Analysis of Contributions to NO2 Ambient Air Quality Levels in Madrid City (Spain) through Modeling. Implications for the Development of Policies and Air Quality Monitoring

As environmental standards become more stringent (e.g. European Directive 2008/50/EC), more reliable and sophisticated modeling tools are needed to simulate measures and plans that may effectively tackle air quality exceedances, common in large cities across Europe, particularly for NO2. Modeling air quality in urban areas is rather complex since observed concentration values are a consequence of the interaction of multiple sources and processes that involve a wide range of spatial and temporal scales. Besides a consistent and robust multi-scale modeling system, comprehensive and flexible emission inventories are needed. This paper discusses the application of the WRF-SMOKE-CMAQ system to the Madrid city (Spain) to assess the contribution of the main emitting sectors in the region. A detailed emission inventory was compiled for this purpose. This inventory relies on bottom-up methods for the most important sources. It is coupled with the regional traffic model and it makes use of an extensive database of industrial, commercial and residential combustion plants. Less relevant sources are downscaled from national or regional inventories. This paper reports the methodology and main results of the source apportionment study performed to understand the origin of pollution (main sectors and geographical areas) and define clear targets for the abatement strategy. Finally the structure of the air quality monitoring is analyzed and discussed to identify options to improve the monitoring strategy not only in the Madrid city but the whole metropolitan area.

Sensing Aeropolis. Urban air monitoring devices in Madrid, 2006-2010

Esta tesis examina las implicaciones técnicas, políticas y espaciales del aire urbano, y en concreto, de la calidad del aire, para tenerlo en cuenta desde una perspectiva arquitectónica. En oposición a formas de entender el aire como un vacío o como una metáfora, este proyecto propone abordarlo desde un acercamiento material y tecnológico, trayendo el entorno al primer plano y reconociendo sus múltiples agencias. Debido a la escasa bibliografía detectada en el campo de la arquitectura, el objetivo es construir un marco teórico-analítico para considerar el aire urbano. Para ello el trabajo construye Aeropolis, una metáfora heurística que describe el ensamblaje sociotecnico de la ciudad. Situada en la intersección de determinadas ramas de la filosofía de la cultura, los estudios sobre ciencia y tecnología y estudios feministas de la ciencia este nuevo paisaje conceptual ofrece una metodología y herramientas para abordar el objeto de estudio desde distintos ángulos. Estas herramientas metodológicas han sido desarrolladas en el contexto específico de Madrid, ciudad muy contaminada cuyo aire ha sido objeto de controversias políticas y sociales, y donde las políticas y tecnologías para reducir sus niveles no han sido exitosas. Para encontrar una implicación alternativa con el aire esta tesis propone un método de investigación de agentes invisibles a partir del análisis de sus dispositivos epistémicos. Se centra, en concreto, en los instrumentos que miden, visualizan y comunican la calidad del aire, proponiendo que no sólo lo representan, sino que son también instrumentos que diseñan el aire y la ciudad. La noción de “sensing” (en castellano medir y sentir) es expandida, reconociendo distintas prácticas que reconstruyen el aire de Madrid. El resultado de esta estrategia no es sólo la ampliación de los espacios desde los que relacionarnos con el aire, sino también la legitimación de prácticas existentes fuera de contextos científicos y administrativos, como por ejemplo prácticas relacionadas con el cuerpo, así como la redistribución de agencias entre más actores. Así, esta tesis trata sobre toxicidad, la Unión Europea, producción colaborativa, modelos de computación, dolores de cabeza, kits DIY, gases, cuerpos humanos, salas de control, sangre o políticos, entre otros. Los dispositivos que sirven de datos empíricos sirven como un ejemplo excepcional para investigar infraestructuras digitales, permitiendo desafiar nociones sobre Ciudades Inteligentes. La tesis pone especial atención en los efectos del aire en el espacio público, reconociendo los procesos de invisibilización que han sufrido sus infraestructuras de monitorización. Para terminar se exponen líneas de trabajo y oportunidades para la arquitectura y el diseño urbano a través de nuevas relaciones entre infraestructuras urbanas, el medio construido, espacios domésticos y públicos y humanos y no humanos, para crear nuevas ecologías políticas urbanas (queer). ABSTRACT This thesis examines the technical, political and spatial implications of urban air, and more specifically "air quality", in order to consider it from an architectural perspective. In opposition to understandings of the air either as a void or as a metaphor, this project proposes to inspect it from a material and technical approach, bringing the background to the fore and acknowledging its multiple agencies. Due to the scarce bibliography within the architectural field, its first aim is to construct a theoretical and analytical framework from which to consider urban air. For this purpose, the work attempts the construction of Aeropolis, a heuristic metaphor that describes the city's aero socio-material assemblage. Located at the intersection of certain currents in cultural philosophy, science and technology studies as well as feminist studies in technoscience, this framework enables a methodology and toolset to be extracted in order to approach the subject matter from different angles. The methodological tools stemming from this purpose-built framework were put to the test in a specific case study: Madrid, a highly polluted city whose air has been subject to political and social controversies, and where no effective policies or technologies have been successful in reducing its levels of pollution. In order to engage with the air, the thesis suggests a method for researching invisible agents by examining the epistemic devices involved. It locates and focuses on the instruments that sense, visualise and communicate urban air, claiming that they do not only represent it, but are also instruments that design the air and the city. The notion of "sensing" is then expanded by recognising different practices which enact the air in Madrid. The work claims that the result of this is not only the opening up of spaces for engagement but also the legitimisation of existing practices outside science and policymaking environments, such as embodied practices, as well as the redistribution of agency among more actors. So this is a thesis about toxicity, the European Union, collaborative production, scientific computational models, headaches, DIY kits, gases, human bodies, control rooms, blood, or politicians, among many others. The devices found throughout the work serve as an exceptional substrate for an investigation of digital infrastructures, enabling to challenge Smart City tropes. There is special attention paid to the effects of the air on the public space, acknowledging the silencing processes these infrastructures have been subjected to. Finally there is an outline of the opportunities arising for architecture and urban design when taking the air into account, to create new (queer) urban political ecologies between the air, urban infrastructures, the built environment, public and domestic spaces, and humans and more than humans.

