DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-5185-2026
تاريخ النشر: 2026-04-20
المؤلف: Antoine Pasternak وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأوزون الجوي والمناخ
نظرة عامة
تقيّم هذه الدراسة أداء نموذج WRF-Chem v4.5.1 في محاكاة ثاني أكسيد النيتروجين (NO₂) في الطبقة السفلى من الغلاف الجوي فوق بوخارست، رومانيا، باستخدام محاكاة عالية الدقة (1 كم) جنبًا إلى جنب مع مجموعات بيانات رصد متنوعة، بما في ذلك بيانات الأرصاد الجوية في الموقع وقياسات جوية من حملة SWING+ التي أجريت بين عامي 2021 و2022. يلتقط النموذج بشكل فعال العمليات الجوية وتغيرات NO₂، باستثناء فترة رصد واحدة. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة تجد أن انبعاثات أكاسيد النيتروجين البشرية (NOₓ) من مخزون CAMS-REG v7.0 تم تقديرها بشكل غير كاف، مما يتطلب عامل تعديل قدره 1.5 لتحسين التوافق مع الملاحظات. تكشف تقييمات أعمدة NO₂ في الطبقة السفلى من الغلاف الجوي بواسطة TROPOMI عن تحيزات تختلف مع مستويات التركيز، مما يشير إلى تحيز إيجابي عند التركيزات المنخفضة وتحليل سلبي عند المستويات الأعلى، إلى جانب التغيرات الموسمية.
تؤكد النتائج قدرة النموذج على إعادة إنتاج الميزات الجوية الرئيسية، حيث تبقى التحيزات المتوسطة لضغط السطح ودرجة الحرارة والرطوبة النسبية والإشعاع الشمسي ضمن الحدود المقبولة. تتجاوز معاملات الارتباط لهذه المتغيرات 0.95، بينما يظهر سرعة الرياح تحيزًا إيجابيًا قدره 1.0 م ث⁻¹. أداء النموذج في التقاط الدورات اليومية والموسمية لـ NO و NO₂ مرضٍ، على الرغم من أن تركيزات السطح خلال النهار عادة ما تكون مقدرة بشكل غير كاف. تسلط التحليل الضوء على التباينات بين القياسات السطحية والجوّية، خاصة في الخريف والشتاء، مما يشير إلى مجالات لتحسين النموذج، مثل الخلط العمودي ومستويات المؤكسدات. بشكل عام، تؤكد الدراسة على الحاجة إلى تعزيز مخزونات الانبعاثات وبيانات رصد إضافية لتحسين دقة النموذج والتحقق من صحة المنتجات الساتلية مثل TROPOMI.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية أكاسيد النيتروجين (NOx = NO + NO2) كملوثات حيوية في الطبقة السفلى من الغلاف الجوي، والتي تنبعث بشكل رئيسي من الأنشطة البشرية مثل احتراق الوقود في النقل والتدفئة والصناعة، بالإضافة إلى المصادر البيولوجية. يؤدي التحويل السريع لـ NO إلى NO2 من خلال التفاعلات الضوئية الكيميائية إلى تكوين ملوثات ثانوية، بما في ذلك الأوزون في الطبقة السفلى من الغلاف الجوي، مما يؤثر سلبًا على صحة الإنسان وجودة البيئة. تؤكد الورقة على ضرورة الرصد العالمي لتوزيع NO2، الذي يسهل بواسطة أدوات الأقمار الصناعية المتقدمة مثل أداة رصد الطبقة السفلى من الغلاف الجوي (TROPOMI)، التي حسنت من الدقة المكانية مقارنة بالأدوات السابقة لكنها لا تزال تواجه تحديات تتعلق بعدم اليقين في القياسات.
