Influence of climate change on air quality in Europe
Description
Air pollution is the result of high emissions of pollutants (and pollutant precursors) and unfavorable meteorological conditions. Fine particulate matter (PM2.5) is one of the pollutants of great concern for human health. Every year, a repeated or continuous exposure to such particles is responsible for respiratory and cardiovascular diseases among the concerned populations and leads to premature deaths. Climate change is expected to impact meteorological variables (temperature, wind, precipitation,...). Those variables will influence numerous factors, which will affect air quality (emissions, precipitation scavenging, gas/particle equilibrium,...). A large body of studies have already investigated the effects of climate change on ozone, whereas only a few have addressed its effects on PM2.5 concentrations, especially over Europe. This is the subject we investigate in this thesis. Large-scale circulation is closely linked to surface meteorological variables. Therefore, it is expected that it will impact PM2.5 concentrations too. In this thesis, we develop a statistical algorithm to estimate future PM2.5 concentrations from present PM2.5 observations, selected meteorological variables and tools to represent this circulation (weather regimes and weather types). The lack of daily observations of PM2.5 and its components over Europe prevents us to used observations. Consequently, we have created a pseudo-observed PM2.5 data set, by using the Polyphemus/Polair3D air quality Chemical-Transport Model. Both operational and dynamic evaluations were conducted against EMEP measurements, to ensure that the influence of meteorological variables on PM2.5 concentrations is correctly reproduced by the model. As far as we know, this dynamic evaluation of an air quality model with respect to meteorology is the first conducted to date. Future PM2.5 concentrations display an increase over the U.K., northern France, Benelux, and in the Balkans, and a decrease over northern, eastern, and southeastern Europe, Italy, and Poland compared to the historical period. The evolution of weather type frequencies is not sufficient to explain the PM2.5 changes. The relationships between the large-scale circulation and the weather types, between the weather types and meteorological variables, and between meteorological variables and PM2.5 concentrations evolve with future meteorological conditions and also contribute to PM2.5 changes. The statistical method developed in this thesis is a new approach to estimate the impact of climate and climate change on PM2.5 concentrations over Europe. Despite some uncertainties, this approach is easily applicable to different models and scenarios, as well as other geographical regions and other pollutants. Using observations to establish the pollutant-meteorology relationship would make this approach more robust. (author)
Abstract (French)
La pollution atmospherique est le produit de fortes emissions de polluants (et de leurs precurseurs) et de conditions meteorologiques defavorables. Les particules fines (PM2.5) sont l'un des polluants les plus dangereux pour la sante publique. L'exposition repetee ou prolongee a ces particules entraine chaque annee des maladies respiratoires et cardio-vasculaires chez les personnes exposees ainsi que des morts prematurees. L'evolution du climat dans les annees a venir aura un impact sur des variablesmeteorologiques (temperature, vents, precipitations,...). Ces variables influencent a leur tour divers facteurs, qui affectent la qualite de l'air (emissions, lessivage par les precipitations, equilibre gaz/particule,...). Si de nombreuses etudes ont deja projete l'effet du changement climatique sur les concentrations d'ozone, peu se sont interessees a son effet sur les concentrations de particules fines, en particulier a l'echelle du continent europeen. C'est ce que cette these se propose d'etudier. La circulation atmospherique de grande echelle est etroitement liee aux variables meteorologiques de surface. Par consequent, il est attendu qu'elle ait egalement un impact sur les concentrations de PM2.5. Nous utilisons dans cette these une approche statistique pour estimer les concentrations futures de PM2.5 a partir d'observations presentes de PM2.5, de quelques variables meteorologiques pertinentes et d'outils permettant de representer cette circulation atmospherique (regimes et types de temps). Le faible nombre d'observations journalieres de PM2.5 et de ses composants en Europe nous a conduit a creer un jeu de donnees pseudo-observees a l'aide du modele de qualite de l'air Polyphemus/Polair3D, puis a l'evaluer de facons operationnelle et dynamique, afin de s'assurer que l'influence des variables meteorologiques sur les concentrations de PM2.5 est reproduite de maniere satisfaisante par le modele. Cette evaluation dynamique d'un modele de qualite de l'air est, a notre connaissance, la premiere menee a ce jour. Les projections de PM2.5 sur les periodes futures montrent une augmentation systematique des concentrations de PM2.5 au Royaume-Uni, dans le nord de la France, au Benelux et dans les Balkans, et une diminution dans le nord, l'est et le sud-est de l'Europe, en Italie et en Pologne. L'evolution de la frequence des types de temps ne suffit pas toujours a expliquer l'evolution de ces concentrations entre les periodes historique et futures, car les relations entre circulation atmospherique de grande echelle et types de temps, entre types de temps et variables meteorologiques, et entre variables meteorologiques et concentrations de PM2.5 sont amenees a evoluer dans le futur et contribuent a l'evolution des concentrations de PM2.5. L'approche statistique developpee dans cette these est nouvelle pour l'estimation de l'impact du climat et du changement climatique sur les concentrations de PM2.5 en Europe. Malgre les incertitudes qui y sont associees, cette approche est facilement adaptable a differents modeles et scenarios, ainsi qu'a d'autres regions du monde et d'autres polluants. En utilisant des observations pour definir la relation polluant-meteorologie, cette approche serait d'autant plus robuste. (auteur)
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Additional titles
- Original title (English)
- Influence de l'evolution climatique sur la qualite de l'air en Europe
Identifiers
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 181 p.
- Report number
- FRNC-TH--9938
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 49009572
- Subject category
- S54: ENVIRONMENTAL SCIENCES; S97: MATHEMATICAL METHODS AND COMPUTING;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- AIR QUALITY; ALGORITHMS; ATMOSPHERIC CHEMISTRY; ATMOSPHERIC CIRCULATION; CLIMATE MODELS; CLIMATIC CHANGE; COMPUTERIZED SIMULATION; DYNAMIC PROGRAMMING; ENVIRONMENTAL IMPACTS; METEOROLOGY; P CODES; PARTICLE SIZE; PROJECTION SERIES; SEASONAL VARIATIONS; TOTAL SUSPENDED PARTICULATES
- Descriptors DEC
- CALCULATION METHODS; CHEMISTRY; COMPUTER CODES; ENERGY MODELS; ENVIRONMENTAL QUALITY; FORECASTING; MATHEMATICAL LOGIC; MATHEMATICAL MODELS; PARTICLES; PARTICULATES; SIMULATION; SIZE; VARIATIONS
Optional Information
- Notes
- 122 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS web site for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/