Curso Observación y Predicción de la Calidad del Aire Introducción Isabel Martínez Marco imartinezm@aemet.es
Sumario Introducción Gases reactivos Origen y efectos de la contaminación Técnicas de medida Análisis de situaciones reales Aerosoles atmosféricos Origen y efectos de la contaminación Técnicas de medida Análisis de situaciones reales Redes de observación. Necesidades presentes y futuras Emisiones antropogénicas y naturales: Inventarios de emisión Modelos de transporte químico: el modelo MOCAGE Modelos de dispersión: MOCAGE en Modo Accidente FLEXTRA: Modelo de trayectorias Interpretación y Verificación de los productos de modelización Modelos de predicción de aerosoles Polvo mineral atmosférico Programa SDS-WAS Métodos de observación Modelos de Predicción Indíces de calidad del aire Legislación y Normativa: PLAN AIRE 2013-2016 Iniciativa Europea GEMS: proyectos MACC, MACC-II y MACC-III Página web externa http://www.aemet.es/es/eltiempo/prediccion/calidad_d el_aire http://www.aemet.es/es/idi/medio_ambiente/modelizacion_atmosfera
Gases Reactivos Aerosoles Atmosféricos Sergio Rodríguez srodriguezg@aemet.es Centro de Investigación Atmosférica de Izaña
LUNES 11:00 12:00 Sergio Rodríguez GASES REACTIVOS Origen de los gases reactivos en la atmósfera Gases reactivos: CO, SO 2, NO X, O 3 Conceptos básicos: Fuentes naturales y fuentes antropogénicas Distribución global Efectos de la contaminación por gases reactivos Propiedades fisicoquímicas Influencia en el clima. Calidad del Aire Efectos en la salud en el ambiente urbano, agricultura y el medio ambiente. Impacto en la economía
LUNES 12:00 13:00 Sergio Rodríguez GASES REACTIVOS Técnicas de medida Técnicas de medida de gases reactivos in-situ (CO, SO2, NOx y O3 superficial) en la red de Vigilancia Atmosférica Global (VAG). Teledetección de gases reactivos. LUNES 14:30 15:00 Sergio Rodríguez GASES REACTIVOS Análisis de casos reales Gases reactivos primarios -Santa Cruz de Tenerife: vehículos, barcos y refinería -Izaña: entrada de GR primarios en la troposfera libre Ozono -Izaña: transporte transatlátnico de ozono. -Aportes externos de ozono en ambientes urbanos
MARTES 09:00 10:00 Sergio Rodríguez AEROSOLES Origen de las partículas atmosféricas Conceptos básicos. Definiciones (aerosoles, aerosoles atmosféricos, partículas atmosféricas, material particulado). Fuentes naturales, fuentes antropogénicas. Composición química. Tamaño de partícula. Parámetros de evaluación de calidad del aire. Efectos de la contaminación por partículas atmosféricas Efectos en la salud, el ambiente urbano, agricultura y el medio ambiente. Modulación del clima. Impacto en la economía y el grado de desarrollo de las sociedades occidentales.
MARTES 10:30 12:30 Sergio Rodríguez AEROSOLES Técnicas de medida y análisis de situaciones reales Propiedades de aerosoles medidas in-situ: concentración, tamaño, composición química, propiedades ópticas y visibilidad (coeficientes de scattering, absorción). Redes de observación: redes de calidad del aire, redes científicas (EMEP, EUSAAR, ESRL, VAG ) Propiedades de aerosoles medidas por técnicas remotas: fotómetros solares, lidar, Redes de observación y satélites: AERONET, EARLINET, CALIPSO.
