Turbulent vertical fluxes and air quality measured in urban air in Helsinki

There is a growing need to understand the exchange processes of momentum, heat and mass between an urban surface and the atmosphere as they affect our quality of life. Understanding the source/sink strengths as well as the mixing mechanisms of air pollutants is particularly important due to their effects on human health and climate. This work aims to improve our understanding of these surface-atmosphere interactions based on the analysis of measurements carried out in Helsinki, Finland. The vertical exchange of momentum, heat, carbon dioxide (CO2) and aerosol particle number was measured with the eddy covariance technique at the urban measurement station SMEAR III, where the concentrations of ultrafine, accumulation mode and coarse particle numbers, nitrogen oxides (NOx), carbon monoxide (CO), ozone (O3) and sulphur dioxide (SO2) were also measured. These measurements were carried out over varying measurement periods between 2004 and 2008. In addition, black carbon mass concentration was measured at the Helsinki Metropolitan Area Council site during three campaigns in 1996-2005. Thus, the analyzed dataset covered far, the most comprehensive long-term measurements of turbulent fluxes reported in the literature from urban areas. Moreover, simultaneously measured urban air pollution concentrations and turbulent fluxes were examined for the first time. The complex measurement surrounding enabled us to study the effect of different urban covers on the exchange processes from a single point of measurement. The sensible and latent heat fluxes closely followed the intensity of solar radiation, and the sensible heat flux always exceeded the latent heat flux due to anthropogenic heat emissions and the conversion of solar radiation to direct heat in urban structures. This urban heat island effect was most evident during winter nights. The effect of land use cover was seen as increased sensible heat fluxes in more built-up areas than in areas with high vegetation cover. Both aerosol particle and CO2 exchanges were largely affected by road traffic, and the highest diurnal fluxes reached 109 m-2 s-1 and 20 µmol m-2 s-1, respectively, in the direction of the road. Local road traffic had the greatest effect on ultrafine particle concentrations, whereas meteorological variables were more important for accumulation mode and coarse particle concentrations. The measurement surroundings of the SMEAR III station served as a source for both particles and CO2, except in summer, when the vegetation uptake of CO2 exceeded the anthropogenic sources in the vegetation sector in daytime, and we observed a downward median flux of 8 µmol m-2 s-1. This work improved our understanding of the interactions between an urban surface and the atmosphere in a city located at high latitudes in a semi-continental climate. The results can be utilised in urban planning, as the fraction of vegetation cover and vehicular activity were found to be the major environmental drivers affecting most of the exchange processes. However, in order to understand these exchange and mixing processes on a city scale, more measurements above various urban surfaces accompanied by numerical modelling are required.

Kaupungit muokkaavat voimakkaasti liikemäärän, lämmön ja eri aineiden massan vaihtoa ilmakehän ja maan pinnan välillä. Muokkautuneet vaihtoprosessit aiheutuvat ihmisten toiminnasta ja maan käytön muutoksista, ja näillä prosesseilla on useita vaikutuksia ihmisten hyvinvointiin. Erityisesti hiilidioksidin (CO2) ja ilmakehän pienhiukkasten vaikutukset ilmastoon, ja jälkimmäisen tapauksessa myös ihmisten terveyteen, ovat hyvin tiedossa ja näiden, kuten monien muidenkin ilman epäpuhtauksien, ihmisperäiset lähteet sijaitsevat kaupunkialueilla. Useimmat pienhiukkasten ja CO2:n lähteet ja nielut on tunnistettu, mutta näiden jakautumisessa ja voimakkuuksissa on vielä paljon epäselvyyttä. Epäselvää on myös paikallisen meteorologian, erityisesti turbulenttisen sekoittumisen, vaikutukset hiilidioksidin ja pienhiukkasten leviämiseen. Tämä työ pyrkii parantamaan ymmärrystämme näistä vaihto- ja sekoittumisprosesseista kaupunkialueilla Helsingissä suoritettujen pitkäaikaisten mittauksien avulla. Mittaukset kattavat liikemäärän, lämmön, CO2:n ja pienhiukkasten turbulenttisen vaihdon Helsingin Kumpulassa sijaitsevalla mittausasemalla SMEAR III. Lisäksi asemalla mitattiin erikokoisten pienhiukkasten pitoisuuksia sekä ilmanlaadun kannalta tärkeiden kaasujen, typen oksidien (NOx), hiilimonoksidin (CO), otsonin (O3) ja rikkidioksidin (SO2), pitoisuuksia. Mittaukset suoritettiin vuosina 2004 2008. Lisäksi pienhiukkasten mustan hiilen (noki) massapitoisuutta mitattiin kolmessa mittauskampanjassa vuosien 1996 2005 välillä Pääkaupunkiseudun yhteistyövaltuuskunnan (YTV) Vallilan mittausasemalla. Kaupunkialustan havaittiin olevan lämmön lähde erityisesti talvisin, jolloin rakennuksien lämmitykset lisäävät lämmön emissioita. Nämä lämmön emissiot vomistavat ilmakehän turbulenttista sekoittumista. Liikenteen vaikutus CO2:n ja pienhiukkasten päästöihin oli selvä, ja niiden käyttäytyminen seurasi tiiviisti Helsingissä mitattuja liikennemääriä. Mittausaseman ympäristö toimi molempien lähteenä, paitsi kesäpäiväisin, jolloin kasvillisuuden hiilinielu ylitti CO2:n ihmisperäiset päästöt. Liikenne vaikutti eniten pienimpien, ihmisille vaarallisimpien, hiukkasten lukumääräpitoisuuksiin, kun taas meteorologian merkitys korostui suurempien hiukkasten tapauksessa. Turbulenttinen sekoittuminen vaikutti kaikenkokoisiin hiukkasiin ja sen vaikutus riippui hiukkasten koosta. Pienimpien hiukkasten pitoisuudet alenivat niiden sekoittuessa suurempaan ilmatilavuuteen. Suurempien hiukkasten pitoisuudet taas kasvoivat niiden noustessa pinnoilta. Mustan hiilen pitoisuudet riippuivat myös voimakkaasti paikallisesta liikenteestä ja pitoisuuksien havaittiin pysyneen melko samalla tasolla tutkitun kymmenen vuoden aikana. Tämän tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää kaupunkisuunnittelussa, sillä liikenteen ja kasvillisuuden määrän havaittiin vaikuttavan suurimpaan osaan vaihtoprosesseja. Tässä työssä esitetyt mittaukset kattoivat kuitenkin vain pienen osan Helsinkiä. Jotta voisimme saada kokonaiskuvan kaupungin alueella tapahtuvista vaihto- ja sekoittumisprosesseista, tarvitsemme lisää mittauksia useissa eri mittauspisteissä mallinnuksella täydennettynä.