AiR quality monitoring: an alternative way. for data analysis. by L.Spanu and F. Lenartz

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1 AiR quality monitoring: an alternative way by L.Spanu and F. Lenartz for data analysis Institut Scientifique de Service Public, Rue du Chéra 200, 4000 Liège (Belgium)

2 1. About ISSeP Institut Scientifique de Service Public (ISSeP) Generality Organization under the administrative supervision of the Walloon Minister for the Environment, land settlement and mobility. Two sites: Liège and Colfontaine (Mons). The head office is located in Liège. About 300 employees work in this institute. Core business: - Risk evaluation - Research and Technology - Environmental monitoring : Air, Water and Soil

3 2. Focus on air quality monitoring Air quality department Air quality monitoring -Ambient air Stakeholder: AWAC (financial support) in close collaboration with CQA -Emission (industrial chimney) Research project -PM-Lab -SPECIMEN -ExTraCar

4 3. Ambient air quality Ambient air quality department About 40 people work in this departement Nine entities called «Technical Unit» Each of those TU is dedicated to a specific network regarding a pollutant (compliance with air quality standards and guidelines). Regulated pollutants are (directives 2008/50/CE and 2004/107/CE): - Particulate Matter (PM 10 and PM 2.5 ) - Classical pollutants (O 3, NO 2, SO 2, CO) - Organic pollutants (VOCs, PAHs) - Inorganic pollutants (heavy metals, fluoride) -

5 3. Ambient air quality Ambient air quality department - Real time air quality monitoring network for the walloon Region (24 stations) Public information, pollution alert, compliance with air quality standards. - Mobile laboratories network (17 trailers) AWAC s specific demands (temporary air quality problem, environmental permission, model validation, ) private study (mostly industries).

6 3. Ambient air quality Ambient air quality department Our job in a few words - Network managment - Measurement campaign - Data analysis - Reporting - Quality Managment System -

7 4. Data analysis (1) Conventional IT tools (most used!) Excel spreadsheet, macros (with SQL db) Data viewer program (C#.NET) Specific software (with Oracle db) Alternative? Sure, with And especially the Openair package Open-source tools for analysing air pollution data (Carslaw, D.C. and K.Ropkins, (2012); Carslaw, D.C. (2013))

8 4. Data analysis (2) Openair : what is it? The openair project is a Natural Environment Research Council knowledge exchange project that aims to provide a collection of open-source tools for the analysis of air pollution data. [ ] The project is led by the Environmental Research Group at King's College London, supported by the University of Leeds. Encourage the air quality community to use and help further develop these tools. (source: ) Person to contact: Dr D. Carslaw

9 4. Data analysis (3)

10 4. Data analysis (4) Open R and the Openair package Goals - Promote air quality data handling (from Oracle db, MSSQL or.csv files) with R functions, reshape2 library, lattice library, and openair library -Promote data visualization with R graphics, ggplot2 library, lattice library and openair library

11 4. Data analysis (4) Openair - features Functions for analysing air pollution data - calendarplot; - polarplor; - pollutionrose; - windrose; - percentilerose; - summaryplot; - calcpercentile; - timeaverage; - selectbydate; - Import; - cutdata; - quicktext; -

12 avr. mai sept. oct. nov. déc. août 5. Graphics (1) NO 2 et NO juin juil. valeurs horaires année 2013 mars févr. janv. lv NO NO 2 µg/m³ With «traditional» R functions

13 5. Graphics (2) Résumé des mesures NO 2 With «traditional» R functions lv µg/m³ janv. févr. mars avr. mai juin juil. août sept. oct. nov. déc. valeurs horaires année 2013

14 23:00 21:00 19:00 01:00 03:00 05:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 PM10(µg/m³) NO2(µg/m³) Graphics (3) Pic de pollution NO2 PM 10 vitessse du vent v.v (m/s)

15 5. Graphics (4) Semaine type du NO 50 hiver été µg/m³ lundi mardi mercredi jeudi vendredi samedi dimanche moyenne horaire année 2013

16 20:00 21:00 22:00 23:00 18:00 19:00 16:00 17:00 5. Graphics (5) Journée type du NO 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 heure locale année :00 7:00 4:00 5:00 2:00 3:00 hiver été 0:00 1:00 µg/m³

17 5. Graphics (6) N 20% With openair library 15% Station de Cointe année 2013 windrose( ) 10% 6 to % W E 4 to 6 2 to 4 0 to 2 (m s 1 ) S mean = 3.81 calm = 0.1% Frequency of counts by wind direction (%)

18 5. Graphics (7) Rose de pollution NO N 18% 20% pollutionrose( ) 16% 14% 12% 10% valeurs horaires (µg/m³) 30 to % 8% 25 to 30 2% 4% 20 to 25 W E 15 to to 15 5 to 10 0 to 5 météo Cointe S mean = 11.2 calm = 0% Frequency of counts by wind direction (%)

19 5. Graphics (8) Polar plot PM 10 N moyenne PM 10 (µg/m³) polarplot( ) h201w ind spd. W 2 0 E S Météo Cointe

20 5. Graphics (9) calendarplot( ) PM 10 moyenne journalière janvier février mars avril mai juin juillet août septembre octobre novembre décembre En dépassement si >= à médiocre Indice CELINE excellent très bon bon assez bon moyen médiocre très médiocre mauvais très mauvais exécrable PM 10 moyenne journalière janvier février mars avril mai juin juillet août septembre octobre novembre décembre En dépassement si >= à médiocre Indice CELINE excellent très bon bon assez bon moyen médiocre très médiocre mauvais très mauvais exécrable

21 5. Graphics (10) Relation entre PM10 et température With ggplot2 75 PM10 (µg/m³) 50 saison chaude froide T ( C)

22 6. Test case: From black smoke to black carbon

23 6. Test case: From black smoke to black carbon µgm Liège - West Time Min.: 1 1st Qu.: 9 Median: 15 Mean: rd Qu.: 27 Max.: 462 µgm Liège - Center Time Min.: 1 1st Qu.: 10 Median: 17 Mean: rd Qu.: 29 Max.: 251 µgm Liège - East Time Min.: 1 1st Qu.: 7 Median: 13 Mean: rd Qu.: 25 Max.: 345

24 6. Test case: From black smoke to black carbon Liège - West µgm Time Liège - Center µgm Time Liège - East µgm Time

25 6. Test case: From black smoke to black carbon From October 3 rd to December 31 st, 2014 Black smoke Black carbon

26 6. Test case: From black smoke to black carbon From October 3 rd to December 31 st, 2014 Black smoke > ls.print(m1) Residual Standard Error= R-Square= F-statistic (df=1, 87)= p-value=0 Estimate Std.Err t-value Pr(> t ) Intercept X > ls.print(m2) Residual Standard Error= R-Square= F-statistic (df=1, 88)= p-value=0 Estimate Std.Err t-value Pr(> t ) X Black carbon

27 7. Future (potential) uses of R

28 7. Future (potential) uses of R

29 7. Future (potential) uses of R

30 References Carslaw, D.C. and K. Ropkins, (2012) Openair - An R package for air quality data analysis. Environmental Modelling & Software. Volume 27-28, R Development Core Team (2011). R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. Janicke U and L. Janicke, (2007)

31 References Carslaw, D.C. and K. Ropkins, (2012) Openair - An R package for air quality data analysis. Environmental Modelling & Software. Volume 27-28, R Development Core Team (2011). R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. Janicke U and L. Janicke, (2007)

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