A Comprehensive Assessment of PM 2.5 and PM 10 Pollution in Cusco, Peru: Spatiotemporal Analysis and Development of the First Predictive Model (2017–2020)

Julio Warthon, Ariatna Zamalloa (), Amanda Olarte, Bruce Warthon, Ivan Miranda, Miluska M. Zamalloa-Puma, Venancia Ccollatupa, Julia Ormachea, Yanett Quispe, Victor Jalixto, Doris Cruz, Roxana Salcedo, Julieta Valencia, Mirian Mio-Diaz, Ruben Ingles, Greg Warthon, Roberto Tello, Edwin Uscca, Washington Candia, Raul Chura, Jesus Rubio and Modesta Alvarez
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Julio Warthon: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Ariatna Zamalloa: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Amanda Olarte: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Bruce Warthon: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Ivan Miranda: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Miluska M. Zamalloa-Puma: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Venancia Ccollatupa: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Julia Ormachea: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Yanett Quispe: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Victor Jalixto: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Doris Cruz: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Roxana Salcedo: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Julieta Valencia: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Mirian Mio-Diaz: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Ruben Ingles: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Greg Warthon: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Roberto Tello: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Edwin Uscca: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Washington Candia: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Raul Chura: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Jesus Rubio: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru
Modesta Alvarez: Centro de Investigación de Energía y Atmósfera, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco 08003, Peru

Sustainability, 2025, vol. 17, issue 2, 1-30

Abstract: This study presents the first comprehensive assessment of air pollution by PM 2.5 and PM 10 in the city of Cusco, aiming to determine atmospheric pollution levels, characterize air quality, and develop predictive models. The research, conducted during 2017–2020, systematically evaluated particulate matter (PM) contamination using a high-volume sampler (HiVol ECOTEC 3000) installed at 18 monitoring sites distributed across five urban districts. Multiple linear regression (MLR) models were developed and evaluated, incorporating meteorological, seasonal, and temporal variables under two approaches: direct linear (Model 1) and logarithmic transformation (Model 2). The model evaluation employed R², RMSE, MAE, MAPE, IOA, and CV statistical indicators. The results revealed concentrations significantly exceeding WHO guideline values, with PM 2.5 ranging between 41.10 ± 3.2 μ g / m 3 (2020) and 82.01 ± 5.1 μ g / m 3 (2018), while PM 10 values ranged from 45.07 ± 2.8 μ g / m 3 (2020) to 72.35 ± 4.3 μ g / m 3 (2017). A notable reduction was observed during 2020, attributable to COVID-19 pandemic restrictions. The Air Quality Index (AQI) indicated predominantly “Unhealthy” and “Very Unhealthy” levels during 2017–2018, improving to “Unhealthy for Sensitive Groups” in 2020. MLR models achieved maximum efficiency using logarithmic transformation, obtaining R² = 0.98 ( p < 0.001) for PM 2.5 in the 2020 rainy season and R² = 0.44 ( p < 0.001) for PM 10 in the 2018 annual model. These findings demonstrate the existence of nonlinear relationships between pollutants and predictor variables in Cusco’s atmospheric basin.

Keywords: particulate matter; concentration; PM 2.5; PM 10; predictive model; linear regression; air quality index (search for similar items in EconPapers)
JEL-codes: O13 Q Q0 Q2 Q3 Q5 Q56 (search for similar items in EconPapers)
Date: 2025
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