MIÉRCOLES 09:00 10:00 AEROSOLES Sergio Rodríguez Necesidades presentes y futuras en las redes observaciones de partículas atmosféricas partículas ultrafinas y black carbon en ambientes urbanos Formación de nuevas partículas procesos de nucleación. Observaciones globales de polvo mineral
Inventarios de Emisiones LUNES 15:00-16:00 Isabel Martínez Marco imartinezm@aemet.es Observación y Predicción de la Composición Química de la Atmósfera PAF 2013
Introducción Introducción Las emisiones constituyen una parte crítica en el buen funcionamiento de los modelos de calidad del aire La inexactitud en los datos de emisiones usados introduce una mayor incertidumbre en los resultados de los modelos Dentro de la mejora en las predicciones de calidad del aire, es indispensable encontrar referencias fiables y actualizadas de dichas emisiones Es fundamental su correcta implementación en los modelos de calidad del aire ->Desarrollo de metodologías para poder simular su distribución espacial y evolución temporal Adicionalmente, necesarios para asuntos de política ambiental (Techos de emisión, EIAs, ) Observación y Predicción de la Composición Química de la Atmósfera PAF 2013
Inventario de emisiones de España Emisiones Absolutas (Kilotoneladas) Inventario de Emisiones a la Atmósfera de España emitido por la D. G. de Calidad y Evaluación Ambiental y Medio Natural del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente Última publicación: Edición 2013 -> Inventariado de las emisiones anuales desde el año 1990 hasta 2011 (Kilotoneladas/año) Observación y Predicción de la Composición Química de la Atmósfera PAF 2013
Inventario de emisiones Inventarios de emisiones usados en MOCAGE / AEMET LUNES 16:30 17:00 EMEP: European Monitoring and Evaluation Programme http://www.ceip.at/ TNO-MACC: Monitoring Atmospheric Composition and Climate http://www.gmes-atmosphere.eu/documents/deliverables/d-emis/tno report_ut-00588_macc_emission2003_2007.pdf SMOKE-EU: Sparse Matrix Operator Kernel Emissions http://www.smoke-model.org/index.cfm Observación y Predicción de la Composición Química de la Atmósfera PAF 2013
Modelos de transporte químico MARTES 14:00-16:00 MIÉRCOLES 10:30-12:30 José António García-Moya Zapata jgarciamoyaz@aemet.es
Modelos de calidad del aire Procesos relevantes que deben ser incluidos: Transporte: Advección Mezcla (turbulencia) Fuentes y sumideros: Emisiones Química Microfísica de partículas Deposición húmeda (debida a la precipitación) Deposición seca (debida a la gravitación y a las reacciones con la superficie terrestre)
Modelos de calidad del aire La evolución de la atmósfera y su composición química en el tiempo se expresa mediante una serie de ecuaciones:
Qué predecimos en un modelo? Contaminantes que nos (pre)ocupan: Ozono (O3) Material Particulado (PM) Monóxido de Carbono (CO) Dióxido de azufre (SO2) Óxidos de Nitrógeno (NOx) Tóxicos (químicos, nucleares, ) Gases de efecto invernadero (CO2, otros) Gases destructores del ozono: CFC s (estratosfera)
qué medimos y cómo? Escalas espaciales: Regional Mesoescala (10-400 km) Urbana o subregional (10 km) Local (5 km o menor) La predicción debe adaptarse Áreas con orografía compleja, emisiones diferenciadas, Resolución del modelo Qué damos? Máximo en una zona Promedio en una zona
qué medimos y cómo? La contaminación la podemos medir de varias formas Concentración: mide la cantidad de una cierta sustancia en una masa de aire grande. Se suele presentar en razón de mezcla: ppmv, ppbv (vol/vol) Masa: mide el peso de un contaminante en un volumen de aire. Unidades típicas: µ/m3 o mg/m3 Índices de calidad del aire: Se suelen presentar varios niveles de calidad del aire en función de la presencia de mayor o menor cantidad de sustancias contaminantes Suelen ir unidos a códigos de colores Se prescinden de las unidades de medida Ventaja: claridad para el usuario Las sustancias contaminantes se suelen medir en diferentes tiempos promedios (diezminutales, horarias, octohorarias,..) Los diferentes criterios de calidad del aire y valores límites, que deben respetarse según la legislación, son medidas promedio y son diferentes en función del tiempo de promediado. Los valores alcanzados pueden diferir sustancialmente dependiendo del tiempo de promediado considerado.
La predicción de la calidad del aire en AEMET Modelo MOCAGE Modelo de química atmosférica a) Modelo del Servicio Meteorológico Francés: Météo-France. b) Su dominio se extiende desde el suelo hasta la estratosfera. c) Incorpora química de gases y aerosoles. d) Algoritmos eficientes para largas integraciones.
