CÁLCULO DE MAPAS DE DEPÓSITO DE CONTAMINANTES AÑO 2012

Transcripción

1 ENCOMIENDA DE GESTIÓN AL CIEMAT PARA COLABORACIÓN EN EL ÁMBITO DE LA APLICACIÓN DE LA MODELIZACIÓN PARA LA EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DEL AIRE EN ESPAÑA ( ) Actuación 2 Cálculo de mapas de depósito de contaminantes de compuestos de azufre y nitrógeno en España CÁLCULO DE MAPAS DE DEPÓSITO DE CONTAMINANTES AÑO 2012 Marta G. Vivanco, Fernando Martín, Inmaculada Palomino, Juan Luis Garrido División de Contaminación Atmosférica CIEMAT Avda. Complutense 22, Madrid 31 Marzo 2015 Ref: 2/2015

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3 INDICE INTRODUCCIÓN 1 CARACTERÍSTICAS DE LAS SIMULACIONES. 3 ANÁLISIS DE ESTIMACIONES DE DEPÓSITO DE CONTAMINANTES CONCLUSIONES 14 REFERENCIAS 16

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5 1. INTRODUCCIÓN Desde el año 2003, en el marco de convenios de colaboración y encomiendas de gestión entre el Ministerio de Medio Ambiente y el CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medio Ambientales y Tecnológicas), el Grupo de Modelización Atmosférica, integrado actualmente en la División de Contaminación Atmosférica del Departamento de Medio Ambiente del CIEMAT, ha venido realizando labores de evaluación de la calidad del aire en España mediante modelos de dispersión combinados con mediciones, de validación, desarrollo y mejora de modelos, de mejora de la zonificación, de análisis de la representatividad de las estaciones urbanas, de formación, fomento y asesoramiento y armonización en el uso de modelos en España especialmente en el ámbito de las administraciones públicas y la participación en foros internacionales de interés para el MARM. Otra parte importante de los trabajos realizados desde 2007, ha sido el cálculo de mapas de depósito de contaminantes atmosféricos (compuestos de nitrógeno y azufre) usando modelos de dispersión de contaminantes a escala nacional y su comparación con los mapas de depósito obtenidos por EMEP. Es importante conocer qué cantidad de contaminante se está depositando en el territorio español, ya que ese depósito de contaminante afecta a los suelos, estructuras, edificios y, sobre todo, a la vegetación, bosques y cultivos, es decir, a los ecosistemas. El Convenio de Ginebra para el transporte de la contaminación atmosférica a larga distancia (CLRTAP) dentro de sus distintos protocolos y apoyado en el programa EMEP (European Monitoring and Evaluation Programme) plantea unos objetivos y necesidades que incluyen la medida en estaciones remotas y muy bien instrumentadas 1

6 de la concentración en aire y el depósito de diversos contaminantes. Además, EMEP utiliza un modelo de transporte y química atmosférica para estimar las concentraciones en aire y el depósito de los contaminantes en Europa. Los contaminantes contemplados son el ozono, los metales pesados, los compuestos implicados en la acidificación y eutrofización, compuestos orgánicos persistentes y partículas atmosféricas. La labor realizada por EMEP incluye la elaboración de mapas anuales de concentración de contaminantes en aire y depósito, estimación de contribuciones de cada país, contraste con mediciones, etc. Para más información se recomienda consultar la Web En el presente informe, se muestran los resultados de los trabajos de aplicación de la modelización matemática para calcular el depósito de compuestos nitrogenados y de azufre en España con modelos atmosféricos de dispersión aplicados a Información sobre lo realizado en estos temas en años anteriores puede consultarse en los informes de Martín et al, (2009, 2011, 2012, 2013 y 2014) y Vivanco et al. (2007 y 2009). Estos trabajos han sido realizados por el Grupo de Modelización Atmosférica (GMA) de la Unidad de Modelización y Ecotoxicidad de la Contaminación Atmosférica (UMECA) del CIEMAT en el marco de la Encomienda de Gestión entre el Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente (MAGRAMA) y el CIEMAT en el ámbito de la aplicación de la modelización para la evaluación de la calidad del aire en España concretamente dentro de la Actuación 2 (Cálculo de mapas de depósito de contaminantes de compuestos de azufre y nitrógeno en España). 2

7 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS SIMULACIONES Se utilizaron las simulaciones realizadas para la reevaluación de 2012 (Palomino et al. 2014), las cuales, al igual que las de 2008, 2009, 2010 y 2011, presentan diversos cambios con respecto a las realizadas para 2007 y anteriores. 1) Por una parte, se empleó el modelo WRF (para 2012, version V3.4.1) ( y para obtener los campos meteorológicos para todo 2012, utilizando análisis GFS para su inicialización. Por lo que respecta al modelo CHIMERE ( 59#fotoquimicos y los resultados incluidos en este informe se obtuvieron con la versión 2013 (para , se usó la versión 2008b). 2) Los resultados se presentan para una resolución de 0.1º, es decir, aproximadamente 10 Km. para el dominio Peninsular y de 0.2º para el dominio europeo. Las simulaciones con el modelo meteorológico WRF se realizaron a una resolución de 27 Km. para el dominio europeo y 9 para el dominio sobre la Península. 3

8 CHIMERE Europa Península Ibérica y Baleares Resolución 0.2º 0.1º Celdas 106x x90 WRF Europa Península Ibérica y Baleares Resolución 27 Km. 9 Km. Celdas 120x x136 Tabla 1. Dominios de simulación y resoluciones de cálculo utilizados en las reevaluaciones de 2008 hasta 2012 con los modelos WRF y CHIMERE. El esquema seguido para la realización de estas simulaciones puede verse en la Figura 1. Para el dominio europeo se ha partido de emisiones EMEP (Data Expert) en celdas de 50x50 Km 2 y para la Península Ibérica y Baleares, se han usado datos del Inventario Nacional de Emisiones (INE) del MAGRAMA en celdas EMEP. La desagregación espacial de los datos de emisiones totales anuales se ha realizado a una resolución de 20x20 km 2 y 10x10 km 2 para Europa y la Península Ibérica, respectivamente, siguiendo un reparto basado en datos digitales de usos de suelo. El reparto temporal para obtener emisiones horarias se ha conseguido considerando perfiles temporales característicos de cada actividad y contaminante como se hizo en otras reevaluaciones (Vivanco et al, 2010). 4

9 CONDICIONES DE CONTORNO EMISIONES EMEP LMDz-INCA y LMZ-AERO WRF CHIMERE DOMINIO EUROPEO (Res. 27x27 km) DOMINIO EUROPEO (Res. 0.2ºx0.2º) WRF CHIMERE DOMINIO ESPAÑOL (Res. 9x9 km) DOMINIO ESPAÑOL (Res. 0.1ºx0.1º) Re-escalado, desagregación espacial y temporal Re-escalado, desagregación espacial y temporal Usos de suelo (50x50 km) Análisis GFS EMISIONES INE (50x50 km) Dominios MM5 CONCENTRACIÓN EN MALLA Dominios Meteo CHIMERE DOMAINS 55 LATITUDE LONGITUDE Figura 1. Diagrama explicativo de la configuración de modelos y dominios utilizados para la reevaluación de la calidad del aire en España