Levels, sources and seasonality of coarse particles (PM10-PM2.5) in three European capitals e implications for particulate pollution control

Coarse particles of aerodynamic diameter between 2.5 and 10 mm (PMc) are produced by a range of natural (windblown dust and sea sprays) and anthropogenic processes (non-exhaust vehicle emissions, industrial, agriculture, construction and quarrying activities). Although current ambient air quality regulations focus on PM2.5 and PM10, coarse particles are of interest from a public health point of view as they have been associated with certain mortality and morbidity outcomes. In this paper, an analysis of coarse particle levels in three European capitals (London, Madrid and Athens) is presented and discussed. For all three cities we analysed data from both traffic and urban background monitoring sites. The results showed that the levels of coarse particles present significant seasonal, weekly and daily variability. Their wind driven and non-wind driven resuspension as well as their roadside increment due to traffic were estimated. Both the local meteorological conditions and the air mass history indicating long-range atmospheric transport of particles of natural origin are significant parameters that influence the levels of coarse particles in the three cities especially during episodic events.

Integración de la calidad del aire en la planificación física

En esta tesis se presenta una nueva aproximación para la realización de mapas de calidad del aire, con objeto de que esta variable del medio físico pueda ser tenida en cuenta en los procesos de planificación física o territorial. La calidad del aire no se considera normalmente en estos procesos debido a su composición y a la complejidad de su comportamiento, así como a la dificultad de contar con información fiable y contrastada. Además, la variabilidad espacial y temporal de las medidas de calidad del aire hace que sea difícil su consideración territorial y exige la georeferenciación de la información. Ello implica la predicción de medidas para lugares del territorio donde no existen datos. Esta tesis desarrolla un modelo geoestadístico para la predicción de valores de calidad del aire en un territorio. El modelo propuesto se basa en la interpolación de las medidas de concentración de contaminantes registradas en las estaciones de monitorización, mediante kriging ordinario, previa homogeneización de estos datos para eliminar su carácter local. Con el proceso de eliminación del carácter local, desaparecen las tendencias de las series muestrales de datos debidas a las variaciones temporales y espaciales de la calidad del aire. La transformación de los valores de calidad del aire en cantidades independientes del lugar de muestreo, se realiza a través de parámetros de uso del suelo y de otras variables características de la escala local. Como resultado, se obtienen unos datos de entrada espacialmente homogéneos, que es un requisito fundamental para la utilización de cualquier algoritmo de interpolación, en concreto, del kriging ordinario. Después de la interpolación, se aplica una retransformación de los datos para devolver el carácter local al mapa final. Para el desarrollo del modelo, se ha elegido como área de estudio la Comunidad de Madrid, por la disponibilidad de datos reales. Estos datos, valores de calidad del aire y variables territoriales, se utilizan en dos momentos. Un momento inicial, donde se optimiza la selección de los parámetros más adecuados para la eliminación del carácter local de las medidas y se desarrolla cada una de las etapas del modelo. Y un segundo momento, en el que se aplica en su totalidad el modelo desarrollado y se contrasta su eficacia predictiva. El modelo se aplica para la estimación de los valores medios y máximos de NO2 del territorio de estudio. Con la implementación del modelo propuesto se acomete la territorialización de los datos de calidad del aire con la reducción de tres factores clave para su efectiva integración en la planificación territorial o en el proceso de toma de decisiones asociado: incertidumbre, tiempo empleado para generar la predicción y recursos (datos y costes) asociados. El modelo permite obtener una predicción de valores del contaminante objeto de análisis en unas horas, frente a los periodos de modelización o análisis requeridos por otras metodologías. Los recursos necesarios son mínimos, únicamente contar con los datos de las estaciones de monitorización del territorio que, normalmente, están disponibles en las páginas web viii institucionales de los organismos gestores de las redes de medida de la calidad del aire. Por lo que respecta a las incertidumbres de la predicción, puede decirse que los resultados del modelo propuesto en esta tesis son estadísticamente muy correctos y que los errores medios son, en general, similares o menores que los encontrados con la aplicación de las metodologías existentes. ABSTRACT This thesis presents a new approach for mapping air quality, so that this variable of physical environment can be taken into account in physical or territorial planning. Ambient air quality is not normally considered in territorial planning mainly due to the