Investigating population exposure to traffic-related nitrogen oxides through the development and validation of air pollution surfaces

Transport plays a crucial role in urban development by providing access to education, markets, employment, recreation, health care and other key services. In Canada, on-road traffic accounts for 19% of nitrogen oxide (NOx) emissions and in Montreal, Canada's second largest city, transportation accounts for 85% of NOx emissions. NOx concentrations are often used as a marker of road traffic emissions and NOx is always higher in the vicinity of roadways and lower further away. Exposure to traffic-related air pollution has been associated with various acute and chronic respiratory and cardiovascular effects and a number of studies have established positive associations between various cancers and exposure to NO2. Most of these assessments have relied on NO2 sampling rather than modelling. Certainly, measurements alone cannot be sufficient for exposure analysis in an urban environment. As a result, there is a need for analysis tools and models that can assist policy-makers in evaluating the impacts of transport policies on urban air quality and population exposure. This research starts with developing and validating an integrated transportation emission dispersion modelling system to be ultimately used as a tool for evaluating the potential air quality impacts of on-road transportation in the Montreal metropolitan area. We observed that simulated concentrations were reasonably correlated with the observed data when detailed meteorological and dispersion characteristics are accounted for. The second part of this research explores the possibility of using the transportation emission model, a component of the integrated modelling system, as a proxy to a land-use regression (LUR) model for deriving exposure. We noted similarities in the risks of breast and prostate cancer associated with NO2 derived from the LUR model and NOx derived from the emission model. In the third part of the research, since travel activity, land-use patterns, and the distribution of traffic often lead to inequities in the exposure to vehicle-related air pollutants, we investigated the inequity in the emissions of -and exposure to- traffic-related air pollution, based on LUR NO2 maps and mobility information. For this purpose, long term LUR NO2 maps are used to find the daily average NO2 concentration at the home location (static), and then compared to NO2 maps (dynamic) obtained from the integrated model. We also estimated exposures during travel to identify the contribution of travelling/commuting to daily exposure. The aim of this study is to understand how individuals' mode choices, trajectories, and activity locations affect their exposure to traffic related air pollution. In addition, the individual-level analysis allowed us to identify individuals who reduce and those who increase their exposure during their daily trajectories and activities compared to the air quality at their home location. Our results showed that individuals who live in densely populated areas may be exposed to higher concentrations while generating low levels of emissions throughout their daily travel. Furthermore, results of this study indicate that using an integrated model for the assessment of individual exposure offers the opportunity for detailed, dynamic analysis of exposure to air pollution. The findings are useful for planning applications by using the model system to evaluate the effects of various transport policy scenarios on air pollution and exposure. In the last part of this research, a unique application was developed that supports decision makers by providing information about the current and future states of air pollution as a result of transit investments. For this purpose, the year 2008 was chosen as the base year and a future horizon year was chosen (2031). The integrated modelling system was used to evaluate the impact of an extensive regional transit improvement strategy revealing reductions in NO2 concentrations and exposures.Le transport joue un rôle crucial dans le développement urbain en fournissant un accès à l'éducation, les marchés, l'emploi, les loisirs, les soins de santé et d'autres services essentiels. Au Canada, le transport représente 19% des oxydes d'azote (NOx) et à Montréal, la deuxième plus grande ville du Canada, le transport représente 85% des émissions de NOx. Les concentrations de NOx sont souvent utilisées comme indicateur des émissions de la circulation routière et le NOx est toujours plus élevé à proximité des voies de circulation. L'exposition à la pollution de l'air liée à la circulation a été associée à divers effets aigus et chroniques respiratoires et cardiovasculaires et un certain nombre d'études ont établi des associations positives entre les divers cancers et l'exposition à NO2. La plupart de ces évaluations se sont appuyées sur des mesures plutôt que de la modélisation. Certes, les mesures seules ne peuvent pas être suffisantes pour l'analyse de l'exposition dans un environnement urbain. En conséquence, il y a un besoin d'outils d'analyse et des modèles qui peuvent aider les décideurs à évaluer les impacts des politiques de transport sur la qualité de l'air urbain et l'exposition de la population.Cette recherche commence par l'élaboration et la validation d'un système intégré de modélisation des émissions de transport et de la dispersion atmosphérique dans le but d'être finalement utilisé comme un outil pour évaluer les impacts potentiels sur la qualité de l'air de routes dans la région métropolitaine de Montréal. Nous avons observé que les concentrations simulées sont raisonnablement corrélées avec les données observées lorsque les caractéristiques météorologiques et de dispersion détaillées sont prises en compte.La deuxième partie de cette recherche explore la possibilité d'utiliser le modèle d'émission de transport, un composant du système de modélisation intégré, en tant que proxy pour un modèle de régression de l'utilisation des terres couramment utilisé dans les études épidémiologiques. Dans la troisième partie de la recherche, puisque les trajets, les modes d'utilisation des terres, et la répartition de la circulation conduisent souvent à des inégalités dans l'exposition aux polluants atmosphériques liés aux véhicules, nous avons étudié l'inégalité dans les émissions et l'exposition à la pollution de l'air. A cet effet, des cartes de NO2 sont utilisées pour trouver les concentrations moyennes journalières à l'emplacement de la maison (statique), puis par rapport aux cartes de NO2 (dynamiques) obtenues à partir du modèle intégré. Nous avons également estimé l'exposition au cours des trajets pour identifier la contribution des déplacements à l'exposition quotidienne. Le but de cette étude est de comprendre comment le choix modal, les trajets, et les lieux d'activités des individus influent leur exposition à la pollution de l'air liée à la circulation. En outre, l'analyse au niveau individuel nous a permis d'identifier les personnes qui réduisent et celles qui augmentent leur exposition au cours de leurs trajets et les activités quotidiennes en comparant à la qualité de l'air à leur emplacement d'origine. Nos résultats de cette étude indiquent que l'utilisation d'un modèle de dispersion pour l'évaluation de l'exposition individuelle offre la possibilité pour une analyse détaillée, dynamique de l'exposition à la pollution de l'air.Finalement, dans la dernière partie de cette recherche, un cadre unique a été développé qui prend en charge les décideurs en fournissant des informations sur les états actuels et futurs de la pollution atmosphérique en fonction de scénarios de transport. A cet effet, l'année 2008 a été choisie comme année de référence avec un horizon futur de 2031. Par la suite, le système de modélisation intégrée a été utilisé pour évaluer l'impact d'une vaste stratégie régionale d'amélioration de transport en commun, révélant des réductions des concentrations de NO2 sur l'ensemble du territoire