Put emissions on the map - geospatial approach to air pollution emission analysis
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-01-31
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2025
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
81 + app. 69
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 7/2025
Abstract
Air pollution poses one of the most harmful environmental human health risks. To assess the health impacts of air pollution, georeferenced emission inventories are needed. The spatial interpolation, i.e. spatial distribution of the emissions in these inventories is essential for any impact assessment, but assessing the quality and uncertainty of the distribution is difficult, and there is a lack of scientific literature on the topic. There is no clear real-world quantity with which to validate the spatial distribution of emissions, as, for example, air quality measurements consider concentrations of the pollutants, not the emissions. The aim of this research is to utilize geospatial approach to improve methods of spatial distribution of air pollution emissions. To study this problem, this work considers and answers the following research questions: 1. How to assess the uncertainty of the spatial distribution of air pollution emissions? 2. What are the best data to use for proxies for spatial distribution of air pollution emissions in the most relevant source sectors? 3. What role does spatial resolution have in health impact assessment? For the first question, the lack of reference data for the spatial distributions meant that no one-forall method to assess the uncertainty was found. Comparison of the distributions of the emissions in different inventories was deemed as the best available method to assess the quality of the spatial proxies. To quantify the similarity of the distributions, an index of agreement was utilized. The index proved to be a good tool to support the comparison of spatial distributions, alongside visual analysis of maps and assessment of the data used for the proxies. For the second question, three source sectors were focused on: residential wood combustion, road transport, and machinery and off-road. Developed Nordic emission inventory was compared to both local and European level inventories. While European level inventories were able to produce similar spatial distributions as the Nordic inventory based on national methods, this was on resolution that was coarser than what the Nordic inventory offers, meaning modifiable areal unit problem (MAUP) needs to be considered for the emission data. In general, for the spatial distribution the difference between urban and rural areas in the spatial proxies was found to be crucial. Furthermore, local characteristics were important to take into consideration. Regarding the third question, health impact estimates from local emissions were concluded to be sensitive to the assessment resolution, and the effect was strongest in urban areas. The results highlight the importance of spatial distribution of the emissions on high resolution especially in urban areas. This work bridges the gap between geospatial theory and air pollution emission inventory framework. The spatial proxies used to describe the spatial distribution of the emissions have been assessed with practical geospatial methods to help analyse the ways the proxies can be developed. The work also describes the state-of-the-art data recommendations for spatial proxies for the three emissions sources sectors.Ilmansaasteet aiheuttavat merkittäviä terveysvaikutuksia ihmisille. Näiden vaikutusten arviointia varten tarvitaan ilmansaasteinventaarioita, jotka sisältävät paikkatiedot päästöjen sijainnista. Päästöjen spatiaalinen interpolointi eli alueellinen jakautuminen on olennaista vaikutusten arvioinneille, mutta jakautuman laadun ja epävarmuuden arviointi on hankalaa, ja aihetta on käsitelty tieteellisessä kirjallisuudessa vajavaisesti. Päästöjen alueelliselle jakautumiselle ei ole suoraan mitattavaa luonnollista vastinetta, sillä esimerkiksi ilmanlaadun mittaukset mittaavat pitoisuuksia, eivätkä päästöjä. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on hyödyntää geospatiaalisia menetelmiä ilmansaasteiden päästöjen alueellisen jakautumisen arvioinnin kehittämiseksi. Tutkimus keskittyy kolmeen tutkimuskysymykseen: 1. Miten ilmansaasteiden päästöjen alueellisen jakautumisen epävarmuutta voidaan arvioida? 