Study of natural atmospheric aerosols in Portugal: integrated analysis using air quality modelling and satellite data

Abstract

Ao longo dos últimos anos, a degradação da qualidade do ar tornou-se um grande problema em Portugal. A concentração elevada de partículas (PM), que excedem os valores limite diários legislados, é uma das principais preocupações no que se refere à gestão da qualidade do ar. O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma metodologia consistente para melhorar a caracterização de aerossóis e avaliar a contribuição dos episódios de poeira mineral na poluição atmosférica em Portugal. Para atingir o objetivo, primeiro estudou-se a influência dos episódios de poeira mineral em Portugal. Posteriormente foi realizada a análise e a comparação dos resultados da modelação da qualidade do ar e das observações de satélite. Finalmente, implementou-se uma técnica de fusão de dados utilizando dados de modelação e de satélite com o objetivo de melhorar a quantificação dos aerossóis. A caracterização da distribuição espacial da poeira mineral sobre Portugal Continental foi realizada para o ano de 2011. É notória a influência dos episódios de poeira mineral em Portugal durante a primavera, nomeadamente nos meses de abril e maio. Assim, o período de estudo selecionado para realizar a comparação e integração dos resultados da modelação da qualidade do ar e das observações de satélite foi maio de 2011. Foram explorados dados de satélite obtidos pelo instrumento Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) com elevada resolução temporal e resultados da modelação da qualidade do ar do Comprehensive Air Quality Model (CAMx). Os dados foram avaliados em termos de espessura ótica dos aerossóis (AOD) a 550 nm e concentração de PM. A validação dos dados de modelação e de satélite em termos de AOD foi realizada com base nas observações de quatro estações AERONET (Aerossol Robotic Network) localizadas dentro do domínio de estudo. As concentrações de PM obtidas com o modelo foram validadas utilizando valores medidos nas estações de qualidade do ar. A metodologia desenvolvida neste estudo revela que a intercomparação e a integração das observações de satélite com os resultados da modelação da qualidade do ar contribui para uma melhor compreensão das discrepâncias apresentadas no padrão espacial de AOD e podem fornecer informação adicional à validação in-situ. A metodologia de fusão de dados proporcionou uma melhoria dos resultados da modelação de qualidade do ar no que diz respeito aos valores de AOD e aos valores de concentração de PM junto à superfície. Este estudo constitui um contributo científico inovador que pode ser relevante para uma futura e cuidada gestão da qualidade do ar, uma vez que promove uma melhoraria na quantificação dos aerossóis relevante para aplicações no âmbito da Diretiva da qualidade do ar.

Over the last years, air quality degradation has become an important issue in Portugal. The high concentrations of particulate matter (PM), exceeding the daily limit values, are one of the main concerns for air quality management. The main objective of this work is to develop a consistent methodology to improve the characterization of aerosol concentrations and to evaluate the contribution of mineral dust for air pollution episodes in Portugal. In order to achieve the objective, firstly the influence of the African dust outbreaks over Portugal were studied. Subsequently, the study and comparison of the air quality modelling results and satellite observation were performed. Finally, we developed and applied a data fusion methodology using modelling and satellite data to improve the quantification of the atmospheric aerosol loading. The characterization of the spatial distribution of mineral dust over mainland Portugal was performed for the entire year of 2011. The influence of the African dust outbreaks over Portugal that is notorious during the spring period, namely in April and May. For this reason, May 2011 was selected as the study period to perform the comparison and integration of the air quality modelling results and satellite observation. Satellite data obtained by the Spinning Enhanced Visible and Infra-Red Imager (SEVIRI) instrument with high temporal resolution and air quality modelling results from the Comprehensive Air Quality Model (CAMx) were explored. The data were assessed in terms of aerosol optical depth (AOD) at 550 nm and PM concentrations. The validation of the AOD values obtained from air quality modelling and satellite observations was performed using observations from four Aerosol Robotic Network (AERONET) stations located within the study area. The PM concentrations were validated using measurements from air quality monitoring stations. The methodology developed in this study revealed that the intercomparison and the integration of satellite observations with air quality modelling contributes to a better understanding of the discrepancies presented in the spatial pattern of AOD and may provide valuable information to in-situ validation with ground-based observations. The data fusion methodology provides an improvement of the modelling results in terms of AOD data and PM concentrations near the surface. This study constitutes an innovative scientific support for forthcoming air quality management in order to improve the quantification of aerosols, relevant for policy applications in the framework of Air Quality Directives.