Assessing the effects of medium-range transport of biomass burning aerosols on air quality in northern south america through chemical transport modelling

Abstract

Debido al alto grado de urbanización y al rápido crecimiento de la flota vehicular, los esfuerzos de modelado atmosférico en Colombia se han centrado en evaluar la contribución de las fuentes locales a la contaminación del aire en áreas urbanas. Sin embargo, estudios recientes han sugerido que una fracción importante de la estacionalidad en la concentración de PM2.5 puede explicarse por la contribución de los incendios abiertos en NSA. Esos estudios han demostrado a través imagenes satellitales, campañas de campo y análisis de trayectorias, que la calidad del aire en el NSA puede verse afectada por el transporte de mediano alcance de las columnas de combustión de biomasa (BB). En esta disertación usamos el modelo WRF-Chem para: i) cuantificar la contribución de los incendios abiertos y agrícolas a PM2.5 y ozono durante las temporadas de bajo y alto BB, ii) comprender la contribución de los aerosoles orgánicos en Bogotá; iii) establecer las rutas probables para el transporte a mediano alcance de partículas de aerosol de eventos de quema de biomasa sobre NSA; iv) cuantificar el número de casos de diferentes resultados de salud asociados con BB durante la temporada de incendios en la región; y v) explorar otros efectos potenciales de las fuentes regionales de quema de biomasa sobre el ambiente en NSA. Los resultados de la simulación fueron consistentes con los datos satélites, observaciones in-situ y PM2.5 especiado. El desempeño del modelo mostró que durante la temporada de alto numero de incendios, los aerosoles de incendios representan alrededor del 80% del total del PM2.5 a escala regional y contribuyen con el 15% del total de PM2.5 y el 20% de las concentraciones de ozono para la ciudad de Bogotá. El deterioro de la calidad del aire de las fuentes regionales de quema de biomasa es probablemente responsable de miles de visitas de emergencia hospitalarias asociadas con enfermedades respiratorias.

Due to the high degree of urbanization and rapid growth of mobile sources, atmospheric modelling efforts in Colombia have often been focused on evaluating the contribution of local sources to air pollution in urban areas. However, recent studies have suggested that an important fraction of the seasonality in PM2.5 concentration can be explained by the contribution from open fires in NSA. Those studies have shown through remote data, field campaign, and back-trajectory analysis, that air quality in NSA can be impacted by medium-range transport of biomass burning (BB) plumes. In this dissertation we use WRF-Chem model to: i) quantify the contribution from open and agricultural fires to PM2.5 and Ozone during low- and high-BB seasons, ii) understand the organic aerosol contribution in Bogotá; iii) establish the likely pathways for the medium?range transport of aerosol particles from open biomass burning events over NSA; iv) quantify the number of cases for different health outcomes associated with BB during a peak of fire season in the region; and v) explore other potential effects of regional biomass burning sources over the atmospheric environment in NSA. Simulation results were consistent with satellite retrievals, in-situ observations, and speciated PM2.5. Model performance showed that during high-BB season aerosols from fires represent about 80% of the total fine aerosol particles at regional scale and contributes 15% of the total PM2.5 and 20% of the Ozone concentrations for the city of Bogotá. The deterioration of air quality from regional biomass burning sources is likely responsible for thousands of excess hospital emergency visits associated with respiratory diseases. Although, modeled PM2.5 is dominated by organic aerosols, simulations underestimate the OA fraction in Bogotá irrespective of the aerosol scheme used. During the low-BB activity, this study showed that long-range transport of BB plumes from Amazonia can also negatively impact the cities in NSA.