Modulo 5 Tema 4 EVALUACION DE LA CALIDAD DEL AIRE EN ESPAÑA CON MODELOS

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1 Modulo 5 Tema 4 EVALUACION DE LA CALIDAD DEL AIRE EN ESPAÑA CON MODELOS Fernando Martín Llorente Doctor en Ciencias Físicas Jefe de la Unidad de Contaminación Atmosférica y Marta García Vivanco Doctor en Ciencias Físicas Unidad de Contaminación Atmosférica División de Tecnologías Ambientales Departamento de Medio Ambiente CIEMAT CURSO VIRTUAL DE MODELIZACION DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA EDICION 2008 CIEMAT 1

2 RESUMEN Con esta lección, se muestran un ejemplo de las posibles aplicaciones de los modelos de calidad del aire. En este caso, consiste en mostrar como pueden utilizarse modelos avanzados de calidad del aire para contribuir a la evaluación de la calidad del aire en España en respuesta a las obligaciones legales de unión Europea. 2

3 INDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. NECESIDAD DE EVALUAR LA CALIDAD DEL AIRE 3. METODOLOGÍA 4. EVALUACION DE LA CALIDAD DEL AIRE 3

4 1. INTRODUCCIÓN Desde Enero de 2003, el Grupo de Modelización Atmosférica de la Unidad de Contaminación Atmosférica de CIEMAT está realizando la evaluación anual de la calidad del aire en España con modelos como complemento a las medidas y apoyo a las comunidades autónomas (que son las competentes en temas medioambientales) a través de un acuerdo de colaboración y una encomienda de gestión con la Dirección General de Calidad y Evaluación Ambiental del Ministerio de Medio Ambiente. En los primeros años los modelos usados eran más sencillos (CALMET y MELPUFF) y los contaminantes tratados eran unos SO 2, CO, Pb y PM10 primario antropogénico (Martín et al, 2004b, Martín et al, 2005). Posteriormente, con el uso del modelo fotoquímico CHIMERE el número de contaminantes aumentó de forma muy importante al poder evaluar también el ozono y los óxidos de nitrógeno. Esta lección pretende ilustrar la metodología utilizada en el uso de modelos para la evaluación de la calidad del aire en España. 2. NECESIDAD DE EVALUAR LA CALIDAD DEL AIRE La Directiva Europea Marco sobre Evaluación y Gestión de la Calidad del Aire Ambiente (1996/62, Diario Oficial n L 296 de 21/11/1996), en su preámbulo se refiere al uso de otras técnicas de estimación de la calidad del aire además de las medidas. En su artículo 2, define como evaluación cualquier método usado para medir, calcular, predecir o estimar el nivel de un contaminante. Posteriormente, en los artículos 4 y 6, establece claramente el modelado matemático como uno de los métodos posibles de uso en la evaluación de la calidad del aire. La Primera Directiva Hija o Directiva relativa a los valores límites de dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno y óxidos de nitrógeno, partículas y plomo en el aire ambiente (1999/30, Diario Oficial n L 163 de 29/6/1999) ahonda en estos aspectos introduciendo el uso de métodos suplementarios de evaluación (Artículo 6.3) e indicando los objetivos de calidad de los datos obtenidos con modelos, en términos de precisión (Anexo VIII de dicha directiva). Las demás directivas hijas (Directiva 2000/69/CE para benceno y monóxido de carbono, la Directiva 2002/3/CE relativa al ozono, la Directiva 2004/107 relativa al arsénico, cadmio, mercurio, níquel y hidrocarburos aromáticos policíclicos en el aire ambiente) y los reales decretos (1073/2002 y 1796/2003) siguen estas ideas adaptadas a cada contaminante en cuestión. El papel del modelado de la contaminación atmosférica en las directivas europeas es el siguiente: Evaluación de la calidad del aire, como complemento de las medidas obtenidas en redes de estaciones. Diseño de planes y programas para garantizar el cumplimiento de los valores límite de calidad del aire. Los modelos permiten realizar estimaciones sobre la contaminación bajo los diversos escenarios de emisión de contaminantes resultantes de aplicar una u otras medidas de reducción de la contaminación. 4