10 3. ANALISIS DE ESTIMACIONES DE DEPÓSITO DE CONTAMINANTES 2012 En el cálculo de depósito de nitrógeno se ha diferenciado el nitrógeno oxidado del nitrógeno reducido, considerando para ello el nitrógeno presente en los compuestos químicos indicados en la Tabla 2. Asimismo, como también se muestra en dicha tabla, se ha tenido en cuenta tanto el depósito seco como el depósito por vía húmeda. La Tabla 2 muestra también las especies químicas cuyo depósito se ha considerado para estimar el depósito anual de azufre. Las simulaciones con el modelo CHIMERE fueron realizadas para 2012 a 0.1º de resolución. El depósito diario obtenido por el modelo fue acumulado de forma que se pudiera disponer de la información relativa al depósito anual de S, N reducido, N oxidado y N total para Azufre oxidado Nitrógeno oxidado Nitrógeno reducido H 2 SO 4 (depósito HNO 3 (depósito seco y húmedo) NH 3 (dep. seco y. seco y húmedo) HNO 3 aq. (depósito seco y húmedo) húmedo) H 2 SO 4 aq. (depósito HONO (depósito seco y húmedo) NH 3 aq. (depósito seco seco y húmedo) PAN (depósito seco y húmedo) y húmedo) SO 2 (depósito seco NO (depósito seco y húmedo) NH 3 en forma y húmedo) NO 2 (depósito seco y húmedo) particulada (depósito SO 4 2- en forma NO 3 (depósito seco y húmedo) seco y húmedo) particulada N 2 O 5 (depósito seco y húmedo) (depósito seco y NO - 3 en forma particulada (depósito húmedo) seco y húmedo) Tabla 2. Especies depositadas por vía seca y húmeda consideradas en el cálculo del depósito de N y S. aq significa en fase acuosa En 2013, se llevó a cabo un estudio para evaluar la capacidad de CHIMERE de estimar correctamente los depósitos de azufre y nitrógeno en España por vía húmeda (Martín et al., 2014, García- Gómez et al., 2013) comparando con los datos medidos en estaciones 6

11 EMEP principalmente, pero en algunos casos se han usado estaciones ICP-Forest y cinco estaciones catalanas para el período Los resultados se compararon los obtenidos por el modelo EMEP. Los resultados más relevantes pueden resumirse en: 1. Ambos modelos (CHIMERE y EMEP) proporcionan estimaciones aceptables de los depósitos totales anuales, especialmente para oxidado N, aunque los resultados deben aplicarse con precaución, especialmente en pequeña escala regional. No obstante, se hace evidente que CHIMERE tiende a subestimar en España de forma notable el depósito de nitrógeno reducido. 2. Los procesadores meteorológicos de ambos modelos predicen bien las cantidades de precipitación anual acumulada en la mayoría de las estaciones con resultados algo peores en verano. El modelo CHIMERE subpredice muy significativamente los depósitos mensuales de nitrógeno reducido en las estaciones EMEP en un factor 2.32 en media, mientras que apenas subpredice los de nitrógeno oxidado en un factor En cambio, el modelo EMEP presenta mejores resultados para el nitrógeno reducido y subpredice más que CHIMERE el oxidado (en un factor 1.24). En la Península Ibérica, para el depósito húmedo de nitrógeno reducido, los resultados parecen indicar que las formulaciones de dispersión, química y depósito del modelo EMEP funcionan mejor, y para el oxidado, lo hacen mejor las de CHIMERE. No obstante, habría que incluir también los posibles errores en los inventarios de emisiones, además de otros aspectos relacionados con la meteorología, como la temperatura o humedad relativa que intervienen en el equilibrio entre las fases gaseosa y partículada de los sistemas NH 3 /NH + - 4, NO 3 H/NO 3 y H 2 SO 4 /SO 2-4, y que da lugar a la formación de amonio, sulfatos y nitratos. 3. Las estimaciones de depósito húmedo de azufre realizadas con el modelo CHIMERE parecen correlacionar mejor con las 7

12 observaciones, que el modelo EMEP. Sin embargo, CHIMERE subpredice más que EMEP. Los errores de las estimaciones de EMEP son mayores a los de CHIMERE. Los errores en la estimación de la precipitación no son los causantes principales de los errores de estimación de los depósitos de azufre. En las figuras 2 y 3, se muestran los depósitos anuales estimados para azufre oxidado y nitrógeno total para 2012, respectivamente, mientras que en la figura 4, se representan los depósitos de nitrógeno oxidado y reducido obtenidos todos con el modelo CHIMERE para Respecto de los depósitos de 2011 (Martín et al, 2014) (ver figuras 5), los de 2012 de azufre oxidado se han mantenido en valores similares en gran parte de la Península y Baleares. Esto marca un cambio de tendencia, ya que entre 2010 y 2011 se estimó un descenso bastante notable (ver informe de depósito de 2011) en todo el territorio. Sin embargo se detectan disminuciones notables en Cataluña, Madrid, Aragón y Comunidad Valenciana, mientras que hay aumentos en Galicia y Asturias. Estos aumentos y disminuciones en varias zonas pueden estar relacionados con variaciones anuales de las emisiones de azufre en las CCTT de esas zonas. En cuanto a los depósitos de nitrógeno oxidado y reducido, los valores de 2012 se mantienen muy simulares a los de 2011 en gran parte del territorio pero aumentan muy significativamente en la zona cantábrica y en las costas gallegas. 8