Configuración de MOCAGE en AEMET a) Modelo GLOBAL b) Permite hasta 4 niveles de anidamiento c) Convenio AEMET-METEOFRANCE d) AEMET: Configuración Prevista GLOBAL 2º Continental 0.5º Nacional 0,1º e) Predicciones operativas. f) Posibilidad de utilizarse en predicciones climáticas de composición atmosférica. Continental 0.5º GLOBAL 2º Forzamientos Dinámicos: ECMWF (niveles altos), ARPEGE-MF (superficie) Regional 0.1º Forzamientos Dinámicos: HIRLAM ONR AEMET 0.16º Forzamientos Dinámicos: HIRLAM HNR AEMET 0.05º CONTINENTAL 0.5º REGIONAL 0.1º
Configuración de MOCAGE en AEMET Operatividad de MOCAGE modo químico para predicciones de calidad del aire http://www.aemet.es/es/eltiempo/prediccion/calidad_del_aire Predicciones hasta H+36 de (entre otros) SO 2 NO NO 2 O 3 (columna total y por niveles) CO Radiación UV UVI (en condiciones nubosas) 119 especies químicas en el esquema químico
Resolución Horizontal Versión MOCAGE a 5 km de resolución MOCAGE en AEMET: versiones experimentales a 5km resolucion (MACC) Versión anidada en MOCAGE global Versión LAM anidada en campos MACC
Modelos de dispersión: MOCAGE en Modo Accidente MIÉRCOLES 14:00 15:00 Isabel Martínez Marco imartinezm@aemet.es
Características generales del Modelo MOCAGE-ACCIDENTE MOCAGE en MODO ACCIDENTE: cuando se desactiva el módulo de química el modelo funciona como un modelo de dispersión capaz de simular la evolución de un contaminante pasivo o radiactivo emitido accidentalmente a la atmósfera. Se supone que el material emitido por una o varias fuentes puntuales se distribuye uniformemente entre dos niveles del modelos en la vertical por encima de cada una de ellas. No tiene en cuenta información sobre otro tipo de emisiones continuas en superficie ya sean naturales o antropogénicas. Resolución horizontal y área variables (hasta tres niveles de anidamiento). Resolución vertical: 47 niveles híbridos
Modelo MOCAGE-ACCIDENTE en AEMET Características generales de MOCAGE-ACCIDENTE Procesos físico-químicos Forzamientos Radiación Vientos Temperatura Humedad Precipitaciones Transformaciones Química homogénes Fotolisis Química heterogénea Microfísica de aerosoles Transporte Advección Difusión turbulenta Convección Sedimentación de partículas Concentraciones Atmosféricas Fuentes Emisiones Antropogénicas Emisiones naturales Sumideros Deposición húmeda Deposición seca Curso de Observación y Predicción de la Calidad del Aire Decaimiento radiactivo
Utilidad y uso en AEMET de MOCAGE-ACCIDENTE Objetivos del uso de MOCAGE-ACCIDENTE en AEMET: Apoyo, en situaciones de emisión de material a la atmósfera potencialmente peligroso, a los organismos e instituciones de la Administración Central o las Comunidades Autónomas. Usuarios más importantes: Emisiones de material radiactivo: CSN (Consejo de Seguridad Nuclear) Emisiones de material pasivo: Dirección General de Protección Civil Uso interno: Uso interno por los predictores para dar apoyo a diversos sectores (aviación, defensa, etc). Validación: oportunidad de validación en simulaciones de situaciones reales
Configuración de dominios de MOCAGE-ACCIDENTE en AEMET Dominio global: resolución 1ºx1º; alcance de la predicción 3 días Dominio continental: resolución 0.5ºx0.5º; alcance de la predicción H+48 Dominio peninsular: resolución 0.1ºx0.1º; alcance de la predicción H+36
Configuración de dominios de MOCAGE-ACCIDENTE en AEMET Dominio para las Islas Canarias: resolución 0.05ºx0.05º; alcance de la predicción H+36 Dominio para las Islas Canarias: resolución 0.1ºx0.1º; alcance de la predicción H+36
Necesidades de MOCAGE-ACCIDENTE / AEMET Forzamientos meteorológicos: u, v, w, T y Q (3D) y presión en superficie (2D) Se generan en AEMET: globales (ECMWF) : 2 vez al día continentales, peninsulares y para las Islas Canarias (HIRLAM/AEMET): 4 veces al día Datos de la fuente o fuentes que deberá proporcionar el usuario (hasta un máximo de 10): coordenadas instantes inicial y final de la emisión tasa de emisión en g/s ó Bq/h (valor por defecto si se desconoce) base y cima de la emisión en m ó HPa (valor por defecto si se desconoce) Parámetros relacionados con la especie simulada
Modelo de trayectorias: FLEXTRA MIÉRCOLES 15:00 16:00 Isabel Martínez Marco imartinezm@aemet.es Observación y Predicción de la Composición Química de la Atmósfera PAF 2013
FLEXTRA: Modelo de Trayectorias
Viento Humedad Temperatura
Retrotrayectorias analizadas Retrotrayectorias previstas
Interpretación y verificación de los productos de modelización JUEVES 09:00 10:00 José Antonio García-Moya Zapata jgarciamoyaz@aemet.es Observación y Predicción de la Composición Química de la Atmósfera PAF 2013
Verificación MOCAGE verificación Se realizan rutinariamente ejercicios de verificación del modelo MOCAGE en los dominios Global, Continental y MACC. Se utilizan datos in-situ de las redes EMEP/GAW/CAMP (13 estaciones) a las 00, 06, 12, 18 y 24 UTC. Se obtiene los BIAS o sesgos y RMSE medios del O3, NO, NO2, NOx y SO2 para los últimos 30 días. Se estudian los BIAS y RMSE para cada estación individual, así como sus dependencias de la velocidad y dirección del viento (intentando averiguar las direcciones principales de los sesgos). También utilizamos nuevas observaciones de calidad del aire procedentes de otras redes regionales españolas para realizar verificaciones más completas (relacionadas con nuestra contribución al proyecto MACC y MACC-II).
Verificación Dependencia Datos BIAS BIAS contaminación para del y RMSE BIAS cada para de estación de las toda acuerdo condiciones de la red la a red las del EMEP/VAG/CAMP condiciones viento para del cada viento para estación cada estación Salidas de verificación MOCAGE
Iniciativa europea GEMS: proyectos MACC, MACC-II y MACC-III JUEVES 10:30 11:30 Isabel Martínez Marco imartinezm@aemet.es
Monitoring Atmospheric Composition and Climate Interim Implementation MACC-II is the third in a series of FP6 & 7 EU projects (since 2005). It is coordinated by ECMWF and the consortium comprises 36 partners from 13 countries. It runs till July 2014, when GMES operations Weather services are expected to start. Atmospheric environmental services Environmental agencies provide data & information on Long-range pollutant transport European air quality Dust outbreaks Solar energy UV radiation Climate forcing by gases and aerosols
The MACC global reactive gases system evolution Pre-GEMS, GEMS studies : IFS and CTMs separate IFS NWPM ECMWF 4d-var strat. ozone assimilation (linear scheme) MOZART CTM Jülich, NCAR TM5 CTM KNMI MOCAGE CTM Météo-France GEMS development, GEMS/MACC production : IFS and CTMs coupled GEMS : 2005-2009 MACC : 2009-2011 MACC-II : 2011-2014 OASIS coupler CERFACS MACC develop., MACC-II production : IFS with online CTMs chemistry C-IFS v0 4d-var assimilation for ozone, CO, NO 2, SO 2 C-IFS v1 integrate aerosol and greenhouse gases
http://www.gmes-atmosphere.eu Retrospective Service Provision Reanalysis of Atmospheric Composition (2003-2011) Aerosol Optical Depth 30 years ozone layer records Methane CO 2 and CH 4 surface flux inversions 700+ users
http://www.gmes-atmosphere.eu Near-Real-Time Service Provision 90+ users and obsairve European Air Quality Global Pollution Biomass burning emissions Aerosol UV index
Modelos de predicción de aerosoles JUEVES 11:30 12:30 Isabel Martínez Marco imartinezm@aemet.es
Sumario Introducción por qué modelos de aerosoles? Propiedades de los aerosoles Modelización de los procesos de aerosoles Emisiones Ciclo de vida en la atmósfera Deposición Modelo del ECMWF Vista rápida del sistema de análisis y predicción del MACC/ECMWF Validación
Esquema de un modelo de aerosoles
Modelización Matemáticamente, la evolución en el tiempo de la concentración en masa o del número de partículas de un trazador dado será: Donde: C es la concentración V es el viento Km es el coeficiente de difusión S representa las fuentes P representa las pérdidas o sumideros El sistema de ecuaciones tiene que ser resuelto numéricamente
Quick overview of the MACC/ECMWF aerosol analysis and forecasting system Forward model 12 aerosol-related prognostic variables: * 3 bins of sea-salt (0.03 0.5 5.0 20 µm) * 3 bins of dust (0.03 0.55 0.9 20 µm) * Black carbon (hydrophilic and phobic) * Organic carbon (hydrophilic and phobic) * SO 2 -> SO 4 Physical processes include: Analysis Integrated in the ECMWF incremental 4D-Var Control variable is formulated in terms of the total aerosol mixing ratio. Soon to come: fine and coarse mode. Increments in total mass are repartitioned into the single species according to their fractional contribution to the total. emission sources (some of which updated in NRT, i.e.fires), horizontal and vertical advection by dynamics, vertical advection by vertical diffusion and convection aerosol specific parameterizations for dry deposition, sedimentation, wet deposition by large-scale and convective precipitation, and hygroscopicity (SS, OM, BC, SO 4 ) Background error statistics have been computed using forecasts errors as in the NMC method (48h-24h forecast differences). Assimilated observations are the MODIS Aerosol Optical Depths (AODs) at 550 nm over land and ocean. Observation errors were originally prescribed fixed values and are now provided as part of the variational bias correction Morcrette et al., 2009, JGR Benedetti et al., 2009, JGR