5 Elaboración de predicciones a corto plazo sobre la posible evolución de la situación para poder realizar avisos a la población. Se están desarrollando, y en varios sitios ya están funcionando, sistemas informáticos de predicción y control de la calidad del aire constituidos por modelos adecuados que reciben información de emisión, inmisión y meteorología (redes) para realizar predicciones a unas horas o días vista, lo que permite anticiparse a la eventualidad de altos niveles de contaminación. Herramienta para conocer de una forma integrada los procesos que tienen lugar en una determinada zona y cómo éstos interaccionan entre sí, o cuáles son los predominantes. Por ejemplo, pueden ser muy útiles en la labor de análisis de episodios de contaminación pudiendo estimar la procedencia o causa de esa contaminación. Existen diversas técnicas para proceder a la evaluación de la calidad del aire en un territorio: Medidas continuas en estaciones fijas. Redes de vigilancia constituidas por un número más o menos extenso de estaciones distribuidas por la zona a estudiar. Estas estaciones están formadas por equipos de medida en continuo de concentración de los contaminnates atmosféricos y de variables meteorológicas. Actualmente, la información registrada continuamente es enviada en tiempo real a una base de datos situada en un centro de control. Medidas indicativas: o Datos de otras zonas equiparables por sus emisiones, configuración geográfica, climática, etc. o Medidas discontinuas con campañas experimentales específicas utilizando unidades móviles, captadores pasivos, etc. Métodos basados en cálculo. o Interpolación espacial a partir de datos recogidos en estaciones fijas. En el procedimiento de interpolación ha de tenerse en cuenta la representatividad espacial de cada una de las estaciones. o Modelos matemáticos simulando los procesos atmosféricos del contaminante, donde se tendrán en cuenta el inventario de emisiones (cuánto, dónde y cuándo se emiten los contaminantes), características geográficas, meteorología, etc. Proporcionan información con menor exactitud que la basada en las técnicas de medida, pero ofrecen una mejor cobertura espacial. Combinación de modelos y datos medidos en estaciones. Éste es la técnica de evaluación más adecuada, porque une las ventajas de la medición (exactitud) y de la modelización (cobertura espacial). La evaluación de la calidad del aire debe cubrir toda la zona a estudiar y no sólo los puntos donde existen estaciones fijas. En la práctica, las medidas se utilizan como una aproximación a este objetivo. Una forma de aumentar la cobertura espacial de las medidas fijas es el uso de medidas indicativas (captadores pasivos, campañas experimentales, etc.). La cuestión a resolver es como se puede estimar consistentemente la distribución espacial de contaminantes en una zona. Parece evidente que el uso único de medidas obligaría a tener una red muy extensa, lo que resulta realmente muy caro y difícil de conseguir. Por ello, surge la necesidad de utilizar otros 5

6 métodos complementarios (tal como indica la directiva marco), como pueden ser técnicas de interpolación y modelización. Sin embargo, las mejores técnicas de evaluación son combinaciones de modelos y datos medidos en estaciones. De esta forma, se conjugan las ventajas de la medición (exactitud) y de la modelización (cobertura espacial). En la figura 1, se muestran esas combinaciones posibles, desde el uso exclusivo de medidas sin ninguna interpretación hasta la aplicación de modelos no validados y sin apoyo de medidas. Entre estos extremos surgen diversas posibilidades mucho más razonables y fiables. En Guidance on Assessment under the UE Air Quality Directives ( se hace una discusión más detallada incluyendo algunos ejemplos sobre estos temas. Otro documento interesante es Guidance report on preliminary assessment under EC air quality directives ( Combinaciones de medidas y modelos en la evaluación de la calidad del aire MEDIDAS MODELOS A. Medidas sin interpretación B. Medidas + interpretación C. Medidas + interpolación D. Medidas + modelo ajustado a medidas E. Asimilación de datos F. Modelo validado para esa zona G. Modelo validado para otra zona H. Modelo no validado Figura 1. Esquema de métodos de evaluación combinando en distintos grados las mediciones y los modelos. 6

7 0 to to to to to to to to MODELIZACIÓN DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA 3. METODOLOGÍA Líneas generales El principal objetivo de los trabajos es realizar una estimación de la calidad del aire a escala nacional, pero prestando especial atención a aquellas zonas no cubiertas por estaciones de medida. Como ya se discutió en diversos foros, esta información puede ser obtenida por diversos métodos. Entre éstos destaca como uno de los más fiables la utilización de modelos meteorológicos y de dispersión junto con datos medidos en estaciones, por lo que se ha utilizado una metodología de asimilación de datos medidos en estaciones y resultados de la aplicación de modelos. De esta forma, se aprovechan los puntos fuertes de cada fuente de información: la precisión y fiabilidad de las mediciones y la resolución y cobertura espacial de los resultados de los modelos (ver figura 2). EMISIONES SUPERFICIALES SO :00 Topografía y usos de suelo Inventarios de emisiones MODELO MATEMÁTICO REDES DE CALIDAD DEL AIRE Meteorología CONCENTRACIONES MEDIAS ANUALES 2002 SO2 0 microgr/m3 Distribución espacial de concentración de contaminantes SI NO LEGISLACIÓN VALORES LÍMITE DE CALIDAD DEL AIRE SO2 - SUPERACIONES DE VALOR LIMITE ANUAL ECOSISTEMAS SUPERACIONES DE VALORES LIMITE FIGURA 2. Esquema seguido para la evaluación de la calidad del aire conjugando los resultados de los modelos y las mediciones en estacones fijas. 7

