Global land surface temperature influenced by vegetation cover and PM2.5 from 2001 to 2016

Land surface temperature (LST) is an important parameter to evaluate environmental changes. In this paper, time series analysis was conducted to estimate the interannual variations in global LST from 2001 to 2016 based on moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) LST, and normalized difference vegetation index (NDVI) products and fine particulate matter (PM2.5) data from the Atmospheric Composition Analysis Group. The results showed that LST, seasonally integrated normalized difference vegetation index (SINDVI), and PM2.5 increased by 0.17 K, 0.04, and 1.02 �g/m3 in the period of 2001–2016, respectively. During the past 16 years, LST showed an increasing trend in most areas, with two peaks of 1.58 K and 1.85 K at 72�N and 48�S, respectively. Marked warming also appeared in the Arctic. On the contrary, remarkable decrease in LST occurred in Antarctic. In most parts of the world, LST was affected by the variation in vegetation cover and air pollutant, which can be detected by the satellite. In the Northern Hemisphere, positive relations between SINDVI and LST were found; however, in the Southern Hemisphere, negative correlations were detected. The impact of PM2.5 on LST was more complex. On the whole, LST increased with a small increase in PM2.5 concentrations but decreased with a marked increase in PM2.5. The study provides insights on the complex relationship between vegetation cover, air pollution, and land surface temperature

Impacts of air pollution on human and ecosystem health, and implications for the National Emission Ceilings Directive. Insights from Italy

Across the 28 EU member states there were nearly half a million premature deaths in 2015 as a result of exposure to PM2.5, O3 and NO2. To set the target for air quality levels and avoid negative impacts for human and ecosystems health, the National Emission Ceilings Directive (NECD, 2016/2284/EU) sets objectives for emission reduction for SO2, NOx, NMVOCs, NH3 and PM2.5 for each Member State as percentages of reduction to be reached in 2020 and 2030 compared to the emission levels into 2005. One of the innovations of NECD is Article 9, that mentions the issue of “monitoring air pollution impacts” on ecosystems. We provide a clear picture of what is available in term of monitoring network for air pollution impacts on Italian ecosystems, summarizing what has been done to control air pollution and its effects on different ecosystems in Italy. We provide an overview of the impacts of air pollution on health of the Italian population and evaluate opportunities and implementation of Article 9 in the Italian context, as a case study beneficial for all Member States. The results showed that SO42− deposition strongly decreased in all monitoring sites in Italy over the period 1999–2017, while NO3− and NH4+ decreased more slightly. As a consequence, most of the acid-sensitive sites which underwent acidification in the 1980s partially recovered. The O3 concentration at forest sites showed a decreasing trend. Consequently, AOT40 (the metric identified to protect vegetation from ozone pollution) showed a decrease, even if values were still above the limit for forest protection (5000 ppb h−1), while PODy (flux-based metric under discussion as new European legislative standard for forest protection) showed an increase. National scale studies pointed out that PM10 and NO2 induced about 58,000 premature deaths (year 2005), due to cardiovascular and respiratory diseases. The network identified for Italy contains a good number of monitoring sites (6 for terrestrial ecosystem monitoring, 4 for water bodies monitoring and 11 for ozone impact monitoring) distributed over the territory and will produce a high number of monitored parameters for the implementation of the NECD

Achieving Brazil's deforestation target will reduce fire and deliver air quality and public health benefits

Climate, deforestation, and forest fires are closely coupled in the Amazon, but models of fire that include these interactions are lacking. We trained machine learning models on temperature, rainfall, deforestation, land-use, and fire data to show that spatial and temporal patterns of fire in the Amazon are strongly modified by deforestation. We find that fire count across the Brazilian Amazon increases by 0.44 percentage points for each percentage point increase in deforestation rate. We used the model to predict that the increased deforestation rate in the Brazilian Amazon from 2013 to 2020 caused a 42% increase in fire counts in 2020. We predict that if Brazil had achieved the deforestation target under the National Policy on Climate Change, there would have been 32% fewer fire counts across the Brazilian Amazon in 2020. Using a regional chemistry-climate model and exposure-response associations, we estimate that the improved air quality due to reduced smoke emission under this scenario would have resulted in 2300 fewer deaths due to reduced exposure to fine particulate matter. Our analysis demonstrates the air quality and public health benefits that would accrue from reducing deforestation in the Brazilian Amazon

