Assessing air quality in cities under climate change scenarios: a source apportionment approach

Abstract

Climate change and air pollution are the current and future challenges of urban areas. Integrated approaches tackling air pollution and climate change can play an important role to support urban planning oriented for citizen welfare. In this context, the main goal of this work was to develop a modelling approach able to assess the impacts of future climate and projected emissions, including the relative contribution of different source regions and sectors, on air quality at urban scale. The Aveiro Region, in central Portugal, was selected as a case study since it is recognized as one of the regions affected by some poor air quality events in Portugal and vulnerable to climate change effects. Air quality modelling, associated with climate change scenarios, is a powerful tool to understand and assess the physical and chemical processes occurring in the atmosphere. In this scope, the WRF-CAMx modelling framework was applied to an urban domain over the Aveiro Region, for the medium-term future climate (considering the SSP2 4.5 scenario) and for the recent-past (considered as reference). For the air quality modelling, source apportionment tools were applied, based on literature review findings, allowing to quantify the relative contribution of several source activities and areas to ambient pollution. Based on the source apportionment results, for the medium-term future, two emission abatement scenarios were defined and tested for the industrial sector identified as the most relevant in the region. Additionally, for the climate scenarios and projected emissions (with and without additional emission reductions), mortality health indicators, expressed as the number of premature deaths, were used to estimate health impacts of long-term exposures. Results show that in the medium-term future, air quality in the Aveiro Region may improve, with reduction up to 4 μg.m⁻³ for PM2.5 and PM10 concentrations and 22 μg.m⁻³ for NO₂, due to the implementation of carbon neutrality measures, defined to fight climate change. Also, the premature deaths linked to air pollution long-term exposure will decrease (76% for PM2.5 and 100% for NO₂). However, additional emission abatement measures should be considered for the industrial sector, as this will be the greater contributor to the concentration levels of the main pollutants in the future. This work is innovative once it includes climate change together with a health impact assessment in the air quality management process, focusing on the urban scale where population density is higher and air pollution represents a huge challenge. Moreover, the applied approach provides valuable information to support urban planning for the protection of environment and citizens’ health.

As alterações climáticas e a poluição atmosférica são grandes desafios atuais e futuros das áreas urbanas. Abordagens integradas de combate à poluição atmosférica e às alterações climáticas podem desempenhar um papel importante no apoio à gestão do espaço urbano, orientado para o bem-estar dos cidadãos. Neste contexto, o principal objetivo deste trabalho foi desenvolver uma abordagem de modelação capaz de avaliar os impactos do clima futuro e das projeções de emissões, incluindo a contribuição relativa de diferentes regiões e setores fonte, na qualidade do ar à escala urbana. A modelação da qualidade do ar, associada a cenários de alterações climáticas, é uma ferramenta poderosa para compreender e avaliar os processos físicos e químicos que venham a ocorrer no futuro na atmosfera. A região de Aveiro, no centro de Portugal, foi o caso de estudo selecionado por ser reconhecida como uma das regiões afetadas por alguns eventos de má qualidade do ar em Portugal e vulnerável aos efeitos das alterações climáticas. O sistema de modelação WRF-CAMx foi aplicado a um domínio urbano sobre a Região de Aveiro, para o clima futuro de médio prazo (considerando o cenário SSP2-4.5) e para o passado recente (considerado como referência). Na modelação da qualidade do ar foram aplicadas ferramentas de quantificação de contribuição de fontes, com base na revisão da literatura, permitindo quantificar a contribuição relativa de vários setores e áreas fonte para os níveis de poluição atmosférica. Com base nos resultados da contribuição de fontes, para o futuro de médio prazo, foram definidos e testados dois cenários de redução de emissões para o setor industrial, identificado como o mais relevante na região. Adicionalmente, para os cenários climáticos e de projeção de emissões considerados (com e sem reduções adicionais de emissões), foram estimados os impactos na saúde humana, expressos em número de mortes prematuras, devido à exposição prolongada à poluição atmosférica. Os resultados demostram que, devido à implementação de medidas de neutralidade carbónica, definidas para combater as alterações climáticas, no futuro a médio prazo a qualidade do ar na Região de Aveiro poderá melhorar, com reduções de até 4 μg.m⁻³ nas concentrações de PM2.5 e PM10, e de até 22 μg.m⁻³ para NO₂. Também as mortes prematuras associadas à poluição atmosférica irão diminuir (cerca de 76% para PM2.5 e 100% para NO₂). No entanto, deverão ser consideradas medidas adicionais de redução de emissões para o setor industrial, uma vez que este será o setor que mais contribuirá para os níveis de poluição atmosférica no futuro. Este trabalho é inovador porque inclui alterações climáticas juntamente com uma avaliação de impacto na saúde no processo de gestão da qualidade do ar, focando-se na escala urbana onde a densidade populacional é maior e a poluição do ar representa um enorme desafio. Além disso, a abordagem aplicada fornece informações relevantes para o apoio ao planeamento urbano para proteção do ambiente e da saúde dos cidadãos.