تركز الدراسة على نشر جهاز التصوير الصغير SWING+ لرصد التركيب الجوي لقياس NO2 في الطبقة السفلى من الغلاف الجوي في بوخارست، رومانيا، وهي مدينة تتمتع بنشاط بشري كبير ومشكلات ملحوظة في جودة الهواء. يوفر جهاز SWING+ بيانات عالية الدقة يمكن أن تساعد في تقييم منتجات TROPOMI وتقييم التغيرات الموسمية في تركيزات NO2. تستخدم الدراسة نموذج الأرصاد الجوية والطقس المرتبط بالكيمياء (WRF-Chem) لمحاكاة التركيب الجوي والتحقق من صحة هذه المحاكاة مقابل كل من القياسات في الموقع والملاحظات الجوية. تهدف هذه المقاربة إلى سد الفجوات في مجموعات بيانات الرصد وتحسين فهم ديناميات NO2 في البيئات الحضرية، مما يسهم في تقييمات أكثر دقة لجودة الهواء وتأثيراتها على الصحة العامة وتغير المناخ.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقات ارتباط كبيرة بين المتغيرات المدروسة، والتي تم قياسها باستخدام طرق إحصائية. على سبيل المثال، كشفت التحليلات عن وجود ارتباط إيجابي قوي، يُشار إليه بـ $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة قوية بين المتغير X والمتغير Y.
بالإضافة إلى ذلك، تُظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. وهذا يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. يتضمن القسم أيضًا تمثيلات رسومية للبيانات، والتي توضح المزيد من الاتجاهات والأنماط التي تم تحديدها خلال التحليل، مما يعزز من صحة النتائج. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في تقديم رؤى قيمة حول سؤال البحث وتدعم الفرضيات المطروحة في بداية الدراسة.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة انبعاثات أكاسيد النيتروجين البشرية (NOx) في بوخارست، باستخدام مخزون CAMS-REG النسخة 7.0، الذي يوفر خرائط انبعاثات مفصلة لمختلف الأنواع الكيميائية عبر قطاعات مختلفة للسنوات 2021 و2022. كانت تقديرات انبعاثات NOx السنوية لبوخارست 32.6 مول كم$^{-2}$ ساعة$^{-1}$ في 2021 و33.6 مول كم$^{-2}$ ساعة$^{-1}$ في 2022، مما يترجم إلى 4.03 كيلوتون سنويًا و4.16 كيلوتون سنويًا، على التوالي. ومن الجدير بالذكر أنه تم تطبيق تعديل مخصص على مخزون CAMS-REG، مما زاد من انبعاثات NOx بعامل 1.5 لتحسين توافق توقعات النموذج مع التركيزات المرصودة، مما أسفر عن انبعاثات معدلة قدرها 48.9 مول كم$^{-2}$ ساعة$^{-1}$ في 2021 و50.4 مول كم$^{-2}$ ساعة$^{-1}$ في 2022.
يتناول القسم أيضًا المنهجية المستخدمة لقياس التركيزات الجوية والكيميائية، مع تسليط الضوء على استخدام القياسات في الموقع من الشبكة الوطنية لرصد جودة الهواء في رومانيا (RNMCA) والملاحظات الجوية من جهاز SWING+. تشير تقييمات النموذج إلى أن WRF-Chem عمومًا يقدر مستويات NO و NO2 بشكل غير كاف بينما يبالغ في تقدير تركيزات الأوزون، والتي تتأثر بشكل خاص بتأثير المعايرة لأكاسيد النيتروجين. يبرز التحليل أهمية اختيار محطات رصد تمثيلية، مع تجنب تلك المتأثرة بشدة بحركة المرور، لضمان التحقق الدقيق من صحة النموذج. بشكل عام، تؤكد النتائج على الحاجة إلى معايرة دقيقة لمخزونات الانبعاثات ومعلمات النموذج لتحسين توقعات جودة الهواء في البيئات الحضرية.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-5185-2026
Publication Date: 2026-04-20
Author(s): Antoine Pasternak et al.
Primary Topic: Atmospheric Ozone and Climate
Overview
This research evaluates the performance of the WRF-Chem model v4.5.1 in simulating tropospheric nitrogen dioxide (NO₂) over Bucharest, Romania, utilizing high-resolution (1 km) simulations alongside various observational datasets, including in situ meteorological data and airborne measurements from the SWING+ campaign conducted between 2021 and 2022. The model effectively captures atmospheric processes and NO₂ variability, with the exception of one observation period. Notably, the study finds that anthropogenic nitrogen oxides (NOₓ) emissions from the CAMS-REG v7.0 inventory are underestimated, necessitating a scaling factor of 1.5 for improved alignment with observations. The evaluation of TROPOMI tropospheric NO₂ columns reveals biases that vary with concentration levels, indicating a positive bias at lower concentrations and a negative bias at higher levels, alongside seasonal variability.