8 Escuetamente, la metodología utilizada ha seguido los siguientes pasos: 1. Establecimiento del dominio espacial de cálculo. 2. Estimación de las emisiones de contaminantes en todo el dominio y su evolución a lo largo del año. 3. Estimación de las condiciones atmosféricas a lo largo del año mediante un modelo meteorológico. 4. Estimación de la distribución espacial de concentraciones de contaminantes y su evolución temporal mediante un modelo de dispersión. 5. Elaboración de mapas de concentración de contaminantes. Dominio espacial Debido a la influencia del transporte de contaminantes a larga distancia, el modelo se aplicó previamente a un dominio europeo, de 0.5º x 0.5º grados de resolución, desde 10.5W a 22.5E y desde 35N a 57.5N. A continuación, y con objeto de obtener mejores resultados se ejecutó el modelo sobre un dominio más pequeño centrado sobre la Península Ibérica y de mayor resolución (0.2ºx 0.2º) (figura3). LATITUDE CHIMERE DOMAINS LONGITUDE FIGURA 3. Dominios espaciales de cálculo. 8

9 Inventario de emisiones Se han utilizado las emisiones totales anuales EMEP (Data Expert) para grupo de actividad SNAP en celdas de 50x50 Km (mallado especial EMEP, figura 4). Éstas fueron transpuestas a una malla de celdas de 20x20 Km 2 (orientada Norte-Sur y Este Oeste) siguiendo un reparto basado en datos digitales de usos de suelo de la base de datos Global Land Cover Facility (GLCF) ( Las emisiones de compuestos orgánicos volátiles no metánicos se descompusieron en 227 especies para cada actividad SNAP siguiendo la especiación de Passant, (2002) y luego se agregaron según los requerimientos de CHIMERE. Las emisiones biogénicas se calcularon según Simpson et al. (1995) para el alfa-pineno, NO e isopreno. El reparto temporal de las emisiones EMEP se ha realizado considerando perfiles temporales característicos de España de cada actividad contaminante (uno por cada actividad SNAP). Estos perfiles se han obtenido de otros trabajos realizados anteriormente por los investigadores de nuestra unidad, especialmente de Palacios (2001) (figura 5). Los perfiles de tráfico (SNAP 7) corresponden a la Ciudad de Zaragoza extraído del procesamiento de conteos de intensidad de tráfico del ayuntamiento de dicha ciudad para Esta ciudad puede ser considerada como una ciudad media española. EMEP EMISSION GRID 50X50 Km cells Figura 4. Malla de emisiones EMEP con celdas de 50x50 Km 2. 9

10 Figura 5. Perfiles temporales de actividad a lo largo del año para cada actividad SNAP. En la figura 6, puede verse un mapa de emisiones superficiales de SO 2 en la malla de 20x02 Km usada para CHIMERE. En el se aprecian las emisiones mayores en zonas con centrales térmicas, en zonas urbanas e industriales, así como, son muy notables las emisiones en las rutas marítimas. 10

11 Figura 6. Emisiones de SO 2 en kg/km 2 h en un día laboral de marzo a las 10:00. Modelización meteorológica La modelización meteorológica y de dispersión de contaminantes se ha realizado siguiendo el esquema mostrado en la figura 7. La meteorología fue obtenida con el modelo MM5, ejecutado para un año completo para los dos dominios geográficos ya mencionados, y utilizando análisis del modelo global AVN para proporcionar las condiciones de contorno necesarias. La configuración de MM5 fue la siguiente: Proceso Microfísica nubes Radiación PBL LSM Cúmulos Condiciones iniciales y de contorno Parametrización Reisner graupel RRTM, Radiación nubes MRF PBL 5-capas LSM Grell análisis NCEP-GFS 11