2. Mitkä aineistot ovat parhaita ilmansaasteiden päästöjen alueellisen jakautumisen jakoperusteille olennaisimmilla päästölähteillä? 3. Mikä vaikutus tarkasteluresoluutiolla on terveysvaikutusten arvioinnissa? Ensimmäisen kysymyksen kohdalla selkeän vertailuaineiston puute tarkoitti, että yhtä kaikkiin tilanteisiin sopivaa menetelmää epävarmuuden arviointiin ei löytynyt. Eri inventaarioiden päästöjen alueellisten jakautumien vertailu arvioitiin parhaaksi menetelmäksi jakoperusteiden laadun arviointiin. Jakautumien samankaltaisuuden kvantifioimiseksi käytettiin kirjallisuudesta löydettyä yhteneväisyysindeksiä. Indeksi tuki alueellisten jakautumien vertailua, jota tehtiin myös karttojen visuaalisella vertailulla ja jakautumiin käytettyjen aineistojen arvioinnilla. Toista kysymystä varten keskityttiin kolmeen päästösektoriin: puun pienpoltto, tieliikenne ja työkoneet. Pohjoismaille kehitettyä päästöinventaarioita verrattiin sekä paikallistason että Euroopan kattaviin inventaarioihin. Vaikka Euroopan kattavat inventaariot onnistuivat tuottamaan samankaltaisia alueellisia päästöjen jakaumia kuin Pohjoismainen inventaario, joka perustui kansallisiin metodeihin, voitiin samankaltaisuutta arvioida vain Euroopan inventaarion karkeammalla resoluutiolla kuin mitä Pohjoismainen inventaario pystyy tarjoamaan. Niinpä aluejaon problematiikka (MAUP) tulee ottaa huomioon päästöaineistoja arvioitaessa. Yleisesti ottaen todettiin, että alueellisessa jakautumisessa merkittävää oli kaupunki- ja haja-asutusalueiden ero jakoperusteissa. Lisäksi paikallisten ominaispiirteiden huomioiminen oli tärkeää. Kolmannesta tutkimuskysymyksestä todettiin, että paikallisten päästöjen arvioidut terveysvaikutukset olivat herkkiä mallinnusresoluutiolle, ja vaikutus oli voimakkainta kaupunkialueilla. Tulokset korostavat ilmansaasteiden päästöjen alueellisen jakautumisen merkitystä etenkin kaupunkialueilla. Tämä työ tuo geospatiaalista teoriaa ja ilmansaasteiden päästöjen inventaariokehikkoa lähemmäs toisiaan. Alueellisia jakoperusteita päästöille on arvioitu käytännöllisin geospatiaalisin menetelmin tukemaan jakoperusteiden kehittämistä. Työ myös kuvailee johtavat aineistosuositukset kolmen päästösektorin jakoperusteille.Description
Supervising professor
Virrantaus, Kirsi, Prof., Aalto University, Department of Built Environment, FinlandThesis advisor
Karvosenoja, Niko, Dr., Finnish Environment Institute (Syke), FinlandKeywords
air pollution emissions, spatial interpolation, spatial distribution, spatial proxy, modifiable areal unit problem (MAUP), resolution, ilmansaasteiden päästöt, spatiaalinen interpolointi, alueellinen jakautuma, alueellinen jakoperuste, aluejaon problematiikka (MAUP), resoluutio
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Paunu, V.-V., Karvosenoja, N., Segersson, D., López-Aparicio, S., Nielsen, O.-K., Plejdrup, M.S., Thorsteinsson, T., Niemi, J.V., Vo, D.T., Denier van der Gon, H.A.C., Brandt, J., Geels, C., 2021. Spatial distribution of residential wood combustion emissions in the Nordic countries: How well national inventories represent local emissions? Atmospheric Environment 264, 118712.
DOI: 10.1016/j.atmosenv.2021.118712 View at publisher
-
[Publication 2]: Paunu, V.-V., Karvosenoja, N., Segersson, D., López-Aparicio, S., Nielsen, O.-K., Schmidt Plejdrup, M., Thorsteinsson, T., Vo, D.T., Kuenen, J., Denier van der Gon, H., Jalkanen, J.-P., Brandt, J., Geels, C., 2024. Air pollution emission inventory using national high-resolution spatial parameters for the Nordic countries and analysis of PM2.5 spatial distribution for road transport and machinery and off-road sectors. Earth System Science Data 16, 1453–1474.
DOI: 10.5194/essd-16-1453-2024 View at publisher
-
[Publication 3]: Korhonen, A., Lehtomäki, H., Rumrich, I., Karvosenoja, N., Paunu, V.-V., Kupiainen, K., Sofiev, M., Palamarchuk, Y., Kukkonen, J., Kangas, L., Karppinen, A., Hänninen, O., 2019. Influence of spatial resolution on population PM2.5 exposure and health impacts. Air Quality, Atmosphere & Health 12, 705–718.
DOI: 10.1007/s11869-019-00690-z View at publisher
- [Publication 4]: Paunu, V.-V., Karvosenoja, N., Savolahti, M., Kupiainen, K., 2013. High quality spatial model for residential wood combustion emissions, in: Proceedings of the 16th International IUAPPA World Clean Air Congress. Presented at the 16th IUAPPA World Clean Air Congress, 29 September–4 October, Cape Town, South Africa, p. 4