Microscale modelling of exposure to atmospheric pollutants in urban areas

Abstract

A poluição atmosférica é considerada um dos maiores problemas ambientais, afectando em particular a saúde das populações urbanas. Esta problemática tem um impacto directo no ambiente exterior, mas assume especial relevância nos espaços interiores, onde a população dispende a maior percentagem do seu tempo. Para a avaliação dos impactos da poluição atmosférica na saúde das populações é necessário proceder à estimativa da exposição humana aos poluentes atmosféricos nos ambientes exterior e interior. Os principais objectivos deste trabalho centram-se no desenvolvimento de um modelo de exposição tridimensional de microscala (MEXPO) para a estimativa da exposição individual de curto termo aos poluentes PM10 e NO2, e na sua aplicação à área urbana de Viseu, com dados de duas campanhas experimentais, com o intuito de avaliar a exposição de crianças com problemas respiratórios aos referidos poluentes. O modelo de exposição tem capacidade para estimar os campos tridimensionais de vento e de concentração no ar ambiente, considerando a influência dos edifícios existentes na área urbana. O modelo simula, igualmente, as taxas de ventilação natural e as concentrações de poluentes no interior dos edifícios. O modelo de exposição inclui um modelo Computational Fluid Dynamic (CFD) de qualidade do ar para a estimativa dos campos exteriores de vento e de concentração de poluentes. O referido modelo CFD foi previamente validado de acordo com uma metodologia específica para modelos de microscala, e que inclui a utilização de critérios de validação desenvolvidos para o estudo da dispersão de poluentes em áreas urbanas. A aplicação do modelo de exposição à área urbana de Viseu para os dois períodos experimentais permitiu estimar quais as crianças mais expostas a concentrações de PM10 e NO2. Estes resultados estão directamente relacionados com o tempo dispendido pelas crianças no interior das suas residências e pelos valores de concentração determinados para esses espaços interiores. As crianças mais expostas terão uma maior probabilidade de desenvolver problemas respiratórios. A metodologia desenvolvida poderá ser usada como uma primeira abordagem para a estimativa da exposição individual a poluentes, substituindo a utilização de técnicas de medição directa intrusivas e dispendiosas. O modelo de exposição desenvolvido poderá ter ainda um papel relevante na aplicação a cenários futuros de alterações climáticas com influência no clima urbano, permitindo conhecer as concentrações futuras de poluentes no espaço urbano exterior e interior, e, consequentemente, estimar a futura exposição humana a poluentes atmosféricos.

Air pollution is a major environmental health problem focusing on the ambient air quality in cities but also on the air quality of indoor environments, where people spend most of their time. In order to evaluate the real impacts of urban air pollution in the population health is necessary to undergo a complete assessment of human exposure to atmospheric pollutants that includes both outdoor and indoor exposure assessments. The main goals of this study are the development of a three-dimensional (3D) Microscale EXPOsure model (MEXPO) to estimate the short-term individual exposure to PM10 and NO2 and its application to the Viseu urban area, using experimental data from two field campaigns, in order to assess the exposure to the referred pollutants on children with known respiratory problems. To perfom this goal the exposure model is able to estimate the outdoor flow and pollutant concentrations, considering the influence of the urban built-up area, as well to assess the air exchange rates as result of natural ventilation mechanisms. The indoor pollutant concentrations on the defined microenvironments are also estimated by the model. With the purpose of estimating the outdoor pollutant dispersion, the exposure model MEXPO includes a Computational Fluid Dynamic model (CFD) model that has the advantage to fully characterize the flow and the transport of the urban air pollution on a 3D basis. The CFD model was successfully evaluated according to a established procedure, using specific model acceptance criteria that were defined in agreement with the intended model purpose, which is the study of meteorology and pollutant dispersion in urban areas. The application of MEXPO to the Viseu urban area allowed determining the most exposed children to PM10 and NO2 concentrations during both campaigns. These children are therefore more sensitive to develop respiratory problems such as asthma. The developed methodology may be seen as a valid approach to assess the individual human exposure to atmospheric pollutants in urban areas, replacing direct measurement techniques that are considered invasive and expensive. The developed exposure model has also an important role in the application to future climate change scenarios with direct consequences in the urban climate, allowing to determine the future human exposure to atmospheric pollutants and, consequently, also the future outdoor and indoor atmospheric pollutants concentrations in an urban area.