Índices de calidad del aire JUEVES 16:30 17:00 Isabel Martínez Marco imartinezm@aemet.es
Definición del ICA en España Se pretende: Que sea un indicador simple Que proporcione niveles de calidad del aire comprensibles (el número de niveles queda por determinar) Que se base en los límites establecidos por la Unión Europea. Que tome como referencia la concentración horaria de O3, NO2, SO2, el promedio octohorario de CO y la concentración promedio diaria de PM10 y de PM2.5.
AQIH EPA Ireland
Polvo mineral atmosférico. Programa SDS-WAS VIERNES 09:00 10:00 Isabel Martínez Marco imartinezm@aemet.es
Ciclo del polvo El ciclo del polvo: Emisión Mezcla turbulenta Transporte Depósito seco/húmedo La emisión depende de: Textura del suelo Humedad del suelo Vegetación Viento Turbulencia capas bajas Efectos del polvo: Salud Tiempo y clima Tyransporte Energía Agricultura y pesca
Predicción Problemas Procesos a escalas muy diferentes Necesidad de predicción de viento muy precisa Falta de observaciones adecuadas para evaluación y aismilación Actividades SDS-WAS Comparación de modelos Generación de productos multi-modelo Evaluación conjunta de modelos Perspectiva futura: Modelos de alta resolución Mejora en la asimilación de datos Predicción a más largo plazo Parametrización de polvo en modelos NWP
Legislación y Normativa: PLAN AIRE 2013-2016 Isabel Martínez Marco imartinezm@aemet.es
Objetivo Mejorar la calidad de nuestro aire, de modo que, a su vez, se proteja la salud de las personas y el medio ambiente Objetivos Generales: 1. Diagnóstico de situación sobre la calidad del aire y techos nacionales de emisión 2. Garantizar el cumplimiento de la legislación nacional, europea e internacional en calidad del aire y emisión de contaminantes 3. Impulsar desde la AGE acciones complementarias y de coordinación en materias de calidad del aire 4. Reducir los niveles de emisión a la atmósfera 5. Fomentar la concienciación ciudadana y mejorar la información disponible
Marco Normativo Plan AIRE pretende dar respuesta a las obligaciones establecidas en la siguientes normativa/directivas Ley 34/2007, de calidad del aire y protección de la atmósfera: Real Decreto 102/2011, de 28 de enero, relativo a la mejora de la calidad del aire. Transpone: Directiva 2004/107/CE, 15 de diciembre de 2004, relativa al As, Cd, Hg, Ni y HAP Directiva 2008/50/CE, 21 de mayo de 2008, relativa a la calidad del aire ambiente y a una atmósfera más limpia Directiva 2001/81/CE, de 23 de octubre de 2001, sobre techos nacionales de emisión de determinados contaminantes Limita las emisiones de SO 2, NO X, COVNM y NH 3
Diagnóstico de la Situación Establecer un diagnóstico sobre el cumplimiento de las Directivas: Directiva 2004/107/CE y Directiva 2008/50/CE relativa a la mejora de la calidad del aire Evaluación de la Calidad del Aire Directiva 2001/81/CE sobre techos nacionales de emisión de determinados contaminantes Diagnóstico de Emisiones El diagnóstico debe reunir información sobre, al menos: Parámetros que superan límites legales Localización de las superaciones Estimación de la superficie afectada (km 2 ) Población expuesta a la contaminación Evolución de la contaminación en los últimos años Tipo de zona donde se produce la superación Origen de la contaminación y factores responsables