ANALYSIS AND ASSESSMENT OF LAND USE / LAND COVER IMPACT ON HUMAN AND NATURAL ECOSYSTEMS IN THE SALTON SEA WATERSHED, 2013 - 2021

This study represents an interdisciplinary analysis of the changing landscape of the Salton Sea Watershed from 2013 to 2021, focusing on land use land cover (LULC) category changes, climatic variations, and socioeconomic factors. The findings of this research show a shift in land cover categories, portrayed by the changes of natural landscapes and vegetative areas into rapidly increasing urbanized expansion and increased impervious surfaces. These changes pose concerns about increased temperature in the region, a decrease in overall water availability and groundwater infiltration, and an increase in pollution. The study explores 10 sub-watersheds within the Salton Sea Watershed basin, focusing on the changes of LULC categories and overall temperature in the region, as well as exposing the steady decline of water in the Salton Sea sub-watershed which show a trend that could exacerbate issues regarding water and air quality that would affect nearby human and ecological environments. As the landscape of this region continues to change, primarily with reduction of vegetation and the expansion of impervious surfaces, it is important to continue growing and implementing watershed management policies to reduce further environmental and public health impacts

Planning for an unknown future: incorporating meteorological uncertainty into predictions of the impact of fires and dust on US particulate matter

2019 Summer.Includes bibliographical references.Exposure to particulate matter (PM) pollution has well documented health impacts and is regulated by the United States (U.S.) Environmental Protection Agency (EPA). In the U.S. wildfire smoke and wind-blown dust are significant natural sources of PM pollution. This dissertation shows how the environmental conditions that drive wildfires and wind-blown dust are likely to change in the future and what these changes imply for future PM concentrations. The first component of this dissertation shows how human ignitions and environmental conditions influence U.S. wildfire activity. Using wildfire burn area and ignition data, I find that in both the western and southeastern U.S., annual lightning- and human-ignited wildfire burn area have similar relationships with key environmental conditions (temperature, relative humidity, and precipitation). These results suggest that burn area for human- and lightning-ignited wildfires will be similarly impacted by climate change. Next, I quantify how the environmental conditions that drive wildfire activity are likely to change in the future under different climate scenarios. Coupled Model Intercomparison Project phase 5 (CMIP5) models agree that western U.S. temperatures will increase in the 21st century for representative concentration pathways (RCPs) 4.5 and 8.5. I find that averaged over seasonal and regional scales, other environmental variables demonstrated to be relevant to fuel flammability and aridity, such as precipitation, evaporation, relative humidity, root zone soil moisture, and wind speed, can be used to explain historical variability in wildfire burn area as well or better than temperature. My work demonstrates that when objectively selecting environmental predictors using Lasso regression, temperature is not always selected, but that this varies by western U.S. ecoregion. When temperature is not selected, the sign and magnitude of future changes in burn area become less certain, highlighting that predicted changes in burn area are sensitive to the environmental predictors chosen to predict burn area. Smaller increases in future wildfire burn area are estimated whenever and wherever the importance of temperature as a predictor is reduced. The second component of this dissertation examines how environmental conditions that drive fine dust emissions and concentrations in the southwestern U.S. change in the future. I examine environmental conditions that influence dust emissions including, temperature, vapor pressure deficit, relative humidity, precipitation, soil moisture, wind speed, and leaf area index (LAI). My work quantifies fine dust concentrations in the U.S. southwest dust season, March through July, using fine iron as a dust proxy, quantified with measurements from the Interagency Monitoring of PROtected Visual Environments (IMPROVE) network between 1995 and 2015. I show that the largest contribution to the spread in future dust concentration estimates comes from the choice of environmental predictor used to explain observed variability. The spread between different environmental predictor estimates can be larger than the spread between climate scenarios or intermodel spread. Based on linear estimates of how dust concentrations respond to changes in LAI, CMIP5 estimated increases in LAI would result in reduced dust concentrations in the future. However, when I objectively select environmental predictors of dust concentrations using Lasso regression, LAI is not selected in favor of other variables. When using a linear combination of objectively selected environmental variables, I estimate that future southwest dust season mean concentrations will increase by 0.24 μg m−3 (12%) by the end of the 21st century for RCP 8.5. This estimated increase in fine dust concentration is driven by decreases in relative humidity, precipitation, soil moisture, and buffered by decreased wind speeds

Environmental Influences on Patterns of Atmospheric Particulate Matter: a QuantitativeStudy Using Ground- and Satellite-Based Observations

Luftverschmutzung, insbesondere hohe Konzentrationen von mikroskopischen Partikeln in der Atmosphäre, sogenannte Feinstaubpartikel (PM), haben schwerwiegende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 10$\mu$m (PM10) können in die Atemwege gelangen und bereits eine kurzzeitige Exposition gegenüber hohen PM-Konzentrationen kann zu unmittelbaren negativen Auswirkungen wie Asthmaanfällen führen. Sind Menschen über einen längeren Zeitraum erhöhten PM-Konzentrationen ausgesetzt, kann die Lunge geschädigt werden und das Risiko von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Diabetes steigt. Diese gesundheitlichen Auswirkungen können die Lebenserwartung senken. Obwohl in den letzten Jahrzehnten ein rückläufiger Trend der PM-Konzentrationen in Europa zu verzeichnen ist, liegen die aktuellen PM-Konzentrationen in vielen Mitgliedsstaaten immer noch über den WHO-Empfehlungen, was zur Folge hat, dass die derzeitigen PM-Konzentrationen in vielen Gebieten Europas mit hoher Wahrscheinlichkeit für Menschen schädlich sind. Infolgedessen wurden bereits einige Maßnahmen gegen die Luftverschmutzung umgesetzt, darunter städtische Umweltzonen und andere Einschränkungen für den privaten Autoverkehr. Es sind jedoch weitere Anstrengungen erforderlich, um gesundheitlich unbedenkliche PM-Konzentrationen zu ermöglichen. Um effizientere Strategien für eine bessere Luftqualität zu entwickeln, müssen den Entscheidungsträgern zusammenhängende Informationen über räumlich-zeitliche Muster der PM-Konzentrationen zur Verfügung stehen. Die sogenannte Aerosol Optische Dicke (AOD), die aus satellitengestützten Messungen gewonnen wird, hat das Potenzial, diese Informationen zu liefern. Die AOD stellt das Integral der Partikelbelastung in einer Atmosphärensäule dar, die mit den bodennahen PM-Konzentrationen in Beziehung gesetzt werden kann. Dies ist notwendig, da bodennahe PM-Konzentrationen von besonderer Relevanz sind für die Bestimmung schädlicher Auswirkungen auf den Menschen. Die Verwendung der AOD zur Annäherung der PM-Konzentrationen in Bodennähe bringt jedoch einige Herausforderungen mit sich, da die Beziehung zwischen AOD und PM durch eine Reihe von meteorologischen Parametern beeinflusst wird. Daher wird in dieser Arbeit das Potenzial satellitengestützter AOD zur Bestimmung bodennaher PM-Konzentrationen analysiert und eine Grundlage für die genaue Ableitung zusammenhängender Informationen zur bodennahen Luftverschmutzung durch satellitengestützte AOD geschaffen. Darüber hinaus ist bekannt, dass verschiedene Umweltfaktoren PM-Konzentrationen beeinflussen und die Luftverschmutzung verstärken können. Um die Wirksamkeit von Strategien zur Verbesserung der Luftqualität wissenschaftlich beurteilen zu können, müssen die Auswirkungen von Umwelteinflüssen auf die PM-Konzentrationen von anthropogenen Emissionen getrennt werden. In dieser Arbeit wird das wissenschaftliche Verständnis der Umwelteinflüsse auf die PM-Konzentrationen und die Entwicklung von Phasen starker Verschmutzung in Bezug auf die atmosphärischen Umgebungsbedingungen erweitert. In dieser Arbeit werden drei zusammenhängende Studien vorgestellt, die sich jeweils mit einer Hauptforschungsfrage befassen. Diese Hauptforschungsfragen zusammen mit den Hauptergebnissen sind: Wie beeinflussen die meteorologischen Bedingungen die statistische Beziehung zwischen AOD und PM? Eine für den Nordosten Deutschlands durchgeführte Studie zeigt einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen AOD und PM10 in Bodennähe auf, was auf den Einfluss der meteorologischen Parameter relative