atmospheric circulation characteristics by changing the surface thermodynamic properties and by the emission of biogenic compounds which act as precursors for ozone, resulting in higher concentrations within the modified areas (with an increase of 10 gm-3 or 5 ppb during all hours of the day in the scenario which simulates the building of an urban park in Sao Paulo) and transport for more distant areas. As a conclusion, the building of a park within the current infrastructure and environmental conditions in the SPMA should increase average ozone concentrations in the modified areas (with possible impacts of increase and reduction in near and far regions, according to the prevailing atmospheric circulation), specially if it is located relatively near avenues with intense vehicle circulation. We suggest focus on public and non-motorized transport systems, proper land use management and policies for the development of cleaner fuels for the mitigation of these problems and implementation of urban parks without increasing ozone concentrations.

Made available in DSpace on 2014-08-20T14:25:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_gustavo_cuchiara.pdf: 35782355 bytes, checksum: 0606b9c213fa2c0a65dc1b1bf8a4bc6a (MD5) Previous issue date: 2011-02-23 / One of the main problems related to air pollution in urban areas is caused by photochemical oxidants.... / Um dos maiores problemas originados pela poluição do ar em áreas urbanas é o provocado pelos oxidantes fotoquímicos....

Spatial distribution of diurnal variations of aerosol properties in South Korea, both long term and short term, is studied by using 9 AERONET sites from 1999 to 2017 for long-term averages and from an additional 10 sites during the KORUS-AQ field campaign. The extent to which WRF-Chem model and the GOCI satellite retrieval can describe these variations is also analyzed. In daily average, Aerosol Optical Depth (AOD) at 550 nm is 0.386 and shows a diurnal variation of +20 to -30% in inland sites, respectively larger than the counterparts of 0.308 and ± 20% in coastal sites. Both the inland and coastal sites have their diurnal variation peaks in the early morning and in the evening with noontime and early afternoon valleys. In contrast, Angstrom exponent values in all sites are between 1.2 and 1.4 with the exception of the inland rural sites having smaller values near 1.0 during the early morning hours. All inland sites experience a pronounced increase of Angström Exponent from morning to evening, reflecting overall decrease of particle size in daytime. To statistically obtain the climatology of diurnal variation of AOD, a minimum of requirement of ~2 years of observation is needed in coastal rural sites, twice more than the urban sites, which suggests that diurnal variation of AOD in urban setting is distinct and persistent. AERONET, GOCI, WRF-Chem, and observed PM2.5 data consistently show dual peaks for both AOD and PM2.5, one at ~ 10 KST and another ~14 KST. While Korean GOCI satellite is able to consistently capture the diurnal variation of AOD, WRF-Chem clearly has the deficiency to describe the relatively change of peaks and variations between the morning and afternoon, suggesting further studies for the diurnal profile of emissions. Overall, the relative small diurnal variation of PM2.5 is in high contrast with large AOD diurnal variation, which suggests the need to use AOD from geostationary satellites for constrain either modeling or analysis of surface PM2.5 for air quality application.

Uncertainty in the emission estimates is one the main reasons for shortcomings in the Chemistry Transport Models (CTMs) which can reduce the confidence level of impact assessment of anthropogenic activities on air quality and climate. This dissertation focuses on understating the uncertainties within the CTMs and reducing these uncertainties by improving emission estimates The first part of this dissertation focuses on reducing the uncertainties around the emission estimates from oil and Natural Gas (NG) operations by using various observations and high-resolution CTMs. To achieve this goal, we used Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem) model in conjunction with extensive measurements from two major field campaigns in Colorado. Ethane was used as the indicator of oil and NG emissions to explore the sensitivity of ethane to different physical parametrizations and simulation set-ups in the WRF-Chem model using the U.S. EPA National Emission Inventory (NEI-2011). The sensitivity analysis shows up to 57.3% variability in the modeled ethane normalized mean bias (NMB) across the simulations, which highlights the important role of model configurations on the model performance. Comparison between airborne measurements and the sensitivity simulations shows a model-measurement bias of ethane up to -15ppb (NMB of -80%) in regions close to oil and NG activities. Under-prediction of ethane concentration in all sensitivity runs suggests an actual under-estimation of the oil and NG emissions in the NEI-2011 in Colorado. To reduce the error in the emission inventory, we developed a three-dimensional variational inversion technique. Through this method, optimal scaling factors up to 6 for ethane emission rates were calculated. Overall, the inversion method estimated between 11% to 15% higher ethane emission rates in the Denver-Julesburg basin compared to the NEI-201. This method can be extended to constrain oil and NG emissions in other regions in the US using the available measurement datasets. The second part of the dissertation discusses the University of Iowa high-resolution chemical weather forecast framework using WRF-Chem designed for the Lake Michigan Ozone Study (LMOS-2017). LMOS field campaign took place during summer 2017 to address high ozone episodes in coastal communities surrounding Lake Michigan. The model performance for clouds, on-shore flows, and surface and aircraft sampled ozone and NOx concentrations found that the model successfully captured much of the observed synoptic variability of onshore flows. Selection of High-Resolution Rapid Refresh (HRRR) model as initial and boundary condition, and the Noah land surface model, significantly improved comparison of meteorology variables to both ground-based and aircraft data. Model consistently underestimated the daily maximum concentration of ozone. Emission sensitivity analysis suggests that increase in Hydrocarbon (HC). Variational inversion method and measurements by GeoTAS and TROPOMI instruments and airborne and ground-based measurements can be used to constrain NOx emissions in the region.

A fully integrated optical chem/bio sensor complete with integrated source, chemically sensitive waveguide, detector arrays, and associated signal processing electronics on a Si-CMOS chip is a challenging, but highly desirable goal. An evanescent-wave multimode interferometric sensing element is a sensitive method for sensing, which is easily integrated on Si-CMOS. This work is concerned with the design, analysis, and demonstration of a planar multimode interferometric chem/bio sensor that is compatible with the fabrication constraints of Si-CMOS. A 4000-micron-long interferometric that can be adapted for different agents by a particular sensing layer has been fabricated on silicon using silicon dioxide and silicon oxynitride. Hexaflouro-isopropanol substituted polynorbornene is the sensing layer. This sensor has also been fabricated on a Si-CMOS circuit with embedded photodetectors. A sensor on silicon was demonstrated with a minimum detectable index change of 2.0x10-6 using an accurate gas delivery system and a custom hermetic waveguide test chamber. A modal pattern analysis strategy has also been developed to extract the optimal SNR from the measured modal patterns. An understanding of the noise processes and spatial bandwidth effects has enabled an experimentally-based prediction of the index sensitivity of a fully integrated multimode chem/bio sensor on Si-CMOS at 9.2 x10-7. Theoretically, the sensitivity enhancement of high over low index sensing layers and transverse-magnetic over transverse electric modes is described. Also, the sensitivity enhancement of higher-order-transverse modes has been quantified. The wide-angle beam propagation method has been used to simulate the sensor. This simulation showed the relation between the modal pattern repetition period and sensor sensitivity. Further, the modal coupling properties of the multimode y-junction have been described. A second multimode y-junction has been designed to change the modal excitation under the SL, and thus the sensitivity. The chemo-optic response of the `substituted polynorbornene' polymer., hexaflouro-isopropanol substituted polynorbornene to methanol, water, iso-propanol, and benzene has been measured. Also, its thermo-optic response has been measured. Athermal interferometric chem/bio sensors have then been suggested.