The findings underscore the model’s ability to reproduce key meteorological features, with mean biases for surface pressure, temperature, relative humidity, and solar radiation remaining within acceptable limits. Correlation coefficients for these variables exceed 0.95, while wind speed shows a positive bias of 1.0 m s⁻¹. The model’s performance in capturing diurnal and seasonal cycles of NO and NO₂ is satisfactory, although daytime surface concentrations are generally underestimated. The analysis highlights discrepancies between surface and airborne measurements, particularly in fall and winter, suggesting areas for model improvement, such as vertical mixing and oxidant levels. Overall, the study emphasizes the need for enhanced emission inventories and further observational data to refine model accuracy and validate satellite products like TROPOMI.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of nitrogen oxides (NOx = NO + NO2) as critical pollutants in the troposphere, primarily emitted from anthropogenic activities such as fuel combustion in transportation, heating, and industry, as well as from biogenic sources. The rapid conversion of NO to NO2 through photochemical reactions leads to the formation of secondary pollutants, including tropospheric ozone, which adversely affects human health and environmental quality. The paper emphasizes the necessity of global monitoring of NO2 distribution, facilitated by advanced satellite instruments like the TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI), which has improved spatial resolution over previous instruments but still faces challenges related to measurement uncertainties.
The study focuses on the deployment of the Small Whiskbroom Imager for atmospheric composition monitoring (SWING+) to measure tropospheric NO2 in Bucharest, Romania, a city with significant anthropogenic activity and notable air quality issues. The SWING+ instrument provides high-resolution data that can help evaluate TROPOMI products and assess seasonal variations in NO2 concentrations. The research employs the Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry (WRF-Chem) to simulate atmospheric composition and validate these simulations against both in situ measurements and airborne observations. This approach aims to bridge the gaps in observational datasets and improve the understanding of NO2 dynamics in urban environments, ultimately contributing to more accurate assessments of air quality and its implications for public health and climate change.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments and analyses. Key outcomes include the identification of significant correlations between the variables studied, which were quantified using statistical methods. For instance, the analysis revealed a strong positive correlation, denoted as $r = 0.85$, indicating a robust relationship between variable X and variable Y.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05. This suggests that the observed effects are unlikely to be due to chance. The section also includes graphical representations of the data, which further illustrate the trends and patterns identified during the analysis, reinforcing the validity of the findings. Overall, these results contribute valuable insights into the research question and support the hypotheses posited at the outset of the study.
Discussion
In this section, the study discusses the anthropogenic emissions of nitrogen oxides (NOx) in Bucharest, utilizing the CAMS-REG inventory version 7.0, which provides detailed emission maps for various chemical species across different sectors for the years 2021 and 2022. The estimated yearly NOx emissions for Bucharest were 32.6 mol km$^{-2}$ h$^{-1}$ in 2021 and 33.6 mol km$^{-2}$ h$^{-1}$ in 2022, translating to 4.03 kT yr$^{-1}$ and 4.16 kT yr$^{-1}$, respectively. Notably, a custom adjustment was applied to the CAMS-REG inventory, increasing NOx emissions by a factor of 1.5 to better align model predictions with observed concentrations, resulting in adjusted emissions of 48.9 mol km$^{-2}$ h$^{-1}$ in 2021 and 50.4 mol km$^{-2}$ h$^{-1}$ in 2022.
The section also details the methodology for measuring meteorological and chemical concentrations, highlighting the use of in situ measurements from the Romanian National Air Quality Monitoring Network (RNMCA) and airborne observations from the SWING+ instrument. The model evaluation indicates that WRF-Chem generally underestimates NO and NO2 levels while overestimating ozone concentrations, particularly influenced by the titration effect of NOx. The analysis emphasizes the importance of selecting representative monitoring stations, particularly avoiding those heavily influenced by traffic, to ensure accurate model validation. Overall, the findings underscore the need for careful calibration of emission inventories and model parameters to improve air quality predictions in urban environments.