Study of Chinese atmospheric pollution by modelling and remote sensing observations
Creators
- Lachatre, Mathieu
- Sorbonne Universite, ecole Doctorale des Sciences de l'Environnement d'Ile de France, Laboratoire Inter-Universitaire des Systemes Atmospheriques - Lisa, CNRS UMR 7583, Bat. Lamarck, case postale 7059, Faculte des Sciences et Technologie, 61 avenue du General de Gaulle, 94010 Creteil Cedex (France)
Description
As a result of its significant economic development, Chinese society has transformed itself and today faces a global environmental crisis. In everyday life, China's big cities are covered with a thick smog of gas and particles, which is responsible for more than 1.6 million premature deaths, making China the most affected country by air pollution, along with its neighbor, India. In China, there are many sources of air pollution linked to human activities [traffic, industry, agriculture, energy production, construction], but also various natural sources of pollutants, in particular emissions of mineral dust from the deserts of Asia, in western China. The People's Republic of China has begun to regulate activities that may affect air quality. The effectiveness of such actions is conditioned by the detailed knowledge of the anthropogenic contribution to this pollution and the complex relationship between primary and secondary pollutants. In this thesis, we have investigated, on the one hand, the impact of primary pollutant reduction policies on ammonia concentrations and more generally inorganic aerosols, and on the other hand, the contribution of desert aerosol to the particulate matter load in Chinese urban agglomerations. To do so, we combined data sources and tools such as satellite observations and numerical modelling. We use the CHIMERE regional chemistry transport model to study and characterize air pollution in China. First, we carried out a detailed evaluation of the simulations performed with a configuration of the CHIMERE model set up for China. For this, we relied on satellite observations, remote sensing, and in-situ measurements of particulate concentrations and gaseous [inorganic] precursors. The results obtained show that the model works satisfactorily according to criteria given in the literature. Regarding the impact of emission reduction policies - especially for sulfur and nitrogen oxides, long term measurements with the OMI instrument aboard the AURA satellite show a sharp decrease in the atmospheric sulfur dioxide and nitrogen dioxide columns. From these observations, it was possible to derive corrected emissions [compared to the available 2010 inventory] for the years 2013 and 2015 for NOX and SO2. The derived emission trends were then used to study the impacts on atmospheric composition, particularly on the formation of inorganic particles and associated gases such as ammonia, whose concentrations appeared to strongly increase in recent years. Simulations showed that the sharp decrease in SO2 and NO2 emissions between 2011 and 2015 led to a overall 14% decrease in nitrate, sulphate and ammonium aerosol concentrations, as well as an increase of nearly 50% of ammonia column levels, a value corroborated by the IASI observations that indicate an increase in ammonia columns of +65?% under the same conditions. In a second step, the objective was to evaluate the contribution of desert aerosol to the particulate matter load in several Chinese cities. Dust emission modeling by Asian desert regions was first evaluated using remote sensing observations. Then, we verified the model's ability to represent PM2.5 and PM10 concentrations in Chinese megacities by comparing measurements of ground based observation networks. The study focuses mainly on three of the most populated PRC cities with different geographic locations, Beijing, Chengdu and Shanghai. It appears that mineral dust impacts these 3 cities for 6.6 %[Beijing], 9.5 %[Chengdu] and 9.3 %[Shanghai] PM10 on an annual average. The frequencies of dust participation in particulate pollution [i.e. when dust contributes more than 25% to the daily averages of >25% of the mass of PM10] have been determined for all spring days, as well as for the 25% of the most polluted spring days. It appears that, over this season, dust contributes more significantly to pollution events: in Beijing it accounts for 22% of polluted days compared to 18% for all spring days, in Chengdu for 52% of polluted days compared to 31% for all spring days, and in Shanghai for 43% of polluted days compared to 19% for all spring days. On the contrary, for all seasons combined and especially for peaks of particulate pollution in winter, the anthropogenic origin of pollution is highlighted. (author)
Abstract (French)
