Spatio-temporal variations of sulfur dioxide concentrations in industrial and urban area via a new statistical approach

Abstract

Sulfur dioxide (SO2) is considered the most widespread pollutant that threatens environmental and human health. The purpose of this study is to propose a new method for evaluating the spatial variation of SO2 levels in the Metropolitan Area of Porto Alegre (MAPA). This method included use of Chi-square test to better identify the origin of SO2 sources. Additionally, results of the different methods applied allowed to analyze the temporal SO2 levels and their association with meteorological parameters. SO2 at five sampling sites (Esteio, Canoas, Charqueadas, Triunfo, and Gravataí) were measured during 2010–2015; using fluorescence SO2 automated analyzers. Results showed that Charqueadas had the highest average concentration (~ 15 μg m−3), followed by Triunfo (13 μg m−3), Esteio (6 μg m−3), Canoas (3 μg m−3), and Gravataí (2 μg m−3). Chi-square test applied to SO2, and wind direction quadrants showed significant contribution of local emission sources. Seasonal variation revealed higher SO2 levels on cold days for most of the studied sites, except for Esteio site. Day-wise variations revealed higher SO2 concentration on weekdays than weekends for Esteio and Canoas sites, indicating traffic influence especially during the rush-hours. Annual averages analysis identified an increasing trend in SO2 concentrations, implying that applied emission control systems and technological improvement of engines and fuels were not sufficient and thus points out a need for better subsidies mechanisms to pollutant control and effective emission reduction strategies that decision makers, including environmental agencies, must make priority by considering the local realities.

El dióxido de azufre (SO2) se considera el contaminante más extendido que amenaza la salud humana y ambiental. El propósito de este estudio es proponer un nuevo método para evaluar la variación espacial de los niveles de SO2 en el Área Metropolitana de Porto Alegre (MAPA). Este método incluyó el uso de la prueba de Chi cuadrado para identificar mejor el origen de las fuentes de SO2. Además, los resultados de los diferentes métodos aplicados permitieron analizar los niveles temporales de SO2 y su asociación con los parámetros meteorológicos. Los niveles de SO2 en cinco sitios de muestreo (Esteio, Canoas, Charqueadas, Triunfo y Gravataí) se midieron durante 2010–2015; Utilizando analizadores automatizados de fluorescencia SO2. Los resultados mostraron que las charqueadas tenían la concentración promedio más alta (~ 15 μg m − 3), seguido de Triunfo (13 μg m − 3), Esteio (6 μg m − 3), Canoas (3 μg m − 3) y Gravataí ( 2 μg m − 3). La prueba de ji cuadrado aplicada a SO2 y los cuadrantes de dirección del viento mostraron una contribución significativa de las fuentes de emisión locales. La variación estacional reveló niveles más altos de SO2 en los días fríos para la mayoría de los sitios estudiados, a excepción del sitio Esteio. Las variaciones diurnas revelaron una mayor concentración de SO2 en los días de semana que los fines de semana para los sitios de Esteio y Canoas, lo que indica la influencia del tráfico, especialmente durante las horas pico. El análisis de promedios anuales identificó una tendencia creciente en las concentraciones de SO2, lo que implica que los sistemas de control de emisiones aplicados y el mejoramiento tecnológico de los motores y combustibles no fueron suficientes y, por lo tanto, señala la necesidad de mejores mecanismos de subsidios para el control de contaminantes y estrategias efectivas de reducción de emisiones que los tomadores de decisiones, incluyendo Las agencias ambientales, deben hacer prioridad considerando las realidades locales.