13 Figura 2. Depósitos de azufre en mg/m 2 S para 2012 calculados con CHIMERE. Figura 3. Nitrógeno total en mg/m 2 N para 2012 calculados con CHIMERE 9

14 Figura 4. Nitrógeno oxidado (arriba) y reducido (abajo) en mg/m 2 N para 2012 calculados con el modelo CHIMERE. 10

15 Figura 5. Depósitos de azufre (arriba) y nitrógeno oxidado (medio) y reducido (abajo) en mg/m 2 S y N respectivamente, para

16 Comparando los depósitos de contaminantes calculados con CHIMERE y los de EMEP (figura 6) podemos destacar lo siguiente: 1. La resolución espacial mucho más fina de los depósitos obtenidos con CHIMERE proporcionan una visión más realista que la obtenida por EMEP. Hay una correlación evidente con la distribución de emisores de contaminantes, como grandes centrales térmicas. 2. Ambos depósitos muestran una clara diferenciación entre las zonas costeras con depósitos más altos y el interior, que se hace especialmente evidente en el caso del azufre y nitrógeno oxidados. 3. En el caso del azufre oxidado, hay bastante coincidencia en la localización de depósitos máximos (Cataluña, Cantábrico, Costas de Galicia, Huelva y Algeciras), aunque los depósitos calculados con CHIMERE son generalmente algo superiores a los de EMEP. 4. En el caso de nitrógeno oxidado, en la Costa Atlántica de Galicia, CHIMERE estima unos depósitos más altos que EMEP. Sin embargo, los máximos estimados por EMEP en el Cantábrico y Cataluña, no son tan marcados en las estimaciones de CHIMERE. Además, hay claras discrepancias entre ambos modelos en el cuadrante NE y costa cantábrica. 5. Respecto al nitrógeno reducido, los depósitos calculados coinciden en localizar los máximos depósitos en el NE de la Península, así como en el Cantábrico y Galicia. Los valores parecen bastante similares entre ambos modelos. 12

17 Figura 6. Comparación de los depósitos de azufre (arriba) y nitrógeno oxidado (medio) y reducido (abajo) en mg/m 2 S y N respectivamente, para 2012, calculados por CHIMERE (izda) y por EMEP (dcha, según Gauss et al., 2014). 13

18 4. CONCLUSIONES Las principales conclusiones que podemos extraer son las mostradas a continuación: 1. Los depósitos de S oxidado y de nitrógeno oxidado y reducido calculados con el modelo CHIMERE en 2012 se han mantenido en valores similares a los de 2011 en gran parte de la Península y Baleares. Hay que recordar que los de 2011 bajaron de forma significativa respecto a los de Para el azufre se han detectado disminuciones notables en Cataluña, Madrid, Aragón y Comunidad Valenciana, mientras que hay aumentos en Galicia y Asturias. 3. Respecto al nitrógeno, tanto oxidado como reducido, llama la atención el aumento significativo en las zonas costeras cantábricas y gallegas. 4. En general, las estimaciones de depósito del modelo CHIMERE concuerdan bastante con las del modelo EMEP. Ambos modelos muestran la diferencia clara entre zonas costeras con depósitos más altos e interior. 5. En lo referente al azufre y a la localización de zonas de máximo, ambos modelos coinciden bastante. Las mayores discrepancias surgen en los depósitos de nitrógeno oxidado en la zona de Cataluña y el Cantábrico. Como ya se señaló en el informe de 2011, los resultados del estudio de evaluación de ambos modelos respecto del depósito húmedo de contaminantes para el período en España (ver informe de depósito 2013, Martín et al, 2014, y el trabajo presentado en HARMO16, Martín et al, 2014 y Gómez et al., 2013) mostraron una tendencia a subpredecir en ambos modelos más marcada en CHIMERE para el N reducido. No se sabe cómo se comportan en cuanto al depósito seco, ya que es bastante complicado disponer de 14