a la suite de son important developpement economique, la societe chinoise s'est transformee et fait face aujourd'hui a une crise environnementale globale. Au quotidien, le ciel des grandes villes chinoises s'est recouvert d'un epais brouillard de gaz et de particules, qui est a l'origine de plus de 1.6 millions de deces prematures, ce qui fait de la Chine le pays le plus affecte par la pollution atmospherique, avec son voisin, l'Inde. On retrouve en Chine, de nombreuses sources de pollution atmospheriques liees aux activites humaines [trafic, industrie, agriculture, production d'energie, construction], mais aussi des sources de polluants d'origine naturelle, avec a l'Ouest, notamment les emissions de poussieres minerales depuis les deserts d'Asie. La Republique Populaire de Chine a commence a reglementer les activites pouvant degrader la qualite de l'air. L'efficacite de telles actions est conditionnee par la connaissance fine de la part anthropique de cette pollution et de la relation complexe entre polluants primaires et secondaires. Dans cette these nous avons investigue d'une part l'impact des politiques de reduction des polluants primaires sur les concentrations d'ammoniac et plus generalement sur l'aerosol inorganique. D'autre part, la contribution de l'aerosol desertique sur la charge particulaire des grandes agglomerations chinoises. Pour cela, nous avons combine des outils d'etude de l'atmosphere comme les instruments satellitaires et la modelisation numerique via le modele de chimie-transport regional CHIMERE, afin d'etudier et de caracteriser cette pollution atmospherique en Chine. Dans un premier temps, nous avons procede a une evaluation detaillee des simulations effectuees avec une configuration du modele CHIMERE mise en place pour la Chine. Nous nous sommes appuyes sur les observations satellitaires, mesures de teledetection, et mesures in-situ des concentrations en particules et de leurs precurseurs gazeux [inorganiques]. Les resultats obtenus montrent un fonctionnement satisfaisant du modele selon les criteres donnes dans la litterature. Concernant l'impact des politiques de reductions des emissions - notamment pour les oxydes de soufre et d'azote, les sondages de l'instrument OMI a bord du satellite AURA permettent de constater une diminution rapide des colonnes atmospheriques de dioxyde de soufre et de dioxyde d'azote, comme reponse aux normes mises en place en Chine. a partir de ces observations, il a ete possible de deriver des emissions corrigees [par rapport a l'inventaire 2010 disponible] pour les annees 2013 et 2015 pour les NOX et le SO2. Cette representation des tendances d'emissions a ensuite ete exploitee pour etudier les impacts sur la Chimie atmospherique, notamment sur les bilans des particules inorganiques et des gaz associes comme l'ammoniac dont les concentrations semblent augmenter fortement ces dernieres annees. Il apparait, qu'entre 2011 et 2015, la forte diminution des emissions de SO2 et NO2 a entraine une diminution de 14% de la production de nitrate, sulfate et ammonium, ainsi qu'une augmentation de presque 50% des niveaux des colonnes d'ammoniac, une valeur corroboree par les observations de l'instrument IASI qui indiquent une augmentation des colonnes d'ammoniac de +65% selon les meme conditions. Dans un second temps, l'objectif a ete d'evaluer la contribution des sources d'aerosols naturels que sont les deserts sur la charge particulaire des villes chinoises. La modelisation des emissions depuis les regions desertiques asiatiques a d'abord ete evaluee a partir d'informations obtenues par teledetection. Puis, nous avons verifie la capacite du modele a representer les concentrations des PM2.5 et PM10 dans les megapoles chinoises par confrontation a des mesures des reseaux d'observations aux sols. L'etude se concentre principalement sur trois des villes les plus peuplees de PRC aux situations geographiques differentes: Pekin, Chengdu et Shanghai. Il en ressort que les poussieres minerales impactent ces 3 villes pour 6.6% [Pekin], 9.5% [Chengdu] et 9.3% [Shanghai] des PM10 en moyenne annuelle. Les frequences de participation des 'dust' a la pollution particulaire [i.e. quand les dust contribuent a plus de 25% des valeurs journalieres des PM10] ont ete determinees pour l'ensemble des jours du printemps, ainsi que pour les 25% des jours du printemps les plus pollues. Il apparait pour cette saison que les poussieres participent de facon plus frequente aux evenements de pollution: a Pekin pour 22% des jours pollues contre 18% pour l'ensemble des jours de printemps, a Chengdu pour 52% des jours pollues contre 31% pour pour l'ensemble des jours de printemps, et a Shanghai pour 43% des jours pollues contre 19% pour pour l'ensemble des jours de printemps. En revanche, pour toutes les saisons confondues et surtout pour les pics de pollution par les particules en hiver, l'origine anthropique de la pollution est mise en avant. (auteur)
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Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Etude de la pollution atmospherique en Chine par modelisation et teledetection
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 216 p.
- Report number
- FRNC-TH--15141
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 55004543
- Subject category
- S54: ENVIRONMENTAL SCIENCES;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- AEROSOLS; AIR POLLUTION MONITORING; AIR QUALITY; AMMONIA; ATMOSPHERIC CHEMISTRY; CHINA; COMPUTERIZED SIMULATION; DAILY VARIATIONS; DUSTS; ENVIRONMENTAL IMPACTS; NITROGEN DIOXIDE; PARTICLE SIZE; POLLUTION REGULATIONS; POLLUTION SOURCES; REMOTE SENSING; SEASONAL VARIATIONS; SULFUR DIOXIDE; TOTAL SUSPENDED PARTICULATES; URBAN AREAS
- Descriptors DEC
- ASIA; CHALCOGENIDES; CHEMISTRY; COLLOIDS; DISPERSIONS; ENVIRONMENTAL QUALITY; HYDRIDES; HYDROGEN COMPOUNDS; LAWS; MONITORING; NITROGEN COMPOUNDS; NITROGEN HYDRIDES; NITROGEN OXIDES; OXIDES; OXYGEN COMPOUNDS; PARTICLES; PARTICULATES; REGULATIONS; SIMULATION; SIZE; SOLS; SULFUR COMPOUNDS; SULFUR OXIDES; VARIATIONS
Optional Information
- Notes
- [150 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses