Investigation of the impact of urbanization on climate and air quality: A case study over Turkey


Thesis Type: Doctorate

Institution Of The Thesis: Marmara University, Institute for Graduate Studies in Pure and Applied Sciences, Department of Environmental Engineering (Eng), Turkey

Approval Date: 2013

Thesis Language: English

Student: HÜSEYİN ÖZDEMİR

Principal Consultant (For Co-Consultant Theses): Bülent Mertoğlu

Abstract:

ŞEHİRLEŞMENİN İKLİME VE HAVA KALİTESİNE ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI: TÜRKİYE ÜZERİNE ÖRNEK BİR ÇALIŞMA Gelişmekteki ülkelerden biri olan Türkiye, son 50 sene içerisinde tarım toplumundan endüstri toplumuna geçmiştir. Bu durum, kırsal bölgelerden şehirlere büyük bir göç ve bununla birlikte iklim değişikliği, hava ve su kirliliği, vb. çevresel problemler meydana getirmiştir. Bu çalışmada, şehirleşmenin Türkiye’nin iklimi ve hava kalitesi üzerindeki etkilerini araştırmak için iki farklı yaklaşım uygulanmıştır. İlk yaklaşımda, Türkiye’nin en kalabalık şehirlerinde Şehir Isı Adası etkisi analiz edilmiştir. Bu şehirleri 81 il arasından seçmek için bazı kriterler kullanılmış ve 8 büyükşehir analiz edilmek için seçilmiştir. Bu şehirlerin merkez ve kırsal istasyonlarının, uzun süreli sıcaklık eğilimlerini tespit edebilmek için parametrik olmayan Mann-Kendall test prosedürü uygulanmıştır. 1965 ve 2006 yılları arasındaki günlük minimum sıcaklık analizleri, kırsal bölgelerde istatistiksel olarak anlamlı bir artış olmadığını gösterirken, bütün şehirleşmiş alanlar anlamlı artış eğilimleri göstermiştir. Çalışmanın ikinci kısmında, Türkiye’de ilk kez Siyah Karbon kirliliği araştırılmıştır. Siyah Karbon ve İnce Partikül Madde konsantrasyonlarının ölçümü için trafik yoğunluklarına göre belirlenmiş 4 farklı noktada 2 ölçüm çalışması yapılmıştır. İlk ölçüm çalışmasında, günlük ortalama Siyah Karbon konsantrasyonları 4 ve 10 μg/m3 arasında bulunmuştur. İkinci ölçüm çalışmasında, en yüksek trafik yoğunluğunun olduğu noktada aynı kirleticiler 1 yıl boyunca ölçülmüştür (yıllık ortalama Siyah Karbon: 13 μg/m3 ve İnce Partikül Madde: 36 μg/m3). Gün içerisindeki Siyah Karbon konsantrasyonları değişimi ile trafik yoğunluğunun regresyon analizi sonucunda, korelasyon katsayısı 0.87 olan anlamlı bir ilişki ortaya çıkmıştır. Son olarak çalışma alanındaki Siyah Karbon seviyelerini değerlendirebilmek için orta ölçekli hava kalitesi modelleme sistemi kullanılmıştır. Modelleme sistemi 2011 yılı Ocak ayındaki bir kış epizodu için yürütülmüştür. Sonuçların istatistiksel değerlendirilmesi gözlemlerle zayıf bir uyum göstersede, konsantrasyonların eğilimleri model tarafından yakalanmıştır. ABSTRACT INVESTIGATION OF THE IMPACT OF URBANIZATION ON CLIMATE AND AIR QUALITY: A CASE STUDY OVER TURKEY Turkey is a developing country, and during the past 50 years, has passed from an agricultural to industrial society. This situation has brought high rural to urban migration together with the environmental problems; climate change, air and water pollution, and etc. In this study, two different approaches are applied in order to investigate the urbanization effects on the climate and air quality of Turkey. Firstly, Urban Heat Island effect is analyzed on highly populated cities of Turkey. Some criteria are employed to select the cities from the 81 cities, and after accomplishing all the criteria, 8 cities are analyzed for the study. Nonparametric Mann–Kendall test procedure is employed for the urban and rural stations of these cities to detect the long-term change in temperature trends. Analysis of daily minimum temperatures for the period between 1965 and 2006 suggest that there is no statistically significant increase in rural areas, while all the urban sites show significantly increasing trends. Secondly, study provides an investigation of the Black Carbon pollution for the first time in Turkey. Two measurement campaigns are conducted to measure Black Carbon and Fine Particulate Matter concentrations at four locations of Istanbul, characterized by different traffic densities. In the first campaign, Black Carbon daily mean concentrations are found to be between 4 and 10 μg/m3. In the second campaign, same pollutants are measured at the site with the highest traffic density for an entire year (annual average Black Carbon: 13 μg/m3 and Fine Particulate Matter: 36 μg/m3). Analysis of diurnal variations of Black Carbon concentrations and traffic density revealed a significant relation with a correlation coefficient of 0.87. Finally, a mesoscale air quality modeling system is used to evaluate the Black Carbon levels in the study area. The modeling system is conducted for a winter episode in January 2011. The results of the model are compared with the conducted measurements. The statistical evaluation of the results has shown poor agreement with the observations, while the trends are captured.