Exploring the links between urban stucture and air quality

Abstract

A poluição atmosférica constitui actualmente um grave problema ambiental cujos efeitos se fazem sentir a diversas escalas, desde os efeitos imediatos e de longo termo na saúde humana e nos materiais, até fenómenos regionais, como a acificação, e fenómenos globais que durante este século poderão alterar as condições de vida no globo. Apesar da redução das emissões de poluentes atmosféricos, conseguida através do uso de combustíveis mais limpos e tecnologias mais eficientes, as áreas urbanas continuam a evidenciar sinais de degradação ambiental. Para ser bem sucedida a cidade deve enfrentar as três dimensões da sustentabilidade: social, económica e ambiental. O modo de utilização do solo numa zona urbana é uma característica fundamental da cidade, com influência directa no seu desempenho ambiental e na qualidade de vida que proporciona à população. O presente trabalho explora a ligação entre a estrutura urbana e a qualidade do ar, um dos muitos aspectos do desenvolvimento urbano sustentável. A perspectiva histórica sobre o desenvolvimento urbano, a poluição atmosférica e a sua interligação é abordada, bem como o trabalho de investigação que tem vindo a ser conduzido na área. A aplicação de um sistema de modelação atmosférico a um caso de estudo idealizado demonstra a importância da estrutura espacial da cidade na sustentabilidade urbana, mostrando que cidades compactas com usos do solo misturados promovem uma melhor qualidade do ar quando comparadas com cidades dispersas, com baixa densidade populacional. De modo a explorar a relação entre a estrutura urbana e a qualidade do ar numa zona urbana real, a região urbana do Porto é identificada como um caso de estudo adequado, e o processo de crescimento urbano nas últimas décadas é analisado, assim como os níveis de qualidade do ar da região. De modo a definir a configuração do sistema de modelação mais adequada para a região de estudo, são efectuados diversos testes de sensibilidade com o modelo meteorológico. Relativamente ao modelo de qualidade do ar, é descrito e implementado um conjunto de acções de modo a melhorar o desempenho do modelo para a simulação das concentrações de poluentes na atmosfera urbana, no contexto de alterações do uso do solo. Finalmente, são desenvolvidos e testados, através da aplicação do sistema de modelação, dois cenários alternativos de desenvolvimento urbano para a área de estudo. Estes cenários alternativos implicam diferentes emissões de poluentes e diferentes distribuições espaciais dessas emissões, e como consequência, diferentes níveis de qualidade do ar. O estudo permite concluir que alterações nos padrões de uso do solo em áreas urbanas conduzem a alterações na meteorologia, emissões e qualidade do ar. As áreas urbanas dispersas, quando comparadas com estruturas urbanas compactas são responsáveis por temperaturas mais elevadas, emissões de poluentes para a atmosfera mais elevadas e maiores concentrações de poluentes.

Air pollution is enacted on all geographical and temporal scales, ranging from urban problems related to immediate and long-term effects on human health and material damage, over regional phenomena like acidification with a time horizon of decades, to global phenomena, which over this century may change living conditions in the entire globe. Urbanization is certainly the future but a question mark hangs over what kind of future the city can look forward to. For it to be successfully realized, the city must tackle the dimensions of sustainability: social, economic and environmental. In this study the link between urban structure and air quality, one of the many aspects of sustainable urban development, is explored. It starts by addressing the historic l perspective on the subject, the currents of thought, and briefly refers the most important work conducted during the last decades in this field. The application of a modelling system to an idealized study case demonstrates the importance of the city spatial structure on urban sustainability, showing that compact cities with mixed land-use provide better air quality compared to disperse cities with lower densities and segregated land-use or network cities equipped with intensive transport structures. In order to explore the relation between urban structure and air quality in a real urban area, the Porto urban region is identified as a suitable subject for this study, and its process of urban growth in the last decades is analyzed, as well as the current air quality levels in the region. Before proceeding to the atmospheric simulation it is firstly necessary to assemble an adequate modelling system. A series of meteorological modelling sensitivity tests are performed in order to define the most suitable meteorological model configuration for the study area. Regarding air quality modelling, a series of improvements are described and implemented in order to increase the model‘s performance in the simulation of air pollutant concentrations. Finally, two alternative urban development scenarios for the study area are developed and tested through the application of the selected atmospheric modelling system. These alternative land use scenarios imply different emission totals and a different spatial distribution of emissions, and, as a consequence, different air quality levels. In conclusion, it seems clear that changes in land use patterns in urban areas lead to changes in meteorology, emissions, air quality, and population exposure. The signal of the change is also clear: sprawling urban areas, when compared to contained urban development, are responsible for higher temperatures, higher emissions of pollutants to the atmosphere, and higher atmospheric pollutant concentrations.