Análise dos efeitos combinados da ilha de calor e da poluição do ar urbanas

• Ano de defesa: 2016
• Autor(a) principal: Fernanda Batista Silva
• Orientador(a): Karla Maria Longo de Freitas
• Banca de defesa: Saulo Ribeiro de Freitas, Andrews José de Lucena, Daniela de Azeredo França
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Meteorologia
• País: BR
• Resumo em Inglês: Urban areas are typically affected by several environmental impacts of urbanization, among which highlight the Urban Heat Island (UHI) and high emissions of pollutants. The effect of the urban heat island, by definition, is the temperature rising in urban areas in relation to its surroundings. Trace gases typically emitted in urban environments (carbon monoxide - CO, nitrogen oxides NO$_{x}$, etc.) react chemically and form other pollutants, such as ozone (O$_{3}$). Among other factors, the production of secondary pollutants depends on the availability of solar radiation, temperature and humidity. This study analyzes the combined effects of UHI and air pollution in local weather conditions in the Metropolitan Area of São Paulo (MASP) using an observational data set, obtained from weather and of air quality monitoring stations. Complementary, numerical simulations were carried out with the regional chemical transport model BRAMS V5.0 (Brazilian Developments on the Regional Atmospheric Modeling System). The observational study aimed to identify the spatial and temporal variability modes associated with UHI, as well as groups of pollutants in the MASP. The observational dataset analysis of the interaction of the UHI and pollutants included two methods: the first identified a positive interaction between the concentration of O$_{3}$ and PM10 with the intensification of the UHI. For CO and NO$_{x}$, the results showed an increase in concentration with a threshold value of the urban heat island intensity (UHII), beyond that limit the concentration of pollutants stagnated or declined. In the second method, there was increase in the average concentration of O$_{3}$ and PM10 with UHII, with significance statistic. In the numerical modeling studies, three options of urban parameterization were analyzed; with all of them satisfactorily representing the UHI in the MASP. Nevertheless, the schemes with two-dimensional configuration (canyons and roofs) represented more consistently the characteristics of the urban area. The numerical simulations showed in the temporal evolution a positive phase relationship between the maximum concentration of O$_{3}$ and the maximum UHII, besides the existence of a positive relationship between strong ICU and the increase in CO, NO$_{x}$ and O$_{3}$ concentrations. In the spatial pattern, high concentrations of CO, NO$_{x}$ e O3 were found on days with a higher heating surface due to the delay in the entry sea breeze. In the vertical profile, was identified in the concentration of pollutants from the surface to high levels by intensifying the temperature and the UHI. This increase in the concentration of pollutants is due to the higher heating surface in urban areas, which results in the configuration of urban breeze, so that the upward movement carries the pollutants up to the higher levels. However, the presence of downdrafts causes the return of urban pollutants, worsening the air quality.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2016/03.02.17.48

Aglomerados urbanos são tipicamente afetados por vários impactos ambientais decorrentes da urbanização, dentre os quais se destacam a Ilha de Calor Urbana (ICU) e as altas emissões de poluentes. O efeito da ilha de calor urbana, por definição, representa o aumento da temperatura nos centros urbanos em relação aos seus arredores. Os gases tipicamente emitidos em ambiente urbanos (monóxido de carbono - CO, óxidos de nitrogênio - NO$_{x}$, material particulado - PM10, entre outros) reagem quimicamente e formam outros poluentes, como o ozônio (O$_{3}$). Dentre vários fatores, as formações de poluentes secundários dependem da disponibilidade de radiação solar, temperatura e umidade. Esse estudo analisa os efeitos combinados da ICU e da poluição do ar nas condições atmosféricas locais da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP). Para tal, foram utilizados dados observados obtidos a partir de estações meteorológicas e de monitoramento da qualidade do ar, além de simulações numéricas com o modelo regional de transporte químico BRAMS V5.0 (\emph{Brazilian Developments on the Regional Atmospheric Modeling System}). Com os dados observados foram identificados os modos de variabilidade espacial e temporal associados à ICU, assim como grupos de poluentes na RMSP. Na análise observacional da interação da ICU e dos poluentes, dois métodos foram adotados: no primeiro encontrou-se uma interação positiva entre o aumento da concentração do O$_{3}$ e do PM10 com a intensificação da ICU. Para o CO e NO$_{x}$, os resultados demonstraram um aumento da concentração com um valor limite de intensidade da ICU (IICU), a partir desse limite a concentração dos poluentes se estagnaram ou diminuíram. No segundo método, estatisticamente observou-se o aumento da concentração média de O$_{3}$ e PM10 com a IICU. Na modelagem numérica, três opções de parametrização urbana foram comparadas, os resultados mostraram que todos os esquemas urbanos representaram satisfatoriamente a ICU na RMSP, sendo que os esquemas com configuração bidimensional (cânions e telhados) apresentaram resultados mais coerentes às características da área urbana. Na análise dos efeitos da ICU e dos poluentes pelas simulações numéricas foi observada na evolução temporal uma relação de fase positiva entre a máxima concentração do O$_{3}$ e a máxima IICU, além da existência de uma relação positiva entre intensas ICU e o aumento da concentração do CO, NO$_{x}$ e O$_{3}$. No padrão espacial foram observadas concentrações elevadas do CO, NOX e O3 em dias com um maior aquecimento na superfície devido ao atraso na entrada da brisa marítima. No perfil vertical foi identificado o aumento da concentração dos poluentes desde a superfície a altos níveis com a intensificação da temperatura e da ICU. Esse aumento da concentração ocorre devido ao maior aquecimento na superfície das áreas urbanas, que acarreta na configuração da brisa urbana, de maneira que os movimentos ascendentes transportam os poluentes até altos níveis. Contudo, a presença de correntes descendentes faz com que os poluentes retornem para a área urbana, agravando a qualidade do ar.