complexity of its composition and behavior and the difficulty of counting with reliable and contrasted information. In addition, the wide spatial and temporal variability of the measurements of air quality makes his territorial consideration difficult and requires georeferenced information. This involves predicting measurements in the places of the territory where there are no data. This thesis develops a geostatistical model for predicting air quality values in a territory. The proposed model is based on the interpolation of measurements of pollutants from the monitoring stations, using ordinary kriging, after a detrending or removal of the local character of sampling values process. With the detrending process, the local character of the time series of sampling data, due to temporal and spatial variations of air quality, is removed. The transformation of the air quality values into site-independent quantities is performed using land use parameters and other characteristic parameters of local scale. This detrending of the monitoring data process results in a spatial homogeneous input set which is a prerequisite for a correct use of any interpolation algorithm, particularly, ordinary kriging. After the interpolation step, a retrending or retransformation is applied in order to incorporate the local character in the final map at places where no monitoring data is available. For the development of this model, the Community of Madrid is chosen as study area, because of the availability of actual data. These data, air quality values and local parameters, are used in two moments. A starting point, to optimize the selection of the most suitable indicators for the detrending process and to develop each one of the model stages. And a second moment, to fully implement the developed model and to evaluate its predictive power. The model is applied to estimate the average and maximum values of NO2 in the study territory. With the implementation of the proposed model, the territorialization of air quality data is undertaken with the reduction in three key factors for the effective integration of this parameter in territorial planning or in the associated decision making process: uncertainty, time taken to generate the prediction and associated resources (data and costs). This model allows the prediction of pollutant values in hours, compared to the implementation time periods required for other modeling or analysis methodologies. The required resources are also minimal, only having data from monitoring stations in the territory, that are normally available on institutional websites of the authorities responsible for air quality networks control and management. With regard to the prediction uncertainties, it can be concluded that the results of the proposed model are statistically very accurate and the mean errors are generally similar to or lower than those found with the application of existing methodologies.

On-line breath analysis of volatile organic compounds as a method for colorectal cancer detection

Background: Analysis of exhaled volatile organic compounds (VOCs) in breath is an emerging approach for cancer diagnosis, but little is known about its potential use as a biomarker for colorectal cancer (CRC). We investigated whether a combination of VOCs could distinct CRC patients from healthy volunteers. Methods: In a pilot study, we prospectively analyzed breath exhalations of 38 CRC patient and 43 healthy controls all scheduled for colonoscopy, older than 50 in the average-risk category. The samples were ionized and analyzed using a Secondary ElectroSpray Ionization (SESI) coupled with a Time-of-Flight Mass Spectrometer (SESI-MS). After a minimum of 2 hours fasting, volunteers deeply exhaled into the system. Each test requires three soft exhalations and takes less than ten minutes. No breath condensate or collection are required and VOCs masses are detected in real time, also allowing for a spirometric profile to be analyzed along with the VOCs. A new sampling system precludes ambient air from entering the system, so background contamination is reduced by an overall factor of ten. Potential confounding variables from the patient or the environment that could interfere with results were analyzed. Results: 255 VOCs, with masses ranging from 30 to 431 Dalton have been identified in the exhaled breath. Using a classification technique based on the ROC curve for each VOC, a set of 9 biomarkers discriminating the presence of CRC from healthy volunteers was obtained, showing an average recognition rate of 81.94%, a sensitivity of 87.04% and specificity of 76.85%. Conclusions: A combination of cualitative and cuantitative analysis of VOCs in the exhaled breath could be a powerful diagnostic tool for average-risk CRC population. These results should be taken with precaution, as many endogenous or exogenous contaminants could interfere as confounding variables. On-line analysis with SESI-MS is less time-consuming and doesn’t need sample preparation. We are recruiting in a new pilot study including breath cleaning procedures and spirometric analysis incorporated into the postprocessing algorithms, to better control for confounding variables.