19 buenos datos medidos con una buena cobertura espacial para hacer una buena evaluación de los modelos. Suponiendo que estimasen adecuadamente el depósito seco, las estimaciones de depósito total de los compuestos de azufre y nitrógeno seguramente tenderían a estar por debajo de las medidas. Por ello, se podría pensar que las estimaciones de depósito obtenidas por el modelo CHIMERE serían el límite inferior en un rango de incertidumbre relativamente amplio de las estimaciones de los depósitos posibles, es decir, los depósitos de contaminantes en la Península y Baleares serían como poco los estimados por CHIMERE. 15

20 REFERENCIAS García-Gómez H., J.L. Garrido, M.G. Vivanco, L. Lassaletta, I. Rábago, A. Àvila, S. Tsyro, G. Sánchez, A. González Ortiz, I. González-Fernández, R. Alonso, (2013) Nitrogen deposition in Spain: Modeled patterns and threatened habitats within the Natura 2000 network. Science of the Total Environment , Gauss M., A. V. Semeena, A. Benedictow, and H. Klein (2014). Transboundary air pollution by main pollutants (S, N, O3) and PM Spain. MSC-W Data Note 1/2014. METEOROLOGISK INSTITUTT. Norwegian Meteorological Institute. ISSN ( Martín F., Vivanco M. G., I. Palomino, Magdalena Palacios, José Luis Santiago, Alberto Martilli, Manuel Santiago, Francisco Salamanca y Juan Luis Garrido (2009b). Informe 2º semestre Acuerdo de Encomienda de Gestión entre el Ministerio de Medio Ambiente y Ciemat para la Aplicación de la Modelización en la Evaluación de la Calidad Del Aire en España. Informe para la Dirección General de Calidad y Evaluación Ambiental. MARM. CIEMAT. Ref: 20/2009. Martín F., Vivanco M. G., I. Palomino, Garrido J.L. y González M.A.(2011). Evaluación de la calidad del aire en España utilizado modelización combinada con mediciones. Reevaluación año 2008 Acuerdo de Encomienda de Gestión entre el Ministerio de Medio Ambiente y Ciemat para trabajos en materia de calidad del aire, energía y evaluación ambiental. Informe para la Dirección General de Calidad y Evaluación Ambiental. Ministerio de Medio Ambiente. CIEMAT. Ref: 25/

21 Martín, Fernando, Marta G. Vivanco, Inmaculada Palomino, Juan Luís Garrido y Mª Ángeles González (2011).CALCULO DE MAPAS DE DEPOSITO DE CONTAMINANTES. AÑO Encomienda de Gestión entre el Ministerio de Medio Ambiente y el CIEMAT para trabajos en materia de calidad del aire, energía y evaluación ambiental. Informe para DGCEA. MARM. CIEMAT. Ref: 26/2011. Martín F., Vivanco M. G., I. Palomino, Garrido J.L., Manuel Santiago y González M.A.(2012). Evaluacion de la calidad del aire en España utilizado modelización combinada con mediciones. Reevaluacion año 2009 Acuerdo de Encomienda de Gestión entre el Ministerio de Medio Ambiente y Ciemat para trabajos en materia de calidad del aire, energía y evaluación ambiental. Informe para la Dirección General de Calidad y Evaluación Ambiental. MAGRAMA. CIEMAT. Ref: 33/2012. Martín F., Marta G. Vivanco, Inmaculada Palomino, Juan Luis Garrido Manuel Santiago y Mª Ángeles González (2012) CÁLCULO DE MAPAS DE DEPÓSITO DE CONTAMINANTES. AÑO Recálculo de años Encomienda de Gestión entre el Ministerio de Medio Ambiente y el CIEMAT para trabajos en materia de calidad del aire, energía y evaluación ambiental. Informe para DGCEA. MAGRAMA. CIEMAT. Ref: 34/2012. Martín F., Vivanco M. G., I. Palomino, Garrido J.L. y González M.A.(2013). Evaluación de la calidad del aire en España utilizado modelización combinada con mediciones. Reevaluación año 2010 Acuerdo de Encomienda de Gestión entre el Ministerio de Medio Ambiente y Ciemat para trabajos en materia de calidad del aire, energía y evaluación ambiental. Informe para la Dirección General de Calidad y Evaluación Ambiental. MAGRAMA. CIEMAT. Ref: 37/