Luftfeuchtigkeit (RH), Grenzschichthöhe (BLH), Windrichtung und Windgeschwindigkeit zurückzuführen ist. Wenn eine relativ trockene Atmosphäre (30%80%) erhöht sich die AOD durch die Feuchtigkeitsaufnahme der Partikel und dem dadurch verursachten hygroskopischen Partikelwachstum. Dies führt zu einer relativen Überschätzung der trockenen Partikelkonzentration in Bodennähe, wenn diese auf Basis der AD approximiert wird. Dieser Effekt kann jedoch durch höhere PM10-Messwerte bei niedrigen Grenzschichten (<600m) kompensiert werden, was schließlich zu AOD- und PM10-Satellitenmessungen in ähnlicher Größenordnung führt. Die Windrichtung beeinflusst die Beziehung zwischen AOD und PM10 durch den Transport von Luftmassen mit unterschiedlichen Eigenschaften in das Untersuchungsgebiet. Unter Bedingungen, die von westlichen Luftmassen dominiert werden, ist die Wahrscheinlichkeit vergleichsweise hoch, dass die AOD bei Anwendung einer semiquantitativen Skala relativ höher ist als die PM10-Beobachtung. Dies deutet auf eine Überschätzung der PM10-Konzentrationen auf Basis der AOD hin. Westliche Luftmassen sind häufig marinen Ursprungs und haben damit tendenziell eine höhere RH und enthalten einen hohen Gehalt an Meersalzen. Meersalze sind hydrophil und fördern das hygroskopische Wachstum von Partikeln, wodurch wiederum die AOD erhöht wird. Die Analyse des Zusammenhangs zwischen AOD und PM10 zeigt, dass die Berücksichtigung der Parameter RH, BLH und Wind notwendig ist, wenn Schätzungen von PM10 auf Basis von satellitengestützter AOD angestrebt werden. Das in dieser Studie vorgestellte Konzept der Normalisierung der AOD / PM10-Datenpaare eignet sich für die Anwendung in anderen Untersuchungsgebieten. Die Erkenntnisse dieser Studie haben das Potenzial, zukünftige Abschätzungen bodennaher PM-Konzentrationen auf Basis von Satelliten-AOD zu verbessern. Was sind die bestimmenden Einflussfaktoren auf PM10-Konzentrationen, wenn diese auf Basis der vorherrschenden Umweltbedingungen und AOD abgeschätzt werden? Ein statistisches Modell wird zur Vorhersage in Deutschland gemessener PM10-Konzentrationen auf Basis satellitengestützter AOD und unter Berücksichtigung der Umweltbedingungen aufgesetzt. Sensitivitätsanalysen an diesem Modell zeigen, dass die wichtigsten Einflussfaktoren auf die modellierten PM10-Konzentrationen die Ost-West-Windströmung, die BLH und die Temperatur sind. Einströmung von Luftmassen aus östlichen Richtungen über mehrere Tage hinweg erhöht die modellierten PM10-Konzentrationen im Durchschnitt um $\sim$10$\mu$g/m$^3$ im Vergleich zu Situationen, die von westlichem Einstrom dominiert werden. Dies ist auf grenzüberschreitenden Partikeltransport aus Ländern östlich von Deutschland zurückzuführen. Modellierte PM10-Konzentrationen für niedrige BLHs (<800m) erhöhen sich um durchschnittlich $\sim$10$\mu$g/m$^3$ aufgrund der Akkumulation von Partikeln in Bodennähe. Dieser Mechanismus erweist sich im Winter und Herbst als besonders wichtig. Im Sommer zeigen die Modellergebnisse eine deutliche Erhöhung der PM10-Vorhersagen (bis zu $\sim$12$\mu$g/m$^3$ bei um 15K erhöhten Temperaturen). Dies ist auf eine verstärkte biogenene Aktivität und erhöhte Staubaufwirbelung aufgrund ausgetrockneter Böden zurückzuführen. Im gleichen Modell-Setup zeigen Sensitivitätsanalysen, dass die AOD positiv mit PM10 korreliert, aber BLH und die Ost-West-Windkomponente die Beziehung zwischen AOD und PM10 wesentlich beeinflussen. AOD und PM10 korrelieren im Sommer schwächer, da dann die Partikel innerhalb einer höheren Grenzschicht stärker verteilt sind und die AOD weitgehend von den höher in der Atmosphäre befindlichen Partikeln bestimmt wird. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die AOD zur Beurteilung der Luftqualität am Boden verwendet werden kann, wenn sie durch eine statistische Modellierung mit meteorologischen Umgebungsbedingungen verknüpft wird. Darüber hinaus wird der starke Einfluss der meteorologischen Bedingungen auf die PM10-Konzentrationen aufgezeigt. Wie bestimmen atmosphärische Prozesse die Konzentration verschiedener chemischer Bestandteile von PM1 auf lokaler Ebene? Atmosphärische Einflussfaktoren auf Konzentrationen von Feinstaubpartikeln, die kleiner als 1$\mu$m (PM1) sind, und deren chemischen Hauptbestandteile, werden analysiert. Der Fokus liegt dabei auf den Prozessen, die zu Phasen mit hoher Schadstoffbelastung führen. Ein statistisches Modell wird aufgestellt, um die täglichen Schwankungen der PM1-Konzentrationen unter Berücksichtigung der meteorologischen Bedingungen zu reproduzieren. Dafür werden Daten eines suburban-geprägten Standorts südwestlich von Paris, Frankreich, verwendet. Sensitivitätsanalysen des Modells deuten darauf hin, dass Spitzenkonzentrationen von PM1 im Winter durch die bodennahe Partikelakkumulation bei niedrigen BLHs in Kombination mit der Bildung neuer Partikel und erhöhten Heizungsemissionen bei niedrigen Temperaturen (<$\sim$5$^{\circ}$C) verursacht werden. Im Sommer sind die Spitzenkonzentrationen von PM1 im Allgemeinen niedriger als im Winter. Erhöhte PM1-Konzentrationen treten jedoch auf, wenn windstille Bedingungen mit hohen Temperaturen zusammentreffen, die zu photochemisch induzierten Partikelbildungsprozessen führen. Der Transport verschmutzter Luft aus der Pariser Region führt in beiden Jahreszeiten zu einem deutlichen Anstieg der PM1-Konzentrationen. Hochaufgelöste Fallstudien zeigen eine große Variabilität der Prozesse, die zu Phasen starker Verschmutzung führen. Die Prozesse variieren nicht nur zwischen, sondern auch innerhalb der Jahreszeiten. Die Modellergebnisse zeigen beispielsweise für eine Phase starker Luftverschmutzung im Januar 2016, dass diese durch einen Temperaturabfall verursacht wurde, was die modellierten PM1 Konzentrationen um bis zu 11$\mu$g/m$^3$ erhöht. Dies wird auf eine verstärkte Bildung von sekundären anorganischen Aerosolen (SIA) und einen Anstieg der lokalen Heizungsemissionen zurückgeführt. Im Gegensatz dazu werden im Dezember 2016 hohe PM1-Konzentrationen hauptsächlich durch eine niedrige BLH und Partikeladvektion aus dem Raum Paris verursacht. Ein beobachteter Rückgang der Schadstoffkonzentrationen während dieser Phase hängt mit einer Änderung der Windrichtung zusammen, die weniger belastete, maritime Luftmassen herantransportiert, was zu einem Rückgang der PM1-Konzentrationen von $\sim$4$\mu$g/m$^3$ führt. Obwohl sich diese Ergebnisse auf lokale Ereignisse beziehen, sind die Ergebnisse verallgemeinerbar und auch für andere Regionen relevant. Dies betrifft beispielsweise die Relevanz der Bildung neuer Partikel während kalter Temperaturen oder die Akkumulation von Partikeln in bodennahen Atmosphärenschichten durch eine niedrige BLH. Der Einfluss transportierter Partikel unterstreicht die Notwendigkeit großräumiger Maßnahmen zur Senkung des atmosphärischen Partikelgehalts. Diese Arbeit liefert ein quantitatives Verständnis der Beziehung zwischen AOD und PM10 und schafft damit eine Grundlage für Abschätzungen von PM auf Basis von AOD. Diese PM-Abschätzungen sind von großem Nutzen für die Identifizierung von stark verschmutzten Gebieten und zur langfristigen Beobachtung der Luftqualität auf großen räumlichen Skalen. Darüber hinaus ist das wissenschaftliche Verständnis der Umweltprozesse, die PM-Konzentrationen beeinflussen, wichtig, um atmosphärische Prozesse bei der Entwicklung von Strategien zur Schadstoffminderung berücksichtigen zu können