Urban trees and atmospheric pollutants in big cities: Effects in Madrid

Una investigación sobre la mejora de la contaminación del aire (CA) por medio de arbolado urbano se realizó en Madrid, una ciudad con casi 4 M de habitantes, 2,8 M de vehículos y casi 3 M de árboles de mantenimiento público. La mayoría de los árboles estaban en dos bosques periurbanos. Los 650.000 restantes era pies de alineación y parques. Los taxones estudiados fueron Platanus orientalis (97.205 árboles), Ulmus sp. (70.557), Pinus pinea (49.038), Aesculus hippocastanum (22.266), Cedrus sp. (13.678) y Quercus ilex (1.650), de calles y parques. Muestras foliares se analizaron en diferentes épocas del año, así como datos de contaminación por PM10 de 28 estaciones de medición de la contaminación durante 30 años, y también la intensidad del tráfico (IMD) en 2.660 calles. La acumulación de metales pesados (MP) sobre hojas y dentro de estas se estimó en relación con la CA y del suelo y la IMD del tráfico. La concentración media de Ba, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb y Zn en suelo (materia seca) alcanzó: 489,5, 0,7, 49,4, 60,9, 460,9, 12,8, 155,9 y 190,3 mg kg-1 respectivamente. Los árboles urbanos, particularmente coníferas (debido a la mayor CA en invierno) contribuyen significativamente a mejorar la CA sobre todo en calles con alta IMD. La capacidad de las seis sp. para capturar partículas de polvo en su superficies foliares está relacionada con la IMD del tráfico y se estimó en 16,8 kg/año de MP tóxicos. Pb y Zn resultaron ser buenos marcadores antrópicos en la ciudad en relación con el tráfico, que fue la principal fuente de contaminación en los árboles y suelos de Madrid. Las especies de árboles variaron en función de su capacidad para capturar partículas (dependiendo de las propiedades de sus superficies foliares) y acumular los MP absorbidos de los suelos. Las concentraciones foliares de Pb y Zn estuvieron por encima de los límites establecidos en diferentes sitios de la ciudad. La microlocalización de Zn mediante microscópico mostró la translocación al xilema y floema. Se detectaron puntos de contaminación puntual de Cu and Cr en antiguos polígonos industriales y la distribución espacial de los MP en los suelos de Madrid mostró que en incluso en zonas interiores del El Retiro había ciertos niveles elevados de [Pb] en suelo, tal vez por el emplazamiento la Real Fábrica de Porcelana en la misma zona hace 200 años. Distintas áreas del centro de la ciudad también alcanzaron niveles altos de [Pb] en suelo. Según los resultados, el empleo de una combinación de Pinus pinea con un estrato intermedio de Ulmus sp. y Cedrus sp. puede ser la mejor recomendación como filtro verde eficiente. El efecto del ozono (O3) sobre el arbolado en Madrid fue también objeto de este estudio. A pesar de la reducción de precursores aplicada en muchos países industrializados, O3 sigue siendo la principal causa de CA en el hemisferio norte, con el aumento de [O3] de fondo. Las mayores [O3] se alcanzaron en regiones mediterráneas, donde el efecto sobre la vegetación natural es compensado por el xeromorfismo y la baja conductancia estomática en respuesta los episodios de sequía estival característicos de este clima. Durante una campaña de monitoreo, se identificaron daños abióticos en hojas de encina parecidos a los de O3 que estaban plantadas en una franja de césped con riego del centro de Madrid. Dada la poca evidencia disponible de los síntomas de O3 en frondosas perennifolias, se hizo un estudio que trató de 1) confirman el diagnóstico de daño de O3, 2) investigar el grado de los síntomas en encinas y 3) analizar los factores ambientales que contribuyeron a los daños por O3, en particular en lo relacionado con el riego. Se analizaron los marcadores macro y micromorfológicos de estrés por O3, utilizando las mencionadas encinas a modo de parcela experimental. Los síntomas consistieron en punteado intercostal del haz, que aumentó con la edad. Además de un punteado subyacente, donde las células superiores del mesófilo mostraron reacciones características de daños por O3. Las células próximas a las zonas dañadas, presentaron marcadores adicionales de estrés oxidativo. Estos marcadores morfológicos y micromorfológicos de estrés por O3 fueron similares a otras frondosas caducifolias con daños por O3. Sin embargo, en nuestro caso el punteado fue evidente con AOT40 de 21 ppm•h, asociada a riego. Análisis posteriores mostraron que los árboles con riego aumentaron su conductancia estomática, con aumento de senescencia, manteniéndose sin