22 Martín F., Marta G. Vivanco, Inmaculada Palomino, Juan Luis Garrido Manuel Santiago y Mª Ángeles González (2013) CÁLCULO DE MAPAS DE DEPÓSITO DE CONTAMINANTES. AÑO Encomienda de Gestión entre el Ministerio de Medio Ambiente y el CIEMAT para trabajos en materia de calidad del aire, energía y evaluación ambiental. MAGRAMA. CIEMAT. Ref: 38/2013. Martín F., M G Vivanco; I Palomino; J L Santiago; A Martilli., A, González y J.L. Garrido. (2013) INFORME 2013 DE TAREA 3: COORDINACIÓN DE DIFERENTES LABORES RELACIONADAS CON EL USO DE MODELOS DE DISPERSIÓN ATMOSFÉRICA EN ESPAÑA. Acuerdo de Encomienda de Gestión entre el Ministerio de Medio Ambiente y Ciemat para trabajos en materia de calidad del aire, energía y evaluación ambiental. Informe para la Dirección General de Calidad y Evaluación Ambiental. Ministerio de Medio Ambiente. MAGRAMA. CIEMAT. Ref: 42/2013 Martín F., Vivanco M. G., I. Palomino, Garrido J.L. (2014). Evaluación de la calidad del aire en España utilizado modelización combinada con mediciones. Reevaluación año 2011 Acuerdo de Encomienda de Gestión entre el Ministerio de Medio Ambiente y Ciemat para trabajos en materia de calidad del aire, energía y evaluación ambiental. Informe para la Dirección General de Calidad y Evaluación Ambiental. Ministerio de Medio Ambiente. CIEMAT. Ref: 43/2014. Martín F., Marta G. Vivanco, Inmaculada Palomino, Juan Luis Garrido Manuel Santiago y Mª Ángeles González (2014) CÁLCULO DE MAPAS DE DEPÓSITO DE CONTAMINANTES. AÑO Encomienda de Gestión entre el Ministerio de Medio Ambiente y el CIEMAT para trabajos en materia de calidad del aire, energía y evaluación ambiental. MAGRAMA. CIEMAT. Ref: 44/

23 Martin F.; M.G. Vivanco; J.L. Garrido; I. Palomino. EVALUATION OF THE CHIMERE MODEL ESTIMATING WET DEPOSITION IN SPAIN. Proceedings of 16th International Conference on Harmonisation within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes. pp Palomino, I., Vivanco M. G., F. Martín, J.L. Garrido (2014). Evaluación de la calidad del aire en España utilizado modelización combinada con mediciones. Reevaluación año Acuerdo de Encomienda de Gestión entre el Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente (MAGRAMA) y el CIEMAT en el ámbito de la aplicación de la modelización para la evaluación de la calidad del aire en España concretamente dentro de la Actuación 1 (Aplicación de modelos para la evaluación anual de la calidad del aire en España), Subactividad 1.B (Reevaluación de la calidad del aire en España). Ref: 1/2014. Vivanco M. G., I. Palomino, F. Martín y B. Casado (2007b). Informe anual. Acuerdo de Encomienda de Gestión entre el Ministerio de Medio Ambiente y Ciemat para la Aplicación de la Modelización en la Evaluación de la Calidad Del Aire en España. Informe para la Dirección General de Calidad y Evaluación Ambiental. Ministerio de Medio Ambiente. CIEMAT. Ref: 11/2007. Vivanco M. G., F. Martín, I. Palomino, (2009). Depósito de contaminantes atmosféricos en España estimado por el modelo CHIMERE. Informe para la Dirección General de Calidad y Evaluación Ambiental. Ministerio de Medio Ambiente. CIEMAT. Ref: 18/