12 La ejecución de un año completo en los dos dominios utilizando el clúster LINCE de CIEMAT tarda unas 600 horas en simular los dos dominios para un año completo. Los ficheros de salida ocupan aproximadamente 45 Gb. CONDICIONES DE CONTORNO INCA y GOCART Análisis AVN MM5 DOMINIO EUROPEO Res. 36x36 km MM5 DOMINIO ESPAÑOL Res. 19x19 km Análisis AVN CHIMERE DOMINIO EUROPEO Res 0.5 ºx 0.5º CHIMERE DOMINIO ESPAÑOL Res 0.2 ºx 0.2º CONCENTRACION EN MALLA EMISIONES EMEP (50 X 50 KM) Re-escalado, desagregación espacial y temporal Uso de suelo Figura 7. Diagrama explicativo de la configuración de modelos utilizada para la preevaluación de la calidad del aire en España Simulación de la dispersión de contaminantes Para simular la dispersión de contaminantes, se ha utilizado el modelo CHIMERE (Menut et al., 2000; Vautard, et al., 2000a y b, Es un modelo multiescala diseñado principalmente para proporcionar predicciones diarias de ozono, aerosoles y otros contaminantes y para realizar simulaciones a largo plazo para diversos escenarios de emisiones. CHIMERE es válido para diversas escalas desde grandes escalas (varios miles de kilómetros) hasta escalas urbanas ( Km) con resoluciones espaciales de 1 ó 2 Km hasta 100 Km. CHIMERE dispone de diferentes opciones que le permiten ser una potente herramienta de investigación. Puede ser ejecutado con diferentes grados de complejidad que lo pueden hacer incluso de fácil uso como herramienta de ayuda a la gestión de la calidad del aire. Puede utilizar diversos mecanismos químicos, desde los más simples a los más complejos considerando, o no, aerosoles. En esta versión, utiliza el mecanismo MELCHOR II. Actualmente está siendo utilizado en diversas regiones de Francia y también como herramienta de predicción operacional de la calidad del aire en la Europa Occidental. 12

13 Las condiciones de contorno (valores de calidad en los extremos de la región modelizada) para el dominio mayor, fueron obtenidas de salidas mensuales del modelo INCA para las concentraciones de gases y del modelo GOCART para las partículas. CHIMERE se alimenta de las emisiones antes descritas y de las condiciones atmosféricas simuladas con MM5 tanto para el dominio europeo como para la Peninsula Ibérica y Baleares (figura 3). Se realizaron simulaciones para años completos en el clúster de PCs LINCE utilizando 26 CPUs tardando unas 240 horas para un año completo en los dominios considerados. Las salidas ocupan unos 40 Gb. 4. EVALUACION DE LA CALIDAD DEL AIRE CON MODELOS Con los resultados de CHIMERE, se calcularon valores medios horarios, diarios y anuales y se estimaron las zonas en España de posible superación de los valores límite de concentración que marca la legislación para diversos contaminantes. Con esta información se elaboran mapas en los que además se representan los datos medidos en estaciones de las distintas redes de calidad del aire desplegadas en España. De esta forma, se obtiene en un mismo mapa información de dos fuentes: modelos y estaciones. Esto permite rellenar aquellas zonas no cubiertas por estaciones de medida, especialmente zonas rurales más o menos remotas. El gestor de la calidad del aire siempre debe dar mayor fiabilidad a las mediciones, siempre que estas hayan sido obtenidas con equipos fiables y bien mantenidos, y que tengan una representatividad real de la zona en la que están ubicadas. Por ejemplo, las estaciones situadas en una acera junto a un semáforo (estación de tráfico) serán representativas de una zona muy pequeña, mientras que una estación en parque urbano céntrico puede dar una idea de la contaminación urbana de fondo y, por tanto, ser representativa de una zona mucho mayor, quizá de toda una ciudad. En las figuras siguientes se muestran algunos mapas de calidad del aire en España del año 2003 referentes a superaciones del valor objetivo octohorario de ozono (figura 8) y superaciones del valor límite horario de SO 2 (figura 9). Como puede comprobarse, el valor objetivo de ozono es superado en muchas zonas de España, mientras que el valor límite horario de SO 2 es superado en las proximidades de grandes centrales térmicas de producción de energía eléctrica. 13

14 Figura 8. Mapa de superaciones del valor objetivo octohorario de ozono para el año estimado con el modelo CHIMERE Los puntos son datos medidos en estaciones. Figura 9. Mapa de superaciones del valor límite horario de SO 2 para el año estimado con el modelo CHIMERE Los puntos son datos medidos en estaciones. 14