cambios sus características xeromórficas foliares. Estos hallazgos ponen de relieve el papel primordial de la disponibilidad de agua frente a las características xeromórficas a la hora de manifestarse los síntomas en las células por daños de O3 en encina. ABSTRACT Research about air pollution mitigation by urban trees was conducted in Madrid (Spain), a southern European city with almost 4 M inhabitants, 2.8 M daily vehicles and 3 M trees under public maintenance. Most trees were located in two urban forests, while 650'000 trees along urban streets and in parks. The urban taxa included Platanus orientalis (97'205 trees), Ulmus sp. (70’557), Pinus pinea (49'038), Aesculus hippocastanum (22’266), Cedrus sp. (13'678 and Quercus ilex (1'650) along streets and parks. Leave samples were analysed sequentially in different seasons, PM10 data from 28 air monitoring stations during 30 years and traffic density estimated from 2’660 streets. Heavy metal (HM) accumulation on the leaf surface and within leaves was estimated per tree related to air and soil pollution, and traffic intensity. Mean concentration of Ba, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb and Zn in topsoil samples (dry mass) amounted in Madrid: 489.5, 0.7, 49.4, 60.9, 460.9, 12.8, 155.9 and 190.3 mg kg-1 respectively. Urban trees, particularly conifers (due to higher pollution in winter) contributed significantly to alleviate air pollution especially near to high ADT roads. The capacity of the six urban street trees species to capture air-born dust on the foliage surface as related to traffic intensity was estimated to 16.8 kg of noxious metals from exhausts per year. Pb and Zn pointed to be tracers of anthropic activity in the city with vehicle traffic as the main source of diffuse pollution on trees and soils. Tree species differed by their capacity to capture air-borne dust (by different leaf surface properties) and to allocate HM from soils. Pb and Zn concentrations in the foliage were above limits in different urban sites and microscopic Zn revelation showed translocation in xylem and phloem tissue. Punctual contamination in soils by Cu and Cr was identified in former industrial areas and spatial trace element mapping showed for central Retiro Park certain high values of [Pb] in soils even related to a Royal pottery 200 years ago. Different areas in the city centre also reached high levels [Pb] in soils. According to the results, a combination of Pinus pinea with understorey Ulmus sp. and Cedrus sp. layers can be recommended for the best air filter efficiency. The effects of ozone (O3) on trees in different areas of Madrid were also part of this study. Despite abatement programs of precursors implemented in many industrialized countries, ozone remained the main air pollutant throughout the northern hemisphere with background [O3] increasing. Some of the highest ozone concentrations were measured in regions with a Mediterranean climate but the effect on the natural vegetation is alleviated by low stomatal uptake and frequent leaf xeromorphy in response to summer drought episodes characteristic of this climate. During a bioindication survey, abiotic O3-like injury was identified in foliage. Trees were growing on an irrigated lawn strip in the centre of Madrid. Given the little structural evidence available for O3 symptoms in broadleaved evergreen species, a study was undertaken in 2007 with the following objectives 1) confirm the diagnosis, 2) investigate the extent of symptoms in holm oaks growing in Madrid and 3) analyse the environmental factors contributing to O3 injury, particularly, the site water supply. Therefore, macro- and micromorphological markers of O3 stress were analysed, using the aforementioned lawn strip as an intensive study site. Symptoms consisted of adaxial and intercostal stippling increasing with leaf age. Underlying stippling, cells in the upper mesophyll showed HR-like reactions typical of ozone stress. The surrounding cells showed further oxidative stress markers. These morphological and micromorphological markers of ozone stress were similar to those recorded in deciduous broadleaved species. However, stippling became obvious already at an AOT40 of 21 ppm•h and was primarily found at irrigated sites. Subsequent analyses showed that irrigated trees had their stomatal conductance increased and leaf life-span reduced whereas their leaf xeromorphy remained unchanged. These findings suggest a central role of water availability versus leaf xeromorphy for ozone symptom expression by cell injury in holm oak.